DE102013101610A1

DE102013101610A1 - 1Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases

Info

Publication number: DE102013101610A1
Application number: DE102013101610.3A
Authority: DE
Inventors: Armin Lambrecht
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: WO2014128161A3; WO2014128161A2; DE102013101610B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases. Mit einem Anregungslaser 4 wird ein Anregungslaserstrahl 5 auf einen Zielort Oi, an welchen sich das Zielgas 1 befinden kann, gelenkt, mit einem Detektor 6 wird eine von dem Zielort 1 ausgehenden Strahlung 16 detektiert und mittels einer Steuer- und Auswerteieinrichtung 13 werden Ausgangssignale des Detektors 6 in Abhängigkeit von dem Zielort Oi und in Korrelation mit dem von dem Anregungslaser 4 ausgehenden Anregungslaserstrahls 5 ausgewertet. Ein zuverlässiger und sicherer Nachweis des Zielgases 1 wird dadurch erreicht, dass der Anregungslaser 4 zur Emission eines infraroten Anregungslaserstrahls 5 ausgebildet ist, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie eines infrarotaktiven Hintergrundgases 3 abstimmbar ist, dass mit dem Detektor 6 eine durch das Hintergrundgas 3 beeinflussbare Strahlung messbar ist, und dass mit der Auswerteeinrichtung mittels der Ausgangssignale des Detektors 6 Werte darstellbar sind, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases 3 stehen und aus welchen Eigenschaften eines vorhandenen Zielgases 1 ermittelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 17. Mit einem Anregungslaser wird ein Anregungslaserstrahl auf einen Zielort gelenkt, an welchem sich das Zielgas befinden kann. Es ist ein Detektor zum Nachweis einer von dem Zielort ausgehenden Strahlung vorgesehen, eine Steuereinrichtung zum Steuern des Anregungslasers und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Ausgangssignalen des Detektors in Abhängigkeit von dem Zielort und in Korrelation mit dem von dem Anregungslaser emittierten Anregungslaserstrahl.
Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus Patent Abstracts of Japan, Nr. 2007232374 A bekannt. Mit dieser Vorrichtung und diesem Verfahren ist eine Ferndetektion eines nicht infrarotaktiven Gases, nämlich von Wasserstoff, möglich. Der Wasserstoff wird mittels Raman-Spektroskopie detektiert und sichtbar gemacht. Hierzu wird ein Objektraum, in dem sich der Wasserstoff befinden kann, mit Laserlicht im sichtbaren Spektralbereich abgescannt. Es werden Signale aufgrund des Raman-gestreuten Lichts sowie Signale von Licht einer Referenzwellenlänge detektiert und ausgewertet. Durch eine räumliche Auswertung der Messsignale kann der Wasserstoff bildlich dargestellt werden.
Nachteilig an dieser Vorrichtung und diesem Verfahren ist, dass die Messsignale der Raman-Spektroskopie sehr schwach sind und daher zum Nachweis von Wasserstoff eine sehr hohe Laserleistung erforderlich ist. Dies ist sowohl hinsichtlich der Augensicherheit als auch hinsichtlich des Explosionsschutzes problematisch. Beispielsweise können Richtwerte für die Bestrahlungsstärke von zündfähigen Gasgemischen nicht eingehalten werden, so dass diese Messmethode für explosionsgefährdete Bereiche nicht anwendbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases zu schaffen, die einen zuverlässigen und sicheren Nachweis eines nicht infrarotaktiven Zielgases ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Vorrichtung gelöst, bei der der Anregungslaser zur Emission eines infraroten Anregungslaserstrahls ausgebildet ist, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie eines infrarotaktiven Hintergrundgases abstimmbar ist, bei der mit dem Detektor eine durch das Hintergrundgas beeinflussbare Strahlung messbar ist, und mit der Auswerteeinrichtung mittels der Ausgangssignale des Detektors Werte darstellbar sind, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehen und aus welchen Eigenschaften eines vorhandenen Zielgases ermittelbar sind.
Ferner wird diese Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem die Wellenlänge des Anregungslaserstrahls auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie eines infrarotaktiven Hintergrundgases abgestimmt wird, eine durch das Hintergrundgas beeinflussbare Strahlung gemessen wird, und mittels der gemessenen Strahlung Werte dargestellt werden, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehen und aus welchen Eigenschaften eines vorhandenes Zielgases ermittelbar sind.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, dass ein nicht infrarotaktives Zielgas indirekt mittels der Eigenschaften eines infraroten Hintergrundgases nachgewiesen werden kann. Hierbei wird ausgenutzt, dass durch die Präsenz des nicht infrarotaktiven Zielgases das Hintergrundgas lokal verdünnt oder verdrängt wird und sich dadurch die Konzentration des Hintergrundgases ändert. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anregung einer infraroten Absorptionslinie des Hintergrundgases und des Nachweises einer durch das Hintergrundgas beeinflussbaren Strahlung werden Werte bestimmbar, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehen. Aus diesen Werten können Eigenschaften des Zielgases bestimmt werden, z. B. die Präsenz des Zielgases, die Konzentration des Zielgases, die räumliche Ausdehnung einer Zielgaswolke, zeitliche oder räumliche Veränderungen der Konzentration des Zielgases, der Ort, an dem das Zielgas aus einem Leck austritt, u.a.
Die erfindungsgemäße Messung des Hintergrundgases kann mittels einer Transmissionsmessung erfolgen. In diesem Fall wird mit dem Detektor die Intensität der von dem Hintergrundgas transmittierten Strahlung gemessen.
Gemäß der Erfindung wird es somit möglich, dass ein nicht infrarotaktives Zielgas, wie Wasserstoff, Helium, Argon, Stickstoff etc., mit einer hohen Genauigkeit berührungslos gemessen werden kann. Da das infrarotaktive Hintergrundgas gemessen wird, erfolgt die Anregung der Spektrallinie im infraroten Bereich, so dass ein infraroter Anregungslaser verwendet werden kann. Die hier verwendbaren Laser sind deutlich leistungsschwächer als die Laser im sichtbaren Spektralbereich, die gemäß der Raman-Spektroskopie erforderlich sind, und liegen zudem in einem Wellenlängenbereich, der für die Augen deutlich weniger schädlich ist. Dadurch wird sowohl Augensicherheit gewährleistet als auch eine Explosionsgefahr bei der Messung verhindert. Vorgegebene Richtwerte für Messungen an zündfähigen Gasgemischen können problemlos eingehalten werden. Somit wird ein großer Anwendungsbereich zum Messen von Zielgasen ermöglicht.
Es wird eine zuverlässige Ferndetektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases ermöglicht. Dies ist beispielsweise bei dem Nachweis von Leckagen vorteilhaft; denn gemäß der Erfindung sind Messungen aus einem Abstand von ca. 1 bis 20 m, wie sie zum Nachweis von Leckagen erforderlich sind, mit guter Genauigkeit möglich.
Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es vorteilhaft, ein Hintergrundgas auszuwählen, welches in der Umgebung des zu messenden Zielgases nur geringe zeitliche und räumliche Schwankungen in der Konzentration aufweist, d.h. welches insbesondere innerhalb einer vorgegebenen Messzeit näherungsweise konstant ist. Es kann ein bekanntes an dem Zielort vorhandenes infrarotaktives Hintergrundgas verwendet werden. Typische Hintergrundgase, die in der bodennahen Atmosphäre in einer für die erfindungsgemäße Messung geeigneten Konzentration auftreten, sind beispielsweise CO₂, N₂O und CH₄. Auch kann die Umgebung des Zielortes mit einem gewählten Hintergrundgas beaufschlagt werden. Hierzu kann beispielsweise CO₂ verwendet werden. Die ist vorteilhaft, da es kostengünstig und im Wesentlichen inert und in Konzentrationen von < 0,5 % (MAK-Wert) nicht toxisch ist. Anlagenteile, die auf ein Leck überprüft werden sollen, können mit CO₂ abgesprüht werden oder gezielt mit einer erhöhten Konzentration von CO₂ beaufschlagt werden. Dies ist insbesondere bei der Dichtigkeitsprüfung von Behältern vorteilhaft. Diese können innen mit einem nicht infrarotaktiven Zielgas wie H₂, Ar, N₂ oder Druckluft beaufschlagt werden. Zur Dichtigkeitsprüfung werden die Behälter in eine Umgebung mit erhöhter CO₂ Konzentration gebracht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Entfernungsmesseinrichtung zum Ermitteln der Entfernung von dem Anregungslaser zu dem Zielort und/oder von dem Zielort zu dem Detektor in Korrelation mit dem Anregungslaserstrahl vorgesehen, wobei die Entfernungsmessdaten der Auswerteeinrichtung zuführbar und zur Bestimmung der Konzentrationswerte des Hintergrundgases und der Eigenschaften des Zielgases verwendbar sind. Die Entfernungsmessung zu dem Zielort ermöglicht eine sehr genaue Auswertung der in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehenden Werten. Änderungen der Konzentration des Hintergrundgases können ortsabhängig mit hoher Genauigkeit gemessen werden, so dass die Eigenschaften des Zielgases entsprechend genau ermittelt werden können. Für eine hohe Messgenauigkeit ist es vorteilhaft, wenn die Entfernungsmesseinrichtung einen Laser umfasst, der einen Laserstrahl emittiert, der kollinear zu dem Anregungslaserstrahl verläuft, dessen Wellenlänge sich von der Wellenlänge des Anregungslasers unterscheidet und der eine geringe Absorption entlang der für die Entfernungsmessung zu durchlaufenden Wegstrecke hat. Wird ein Laser im sichtbaren Spektralbereich verwendet, so hat dies den weiteren Vorteil, dass der Laserstrahl gleichzeitig zur visuellen Zielerkennung geeignet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Auswerteeinrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, in welcher Daten zu möglichen Hintergrundgasen, insbesondere deren Spektraldaten, Absorptionskoeffizienten und zu erwartende Konzentrationswerte, speicherbar und zur Auswertung verwendbar sind. Hierdurch ist eine schnellere und genauere Messung möglich. Es können schnell und zuverlässig ein geeignetes Hintergrundgas und eine geeignete Absorptionslinie für die Messung ausgewählt werden, die Wellenlänge des Anregungslasers kann schneller und zuverlässiger auf die Absorptionslinie eines bestimmten Hintergrundgases eingestellt werden, Abweichungen von erwarteten Werten für die Konzentration eines Hintergrundgases können schnell erkannt und bei der Messung und der Auswertung berücksichtigt werden.
Es ist günstig, wenn der Anregungslaser einen monomodischen Abstimmbereich aufweist, der eine vorherbestimmte Auswahl von Spektrallinien von infrarotaktiven Hintergrundgasen umfasst, und die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass abhängig von der Entfernung des Anregungslasers zum Zielort eine Absorptionslinie mit optimaler Nachweisstärke des gewählten Hintergrundgases bestimmbar und auswählbar ist. Hierdurch kann die Messgenauigkeit weiter verbessert werden. Denn bei einer größeren Wegstrecke wird mit einer schwächeren Absorptionslinie eine bessere Konzentrationsauflösung erreicht und bei einer kürzeren Wegstrecke ist eine stärkere Absorptionslinie vorteilhaft. Bei einem vorgegebenen Abstand wird vorzugsweise eine Absorptionslinie ausgewählt, deren Transmission zwischen 30% und 80% liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass weder im Bereich der Sättigung noch in einem Bereich gemessen wird, der durch die Nachweisgrenze oder das Systemrauschen begrenzt ist. Als Laser kann beispielsweise ein VCSEL, ein DFB-Laser, ein Halbleiterlaser mit externem Resonator oder ein auf nichtlinearer Frequenzkonversion beruhendes Lasersystem mit einem optisch parametrischen Oszillator (OPO) verwendet werden
Ferner ist es vorteilhaft, wenn mit der Auswerteeinrichtung die Nachweisstärke für mehrere Spektrallinien abhängig von der Entfernung bestimmbar und speicherbar ist, und bei einem nachfolgenden Messvorgang zur Detektion des Zielgases bei vorgegebener Entfernung automatisch eine Spektrallinie mit optimaler Nachweisstärke wählbar ist. So sind die Messvorrichtung und das Messverfahren bei Abstandsänderungen flexibel einsetzbar und liefern eine hohe Genauigkeit. Dies ist insbesondere bei mobilen Geräten vorteilhaft.
Günstigerweise ist eine Scaneinrichtung vorgesehen, mit welcher der Anregungslaser und der Detektor relativ zueinander bewegbar sind, und mit der Auswerteeinrichtung sind an verschiedenen Zielorten O_i die mit der Konzentration des Hintergrundgases in Korrelation stehenden Werte bestimmbar. So kann beispielsweise der Anregungslaserstrahl auf verschiedene Zielorte O_i gelenkt werden und es kann unter verschiedenen Winkeln des Anregungslasers oder des Detektors gemessen werden, und somit eine räumliche Darstellung der Hintergrundgaskonzentration sowie der Zielgaskonzentration erhalten werden. Die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung sind vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehenden Werte über einen definierten Zeitverlauf ermittelbar sind. Hierdurch können zeitliche Fluktuationen des Zielgases ermittelt werden.
