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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Zielgases mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 19. Mit einem Anregungslaser wird ein infraroter Laserstrahl auf einen Zielort gelenkt, an dem sich das Zielgas befinden kann. Die Wellenlänge des infraroten Laserstrahls ist auf eine Absorptionslinie des Zielgases abstimmbar, die durch Anregung eines Zustandes des Rotationsschwingungsspektrums des Zielgases zustande kommt. Typische Beispiele für Zielgase, die derartige Absorptionslinien im infraroten Bereich aufweisen, sind Methan, Kohlendioxid, Acetylen, Ammoniak, etc. Mit einer Detektionsanordnung, die einen Messdetektor aufweist, wird eine von dem Zielort ausgehende Strahlung gemessen und in einer mit dem Messdetektor verbundenen Analyseeinrichtung in Abhängigkeit von dem von dem Anregungslaser emittierten infraroten Laserstrahl analysiert. Eine solche Vorrichtung und eines solches Verfahren können zur Ortung von Gas-Leckagen an Rohrleitungen, Biogasanlagen, chemischen Industrieanlage oder ähnlichem verwendet werden. Sie eignen sich insbesondere zum Nachweis von Abgasen, gasförmigen Gefahrenstoffen oder Erdgas in der Luft.
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Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der
EP 1 286 154 bekannt. In diesem Stand der Technik handelt es sich um eine Rückstreumessung, die auf der Absorptionsspektroskopie basiert. Die Wellenlänge des infraroten Laserstrahls wird auf eine Absorptionslinie von Methan bei 1,65 μm abgestimmt. Der infrarote Laserstrahl wird auf einen Zielort gelenkt, an dem sich eine Methan-Gaswolke befinden kann. Hinter dem Zielort befindet sich ein Reflexionselement, an dem der infrarote Laserstrahl nach Durchlaufen des Zielgases reflektiert wird. Das reflektierte Licht des infraroten Laserstrahls wird von einem Messdetektor nachgewiesen. Wenn an dem Zielort Methan vorhanden ist, wird in dem Messdetektor bei der Wellenlänge von 1,65 μm aufgrund der Absorption durch die Anregung der Methanlinie eine verringerte Intensität des infraroten Laserstrahls gegenüber seiner ursprünglichen Intensität detektiert. Mittels der Analyseeinrichtung kann durch Vergleich der gemessenen Intensität des rückgestreuten infraroten Laserstrahls mit der Intensität des von dem Anregungslaser emittierten Laserstrahls auf das Vorhandensein von Methan geschlossen werden. Um eine solche Rückstreuanordnung im infraroten Bereich zu realisieren, ist ein spezifischer Messaufbau erforderlich. So ist, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen, ein konkaver Spiegel vorgesehen, über den das reflektierte Laserlicht aus einem ausreichend großen Winkelbereich in den Messdetektor gelenkt wird. Durch diese Anordnung bedingt muss der Anregungslaser hinter dem Spiegel angeordnet werden. Der Laserstrahl des Anregungslasers wird über eine optische Faser und einen Faserkollimator nach außen gelenkt. Dabei ist die Anordnung zudem so gewählt, dass der Laserstrahl außerhalb des Bereichs zwischen dem Messdetektor und dem konkavem Spiegel verläuft.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass eine relativ aufwändige Vorrichtung erforderlich ist, um eine ausreichende Messempfindlichkeit zu erzielen. Dies liegt unter anderem daran, dass die Messung im Infraroten Bereich erfolgt und dort die optischen Elemente und deren spezifische Anordnung aufwändiger sind als im sichtbaren Bereich. Beispielsweise sind die üblichen Breitbandstrahler sehr ineffektiv, so dass als Lichtquelle ein infraroter Laser verwendet wird. Dadurch kann die Messung der rückgestreuten Strahlung nur in einem sehr begrenzten Wellenlängenbereich, nämlich in dem Wellenlängenbereich der angeregten Absorptionslinie erfolgen. Dies führt zu einer geringen Intensität des rückgestreuten Laserlichts, so dass der konkave Spiegel und die damit verbundene spezifische Anordnung mit der optischen Faser und dem Faserkollimator erforderlich sind, um eine ausreichende Messempfindlichkeit zu erhalten.
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Zudem hängt der Anteil des rückgestreuten Lichts stark von der Beschaffenheit des Rückstreuelements ab. Um eine gute Messempfindlichkeit zu erzielen, muss ein Rückstreuelement mit guten Rückstreueigenschaften für infrarote Strahlung vorhanden sein. Bei dem Aufbau muss auch darauf geachtet werden, dass keine direkte Rückstreuung des Lichtstrahls des Anregungslasers in den Detektor erfolgt, da dadurch der hochempfindliche Detektor geschädigt werden kann.
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Ferner offenbart die
US 000003727050 A eine Analysevorrichtung zum Messen eines Zielgases. Das Zielgas befindet sich in einer Kammer der Analysevorrichtung. Das Licht einer Infrarotlampe kann durch ein Fenster, welches für infrarotes Licht in einem Wellenlängenbereich, der mit einem Absorptionsband des Zielgases übereinstimmt, durchlässig ist, in die Kammer gelangen. Wenn in der Kammer ein Zielgas vorhanden ist, absorbiert dieses Wärme von der Infrarotstrahlung. Dies führt zu einem Temperaturanstieg des Zielgases und zu einem Druckanstieg in der Kammer. Die Druckänderung des Zielgases wird mit einem Mikrophon gemessen, welches mit dem Behälter, in dem sich die Kammer befindet, verbunden oder darin integriert ist. Die breitbandige Anregung des Absorptionsbandes führt zu einer Querempfindlichkeit der Messung zu anderen Gasen, insbesondere bei Normaldruck. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit werden Messungen bei einem niedrigeren Arbeitsdruck durchgeführt. Hierzu wird die Länge der Kammer, in die das Zielgas zur Messung eingeschlossen sein muss, variiert.
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Aus der
US 020120018638 A1 ist ein Verfahren zur Detektion und Identifikation von kleinsten Mengen kondensierter und fester Materie bekannt. Die Materie wird mit Laserstrahlung beleuchtet, deren Wellenlänge von dem Target stark absorbiert wird. Der daraus resultierende Temperaturanstieg wird durch Aufnahme der erhöhten Schwarzkörperstrahlung gemessen.
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Die
US 000005892140 A offenbart einen mikrotechnisch hergestellten integrierten opto-thermischen Sensor mit einer gepulsten Lichtquelle, einer Gaskammer, in welche ein Gas eingeleitet werden kann, und mit thermischen Sensor-Elementen, mit welchen eine Erwärmung des Gases aufgrund der Absorption des Lichts bei einer bestimmten Wellenlänge des spezifischen Gases gemessen werden kann. Hierbei wird ein Absorptionsband des Zielgases angeregt.
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Die
US 000004868768 offenbart eine Anordnung, bei der ein optischer Laserstrahl mit hoher Leistung auf optische Elemente gelenkt wird. Die beschichtete Oberfläche der optischen Elemente wird mit einer Infrarotkamera beobachtet. Aufgrund der dadurch erhaltenen Temperaturdaten können thermische, strukturelle und optische Eigenschaften von optischen Elementen bestimmt werden. Es wird auch die Absorption der Beschichtung abgeleitet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Zielgases mit einem einfacheren Aufbau und guter Messempfindlichkeit zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Vorrichtung gelöst, bei der der Anregungslaser so ausgebildet ist, dass mit dem infraroten Laserstrahl eine Absorptionslinie des Zielgases derart anregbar ist, dass die Anregung zu einer Temperaturerhöhung des Zielgases führt, und dass die Detektionsanordnung zum Messen einer durch die Temperaturerhöhung beeinflussbaren Eigenschaft des Zielgases ausgestaltet ist, wobei mit dem Messdetektor eine Strahlung in einem Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des Anregungslasers messbar ist.
