DE102007043951B4 - Device for the detection of molecules in gases - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Molekülen in Gasen, Brandaerosolen und Prozessgasen mit wenigstens einer Lichtquelle, einem akustischen Resonator zur lichtinduzierten Verstärkung von Schallsignalen und Detektormitteln, wobei ein eine Stimmgabel- und einen Resonatorabschnitt aufweisender Block vorgesehen sind.Apparatus and method for detecting molecules in gases, fire aerosols and process gases with at least one light source, an acoustic resonator for light-induced amplification of sound signals and detector means, wherein a block having a tuning fork and a resonator section are provided.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Molekülen in Gasen, wie z. B. zur Erkennung von Brandaerosolen, toxischen Gasen, Prozeßgasen oder Spuren von Explosivstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.The The invention relates to a device for detecting molecules in gases, such as As for the detection of fire aerosols, toxic gases, process gases or Traces of explosives with the characteristics of the generic term of the Main claim.
Neben der durch die Tagesaktualität im Interesse stehenden Erkennung von Explosivstoff-Molekülspuren in der Luft ist die Erkennung von Bränden im Anfangsstadium sehr wichtig. In der Bundesrepublik werden jährlich ca. 200.000 Brände erfasst, bei denen etwa 60.000 Personen verletzt und ca. 600 getötet werden. Knapp 95% der Brandopfer erleiden ihr Schicksal in der Schwelbrandphase, die oftmals eine mehr ständige Entstehungsphase hat. In einer solchen Phase können Brandaerosole erkannt, eine Alarmierung durchgeführt werden und der Schwelbrand (noch) einfach gelöscht werden.Next the by the daily update Interesting detection of explosive molecular traces In the air, the detection of fires in the initial stage is very important. In the Federal Republic about 200,000 fires are recorded annually in which about 60,000 people injured and about 600 are killed. Nearly 95% of the burnt victims suffer their fate in the smoldering phase, often a more permanent one Formation phase has. In such a phase, fire aerosols can be detected an alarm is performed and the smoldering fire (still) can be easily deleted.
Typische konventionelle Brand- bzw. Rauchmelder basieren auf Ionisations- bzw. Streulichtmessungen, bei denen neuerdings auch blaue LEDs zum Abscannen des Brandspektrums eingesetzt werden.typical Conventional fire and smoke detectors are based on ionization or scattered light measurements, which recently also blue LEDs for scanning of the brand spectrum.
Während die klassischen Messprinzipien vorwiegend auf physikalischen Größen wie Aerosoldichte und Temperatur basieren, zeichnen sich neuere Messprinzipien dadurch aus, dass sie auf spezifische chemische Größen, z. B. Gaskonzentrationen, reagieren. Die derzeit verfügbaren Halbleiter-Gassensoren haben allerdings eine Reihe von Nachteilen, wie Querempfindlichkeiten auf unterschiedliche Gase (damit verbunden sind unerwünschte Fehlalarmraten) oder Alterungen der Sensoroberflächen (damit verbunden ist eine Reduzierung der Empfindlichkeit).While the classical measuring principles predominantly on physical quantities such as Aerosol density and temperature based, are characterized by newer measurement principles by being sensitive to specific chemical quantities, e.g. As gas concentrations react. The currently available semiconductor gas sensors however, have a number of disadvantages, such as cross sensitivities to different gases (associated with unwanted false alarm rates) or aging of the sensor surfaces (with it connected is a reduction in sensitivity).
Jüngste Entwicklungen der Mikrosensorik ermöglichen die Herstellung von Multisensormeldern und die Einbindung in entsprechende Netzwerke, um eine schnelle und sichere Branderkennung zu gewährleisten. Eine wesentliche Voraussetzung ist dabei allerdings, zwischen verschiedenen Raucharten zu differenzieren und so zu entscheiden, ob es sich um ein Brandaerosol oder eine Fehlalarmgröße handelt.Recent developments allow the microsensors the production of multi-sensor detectors and the integration in appropriate Networks to ensure fast and secure fire detection. An essential condition is, however, between different Smoke types to differentiate and thus decide whether it is a fire aerosol or a false alarm size.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hochempfindliche und selektive Detektion von Spurengasen zu ermöglichen, und weiter nach Möglichkeit dabei durch Nutzung teuerer Komponenten für eine Anzahl von Meßorten, die Installationskosten günstiger zu gestalten.Of the Invention is therefore based on the object, a highly sensitive and to allow selective detection of trace gases, and further as far as possible doing so by using expensive components for a number of measurement sites, the installation costs cheaper to design.
