DE19634191A1

DE19634191A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Gasdetektion

Info

Publication number: DE19634191A1
Application number: DE1996134191
Authority: DE
Inventors: John Tulip
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2016-08-24
Also published as: CA2637306C; CA2183502A1; DE19634191B4; CA2183502C; CA2637306A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung bei der Laserabsorptionsspektroskopie.

Bei der Laserabsorptionsspektroskopie wird die Absorption von aus einem Lasersender ausgestrahltem Licht während des Durch tritts durch einen Meßobjektbereich erfaßt durch den Empfang des Lichtes an einem Laserempfänger und die Analyse des empfan genen Signales in einem Signalanalysator. Es sind bereits viele Verfahren der Laserabsorptionsspektroskopie bekannt geworden.

Ein solches Verfahren erzielt eine sehr hohe Empfindlichkeit, nämlich die Laserabsorptionsspektroskopie unter Verwendung der der Modulationserfassung, wobei eine Laserdiode mit hoher Fre quenz strommoduliert wird. Dies führt dazu, daß die optische Frequenz des Lasers mit der selben Frequenz moduliert wird wie der Strom. Es führt auch zu einer Modulation der Amplitude des Lichtes mit derselben Frequenz. Das frequenzmodulierte Licht wird von einer Laserdiode abgegeben, durch einen Meßobjektbe reich hindurchgeführt, der ein oder mehrere interessierende Ga se beinhalten kann und an einem Detektor aufgenommen, der einen Photodetektor beinhaltet. Das beziehungsweise die interessie renden Gase besitzen ein Absorptionsspektrum, welches einen oder mehrere Streifen oder Frequenzbänder aufweist, in denen Licht von dieser Frequenz absorbiert wird.

Wenn die Frequenz des Laserlichtes die Gasabsorptionslinien überstreicht, verändert sich die Absorption. Eine große Heraus forderung besteht nun darin, die kleine Veränderung der Ampli tude des Lichtpegels auf den durch die Laserdiode verursachten Veränderungen der Amplitude zu erkennen, die durch die Gasab sorption hervorgerufen wird, wenn die Wellenlänge des Lasers über die Gaslinie geführt wird.

Dieses Verfahren beruht auf der nicht-linearen Veränderung der Absorption, wenn das Laserlicht die Lorentzsche Absorptionsli nie überstreicht. Nach einem bekannten Verfahren werden Harmo nische der Modulationsfrequenz gemessen. Die Photodetektor-Schaltung wird zweite, dritte, vierte, etc. Harmonische der La sermodulationsfrequenz wahrnehmen, die durch die nicht-lineare Gasabsorption hervorgerufen werden. Die Laseramplitudenmodula tion wird durch die Grundmodulationsfrequenz dominiert, so daß sie die relativ schwachen Harmonischen beziehungsweise Oberwel len nicht verdeckt. Nach einem anderen bekannten Verfahren wird der Laser mit zwei Frequenzen moduliert, welches das "Zwei-Ton-Verfahren" genannt wird. Die nicht-lineare Absorption wird die se Frequenzen mischen, so daß der Photodetektor eine Frequenz komponente wahrnimmt, die die Differenz zwischen den beiden Frequenzkomponenten ist.

Allen diesen Techniken ist gemeinsam, daß die Schaltung zur Er fassung beziehungsweise Erkennung eine bestimmte Frequenzkompo nente auswählen und den Rest zurückweisen muß. Dieser Zusammen hang ist als die Homodynerfassung bekannt. In der Praxis wird dies durch die Verwendung eines Überlagerungsoszillators mit der erforderlichen Frequenz und der seiner Mischung mit dem er faßten Signal ausgeführt. Die Mischstufe erzeugt einen Gleich strom- oder Niederfrequenzausgang, der unter Verwendung eines Tiefpaßfilters einfach zu isolieren ist. Ein erfaßtes Signal, welches Frequenzkomponente w₀, w₁, w₂, w₃, etc. beinhaltet, wird mit einer Frequenzkomponente w₀ gemischt, die direkt vom Strom modulator für die Laserdiode abgenommen wird. Der Gleichstrom ausgang (w₀-w₀) als der Mischstufe wird mit einem Tiefpaßfilter isoliert und der Pegel dieses Signales stellt einen Hinweis für die Gegenwart eines Meßobjektgases in dem Meßobjektbereich zur Verfügung.