Wenn mit der Auswerteeinrichtung die an verschiedenen Zielorten O_i und zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelten, mit der Konzentration des Hintergrundgases in Korrelation stehende Werte mittels Datenverarbeitungsverfahren, insbesondere mittels Bildverarbeitung oder Chemometrie, als 3D- oder 4D-Bilder dargestellt werden, erhält man ein Negativbild des Zielgases. Dieses kann zu einer genauen Leckortung, sowie einer genauen Auswertung der Größe, Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Lecks verwendet werden. Die Messgenauigkeit kann durch Berücksichtigung weiterer Daten in der Auswerteeinrichtung, wie Windeinflüsse etc. verbessert werden. Auch können absolute Ortskoordinaten, beispielsweise mit einem GPS-System, ermittelt und bei der Bilddarstellung berücksichtigt werden. Es können auch Messungen von verschiedenen Standorten aus durchgeführt und miteinander kombiniert werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung können mit dem Detektor die von einem Rückstreuelement reflektierte Strahlung der Intensität I des Anregungslaserstrahls der Intensität I₀ detektiert werden, mit der Analyseeinrichtung mittels der Detektorsignale Transmissionswerte T = I/I₀ abhängig vom jeweiligen Zielort ermittelt werden, und mittels der aus der Entfernungsmesseinrichtung ermittelten Entfernung s_em und den Transmissionswerten T jeweils ein mittlerer Konzentrationswert c_m des Hintergrundgases entlang der Wegstrecke des Anregungslaserstrahls ermittelt werden. Hierdurch ist eine sehr genaue Bestimmung der mittleren Konzentrationswerte c_m des Hintergrundgases und somit eine genaue Ermittlung des Zielgases möglich. Hierbei kann die Transmission aus dem Lambert-Beerschen Gesetz der Laserspektroskopie bestimmt werden: I = I₀·e^–α·s·c , wobei I₀ die Intensität des von dem Anregungslaser emittierten Laserlichts ist, I die Intensität des Laserlichts nach Durchlaufen der Wegstrecke s, c die Gaskonzentration des Hintergrundgases, α der gasspezifische Absorptionskoeffizient. Daraus ergibt sich die Transmission T: T = I/I₀ = e^–α·s·c .
Bei bekanntem gasspezifischem Absorptionskoeffizienten lassen sich die Werte für die Konzentration c des Hintergrundgases bei bekannter Wegstrecke s ermitteln. Setzt man die aus der Entfernungsmessung ermittelten Werte S_em ein, so erhält man mittlere Konzentrationswerte c_m entlang der Wegstrecke S_em. Die mittleren Konzentrationswerte c_m können wie weiter oben beschrieben orts- und zeitabhängig dargestellt werden und bilden ein Negativbild des Zielgases.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet, dass mit einer differentiellen Messmethode an zwei verschiedenen Zielorten O₁, O₂ Transmissionswerte T₁, T₂ sowie Entfernungen s_em1, s_em2 messbar sind, und die jeweiligen daraus ermittelten mittleren Konzentrationswerte des Hintergrundgases c_m1, c_m2 sind miteinander vergleichbar. Somit ist eine schnelle vergleichende Messung möglich. Wenn die Messung an verschiedenen Zielorten erfolgt, kann bei einer Änderung der differentiell bestimmten Vergleichswertes auf das Vorhandensein des Zielgases geschlossen werden. Eine besonders schnelle Messung des Zielgases kann dadurch erreicht werden, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass aus den gemessenen Werten Größen, die zum schnellen Erfassen einer Änderung der mittleren Konzentrationswerte des Hintergrundgases c_mi, wie ∆T = (T_i – T_i+1)/(s_emi – s_emi+1), ∆cm = |cm_i – c_mi+1| oder c_mrel = cm_i/cm_i+1, bestimmbar sind. Dabei handelt es sich um Größen, die mittels einer geeigneten Software schnell bestimmbar sind und die bei einer konstanten mittleren Konzentration des Hintergrundgases konstant bleiben und sich bei einer Änderung der mittleren Konzentration des Hintergrundgases, bevorzugt näherungsweise linear, ändern.
Zur genaueren Ermittlung dieser Größen ist es vorteilhaft, den Anregungslaserstrahl periodisch abzulenken, beispielsweise mittels eines Schwingspiegels, und ein Lock-in-Verfahren zu verwenden, bei welchem das Messsignal auf die Frequenz der periodischen Ablenkung gelockt wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Anregungslaser so ausgebildet, dass mit dem Anregungslaserstrahl eine Absorptionslinie des Hintergrundgases derart anregbar ist, dass die Anregung zu einer Temperaturerhöhung des Hintergrundgases führt, und der Detektor ist zum Messen einer durch die Temperaturerhöhung beeinflussbaren Eigenschaft des Hintergrundgases ausgestattet, wobei mit dem Detektor eine von einem Emissionsbereich ausgehende Strahlung in einem Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des Anregungslasers messbar ist. Bei dieser Anordnung kann das Zielgas ermittelt werden, ohne dass ein Rückstreuelement erforderlich ist. Dies ist dann insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Zielgas vor dem freien Himmel bestimmt werden soll.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Detektor zur Detektion von Wärmestrahlung ausgebildet, die von dem Hintergrundgas infolge der durch die Anregung der Absorptionslinie erfolgten Temperaturerhöhung des Hintergrundgases von einem Emissionsbereich emittiert wird. Dabei ist es günstig, wenn die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass ein mittlerer Konzentrationswert c_m des Hintergrundgases aufgrund der von dem jeweiligen Emissionsbereich ausgehenden gemessenen Strahlung bestimmbar ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung können Halbleiterlaser, z.B. Quantenkaskadenlaser, zur Anregung der Absorptionslinie eingesetzt werden. Da diese in einem für die Erfindung interessanten Wellenlängenbereich, im Bereich von 4 bis 12 µm leistungsstark erhältlich sind, kann eine kompakte Vorrichtung mit hoher Messauflösung realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Emissionseinheit zur Emission eines zweiten Anregungslaserstrahls vorgesehen, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie des infrarotaktiven Hintergrundgases abstimmbar ist, und der in einem vorgegebenen Abstand und in einem vorgegebenen Emissionswinkel zu dem Anregungslaserstrahl verläuft, und mit der Auswerteeinrichtung ist der Kreuzungsbereich des ersten und des zweiten Anregungslaserstrahls sowie die Entfernung von dem Anregungslaser zu dem Zielort über Triangulation bestimmbar. So kann ohne Rückstreuelement eine genaue Entfernungsmessung durchgeführt werden, mittels welcher eine hohe Genauigkeit in der Bestimmung der Werte für die mittleren Konzentration des Hintergrundgases erreicht wird, so dass das Zielgas ebenfalls mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden kann.
Gemäß einem andern Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Anregungslaser zur wechselweisen Emission eines gepulsten Anregungslaserstrahls mit einer Anregungswellenlänge λ_ext und eines gepulsten Referenzlaserstrahls mit einer Referenzwellenlänge λ_ref, und der Detektor zur mit dem Takt des Anregungslasers synchronisierten Detektion der von einem Emissionsbereich ausgehenden Wärmestrahlung ausgebildet, und mit der Auswerteeinrichtung ist aus dem zeitliche Verlauf der Ausgangssignale des Detektors für die Anregungswellenlänge λ_ext und aus dem zeitlichen Verlauf für die Referenzwellenlänge λ_ref die Entfernung von dem Anregungslaser zu dem Zielort bestimmbar. Nach diesem Ausführungsbeispiel kann ebenfalls aufgrund einer zuverlässigen Entfernungsmessung eine hohe Genauigkeit in der Bestimmung der mittleren Konzentration des Hintergrundgases sowie eine zuverlässige Bestimmung des Zielgases erreicht werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases mittels einer Transmissionsmessmethode;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Detektion eines nicht infraroten Zielgases über eine selektive Erwärmung eines Hintergrundgases;
3 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Detektion eines nicht infraroten Zielgases über eine selektive Erwärmung eines Hintergrundgases; und
4. ein Flussdiagramm für einen typischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Messverfahrens.
