DE60216988T2 - Method and device for gas detection by means of absorption spectroscopy - Google Patents

Method and device for gas detection by means of absorption spectroscopy Download PDF

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    • G01N2021/399—Diode laser

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Ein übliches Mittel zur Verteilung von Energie auf der ganzen Welt ist die Übertragung von Gas, gewöhnlich von Erdgas, wobei in einigen Gebieten der Erde aber auch künstlich hergestellte Gase zur Verwendung in Häusern und Fabriken übertragen werden. Gas wird gewöhnlich durch unterirdische Rohrleitungen mit Verzweigungen übertragen, die in Häuser und andere Gebäude führen, um dort Energie für die Raumheizung und Warmwasserzubereitung bereitzustellen. In praktisch jeder großen Stadt der Welt gibt es viele tausend Kilometer an Gasrohrleitungen. Da Gas nur aufgrund seiner hohen Brennbarkeit nutzbar ist, sind Gaslecks eine ernste Angelegenheit. Aus diesem Grund wurde ein großer Aufwand für die Bereitstellung von Messgeräteausrüstungen betrieben, um kleine Gasmengen nachzuweisen, damit Lecks geortet werden können und Reparaturen möglich sind.A common one The means of distributing energy around the world is transmission of gas, usually of natural gas, although in some areas of the world but also artificial transferred gases for use in homes and factories become. Gas becomes common transmitted through subterranean pipelines with branches, in houses and other buildings to lead, to get energy for to provide the space heating and hot water preparation. In practical every big one City of the world there are many thousands of kilometers of gas pipelines. Since gas is usable only because of its high flammability, are Gas leaks a serious matter. Because of this, a lot of effort for the Provision of measuring equipment operated to detect small amounts of gas, thus locating leaks can be and repairs possible are.

Ein bekanntes und erfolgreiches System für den Nachweis kleiner Gasmengen in der Umwelt beinhaltet die Anwendung der Absorptionsspektroskopie. Im Rahmen dieser Technik wird ein Lichtstrahl einer ausgewählten Frequenz, die von dem jeweiligen Gas, für das das Instrument ausgelegt ist, stark absorbiert wird, durch eine Probe des Gases geleitet. Der Absorptionsgrad des Lichtstrahls wird als Indikator für den Konzentrationswert des Gases in der Probe genutzt. Ein Grundelement von Erdgas und der meisten künstlich hergestellten Gase für die Raumheizung und Warmwasserzubereitung auf der ganzen Welt ist Methan. Durch Initiieren eines Lichtstrahls mit einer Frequenz, die von Methan stark absorbiert wird, und Leiten des Strahls durch eine Gasprobe, kann der Konzentrationswert von Methan in der Gasprobe bestimmt werden.One well-known and successful system for the detection of small amounts of gas in the environment involves the application of absorption spectroscopy. As part of this technique, a light beam of a selected frequency, that of the particular gas, for that the instrument is designed to be strongly absorbed by a Passed sample of the gas. The degree of absorption of the light beam is as an indicator of used the concentration value of the gas in the sample. A basic element of natural gas and most artificial produced gases for the space heating and hot water preparation around the world is Methane. By initiating a light beam with a frequency, which is strongly absorbed by methane, and passing the jet through a Gas sample, can be the concentration value of methane in the gas sample be determined.

Zum Verbessern der Empfindlichkeit des Nachweises von geringen Konzentrationswerten von Gas durch spektrale Absorption ist es notwendig, den Lichtstrahl über einen relativ langen Gasprobenweg zu leiten. Anders ausgedrückt, mit der Zunahme der Länge des durch eine Probe strömenden Lichtstrahls wird die Empfindlichkeit des Instruments für den Nachweis sehr kleiner Gasanteile erhöht.To the Improve the sensitivity of detecting low concentration levels of gas by spectral absorption, it is necessary to use a beam of light over one to conduct relatively long Gasprobenweg. In other words, with the increase in length of the flowing through a sample Light beam is the sensitivity of the instrument for detection increased very small proportions of gas.

Es ist ohne weiteres verständlich, dass, wenn ein Strahl durch eine sehr lange Röhre geleitet würde, die eine Gasprobe enthält, die eine solche lange Röhre benötigenden Instrumente extrem unhandlich und daher nicht leicht zu tragen wären. Zur Lösung dieses Problems haben andere Systeme entwickelt, bei denen ein Lichtstrahl wiederholt zwischen gegenüberliegenden Spiegeln reflektiert wird, um so die Einwirkungsdauer des Strahls gegenüber einer Gasprobe zu verlängern, so dass die Größe des Instrumentes erheblich reduziert werden kann. Eine typische Absorptionszelle ist ein länglicher Zylinder, in dem Spiegel an gegenüberliegenden Enden angeordnet sind, wobei Licht durch ein Loch in einem der Spiegel in die Zellen geleitet wird. Für Hintergrundinformationen über die Verwendung optischer Vorrichtungen, die mehrere Durchläufe von Licht innerhalb einer Testzelle mit gegenüberliegenden Spiegeln vorsehen, wird auf den Artikel mit dem Titel „Long Optical Paths of Large Aperture" von J. White J. Opt. Soc. Am. Bd 32, S. 285-288, Mai 1942 verwiesen. Ein weiteres Beispiel für Hintergrundinformationen über dieses Thema hat den Titel „Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers" von Herriott et al. in Applied Optics, Bd. 3, Seiten 523-526. Ein weiterer Artikel von Herriott et al. mit dem Titel „Folded Optical Delay Lines" ist in Applied Optics, Bd. 4, S. 883-889, Aug. 1965 enthalten. Aufgrund der frühen Arbeit von Herriott in der Entwicklung der Lichtabsorptionsspektroskopie unter Verwendung einer Zelle mit gegenüberliegenden Spiegeln, in der ein Lichtstrahl wiederholt reflektiert wird, werden solche Instrumente oft als „Herriott-Zellen" bezeichnet. Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen und Innovationen im Hinblick auf Konstruktion, Betrieb und Gebrauch von Herriott-Zellen für den Nachweis eines gewählten Gases wie Methan. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme zum Nachweisen und Messen des Konzentrationswertes eines zuvor gewählten Gases mit einem Instrument bereit, das leichter zu tragen, robuster und empfindlicher als andere derzeit erhältliche Instrumente und Systeme ist.It is easily understood, that if a beam passed through a very long tube, the contains a gas sample, such a long tube requiring Instruments are extremely bulky and therefore not easy to carry. to solution This problem has been developed by other systems that use a beam of light repeated between opposite Reflecting is reflected, so the exposure time of the beam across from to extend a gas sample, so the size of the instrument can be significantly reduced. A typical absorption cell is a longish one Cylinder, arranged in the mirror at opposite ends are, passing light through a hole in one of the mirrors into the cells is directed. For Background information about the use of optical devices that allow multiple passes of Provide light inside a test cell with opposing mirrors, will refer to the article entitled "Long Optical Paths of Large Aperture "by J. White J. Opt. Soc. At the. Bd 32, pp. 285-288, May 1942. One another example of Background information about This theme has the title "Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers "by Herriott et al in Applied Optics, Vol. 3, pages 523-526. Another article by Herriott et al. titled "Folded Optical Delay Lines "is in Applied Optics, Vol. 4, pp. 883-889, Aug. 1965. by virtue of the early one Herriott's work in the development of light absorption spectroscopy using a cell with opposing mirrors in which a beam of light is reflected repeatedly, become such instruments often referred to as "Herriott cells" The present invention relates to improvements and innovations in the art Regarding the construction, operation and use of Herriott cells for the Proof of a selected Gases such as methane. In particular, the present invention provides Methods and systems for detecting and measuring the concentration value a previously chosen one Gases with an instrument ready, easier to carry, more robust and more sensitive than other currently available instruments and systems is.

Für weitere Hintergrundinformationen über die grundlegende Materie der vorliegenden Erfindung wird auf die folgenden zuvor ausgestellten US-Patente und andere Publikationen verwiesen:

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Figure 00040001
For further background information on the basic subject matter of the present invention, reference is made to the following US patents previously issued and other publications:
Figure 00030001
Figure 00040001

Andere Publikationen:Other publications:

  • „Folded Optical Delay Lines", Herriott et al., Applied Optics, Bd. 4, S. 883-8891, Aug. 1965."Folded Optical Delay Lines ", Herriott et al., Applied Optics, Vol. 4, pp. 883-8891, Aug. 1965.
  • "Laser Beams and Resonators", Kogelnik et al., Applied Optics, Bd. 5, Nr. 10, S. 1550-1567, Okt. 1996."Laser Beams and Resonators ", Kogelnik et al., Applied Optics, Vol. 5, No. 10, pp. 1550-1567, Oct. 1996.
  • "Narrow Optical Interference Fringes for Certain Setup Conditions in Multipass Absorption Cells of the Herriott Type", McManus et al., Applied Optics, 1. März 1990."Narrow Optical Interference Fringes for Certain Setup Conditions in Multipass Absorption Cells of the Herriott Type ", McManus et al., Applied Optics, March 1, 1990.
  • "Measurement of Water Vapor Pressure and Activity Using Infrared Diode Laser Absorption Spectroscopy", S.A. Bone, P.G. Cummins, P.B. Davies, S.A. Johnson, Applied Spectroscopy, Bd. 47, Nr. 6, 1993."Measurement of Water Vapor Pressure and Activity Using Infrared Diode Laser Absorption Spectroscopy ", S.A. Bone, P.G. Cummins, P.B. Davies, S.A. Johnson, Applied Spectroscopy, Vol. 47, No. 6, 1993.
  • "Diode-Laser Absorption Technique for Simultaneous Measurements of Multiple Gas Dynamic Parameters in High-speed Flows Containing Water Vapor", M.P. Arroyo, S. Langlois, R.K. Hanson; Applied Optics, Bd. 33, Nr. 15, S. 3296-3307, 1994."Diode-Laser Absorption Technique for Simultaneous Measurements of Multiple Gas Dynamic Parameters in High-speed Flows Containing Water Vapor ", M.P. Arroyo, S. Langlois, R.K. Hanson; Applied Optics, Vol. 33, No. 15, pp. 3296-3307, 1994th
  • "Diode Laser Measurements of H2O Line Intensities And Self-Broadening Coefficients in the 1,4 μm Region", S. Langlois, T.P. Birbeck und R.K. Hanson; Journal of Molecular Spectroscopy, Bd. 163, S. 27-42, 1994."Diode Laser Measurements of H 2 O Line Intensities and Self-Broadening Coefficients in the 1.4 μm Region", S. Langlois, TP Birbeck and RK Hanson; Journal of Molecular Spectroscopy, Vol. 163, pp. 27-42, 1994.
  • "Absorption Measurements of Water Vapor Concentration, Temperature and Lineshape Parameters Using a Tunable InGaAsP Diode Laser", M.P. Arroyo and R.K. Hanson; Applied Optics, Bd. 32, Nr. 30, S. 6104-6116, 1993."Absorption Measurements of Water Vapor Concentration, Temperature and Lineshape Parameters Using a Tunable InGaAsP Diode Laser ", M.P. Arroyo and R.K. Hanson; Applied Optics, Vol. 32, No. 30, p. 6104-6116, 1993.
  • "Infrared Diode Laser Determination of Trace Moisture in Gasses", J.A. Mucha, L.C. Barbalas, ISA Transactions, Bd. 25, Nr. 3, S. 25-30, 1986."Infrared diode Laser Determination of Trace Moisture in Gasses ", J. A. Mucha, L. C. Barbalas, ISA Transactions, Vol. 25, No. 3, pp. 25-30, 1986.
  • "Application of Tunable Diode Lasers in Control of High Pure Material Technologies", G.G. Devyatykhh, V.A. Khorshevh, G.A. Maksimovh, A.I. NadezhdiaskiiA, S.M. Shapinh, Vorabdruck."Application of Tunable Diode Lasers in Control of High Pure Material Technologies", GG Devyatykh h, VA Khorshev h, GA Maksimov h, AI Nadezhdiaskii A, SM Shapin h, preprint.
  • "Laser Absorption IR Spectrometer for Molecular Analysis of High Purity Volatile Substances. Detection of Trace Water Concentrations in Oxygen Argon and Monogermane", G.G. Devyatykh, G.A. Maksimov, A.I. Nadezhdinskii, V.A. Khorshev, S.H. Shapin; SPIE Bd. 1724 "Turnable Diode Laser Applications"."Laser absorption IR Spectrometer for Molecular Analysis of High Purity Volatile Substances. Detection of Trace Water Concentrations in Oxygen Argon and Monogermane ", G. G. Devyatykh, G.A. Maksimov, A.I. Nadezhdinskii, V.A. Khorshev, S.H. shapin; SPIE Bd. 1724 "Turnable Diode Laser Applications ".
  • "Application of FM Spectroscopy in Atmospheric Trace Gas Monitoring: A Study of Some Factors Influencing the Instrument Design", P. Werle, K. Josek und F. Slemr, SPIE Bd. 1433 "Measurement Of Atmospheric Gases", 1991."Application of FM Spectroscopy in Atmospheric Trace Gas Monitoring: A Study of Some Factors Influencing the Instrument Design ", P. Werle, K. Josek and F. Slemr, SPIE Vol. 1433 "Measurement Of Atmospheric Gases ", 1,991th
  • "Stable Isotope Analysis using Tunable Diode Laser Spectroscopy", Joseph F. Becker, Todd B. Sauke und Max. Loewenstein, Applied Optics, Bd. 31, Nr. 12, S. 1921-1927, 1992; "High Sensitivity Detection of Trace Gases using Sweep Integration and Tunable Diode Lasers", D.T. Cassidy und J. Reid, Applied Optics, Bd. 21, Nr. 14, 1982."Stable isotopes Analysis using Tunable Diode Laser Spectroscopy ", Joseph F. Becker, Todd B. Sauke and Max. Loewenstein, Applied Optics, Vol. 31, No. 12, pp. 1921-1927, 1992; "High Sensitivity Detection of Trace Gases using Sweep Integration and Tunable Diode Lasers ", D.T. Cassidy and J. Reid, Applied Optics, Vol. 21, No. 14, 1982.
  • "Atmospheric Pressure Monitoring of Trace Gases using Tunable Diode Lasers", D.T. Cassidy und J. Reid, Applied Optics, Bd. 21, Nr. 7, 1982."Atmospheric Pressure Monitoring of Trace Gases using Tunable Diode Lasers", DT Cassidy and J. Reid, Ap Plied Optics, Vol. 21, No. 7, 1982.
  • "Near Infrared Diode Lasers Measure Greenhouse Gases", A. Stanton, C. Hovde, Laser Focus World, August 1992."Near Infrared Diode Lasers Measure Greenhouse Gases ", A. Stanton, C. Hovde, Laser Focus World, August 1992.
  • "Airborne Measurements of Humidity Using A Single Mode Pb Salt Diode Laser", Joel A. Silver und Alan C. Stanton, Applied Optics, Bd. 26, Nr. 13, 1987."Airborne Measurements of Humidity Using A Single Mode Pb Salt Diode Laser ", Joel A. Silver and Alan C. Stanton, Applied Optics, Vol. 26, No. 13, 1987.
  • "Diode Laser Spectroscopy for On Line Chemical Analysis", David S. Bomse, David C. Hovde, Daniel B. Oh. Jocl A. Silver und Alan C. Stanton, SPIE Bd 1681, "Optically Based Method for Process Analysis", 1992."Diode laser Spectroscopy for On-Line Chemical Analysis ", David S. Bomse, David C. Hovde, Daniel Oh. Jocl A. Silver and Alan C. Stanton, SPIE Bd 1681, "Optically Based Method for Process Analysis ", 1,992th
  • "Two-mirror Multipass Absorption Cell", J. Altmann, R. Baumgart und C. Weitkamp; Applied Optics, Bd. 20, Nr. 6, 1981."Two-mirror Multipass Absorption Cell ", J. Altmann, R. Baumgart and C. Weitkamp; Applied Optics, Vol. 20, No. 6, 1981.
  • "Long Optical Paths of Large Aperture", J. White; J. Opt. Soc. Am. Bd. 32, S. 285-288, Mai 1942."Long Optical Paths of Large Aperture ", J. White; J. Opt. Soc. At the. Vol. 32, pp. 285-288, May 1942.
  • "Folded Optical Delay Lines", Herriott et al.; Applied Optics, Bd. 4, S. 883-889, Aug. 1965."Folded Optical Delay Lines, "Herriott et al .; Applied Optics, Vol. 4, pp. 883-889, Aug. 1965.
  • "Off Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers", D. Herriott, H. Kogelnik, R. Komper; Applied Optics, Bd. 3, Nr. 4, 1964."Off Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers ", D. Herriott, H. Kogelnik, R. Komper; Applied Optics, Vol. 3, No. 4, 1964.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSHORT SUMMARY THE INVENTION