Es ist auch bekannt, gleichzeitig den Diodenstrom mit einer re lativ niedrigen Frequenz unter Verwendung einer Anstiegsfunkti on zu modulieren. Diese besitzt eine relativ große Amplitude, so daß sie die Laserfrequenz über die Absorptionslinie tasten kann. Hierbei ist es nicht erforderlich, die Laserfrequenz so zu steuern, daß sie exakt mit der Gas-Absorptionslinie überein stimmt, was schwierig ist. Das unter diesen Bedingungen erfaßte Hochfrequenzsignal ist nicht eine Gleichstromfrequenz, sondern wird moduliert, wenn der Laser die Absorptionslinie über streicht. Dies führt zu den bekannten "W"-förmigen erfaßten Wellenformen.

In der Praxis wird der benötigte Überlagerungsoszillator da durch erzeugt, daß das Lasermodulationssignal abgenommen und modifiziert wird, um den erwünschten Überlagerungsoszillator zu ergeben, wie es beispielsweise im US-Patent Nr. 5, 301, 014 (Koch) beschrieben ist, nach dem das zweite harmonische Signal erfaßt wird. In diesem Fall wird der Überlagerungsoszillator dadurch gebildet, daß das Dioden/Lasermodulatorsignal genommen und durch eine Schaltung zur Frequenzverdopplung geführt wird.

Infolgedessen weist der Überlagerungsoszillator eine feste Amplitude sowie Phase auf.

Die Verwendung einer Mischstufe zur Erfassung einer ausgewähl ten Frequenz ist phasenabhängig. Der gemischte Ausgangssignal ist maximal, wenn das Signal und der Überlagerungsoszillator in Phase sind und es ist Null, wenn sie um 90° phasenversetzt sind. Dieser Zusammenhang ward als eine phasenabhängige Erfas sung bezeichnet. Dabei wird dieses Verfahren bevorzugt, da es zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis beziehungsweise Störab stand führt. Das einen Filter passierende zufällige elektrische Rauschen ist proportional zur Quadratwurzel der Bandbreite, so daß ein Filter von kleiner Bandbreite zu einem niedrigen Rauschpegel führt. Wenn der Filter auf das Signal abgestimmt wird, wird er nur einen minimalen Einfluß auf das Signal aus üben, so daß ein Filter von enger Bandbreite einen hohen Störabstand bieten wird. Es ist aber sehr schwierig, elektri sche Filter mit einem hohen Q-Wert auszubilden, dem Verhältnis der Signalfrequenz zur Bandbreite. Die bei der phasenabhängigen Erfassung eingesetzte Schaltung zur Mischung verschiebt die Si gnalfrequenz zu einem niedrigen Wert nahe dem Gleichstrom (d.c.) hin. In diesem Fall ist es möglich, einen Tiefpaßfilter von relativ niedrigem Q-Wert einzusetzen und eine geringe Band breite und einen nur geringen Durchgang von statistischem Rau schen zu erzielen.

Da die phasenabhängige Erfassung auf den Relativphasen des Si gnales und des Überlagerungsoszillators beruht, müssen diese Phasen abgeglichen und dann beibehalten werden. Bei Anwendungen mit fester Weglänge ist die Phase des Signales konstant, so daß ein Abgleich beziehungsweise eine Anpassung üblicherweise unter Verwendung einer Schaltung zur Phasenverschiebung im Überlage rungsoszillator durchgeführt wird.

Solche Verfahren zur Laserabsorptionsspektroskopie haben eine hohe Empfindlichkeit erreicht, müssen aber immer noch eine breite praktische Anwendung gewinnen.

Bei der Fernanwendung eines Gasdetektors ist es wünschenswert, den Betrieb des Gasdetektors so einfach wie möglich zu gestal ten. Der Erfinder hat erkannt, daß dies dadurch erreicht werden kann, daß sichergestellt ist, daß der zur Homodynerfassung des erfaßten Signales eingesetzte Überlagerungsoszillator immer mit dem erfaßten Signal in Phase ist. Nach einem Aspekt der vorlie genden Erfindung wird daher das erfaßte Signal als eine Quelle für den Überlagerungsoszillator eingesetzt.