So lassen sich kostengünstig über Fasertechnologien mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen miteinander vernetzen und ermöglichen durch geeignete Wahl von Strahlquellen und neuartigen Laser-Anregungskonzepten einen Multispeziesnachweis. Somit sind zum Beispiel in einer Personen- oder Gepäckkontrolle eine Vielzahl einzelner Sensorköpfe durch nur eine teure zentrale Laseranregung versorgbar.So can be inexpensively using fiber technologies several devices according to the invention network and enable each other by a suitable choice of beam sources and novel laser excitation concepts a multi-species certificate. Thus, for example, in a person or baggage check a variety of individual sensor heads supplied by only one expensive central laser excitation.
Der vorliegend in einer bevorzugten Ausführung gewählte piezo-optische Mikrogassensor gestattet es, zum Beispiel bei Schwelbränden entstehende Brandgase, wie z. B. Stick- und Kohlenstoffoxide (NOx und COx) bis in den ppb-Bereich selektiv und unter Echtzeitbedingungen zu erfassen.The presently selected in a preferred embodiment piezo-optical micro gas sensor allows, for example, in case of smoldering fire gases such. B. nitrogen and carbon oxides (NO x and CO x ) up to the ppb range selectively and under real-time conditions to capture.
Die selektive Erfassung von allen Gasen und in Gasen befindlichen Molekülen, insbesondere auch Brandaerosolen und Brandgaszusammensetzungen, wie z. B. den COx bzw. NOx Gaskonzentrationen sowie deren Verhältnis sind bereits Indikatoren für das Auftreten eines Brandes und gestatten bereits vor dem Auftreten eines eigentlichen Brandes eine Warnmeldung zum Einleiten entsprechender Präventivmaßnahmen.The selective detection of all gases and molecules in gases, in particular fire aerosols and fire gas compositions such. As the CO x or NO x gas concentrations and their ratio are already indicators of the occurrence of a fire and allow even before the occurrence of a fire, a warning to initiate appropriate preventive measures.
Damit wird eine neue Generation von Mikrogassensoren bereitgestellt, die die Funktionalität von zukünftigen Brandmeldern signifikant verbessert. Einsatzszenarien reichen vom Privathaushalt über Produktions- und Industrieanlagen bis hin zu Windkraftanlagen.In order to A new generation of micro gas sensors will be provided the functionality of future ones Fire detectors significantly improved. Usage scenarios range from Private household over production and industrial plants to wind turbines.
Die
Funktion des piezo-optischen Mikrosensors beruht dabei auf folgendem
Prinzip:
Nach Anregung durch elektromagnetische Strahlung kann
ein Molekül
in einen angeregten Zustand versetzt werden. Es deaktiviert sich
dann, indem es entweder Licht oder Wärme emittiert. Erfolgt die
Deaktivierung strahlungslos, dann erwärmt sich die Probe. In der
Probe entsteht eine Wärmewelle,
die sich ausbreitet und die aufgenommene Energie zur Probenoberfläche transportiert.
Dort erwärmt
sie die Probenumgebung, z. B. ein Gas, was lokal zu einer Volumenänderung
führt.The function of the piezo-optical microsensor is based on the following principle:
After excitation by electromagnetic radiation, a molecule can be put into an excited state. It then deactivates by emitting either light or heat. If deactivation occurs without radiation then the sample heats up. The sample creates a heat wave that spreads and transports the absorbed energy to the sample surface. There it warms the sample environment, z. As a gas, which leads locally to a change in volume.
Wird
die Probe (z. B. das Gas) mit einer periodisch modulierten Lichtwelle
angeregt, so entsteht in dem Anregungsvolumen eine periodisch modulierte
Druckänderung.
