DE10063678A1 - Verfahren zur selektiven Detektion von Gasen mittels Laserspektroskopie - Google Patents

Abstract

Das beschriebene Verfahren basiert auf der optischen Absorptionsspektroskopie im infraroten Wellenlängenbereich unter Einsatz von Laserdioden. Dabei wird eine monomodig emittierende Laserdiode über einen bestimmten Wellenlängenbereich durchgestimmt, wobei charakteristische Spektrallinien von zu detektierenden Gasen überstrichen werden. Der Einsatz von vertikal emittierenden Laserdioden (VCSEL) ist mit einer besonders niedrigen Stromaufnahme verbunden. Besonders vorteilhaft ist der Betrieb ohne Temperaturstabilisierung des Lasers. Ein diskontinuierlicher Betrieb des Systems erbringt weitere Stromersparnisse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Gasdetek­ tion mit niedrigem Energieverbrauch.

Die Gassensorik ist für eine Vielzahl von Aufgaben im Bereich Sicherheit, Komfort und Umweltschutz außerordentlich wichtig. Auf diesen Gebieten besteht ein großer Bedarf an kostengüns­ tigen und zuverlässigen Gassensoren. Insbesondere ist die Um­ gebung auf explosive, toxische oder dem Menschen unbehagliche Gaskonzentrationen zu überwachen. Dies geschieht im Stand der Technik durch verschiedenste Verfahren bzw. Gassensoren.

In den vielfältigen Anwendungen der Gassensorik sind zum Teil Gassensoren verwendet worden, die mit hohen Leistungsaufnah­ men verbunden sind. Hier sind beispielsweise die resistiven Metalloxidgassensoren zu nennen, die im Haushalt für die Le­ ckageüberwachung auf Erdgas einsetzt werden, jedoch für die erforderliche Beheizung, beispielsweise eine Leistungsaufnah­ me von typisch 1 Watt erfordern und daher nicht ohne Netzan­ schluss betrieben werden können. Andere Lösungen für Gassen­ soren wie beispielsweise eine elektrochemische Zelle sind nicht langzeitstabil, und konventionelle optische Gassensoren sind in der Regel nicht selektiv genug, um auf eine einzige Gaskomponente angesetzt zu werden.

Insgesamt sollte bei der Auslegung von Gassensoren bzw. bei Verfahren zur Gasdetektion die Langzeitstabilität, die Selek­ tivität und die Sensitivität der Sensoren bzw. der Verfahren optimiert werden. Bei einer Reihe von Anwendungen ist daneben eine niedrige Leistungsaufnahme zwingend notwendig.

Im Stand der Technik ist aus der deutschen Patentschrift DE 197 17 145 C2 ein Verfahren bekannt, das mit einer monomodigen DFB-Laserdiode unter Ausnutzung der Abstimmbarkeit dieser Diode bzgl. der Emissionswellenlänge über die Arbeitstempera­ tur der Diode, Teile der Spektren von zu messenden Gasen auf­ nimmt, bzw. abscannt, Gase anhand ihrer charakteristischen Spektrallinien detektiert und anschließend die Konzentration des Gases bestimmt. In der allgemeinen Ausführung der Messme­ thode wird üblicherweise die Laser-Betriebstemperatur mittels eines thermo-elektrischen Kühlers (Peltier-Element) konstant gehalten und die Abstimmung der Wellenlänge mittels Variation des Betriebstromes der Laserdiode herbeigeführt. Ein wesent­ licher Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Be­ trieb der Laserdiode (ca. 0.1 W) und die Temperierung der La­ serdiode (ca. 1 W) eine relativ hohe Leistung erfordern, wo­ durch zum Betrieb in der Regel ein Netzanschluss notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren für die Gassensorik zur Verfügung zu stellen, die neben den Eigen­ schaften ausreichender Langzeitstabilität, Selektivität und Sensitivität mit einer niedrigen Leistungsaufnahme der damit verbundenen Systeme verbunden sind.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi­ nation des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent­ nommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sogenannte vertikal emittierende Laserdioden (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser), deren mittlere Leistungsaufnahme im Bereich von wenigen Milliwatt liegt, zur Gasdetektion ver­ wendbar sind. Dies gründet auf der Tatsache, dass eine derar­ tige Laserdiode monomodig Strahlung emittiert. Eine vertikal emittierende Laserdiode lässt sich bezüglich der Emissions­ wellenlänge durchstimmen. Dies geschieht, indem der Betriebs­ strom durchgestimmt bzw. moduliert wird. Der Betrieb der vertikal emittierenden Diode geschieht analog zu dem Betrieb ei­ ner monomodigen DFB-Laserdiode (Distributed Feedback Diode). Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die vertikal emittierende Laserdiode bei der jeweiligen Umgebungstempera­ tur betrieben wird. Eine Stabilisierung der Betriebstempera­ tur entfällt. Diese Arbeitstemperaturen können beispielsweise im Bereich der Raumtemperatur liegen.