1 zeigt einen schematischen Messaufbau zur berührungslosen Detektion eines nicht infraroten Zielgases 1, welches sich vor einem Rückstreuelement 2 befindet. Das Zielgas 1 kann beispielsweise Wasserstoff sein, der aus einem Leck eines Behälters austritt. In diesem Fall würde der Behälter das Rückstreuelement 2 bilden. In der Umgebung des Zielgases 1 befindet sich ein infrarotes Hintergrundgas 3, welches in Bezug auf die Messung und ohne Präsenz des Zielgases 1 eine im Wesentlichen zeitlich und räumlich konstante Gaskonzentration aufweist. Es ist ein Anregungslaser 4 vorgesehen, mit dem ein infraroter Laserstrahl 5 auf verschiedene Zielorte O_i, O_i + O_i+1, für i = 1, 2, usw. gelenkt werden kann, die sich auf dem Rückstreuelement 2 befinden. Der von dem Rückstreuelement 2 reflektierte Teil des Anregungslaserstrahls 5 kann mit einem Detektor 6 nachgewiesen werden.
Bei dem Anregungslaser 4 handelt es sich um einen Infrarotlaser, der einen Anregungslaserstrahl 5 emittiert, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie des Hintergrundgases 3 abstimmbar ist. Bei dem Anregungslaser 4 handelt es sich bevorzugt um einen Laser mit einem großen monomodischen Abstimmbereich, so dass verschiedene Absorptionslinien eines oder mehrerer gewünschter Hintergrundgase anregbar sind. Hierzu kann beispielsweise ein VCSEL, ein DFB-Laser, ein Halbleiterlaser mit externem Resonator oder ein auf nichtlinearer Frequenzkonversion beruhendes Lasersystem mit einem optisch parametrischen Oszillator (OPO) verwendet werden.
Des Weiteren sind ein Laser 7 und ein Detektor 8 zur Entfernungsmessung vorgesehen. Bevorzugt handelt es sich um einen optischen Laser zur Emission eines Laserstrahls 9 im sichtbaren Spektralbereich und um eine optischen Detektor zur Detektion von Licht im sichtbaren Spektralbereich. Mit einer Strahlvereinigungseinheit 10 wird der sichtbare Laserstrahl 9 dem Anregungslaserstrahl 5, bevorzugt kollinear überlagert. Somit kann einerseits eine zuverlässige Entfernungsmessung der Entfernung von dem Anregungslaser 4 zu dem Zielort O_i und/oder von dem Zielort O_i zu dem Detektor 6 ermittelt werden und andererseits der Anregungslaserstrahl 5 sichtbar gemacht werden. Mittels einer Strahlablenkeinheit 11, beispielsweise eines Kippspiegels, können der Anregungslaserstrahl 5 und der diesem überlagerte sichtbare Laserstrahl 9 zur Messung an verschiedene Zielorte O_i gelenkt werden. Mit einer Strahltrenneinheit 12, beispielsweise einem Strahlteiler, kann der an dem Rückstreuelement 2 reflektierte Laserstrahl in die reflektierten Anteile des Anregungslaserstrahls 5 und des sichtbaren Laserstrahls 9 aufgeteilt und jeweils dem Detektor 6 und dem optischen Detektor 8 zur Messung zugeführt werden.
Es ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 13 zum Steuern und Auswerten der Messungen vorgesehen, mit welcher der Anregungslasers 4, der optische Laser 7, der Detektor 6, der optische Detektor 8, die Strahlvereinigungseinheit 10, die Strahlablenkeinheit 11, die Strahltrenneinheit 12 und eine Kommunikationseinheit 14 verbunden sind. Die Kommunikationseinheit 14 dient zur Kommunikation mit externen Datenquellen, durch welche der Steuer- und Auswerteeinrichtung 13 für die Messung und deren Auswertung relevante Daten zuführbar sind. Als Datenquellen kommen beispielsweise Internet, GPS-Systeme, sichtbare Kameras etc. in Betracht. Durch einen Abgleich mit Daten aus derartigen Quellen kann die Messgenauigkeit erhöht werden. Es können absolute Positionen bestimmt werden, Messungen von mehreren Orten aus durchgeführt werden, aktuelle Daten über das Wetter, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Windrichtung usw. verwendet werden, optische Vergleichsbilder berücksichtigt werden, etc.
Mit einer Scaneinrichtung können der Anregungslaser 4 und der Detektor 8 relativ zueinander bewegt werden und die Strahlablenkeinheit 11 kann derart gesteuert werden, dass der Anregungslaserstrahl 5 nacheinander auf verschiedene Zielorte O_i des Rückstreuelements 2 gelenkt werden kann, so dass ein gewünschter Bereich abgescannt und gemessen werden kann. Beispielsweise kann ein Bereich gewählt werden, in dem ein Leck eines Behälters vermutet wird, aus welchem das nicht infrarotaktive Zielgas austritt.
Es handelt sich in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung um eine Transmissionsmessung, bei welcher ausgenutzt wird, dass ein infrarotaktives Hintergrundgas 3 vorhanden ist, dessen Transmission im infraroten Bereich genau gemessen werden kann. Aus den für das Hintergrundgas 3 gemessenen Transmissionswerten werden Werte bestimmt und dargestellt, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases 3 stehen. Diese Werte werden derart ermittelt und dargestellt, dass aus ihnen Eigenschaften eines vorhandenen Zielgases 1 bestimmt werden können. Solche Eigenschaften können die Präsenz des Zielgases 1, die Konzentration des Zielgases 1, die räumliche Ausdehnung einer Zielgaswolke, die zeitliche Veränderungen der Konzentration des Zielgases 1 an einem Zielort O_i, der Ort, an dem das Zielgas 1 aus einem Leck austritt etc. sein.
