DE19528960A1

DE19528960A1 - Verfahren zur Vermessung von Luftschadstoffen

Info

Publication number: DE19528960A1
Application number: DE19528960A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl Phys Dr Buechtemann; Maurus Prof Dr Tacke; Elmar Prof Dr Wagner
Original assignee: ELTRO GMBH GESELLSCHAFT fur STRAHLUNGSTECHNIK 69123 HEIDELBERG DE; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Eltro GmbH and Co
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: EP0843812A1; WO1997006424A1; DE19528960C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fernmeßverfahren von Luftschadstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Bränden und Katastrophenfällen können gas- oder dampfförmige Schadstoffe bzw. toxische Gase freigesetzt werden, die dem Menschen ge fährlich werden. Ganz überwiegend handelt es sich hierbei um infrarotaktive Gase, die infrarote Strahlung im Bereich von ca. 2 µm bis 14 µm wellenlän genselektiv absorbieren oder emittieren, so daß die Messung der Absorption oder Emission zum qualitativen Nachweis (z. B. zur Warnung) und bei ge eigneter Anordnung auch zur quantitativen Vermessung der Konzentration eingesetzt werden kann.

Stand der Technik sind einerseits punktuell messende Geräte: Ein handels übliches Gerät ist z. B. das Gerät MIRAN der Fa. Ansyco. Hierbei wird eine Küvette, die das zu messende Gasgemisch enthält, von der Strahlung einer IR-Strahlungsquelle durchstrahlt, siehe Fig. 4. Diese Strahlung wird von ei nem IR-Detektor nachgewiesen. Im Strahlengang wird ein wellenlängense lektives Element eingebracht, z. B. ein Interferenzfilter, bei dem eine Wellen länge ausgewählt wird, oder es wird eine Vorrichtung vorgesehen, mit der Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen sukzessive selektiert werden kön nen, z. B. ein Gitter, ein Prisma, ein Interferometer oder ein sogenanntes Inter ferenzverlauffilter. Aus der Absorption der Strahlung durch das Meßgas im Vergleich zu einer Messung ohne absorbierendes Gas kann auf die Konzen tration und gegebenenfalls auf die Art des Meßgases zurückgeschlossen werden. Der Absorptionskoeffizient ist entsprechend dem Lambert- Beerschen Gesetz proportional zur Konzentration des Meßgases und der Länge des Meßvolumens. Um ausreichende Weglängen zu erzielen, wird häufig die Meßzelle mehrfach durchlaufen.

Aus der Richtlinie 10/01 (Entwurf) des Vereins zur Förderung des Deut schen Brandschutzes ist bekannt, daß die Konzentrationen, die bei einem Einsatz tolerierbar sind, sich an den maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK-Werten) orientieren. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Werte im ppm-Bereich. Dies wiederum führt dazu, daß bei einer Weglänge von beispielsweise 10 m eine Absorption im Prozent-Bereich oder darunter nachzuweisen ist.

Um eine Fernmessung durchzuführen, wurden und werden Laser-Verfahren (LIDAR-Light Detection and Ranging) entwickelt. Bei dem für eine selekti ve Konzentrationsmessung eingesetzten DIAL-Verfahren, siehe Fig. 5, wer den von zwei oder mehr Lasern oder einem abstimmbaren Laser zwei oder mehr Wellenlängen emittiert, von denen eine Linie - (λ_on) in Fig. 5 vom zu vermessenden Gas absorbiert, die andere - (λ_off) - nicht absorbiert wird. Aus dem Verhältnis der Signale kann auf die Konzentration des zu vermes senden Gases rückgeschlossen werden. In Fig. 5 ist ein Lidar mit "topo grafischem" Reflektor (Hauswand) abgebildet.

Auf der anderen Seite werden Spektrometer verwendet. Bekannt ist z. B. das Fourier-Transform-IR-Spektrometer (FTIR) K 300 der Firma Kayser- Threde, mit dem in Emission heiße Gase vermessen werden können. Es können aber auch in Transmission Gase bei Umgebungstemperatur vermes sen werden, siehe Fig. 6, wobei hier zur quantitativen Messung geeichte Strahler (Temperatur T_B) verwendet werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Einrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, womit eine quantitative Fernmessung der Konzentration eines IR- aktiven Gases bei Umgebungstemperaturen unter Verzicht auf externe Strahlungsquellen ermöglicht wird und verschiedene Spektralkanäle parallel gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 6 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild eines Meßvorganges bezüglich seiner Geräteauf stellung und Meßsituation in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Meßvorganges in einem Ausführungsbeispiel mit nur einem Schadstoff und dessen Ab sorption bei einer Wellenlänge λ,

Fig. 3 ein Schemabild eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem mit mehreren Spektralwerten gearbeitet wird,

Fig. 4 ein Schemabild gemäß einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik

Fig. 5 ein Schemabild einer weiteren Ausführungsform nach dem Stand der Technik und