Diese breitet sich mit der Modulationsfrequenz als Schallwelle aus
und kann bei Auftreffen auf ein piezoelektrisches Material eine
Piezospannung S0 induzieren, die direkt
proportional zur geprobten Teilchendichte ist:
Dabei ist α der Absorptionskoeffizient der nachzuweisenden Molekülspezies (direkt proportional zur Teilchendichte), P die aufgebrachte Lichtleistung, Q der Gütefaktor des Resonators und f0 die Eigenfrequenz des Resonators.Here, α is the absorption coefficient of the molecular species to be detected (directly proportional to the particle density), P the applied light power, Q the quality factor of the resonator and f 0 the natural frequency of the resonator.
Im
Stand der Technik
Nachteile dieser Ausführungsformen sind relativ geringe Nachweisgenauigkeiten, Beschränkung der Geometrie auf Standard-Stimmgabelformen und Hybridanordnungen, wenn ein akustischer Resonator zur Signalverstärkung des piezo-optischen Messsignals eingesetzt wird.disadvantage these embodiments are relatively low detection accuracies, limiting the Geometry on standard tuning fork shapes and hybrid assemblies when an acoustic resonator for signal amplification of the piezo-optical measuring signal is used.
Erfindungsgemäß werden diese Nachteile durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches vermieden. Das gesamte Sensorelement wird bevorzugt aus einem einzigen Stück eines piezoelektrischen Materials (z. B. Quarz oder Langasit) gefertigt.According to the invention these disadvantages by the device with the features of the main claim avoided. The entire sensor element is preferably made of a single Piece of one piezoelectric material (eg quartz or langasite).
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent in the following Description of the drawing explained. Showing:
Sowohl das piezo-elektrische Element als auch der akustische Resonator sind in einer bevorzugten Ausführung in das Element integriert. Vorteilhaft ist dabei die nicht mehr notwendige Justierung. Durch geeignete Anpassung der Geometrie kann die Resonanzfrequenz f0 problemlos minimiert werden, was zu einem optimierten Messsignal S0 und damit erhöhter Empfindlichkeit führt.Both the piezoelectric element and the acoustic resonator are integrated into the element in a preferred embodiment. The advantage is the no longer necessary adjustment. By suitable adaptation of the geometry, the resonance frequency f 0 can be minimized without problems, which leads to an optimized measurement signal S 0 and thus increased sensitivity.
Im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen werden insbesondere die Schenkel (Seitenflächen) des Sensorelementes möglichst streifenförmig ausgebracht. Das hat eine erhöhte Empfindlichkeit, des Sensors zur Folge, da bereits sehr geringe periodische lichtinduzierte Druckänderungen an dem Sensor gegenläufige Schwingungen und damit eine Piezospannung erzeugen.in the Contrary to known embodiments In particular, the legs (side surfaces) of the sensor element as possible deployed in strips. That has an increased Sensitivity, the result of the sensor, since already very low periodic light-induced pressure changes on the sensor counter oscillations and thus generate a piezo voltage.
Weiter hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass ein längerer Lichtfokus eingesetzt werden kann und daher der Wirkungsquerschnitt für das Auftreffen von Photonen auf das eigentliche Sensorelement signifikant vergrößert wird, was wiederum eine Erhöhung der Messempfindlichkeit zur Folge hat.Further has this embodiment the advantage of being a longer one Light focus can be used and therefore the cross section for the Impact of photons on the actual sensor element significantly is enlarged, which in turn is an increase the sensitivity of the measurement results.
Darüber hinaus
wird erfindungsgemäß die Anordnung
der eigentlichen Sensorelemente an die akustische Wellenform angepasst.
Neben der fundamentalen Schwingung treten Oberwellen auf, dieses ist
in
Die
Sensorelemente werden genau an den Stellen positioniert, an denen
die Maxima der akustischen Welle beobachtet werden (
Diese
Anpassung kann erfindungsgemäß besonders
einfach und effizient mit der in
Durch geeignete Wahl von Wandungs- und Materialstärken lassen sich problemlos gleiche Resonanzfrequenzen f0 für gekoppelte Sensorelemente erreichen. Der Einsatz von Gassensoren erfordert darüber hinaus temperaturbeständige Piezomaterialien, d. h. die Resonanzfrequenz f0 sollte möglichst keine Temperaturabhängigkeit zeigen.By a suitable choice of wall thicknesses and material thicknesses, the same resonant frequencies f 0 can easily be achieved for coupled sensor elements. The use of gas sensors also requires temperature-resistant piezo materials, ie the resonant frequency f 0 should show no temperature dependence as possible.