Mit der zusätzlichen Entfernungsmessung mittels einer Entfernungsmesseinrichtung, die den optischen Laser 7 und den optischen Detektors 6 umfasst, wird eine hohe Genauigkeit in der Bestimmung der Konzentrationswerte des Hintergrundgases 3 erreicht. Dadurch wird eine zuverlässige Bestimmung der Eigenschaften des Zielgases 1 ermöglicht. Mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 13 kann die Transmission des Hintergrundgases 3 an dem jeweiligen Zielort O_i aus dem Lambert-Beerschen Gesetz, wie weiter oben beschrieben, genau bestimmt werden. Aufgrund der aus der Entfernungsmessung genau ermittelten Werte für die jeweilige Wegstrecke S_em, der Entfernung von dem Anregungslaser 4 zu dem jeweiligen Zielort O_i und/oder von dem Zielort O_i zu dem Detektor 6, können die Werte für die jeweilige Konzentration des Hintergrundgases 3 genau ermittelt werden. Die ermittelten Werte für die Konzentration des Hintergrundgases 3 werden dann in einer Form dargestellt, dass sich daraus Eigenschaften des Zielgases 1 ermitteln lassen. Hierzu kann die mittlere Hintergrundgaskonzentration entlang der Wegstrecke von dem Anregungslaser 4 zu dem jeweiligen Zielort O_i für die gemessenen Zielorte O_i dargestellt werden. Aus diesen Werten wird ermittelt, wo sich ein Zielgas 1 befindet, da aufgrund der Präsenz des Zielgases 1 das Hintergrundgas 3 verdünnt oder verdrängt wird. Aus einer Darstellung zu unterschiedlichen Messzeiten können weitere Eigenschaften des Zielgases 1 bestimmt werden. Beispielsweise kann festgestellt werden, wie schnell sich das Zielgas 1 ausbreitet, wie groß ein Leck ist, etc. Mit den mittleren Konzentrationswerten c_m des Hintergrundgases 3 können Negativbilder des Zielgases 1 dargestellt werden.
Alternativ werden differentielle Messungen an jeweils zwei Zielorten O_i, O_i+1, durchgeführt. Dazu erfolgen die Messungen an den zwei Zielorten innerhalb eines Zeitintervalls von etwa 1–100 ms. Aus den gemessenen Transmissionswerten des Hintergrundgases 3 an dem jeweiligen Zielort O_i, O_i+1 und aus den gemessenen Werten für die jeweilige Wegstrecke s_emi und s_emi+1 zu den Zielorten O_i, O_i+1 Größen bestimmt werden, durch welche eine Änderung der mittleren Konzentration des Hintergrundgases 3 schnell ermittelt werden kann. Beispiele für derartige geeignete Größen sind ∆T = (T_i – T_i+1)/(s_emi – s_emi+1), ∆cm = |cm_i – c_mi+1| oder c_mrel = c_mi/c_mi+1. Diese Größen können mittels der Steuer- und Analyseeinrichtung schnell ermittelt werden und stellen die Änderung der mittleren Konzentration des Hintergrundgases zuverlässig dar. Sie bleiben konstant, wenn sich die Konzentration des Hintergrundgases 3 nicht ändert. Entsprechend können aufgrund einer Änderung dieser Größen Eigenschaften des Zielgases 1 ermittelt werden, da sich die Konzentration des Hintergrundgases 3 aufgrund der Präsenz des Zielgases 1 verändert. Indem das Rückstreuelement 2 mit dem Anregungslaserstrahl 5 abgescannt wird, lassen sich Änderungen in der Konzentration des Hintergrundgases 3 und die Präsenz des Zielgases 1 schnell ermitteln. Zu einer genauen Auswertung der Messung könne die Messwerte abgespeichert werden.
2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit dem Anregungslaser 4 wird eine Absorptionslinie des Hintergrundgases 3 an einem Zielort O_i derart angeregt, dass die Anregung zu einer Erhöhung der Temperatur des Hintergrundgases 3 führt. Aus einem den Zielort O_i umgebenden Emissionsbereich 15 wird infolge der Temperaturerhöhung von dem Hintergrundgas 3 Wärmestrahlung 16 emittiert. Mit dem Detektor 6 wird die aus dem Emissionsbereich 15 emittierte Wärmestrahlung 16 gemessen. Vor dem Detektor 6 ist eine Filterelement 17 vorgesehen, mit welchem Strahlung der Wellenlänge des Anregungslaserstrahls 5 ausgeblendet wird. Hierdurch wird vermieden, dass reflektierte oder gestreute Strahlung des Anregungslasers 4 in den Detektor 6 gelangt und die Messergebnisse verfälscht. Ein Vorteil dieser Messmethode ist, dass sie auch ohne ein Rückstreuelement erfolgen kann.
Das Messverfahren ist nur auf die mittels des Anregungslasers 4 erwärmte Gassäule empfindlich. Zur Messung kann z.B. CO₂ als Hintergrundgas verwendet werden. Das Hintergrundgas 3 wird entlang der Ausbreitungsrichtung des Anregungslaserstrahls 5 erwärmt, wobei die Erwärmung in einem Fokusbereich des Anregungslasers 4 besonders stark erfolgt. Wenn der Detektor 6 ein Wärmebildgerät ist, wird unter einem vorgegebenen Winkel ein Bild detektiert, welches eine leuchtende Linie darstellt. Wenn kein Zielgas 1 vorhanden ist, ist die Konzentration des Hintergrundgases 1 im Wesentlichen konstant, so dass die Emission des Hintergrundgases 3 entlang der Linie gleichförmig und zeitlich konstant ist. Wenn das Hintergrundgas 3 durch das Zielgas 1, beispielsweise einem Leckagegas wie H_2, verdrängt wird, tritt an dieser Stelle keine Erwärmung auf. Es wird eine reduzierte Emission des Hintergrundgases 1 bestimmt, durch welche Eigenschaften des Zielgases 3 ermittelbar sind. Wenn es sich bei dem Leckagegas um H₂ handelt, wird das Hintergrundgas 3 zudem aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von H₂ effizient abgekühlt. Hierdurch wird die Verringerung der Emission aufgrund der Präsenz des Zielgases 1, des H₂, zusätzlich verstärkt, so dass die Nachweisgenauigkeit erhöht wird.
Die Messung kann unter verschiedenen Beobachtungswinkeln und/oder für verschiedene Entfernungen zu dem Zielort O_i erfolgen, welche durch unterschiedliche Fokusabstände des Anregungslasers 4 realisiert werden können. Mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung können analog wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 3D- und 4D-Bilddarstellungen erzeugt werden, die Werte darstellen, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases 3 stehen und aus denen entsprechend Eigenschaften des Zielgases 1 ermittelt werden können.
Die Messgenauigkeit wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch erhöht, dass eine Emissionseinheit 18 vorgesehen ist, von welcher ein zweiter Anregungslaserstrahl 19 emittiert wird, wobei die Emissionseinheit 18 einen vorgegebenen Abstand zu dem Anregungslaser 4 aufweist und der zweite Anregungslaserstrahl 19 in einem vorgegebenen Abstand A und in einem vorgegebenen Winkel zu dem ersten Anregungslaserstrahl 5 emittiert wird. So kann durch Triangulation der Kreuzungsbereich des Anregungslaserstrahls 5 mit dem zweiten Anregungslaserstrahl 19 lokalisiert werden. Der Abstand A und der Winkel zwischen beiden Lasern können durch die Steuereinheit optimiert werden, um eine möglichst genaue Entfernungsmessung zu erreichen. Die Ausdehnung des Kreuzungsbereichs entspricht dem Emissionsbereich 15 und ergibt sich aus den Strahlparametern der Anregungslaserstrahlen 5, 19.