Zudem ist ein bei der Verwendung von frequenzmodulierten Di odenlasern zur Erkennung von Gas häufig auftretendes Problem das Auftreten von Interferenzstreifen oder Etalonstreifen, die vom Durchtritt des Laserlichtes durch ein Fenster resultieren, das als ein Fabry-Perot-Resonator wirkt. Es sind bereits ver schiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um Etalonstreifen zu verringern, diese neigen allerdings dazu, sehr komplex zu sein. Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfin dung schlägt der Erfinder vor, Etalonstreifen zu verringern, indem das Fenster keilförmig ausgebildet wird.

Zudem wird bei bekannten Detektoren üblicherweise ein Signal gewonnen, nach dem die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Meß objektgases bestimmt wird, nicht aber seine Dichte. Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung schlägt der Erfinder vor, die Dichte des erkannten Gases zu bestimmen, indem das Laserlicht durch eine Gasreferenzzelle hindurchge führt und das erfaßte Signal aus dem Meßobjektbereich mit dem erfaßten Signal aus der Gasreferenzzelle verglichen wird.

Nach einem Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher ein Gasdetektor zur Erkennung der Anwesenheit eines Meßobjekt gases in einem Meßobjektbereich vorgesehen, der einen Lasersen der mit einem frequenzmodulierten Lichtausgang beziehungsweise Lichtausgangssignal besitzt, welches Licht von einer Wellenlän ge beinhaltet, das durch das Meßobjektgas absorbiert wird und der einen Laserempfänger besitzt, in dem erfaßtes Licht durch die Mischung des erfaßten Signales mit einem Referenzsignal be stimmt wird, welches von dem Lichtausgang beziehungsweise Lichtausgangssignal des Lasers abgeleitet wird, das durch den Meßobjektbereich hindurchgetreten ist.

Nach einem Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt der Laserempfänger einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfas sungssignales als Ausgangssignal aus dem Licht des Lasers, wel ches durch den Meßobjektbereich hindurch getreten ist, einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales durch die Erfassung von Licht, welches durch den Meßobjektbe reich hindurch getreten ist, wobei das Referenzsignal eine Fre quenz entsprechend einer Modulationsfrequenz des Lichtausganges des Lasers aufweist und eine Mischstufe zur Mischung des erfaß ten Signales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Mi scherausganges beziehungsweise -signales. Die Anwesenheit eines Meßobjektgases wird durch einen mit der Mischstufe verbundenen Signalanalysator festgestellt.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfin dung beinhaltet der Signalanalysator einen Filter mit einem Durchlässigkeitsbereich, der den Niederfrequenzausgang bezie hungsweise das Niederfrequenzausgangssignal der Mischstufe um faßt.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfin dung umfaßt der Referenzsignalgenerator einen Frequenzverviel facher zur Erzeugung eines Signales mit einer Frequenz entspre chend einer Harmonischen einer Modulationsfrequenz des Licht ausganges beziehungsweise des Lichtausgangssignales aus dem La ser.

Gemäß der Erfindung ist der Laser zur Erzeugung von Licht bei einer oder mehreren Modulationsfrequenzen ausgebildet und der Referenzsignalgenerator umfaßt einen Bandpaßfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich, der eine der Modulationsfrequenzen des Lichtes aus dem Laser umfaßt.

In bevorzugter Weise ist der Referenzsignalgenerator zur Auf nahme der Ausgabe aus dem Photodetektor verbunden.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfin dung ist ein Gasdetektor vorgesehen mit einem abstimmbaren Gas- Diodenlaser-Sender unter einem Laserempfänger, wobei der Laser in einer schützenden Einfassung beziehungsweise einem Gehäuse mit einem Fenster zum Durchtritt des Laserlicht-Ausganges ange ordnet ist und wobei eine Einrichtung zur Verschiebung von durch das Fenster erzeugten Etalonstreifen zu Frequenzen hin vorgesehen ist, die aus dem Erfassungssignal herausgefiltert werden können. Eine solche Einrichtung kann dadurch zur Verfü gung gestellt werden, daß das Fenster nach der Form eines Kei les beziehungsweise optischen Keiles vorgesehen ist.

Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine Gasreferenzzelle zur Aufnahme einer Probe des Meßobjektgases und eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus dem Laser auf die Gasreferenzzelle oder den Meßob jektbereich und eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder des Meßobjektbereiches auf den Photodetektor vorgesehen sein. Hierbei kann der Datenanaly sator eine Einrichtung zum Vergleich eines Ausganges bezie hungsweise eines Ausgangssignales der Mischstufe besitzen, wenn das Licht aus dem Laser durch die Gasreferenzzelle hindurch ge treten ist und wenn das Licht aus dem Laser durch den Meßob jektbereich hindurch getreten ist.

Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Gasdetektor einen Lichtsensor zur Erkennung der Anwe senheit oder Abwesenheit von aus dem Meßobjektbereich zurück kehrenden Lichtes auf, um negative falsche Signale zu vermei den.

Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung be sitzt der Gasdetektor einen Phasenschieber zur Einstellung der Phasendifferenz zwischen dem Erfassungssignal und dem Referenz signal, um eine Rauschunterdrückung zu ermöglichen.

Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Fernerfassung eines Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Aussenden von frequenzmoduliertem Licht aus einem Laser durch einen Meßobjektbereich hindurch, wobei das Licht bei ei ner oder mehreren Frequenzen frequenzmoduliert wird und die Frequenz des aus dem Laser ausgesandten Lichtes eine Frequenz komponente beinhaltet, die durch das Meßobjektgas absorbiert wird;
Empfangen des frequenzmodulierten Lichtes aus dem Laser, welches durch den Meßobjektbereich hindurch getreten ist und Erzeugen eines Erfassungssignales aus dem empfangenen Licht; und
Bestimmen des frequenzmodulierten Lichtes durch die Mi schung des Erfassungssignales mit einem von durch den Meßob jektbereich hindurchgetretenen frequenzmodulierten Licht abge leitetem Referenzsignal.

Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung be inhaltet das Verfahren die Verringerung von Etalonstreifen in dem empfangenen frequenzmodulierten Licht durch die Verschie bung der Etalonstreifen zu Frequenzen hin, die aus dem Erfas sungssignal heraus gefiltert werden können unter beispielsweise Verwendung eines keilförmigen Fensters in der Einfassung (Ge häuse) und die Herausfilterung der Etalonstreifen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch die Messung der Dichte des Meßobjektgases durch einen Vergleich der Intensität des erfaßten Lichtes, welches durch den Meßobjektbereich hin durch getreten ist, mit der Intensität von Licht, welches durch eine Gasreferenzzelle hindurch getreten ist, die eine Probe des Meßobjektgases beinhaltet, umfassen.

Es kann auch eine Rauschunterdrückung durchgeführt werden durch die Abstimmung des Lasers von Frequenzen weg, die durch das Meßobjektgas absorbiert werden, Einstellen der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Erfassungssignal, bis das Rauschen auf ein Minimum reduziert ist und die Abstimmung des Lasers zur Abgabe von Licht mit einer Frequenz, die durch das Meßobjektgas absorbiert wird.

Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Erkennung von Methan etwa bei der 1.3165 µm Absorpti onslinie des Methans durchgeführt.

Darüber hinaus wird die Ausgestaltung des Lasers auch durch die Tatsache erschwert, daß die Möglichkeit besteht, daß er in ei ner gefährlichen beziehungsweise schädlichen Umgebung betrieben wird mit dem Ergebnis, daß die Anordnung teuer wird. Der Erfin der hat daher eine Vorrichtung vorgeschlagen, gemäß der sich das von einem Lasersender stammende Licht entlang mehrerer op tischer Lichtleiter von einem Lasersender zu einem Laserempfän ger ausbreitet. Die optischen Lichtleiter beziehungsweise Lichtführungen bilden einen geführten Strahlengang, der jeden einzelnen von mehreren Meßobjektbereichen durchquert, in denen nicht erwünschtes Gas vorhanden sein kann. Ein optischer Schal ter gestattet die Auswahl eines der Strahlengänge und daher ei nen der Meßobjektbereiche zur Erkennung beziehungsweise Fest stellung von Gas. Ein bevorzugter Lichtleiter verwendet opti sche Fasern mit optischen Schaltern oder eine Kombination aus einer Spalteinrichtung (Splitter) und einem Schalter.

Es ist auch eine besondere Anordnung zum Sammeln beziehungswei se zur Bündelung von Licht aus einer übertragenden Faseroptik und einer empfangenden Faseroptik vorgesehen. Faseroptik bedeu tet hierbei Lichtwellenleiter oder Lichtleitfaser.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein entfernt angeordneter Laserkopf in jeden Lichtstrahlengang zwi schen dem Lasersender und dem Laserempfänger eingekoppelt. Im Betrieb wird der entfernt angeordnete Laserkopf an einem Meßob jektbereich im Abstand vom Lasersender und vom Laserempfänger angeordnet.