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Ferner wird diese Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem die Anregung der Absorptionslinie derart erfolgt, dass sie zu einer Temperaturerhöhung des Zielgases führt, und bei dem eine durch die Temperaturerhöhung beeinflussbare Eigenschaft des Zielgases gemessen wird, wobei zur Detektion des Zielgases eine Strahlung gemessen wird, die in einem anderen Wellenlängenbereich liegt als die infrarote Strahlung des Anregungslasers.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, dass zur Detektion des Zielgases eine Strahlung gemessen wird, die in einem anderen Wellenlängenbereich liegt als die infrarote Strahlung des Anregungslasers. Dadurch kann das Zielgas detektiert werden, ohne dass der infrarote Laserstrahl des Anregungslasers zu dem Messdetektor rückreflektiert werden muss. Ein Rückstreuaufbau im infraroten Bereich ist somit nicht erforderlich. Dies ermöglicht einen erheblich einfacheren Messaufbau. Zudem wird für die Messung kein Rückstreuelement benötigt, das für eine effiziente Rückstreuung im infraroten Bereich geeignet ist. Auch sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zum Messen von von der Vorrichtung beabstandeten Gase geeignet. Insbesondere kann auch eine Ferndetektion von Gasen durchgeführt werden.
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Es ist auch nicht erforderlich, dass der Messdetektor in dem Wellenlängenbereich empfindlich ist, der dem Wellenlängenbereich des infraroten Laserstrahls entspricht, der von dem Anregungslaser emittiert wird. Es kann somit ein Detektor verwendet werden, der nur für einen Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des Anregungslasers sensitiv ist oder es kann vor dem Messdetektor ein Filter angeordnet werden, das für die Wellenlänge des infraroten Laserstrahls des Anregungslasers undurchlässig ist. In dieser Anordnung wird verhindert, dass der Messdetektor durch direkte Reflexe des infraroten Laserstrahls des Anregungslasers geschädigt werden kann. Auch wenn vor einem Hintergrund gemessen wird, der infrarote Strahlung reflektiert, würde der Messdetektor nicht durch einen rückreflektierten Strahl des Anregungslasers zerstört werden.
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Die Temperaturerhöhung des Zielgases wird durch geeignete Einstellung des Anregungslasers erreicht. Leistung bzw. Intensität des Laserstrahls und Zeit der Anregung der Absorptionslinie des Zielgases werden so eingestellt, dass eine Temperaturerhöhung des Zielgases erreicht wird, die die zu messende Eigenschaft des Zielgases derart beeinflusst, dass die Veränderung dieser Eigenschaft des Zielgases messbar ist. Dies hängt unter anderem von der Auflösung der zur Verfügung stehenden Messdetektoren ab. Bei heute zur Verfügung stehenden Detektoren ist eine Laserleistung von etwa 1 mW bis 10 W zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Messung geeignet. Die Temperatur des Zielgases wird typischerweise um etwa 10 mK oder mehr erhöht, um eine gute Messempfindlichkeit bei heute zur Verfügung stehenden Messdetektoren zu erreichen.
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Beispiele für Eigenschaften des Zielgases, die durch eine Temperaturerhöhung des Zielgases gemäß der Erfindung beeinflussbar und messbar sind, sind die von dem Zielgas infolge der Temperaturerhöhung ausgehende Wärmestrahlung, oder die Änderung des Brechungsindex des Zielgases infolge der Temperaturerhöhung durch die Anregung des Zielgases sowie infolge der Temperaturabnahme durch die Emission der Wärmestrahlung.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein Anregungslaser verwendet wird, mit dem eine Grundschwingung des Rotationschwingungsspektrums des Zielgases anregbar ist. Wenn mit dem infraroten Laserstrahl des Anregungslasers eine solche Grundschwingung angeregt wird, ist die Absorption des Zielgases deutlich stärker als bei der Anregung von Oberschwingungen. Beispielsweise hat Methan Absorptionsbanden, die durch Anregung von Grundschwingungen von Zuständen des Rotationsschwingungsspektrums zustande kommen im Wellenlängenbereich bei etwa 3,3 μm und bei etwa 7,7 μm. Bei diesen ist die Absorption von infrarotem Licht um etwa einen Faktor 100 stärker als bei der Absorptionslinie bei einer Wellenlänge von etwa 1,65 μm, die durch Anregen einer Oberschwingung zustande kommt. Als Anregungslaser sind Halbleiterlaser vorteilhaft. Mit diesen können aufgrund ihrer kleinen Abmessungen kompakte und transportable Messvorrichtungen erzielt werden, und sie sind in den geeigneten Wellenlängenbereichen erhältlich. So können mit geeigneten Halbleiterlasern Absorptionslinien im Bereich von 3,0 bis 3,5 μm angeregt werden. Besonders geeignet sind Quantenkaskadenlaser, da diese bereits heute leistungsstark im Bereich von etwa 4 bis 12 μm erhältlich sind. Sie sind beispielsweise zur Anregung der Absorptionsbanden von Methan bei 7,7 μm besonders gut geeignet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Anregungslaser zur Emission eines Laserstrahls mit einer vorherbestimmten Referenzwellenlänge ausgebildet, bei welcher das Zielgas und weitere vorhandene Gase eine geringe Absorption aufweisen, und mit der Analyseeinrichtung ist ein Vergleich von Ausganssignalen des Messdetektors bei einer Messung in Korrelation mit der Anregungswellenlänge und in Korrelation mit der Referenzwellenlänge durchführbar. Aufgrund der erfindungsgemäßen Wahl der Referenzwellenlänge findet eine wesentliche Temperaturerhöhung des Zielgases nur bei der Emission des infraroten Laserstrahls mit der Anregungswellenlänge statt. Infolgedessen werden bei Vorhandensein eines Zielgases mit dem Messdetektor infolge der bei der Emission des infraroten Laserstrahls mit der Anregungswellenlänge wesentlich größere Signale gemessen als infolge der Emission des infraroten Laserstrahls bei der Referenzwellenlänge. Durch den infraroten Laserstrahl können bei der Referenzwellenlänge zwar Gasmoleküle eines vorhandenen Gashintergrunds angeregt werden und zu messbaren Ausgangssignalen des Messdetektors führen. Jedoch führt dies nur zu geringen Signalen im Messdetektor. Durch den Vergleich der Ausgangssignale kann somit zuverlässig auf das Vorhandensein des Zielgases geschlossen werden bzw. eine genaue Bestimmung der Konzentration des vorhandenen Gases erfolgen. Wenn wie oben beschrieben im Bereich von 7,7 μm, beispielsweise die Methanlinie gemessen wird, hat dies den weiteren Vorteil, dass in einem Bereich um diese Wellenlänge die Absorption von Wasser und anderen in der Umgebungsluft vorhandenen Molekülen sehr gering ist und eine Referenzwellenlänge gewählt werden kann, bei der die Absorption der Umgebungsgase sehr gering ist und die einen ausreichenden Abstand zu der Anregungswellenlänge des Zielgases aufweist.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Messdetektor ein Infrarotdetektor zur Detektion von Infrarotstrahlung vorgesehen, deren Wellenlänge sich von der Anregungswellenlänge des infraroten Laserstrahls unterscheidet und die von dem Zielgas infolge der durch die Anregung der Absorptionslinie erfolgte Temperaturerhöhung des Zielgases emittiert wird. Infolge der Temperaturerhöhung aufgrund der erfindungsgemäßen Anregung der Absorptionslinie des Zielgases, emittiert das Zielgas Wärmestrahlung mit einem für das Zielgas charakteristischen Spektrum in einem breiten Wellenlängenbereich, der das gesamte Infrarotspektrum umfasst. Es kann somit leicht ein Wellenlängenbereich ausgewählt werden, der sich von der Anregungswellenlänge unterscheidet und der eine Detektion des Zielgases mit einer guten Nachweisempfindlichkeit ermöglicht. Da abseits der Anregungswellenlänge detektiert werden kann, können auch direkte Störreflexe des infraroten Laserstrahls des Anregungslasers im Messdetektor, beispielsweise durch Sperrfilter, zuverlässig unterdrückt werden. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung hat zudem den Vorteil, dass für die Detektion des Zielgases kein Hintergrundelement erforderlich ist. Es kann mit dieser Vorrichtung und mit diesem Verfahren auch eine Gasdetektion gegen die freie Atmosphäre durchgeführt werden. Beispielsweise kann auf diese Weise die Gasemission aus einem Kamin bestimmt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung wird als Infrarotdetektor ein Detektorelement zur schmalbandigen Detektion der Infrarotstrahlung verwendet. Dabei wird der schmalbandige Wellenlängenbereich des Messdetektors so gewählt, dass eine geeignet starke Spektrallinie des Emissionsspektrums des Zielgases, die sich von der angeregten Spektrallinie unterscheidet, detektierbar ist. Da das thermische Emissionsspektrum von Molekülen mehrere starke charakteristische Emissionslinien unterschiedlicher Wellenlängen aufweist, die bei der Emission von Wärmestrahlung sichtbar werden, kann eine solche Emissionslinie genutzt werden, um eine Detektion des Zielgases mit guter Messgenauigkeit zu erreichen. Aufgrund der Intensität der gemessenen Emissionslinie kann auf das Vorhandensein des Zielgases bzw. auf dessen Konzentration geschlossen werden. Beispielsweise kann, wenn man Methan messen möchte, eine Absorptionslinie bei 7,6 μm angeregt werden eine Absorptionslinie bei 3,3 μm in Emission detektiert werden. Die spezifischen Absorptionslinien können abhängig von dem speziellen Messaufbau gewählt werden. So kann auch beispielsweise im Fall von Methan eine Absorptionslinie bei 3,3 μm angeregt werden und die Wärmestrahlung im Bereich von 7,6 μm detektiert werden, oder eine Absorptionslinie bei 7,6 μm angeregt werden und die Wärmestrahlung im Beriech einer Absorptionslinie bei 7,7 μm oder bei 9 μm detektiert werden usw. Bei anderen Zielgasen werden Um eine noch höhere Messempfindlichkeit zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn eine Modulationseinrichtung zur Amplitudenmodulation des infraroten Laserstrahls vorgesehen ist, und wenn die Analyseeinrichtung einen Lock-in-Verstärker aufweist, dem ein Ausgangssignal des Infrarotdetektors und ein Referenzsignal mit der Frequenz der Amplitudenmodulation zuführbar ist. Dadurch, dass das Referenzsignal auf das Ausgangssignal des Messdetektors gelockt wird, kann eine Änderung des Detektorsignals mit hoher Messempfindlichkeit bestimmt werden. Durch Vergleich einer Messung bei Emission des Infraroten Laserstrahls bei der Anregungswellenlänge und bei der Referenzwellenlänge kann zuverlässig nachgewiesen werden, ob ein Zielgas vorhanden ist bzw. dessen Konzentration bestimmt werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist als Infrarotdetektor eine Wärmebildkamera vorgesehen. Mit dieser Anordnung kann ein sehr breiter Wellenlängenbereich der aufgrund der Temperaturerhöhung emittierten Wärmestrahlung des Zielgases gemessen werden. Dadurch erhält man eine gute Messempfindlichkeit. Wenn beispielsweise eine Absorptionslinie von Methan bei 7,6 μm angeregt wurde, so kann die Messung der emittierten Wärmestrahlung mit heute gängigen Wärmebildkameras beispielsweise im Bereich von 3 bis 5 μm oder im Bereich von 8 bis 12 μm gemessen werden. Im Bereichen von 3 bis 5 μm würde man auch die Absorptionsbande bei 3,3 μm nachweisen können und eine hohe Messgenauigkeit erzielen. Für den Bereich von 8 bis 12 μm sind relativ preisgünstige Wärmebildkameras erhältlich, so dass Kosten eingespart werden können. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn sequentiell je ein Wärmebild des Zielortes in Korrelation mit der Emission des infraroten Laserstrahls bei der Anregungswellenlänge und ein Wärmebild in Korrelation mit der Emission des infraroten Laserstrahls bei der Referenzwellenlänge aufgenommen und miteinander verglichen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Detektionsanordnung einen Rückstreudetektor zur Detektion eines an einem Rückstreuelement rückgestreuten Laserstrahls des Anregungslasers auf, wobei das Ausgangssignal des Rückstreudetektors der Analyseeinrichtung zuführbar ist, und vor dem Messdetektor ein Filterelement angeordnet ist, welches für die Anregungswellenlänge und für die Referenzwellenlänge des Anregungslasers undurchlässig ist. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Messung, bei der eine aufgrund der Temperaturerhöhung beeinflussbare Eigenschaft des Zielgases, wie die Emission von Wärmestrahlung oder die Änderung des Brechungsindex, gemessen wird, mit einer Messung in Transmissions- bzw. Reflexionsanordnung in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Bei der Detektion des rückgestreuten Laserstrahls wird bei vorhandenem Zielgas eine Intensitätsabnahme des infraroten Laserstrahls des Anregungslasers detektiert, die durch die Absorption des Zielgases zustande kommt. Mit derselben Vorrichtung kann somit das Zielgas nach zwei Methoden gemessen werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Analyseeinrichtung eine Vergleichseinheit zum Vergleich eines der Ausgangssignale des ersten Infrarotdetektors und eines der Ausganssignale des Rückstreudetektors aufweist. Durch den Vergleich der Messungen kann das Zielgas mit einer größeren Zuverlässigkeit detektiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Intensität der Signale sowie die modulierten Signale des Messdetektors und des Rückstreudetektors miteinander verglichen werden, da so eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird. Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung flexibler eingesetzt werden. Denn sie kann für eine Messung verwendet werden, bei der ein Hintergrundelement vorhanden ist und für eine Messung, bei der keine Hintergrundelement vorhanden ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Analyseeinrichtung eine Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen der Detektion mit dem Messdetektor und der Detektion mit dem Rückstreudetektor aufweist. So kann zwischen beiden Messmethoden je nach den Messbedingungen umgeschaltet werden. Die Vorrichtung kann so ausgestattet sein, dass ein Umschalten durch den Benutzer erfolgen kann oder so, dass das Umschalten automatisch erfolgt. Beispielsweise kann die Vorrichtung so ausgestaltet sein, dass aufgrund eines Vergleichs der Signale des Messdetektors und der Signale des Rückstreudetektors automatisch ermittelt wird, ob ein Rückstreuelement vorhanden ist. Wenn kein Rückstreuelement vorhanden ist, kann automatisch auf eine Detektion und Analyse umgeschaltet werden, die nur die Signale des Messdetektors berücksichtigt; wenn ein Rückstreuelement vorhanden ist, können sowohl die Ausgangssignale des Messdetektors als auch die Ausgangsignale des Rückstreudetektors berücksichtigt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung können der Messdetektor und der Rückstreudetektor als ein Detektorelement ausgebildet sein, wobei das Filterelement beweglich zwischen einer Position vor dem Detektorelement und einer Position außerhalb des Detektionsbereichs des Detektorelements angeordnet ist. So kann derselbe Detektor für beide Messungen verwendet werden. Dadurch wird die Vorrichtung kleiner und kostengünstiger. Dabei kann das Filter automatisch mit der Frequenz zwischen den beiden Positionen hin- und her-bewegt werden, mit der zwischen dem Messen des rückgestreuten Strahls des infraroten Laserstrahls mit der Anregungswellenlänge und dem Messen der von dem Zielgas emittierten Wärmestrahlung hin- und her- geschaltet wird.