Die Wellenlänge des zweiten Anregungslaserstrahls 19 ist auf eine im infraroten Bereich liegende Absorptionslinie des Hintergrundgases 3 abstimmbar. Die Wellenlänge kann der Wellenlänge des ersten Anregungslaserstrahls 5 entsprechen oder sie kann auf die Anregung einer anderen charakteristischen Absorptionslinie des Hintergrundgases 3 abgestimmt sein. Zu einer genaueren Messung können sowohl der Anregungslaser 4 als auch die Emissionseinheit 18 zusätzlich je einen Laserstrahl mit einer Referenzwellenlänge emittieren, bei welcher keine Absorption des Hintergrundgases 3 erfolgt. So können aufgrund einer Modulation der Emissionssignale mit den Referenzsignalen noch genauere Messergebnisse erzielt werden. Das Filterelement 17 vor dem Detektor 9 ist dabei so ausgebildet, dass auch die Wellenlänge des zweiten Anregungslaserstrahls 19 sowie gegebenenfalls die Referenzwellenlänge/n absorbiert werden. Hierzu kann auch ein zweites Filterelement vorgesehen sein.
Die Emissionseinheit 18 kann dadurch realisiert werden, dass ein zweiter Anregungslaser vorgesehen ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird sie dadurch realisiert, dass von dem Anregungslaser 4 ein Laserstrahl ausgekoppelt und umgelenkt wird. Für den Anregungslaserstrahl 5 und für den zweiten Anregungslaserstrahl 19 ist jeweils eine Strahlablenkeinheit 11, 11‘ vorgesehen, mit welcher der jeweilige Anregungsstrahl 5, 19 auf verschiedene Zielorte O_i lenkbar ist.
Anstelle der Wärmestrahlung kann auch die Änderung des Brechungsindex bestimmt werden, welche aufgrund der durch die Anregung einer Absorptionslinie des Hintergrundgases 3 erzeugte Temperaturerhöhung des Hintergrundgases 3 erfolgt. Die Änderung des Brechungsindex kann mit einem Messaufbau im sichtbaren Spektralbereich erfolgen. Dies ist dann vorteilhaft, wenn ein Rückstreuelement vorhanden ist. Es können einfache und kostengünstige, im sichtbaren Spektralbereich liegende zur Messung benötigte Vorrichtungen verwendet werden, mit denen aufgrund dieser Messmethode eine große Messgenauigkeit erzielt werden kann.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem wie in der 2 bei der Anregung des Hintergrundgas 3 eine Erwärmung des Hintergrundgases erfolgt und die dadurch induzierte Wärmestrahlung 10 gemessen wird.
Hier ist der Anregungslaser 4 so ausgebildet, dass er im Wechsel einen Anregungslaserstrahl 5 mit einer Anregungswellenlänge emittiert, die der Wellenlänge einer Absorptionslinie des Hintergrundgases 3 im infraroten Bereich entspricht, sowie mit einer Referenzwellenlänge, bei der keine Absorption durch das Hintergrundgas 3 erfolgt. Es werden im Wechsel kurze Emissionspulse emittiert, wobei die Dauer der Emissionspulse vorteilhafterweise im Bereich von etwa 10ps bis 1ns liegt. Der Detektor 6 ist so ausgebildet, dass entsprechend schnelle Signaländerungen auflösbar sind, und er ist mit dem Emissionstakt des Anregungslasers 4 synchronisiert. Mit dem Detektor 6 werden von den Emissionsbereichen 15 ausgehende Wärmestrahlung entlang der Ausbreitungsrichtung des Anregungslaserstrahls 5 detektiert und in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Der zeitliche Verlauf von Messungen der von den Emissionsbereichen 15 ausgehenden Strahlung in Korrelation mit der Emission des Anregungslaserstrahls 5 mit der Referenzwellenlänge ist entlang der Ausbreitungsrichtung des Anregungslaserstrahls 5 konstant. Der zeitliche Verlauf in Korrelation mit der Emission des Anregungslaserstrahls 5 mit der Anregungswellenlänge ist von der Präsenz des Zielgases 1 abhängig. Er zeigt, wenn kein Zielgas vorhanden ist, eine kontinuierliche Abnahme mit der Zeit bzw. der Entfernung von dem Anregungslaser 4. Wenn das Zielgas 1 in einem Emissionsbereich 15 vorhanden ist, ist die Konzentration des Hintergrundgases 3 in diesem Emissionsbereich 15 reduziert, und der zeitliche Verlauf der Messsignale zeigt einen charakteristischen Einbruch. Aus diesem kann die Entfernung zu dem Zielort O_i bestimmt werden, so dass auch nach dieser Methode eine hohe Auflösung der in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehenden Werte erreicht wird, und Eigenschaften der Zielgases 1 zuverlässig bestimmt werden können.
Mit den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 ist es auch möglich, Strömungen von Gasen, die nicht infrarotaktive Gas-Komponenten in einer infrarotaktiven Gasmatrix enthalten, ortsaufgelöst darzustellen. Beispielsweise können Durchmischungen von N₂ und H₂ in Biogas untersucht werden.
Im Folgenden wird ein typischer Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Flussdiagramms aus 4 näher beschrieben. Zunächst wird in einem Schritt S1 eine Entfernungsmessung zu dem Zielort O_i durchgeführt und die Entfernung s_em von dem Anregungslaser 4 zu dem Zielort O_i ermittelt. In einem zweiten Schritt S2 wird eine geeignete Spektrallinie eines vorhandenen Hintergrundgases 3 für die gemessene Entfernung S_em ausgewählt. Die Auswahl der Spektrallinie erfolgt durch einen Abgleich mit gespeicherten Daten zu dem Hintergrundgas 3, wie Spektraldaten und typische Konzentrationen des Hintergrundgases, welche in einer Speichereinheit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 13 gespeichert sind. In einem Schritt S3 erfolgt eine weitere Entfernungsmessungen an dem Zielort O_i sowie eine Transmissionsmessung an der ausgewählten Spektrallinie des Hintergrundgases 3. Aufgrund dieser Messungen wird entschieden, ob der Transmissionswert bei der gemessenen Entfernung im optimalen Bereich liegt; d.h. ob der Transmissionswert etwa im Bereich zwischen 30% und 80% liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird Schritt S2 wiederholt und eine andere Spektrallinie ausgewählt, so lange bis eine optimale Spektrallinie vorhanden ist. Liegt die gemessene Spektrallinie im optimalen Bereich, erfolgt Schritt S4. Aus den gemessenen Transmissionswerten T_i und den gemessenen Entfernungswerten s_emi werden Werte für die mittlere Konzentration des Hintergrundgases c_mi berechnet. Die Werte c_mi sowie die Ortskoordinaten für den Zielort O_i werden gespeichert. Es werden weiter Messungen gemäß Schritt S3 an weiteren Zielorten O_i durchgeführt, die weiteren gemessenen Werte c_mi gemäß Schritt S4 berechnet und mit den Ortskoordinaten des zugehörigen Zielortes O_i gespeichert. Um eine genauere Darstellung zu erhalten, werden absolute Positionsdaten gemessen und zur Auswertung der gemessenen Werte verwendet.