Ein Verfahren zum Nachweisen eines zuvor gewählten Gases wie Methan beinhaltet die Schritte des kontinuierlichen Bewegens eines Stroms von Probengas durch einen begrenzten Testbereich innerhalb eines Nachweisinstruments. Eine Lichtquelle wie eine Laseremissionsdiode oder eine Lichtemissionsdiode wird innerhalb des Prüfinstruments gespeist, um einen Strahl mit einer Frequenz auszusenden, die von dem zuvor gewählten Gas stark absorbiert wird. Der Strahl wird durch den Gasstrom innerhalb des begrenzten Testbereichs geleitet, indem der Strahl wiederholt zwischen voneinander beabstandeten Spiegeln in einer Herriott-Zelle springen gelassen wird, so dass die Wegstreckenlänge des Strahls innerhalb des Testgases stark ausgedehnt wird. Die Absorption des Strahls wird gemessen, um einen Hinweis auf die Anwesenheit des zuvor gewählten Gases zu erhalten.One Method for detecting a previously selected gas such as methane includes the steps of continuously moving a stream of sample gas through a limited test area within a detection instrument. A light source such as a laser emitting diode or a light emitting diode will be within the test instrument fed to emit a beam at a frequency of the previously selected Gas is absorbed strongly. The jet is going through the gas flow inside passed the limited test area by the beam repeated between spaced mirrors in a Herriott cell is jumped so that the path length of the beam within the Test gas is greatly expanded. The absorption of the beam is measured to indicate the presence of the previously selected gas to obtain.

Die Frequenz des von einer typischen Lichtquelle, wie eine Laserdiode oder Lichtemissionsdiode, ausgestrahlten Lichtes wird von der Temperatur der Lichtquelle beeinflusst, so dass die Temperatur geregelt werden muss. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Probengasstrom, nachdem er den Testbereich passiert hat, an einer Wärmeregelungsbaugruppe vorbei geführt.The Frequency of a typical light source, such as a laser diode or light emitting diode, emitted light is from the temperature the light source is affected so that the temperature can be regulated got to. In one embodiment of the present invention, the Sample gas stream after it has passed the test area at one Heat control assembly passed by.

Die Wärmeregelungsbaugruppe beinhaltet einen Kühlkörper mit Kühlrippen, die dem Probengasstrom ausgesetzt werden, wobei die Lichtquelle in Kontakt mit einem Peltier-Element montiert ist, das wiederum mit dem Kühlkörper in einer Wärmeleitbeziehung ist. Ein Thermistor fühlt die Temperatur des Kühlkörpers und sendet ein Steuersignal zu einem Mikroprozessor, der wiederum Temperaturabgleichbefehle zu einer Energiequelle sendet, die dann abgeglichenen Strom zum Peltier sendet, das die Temperatur der Lichtquelle abgleicht.The Heat control assembly includes a heat sink with Cooling fins, which are exposed to the sample gas stream, the light source in contact with a Peltier element mounted, in turn, with the heat sink in a heat conduction relationship is. A thermistor feels the temperature of the heat sink and sends a control signal to a microprocessor, which in turn sends temperature adjustment commands sends to a power source, which then adjusted current to Peltier sends, which adjusts the temperature of the light source.

Die im Gasnachweisinstrument der vorliegenden Erfindung verwendete Herriott-Zelle wird durch den Einbau eines zentralen Achsenelements, das einen begrenzten ringförmigen Testbereich für das Probengas bietet, durch das sich der Lichtstrahl bewegt, erheblich verbessert.The Herriott cell used in the gas detection instrument of the present invention is achieved by installing a central axis element, the one limited annular Test area for The sample gas through which the light beam moves, significantly improved.

Es wird ein System bereitgestellt, das drei Fotodetektoren einsetzt – das heißt: (a) einen Referenzfotodetektor; (b) einen Mehrwegfotodetektor; und (c) einen Einzel- oder Direktwegfotodetektor. Durch die Verwendung von Messungen der drei Referenzfotodetektoren kann die Konzentration von Gas in der Testprobe mit einer Genauigkeit über einen größeren Bereich bestimmt werden, als dies typischerweise mit existierenden Messgeräten möglich ist.It provides a system that uses three photodetectors - that is: (a) a reference photo detector; (b) a multipath photodetector; and (c) a single or direct path photodetector. By the use of Measurements of the three reference photodetectors can increase the concentration of gas in the test sample with accuracy over a larger area be determined than is typically possible with existing meters.

Die hierin verwendete Herriott-Absorptionsspektroskopiezelle ist auf bedeutende Weise verbessert, einschließlich der Vorkehrung, nach der ein Lichtstrahl durch eine Apertur in einem ersten Spiegel eintritt und nach mehreren Durchgängen durch eine Apertur in einem zweiten Spiegel austritt, um auf einen Fotodetektor mit Mehrfachdurchgang zu treffen. Gleichzeitig werden Vorkehrungen für die Messung der Absorption nach einem einzigen Durchgang des Lichtstrahls getroffen. Eine Aktivierung des Referenzfotodetektors wird durch ein Strahlenteilerfenster erreicht.The Herriott absorption spectroscopy cell used herein is on significantly improved, including the provision, after a light beam entering through an aperture in a first mirror and after several passes through an aperture in a second mirror leaking to one Photodetector with multiple pass to meet. At the same time Arrangements for the measurement of absorption after a single pass of the light beam met. Activation of the reference photodetector is by reaches a beam splitter window.

Die vorliegende Erfindung stellt ein leicht zu tragendes und dennoch robustes System bereit, das ohne weiteres zur Montage in einem Fahrzeug adaptiert werden kann, so dass kontinuierlich Testproben aus der Umgebung genommen und durch das Testsystem zirkuliert werden können, während sich das Fahrzeug bewegt, damit ein Bediener ein relativ großes geographisches Gebiet schnell überprüfen kann. Dieses in einem Fahrzeug eingesetzte, leicht zu tragende System liefert Anzeigen, die mit einem globalen Positionierungsmonitor koordiniert werden, so dass Gasniveauintensitäten eines geographischen Gebiets schnell und akkurat kartographiert werden können.The present invention provides an easy-to-carry yet robust system that can be readily adapted for mounting in a vehicle so that test samples can be continuously taken from the environment and circulated through the test system while the vehicle is moving Operator can quickly check a relatively large geographical area. This vehicle-mounted, easy-to-carry system provides displays that are coordinated with a global positioning monitor so that gas level intensities of a geographic area can be measured quickly and accurately can be mapped.

Die Erfindung wird anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Ansprüche in Verbindung mit den Begleitzeichnungen verständlicher.The Invention will become apparent from the following detailed description and the claims in conjunction with the accompanying drawings more understandable.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSUMMARY THE DRAWINGS

1 ist eine schematische Darstellung der Grundelemente des Systems der vorliegenden Erfindung zum Nachweisen von Gas durch Lichtabsorptionsspektroskopie. Das erfindungsgemäße System kann zum Nachweisen extrem niedriger Konzentrationen eines ausgewählten Gases wie Methan eingesetzt werden. Das System ist durch seine Tragfähigkeit und Robustheit gekennzeichnet. Es kann entweder in eine geschlossene oder begrenzte Umgebung gebracht oder in einem sich bewegenden Fahrzeug eingesetzt werden, wodurch Karten erzeugt werden können, die die Gaskonzentrationswerte geographischer Gebiete darstellen. 1 Figure 4 is a schematic representation of the basic elements of the system of the present invention for detecting gas by light absorption spectroscopy. The system of the invention can be used to detect extremely low concentrations of a selected gas, such as methane. The system is characterized by its capacity and robustness. It can either be placed in a closed or confined environment or used in a moving vehicle, which can generate maps representing the gas concentration values of geographic areas.

2 ist eine teilweise Querschnittsdarstellung des vorderen Endabschnitts einer Herriott-Gasnachweiszelle mit Verbesserungen gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur ist ein Lichtstrahlausrichtungssystem mit Schwenkplatten dargestellt. 2 Figure 10 is a partial cross-sectional view of the forward end portion of a Herriott gas detection cell with improvements according to the present invention. In this figure, a light beam alignment system is shown with pivot plates.