Dabei ist ein Block aus einem leitfähigen Material als Träger und Kontaktwerkstoff, wie Kupfer, denkbar, auf dem die Gabelbestandteile befestigt werden, und der bereits den Resonator enthält. Auch mehrere Resonatorblöcke aus Kunststoff oder mehrere Resonatorgabeln aus Piezomaterial und andere Verbundmaterialien sind möglich.there is a block of a conductive Material as a carrier and contact material, such as copper, conceivable on which the fork components be attached, and already contains the resonator. Also several resonator blocks made of plastic or more resonator forks made of piezo material and other composite materials are possible.
Bekannte
Schwingquarze zeigen bereits bei Temperaturen oberhalb von 100°C keine scharfen Resonanzeigenschaften
mehr. Demgegenüber
ist die Ausführung
des in
Die
Die frequenzmodulierte optische Anregung der Gasspezies und damit verbunden die Ausbildung der Schallwelle im Gasvolumen kann auf zweierlei Arten erfolgen.
- (1) Durch gewöhnliche selektive Absorptionsanregung mit elektromagnetischer Strahlung auf Rotations-Schwingungsübergängen des nachzuweisenden Gases. Voraussetzung hierfür ist ein effizienter Energietransfer von Rotation auf Translation des Moleküls (R-T-Energietransfer). Die Translation ist verantwortlich für die Ausbildung der notwendigen Schallwelle, die dann in dem Sensorelement den Piezoeffekt induziert. Der effiziente R-T Transfer setzt ggf. die Einleitung eines sog. Buffergases voraus, der diesen Prozess unterstützt. Dieser Anregungsprozess wird konventionell mit spektral-schmalbandiger Laserstrahlung (bevorzugt im nahen Infrarotbereich) durchgeführt.
- (2) Für
industrielle Anwendungen im Bereich Brandschutz können erfindungsgemäß auch spektral-breitbandige
Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt werden. Dieses ist exemplarisch in
der
4a für den CO2-Nachweis gezeigt. Die optische Anregung mehrerer Absorptionslinien um 1,572 μm induziert ein signifikantes piezo-optisches Signal, was bei geeigneter Auswahl von LED Emissionsbereichen z. B. nicht mit Wasser (ist in der Atmosphäre immer vorhanden) interferiert.
- (1) By ordinary selective absorption excitation with electromagnetic radiation on rotational vibration transitions of the gas to be detected. The prerequisite for this is an efficient energy transfer from rotation to translation of the molecule (RT energy transfer). The translation is responsible for the formation of the necessary sound wave, which then induces the piezoelectric effect in the sensor element. The efficient RT transfer may require the introduction of a so-called buffer gas, which supports this process. This excitation process is conventionally carried out with spectral narrow-band laser radiation (preferably in the near infrared range).
- (2) For industrial applications in the field of fire protection, spectrally broadband light-emitting diodes (LEDs) can also be used according to the invention. This is exemplary in the
4a shown for CO 2 detection. The optical excitation of several absorption lines by 1.572 microns induces a significant piezo-optical signal, which with a suitable selection of LED emission ranges z. B. not with water (is always present in the atmosphere) interferes.
Dieser
Ansatz ermöglicht
die Herstellung von extrem preisgünstigen Sensoren, was gerade
für die Anwendung
Brandschutz von großem
Vorteil ist. Ein weiterer möglicher
Anregungsprozeß bietet
die Raman Anregung, wie in
Dabei regt ω1 ein sog. „virtuelles" Niveau an (die Anregungswellenlänge ist dabei unspezifisch und lediglich die Frequenz ω2 wird molekülspezifisch auf den Raman Übergang abgestimmt).there excites ω1 a so-called "virtual" level (the excitation wavelength is thereby unspecific and only the frequency ω2 becomes molecule-specific the Raman transition Voted).