Wenn ausreichend viele Messungen durchgeführt sind, erfolgt Schritt S5, bei dem eine Bilddarstellung der Werte für die mittlere Konzentration des Hintergrundgases c_mi in Abhängigkeit von den Koordinaten der Zielorte O_i vorgenommen wird. Wenn ein Zielgas vorhanden ist, erhält man Bereiche mit abgesenkten Werten für die mittlere Konzentration des Hintergrundgases c_mi und somit ein Negativbild des vorhandenen Zielgases. Bei Schritt S6 erfolgt eine Bildverarbeitung und -auswertung. Hierzu wird auf externe Daten, wie gespeicherte Bilder von Werten für die mittlere Konzentration des Hintergrundgases c_mi, Windgeschwindigkeit, Windrichtung u.a. zurückgegriffen, sobald diese, insbesondere aufgrund vorheriger Messungen, gespeichert sind. Mithilfe dieser Daten werden Differenzbilder erzeugt, Filterungen vorgenommen, Fluktuationsanalysen oder Segmentierungen durchgeführt, etc. Dadurch werden die Daten von Störeinflüssen, Rauschen etc. bereinigt und die Eigenschaften des Zielgases genauer herausgearbeitet. Danach erfolgt eine Falschfarbendarstellung der bereinigten Daten zur geeigneten nutzerorientierten Visualisierung der Eigenschaften des Zielgases. Beispielsweise kann die gemessene Szene als sichtbares Bild dargestellt werden, dem ein hervorgehobener Bereich überlagert ist, in dem das System das Zielgas erkannt hat. Das Hervorheben des Bereiches, in dem das Zielgas vorhanden ist, kann beispielsweise farblich erfolgen.
Die so ermittelten Bilddarstellungen zeigen ein Negativbild des Zielgases 1 sowie verschiedene Eigenschaften des Zielgases 1. Die Analyse der Daten zeigt, ob das Zielgas 1 an einem Zielort O_i vorhanden ist, wie das Zielgas 1 sich räumlich und zeitlich ausbreitet, an welchem Ort sich ein Leck befindet, an dem das Zielgas 1 aus einem Behälter austritt etc. Informationen zu dem Zielgas können in der Auswerteeinrichtung ebenfalls gespeichert sein und zur genaueren Analyse der gemessenen Daten bei Schritt S6 hinzugezogen werden.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren können mehrere Spektrallinien ausgewählt werden, an denen die Messung durchgeführt wird. Durch Vergleich der Messergebnisse in der Auswertung in den Schritten S5 und S6 kann eine noch genauere Bestimmung der Eigenschaften des Zielgases erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Zielgas
2: Rückstreuelement
3: Hintergrundgas
4: Anregungslaser
5: Anregungslaserstrahl
5‘: Referenzlaserstrahl
6: Detektor
7: optischer Laser
8: optischer Detektor
9: Laserstrahl im sichtbaren Spektralbereich
10: Strahlvereinigungseinheit
11: Strahlablenkeinheit
12: Strahltrenneinheit
13: Steuer- und Auswerteeinrichtung
14: Kommunikationseinheit
15: Emissionsbereich
16: Wärmestrahlung
17: Filterelement
18: Emissionseinheit
19: zweiter Anregungslaserstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007232374 A [0002]

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases, mit einem Anregungslaser (4) zur Emission eines auf einen Zielort O_i, an welchen sich das Zielgas (1) befinden kann, lenkbaren Anregungslaserstrahls (5), mit einem Detektor (6) zum Nachweis einer von dem Zielort (1) ausgehenden Strahlung (16) und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Anregungslasers (4) und mit einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Ausgangssignalen des Detektors (6) in Abhängigkeit von dem Zielort O_i und in Korrelation mit dem von dem Anregungslaser (4) emittierten Anregungslaserstrahl (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (4) zur Emission eines infraroten Anregungslaserstrahls (5) ausgebildet ist, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie eines infrarotaktiven Hintergrundgases (3) abstimmbar ist, dass mit dem Detektor (6) eine durch das Hintergrundgas (3) beeinflussbare Strahlung messbar ist, und dass mit der Auswerteeinrichtung mittels der Ausgangssignale des Detektors (6) Werte darstellbar sind, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases stehen und aus welchen Eigenschaften eines vorhandenen Zielgases (1) ermittelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernungsmesseinrichtung zum Ermitteln der Entfernung von dem Anregungslaser (4) zu dem Zielort O_i und/oder von dem Zielort O_i zu dem Detektor (6) in Korrelation mit dem Anregungslaserstrahl (5) vorgesehen ist, die Entfernungsmessdaten der Auswerteeinrichtung zuführbar und zur Bestimmung der Konzentrationswerte des Hintergrundgases (3) und der Eigenschaften des Zielgases (1) verwendbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, in welcher Daten zu möglichen Hintergrundgasen (3), insbesondere deren Spektraldaten und zu erwartende Konzentrationswerte, speicherbar und zur Auswertung verwendbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (4) einen monomodischen Abstimmbereich aufweist, der eine vorherbestimmte Auswahl von Spektrallinien von infrarotaktiven Hintergrundgasen (3) umfasst, und die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass abhängig von der Entfernung des Anregungslasers (4) zum Zielort O_i eine Absorptionslinie mit optimaler Nachweisstärke des gewählten Hintergrundgases (3) bestimmbar und auswählbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinrichtung die Nachweisstärke für mehrere Spektrallinien abhängig von der Entfernung bestimmbar und speicherbar ist, und bei einem nachfolgenden Messvorgang zur Detektion des Zielgases (1) bei vorgegebener Entfernung automatisch eine Spektrallinie mit optimaler Nachweisstärke wählbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scaneinrichtung vorgesehen ist, mit welcher der Anregungslaser (4) und der Detektor (6) relativ zueinander bewegbar sind, und dass mit der Auswerteeinrichtung an verschiedenen Zielorten O_i die mit der Konzentration des Hintergrundgases (3) in Korrelation stehenden Werte bestimmbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung so ausgebildet sind, dass die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases (3) stehenden Werte über einen definierten Zeitverlauf ermittelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinrichtung die an verschiedenen Zielorten O_i und zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelten, mit der Konzentration des Hintergrundgases (3) in Korrelation stehende Werte mittels Datenverarbeitungsverfahren, insbesondere mittels Bildverarbeitung oder Chemometrie, als 3D- oder 4D-Bilder darstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Detektor (6) die von einem Rückstreuelement (2) reflektierte Strahlung der Intensität I des Anregungslaserstrahls (5) der Intensität I₀ detektierbar ist, mit der Analyseeinrichtung mittels der Detektorsignale Transmissionswerte T = I/I₀ abhängig vom