Vorzugsweise ist auch eine Gasreferenzzelle in einem geführten Lichtstrahlengang zwischen dem Lasersender und dem Laserempfän ger vorgesehen. Ein sequentielles Umschalten zwischen den ent fernt aufgestellten Laserköpfen und der Gasreferenzzelle ermög licht eine automatische Kalibrierung jedes einzelnen der vielen geführten Lichtstrahlengänge.

Viele der bekannten Verfahren sind abhängig von der Phase des erfaßten Lichtes und da die Phase des eintretenden Lichtes durch den Abstand vom Laserempfänger zum Meßobjekt verändert wird, besitzen diese bekannten Verfahren nur eine beschränkte Anwendbarkeit, wenn der Abstand vom Laserempfänger zum Meßob jektbereich nicht oder nur ungenau bekannt ist und wenn Verän derungen in der Phase des empfangenen Lichtes nicht einfach an gepaßt beziehungsweise ausgeglichen werden können.

Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Laserempfänger vorgese hen, der unabhängig von der Phase beziehungsweise unempfindlich gegen Veränderungen der Phase ist, wie er hier beschrieben wird. Darüber hinaus ist auch bereits ein phasenunabhängiger Gasdetektor bekannt geworden, der in "Ultrasensitive dual-beam absorption and gain spectroscopy: applications for near infrared and visible diode laser sensors", von Mark G. Allen, Karen L. Carleton, Steven J. Davis, William J. Kessier, Charles E. Otis, Daniel A. Palombo und David M. Sonnenfroh in Applied Optics, Vol. 34, No. 18, 20 June 1995, p. 3240-3248 beschrie ben ist. Die neueren Entwicklungen von phasenunabhängigen Tech niken bei der Laserabsorptionsspektroskopie unter Verwendung der Modulationserfassung gestattet die Entwicklung von tragba ren hoch empfindlichen Gasdetektoren und gemäß der Erfindung wird es nun auch vorgeschlagen, mehrere Meßobjektbereiche in beispielsweise einem Zimmer mit einem einzigen Laser und einem Scanner zu erfassen.

In vielen Gas-Betriebsanlagen gibt es eine Vielzahl möglicher Leckstellen. Ein fest eingerichteter Strahlengang durch einen Bereich mit einer möglichen Leckstelle hindurch wird zwar eine Leckstelle anzeigen, nicht aber den Ort der Leckstelle inner halb des Strahlenganges. Eine mögliche Lösung besteht darin, eine Vielzahl von Strahlengängen zu verwenden und es mittels örtlicher Gegebenheiten zu versuchen, einen möglichen Bereich der Leckage zu isolieren, beispielsweise einen Kompressor oder ein Ventil. Fasergebundene feste Lichtstrahlengänge benötigen immer eine oder zwei Fasern, die zur Kommunikation mit einem zentralen Lasersystem ausgebildet sind. Eine Bestückung komple xer Betriebsanlagen zur umfassenden genauen Fernerfassung von Leckstellen wäre ausgesprochen teuer. Aber insbesondere bei Be triebsanlagen mit toxischen Gasen wären leicht leckende ent fernte Leckstellen sehr wenig wünschenswert. Bekannte elektro chemische Gasdetektoren sind ebenfalls zu teuer, um in umfas sender Weise Leckstellen zu lokalisieren und werden daher übli cherweise beispielsweise an solchen Stellen angeordnet, wo sich das Gas sammelt, wie beispielsweise an Dächern im Falle leich ter flüchtiger Gase und in Sammelrinnen oder dergleichen bei schweren Gasen.

Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, gemäß der entweder mit einem feststehenden Laser oder über eine Faserop tik Licht zu Reflektoren verbracht wird. Der Strahlengang zum Reflektor wird durch die Anordnung eines Spiegelsystemes nahe der Laserquelle verändert. Die Spiegel steuern den Strahlengang durch eine Veränderung des vom Lasersender und vom Empfänger aus wahrgenommenen Bildes. Wenn viele Reflektoren innerhalb des Bereiches vor dem Laser angeordnet sind, kann der Spiegel so eingestellt werden, daß jeder Spiegel und sein zugehöriger Strahlengang zu dem Bild werden kann, welches von der Laser quelle und dem Detektor aus wahrgenommen werden kann. Auf diese Weise kann ein Strahlengang einfach dadurch ausgewählt werden, daß ein Spiegel an dem gewünschten Ort angeordnet und der be wegbare Spiegel eingestellt wird. Es sind eine Vielzahl von sich bewegenden Strahlengängen möglich und infolgedessen kann die Gasverteilung innerhalb beispielsweise eines Gebäudes fest gestellt werden. Jeder Reflektor kann von retroreflektierender Art sein, wie er beispielsweise an Straßenrändern verwendet wird oder es können Reflektoren aus Kunststoff sein, wie bei spielsweise solche, die an Fahrrädern eingesetzt werden oder auch beispielsweise Reflektoren, wie sie an Autos verwendet werden. Auf diese Weise wird die Erkennung beziehungsweise Feststellung von Gas an einer Vielzahl von Stellen kostengün stig und auch möglich.