Fig. 6 ein Schemabild einer dritten Ausführungsform nach dem Stand der Technik.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit seiner Einrichtung gestattet es, eine - mit gewissen Fehlergrenzen - quantitative Fern-Messung der Konzentration eines IR-aktiven Gases bei Umgebungstemperatur durchzuführen. Bestehen de Verfahren werden dadurch abgelöst, daß durch die Verwendung eines linearen, gekühlten Detektorarrays und eines Gitters ein sehr kompaktes, tragbares Gerät zur Verfügung gestellt werden kann, welches rein passiv, d. h. ohne externe Strahlungsquellen arbeitet. Weitere Eigenschaft ist, daß durch die Verwendung der Detektorzeile oder einer zweidimensionalen An ordnung eine parallele Messung verschiedener Spektralkanäle durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, auch zeitlich schnell veränderliche Vorgänge (Brände, Rauchwolken) in Millisekunden bis Sekunden zu vermessen. Wei terhin ermöglicht ein spezielles Verfahren (Mikroscan) die Angleichung der Empfindlichkeiten der Detektoren, so daß sehr kleine Signaldifferenzen in den verschiedenen Kanälen detektiert werden können, die zum Nachweis im ppm-Bereich notwendig sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer nach dem vorgeschlagenen Verfahren durch geführten Messung ist in der Fig. 1 skizziert. Der Sensor ist auf ein festes Hintergrundziel (im Beispiel ein Haus) mit der Temperatur T_H ausgerichtet. Zwischen Hintergrund und Sensor befindet sich die (vermutete) Schadstoff wolke. Die Entfernung R zwischen Hintergrund und Sensor kann bis zu mehreren 100 m betragen. Die Temperatur der Schadstoffe hat die Tempera tur der umgebenden Atmosphäre T_A angenommen, die häufig nicht identisch mit der Temperatur in der Umgebung des Sensors (T_S) ist.

Das Prinzip der Messung läßt sich folgendermaßen erklären, wobei für die Erläuterung nur ein Schadstoff und dessen Absorption bei einer Wellenlänge λ betrachtet wird.

Die Bestimmung der Konzentration ergibt sich durch Messung der atmo sphärischen Absorption/Transmission. Man hat:

Transmission T(λ) = exp(-a(λ)cL)
a(λ) = spektraler Massenextinktionskoeffizient (m²g^-1) bzw. Volu menexinktionskoeffizient des betreffenden Schadstoffes
c = Konzentration (gm^-3 bzw. entsprechend Definition von a(λ)) des Schadstoffes
L = Weglänge durch Schadstoffwolke

Bei unbekannter Verteilung des Schadstoffs läßt sich das Konzentrations- Längenprodukt, das Integral über die Schadstoffkonzentration entlang der Verbindungslinie "R" nach Fig. 1 über das Wegelement ds angeben. Das Konzentrations-Längenprodukt, die sogenannte Säulendichte, gibt ein Maß für die gesamte Schadstoffbelastung des mit Durchmesser R gegebenen Raumes.

Da das absorbierende Molekül durch die Wellenlänge identifiziert ist, ist der Massenabsorptionskoeffizient a bekannt. Eine Messung der Absorpti on/Transmission liefert also primär das Konzentrations-Längenprodukt.

Sei ΔT = T_H - T_A die Temperaturdifferenz von Hintergrund zur Temperatur der Schadstoffwolke. Man zeigt (siehe Fig. 2), daß das relevante Signal für geringe Temperaturunterschiede ΔT genähert

S_k = const.ΔT A

ist. Die Konstante S_k ist durch Messungen und Rechnungen aus den appa rativen Rahmenbedingungen zu ermitteln.

Damit ist bei Kenntnis von ΔT die Ermittlung des Konzentrations- Längenproduktes nach Gleichung 1a oder 1b möglich und bei Kenntnis der Weglänge L durch die Schadstoffwolke die (mittlere) Konzentration des ge suchten Schadstoffes

In der Fig. 2 ist die Lufttemperatur T_A < Hintergrundtemperatur T_H. Im um gekehrten Fall ist das Signal dem Betrag nach gleich, entsteht aber durch optische Emission des Gases und nicht durch Absorption. Die oben be schriebenen Zusammenhänge gelten entsprechend.

Die notwendige Bestimmung der Temperaturdifferenz ΔT wird erfindungs gemäß durch radiometrische Messung geleistet:
Die Strahlung der in der natürlichen und industriellen Umwelt vorkommen den Oberflächen (außer blanken Metallen und ähnlichem) gleicht im Infraro ten in sehr guter Näherung dem Schwarzen Strahler (Planckscher Strahler). Die Hintergrundtemperatur ist daher durch den spektralen Verlauf der Strahldichte definiert, der außerhalb der Absorptionslinie(n) gemessen wird, d. h. durch den absoluten Betrag der Strahlung und den relativen spektralen Verlauf. Letzterer ist allein ausreichend, die Temperatur zu bestimmen. Hierdurch können auch Einflüsse von Aerosol-Extinktion auf die Strahlung berücksichtigt werden. Aerosole verursachen eine mit der Wellenlänge nur langsam variierende Extinktion, so daß aus der Form des Spektrums allein auf die Temperatur rückgeschlossen werden kann.