jeweiligen Zielort O_i ermittelbar sind, und mittels der aus der Entfernungsmesseinrichtung ermittelten Entfernung s_em und den Transmissionswerten T jeweils ein mittlerer Konzentrationswert c_mi des Hintergrundgases entlang der Wegstrecke des Anregungslaserstrahls (5) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet sind, dass mit einer differentiellen Messmethode an zwei verschiedenen Zielorten O_i, O_i+1 Transmissionswerte T_i, T_i+1 sowie Entfernungen s_emi, s_emi+1 messbar sind, und die jeweiligen daraus ermittelten mittleren Konzentrationswerte c_mi, c_mi+1 des Hintergrundgases (3) miteinander vergleichbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass aus den gemessenen Werten Größen, die zum schnellen Erfassen einer Änderung der mittleren Konzentrationswerte des Hintergrundgases C_mi, wie ∆T = (T_i – T_i+1)/(s_emi – s_emi+1), ∆c_m = |c_mi – c_mi+1| oder c_mrel = c_mi/c_mi+1, bestimmbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (4) so ausgebildet ist, dass mit dem Anregungslaserstrahl (5) eine Absorptionslinie des Hintergrundgases (3) derart anregbar ist, dass die Anregung zu einer Temperaturerhöhung des Hintergrundgases (3) führt, und dass der Detektor (6) zum Messen einer durch die Temperaturerhöhung beeinflussbaren Eigenschaft des Hintergrundgases (3) ausgestattet ist, wobei mit dem Detektor (6) eine von einem Emissionsbereich (15) ausgehende Strahlung (16) in einem Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des Anregungslasers (4) messbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (6) zur Detektion von Wärmestrahlung (16) ausgebildet ist, die von dem Hintergrundgas (3) infolge der durch die Anregung der Absorptionslinie erfolgten Temperaturerhöhung des Hintergrundgases (3) von einem Emissionsbereich (15) emittiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass ein mittlerer Konzentrationswert c_m des Hintergrundgases (3) aufgrund der von dem jeweiligen Emissionsbereich (15) ausgehenden gemessenen Strahlung bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Emissionseinheit (18) zur Emission eines zweiten Anregungslaserstrahls (19) vorgesehen ist, dessen Wellenlänge auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie des infrarotaktiven Hintergrundgases (3) abstimmbar ist, und der in einem vorgegebenen Abstand A und in einem vorgegebenen Emissionswinkel zu dem Anregungslaserstrahl (5) verläuft, und dass mit der Auswerteeinrichtung der Kreuzungsbereich des ersten und des zweiten Anregungslaserstrahls (5, 19) sowie die Entfernung von dem Anregungslaser (4) zu dem Zielort O_i über Triangulation bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (4) zur wechselweisen Emission eines gepulsten Anregungslaserstrahls (5) mit einer Anregungswellenlänge λ_ext und eines gepulsten Referenzlaserstrahls (5‘) mit einer Referenzwellenlänge λ_ref, und der Detektor (6) zur mit dem Takt des Anregungslasers (4) synchronisierten Detektion der von einem Emissionsbereich (15) ausgehenden Wärmestrahlung (16) ausgebildet ist, und mit der Auswerteeinrichtung aus dem zeitliche Verlauf der Ausgangssignale des Detektors (6) für die Anregungswellenlänge λ_ext und aus dem zeitlichen Verlauf für die Referenzwellenlänge λ_ref die Entfernung von dem Anregungslaser (4) zu dem Zielort O_i bestimmbar ist.
Verfahren zur berührungslosen Detektion eines nicht infrarotaktiven Zielgases, bei dem ein Anregungslaserstrahl (5) auf einen Zielort O_i gelenkt wird, an dem sich das Zielgas (1) befinden kann, eine von dem Zielort O_i ausgehende Strahlung (16) detektiert wird, und die detektierte Strahlung (16) in Abhängigkeit von dem Zielort O_i und in Korrelation mit dem Anregungslaserstrahl (5) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Anregungslaserstrahls (5) auf die Wellenlänge einer im infraroten Bereich liegenden Absorptionslinie eines infrarotaktiven Hintergrundgases (3) abgestimmt wird, dass eine durch das Hintergrundgas (3) beeinflussbare Strahlung gemessen wird, und dass mittels der gemessenen Strahlung Werte dargestellt werden, die in Korrelation mit der Konzentration des Hintergrundgases (3) stehen und aus welchen Eigenschaften eines vorhandenen Zielgases (1) ermittelbar sind.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Entfernungsmessung die Entfernung s_emi von dem Anregungslaser (4) zu dem Zielort O_i und/oder von dem Zielort O_i zu dem Detektor (6) in Korrelation mit dem Anregungslaserstrahl (5) ermittelt wird, und die Entfernungsmessdaten zur Bestimmung der Konzentrationswerte des Hintergrundgases (3) und der Eigenschaften des Zielgases (1) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Zielgases (1) bei vorgegebener Entfernung eine Spektrallinie eines infraroten Hintergrundgases (3) mit optimaler Nachweisstärke gewählt wird und der Anregungslaserstrahl (5) auf die Wellenlänge der gewählten Spektrallinien abgestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachweisstärke für mehrere Spektrallinien von ausgewählten infrarotaktiven Hintergrundgasen abhängig von der Entfernung von dem Anregungslaser (4) zu dem Zielort O_i bestimmt und gespeichert wird, und bei einem nachfolgenden Messvorgang zur Detektion des Zielgases (1) bei vorgegebener Entfernung automatisch eine Spektrallinie mit optimaler Nachweisstärke gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Rückstreuelement (2) reflektierte Strahlung der Intensität I des Anregungslaserstrahls (5) der Intensität I₀ detektiert wird, Transmissionswerte T = I/I₀ abhängig vom jeweiligen Zielort O_i bestimmt werden, und dass mit den aus der Entfernungsmessung ermittelten Entfernungen s_em und den Transmissionswerten T jeweils ein mittlerer Konzentrationswert c_m des Hintergrundgases entlang der Wegstrecke des Anregungslaserstrahls (5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaserstrahl (5) so gewählt wird, dass die Anregung der Absorptionslinie des Hintergrundgases (3) derart erfolgt, dass sie zu einer Temperaturerhöhung des Hintergrundgases (3) führt, und eine durch die Temperaturerhöhung beeinflussbaren Eigenschaft des Hintergrundgases (3) gemessen wird, wobei eine von einem Emissionsbereich (15) emittierte Strahlung (16) in einem Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des Anregungslaserstrahls (5) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine infolge der durch die Anregung der Absorptionslinie erfolgten Temperaturerhöhung des Hintergrundgases (3) von einem Emissionsbereich (15) emittierte Wärmestrahlung (16) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der von einem Emissionsbereich (15) emittierten gemessenen Strahlung ein mittlerer Konzentrationswert c_m des Hintergrundgases ermittelt wird.