Ein Gassensor mit einem VCSEL kann in der beschriebenen Kon­ figuration wegen der niedrigen Leistungsaufnahme in vorteil­ hafter Weise in der Gebäude-Installationstechnik eingesetzt werden. Hier werden beispielsweise Sensoren an einem Bus be­ trieben, der nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung stellt. Weiterhin ist denkbar, Gassensoren im privaten Be­ reich zu betreiben, die beispielsweise mit einer Batteriela­ dung für mehrere Jahre autark ihren Dienst tun.

Wird ein beschriebenes System diskontinuierlich betrieben wie es für viele Anwendungen möglich ist, weil z. B. eine Zeitauf­ lösung der Messung von wenigen 10 s bis zu einigen Minuten ausreicht, so lässt sich die mittlere Leistungsaufnahme dras­ tisch reduzieren. So ist z. B. denkbar, dass die Messung mit einem niedrigen Tastvelrhältnis durchgeführt wird, d. h. die Messzeit im Vergleich zur Auszeit zwischen zwei einzelnen Messungen sehr klein ist. Bei einer Messzeit von 10 ms und einer Wiederholrate vol 0,05 s^-1 ergibt sich beispielsweise insgesamt eine Leistungsreduzierung um den Faktor 2000 gegen­ über dem kontinuierlichen Betrieb.

Es ist besonders vorteilhaft, eine vertikal emittierende La­ serdiode zu verwenden, die auf Indiumphosphit basiert. Mit dem dadurch ermöglichten Emissionswellenlangenbereich von 1, 2 bis über 2 µm sind die Absorptionsbanden mehrerer tech­ nisch relevanter Gase, beispielsweise bei Methan, Kohlendi­ oxid etc., zugänglich. Die Laserdioden dieser Art zeichnen sich durch einen thermischen Koeffizienten von ca. 0,1 nm/K und einen Abstimmkoeffizienten mit dem Laserstrom von mehr als 1 nm/mA aus. Damit ist eine Abstimmung mit dem Strom über mehrere Nanometer (nm) problemlos möglich. Die Abstimmung ge­ schieht in der Regel annähernd linear und die Diode emittiert an jedem Punkt jeweils monomodig.

Durch die Messung der Arbeitstemperatur, die in der Umgebung der Messanordnung bzw. direkt an der Laserdiode oder an deren Träget anliegt, lässt sich der exakte Abstimmbereich der La­ serdiode ermitteln, d. h. in Abhängigkeit von der Temperatur lässt sich vorhersagen, welches Wellenlängeintervall (λ_a . . λ_e) der Laser bei der Messung überstreicht. Dies ermöglicht eine exakte Identifikation der gemessen Absorptionslinien.

Zur Erhöhung der Detektionssicherheit wird in vorteilhafter Weise eine Vorabsorption eingeführt. Dies bedeutet, dass die Messstrecke ein Volumen mit einer ausreichenden Konzentration des zu detektierendem Gas beinhaltet, welches im Strahlengang liegt.

Die Gassensorik mit Laserdioden zeichnet sich durch außeror­ dentliche Selektivität gegenüber der Messgaskomponente aus. Auch bezüglich der Sensitivität ragt die Methode unter den klassischen spektroskopischen Verfahren hervor. Mit der Me­ thode lässt sich ein langzeitstabiler und damit kalibrier­ freier Gassensor realisieren. Unter Einbeziehung der Eigen­ schaften der VCSEL kommt noch die niedrige Leistungsaufnahme hinzu, was der Technik mit der Summe der genannten Eigen­ schaften neue Anwendungsfelder eröffnet.

Im folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben:

Die Figur zeigt das Methan-Absorptionsspektrum um 1,65 µm.

Darin treten Abstände zwischen den Absorptionslinien von ca. 2,5 nm auf. Betrachtet man dazu den Abstimmbereich des Lasers bei verschiedenen Temperaturen, so erkennt man, dass bei allen praktisch vorkommenden Temperaturen jeweils mindestens eine Absorptionslinie von der Laserdiode bzw. von deren emit­ tierter Strahlung erfasst wird. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt je nach Temperatur an einer anderen Absorptionslinie, wodurch ein großer Betriebstemperaturbereich für den Sensor erreicht wird und auf eine Temperaturstabilisierung für die Laserdiode verzichtet werden kann. Die Temperaturstabilisie­ rung des Lasers war in der Laser-Gassensorik bisher notwendig und wurde mit einem Peltier-Element bewerkstelligt. Dies ist stellvertretend für ein Bauelement mit hoher Leistungsaufnah­ me.