3 ist eine Querschnittsdarstellung einer verbesserten Herriott-Zelle zur Verwendung beim Nachweisen von Gaskonzentrationen durch Lichtabsorptionsspektroskopie, die die von der vorliegenden Erfindung erbrachten Verbesserungen darstellt. 3 Figure 4 is a cross-sectional view of an improved Herriott cell for use in detecting gas concentrations by light absorption spectroscopy, which is the improvement provided by the present invention.

4 ist eine Seitenansicht der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Gasnachweiszelle, die das äußere Erscheinungsbild der Zelle mit angebrachter Abdeckkomponente darstellt, wobei ein ringförmig geformter Gashohlraum in der Zelle vorgesehen ist, durch den das Probengas strömt. 4 Fig. 10 is a side view of the gas detection cell used in the present invention, illustrating the appearance of the cover-attached cell, wherein an annularly shaped gas cavity is provided in the cell through which the sample gas flows.

5 ist eine Seitenansicht entlang der Linie 5-5 aus 4, die die Gasnachweiszelle zeigt, die mit Bezug auf die Ansicht aus 4 um 90° um ihre Achse gedreht ist. 5 stellt den mittleren Abschnitt der Zelle im Querschnitt dar, um den ringförmigen Gasprobendurchlass zu zeigen. 5 is a side view along the line 5-5 off 4 showing the gas detection cell with respect to the view 4 rotated by 90 ° about its axis. 5 represents the central portion of the cell in cross-section to show the annular Gasprobendurchlass.

6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 aus 5. In dieser Figur sind die Gehäusehüllen, die in den 4 und 5 gezeigt werden, nicht dargestellt. 6 is a cross-sectional view taken along the line 6-6 5 , In this figure, the case shells which are in the 4 and 5 are shown, not shown.

7 ist eine auseinander gezogene Ansicht des vorderen Teils der Zelle, in dem die Lichtquelle, wie z.B. eine Laserdiode, untergebracht ist, die die Tragstruktur darstellt, die die Ausrichtung des Strahls für den Eintritt in den Probengashohlraum erbringt. 7 FIG. 10 is an exploded view of the front portion of the cell housing the light source, such as a laser diode, that represents the support structure that provides the orientation of the beam for entry into the sample gas cavity.

8 ist eine schematische Ansicht der Beziehung zwischen einer Laserdiode und zugehörigen Elementen, über die die Temperatur der Diode geregelt wird. 8th Fig. 12 is a schematic view of the relationship between a laser diode and associated elements that regulate the temperature of the diode.

9 ist eine schematische Darstellung des Wegs, den der Lichtstrahl innerhalb des ringförmigen Hohlraums in der Zelle zurücklegt, wenn der Strahl von gegenüberliegenden Spiegeln wiederholt reflektiert wird, um sich innerhalb des ringförmig geformten Probengashohlraums hin und her zu bewegen, wodurch ein Mittel für eine akkurate Messung der Absorption des Strahls durch das Probengas innerhalb der Zelle bereitgestellt wird. 9 FIG. 12 is a schematic representation of the path the light beam travels within the annular cavity in the cell as the beam is repeatedly reflected by opposing mirrors to reciprocate within the annularly shaped sample gas cavity, providing a means for accurate measurement of the Absorption of the beam is provided by the sample gas within the cell.

10 ist ein Blockdiagramm der Komponenten, die zur Regelung der Temperatur der mit der Herriott-Zelle verwendeten Lichtquelle verwendet werden, um eine höhere Genauigkeit des Systems zum Nachweisen eines ausgewählten Gases zu erreichen. 10 Figure 10 is a block diagram of the components used to control the temperature of the light source used with the Herriott cell to achieve greater accuracy of the system for detecting a selected gas.

11 ist eine isometrische Außenansicht einer Gasnachweiszelle mit einem Lichtstrahlausrichtungssystem, das Schwenkplatten einsetzt. 11 Figure 11 is an external isometric view of a gas detection cell with a light beam alignment system employing pivot plates.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Die Zeichnungen, und zunächst 1, zeigen ein Blockdiagramm der Hauptkomponenten eines Systems, das zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Kernstück des Systems ist eine Zelle 10, die im Folgenden ausführlich beschrieben wird und die eine Umgebung bereitstellt, in der ein Lichtstrahl 12 durch eine Gasprobe strömt und in der die Absorption des Lichtstrahls gemessen wird.The drawings, and first 1 10, 12 show a block diagram of the major components of a system that can be used to implement the methods of the invention. The heart of the system is a cell 10 , which is described in detail below and which provides an environment in which a light beam 12 flows through a gas sample and in which the absorption of the light beam is measured.

Es wird die Erfindung beschrieben, bei der ein Lichtstrahl von einer Laserdiode erzeugt wird, wobei es sich bei dem Lichtstrahl 12 um einen Laserlichtstrahl handelt. Die Erfindung kann jedoch auch mit einer Lichtquelle ausgeführt werden, die einen nichtkohärenten Lichtstrahl erzeugt. Ein Beispiel für eine nichtkohärente Lichtquelle ist eine Leuchtdiode (LED). Eine Laserdiode erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl, d.h. einen Strahl aus Licht mit im Wesentlichen gleichmäßiger Frequenz und mit der Eigenschaft, dass sich der Laserlichtstrahl nicht im selben Ausmaß wie ein nichtkohärenter Lichtstrahl ausbreitet. Die Verwendung eines Laserstrahls, wie ein von einer Laserdiode erzeugter, ist von Vorteil, allerdings ist die Verwendung einer Laserdiode nicht notwendig. Laserdioden sind im Vergleich zu LEDs jedoch teuer. In einigen Anwendungsbereichen arbeiten LEDs zufriedenstellend. In der gesamten vorliegenden Beschreibung schließen die Begriffe „Laserstrahl" oder „Laserdiode" „Lichtstrahl" oder „LED" ein.The invention will be described in which a light beam is generated by a laser diode, wherein the light beam 12 is a laser light beam. However, the invention may also be practiced with a light source that produces a non-coherent light beam. An example of a non-coherent light source is a light emitting diode (LED). A laser diode produces a coherent light beam, ie a beam of light of substantially uniform frequency and having the property that the laser light beam does not propagate to the same extent as a non-coherent light beam. The use of a laser beam, such as one generated by a laser diode, is advantageous, however, the use of a laser diode is not necessary. However, laser diodes are expensive compared to LEDs. LEDs work satisfactorily in some applications. Throughout the present specification, the terms "laser beam" or "laser diode" include "light beam" or "LED".

Die Zelle 10 trägt eine Struktur, die eine Laserdiode 14 beinhaltet, die, wenn sie erregt wird, einen Laserstrahl 12 produziert. Laserdioden des mit 14 gekennzeichneten Typs sind temperaturempfindlich. Das heißt, die Frequenz des von der Diode 14 produzierten Laserlichts variiert je nach der Temperatur der Diode. Für eine akkurate Messung ist es wichtig, dass die Frequenz des Laserstrahls 12 innerhalb eines recht engen Bereichs geregelt wird, was wiederum bedeutet, dass die Temperatur der Laserdiode 14 geregelt werden muss. Zu diesem Zweck wird ein Temperaturregelsystem verwendet, das allgemein mit dem Block 16 dargestellt ist und im Folgenden ausführlich beschrieben wird.The cell 10 carries a structure that is a laser diode 14 which, when excited, produces a laser beam 12 produced. Laser diodes of the 14 labeled type are temperature sensitive. That is, the frequency of the diode 14 produced laser light varies depending on the temperature of the diode. For an accurate measurement, it is important that the frequency of the laser beam 12 is controlled within a fairly narrow range, which in turn means that the temperature of the laser diode 14 must be regulated. For this purpose, a temperature control system is used, generally with the block 16 is shown and described in detail below.

Die vorliegende Erfindung funktioniert, indem der Laserstrahl 12 durch eine Gasprobe bewegt und der Konzentrationswert eines gewählten Gases in der Gasprobe durch Messen der Absorption des Laserstrahls bestimmt wird. Diese Technik wird allgemein als „Laserabsorptionsspektroskopie" bezeichnet. Die Zelle 10, einschließlich der in Bezug auf sie befestigten Komponenten, bildet ein abstimmbares Laserdiodenabsorptionsspektroskop. Es sind Durchflusskanäle vorgesehen, über die eine Gasprobe durch die Zelle 10 bewegt wird. Das Probengas strömt über einen Einlass 18 in der Einlassröhre 20 hinein und strömt durch den Filter 22 in das Innere der Zelle 10. Das Gas strömt durch die Zelle 10 zu einer Auslassröhre 24, die mit dem Temperaturregelsystem 16 verbunden ist. Gas wird durch das System mittels einer Gaspumpe 26 zu einer Austragröhre 28 bewegt, über die die Gasprobe in die Umgebung zurückgeführt wird.The present invention works by the laser beam 12 is moved through a gas sample and the concentration value of a selected gas in the gas sample is determined by measuring the absorption of the laser beam. This technique is commonly referred to as "laser absorption spectroscopy." The cell 10 , including the components attached to them, forms a tunable laser diode absorption spectroscope. There are flow channels through which a gas sample passes through the cell 10 is moved. The sample gas flows through an inlet 18 in the inlet tube 20 into it and flows through the filter 22 into the interior of the cell 10 , The gas flows through the cell 10 to an outlet tube 24 that with the temperature control system 16 connected is. Gas is passed through the system by means of a gas pump 26 to a discharge tube 28 moves, over which the gas sample is returned to the environment.

Der Laserstrahl 12 strömt durch ein Fenster (wird anschließend beschrieben). Ein Teil des Strahls strömt durch eine Apertur 30 in einem ersten Spiegel 44. Die Ziffer 12A stellt den ersten Durchgang des Strahls im Innern der Zelle 10 dar. Ein Teil des Laserstrahls 12 wird von dem Fenster reflektiert, wobei der reflektierte Strahl mit der Ziffer 12B angedeutet ist. Ein Fotodetektor 23 ist so angeordnet, dass er die Interzeption des reflektierten Strahls 12B empfängt und ein elektrisches Signal erzeugt, das die Intensität des Laserstrahls 12 repräsentiert. Das elektrische Signal vom Fotodetektor 32 wird über den Leiter 34 zu einem Verstärker 36 übertragen, der eine Analog-Digital-Wandlerschaltung 38 speist, die ein referenziertes Digitaleingangssignal über den Leiter 40 liefert, der einen Mikroprozessor 42 speist.The laser beam 12 flows through a window (to be described later). Part of the jet flows through an aperture 30 in a first mirror 44 , The numeral 12A represents the first passage of the beam inside the cell 10 dar. A part of the laser beam 12 is reflected from the window, with the reflected beam with the digit 12B is indicated. A photodetector 23 is arranged so that it is the interception of the reflected beam 12B receives and generates an electrical signal indicating the intensity of the laser beam 12 represents. The electrical signal from the photodetector 32 gets over the ladder 34 to an amplifier 36 transmitted, which is an analog-to-digital converter circuit 38 feeds a referenced digital input signal over the conductor 40 which supplies a microprocessor 42 fed.

Die Zelle 10 ist von einem Typ, der allgemein als „Herriott"-Zelle bekannt ist. Diese Bezeichnung stammt von dem Erfinder einer Zelle, die gegenüberliegende Spiegel verwendet, die einen Lichtstrahl zwischen sich hin und her reflektieren, damit ein relativ langer Weg in einem verhältnismäßig kürzeren Instrument erhalten werden kann, und in der der Weg in einem kreisförmigen Muster vorliegt. Die Zelle 10 der vorliegenden Erfindung ist zwar im Allgemeinen vom „Herriott"-Typ, doch weist sie viele Verbesserungen und Innovationen auf, die im Folgenden ausführlich beschrieben werden.The cell 10 is of a type commonly known as the "Herriott" cell, a name originating from the inventor of a cell using opposing mirrors which reflect a beam of light between itself and thus a relatively long path in a relatively shorter instrument and in which the path is in a circular pattern 10 While the present invention is generally of the Herriott type, it has many improvements and innovations that will be described in detail below.