Die Temperatur der Schadstoffwolke wird dadurch bestimmt, daß man einen spektralen Kanal wählt, bei dem die Strahlung am Ort des Meßgeräts im we sentlichen aus der gesuchten Entfernung stammt. Man überlegt sich folgen des:
Außerhalb der Schadstoffwolke ist die Zusammensetzung der Atmosphäre bekannt. Beispielsweise ist der CO₂-Gehalt bekannt und mithin auch der spektrale Verlauf der Absorption, die z. B. bei 4.2 µm eine Absorptionsban de mit dem Extinktionskoeffizienten σ(λ) aufweist. Für eine interessierende Entfernung r wählt man nun eine Wellenlänge λ so, daß σ(λ) r ≈ 1. Der ent sprechende Spektralkanal empfängt Strahlung im wesentlichen aus dieser Entfernung. Dieses kann zu einer Temperaturbestimmung eingesetzt werden. Eine Verfeinerung ist, mit einer Reihe von Spektralwerten zu arbeiten, so daß iterativ, ausgehend von der Sensor-Umgebungstemperatur, das Tempe raturprofil ermittelt wird. Dieses Prinzip wird z. B. in Fig. 6 realisiert.

Ein anderes Verfahren besteht darin, die Schadstoff-Säulendichte relativ zu der eines anderen Gases anzugeben. Dazu wird als Referenz die Spektralsi gnatur eines atmosphärischen Gases wie H₂O oder CO₂ erfaßt, so daß für vorgewählte Wellenlängen durch das Signal ΔT · a_ref · C_ref bekannt ist. Das Signal des zu erfassenden Stoffs ergibt entsprechend den Wert ΔT · a_x · C_x. Der Relativwert

ist unabhängig von ΔT · a_x und a_ref sind bekannt. Bei sinnvoller Wahl des Referenzgases ist seine Konzentration bekannt, zum Beispiel bei CO₂, wenn keine Brände vorliegen. Der Abstand R kann mit geeigneten Entfernungs messern bestimmt werden. Damit ist c_ref auch bekannt und c_x kann aus X_ref einfach berechnet werden.

Eine weitere Auswertungsmöglichkeit ist die Berechnung der relativen Kon zentration von Schadstoffen zur Erkennung der Zusammensetzung emittier ter Gase. So läßt sich zum Beispiel bei Bränden auf das Brandgut und damit auf das Gefährdungspotential schließen.

Claims

1. Verfahren zur Fernmessung von Luftschadstoffen und Spurengasen, insbesondere toxischen, speziell von Brand- und Katastrophenfällen durch Messung mit mindestens einer Wellenlänge, die vom Schadstoff absorbiert wird und mindestens einer weiteren, die nicht absorbiert wird, dadurch ge kennzeichnet, daß neben den Entfernungsmessungen zur absoluten Konzen trationsbestimmung der Luftschadstoffe eine parallele passive spektralra diometrische Messung von n Spektralkanälen durchgeführt wird und die Temperatur des Hintergrundes durch Auswertung der absoluten radiometri schen Werte sowohl in jeweils einem Kanal als auch durch Auswertung des relativen spektralen Verlaufs in mehreren Kanälen bestimmt wird, wobei die Temperatur der Schadstoffwolke in der Entfernung (R) durch Auswertung des oder der Signale bei einer Wellenlänge λ bestimmt wird, in dem der atmosphärische Absorptionskoeffizient σ(λ) einen Wert nahe 1/r hat und alle Signale optisch angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bzw. der Temperaturverlauf iterativ durch mehrere Messungen mit abnehmendem Extinktionskoeffizienten σ, - ausgehend von der Tempe ratur (T_A) der Atmosphäre beim Meßsystem - und/oder durch Iteration mit zunehmendem Extinktionskoeffizienten - ausgehend von der Hintergrund temperatur - bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen durch Symbole oder durch Falschfarbenkodierung in ei nem Wärmebild dargestellt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß durch Mikroscan eines Detektorarrays die Lücken zwischen den Detektoren aufgefüllt werden und eine Responsivitätshomogenisierung der Detektoren durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß durch periodische oder eine andere geeignete Modulation der spektrale Verlauf zeitgleich mit dem spektralen Betrag gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz durch Relativmessung zweier Gaskomponenten eliminiert wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Entfernungen (R,L) zum Hintergrund bzw. zu einem Objekt im Zentrum der (vermuteten) Schadstoffwolke ein vorzugsweise Laser-Entfernungsmesser - beispielswei se Laserdioden-Entfernungsmesser - und zur parallelen Messung der Spek tralkanäle ein gekühltes ein- oder zweidimensionales Detektorarray sowie für wellenlängenselektive Maßnahmen ein Gitter oder Interferenzfilter an geordnet und mit einem Anzeigegerät zu einer tragbaren Einheit zusammen gefaßt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Wärmebildkamera bei dem linearen Detektorarray die durch das Gitter oder das Interferenzfilter aufgespaltene Strahlung aus einer bestimmten Richtung z. B. während des Rücklaufs des Abtastspiegels auf das Detektorar ray gebracht wird.