Damit werden effizient Teilchendichten in den Zustand 2 gepumpt, die in den Grundzustand nicht optisch, sondern nur strahlungslos rekombinieren können und somit sehr effizient R-T Energietransfer unterstützen. Dadurch wird sehr effizient eine frequenzmodulierte Schallwelle induziert, die dann erfindungsgemäß mit dem Piezo-Mikrosensorelement sehr einfach und effizient nachgewiesen werden kann. Diese Ausführungsform von Anregung und Detektion ist bisher nicht bekannt.In order to Efficient particle densities are pumped to state 2 in not recombine the ground state visually, but only without radiation can and thus very efficiently support R-T energy transfer. Thereby a frequency-modulated sound wave is very efficiently induced, then according to the invention with the Piezo microsensor element can be detected very easily and efficiently can. This embodiment of excitation and detection is not yet known.
Eine weitere Ausführungsform dieses Anregungs-Detektionsschemas ist die Verwendung von Femtosekunden-Weisslichtpulsen in Verbindung mit einem in der Frequenzdomäne spektral geformten Lichtimpuls, wobei hier der nichtlineare Raman Effekt zur Anregung genutzt wird. Die lichtinduzierte Schallwelle wird wiederum erfindungsgemäß mit dem Piezo-Mikrosensorelement detektiert.A another embodiment This excitation detection scheme is the use of femtosecond white light pulses in conjunction with a spectrally shaped light pulse in the frequency domain, where the nonlinear Raman effect is used for excitation. The light-induced sound wave is in turn according to the invention with the Piezo microsensor element detected.
Ein Femtosekundenpuls hat naturgemäß eine sehr große spektrale Bandbreite. Wird ein Femtosekundenpuls nun spektral in seinem Profil manipuliert, so ändert sich automatisch auch die Pulsform in der Zeitdomäne. Da man das Spektrum sehr einfach manipulieren kann, z. B. indem der Puls räumlich spektral aufgeweitet wird, und dann einzelne Farben aus dem Puls eliminiert werden (das kann mechanisch oder aber besser elektronisch geregelt mit beispielsweise Flüssigkeitskristallen erfolgen), kann man auf diese Weise einen in der Zeitdomäne beliebig geformten Femtosekundenpuls-Zug erzeugen. Dieses bezeichnet man als Pulsformung.Naturally, a femtosecond pulse has a very broad spectral bandwidth. If a femtosecond pulse is now spectrally manipulated in its profile, the pulse shape in the time domain also changes automatically. Since one can manipulate the spectrum very simply, z. B. by the pulse is spatially expanded spectrally, and then individual colors are eliminated from the pulse (which can be done mechanically or better electronically controlled with, for example, liquid crystals), can In this way one can generate a femtosecond pulse train of arbitrary shape in the time domain. This is called pulse shaping.
Der Femtosekundenpuls (in der Zeitdomäne) hat dann nach wie vor eine Dauer, in der Femtosekunden Zeitskala aber eine Substruktur. Wird nun diese Substruktur geeignet "eingestellt", dann wird einem Molekül Energie mit einer ganz bestimmten Zeitstruktur zugeführt, und so kann man mit einem spektral extrem breitbandigen Puls ein Molekül selektiv in einem Schwingungs-Rotationsniveau anregen, da das Molekül in dieser Art wiederum selektiv auf einer Eigenschwingung angeregt wird. Dieses Anregungsprinzip könnte man dann auch zur Erzeugung eines photoakustischen Signals verwenden.Of the Femtosecond pulse (in the time domain) then still has one Duration, in the femtosecond timescale but a substructure. Becomes Now this substructure is "adjusted", then becomes one molecule Energy supplied with a very specific time structure, and so you can with a spectrally extremely broadband pulse a molecule selectively in a vibrational rotation level, since the molecule in this Art in turn is selectively excited on a natural vibration. This principle of excitation could you then also use to generate a photoacoustic signal.
Die
Ein
weiterer Vorteil dieses Sensorkonzeptes für Anwendungen bei der Früherkennung
von Brandaerosolen liegt in der Möglichkeit einer vollständig fasergekoppelten
Ausführung
der Sensorelemente. Damit ist es möglich, mit nur einer einzigen
Lichtquelle (Laser oder LED) eine große Anzahl von Mikrosensorelementen über Multiplexing
anzusteuern. Eine mögliche
Ausführungsform
dieses Multisonden-Konzeptes ist in der
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