Die Zell 10 verwendet einen ersten Spiegel 44 und einen gegenüberliegenden zweiten Spiegel 46. Eine kleine Apertur 30 ist in dem ersten Spiegel 44 vorgesehen, durch die der Laserstrahl passiert und den Strahl 12A innerhalb der Zelle bildet, der zuerst auf den zweiten Spiegel 46 trifft. Der Strahl 12A wird zwischen den Spiegeln 44 und 46 mehrere Male aufeinander folgend reflektiert, bevor er den zweiten Spiegel 46 durch eine kleine Apertur 48 verlässt. Der Austrittsstrahl 50 trifft auf einen zweiten Fotodetektor 52, der ein Signal an den Leiter 54 anlegt, der eine Verstärkerschaltung 56 speist, die einen zweiten Analog-Digital-Wandler 58 speist, der ein Digitalsignal an den Leiter 60 anlegt, der zum Mikroprozessor 42 führt.The cell 10 uses a first mirror 44 and an opposite second mirror 46 , A small aperture 30 is in the first mirror 44 provided, through which the laser beam passes and the beam 12A inside the cell, the first on the second mirror 46 meets. The beam 12A will be between the mirrors 44 and 46 Reflected consecutively several times before passing the second mirror 46 through a small aperture 48 leaves. The exit jet 50 meets a second photodetector 52 that sends a signal to the conductor 54 applies, an amplifier circuit 56 feeds a second analog-to-digital converter 58 feeds a digital signal to the conductor 60 applies to the microprocessor 42 leads.

Die Verfahren und Systeme zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren werden zum Nachweisen gewählter Gase wie Methan, Butan, Propan, Ethan, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, H2O, Hydrogenfluorid, Hydrogenchlorid, Hydrogenborid, Hydrogensulfid, Ammoniak, CO, CO2, NO, NO2 und SF6 verwendet. Das System kann zum Nachweisen verschiedener ausgewählter Gase adaptiert werden, indem die Laserdiode durch eine solche ersetzt wird, die die Frequenz von Licht produziert, die von dem Gas von Interesse am ehesten absorbiert wird. Wird eine Leuchtdiode (anstelle einer Laserdiode) verwendet, dann kann das von ihr produzierte breitere Lichtspektrum mehr verschiedene Gase nachweisen, allerdings gewöhnlich bei höheren Konzentrationen. Das System wird in der Form beschrieben, in der es besonders zum Nachweisen von Methangas von Nutzen ist, da Methan die Grundkomponente von Erdgas und den meisten künstlich hergestellten Brenngasen ist. Kommt es in einem Gasverteilungssystem zu einem Leck, so kann es gewöhnlich durch Nachweisen der Anwesenheit von Methan geortet werden. Folglich setzt die Zelle 10 eine Laserdiode 14 ein, die einen Strahl produziert, der durch eine Frequenz gekennzeichnet ist, die einem hohen Absorptionsgrad durch Methan entspricht. Probengas wird durch den Einlass 18 eingesaugt und strömt über die Einlassröhre 20 in und durch die Zelle 10, absorbiert, d.h. verringert die Intensität des Lichtstrahls 12A im Verhältnis zu der im Probengas enthaltenen Methanmenge.The methods and systems for practicing the methods of the invention are used to detect selected gases such as methane, butane, propane, ethane, oxygen, hydrogen, nitrogen, H 2 O, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen boride, hydrogen sulfide, ammonia, CO, CO 2 , NO, NO 2 and SF 6 are used. The system can be adapted to detect various selected gases by replacing the laser diode with one that produces the frequency of light most likely to be absorbed by the gas of interest. If a light-emitting diode (instead of a laser diode) is used, then the wider light spectrum it produces can detect more different gases, but usually at higher con concentrations. The system is described in the form in which it is particularly useful for the detection of methane gas, since methane is the basic component of natural gas and most man-made fuel gases. If a leak occurs in a gas distribution system, it can usually be located by detecting the presence of methane. Consequently, the cell continues 10 a laser diode 14 one which produces a beam characterized by a frequency corresponding to a high degree of absorption by methane. Sample gas is through the inlet 18 sucked in and flows over the inlet tube 20 in and through the cell 10 , that is, reduces the intensity of the light beam 12A in relation to the amount of methane contained in the sample gas.

Der Lichtstrahl 50 strömt aus der Apertur 48 in dem zweiten Spiegel 46, nachdem er viele Male zwischen den Spiegeln 44 und 46 reflektiert wurde. Im Folgenden wird beschrieben, wie dies erreicht wird. Die Tatsache, dass der Strahl 12A zwischen seinem Eintritt in die Zelle 10 und seinem Austritt durch die Apertur 48 mehrere Reflektionen erfährt, bedeutet, dass er einen relativ langen Weg zurücklegt, der einem Vielfachen der Länge der Zelle 10 entspricht, was wiederum bedeutet, dass reichlich Gelegenheit zur Absorption des Lichtstrahls durch die Anwesenheit von Methan in der Gasprobe geboten wird.The light beam 50 flows out of the aperture 48 in the second mirror 46 after many times between the mirrors 44 and 46 was reflected. The following describes how this is achieved. The fact that the beam 12A between his entry into the cell 10 and its exit through the aperture 48 experiencing multiple reflections means that it travels a relatively long distance, many times the length of the cell 10 which, in turn, means there is ample opportunity to absorb the light beam by the presence of methane in the gas sample.

Durch Vergleichen der Intensität des Signals auf dem Leiter 34 mit dem auf dem Leiter 54 kann die Methankonzentration in dem durch die Zelle 10 strömenden Probengas ermittelt werden. Durch eine akkurate Verarbeitung im Mikroprozessor 42 kann die in dem durch die Zelle 10 strömenden Probengas enthaltene Methanmenge mit hoher Genauigkeit bestimmt und zum Beispiel in Teile je Million Teile ausgedrückt werden. Die Anwesenheit von Methan kann mit einer Empfindlichkeit von nur ein paar Teilen je Million Teile oder im Idealfall sogar mit einer Empfindlichkeit von einem oder weniger als einem Teil je Million Teile nachgewiesen werden.By comparing the intensity of the signal on the conductor 34 with that on the ladder 54 can the methane concentration in the cell 10 flowing sample gas can be determined. By an accurate processing in the microprocessor 42 Can that be in the cell 10 amount of methane contained in the sample gas is determined with high accuracy and expressed in parts per million The presence of methane can be detected with sensitivity of only a few parts per million parts or, ideally, even with a sensitivity of one or less than one part per million parts.

Wie zuvor erwähnt, strömt der vom Laser 14 ausgehende Strahl 12 durch eine erste Apertur 30 im ersten Spiegel 44, um den Strahl 12A in der Zelle zu erzeugen. Wenn der Laserstrahl 12A bei seiner ersten Passage in der Zelle 10 auf den zweiten Spiegel 46 trifft, wird der größte Teil der Strahlintensität zurück in Richtung auf den ersten Spiegel 44 reflektiert und anschließend wiederholt zwischen dem ersten Spiegel 44 und dem zweiten Spiegel 46 reflektiert, um schließlich als Austrittsstrahl 50 durch das zweite Fenster 48 auszutreten. Wenn der Strahl 12A auf den zweiten Spiegel 46 trifft, gelangt jedoch ein kleiner Teil der Intensität des Strahls durch den Spiegel, obwohl weder eine Apertur noch ein Fenster vorgesehen ist, da die meisten Spiegeloberflächen nicht zu 100 % reflektierend sind. Der Teil des Lichtstrahls 12A, der durch den zweiten Spiegel 46 geht, erzeugt einen zweiten Austrittsstrahl 62, der auf einen dritten Fotodetektor 64 trifft. Dadurch wird ein elektrisches Signal auf dem Leiter 66 erzeugt, das zu einem dritten Verstärker 68 gesendet wird, der einen Analog-Digital-Wandler 70 speist, der ein Digitalsignal über den Leiter 72 zum Mikroprozessor 42 sendet. Die Verwendung von zwei separaten Austrittsstrahlen 50 und 62, die von der Zelle 10 ausgehen, um die Fotodetektoren 52 und 64 zu aktivieren, ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung. Es ist offensichtlich, dass nur Signale, die auf den den Mikroprozessor 42 speisenden Leitern 40 und 60 auftreten, zum Messen geringer Methankonzentrationen in dem durch die Zelle 10 strömenden Gas erforderlich sind. Der Nachweis sehr geringer Methananteile in dem Probengas ist wichtig, und dies wird durch die Verwendung eines langen Lichtwegs für den Laserstrahl erreicht, bevor der Strahl durch das Fenster 48 austritt; diese Anordnung ist jedoch nicht erfolgreich, wenn ein Methannachweis in größerem Maßstab erforderlich ist. Ist Methan in einem relativ hohen Anteil in dem durch die Zelle strömenden Probengas vorhanden, dann wird der Laserstrahl im Wesentlichen vollständig absorbiert, bevor er durch das Fenster 48 austritt, so dass eine unzureichende Intensität des Strahls zur Verwendung bei der Berechnung des prozentualen Anteils von Methan bei höheren Konzentrationen in der Gasprobe übrig bleibt. Dieses Problem wird durch die Verwendung des dritten Fotodetektors 64 gelöst. Der zweite Austrittsstrahl 62 legt eine relativ kurze Strecke durch die Gasprobe zurück, folglich wird der Strahl 62 in einem Grad gedämpft, der eine Messung ermöglichen kann, selbst wenn der prozentuale Anteil von Methan im Testgas ein Vielfaches über dem liegt, der mit dem Fotodetektor 52 nachweisbar ist. Mit anderen Worten, durch die Verwendung von zwei separaten Austrittsstrahlen 50 und 62, einer mit einem kurzen Lichtweg im Testgas und der andere mit einem langen Lichtweg, entsteht ein System mit stark vergrößertem Konzentrationsbereich von messbarem Methan.As previously mentioned, it flows from the laser 14 outgoing beam 12 through a first aperture 30 in the first mirror 44 to the beam 12A in the cell. When the laser beam 12A at his first passage in the cell 10 on the second mirror 46 the majority of the beam intensity is returned towards the first mirror 44 reflected and then repeated between the first mirror 44 and the second mirror 46 reflected, finally, as an exit beam 50 through the second window 48 withdraw. If the beam 12A on the second mirror 46 However, a small portion of the intensity of the beam passes through the mirror, although neither an aperture nor a window is provided, since most mirror surfaces are not 100% reflective. The part of the light beam 12A passing through the second mirror 46 goes, creates a second exit jet 62 pointing at a third photodetector 64 meets. This will cause an electrical signal on the conductor 66 generated that to a third amplifier 68 is sent, which is an analog-to-digital converter 70 feeds a digital signal over the conductor 72 to the microprocessor 42 sends. The use of two separate exit jets 50 and 62 that from the cell 10 go out to the photodetectors 52 and 64 to activate is an important feature of the present invention. It is obvious that only signals that are on the the microprocessor 42 feeding ladders 40 and 60 occur to measure low methane concentrations in the cell 10 flowing gas are required. The detection of very low levels of methane in the sample gas is important and this is achieved by using a long path of light for the laser beam before the beam passes through the window 48 exit; however, this arrangement is unsuccessful when methane detection is required on a larger scale. If methane is present in a relatively high proportion in the sample gas flowing through the cell, then the laser beam is substantially completely absorbed before passing through the window 48 so that insufficient beam intensity is left for use in calculating the percentage of methane at higher concentrations in the gas sample. This problem is caused by the use of the third photodetector 64 solved. The second exit jet 62 travels a relatively short distance through the gas sample, hence the beam 62 attenuated to a degree that may allow for measurement, even if the percentage of methane in the test gas is many times greater than that with the photodetector 52 is detectable. In other words, by using two separate exit jets 50 and 62 one with a short light path in the test gas and the other with a long light path, creates a system with a greatly increased concentration range of measurable methane.

In der bevorzugten Praxis der Erfindung wird der Laserlichtstrahl 12 nicht durch eine gleichmäßige Spannung erregt, um einen konstanten Strahl zu produzieren, sondern stattdessen wird der Laser 14 mit einem sägezahnwellenförmigen Strom gepulst. Jede Pulsierung der Laserdiode 14 erzeugt einen Impulslaserstrahl 12, dessen Frequenz über eine ausgewählte Bandbreite variiert. Jeder Stromimpuls produziert Licht, dessen Frequenz oberhalb und unterhalb der Frequenz variiert, die die größte Absorption durch das spezifische Gas durchmacht, auf dessen Nachweis das Instrument ausgelegt ist.In the preferred practice of the invention, the laser light beam becomes 12 not excited by a uniform voltage to produce a constant beam, but instead becomes the laser 14 pulsed with a sawtooth wave current. Every pulsation of the laser diode 14 generates a pulsed laser beam 12 whose frequency varies over a selected bandwidth. Each current pulse produces light whose frequency varies above and below the frequency that is the highest absorption by the specific gas on whose detection the instrument is designed.