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Es ist günstig, wenn als Anregungslaser ein gepulster Laser vorgesehen ist, und wenn die Analyseeinrichtung eine Diskriminierungseinheit zur zeitlichen Diskriminierung von Signalen aufgrund der Detektion des rückgestreuten infraroten Laserstrahls und von Signalen aufgrund der Detektion der von dem Zielgas infolge der durch die Anregung einer Absorptionslinie verursachten Temperaturerhöhung ausgehenden Wärmestrahlung aufweist. So kann aufgrund der zeitlichen Diskriminierung zuverlässig zwischen den Messungen der beiden unterschiedlichen Signalen unterschieden werden. Denn der Rückstreupuls tritt nach der durch die Entfernung vorgegebene Zeit am Messdetektor ein, während die emittierte Wärmestrahlung aufgrund der langsameren Abkühlung des Gases länger andauert und einen exponentiell abklingenden Pulsverlauf zeigt. Aufgrund dieser Anordnung kann darauf verzichtet werden, die absolute Intensität der von einem Rückstreuelement rückgestreuten Strahlung zu bestimmen. Dies wäre bei einer gleichzeitigen integralen Messung der rückgestreuten Strahlung und der Wärmestrahlung erforderlich, da die Intensität der rückgestreuten Strahlung abnimmt, wenn ein Zielgas vorhanden ist und die Intensität der Wärmestrahlung zunimmt. Bei einer Integration der Signale könnten sich die beiden Effekte aufheben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mittels der Analyseeinrichtung die Strömungsgeschwindigkeit einer sich bewegenden Zielgaskomponente bestimmbar. So können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Visualisierung von Gasströmungen und zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden. Dabei können sich die Zielgase beispielsweise in Rohrleitungen oder in einem Behälter befinden, die ein Infrarot-Sichtfenster aufweisen.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn als Anregungslaser ein gepulster Laser vorgesehen ist, dessen Pulsdauer und Pulswiederholrate auf die Strömungsgeschwindigkeit des Zielgases geeignet einstellbar ist. So kann innerhalb kurzer Zeit genügend Energie in dem Zielgas deponiert werden, um eine gute Messempfindlichkeit zu erzielen. Beispielsweise kann ein Quantenkaskadenlaser verwendet werden, mit dem ein infraroter Laserstrahl mit einer Pulsdauer im Nanosekundenbereich und einer Pulswiederholrate im Hz bis kHz-Bereich emittiert werden kann. Wird als Messdetektor eine Wärmebildkamera verwendet, so wird damit die Emission der Wärmestrahlung des sich bewegenden Zielgases in Form einer Spur sichtbar, deren Länge ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Abkühlung des erwärmten Zielgases erfolgt typischerweise innerhalb von Millisekunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein optischer Laser zur Emission eines sichtbaren Laserstrahls vorgesehen und eine Ablenkeinrichtung, mit welcher der sichtbare Laserstrahl dem von dem Anregungslaser emittierten infraroten Laserstrahl überlagerbar ist. Dadurch kann die Strahlführung des infraroten Laserstrahls sichtbar gemacht werden. Dies ist zur Leck-Suche vorteilhaft, da ein Beobachter bewusst nachverfolgen kann, wo die Suche erfolgt und der Laserstrahl bewusster auf einen ausgewählten Zielort gelenkt werden kann. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn z. B. der Verlauf von Rohrleitungen in einer Wand optisch sichtbar ist, so dass das Leck bewusst in diesem Bereich gesucht werden kann.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Detektionsanordnung einen optischen Laser zur Emission eines sichtbaren Laserstrahls sowie eine Ablenkeinrichtung, mit welcher der sichtbare Laserstrahl dem infraroten Laserstrahl überlagerbar ist, und es ist als Messdetektor ein optischer Detektor zur Detektion der Intensität eines an einem Rückstreuelement rückgestreuten sichtbaren Laserstrahls des optischen Lasers vorgesehen, wobei mit der Analyseeinrichtung über die Intensitätsänderung des rückgestreuten sichtbaren Laserstrahls eine Brechungsindexänderung aufgrund eines Zielgases feststellbar ist. Hier wird auf vorteilhafte Weise ausgenutzt, dass sich aufgrund der Erwärmung des Zielgases bei der Anregung der Absorptionslinie der Brechungsindex des Zielgases ändert. Da der sichtbare Laserstrahl zusammen mit dem infraroten Laserstrahl des Anregungslasers auf das Zielgas gelenkt wird, kann die Änderung des Brechungsindex mit der Temperaturerhöhung durch die Anregung am gleichen Ort und zur gleichen Zeit zuverlässig nachgewiesen werden. Die Änderung des Brechungsindex des Zielgases führt zu einer Ablenkung des sichtbaren Laserstrahls, so dass mit dem optischen Detektor eine Intensitätsänderung des sichtbaren Laserstrahls nachgewiesen werden kann und mit der Analyseeinrichtung auf die Anwesenheit des Zielgases geschlossen bzw. dessen Konzentration bestimmt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Änderung des Brechungsindex somit optisch außerhalb des Infrarotbereichs detektiert. Hierdurch ist eine Messung mit hoher Messempfindlichkeit und einfachem Strahlaufbau möglich.
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Vorteilhafterweise ist eine Modulationseinrichtung vorgesehen, mit welcher der optische Laserstrahl amplitudenmodulierbar ist, und ein Lock-in-Verstärker, welchem ein Ausgangssignal des optischen Detektors und ein Referenzsignal mit der Frequenz der Amplitudenmodulation des optischen Lasers zuführbar ist. Dabei kann der optische Laser durch eine vollständige Amplitudenmodulation ein- und ausgeschaltet werden und die rückgestreute Intensität des optischen Laserstrahls kann mittels des Lock-in-Verfahrens mit hoher Auflösung ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise ist mit der Analyseeinrichtung und mit dem Messdetektor eine Intensitätsmodulation des rückgestreuten optischen Laserstrahls mit der Frequenz, mit der der Anregungslaser frequenzmoduliert wird, detektierbar und analysierbar. Dadurch kann die durch die Temperaturerhöhung verursachte Brechungsindexänderung mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden, da die Brechungsindexänderung des Zielgases zu einer kleinen Ablenkung des optischen Laserstrahls führt, welche eine Intensitätsmodulation mit der Frequenz des Anregungslasers zur Folge hat. Die Frequenz des Anregungslasers wird so gewählt, dass sie von der Modulationsfrequenz des optischen Laserstrahls verschieden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messdetektor mehrere Detektorelemente, insbesondere Quadranten-Detektorelemente, deren Ausganssignale der Analyseeinrichtung zum Vergleich zuführbar sind. So kann in der Analyseeinrichtung eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektorelemente gebildet werden. Hierdurch wird eine Messung mit sehr hoher Auflösung möglich.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine optische Laserabstandsmesseinrichtung vorgesehen. Mit dieser ist der Abstand von dem Messort zu dem Zielort bestimmbar. Diese zusätzliche Information ist beispielsweise bei der Leckagen-Suche vorteilhaft, da sie genaueren Aufschluss über den Ort gibt, an dem sich das Zielgas befinden kann. Bei einer erfindungsgemäßen Messanordnung, bei der ein optischer Laser verwendet wird, kann der Laser der Laserabstandsmesseinrichtung die Funktion des optischen Lasers übernehmen, so dass keine zweiter optischer Laser erforderlich ist.