Es ist daher nach einem Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gasdetektor zur Erfassung eines Meßobjektgases in einer Vielzahl von Meßobjektbereichen vorgesehen. Der Gasdetektor be sitzt einen Laser zum Aussenden von Licht, dessen Ausbreitung durch das Meßobjektgas beeinflußt wird, einen Laserempfänger für von dem Lasersender ausgesandtes Licht, einen Signalanaly sator zum Analysieren von von dem Laserempfänger erzeugten Si gnalen zur Bildung eines Angabe, ob Meßobjektgas in dem Meßob jektbereich vorhanden ist, ein erstes optisches Abtastelement, welches vom Lasersender beabstandet und zur Aufnahme von Licht aus dem Lasersender und zum Richten des Lichtes auf eine Viel zahl von Meßobjektbereichen hin angeordnet ist, einen Kollektor zur Aufnahme von Licht aus dem ersten optischen Abtastelement, welches von der Vielzahl der Meßobjektbereiche zurückgekehrt ist und zum Richten des Lichtes zum Empfänger hin und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Stellung des ersten opti schen Abtastelementes und zur Steuerung dadurch, welcher der Meßobjektbereiche vom Licht aus dem Lasersender durchquert wird.

Nach einem weiteren Merkmal gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Monitor mit dem Signalanalysator verbunden, um eine auf die Anwesenheit eines Meßobjektgases in den Meßobjektbereichen hinweisende Anzeige anzuzeigen.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfin dung weist der Lasersender einen Laser mit einem frequenzmodu lierten Ausgangssignal auf, wobei das Laserlicht eine Phase be sitzt und der Signalanalysator phasenunabhängig ist.

In Fortführung der Erfindung ist das erste optische Abtastele ment ein Spiegel, der an einer kardanischen Aufhängung angeord net ist und die Steuereinrichtung beinhaltet einen Schrittmo tor, der zur inkrementellen Drehung des Spiegels angeschlossen ist und die Steuereinrichtung besitzt auch eine Steuerung für den Schrittmotor.

Nach einem weiteren Merkmal gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt der Spiegel eine reflektierende Oberfläche und die kar danische Aufhängung besitzt erste und zweite Drehachsen, die sich an einem Schnittpunkt an der reflektierenden Oberfläche des Spiegels schneiden und der Gasdetektor weist darüber hinaus eine Einrichtung, beispielsweise eine Faseroptik auf, um Licht aus dem Lasersender zum Schnittpunkt der ersten und zweiten Drehachse der kardanischen Aufhängung hin zu richten.

Es ist auch ein Verfahren zur Feststellung beziehungsweise Er fassung oder Erkennung von Gas in einem Raum einer Gas-Betriebsanlage vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schrit te umfaßt:
Leiten von Laserlicht aus einem Lasersender zu einer Ab tastvorrichtung;
gesteuertes Drehen der Abtastvorrichtung, um Licht in se quentieller Weise zu mehreren Meßobjektbereiche zu leiten und Empfangen von aus den mehreren Meßobjektbereichen zurück re flektiertem Licht;
Erfassen von Licht von der Abtastvorrichtung, welches durch die mehreren Meßobjektbereiche hindurch getreten ist; und
Analysieren des erfaßten Lichtes auf die Anwesenheit von Gas in den mehreren Meßobjektbereichen hin.

Es kann auch ein zweites optisches Abtastelement verwendet wer den, um schwer zu erreichende Bereiche eines Raumes abzutasten.

Diese und weitere Gesichtspunkte gemäß der vorliegenden Erfin dung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen näher erläutert.