Kurzwellige Galliumarsenid-basierte VCSEL sind seit längerer Zeit bekannt. Die Realisierung langwelliger Indiumphosphid­ basierter VCSEL ist erst 1999 gelungen. Derartige Laserdioden werden in folgender Literaturstelle beschrieben: M. Ortsie­ fer, R. Shau, G. Böhm, F. Köhler, M.-C. Amann, "Room- Temperature Operation of index-guided 1.55 µm InP-based ver­ tical-cavity surface-emitting Laser", Electronic Letters, 2^nd March 2000, Vol. 36, No. 5.

Charakteristisch ist, dass die Emission der Laserstrahlung bei einem VCSEL einen vergleichbaren Wellenlängenbereich ab­ deckt wie die eines DFB-Lasers gleicher Wellenlänge. Der we­ sentliche Unterschied liegt in der Art der Abstimmung. Beim DFB-Laser muss die Betriebstemperatur um einige 10 K variiert werden, während beim VCSEL der Betriebstrom um wenige mA durchgestimmt wird. Das bewirkt in beiden Fällen eine Ände­ rung der Temperatur in der Laseraktiven Schicht, die die E­ missionswellenlänge verschiebt. Die Strommodulation ist je­ doch technisch einfacher realisierbar und bewirkt die Vortei­ le des hier beschriebenen Verfahrens.

Das beschriebene Verfahren kann vorteilhafterweise für die Methandetektion eingesetzt werden. Grundsätzlich eignet sich das Verfahren für die Detektion verschiedenartigster Gase, die lediglich auswertbare Absorptionslinien in ihrem Spektrum aufweisen müssen. Diese Linien müssen innerhalb des Abstimm­ bereiches eines in der Praxis einsetzbaren Lasers liegen, wo­ bei die Verschiebung des Abstimmbereiches mit der Temperatur zu berücksichtigen ist. Das Methanspektrum weist im Bereich der Wellenlänge 1,65 µm gleichmäßig beabstandete Linien im Spektrum auf. Bei sämtlichen Temperaturen des Messaufbaus wird jeweils mindestens eine Absorptionslinie durch den Laser erfasst. Damit wird eine Konzentrationsmessung in einem wei­ ten Temperaturbereich ohne Stabilisierung der Laserarbeits­ temperatur ermöglicht.

Claims (13)

1. Verfahren zur selektiven Detektion von Gasen mittels La­ serspektroskopie im infraroten Wellenlängenbereich unter Ein­ satz von mindestens einer vertikal emittierenden Laserdiode (VCSEL), wobei die Emissionswellenlänge einer Laserdiode bei unterschiedlicher Arbeitstemperatur im Raumtemperaturbereich oder darüber ohne Temperaturstabilisierung des Lasers über mindestens eine ausgewählte Spektrallinie in einem Spektrum eines zu detektierenden Gases durch Veränderung ihres Be­ triebsstromes durchgestimmt wird und ein vorhandenes Gas an­ hand von mindestens einer detektierten Spektrallinie erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich durch eine Absorption im Bereich jeweils einer Spektrallinie die Gaskon­ zentration ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Laserdiode diskontinuierlich betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Messzeit im Ver­ gleich zur Auszeit zwischen zwei Messungen sehr kurz ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem zur Steuerung bzw. Regelung des intermittierenden Betriebes ein Mikrocont­ roller eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Versorgung Netz-unabhängig erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die elektrische Versor­ gung mittels einer autarken Energiequelle geschieht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die autarke Energie­ quelle eine Batterie oder Solarzelle ist oder über einen In­ stallations-Bus dargestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vertikal emittierende Laserdioden auf der Basis von Indium­ phosphit (InP), Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InAs) verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich die Arbeitstemperatur bzw. die Umgebungstempe­ ratur des gesamten Sensoraufbaues gemessen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Erhöhung der Detektionssicherheit eine Vorabsorption mit dem zu messenden Gas eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Detektion von Gasen in Gebäuden betrieben wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Methan (CH₄), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Kohlenstoffmonoxid (CO), Feuchte (H₂O) oder Sauerstoff (O₂) detektiert wird.