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Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Detektionsanordnung wenigstens einen weiteren Messdetektor auf, der im gleichen Wellenlängenbereich empfindlich ist wie der Messdetektor und der räumlich versetzt zu dem ersten Messdetektor angeordnet ist. Auf diese Weise kann mit der Analyseeinrichtung auf eine räumliche Verteilung der Konzentration des Zielgases geschlossen werden. Weiter ist es vorteilhaft, wenn eine Scaneinrichtung vorgesehen ist, mit der der Messdetektor, der weitere Messdetektor, der Anregungslaser bzw. der optische Laser relativ zueinander bewegbar sind. Auf diese Weise kann die räumliche Konzentration des Zielgases in einer 2- oder 3-dimensionalen Darstellung analysiert werden. Welcher Detektor oder Laser bewegt wird, kann je nach Anwendung und Anordnung geeignet gewählt werden. Wird bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die von dem Zielgas emittierte Wärmestrahlung detektiert wird als Messdetektor eine Wärmebildkamera verwendet, so kann mit dieser an verschiedenen Messorten ein Bild der Verteilung der Konzentration des Zielgases aufgenommen werden. Durch die Bewegung der Wärmebildkamera oder durch die Anordnung mehrerer Wärmebildkameras kann so ein Bild der Zielgaswolke erzeugt werden. Eine solche Anordnung wäre beispielsweise zum Überwachen einer Gasanlage vorteilhaft. Mit einer fest installierten Wärmebildkamera könnte das Eindringen von Personen auf das Gelände überwacht werden und gleichzeitig mit einem scannenden Anregungslaser das Gebäude bezüglich Gaslecks überwacht werden. Bei der Detektion von Gasströmungen kann beispielsweise ein Strömungsprofil erstellt werden. So kann z. B. eine laminare von einer turbulenten Strömung unterschieden werden.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Laservorrichtung so ausgebildet ist, dass die Wellenlänge des infraroten Laserstrahls auf eine Absorptionslinie eines von dem Zielgas verschiedenen Gases einstellbar ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Zielgas zusammen mit anderen Gasen auftritt, die Absorptionslinien aufweisen, die besser detektierbar sind als die des Zielgases oder wenn aufgrund der Präsenz anderer Gase die Detektion des Zielgases erschwert wird. Die Emissionsspektren der in dem Umfeld vorhandenen Moleküle können auch zusätzlich zu denen des Zielgases detektiert werden. Beispielweise kann dies bei einer Leck-Suche zu einer größeren Sicherheit führen oder eine bessere Aussage über die Zusammensetzung eines Gases liefern. Wenn eine Gasströmung mit mehreren Gaskomponenten detektiert werden soll, so kann beispielsweise durch die Detektion bei verschiedenen Anregungswellenlängen für Absorptionslinien verschiedener Gase eine Entmischung detektiert werden.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn ein zweiter infraroter Laser zur Emission eines zweiten infraroten Laserstrahls mit einer Wellenlänge, die auf eine Anregungswellenlänge einer zweiten Absorptionslinie des Zielgases abstimmbar ist, vorgesehen ist. So kann mithilfe des zweiten Lasers in einer Rückstreuanordnung die Erwärmung des Zielgases laserspektroskopisch nachgewiesen werden. Bei Verwendung einer Wärmebildkamera wäre beispielsweise kein zusätzlicher Detektor erforderlich. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung sind für die Detektion eines Zielgases mit hoher Konzentration vorteilhaft, z. B. in einer Gas-Reaktionskammer, um die Konzentration am Ort der Lasererwärmung lokal zu bestimmen. Bei geeigneter Anordnung des Lasers ist so auch eine tomographische 3D-Konzentrationsbestimmung möglich.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zum Messen eines Zielgases aufgrund von emittierter Wärmestrahlung;
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2 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der 1 kombiniert mit einer Rückstreuanordnung;
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3 eine schematische Darstellung eines anderen Aufbaus des Ausführungsbeispiels aus 2;
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4 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 zur räumlichen Detektion des Zielgases;
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5 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 mit einer optischen Strahlführung;
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6 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 zur Detektion einer Gasströmung und
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7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Detektion des Zielgases aufgrund des Brechungsindex.
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1 zeigt einen Anregungslaser 1, mit dem ein infraroter Laserstrahl 2 emittiert und auf einen Zielort gelenkt wird, an dem sich ein Zielgas 3 befindet. Der Anregungslaser 1 ist so gewählt, dass der infrarote Laserstrahl 2 auf eine Anregungswellenlänge einer Absorptionslinie des Zielgases 3 abstimmbar ist, die durch Anregung eines Zustandes des Rotationsschwingungsspektrums des Zielgases 3 zustande kommt, und auf eine Referenzwellenlänge, bei welcher das Zielgas 3 und weitere das Zielgas 3 umgebende Gase eine geringe Absorption aufweisen. Die Leistung des Anregungslasers 1 ist so gewählt, dass die Anregung der Absorptionslinie des Zielgases 3 zu einer Temperaturerhöhung des Zielgases 3 führt. Dabei werden im Gas-Molekül charakteristische Zustände des Rotationsschwingungsspektrums umbesetzt. Dieses anfängliche Ungleichgewicht wird schnell, z. B. durch Stöße der Gas-Moleküle aneinander, in andere Zustände bei einer höheren Gleichgewichtstemperatur umverteilt. Dies führt dazu, dass das Zielgas 3 eine Wärmestrahlung 4 emittiert. Diese kann mit einem Infrarotdetektor 5 nachgewiesen werden kann. Der Infrarotdetektor 5 ist mit einer Analyseeinrichtung 6 verbunden, welcher ein Ausgangssignal des Messdetektors 5 zur Analyse zugeführt wird. Wesentlich ist hier, dass die Detektion der Wärmestrahlung in einem anderen Wellenlängenbereich erfolgen kann als die Anregung der Absorptionslinie des Zielgases mit dem infraroten Laserstrahl 2 des Anregungslasers 1. Somit können direkte Störreflexe des Anregungslasers 1, z. B. durch Anbringen von Sperrfiltern vor dem Infrarotdetektor 5, unterdrückt werden.
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Es ist eine Modulationseinrichtung 7 vorgesehen, mit der der infrarote Laserstrahl 2 mit einer ersten Modulationsfrequenz derart frequenzmoduliert wird, dass er bei einer Messung zwischen der Anregungswellenlänge und der Referenzwellenlänge hin- und her-geschaltet wird. Von der Modulationseinrichtung 7 wird ein Signal mit der ersten Modulationsfrequenz der Analyseeinrichtung 6 zugeführt. In der Analyseeinrichtung 6 wird ein Vergleich zwischen Ausganssignalen des Messdetektors 5 bei Messungen durchgeführt, bei denen der Zielort mit einem infraroten Laserstrahl 2 der Anregungswellenlänge und mit einem infraroten Laserstrahl 2 der Referenzwellenlänge beleuchtet wird. Da das Zielgas 3 beim Beleuchten mit der Anregungswellenlänge erheblich mehr Wärmestrahlung emittiert als beim Beleuchten mit der Referenzwellenlänge, kann durch Vergleich der Messungen bei der Anregungswellenlänge und bei der Referenzwellenlänge ermittelt werden, ob an dem Zielort das Zielgas 3 vorhanden ist. Zudem können weitere Informationen wie die Konzentration des Zielgases zuverlässig bestimmt werden.