Da der Laser 14 durch eine spezielle Impulsstromwellenform erregt wird, sind die von den Fotodetektoren 32, 52 und 64 (siehe 1) erzeugten resultierenden Signale durch diese spezielle Wellenform gekennzeichnet. Innerhalb des Mikroprozessors 42 wird die Absorption daher erfasst, indem das Signal der Fotodetektoren 52 und 64 durch das Signal des Fotodetektors 32 elektronisch dividiert wird.Because the laser 14 is excited by a special pulse current waveform are those of the Fotodetek tors 32 . 52 and 64 (please refer 1 ) generated resulting signals characterized by this particular waveform. Inside the microprocessor 42 Therefore, the absorption is detected by the signal of the photodetectors 52 and 64 by the signal of the photodetector 32 divided electronically.

Die 2 bis 7 stellen die Einzelheiten einer bevorzugten Ausgestaltung der Zelle 10 dar. Wie zuvor erwähnt, ist die Zelle 10 im Allgemeinen eine Herriott-Zelle, die jedoch signifikante und wichtige Änderungen, Innovationen und Verbesserungen aufweist.The 2 to 7 provide the details of a preferred embodiment of the cell 10 As previously mentioned, the cell is 10 generally a Herriott cell, but with significant and important changes, innovations, and improvements.

3 ist eine Querschnittsansicht, die den Grundaufbau der Zelle 10 darstellt. Diese Figur zeigt eine Struktur mit einem ersten Spiegel 44 und einem zweiten Spiegel 46. Ein einzigartiges Merkmal der Zelle 10, das in den 2, 3, 4 und 6 zu sehen ist, ist die Verwendung eines zentralen Achsenelements 74 mit einem ersten Ende 76, das in den ersten Spiegel 44 eingreift, und einem zweiten Ende 77, das in den zweiten Spiegel 46 eingreift. Die Außenfläche 78 der zentralen Achse 74 ist profiliert, das heißt, sie hat einen geringeren Durchmesser in der Mitte als an den Enden 76 und 77 für Zwecke, die im Folgenden beschrieben werden. 3 is a cross-sectional view showing the basic structure of the cell 10 represents. This figure shows a structure with a first mirror 44 and a second mirror 46 , A unique feature of the cell 10 that in the 2 . 3 . 4 and 6 can be seen is the use of a central axis element 74 with a first end 76 that in the first mirror 44 engages, and a second end 77 that in the second mirror 46 intervenes. The outer surface 78 the central axis 74 is profiled, that is, it has a smaller diameter in the middle than at the ends 76 and 77 for purposes described below.

Die zentrale Achse 74 wird von einem Gehäuse 80 umgeben, das in der illustrierten Anordnung (siehe 4) aus zwei zusammengehörenden Teilen 80A und 80B besteht, die zusammenpassen. Das Gehäuse 80A, 80B weist eine Innenfläche 82 auf, die von der Außenfläche 78 der zentralen Achse beabstandet ist, so dass ein länglicher ringförmiger Bereich 84 entsteht. Und durch diesen ringförmigen Bereich 84 bewegt sich das Probengas, in dem die Absorption von Licht von der Laserdiode stattfindet und durch den die Konzentration von Methan in der Gasprobe nachgewiesen wird.The central axis 74 is from a housing 80 surrounded in the illustrated arrangement (see 4 ) of two related parts 80A and 80B that fit together. The housing 80A . 80B has an inner surface 82 on, from the outside surface 78 the central axis is spaced, so that an elongated annular portion 84 arises. And through this annular area 84 the sample gas moves, in which the absorption of light from the laser diode takes place and by which the concentration of methane in the gas sample is detected.

Im ersten Spiegel 44 ist eine erste Apertur 30 ausgebildet, wie in 2 zu sehen ist. Der Lichtstrahl 12 von der Laserdiode 14 strömt zuerst durch eine Linse 86, die in einer Öffnung in einer Linsentragplatte 89 montiert ist, und trifft auf ein geneigtes Fenster 88. Am Fenster 88 wird ein Teil des Strahls 12 reflektiert und erzeugt den Laserstrahl 12B, der mit Bezug auf 1 erläutert wurde. Der Strahl 12B gehtt durch eine Linse 90 und trifft auf den ersten Fotodetektor 32. Der Strahl 12 geht durch das geneigte Fenster 88 und durch die erste Apertur 30 im ersten Spiegel 44.In the first mirror 44 is a first aperture 30 trained as in 2 you can see. The light beam 12 from the laser diode 14 flows through a lens first 86 lying in an opening in a lens carrying plate 89 is mounted, and meets a tilted window 88 , At the window 88 becomes a part of the beam 12 reflects and generates the laser beam 12B who's referring to 1 was explained. The beam 12B goes through a lens 90 and meets the first photodetector 32 , The beam 12 goes through the inclined window 88 and through the first aperture 30 in the first mirror 44 ,

Wie auf der linken Seite in 3 zu sehen ist, hat der zweite Spiegel 46 eine Apertur 48 wie zuvor erwähnt, die mit einem Durchlass 92 in einem Abdeckelement 94 fluchtet, über die der Strahl aus der Zelle austritt. Der Fotodetektor 52, der mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, fluchtet mit dem Durchlass 92. In 3 sind die Apertur 30 im ersten Spiegel 44 und die Aperaturen 48 im zweiten Spiegel 46 so dargestellt, als wären sie, durch eine Längsachse (nicht dargestellt) der Achse 76 gesehen, in einer vertikalen Ebene. Dies dient lediglich Illustrationszwecken, da es nicht erforderlich ist, dass sie in derselben Ebene liegen, und wie in 9 zu sehen ist, die nun erörtert wird, sind die Aperturen 30 und 48 typischerweise nicht in derselben Ebene.As on the left in 3 can be seen, has the second mirror 46 an aperture 48 as previously mentioned, with one passage 92 in a cover 94 Aligns over which the beam exits the cell. The photodetector 52 who's referring to 1 described is aligned with the passage 92 , In 3 are the aperture 30 in the first mirror 44 and the aperatures 48 in the second mirror 46 represented as if they were through a longitudinal axis (not shown) of the axis 76 seen in a vertical plane. This is for illustrative purposes only, as it is not required to be in the same plane as in 9 which is now being discussed are the apertures 30 and 48 typically not in the same plane.

Das Muster des Lichtlaufs des in die Zelle 10 eintretenden Strahls ist in 9 dargestellt, in der der erste Spiegel 44 und der zweite Spiegel 46 durch Kreise repräsentiert sind und die kleineren Kreise auf die erste Apertur 30 und die zweite Apertur 48 hinweisen. Die bei 14 dargestellte Laserdiode produziert den Laserstrahl 12A wie zuvor beschrieben, der durch die erste Apertur 30 in die Zelle eintritt. Der Strahl 12A trifft auf den zweiten Spiegel 46. Wie zuvor erwähnt, geht ein Teil des Strahls 12A durch den zweiten Spiegel 46 und erzeugt den Strahl 62, der auf den dritten Fotodetektor 64 trifft. Der größte Teil des Strahls 12A wird wie durch den Pfeil 96 angedeutet reflektiert. Der Strahl bewegt sich zwischen den Spiegeln 44 und 46 viele Male hin und her und tritt schließlich aus der Apertur 48 im zweiten Spiegel 46 aus, wobei der austretende Strahl, der mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, mit der Ziffer 50 gekennzeichnet ist. Der Strahl 50 trifft auf den zweiten Fotodetektor 52.The pattern of the light run of the cell 10 entering beam is in 9 shown in the first mirror 44 and the second mirror 46 are represented by circles and the smaller circles on the first aperture 30 and the second aperture 48 clues. The at 14 The illustrated laser diode produces the laser beam 12A as previously described, through the first aperture 30 enters the cell. The beam 12A meets the second mirror 46 , As previously mentioned, part of the beam goes 12A through the second mirror 46 and generates the beam 62 pointing at the third photodetector 64 meets. Most of the beam 12A becomes like the arrow 96 indicated reflected. The beam moves between the mirrors 44 and 46 many times back and forth and finally leaves the aperture 48 in the second mirror 46 out, with the exiting beam, with reference to 1 was described with the numeral 50 is marked. The beam 50 meets the second photodetector 52 ,

9 stellt graphisch den einzigartigen Weg des Strahls dar, der mehrere Male zwischen den Spiegeln 44 und 46 innerhalb des ringförmigen Bereichs, der die zentrale Achse umgibt, hin und her geht. Diese Anordnung liefert eine sehr starre Zellstruktur mit einem extrem langen Weg, über den der Laserstrahl durch den ringförmigen Bereich strömt, der ständig mit Probengas versorgt wird. Dieser lange Weg, der durch mehrere Reflektionen des Lichtstrahls erreicht wird, bietet eine hohe Empfindlichkeit bei der Absorption des Laserstrahls, während gleichzeitig ein kompaktes, robustes und leicht zu tragendes System zum Nachweisen der Anwesenheit eines gewähltes Gases wie Methan bereitgestellt wird. 9 Graphically represents the unique path of the beam, which several times between the mirrors 44 and 46 within the annular area surrounding the central axis. This arrangement provides a very rigid cell structure with an extremely long path over which the laser beam passes through the annular area which is constantly supplied with sample gas. This long path, achieved by multiple reflections of the light beam, provides high sensitivity to the absorption of the laser beam while providing a compact, robust and easy-to-carry system for detecting the presence of a selected gas, such as methane.

Wie in 9 zu sehen ist, tritt der Lichtstrahl 12A in einem schrägen Winkel relativ zur imaginären Längsachse der Achse 74 in die Zelle ein. Dadurch schreitet der Einfallspunkt des auf die gegenüberliegenden Spiegel 44 und 46 treffenden Lichtstrahls radial um die Spiegel voran. Die Querschnittsfläche des ringförmigen Absorptionsbereichs 84, durch den der Lichtstrahl zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln 44 und 46 strömt, ist an den Spiegeloberflächen am größten und am Mittelpunkt zwischen den Spiegeln am kleinsten. Aus diesem Grund ist der Durchmesser der Achse 74 am Mittelpunkt zwischen den gegenüberliegenden Enden 76 und 77 der Achse wie in 3 zu sehen am kleinsten.As in 9 can be seen, the light beam enters 12A at an oblique angle relative to the imaginary longitudinal axis of the axis 74 into the cell. As a result, the point of incidence of the on the opposite mirror 44 and 46 meeting the light beam radially around the mirror ahead. The cross-sectional area of the annular absorption area 84 through which the light beam between the opposite mirrors 44 and 46 flows, is greatest at the mirror surfaces and smallest at the midpoint between the mirrors. For this reason, the diameter of the axis 74 at the midpoint between the opposite ends 76 and 77 the axis as in 3 to see the smallest.

Die Laserdiode 14 wird von einer Laserhalterstruktur getragen, die allgemein mit der Ziffer 98 bezeichnet ist (siehe 4, 5, 6 und 7). Eine andere Laserhalterstruktur 98A ist in den 2 und 11 dargestellt. 7 ist eine auseinander gezogene Darstellung wichtiger Teile der Laserhalterstruktur 98, die an einem Ende der Zelle 10 von Strukturhalterungen 100 getragen wird, die in den 4 und 5 dargestellt sind. Wie am besten in 7 zu sehen ist, beinhaltet die Laserhalterstruktur 98 eine Tragbasis 102 mit angeformten parallelen Teilen 104 und 106. Das heißt, die Tragbasis beinhaltet den angeformten Teil 104, der mit der Basis 102 um eine vertikale Achse schwenkbar verbunden ist, wohingegen der Teil 106 an den Teil 104 um eine horizontale Achse schwenkbar angeformt ist. Durch diese einzigartige Doppelachsenanordnung kann die Ausrichtung des Strahls von der Laserdiode sehr genau eingestellt werden, um die in 9 dargestellten kritischen Wege bereitzustellen, so dass die Mehrfachwege erzeugt werden können und der Strahl die Zelle ordnungsgemäß verlässt, um die Fotodioden 52 und 64 zu schneiden. Eine alternative Ausgestaltung des Zweiachsen-Strahlausrichtungssystems der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die 2 und 11 beschrieben.The laser diode 14 is supported by a laser holder structure, generally with the numeral 98 is designated (see 4 . 5 . 6 and 7 ). Another laser holder structure 98A is in the 2 and 11 shown. 7 is an exploded view of important parts of the laser holder structure 98 at one end of the cell 10 of structural supports 100 is worn in the 4 and 5 are shown. How best in 7 can be seen, includes the laser holder structure 98 a support base 102 with molded parallel parts 104 and 106 , That is, the support base includes the molded part 104 that with the base 102 pivotally connected about a vertical axis, whereas the part 106 to the part 104 is formed pivotably about a horizontal axis. This unique dual-axis arrangement allows the beam to be adjusted very precisely by the laser diode to match the direction of the beam 9 provide critical paths so that the multiple paths can be generated and the beam leaves the cell properly to the photodiodes 52 and 64 to cut. An alternative embodiment of the two-axis beam alignment system of the present invention will be described below with reference to FIGS 2 and 11 described.

Wie in 7 zu sehen ist, hat ein Austauscherstück 108 einen angeformten vorwärts verlaufenden Stopfenteil 110. Das Austauscherstück 108 ist an der Tragbasis 102 mit einem Raumring 112 befestigt. Auf der vorderen Oberfläche des Austauscherstücks 108 befindet sich ein nicht metallischer Isolator 114. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, sind auf der vorderen Oberfläche 116 des Stopfenteils 110 des Austauscherstücks eine Peltier-Vorrichtung 118, ein Substrat 120, ein Thermistor 122 und eine Laserdiode 14 montiert. 8 stellt schematisch die Strukturbeziehungen zwischen metallischer Senke 110, Peltier 118, Substrat 120, Thermistor 122 und Diode 14 dar.As in 7 can be seen, has an exchanger piece 108 a molded forward plug portion 110 , The exchanger piece 108 is at the support base 102 with a space ring 112 attached. On the front surface of the exchanger piece 108 there is a non-metallic insulator 114 , As will be described in more detail below, on the front surface 116 of the plug part 110 of the exchanger piece a Peltier device 118 , a substrate 120 , a thermistor 122 and a laser diode 14 assembled. 8th schematically illustrates the structural relationships between metallic sink 110 , Peltier 118 , Substrate 120 , Thermistor 122 and diode 14 represents.

Wie in 7 zu sehen ist, beinhaltet das hintere Ende des Austauschstücks 108 einen angeformten Röhrenteil 124, in dem Wärmeaustauschrippen 126 enthalten sind (siehe 7 und 8). Ein Widerstand 128 (siehe 8) befindet sich in einer Wärmeleitbeziehung zum Stopfenteil 110, der als metallische Wärmesenke fungiert.As in 7 can be seen, includes the rear end of the replacement piece 108 a molded tubular part 124 in which heat exchange ribs 126 are included (see 7 and 8th ). A resistance 128 (please refer 8th ) is in a heat-conducting relationship to the plug part 110 acting as a metallic heat sink.

Ein wichtiger Aspekt der Erfindung sind das Verfahren und das System zur Regelung der Temperatur der Laserdiode 14. Für eine effektive Messung der Gaskonzentration durch spektrografische Absorption eines Lichtstrahls ist es wichtig, dass die Frequenz des Lichtstrahls innerhalb eines engen Bereichs geregelt wird. Eine Laserdiode kann so ausgelegt sein, dass sie die Lichtfrequenz liefert, die von Methanmolekülen am ehesten absorbiert wird. Weicht die Frequenz jedoch von der kritischen Absorptionsfrequenz ab, dann wird die Genauigkeit des Systems herabgesetzt. Ferner wird die Frequenz von Licht, das von einer Laserdiode ausgestrahlt wird, durch die Temperatur der Diode beeinflusst. Das erfindungsgemäße System zur Regelung der Temperatur der Laserdiode 14 ist am besten in den 8 und 10 illustriert. 10 zeigt schematisch die Beziehung zwischen der Laserdiode 14 und ihren Wärmeregelungskomponenten. Die Laserdiode 14 wird an ein Substrat 120 zum Beispiel durch Aufbringen eines wärmeübertragenden Klebstoffs befestigt. Außerdem wird ein Widerstand 122 am Substrat 120 befestigt. Das Substrat 120 wird an ein Peltier-Element 118 gebunden, das als ein thermoelektrisches Kühlelement fungiert. Das Peltier 118 wird z.B. durch Löten thermisch an eine metallische Senke 110 gebunden, die der Stopfenteil des Austauscherstücks 108 ist, wie in 7 zu sehen ist. Die Metallsenke befindet sich wiederum im thermischen Kontakt mit einer oder mehreren Wärmeaustauschrippen 126, wie die 2, 7 und 8 zeigen. Wie in 8 und im elektrischen Diagramm in 10 zu sehen, ist mit der Metallsenke 110 auch ein Widerstand 128 in Wärmekontakt.An important aspect of the invention is the method and system for controlling the temperature of the laser diode 14 , For effective measurement of gas concentration by spectrographic absorption of a light beam, it is important that the frequency of the light beam be controlled within a narrow range. A laser diode can be designed to deliver the light frequency most likely to be absorbed by methane molecules. However, if the frequency deviates from the critical absorption frequency, the accuracy of the system will be degraded. Further, the frequency of light emitted from a laser diode is affected by the temperature of the diode. The inventive system for controlling the temperature of the laser diode 14 is best in the 8th and 10 illustrated. 10 schematically shows the relationship between the laser diode 14 and their thermal control components. The laser diode 14 gets to a substrate 120 attached for example by applying a heat transfer adhesive. There will also be a resistance 122 on the substrate 120 attached. The substrate 120 becomes a Peltier element 118 bonded, which functions as a thermoelectric cooling element. The Peltier 118 For example, it is thermally attached to a metallic sink by soldering 110 bound to the plug part of the exchanger piece 108 is how in 7 you can see. The metal sink is again in thermal contact with one or more heat exchange fins 126 , as the 2 . 7 and 8th demonstrate. As in 8th and in the electrical diagram in 10 to see is with the metal sink 110 also a resistance 128 in thermal contact.

10 zeigt die elektrischen Wechselbeziehungen der Wärmeregelungskomponenten. Der Thermistor 122 erzeugt ein Spannungssignal proportional zur Temperatur des Substrats 120, die wiederum mit der Temperatur der Laserdiode 14 verknüpft ist. Ein Signal vom Thermistor 122 wird an die Stromgeneratorschaltung 130 angelegt und das Signal vom Generator 130 wird an einen Analog-Digital-Wandler 132 angelegt, dessen Ausgangssignal zu einem Mikroprozessor 138 gesendet wird. Eine Temperaturauswahlschaltung 136 liefert ein Spannungsausgangssignal, das direkt mit der gewünschten Temperatur des Substrats 120 und daher der Laserdiode 14 zusammenhängt und zu einem Mikroprozessor 138 gesendet wird. Im Mikroprozessor 138 wird das Signal von der Temperaturauswahlschaltung 136 mit der vom Thermistor 122 erfassten digital kodierten Temperatur verglichen, um ein Ausgangssteuersignal an den Leiter 140 anzulegen. Das Signal am Leiter 140 wird zu einem Wärmemodus-Ein/Aus-Schalter 142 gesendet. Wenn der Schalter 142 in der „Ein"-Position ist, wird dieses Signal zum Widerstand 128 gesendet, der die Aufgabe hat, Wärme nach Bedarf zum Stopfenteil 110 des Wärmeaustauschers zu liefern. 10 shows the electrical correlations of the thermal control components. The thermistor 122 generates a voltage signal proportional to the temperature of the substrate 120 , in turn, with the temperature of the laser diode 14 is linked. A signal from the thermistor 122 is to the power generator circuit 130 applied and the signal from the generator 130 is connected to an analog-to-digital converter 132 whose output signal is applied to a microprocessor 138 is sent. A temperature selection circuit 136 provides a voltage output directly connected to the desired temperature of the substrate 120 and therefore the laser diode 14 related and to a microprocessor 138 is sent. In the microprocessor 138 becomes the signal from the temperature selection circuit 136 with the thermistor 122 detected digitally encoded temperature compared to an output control signal to the conductor 140 to apply. The signal on the conductor 140 becomes a heat mode on / off switch 142 Posted. When the switch 142 in the "on" position is, this signal becomes the resistor 128 which has the task of heat as needed to the plug part 110 to supply the heat exchanger.

Der Ausgang vom Mikroprozessor 138 wird zu einem Peltier-Steuersignalgenerator 144 gesendet, der wiederum einen Digital-Analog-Wandler 146 speist, dessen Ausgang zu einem Peltier-Stromgenerator 148 gesendet wird, der wiederum einen Steuerstrom zum Peltier-Element 118 liefert.The output from the microprocessor 138 becomes a Peltier control signal generator 144 sent, in turn, a digital-to-analog converter 146 feeds its output to a Peltier power generator 148 which in turn sends a control current to the Peltier element 118 supplies.

Unter den meisten Betriebsbedingungen hat das erfindungsgemäße Wärmeaustauschsystem die Aufgabe, die Laserdiode 14 zu kühlen. Das heißt, Laserdioden erzeugen gewöhnlich eine beträchtliche Wärme, so dass es normalerweise notwendig ist, Wärme von der Laserdiode abzuführen, um sie innerhalb des gewünschten Betriebsbereichs zu halten. Aus diesem Grund wird der Widerstand 128 unter normalen Betriebsbedingungen nicht verwendet, da seine einzige Aufgabe darin besteht, bei Bedarf Wärme zum Stopfenteilwärmeaustauscher 110 zu liefern, damit die Wärme mit Hilfe des Peltier 118 zum Substrat 120 übertragen und somit eine warme Umgebung für die Laserdiode 14 bereitgestellt wird.Under most operating conditions, the heat exchange system according to the invention has the task of the laser diode 14 to cool. That is, laser diodes usually generate significant heat, so it is usually necessary to dissipate heat from the laser diode to keep it within the desired operating range. Because of this, the resistance becomes 128 is not used under normal operating conditions, since its sole purpose is to provide heat to the plug heat exchanger when needed 110 to deliver the heat with the help of the Peltier 118 to the substrate 120 transmit and thus a warm environment for the laser diode 14 provided.

Da der Laser unter typischen Umgebungstemperaturen normalerweise gekühlt werden muss, ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung das Konzept der Nutzung des Testgases als Kühlmedium. Gemäß 1 wird das Testgas nach dem Strömen durch die Zelle 10 zum Wärmeregelsystem 16 geleitet, das in den 8 und 10 dargestellt ist und dessen Elemente auch in 7 dargestellt sind. Testgas, das durch die Zelle 10 geführt wird, in der die Methankonzentration ermittelt wird, wird vorteilhafterweise auch als Kühlmedium verwendet. Das Testgas strömt aus der Zelle 10 durch das Kühlsystem und an den im Röhrenteil 124 des Gehäuses enthaltenen Kühlrippen 126 vorbei, wie in 7 illustriert und in 8 schematisch dargestellt ist.Since the laser must normally be cooled under typical ambient temperatures, an important aspect of the present invention is the concept of using the test gas as the cooling medium. According to 1 the test gas will be after passing through the cell 10 to the thermal control system 16 that is in the 8th and 10 is shown and its elements also in 7 are shown. Test gas that passes through the cell 10 is guided, in which the methane concentration is determined, is advantageously used as a cooling medium. The test gas flows out of the cell 10 through the cooling system and to the tube part 124 the housing contained cooling fins 126 over, as in 7 illustrated and in 8th is shown schematically.

Der von einer Laserdiode bei ausgewählten Spannungen aufgenommene Strom kann als Indikator für die Temperatur der Diode verwendet werden. Das heißt, mit der Zunahme der Temperatur einer Laserdiode nimmt der Widerstand gegen den Stromfluss zu. Diese Eigenschaft kann als ein Mittel zum Regeln der Temperatur der Diode genutzt werden. Wenn der von einer Diode aufgenommene Strom bekannt ist, kann das in den 8 und 10 offenbarte Temperaturregelungssystem verwendet werden. Anstelle des Thermistors 122 kann daher ein Amperemeter in Reihe mit der Laserdiode 14 verwendet werden, um ein Steuersignal zum Messstromgenerator 130 zu senden, um ein entsprechendes Signal zu erzeugen, das zum A/D-Wandler 132 und dann zum Mikroprozessor 138 gesendet wird. Mit der korrekten Software lenkt der Mikroprozessor eine Temperaturkorrekturmaßnahme durch die Peltier-Vorrichtung 118 oder den Widerstand 128. Dieses System hat zwar theoretisch gute Möglichkeiten, doch ist das Erreichen der erforderlichen Genauigkeit der Diodentemperaturregelung unter Verwendung von Diodenspannung und Strom in der Praxis schwierig gewesen.The current consumed by a laser diode at selected voltages can be used as an indicator of the temperature of the diode. That is, as the temperature of a laser diode increases, the resistance to current flow increases. This property can be used as a means of regulating the temperature of the diode. If the current absorbed by a diode is known, this can be done in the 8th and 10 disclosed temperature control system can be used. Instead of the thermistor 122 Therefore, an ammeter can be in series with the laser diode 14 used to send a control signal to the measuring current generator 130 to send a corresponding signal to the A / D converter 132 and then to the microprocessor 138 is sent. With the correct software, the microprocessor directs a temperature correction action through the Peltier device 118 or the resistance 128 , Although theoretically this system has good possibilities, achieving the required diode temperature control accuracy using diode voltage and current has been difficult in practice.