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Um eine gute Detektion der Wärmestrahlung mit heute zur Verfügung stehenden Infrarotdetektoren zu erzielen, ist eine Temperaturerhöhung des Zielgases 3 in der Größenordnung von 10 mK oder mehr günstig. Hierzu wird der Anregungslaser 1 so eingestellt, dass der emittierte infrarote Laserstrahl 2 eine Leistung von 10 mW bis 10 W aufweist, bevorzugt von 0,1 W bis 2 W. Für die erste Modulationsfrequenz ist ein Bereich von 1 Hz bis 100 kHz vorteilhaft. Dabei ist sichergestellt, dass der Wechsel zwischen der Absorptionswellenlänge und der Referenzwellenlänge deutlich schneller erfolgt als eine Änderung des Mess-Hintergrunds, so dass beide Messungen bei gleichem Hintergrund miteinander verglichen werden können. Da mit einer niedrigeren Frequenz aufgrund der längeren Beleuchtungszeit eine größere Temperaturerhöhung erzielt wird als mit einer hohen Frequenz, ist es vorteilhaft, eine Modulationsfrequenz in der Größenordnung von 1 kHz zu wählen. So kann gleichzeitig eine hohe Messempfindlichkeit erzielt werden und Ungenauigkeiten aufgrund eines sich ändernden Mess-Hintergrundes ausgeschlossen werden.
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Als Anregungslaser 1 wird ein Laser verwendet, der infrarotes Licht emittiert, dessen Wellenlänge auf eine charakteristische Linie des Zielgases abstimmbar ist und der eine für das gewünschte Messergebnis ausreichende Leistung aufweist. Es kann ein Halbleiterlaser verwendet werden, wenn man Absorptionslinien anregen möchte, die im nahen Infrarotbereich liegen und durch Oberschwingungen des Rotationschwingungsspektrums zustande kommen. Bevorzugt wird als Anregungslaser einen Quantenkaskadenlaser verwendet. Mit diesem können Grundschwingungen von Zuständen des Rotationsschwingungsspektrums angeregt werden, die im mittleren Infraroten Bereich liegen und eine erheblich stärkere Absorption aufweisen als die Oberschwingungen im nahen Infraroten Bereich. Quantenkaskadenlaser kann man heute kommerziell mit einer Leistung erhalten, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung zu einer guten Messauflösung führt.
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Ein typisches Beispiel für ein Zielgas ist Methan. Dieses spielt insbesondere bei der Leck-Detektion eine große Rolle, wie bei der Inspektion und Überwachung von Erdgas-Pipelines, Biogas-Anlagen, von Chemieanlagen, Raffinerien und ähnlichem. Methan hat charakteristische Absorptionslinien bei einer Wellenlänge von 1,65 μm, die durch Anregen einer Oberschwingung zustande kommen, und bei 3,3 μm und bei 7,7 μm, welche durch Anregung von Grundschwingungen des Rotationsschwingungssektrums zustande kommen. Die Absorptionslinien bei 3,3 μm und bei 7,7 μm sind um etwa einen Faktor 100 stärker als die Absorptionslinie bei 1,65 μm. Bei der Detektion von Methan können besonders günstige Messergebnisse erzielt werden, wenn ein Quantenkakaden-Laser verwendet wird und eine Absorptionslinie im 3,3 μm- oder im 7.7 μm-Bereich angeregt wird.
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Als Infrarotdetektor 5 kann eine Wärmebildkamera verwendet werden. Mit der Wärmebildkamera werden sequenziell Bilder aufgenommen, wenn auf den Zielort der infrarote Laserstrahl 2 mit der Anregungswellenlänge gerichtet ist und wenn der infrarote Laserstrahl 2 mit der Referenzwellenlänge darauf gerichtet ist. Die Messung der unterschiedlichen Bilder erfolgt dabei mit der ersten Modulationsfrequenz. Durch Subtraktion der beiden Wärmebilder kann erkannt werden, ob an dem Zielort, an dem gemessen wurde, ein Zielgas vorhanden ist, und es können daraus weitere Informationen über das Zielgas ermittelt werden. Mit der Wärmebildkamera kann über einen weiten Spektralbereich gemessen werden, so dass damit eine gute Identifizierung des Zielgases und/oder anderer Gase aus der Umgebung des Zielgases detektierbar sind. Bei der Messung von Methan werden gute Messergebnisse erzielt, wenn mit eine Absorptionslinie bei 7,7 μm angeregt wird und mit einer Wärmebildkamera, die beispielsweise im Bereich von 3 μm bis 5 μm empfindlich ist, und die Absorptionsbanden bei 3,3 μm umfasst, gemessen wird. Bei der Anordnung und Auswahl des Messdetektors 5 ist es, um eine gute Messempfindlichkeit zu erzielen wichtig, dass eine geeignete Empfangsoptik verwendet wird. Der Querschnitt der zu messenden Strahlung muss so auf die Detektorfläche abgebildet werden, dass diese gut ausgeleuchtet wird. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn ein Messdetektor 5 verwendet wird, der eine Detektorfläche aufweist, die größer als 2 mm2 ist und eine Eingangsapertur, die größer als 50 mm ist.
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Alternativ kann als Messdetektor 5 ein schmalbandiger Infrarotdetektor verwendet werden, der in dem Spektralbereich einer charakteristischen Absorptionslinie des Zielgases empfindlich ist, die sich von der Absorptionslinie unterscheidet, die mit dem infraroten Laserstrahl 2 angeregt wird. Bei dieser Anordnung wird der Emissionsunterschied bei einer Beleuchtung des Zielortes mit der Absorptionswellenlänge und mit der Referenzwellenlänge mit Hilfe eines Lock-in-Detektionsprinzip ermittelt. Hierzu wird der Laserstrahl 2 mit der Modulationseinrichtung 7 mit einer zweiten Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert. Dabei ist die zweite Modulationsfrequenz größer als die erste Modulationsfrequenz und so gewählt, dass der Anregungslaser 2 bei der Modulation die Referenzfrequenz und die Anregungsfrequenz überstreicht. Typischerweise wird die zweite Modulationsfrequenz größer als 100 kHz gewählt, damit mit dem Lock-in-Verstärker eine genügenden Anzahl von Mittelungen durchgeführt werden kann und eine gute Bildqualität erhalten wird. Eine Typische Bildaufnahmezeit liegt hier etwas im Bereich unterhalb einer Sekunde. Zur Messung von Methan kann mit dem Quantenkaskadenlaser eine Absorptionslinie im 7,6 μm-Bereich angeregt werden und eine Detektor verwendet werden, der im Bereich von 3,3 μm empfindlich ist.