Der vom ein- und austretenden Probengas der Zelle 10 genommene Weg ist am besten in 3 in Verbindung mit 1 illustriert. Nachdem Probengas in die Einlassröhre 20 und durch den Filter 22 gesaugt wurde, tritt das Gas in die Zelle 10 durch einen Durchlass 150 ein, der im Abdeckelement 94 gestrichelt angedeutet ist. Vom Durchlass 150 tritt das Gas in eine axiale Aussparung 152 im zweiten Ende 77 der zentralen Achse 74 ein. Mehrere voneinander beabstandete Durchlässe 154 mit kleinem Durchmesser verlaufen in Radialebenen von der axialen Aussparung 152 zur Oberfläche 78 der Achse 74 und verbinden sich mit dem ringförmigen Absorptionsbereich 84. Die mehreren Öffnungen 154 haben die Aufgabe, das eintretende Probengas gleichmäßig in ein Ende des Absorptionsbereichs 84 zu verteilen.The incoming and outgoing sample gas of the cell 10 taken way is best in 3 combined with 1 illustrated. After sample gas into the inlet tube 20 and through the filter 22 was sucked, the gas enters the cell 10 through a passage 150 one in the cover 94 indicated by dashed lines. From the passage 150 the gas enters an axial recess 152 in the second end 77 the central axis 74 one. Several spaced passages 154 with small diameter extend in radial planes of the axial recess 152 to the surface 78 the axis 74 and connect to the annular absorption area 84 , The several openings 154 have the task of introducing the sample gas evenly into one end of the absorption area 84 to distribute.

Das Gas durchquert den Absorptionsbereich 84 von dem zweiten Ende 77 zum ersten Ende 76 der Achse 74. Neben dem ersten Ende 76 der Achse 74 befinden sich mehrere Durchlässe 156 in Radialebenen, die mit einer axialen Aussparung 158 in Verbindung stehen.The gas traverses the absorption area 84 from the second end 77 to the first end 76 the axis 74 , Next to the first end 76 the axis 74 There are several passages 156 in radial planes, with an axial recess 158 keep in touch.

Mit der axialen Aussparung 158 steht ein Austrittsdurchlass 160 in Verbindung, über den das Probengas aus der Zelle 10 strömt. Die mehreren kleinen Durchlässe 156, die die axiale Aussparung 158 mit dem ringförmigen Absorptionsbereich 84 verbinden, sind in den 2 und 3 dargestellt. Probengas strömt nach dem Verlassen der Zelle 10 durch den Austrittsdurchlass 160 durch ein Stück flexible Rohrleitung 162 (siehe 5). Das hintere Ende des Austauscherstücks 108 wird mit einer Endkappe 164 geschlossen, die einen radialen Durchlass 166 hat, in dem ein Ende der flexiblen Röhre 162 wie in 5 dargestellt aufgenommen wird. Ein zweiter Durchlass 168 in der Kappe 164 (siehe 7) stellt eine Verbindung mit der Gaspumpe 26 (siehe 1) bereit, die z.B. durch eine flexible Röhre 170 erreicht werden kann, die in 1 zu sehen, aber in den anderen Figuren nicht zu sehen ist. Probengas wird durch die Wirkung der Pumpe 26 in den ringförmigen Absorptionsbereich 84 in einer solchen Weise angesaugt, dass das Gas gleichmäßig um den gesamten ringförmigen Durchlass verteilt wird, so dass mit dem wiederholten Springenlassen eines Lichtstrahls zwischen gegenüberliegenden Spiegeln 44 und 46 die Absorbierbarkeit des Lichtstrahls gleichmäßig verteilt ist, und in einer solchen Anordnung, das in den Endteilen der Achse 74 überaus effektiv Gasdurchlässe gebildet werden.With the axial recess 158 is an outlet passage 160 in connection, via which the sample gas from the cell 10 flows. The several small passages 156 that the axial recess 158 with the annular absorption area 84 connect are in the 2 and 3 shown. Sample gas flows after leaving the cell 10 through the outlet passage 160 through a piece of flexible piping 162 (please refer 5 ). The rear end of the exchanger piece 108 comes with an end cap 164 closed, which has a radial passage 166 has, in which one end of the flexible tube 162 as in 5 is recorded represented. A second passage 168 in the cap 164 (please refer 7 ) connects to the gas pump 26 (please refer 1 ) ready, for example, by a flexible tube 170 can be achieved in 1 but can not be seen in the other figures. Sample gas is generated by the action of the pump 26 in the annular absorption area 84 sucked in such a way that the gas is evenly distributed around the entire annular passage, so that with the repeated jumping of a light beam between opposing mirrors 44 and 46 the absorbability of the light beam is evenly distributed, and in such an arrangement that in the end parts of the axis 74 extremely effective gas outlets are formed.

Die Zelle zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases wie Methan, die hierin illustriert und beschrieben wird, ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass sie bei oder nahe atmosphärischen Drücken arbeitet, allerdings funktioniert das System einwandfrei im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1,0 atm. Das illustrierte System ist im Grunde nicht zum Testen von Hochdruckgasproben gedacht.The Cell for measuring the concentration of a previously selected gas such as methane, which is illustrated and described herein, is incorporated herein by reference Generally configured to be at or near atmospheric To press works, but the system works perfectly in the area from about 0.1 to about 1.0 atm. The illustrated system is basically not intended for testing high pressure gas samples.

Das erfindungsgemäße Gasnachweissystem ist besonders zum Prüfen eines geographischen Gebiets adaptierbar, um mögliche Gaslecks aufzuspüren. Das vorliegende Gasnachweissystem ist aufgrund des begrenzten ringförmigen Absorptionsbereichs, der durch die Verwendung einer Mittelachse 74 erreicht wird, die von Gehäusekomponenten 80A und 80B umgeben ist, was in einem relativ kleinvolumigen Probengastestbereich mit relativ langem Weg für einen durchströmenden Lichtstrahl resultiert, besonders zur Verwendung als Prüfinstrument geeignet. Im Testbereich befindliches Probengas wird durch die Dauerwirkung der Gaspumpe 26 schnell ausgetauscht. Durch die Ausnutzung der Vorteile dieser einzigartigen Merkmale wird das Gasnachweissystem der vorliegenden Erfindung so adaptiert, dass es mit einer relativ hohen Geschwindigkeit (im Vergleich zu existierenden Gasnachweissystemen) über ein geographisches Gebiet bewegt werden kann. Im Speziellen kann das hierin beschriebene Gasnachweisinstrument von einem sich bewegenden Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit befördert werden, die die Prüfung eines relativ großen geographischen Gebiets auf mögliche Gaslecks in einer relativ kurzen Zeit ermöglicht.The gas detection system according to the invention is particularly adaptable for testing a geographical area to detect possible gas leaks. The present gas detection system is due to the limited annular absorption area created by the use of a central axis 74 is achieved by housing components 80A and 80B which results in a relatively small volume sample gas test area with a relatively long path for a passing beam of light, particularly suitable for use as a test instrument. Sample gas in the test area is affected by the long-term effect of the gas pump 26 swapped quickly. By taking advantage of these unique features, the gas detection system of the present invention is adapted to be moved at a relatively high speed (as compared to existing gas detection systems) over a geographical area. Specifically, the gas detection instrument described herein may be carried by a moving vehicle at a speed that enables testing of a relatively large geographical area for potential gas leaks in a relatively short time.

Wenn das erfindungsgemäße System von einem Fahrzeug transportiert wird, ist es wichtig, dass der in 1 dargestellte Probengaseinlass 18 aus dem Fahrzeug hinaus verlängert wird, so dass Gas aus der lokalen Umgebung ständig in das System gesaugt wird, während sich das Fahrzeug von einem Teil eines geographischen Gebiets zu einem anderen bewegt.When the system according to the invention is transported by a vehicle, it is important that the in 1 illustrated sample gas inlet 18 is extended out of the vehicle so that gas from the local environment is constantly sucked into the system as the vehicle moves from one part of one geographic area to another.

Zur Lieferung genauer Informationen über Gebiete mit einer möglicherweise signifikanten Gaskonzentration ist das erfindungsgemäße System besonders zur Verwendung mit einem glokalen Positionierungssystem 172 wie in 1 angegeben geeignet. Das globale Positionierungssystem 172 steht mit dem Mikroprozessor 42 in Verbindung. Ferner kann durch die Verwendung eines Druckers 174, der mit dem Mikroprozessor 42 und dem globalen Positionierungssystem 172 gekoppelt ist, eine Karte erzeugt werden, auf der nachgewiesene Gaskonzentrationswerte ausgedruckt sind. Ein Benutzer kann ein Gebiet wie ein Betriebsgelände, ein Dorf, einen Gewerbepark, einen Teil einer größeren Stadt oder jedes beliebige Gebiet von Interesse prüfen und eine Karte mit Konzentrationswertangaben für ein bestimmtes Gas wie Methan erhalten. Auf diese Weise kann ein Benutzer schnell Gebiete ermitteln, in denen eine erhöhte Gaskonzentration vorliegt, und das erfindungsgemäße Instrument kann dann zu diesem Gebiet zurückgebracht werden, wo es für eine ausführlichere Untersuchung herumgetragen (nicht in einem Fahrzeug transportiert) wird, um eventuelle Gaslecks zu orten.To provide accurate information about areas of potentially significant gas concentration, the system of the present invention is particularly suited for use with a glocal positioning system 172 as in 1 indicated suitable. The global positioning system 172 stands with the microprocessor 42 in connection. Further, by using a printer 174 that with the microprocessor 42 and the global positioning system 172 coupled, a map is generated on which proven gas concentration values are printed. A user may examine an area such as a site, a village, a business park, a part of a larger city, or any area of interest and obtain a map of concentration value information for a particular gas such as methane. In this way, a user can quickly identify areas where there is an increased gas concentration, and the instrument of the invention can then be returned to that area where it is carried around (not transported in a vehicle) for more detailed inspection to locate any gas leaks ,

Die 2 und 11 zeigen eine alternative Ausgestaltung einer Laserhalterstruktur 98A mit einer anderen Doppelachsenanordnung zum Ausrichten des Strahls von der Laserdiode. Eine Strukturhalterung 176 ist am vorderen Ende der Zelle 10 befestigt. Die Halterung 176 trägt eine Basisplatte 178 (siehe 11). Eine justierbare Platte 180 ist schwenkbar mit der Basisplatte 178 über eine dünne, flexible erste Scharnierplatte 182 verbunden. Eine zweite dünne, flexible Scharnierplatte 184 (siehe 2 und 11) trägt das Austauschstück 186 mit einem röhrenförmigen Teil 188, der als Wärmeaustauschgehäuse dient, dessen äußeres Ende durch eine Endabdeckung 190 geschlossen ist. Der röhrenförmige Teil 188 enthält Wärmeaustauschrippen 126. Der röhrenförmige Teil 188 hat Durchlässe 166A und 168A für den Durchfluss von Probengas, die mit den mit Bezug auf 7 beschriebenen Durchlässen 166 und 168 übereinstimmen.The 2 and 11 show an alternative embodiment of a laser holder structure 98A with another dual axis arrangement for aligning the beam from the laser diode. A structure holder 176 is at the front end of the cell 10 attached. The holder 176 carries a base plate 178 (please refer 11 ). An adjustable plate 180 is pivotable with the base plate 178 over a thin, flexible first hinge plate 182 connected. A second thin, flexible hinge plate 184 (please refer 2 and 11 ) carries the replacement piece 186 with a tubular part 188 serving as a heat exchange housing, the outer end through an end cover 190 closed is. The tubular part 188 contains heat exchange ribs 126 , The tubular part 188 has passages 166A and 168A for the flow of sample gas with the reference to 7 described passages 166 and 168 to match.