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Es ist ferner eine Scaneinrichtung 8 vorgesehen, mit der der Anregungslaser 1 relativ zu dem Messdetektor 5 räumlich bewegt werden kann. So können Messungen unter unterschiedlichen Winkeln zwischen der Ausbreitungslinie eines von dem Anregungslaser 1 ausgehenden Laserstrahls 2 und einer von dem Zielgas 3 ausgehenden und in den Messdetektor 5 treffenden Strahlung 4 durchgeführt werden. Auf diese Weise können weitere Informationen über das Zielgas 3 gewonnen werden, beispielsweise kann die Konzentrationsverteilung des Zielgases bestimmt werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zusätzlich zu der Messung nach dem Ausführungsbeispiel der 2 eine Messung in einer Rückstreuanordnung durchgeführt wird. Von dem Anregungslaser 1 wird ein infraroter Laserstrahl 2 emittiert, der auf einen Zielort gelenkt wird, an dem ein Zielgas 3 vorhanden sein kann. Wie bei dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel emittiert ein an dem Zielort vorhandenes Zielgas 3 infolge der durch den infraroten Laserstrahl 2 verursachten Temperaturerhöhung eine Wärmestrahlung 4. Diese wird wie oben beschrieben in dem Messdetektor 5 nachgewiesen. Die Analyseeinrichtung und Modulationseinrichtung sind nach dem gleichen Prinzip ausgebildet wie in 1 und sind hier nicht explizit dargestellt. Es ist ein Rückstreudetektor 9 vorgesehen, der einen von einem Rückstreuelement 10 rückgestreuten Laserstrahl 11 des Anregungslasers 1 detektiert. Hierzu wird ein Infrarotdetektor verwendet, der für die Wellenlänge des von dem Anregungslaser 1 emittierten infraroten Laserstrahls 2 empfindlich ist. Vor dem Messdetektor 5 ist ein Filterelement 12 angeordnet, welches für die Wellenlänge des infraroten Laserstrahls 2 des Anregungslasers 1 undurchlässig ist. So ist sichergestellt, dass ein von dem Rückstreuelement 10 in Richtung des Messdetektors 5 rückgestreuter Strahl des infraroten Laserstrahls 2 des Anregungslasers 1 nicht in den Messdetektor 5 fällt. Es kann also ein hochempfindlicher Detektor als Messdetektor 5 verwendet werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass dieser durch direkte Störreflexe des Anregungslasers 1 geschädigt wird. Hier können die Signale des Messdetektors 5 und des Rückstreudetektors 9 in einer dafür geeignet ausgestatteten Analyseeinrichtung miteinander verglichen und ausgewertet werden. Zum einen ermöglicht dies eine höhere Messgenauigkeit; zum anderen kann die Vorrichtung so konzipiert werden, dass zwischen einer Messung der Wärmestrahlung 4 und des rückgestreuten Laserstrahls 11 umgeschaltet werden kann. Dieselbe Vorrichtung kann somit für eine Messung mit und ohne Rückstreuelement 10 verwendet werden. Wenn eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, kann mit der Analyseeinrichtung automatisch von einer Rückstreumessung auf eine Messung der Wärmestrahlung 4 umgeschaltet werden, wenn in der Analyseeinrichtung erkannt wird, dass kein Rückstreuelement vorhanden ist. Bei vorhandenem Rückstreuelement kann je nach Anwendung nur mit dem Messdetektor 5 detektiert werden oder eine Vergleichsmessung mit dem Messdetektor 5 und dem Rückstreudetektor 9 durchgeführt werden.
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Wenn Methan als Zielgas 3 detektiert werden soll, kann mit einem Quantenkaskadenlaser als Anregungslaser 1 eine Absorptionslinie im Bereich von 7,6 μm angeregt und mit dem Rückstreudetektor 9 laserspektroskopisch gemessen werde. Zusätzlich kann mit dem Messdetektor 5 in einem Bereich gemessen werden, der die Absorptionslinien von 3,3 μm umfasst.
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In 3 zeigt einen anderen Aufbau des Ausführungsbeispiels der Erfindung aus 2. Hier ist der Messdetektor 5 so ausgebildet, dass er sowohl für die von dem Zielgas 3 emittierte Wärmestrahlung 4 als auch für die von einem Rückstreuelement 10 rückgestreute Strahlung 11 empfindlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Filterelement 12 beweglich vor dem Messdetektor 5 angebracht. Bei einer Messung der Wärmestrahlung 4 befindet sich das Filterelement 12 in einer Position vor dem Messdetektor 5, so dass der rückgestreute Laserstrahl 11 nicht in den Messdetektor 5 gelangen kann. Bei einer Messung des rückgestreuten Laserstrahls 11 befindet sich das Filterelement 12 außerhalb einer Position des Detektionsbereichs des Messdetektors 5. Das Filterelement 12 wird mit einer geeigneten Steuereinrichtung in die jeweilige Position zum entsprechenden Zeitpunkt der jeweiligen Messung gebracht. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist es günstig, wenn als Anregungslaser 1 ein gepulster Laser verwendet wird. In der Analyseeinrichtung kann dann mit einer Diskriminierungseinrichtung eine zeitliche Diskriminierung von Signalen des Messdetektors 5 aufgrund von Wärmestrahlung 4 und von Signalen aufgrund des rückgestreuten infraroten Laserstrahls 11 vorgenommen werden. Die Bewegung des Filterelements wird dann mit der Frequenz des gepulsten Lasers gesteuert.
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In 4 ist eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 gezeigt, bei der ein weiterer Messdetektor 13 angeordnet ist, welcher im gleichen Wellenlängenbereich empfindlich ist wie der Messdetektor 5 und räumlich versetzt zu diesem angeordnet ist. Bei dieser Anordnung bildet die Sichtlinie 14 des Messdetektors 13 mit der Ausbreitungsrichtung 15 des Anregungslasers 1 einen anderen Winkel als die Sichtlinie 16 des Messdetektors 5. Durch einen Vergleich der Messungen der beiden Messdetektoren 5, 13 können Informationen über die räumliche Verteilung des Zielgases 3 gewonnen werden. Es sind Scaneinrichtungen 8, 17 vorgesehen, mittels welcher der Anregungslaser 1 und der Messdetektor 13 bewegbar sind. Der Messdetektor 13 kann an verschiedene räumliche Positionen bewegt werden, bei denen jeweils in einem anderen Winkel zu der Ausbreitungsrichtung 15 des Anregungslasers 1 gemessen wird. Beispielsweise kann der Messdetektor 13 in die Position 18 bewegt werden. So können an verschiedenen räumlichen Positionen Messungen durchgeführt werden und aus diesen die räumliche Verteilung des Zielgases 3 genau ermittelt werden. Zusätzlich kann der Anregungslaser 1 bewegt werden, so dass eine noch größere Variation von unterschiedlichen Messperspektiven möglich wird. Wenn in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung als zweiter Messdetektor 13 eine Wärmebildkamera verwendet wird, so kann an verschiedenen Positionen ein Bild eines Ausschnittes der Verteilung der Gaskonzentration gewonnen werden. Beispielsweise würde eine Messung mit einer Wärmebildkamera von der Seite unter 90° einen leuchtender Geradenabschnitt zeigen, der die Projektion eines Durchmessers der Gaswolke wiedergibt. Bei sehr hohen Gaskonzentrationen würde die Intensität des infraroten Laserstrahls 2 des Anregungslasers 1 aufgrund der Absorption innerhalb des Zielgases 3 stark abnehmen. Dadurch würde die Emission von Wärmestrahlung 4 entlang des sichtbaren Geradenabschnitts abnehmen. Entsprechend würde sich die Intensität des leuchtenden Geradenabschnitts, der mit der Wärmebildkamera aufgenommen wird, ändern. Durch Messungen in verschiedenen Positionen kann so ein Bild von der Zielgaswolke gewonnen werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1, bei dem eine optische Laser-Entfernungseinrichtung 19 vorgesehen ist. Die optische Laser-Entfernungseinrichtung 19 enthält einen optischen Laser zur Emission eines sichtbaren Lichtstrahls 20. Der sichtbare Lichtstrahl 20 wird mit einer Ablenkeinrichtung 21 dem infraroten Laserstrahl 2 des Anregungslasers 1 überlagert. Der optische Laser wirkt als Pilot-Laser und macht die Strahlführung des infraroten Laserstrahls 2 sichtbar. Mit der Entfernungsmesseinrichtung 19 wird ein an einem Rückstreuelement 10 rückgestreuter optischer Strahl 22 des optischen Lasers detektiert und es wird die Entfernung zu dem Rückstreuelement bestimmt. Diese Information kann bei der Auswertung der Messergebnisse aufgrund der detektierten Wärmestrahlung 4 mitberücksichtigt werden.
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6 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1, die zur Detektion einer Gasströmung verwendet wird. Das Zielgas 3 befindet sich in einem Behälter 23, der ein Sichtfenster 24 aufweist, das für infrarote Strahlung durchlässige ist und durchströmt den Behälter 23 in Richtung des Pfeiles P. Der Anregungslaser 1 ist so ausgerichtet, dass der infrarote Laserstrahl 2 auf das Sichtfenster 24 gelenkt wird und das Zielgas 3 erfindungsgemäß erwärmt. Infolgedessen emittiert das Zielgas 3 Wärmestrahlung 4 und erzeugt im Infraroten Spektrum eine leuchtende Spur entlang seiner Bewegungsrichtung, die z. B. mit einer Wärmebildkamera als Messdetektor 5 sichtbar gemacht werden kann. Wird der Anregungslaser 1 in kurzen Pulsen, z. B. im Nanosekundenbereich betrieben, ist die Länge dieser Spur ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Zielgases 4. Mit dem Messdetektor 5 wird die Wärmestrahlung 4 detektiert und die Messergebnisse werden mit der Analyseeinrichtung 6 analysiert. Dadurch kann die Strömung des Zielgases 3 sichtbar gemacht werden und die Strömungsgeschwindigkeit des Zielgases 3 bestimmt werden. Mit der Modulationseinrichtung 7 wird der infrarote Laserstrahl 2 moduliert, wie dies bereits weiter oben erläutert wurde.
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Bei dieser Anordnung ist es vorteilhaft, wenn als Anregungslaser 1 ein gepulster Laser verwendet wird und seine Puls-Frequenz geeignet auf die Strömungsgeschwindigkeit des Zielgases 3 eingestellt wird. Es wird dafür gesorgt, dass das Zielgas 3 so erwärmt wird, dass die Abkühlrate des Zielgases 3 und die Strömungsgeschwindigkeit des Zielgases 3 in einem geeigneten Verhältnis stehen, so dass bei der Abkühlung des erwärmten Zielgases 3 eine messbare Spur des Zielgases 3 detektiert werden kann. Typische Messzeiten, um eine gute Darstellung der Spur des Zielgases 3 zu erhalten, liegen im Bereich von Millisekunden. Die Pulsfrequenz des Anregungslasers 1 liegt vorteilhafterweise im Bereich von Nanosekunden. So können bei den oben gemäß der Erfindung beschriebenen Laserleistungen gute Messergebnisse erzielt werden. Hierfür können die heute zur Verfügung stehenden Quantenkaskadenlaser eingesetzt werden. Mit der Scaneinrichtung 8 kann der Anregungslaser 1 relativ zu dem Messdetektor 5 und zu dem Zielgas 3 bewegt werden. Durch Messungen in verschiedenen räumlichen Positionen kann ein Strömungsprofil des Zielgases erstellt werden. Damit kann beispielsweise eine laminare Strömung von einer turbulenten Strömung unterschieden werden. Wenn mehrere Gaskomponenten in dem Zielgas 3 vorhanden sind, kann die erfindungsgemäße Messung bei verschiedenen Anregungswellenlängen durchgeführt werden, die jeweils einer charakteristischen Absorptionslinie der unterschiedlichen Gase im infraroten Spektrum entsprechen. Auf diese Weise können die Strömungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Gaskomponenten des Zielgases 3 dargestellt werden und Strömungsprofile der Gaskomponenten erstellt werden. Es kann auch überprüft und festgestellt werden, ob eine Entmischung von Gaskomponenten stattfindet.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung, bei dem das Zielgas 3 über die Detektion des Brechungsindex gemessen wird. Der Anregungslaser 1 emittiert wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen einen infraroten Laserstrahl 2, mit dem das Zielgas 3 auf die oben beschriebene erfindungsgemäße Weise erwärmt wird. Aufgrund der Erwärmung gemäß der Erfindung ändert sich der Brechungsindex des Zielgases 3. Zur Messung diese Eigenschaft des Zielgases 3 umfasst die Detektionsanordnung einen optischen Laser 25, der einen sichtbaren Laserstrahls 27 emittiert und eine Ablenkeinrichtung 26, mit welcher der sichtbare Laserstrahl 27 dem infraroten Laserstrahl 2 überlagert wird. Als Messdetektor 5 ist ein optischer Detektor vorgesehen, mit dem ein an einem Rückstreuelement 10 rückgestreuter sichtbarer Laserstrahl 28 des sichtbaren Laserstrahls 2 detektiert wird. Der sichtbare Laserstrahl 27 durchläuft somit das durch den infraroten Laserstrahl 2 erwärmte Zielgas 3 in dem Bereich, in dem die Erwärmung des Zielgases 3 stattfindet. Da sich aufgrund der Erwärmung der Brechungsindex des Zielgases 3 ändert, wird der sichtbare Laserstrahl 27 abgelenkt. Diese Ablenkung ist zwar gering, kann aber mit der optischen Messung mit einer guten Messempfindlichkeit nachgewiesen werden. Die durch die Änderung des Brechungsindex verursachte Ablenkung des optischen Laserstrahls 27 führt an dem Ort, an dem der rückgestreute optische Laserstrahl 28 gemessen wird, zu einer Intensitätsänderung. Diese wird von dem Messdetektor 5 detektiert. Das Ausgangssignal des Messdetektors 5 wird der Analyseeinrichtung 6 sowie einer Entfernungsmesseinrichtung 28 zugeführt.
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Es ist eine erste Modulationseinrichtung 7 vorgesehen, mit welcher der infrarote Laserstrahl 2 mit einer ersten Modulationsfrequenz frequenzmoduliert wird, um zwischen einer Anregungswellenlänge und einer Referenzwellenlänge hin- und her- zu schalten. Die durch die Erwärmung des Zielgases 3 hervorgerufene Änderung des Brechungsindexes führt zu einer Intensitätsmodulation des rückgestreuten optischen Laserstrahls 28 mit der ersten Modulationsfrequenz, welche in dem Messdetektor 5 nachgewiesen wird. Der Analyseeinrichtung wird das Ausgangssignal des Messdetektors 5 und ein Signal mit der ersten Modulationsfrequenz zugeführt, so dass dort eine Analyse der Änderung des Brechungsindex des Zielgases 3 durchgeführt werden kann, bei der die Beleuchtung des Zielgases 3 mit der Anregungswellenlänge und mit der Referenzwellenlänge berücksichtigt wird. Dies erfolgt wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen durch Vergleich der entsprechenden Messsignale. Hier kann der Messdetektor mehrere Detektorelemente, insbesondere Quadranten-Detektorelemente umfassen. Mittels einer Differenzbildung der Signale der einzelnen Detektorelemente kann die Strahlablenkung sehr genau bestimmt werden.
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Es ist eine zweite Modulationseinrichtung 29 vorgesehen, mit welcher der sichtbaren Laserstrahls 27 mit einer zweiten Modulationsfrequenz, die sich von der ersten Modulationsfrequenz unterscheidet, amplitudenmoduliert wird. Dabei wird der optische Laser 25 durch eine vollständige Amplitudenmodulation ein- und ausgeschaltet. Ein Signal mit der zweiten Modulationsfrequenz wird der Entfernungsmesseinrichtung 29 zugeführt. Dort wird die Intensität des rückgestreuten optischen Laserstrahls 28 mittels eines Lock-in-Verstärkers genau bestimmt. Eine Bestimmung der Entfernung kann bei der Analyse der Messdaten mitberücksichtigt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die im Einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind auch weitere Kombinationen und Anwendungen möglich.