Die Scharnierplatten 182 und 184 verbiegen sich im Rahmen ihrer elastischen Grenzen, wenn der Laserstrahl auf die Zelle 10 ausgerichtet wird, und haben daher die gleiche Aufgabe wie die angeformten Scharniere der parallelen Teile 104 und 106 der Trägerplatte 102, wie mit Bezug auf 7 beschrieben. Beide Strukturen ermöglichen es der Laserdiode, sich um Achsen zu drehen, die sich in lotrechten Ebenen befinden. Die Laserhalterstruktur 98A der 2 und 11 wird gegenüber der Laserhalterstruktur aus 7 aufgrund der Wirtschaftlichkeit ihrer Herstellung bevorzugt. Ansonsten funktionieren die beiden Ausgestaltungen in der gleichen Weise, um dasselbe zu erreichen und die gleichen Ergebnisse zu erzielen.The hinge plates 182 and 184 bend within their elastic limits when the laser beam hits the cell 10 is aligned, and therefore have the same task as the molded hinges of the parallel parts 104 and 106 the carrier plate 102 as related to 7 described. Both structures allow the laser diode to rotate about axes that are in perpendicular planes. The laser holder structure 98A of the 2 and 11 is opposite to the laser holder structure 7 preferred due to the economy of their production. Otherwise, the two embodiments work in the same way to achieve the same and achieve the same results.

Die Erfindung wurde zwar mit einem gewissen Grad an Ausführlichkeit beschrieben, doch sind offensichtlich viele Änderungen bezüglich der Konstruktionsdetails und Anordnung der Komponenten möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die in den Ansprüchen definiert ist.The Although the invention became with some degree of detail are described, but obviously many changes in the Construction details and arrangement of components possible without leaving To depart from the scope of the present invention, which is defined in the claims is.

Claims (17)

Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe, die Folgendes umfasst: eine Zelle (10) mit einer zentralen Achse (74) mit einem ersten Ende (76) und einem zweiten Ende (77); ein Gehäuse (80A, 80B), das eine Außenfläche (78) der genannten Achse umgibt und von dieser beabstandet ist, so dass ein ringförmiger Absorptionsbereich (84) entsteht; eine Pumpe (26) zum Bewegen der Gasprobe durch den genannten Absorptionsbereich; einen ersten ringförmigen Spiegel (44), der am ersten Ende der genannten Achse getragen wird und eine Lichteintrittsapertur (30) aufweist; einen zweiten ringförmigen Spiegel (46), der am zweiten Ende der genannten Achse getragen wird und eine Lichtaustrittsapertur (48) aufweist; eine Lichtquelle (14), die vor dem genannten ersten Spiegel getragen wird, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der durch die genannte Lichteintrittsapertur und in den genannten ringförmigen Absorptionsbereich strömt, um zwischen den genannten Spiegeln wiederholt reflektiert zu werden, wobei der Lichtstrahl nach mehreren Reflektionen durch die genannte Lichtaustrittsapertur austritt; einen ersten Fotodetektor (32) zum Anzeigen der Intensität des genannten Lichtstrahls, der in die genannte Lichteintrittsapertur eintritt; einen zweiten Fotodetektor (52), der hinter dem genannten zweiten Spiegel in Ausrichtung mit der genannten Lichtaustrittsapertur getragen wird, um den Aufprall des genannten Lichtstrahls zu empfangen; und eine Messgerätausrüstung, die mit dem genannten ersten und dem zweiten Fotodetektor verbunden und so ausgelegt ist, dass sie die Absorption des genannten Strahls misst und die Konzentration des zuvor gewählten Gases in der Gasprobe ermittelt.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample, comprising: a cell ( 10 ) with a central axis ( 74 ) with a first end ( 76 ) and a second end ( 77 ); a housing ( 80A . 80B ), which has an outer surface ( 78 ) of said axis and is spaced therefrom so that an annular absorption region ( 84 ) arises; a pump ( 26 ) for moving the gas sample through said absorption region; a first annular mirror ( 44 ) carried at the first end of said axis and having a light entry aperture ( 30 ) having; a second annular mirror ( 46 ) carried at the second end of said axle and having a light exit aperture ( 48 ) having; a light source ( 14 ) carried in front of said first mirror to produce a beam of light passing through said light entrance aperture and into said annular absorption region to be repeatedly reflected between said mirrors, the light beam after multiple reflections through said light exit aperture exit; a first photodetector ( 32 ) for indicating the intensity of said light beam entering said light entrance aperture; a second photodetector ( 52 ) carried behind said second mirror in alignment with said light exit aperture to receive the impact of said light beam; and meter equipment coupled to said first and second photodetectors and configured to measure the absorbance of said beam and to determine the concentration of the preselected gas in the gas sample. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die ein Fenster zwischen der genannten Lichtquelle und der genannten Eintrittsapertur aufweist, das in einem solchen Einfallswinkel mit Bezug auf den genannten Lichtstrahl positioniert ist, dass ein Teil des genannten Lichtstrahls durch das Fenster reflektiert wird, um auf den genannten ersten Fotodetektor zu treffen.Device for measuring the concentration of a previously selected Gas in a gas sample according to claim 1, which is a window between having said light source and said entrance aperture, in such an angle of incidence with respect to said Light beam is positioned that part of the said light beam through the window is reflected to the first mentioned Photodetector to meet. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die einen dritten Fotodetektor (64) beinhaltet, der außerhalb des genannten zweiten ringförmigen Spiegels (46) positioniert ist, um einen Teil des genannten Lichtstrahls zu empfangen, der durch den genannten zweiten ringförmigen Spiegel strömt, nachdem der genannte Lichtstrahl einen Weg reduzierter Länge durch den genannten ringförmigen Absorptionsbereich (84) zurückgelegt hat, so dass die Messung einer Konzentration erfolgen kann, die einem höheren Konzentrationsniveau entspricht.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, comprising a third photodetector ( 64 ), which outside of said second annular mirror ( 46 ) is positioned to receive a portion of said light beam that passes through said second annular mirror after said light beam travels a reduced length path through said annular absorption region (12). 84 ), so that the measurement of a concentration corresponding to a higher concentration level can be made. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die Durchlässe (154, 156) in der genannten Achse (74) beinhaltet, die das erste (76) und das zweite (77) Ende mit dem genannten Absorptionsbereich (84), der die genannte Achse umgibt, verbinden, so dass Probengas in den, durch den und dann aus dem genannten Absorptionsbereich strömt.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, the passages ( 154 . 156 ) in said axis ( 74 ), which is the first ( 76 ) and the second ( 77 ) End with said absorption area ( 84 ), which surrounds said axis, connect so that sample gas flows into, through and then out of said absorption area. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, wobei das genannte Gehäuse aus einer ersten (80A) und einer zweiten (80B) Mantelhälfte besteht, die um die genannte Achse (74) positioniert sind und die so konfiguriert sind, dass sie den genannten ringförmigen Absorptionsbereich (84) definieren.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, wherein said housing consists of a first ( 80A ) and a second ( 80B ) Shell half, which is around said axis ( 74 ) are positioned and which are configured to form said annular absorption region ( 84 ) define. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die einen thermoelektrischen Kühler (118) beinhaltet, der mit der genannten Lichtquelle (14) und einer Regelschaltungsanordnung thermisch gekoppelt ist, wodurch die Temperatur der genannten Lichtquelle geregelt wird.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, comprising a thermoelectric cooler ( 118 ) associated with said light source ( 14 ) and a control circuitry is thermally coupled, whereby the temperature of said light source is controlled. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 6, die ein Substrat (120) beinhaltet, auf dem die genannte Lichtquelle (14) montiert ist, und einen Thermistor (122) beinhaltet, der auf dem genannten Substrat montiert ist, wodurch eine Messung der Temperatur des genannten Substrats und somit der genannten Lichtquelle erbracht wird, wobei der Thermistor mit der genannten Regelschaltungsanordnung gekoppelt ist.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 6, comprising a substrate ( 120 ) on which said light source ( 14 ) and a thermistor ( 122 ) mounted on said substrate, thereby providing a measurement of the temperature of said substrate and thus of said light source, the thermistor being coupled to said control circuitry. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, wobei die genannte Lichtquelle (14) eine Laseremissionsdiode ist.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, wherein said light source ( 14 ) is a laser emitting diode. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 6, wobei die genannte Lichtquelle (14) eine Leuchtdiode ist.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 6, wherein said light source ( 14 ) is a light emitting diode. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 6, wobei die genannte Lichtquelle (14) und der genannte thermoelektrische Kühler (118) in einer Kammer montiert sind, die von der genannten Zelle (10) getragen wird und einen Wärmeaustauscher (126) beinhaltet, wobei die genannte Kammer von dem genannten Wärmeaustauscher thermisch isoliert ist.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 6, wherein said light source ( 14 ) and said thermoelectric cooler ( 118 ) are mounted in a chamber separated from said cell ( 10 ) and a heat exchanger ( 126 ), said chamber being thermally isolated from said heat exchanger. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: eine angeschlossene Pumpe (26), über die Probengas in und durch den genannten ringförmigen Absorptionsbereich (84) über eine Rohrleitung gesaugt wird, und ein Filtersystem (22) in Reihe mit dem genannten ringförmigen Absorptionsbereich und der Pumpe, wobei die genannte Pumpe, Rohrleitung und Filtersysteme so spezifiziert und bemessen sind, dass der Druck von Probengas innerhalb des genannten Absorptionsbereichs zwischen etwa 1 und 2,0 atm liegt.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, comprising: a connected pump ( 26 ), via the sample gas into and through said annular absorption region ( 84 ) is sucked through a pipeline, and a filter system ( 22 ) in series with said annular absorption region and the pump, said pump, conduit and filter systems being specified and dimensioned such that the pressure of sample gas within said absorption range is between about 1 and 2.0 atm. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: ein Wärmeaustauschsystem, das mit der genannten Lichtquelle (14) thermisch gekoppelt ist, eine Pumpe (26) zum Bewegen von Probengas durch den genannten Absorptionsbereich (84) und eine Rohrleitung zum Bewegen des Probengases am Wärmeaustauscher vorbei.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, comprising: a heat exchange system coupled with said light source (10); 14 ) is thermally coupled, a pump ( 26 ) for moving sample gas through said absorption area ( 84 ) and a pipe for moving the sample gas past the heat exchanger. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, die Folgendes umfasst: ein globales Positionierungssystem (172), das ein Signal erzeugt, das den geographischen Standort der Vorrichtung angibt; und ein Display (174), das mit Messgerätausrüstung und dem genannten globalen Positionierungssystem verbunden ist und an verschiedenen geographischen Standorten erfasste Gaskonzentrationen anzeigt.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, comprising: a global positioning system ( 172 ) which generates a signal indicating the geographical location of the device; and a display ( 174 ) associated with meter equipment and said global positioning system and displaying gas concentrations detected at various geographical locations. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, wobei die genannte Lichtquelle (14) in einer Lichthalterstruktur (98) enthalten ist, die von der Zelle (10) vor dem genannten ersten Spiegel (44) getragen wird, wobei die genannte Lichthalterstruktur um zwei divergierende Achsen drehbar ist, die in lotrechten Ebenen liegen, so dass eine akkurate Ausrichtung des genannten Lichtstrahls auf die genannte Lichteinlassapertur (30) und die genannten ringförmigen Spiegel (44, 46) möglich ist.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 1, wherein said light source ( 14 ) in a light holder structure ( 98 ) contained by the cell ( 10 ) in front of the said first mirror ( 44 ), wherein said light holder structure is rotatable about two diverging axes lying in vertical planes, so that an accurate alignment of said light beam with said light inlet aperture (US Pat. 30 ) and said annular mirrors ( 44 . 46 ) is possible. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 14, wobei eine erste und eine zweite ebene Platte (104, 106) Scharniere in diametrischen Ebenen bilden und die genannten beiden divergierenden Drehachsen bereitstellen.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 14, wherein a first and a second plane plate ( 104 . 106 ) Form hinges in diametric planes and provide said two divergent axes of rotation. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 15, wobei die genannte Lichtquelle (14) eine Laseremissionsdiode ist, die durch einen gepulsten Strom mit einem allgemeinen Sägezahnmuster gespeist wird, wobei die von jedem Spannungsimpuls ausgesendete Lichtfrequenz ein ausgewähltes Band abdeckt.Apparatus for measuring the concentration of a preselected gas in a gas sample according to claim 15, wherein said light source ( 14 ) is a laser emitting diode which is fed by a pulsed current having a common sawtooth pattern, the light frequency emitted by each voltage pulse covering a selected band. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines zuvor gewählten Gases in einer Gasprobe nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass sie in einem Fahrzeug transportiert wird und die Gasprobe ständig austauscht, während sich das Fahrzeug bewegt, indem Probengas von der Außenseite des Fahrzeugs genommen wird.Device for measuring the concentration of a previously selected Gas in a gas sample according to claim 1, wherein the device is so is designed to be transported in a vehicle and the gas sample constantly exchanges while The vehicle moves by adding sample gas from the outside of the vehicle is taken.
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