Die Erfindung wird in folgenden anhand der Zeichnung anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert werden, wobei für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden:

Fig. F1 zeigt eine schematische Gesamtansicht eines Gasdetek tors, eines Meßobjektbereiches und eines Reflektors zum Ge brauch mit einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze einer ersten Meßschaltung be ziehungsweise Erfassungsschaltung zur Verwendung an einem Gas detektor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze, die eine zweite Meßschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Er findung zeigt;

Fig. 4 ist eine Prinzipskizze, die eine dritte Meßschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Er findung darstellt;

Fig. 5 ist eine Prinzipskizze, die eine vierte Meßschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Er findung zeigt;

Fig. 5A ist eine Prinzipskizze eines Teiles eines alternati ven Generators für ein Referenzsignal für die Ausführungsform nach Fig. 5 zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vor liegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Prinzipskizze, die einen Gasdetektor dar stellt, der für die Analyse der Gasdichte zur Verwendung an ei nem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;

Fig. 7 ist eine Prinzipskizze, die einen Schnitt durch ein Fenster zur Verwendung bei der Reduzierung von Etalonstreifen beim Einsatz der vorliegenden Erfindung an einem Gasdetektor gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 8 ist eine Prinzipskizze, die eine Vielzahl von opti schen Strahlengängen zeigt, die mehrere getrennte Meßobjektbe reiche und eine Gasreferenzzelle durchqueren;

Fig. 9 ist eine Ansicht einer Gasreferenzzelle zur Verwen dung bei der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 10 ist eine Ansicht, die eine Vielzahl optischer Strah lengänge darstellt, welche mehrere getrennte Meßobjektbereiche und eine Gasreferenzzelle durchqueren;

Fig. 11 ist eine Ansicht der Konfiguration eines Strahlengan ges an einen Meßobjektbereich;

Fig. 12 ist eine Ansicht einer Ausführungsform gemäß der vor liegenden Erfindung, die eine einzelne Faseroptik beziehungs weise optische Faser für ausgesandtes und zurückkehrendes Licht verwendet;

Fig. 13 ist eine Ansicht, welche die Gesamtanordnung eines Gasdetektors mit einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht einer Abtastvorrich tung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer Abtastvor richtung mit einer optischen Faser gemäß der vorliegenden Er findung;

Fig. 16 ist eine Seitenansicht im Schnitt eines Abtastspie gels und einer Vorrichtung zur Bündelung von Laserlicht gemäß der Erfindung;

Fig. 17 ist eine Vorderseitenansicht einer zweiten Ausfüh rungsform einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 18 ist eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 19 ist eine Draufsichtansicht auf einen Raum in einer Gas-Betriebsanlage, welche die Anordnung einer Vielzahl von Ab tastvorrichtungen zeigt; und

Fig. 20 ist eine Prinzipskizze eines Laserempfängers mit ei nem Detektor für Licht von geringer Intensität.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnung ersichtlich ist, weist ein Gasde tektor 10 gemäß der dargestellten Ausführungsform einen Laser sender 12 und einen Laserempfänger 14 auf. Im Betrieb wird da bei Licht vom Lasersender 12 auf ein Gas in einem Meßobjektbe reich 16 gerichtet, von einem Reflektor 18 reflektiert und an einem Laserempfänger 14 wieder aufgenommen. Der Zwischenraum zwischen dem Lasersender 12 und dem Laserempfänger 14 kann da bei mehr als 200 Meter betragen und kann eine Öl- oder Gas-Betriebsanlage sein.

Die Meßobjektgase können dabei Fluorwasserstoff, Schwefelwas serstoff, Ammonik, Wasser, Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Blausäure, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Stickstoffdioxid, Sauer stoff und Azetylen beinhalten, wobei der hauptsächlich erwarte te Verwendungsbereich der Erfindung die Erkennung beziehungs weise Erfassung von Methan ist.

Der Lasersender 12 verwendet vorzugsweise einen abstimmbaren Diodenlaser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Lichtaus ganges beziehungsweise Lichtausgangssignales (Abgabe von Licht) mit einer Wellenlänge, die von dem Meßobjektgas absorbiert wird. Derartige abstimmbare Diodenlaser, bei denen ein Injekti onsstrom zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Ausganges mo duliert wird, sind bekannt. Da es schwierig ist sicherzustel len, daß sich die Trägerfrequenz des Lichtes aus dem Laser im Bereich einer Absorptionslinie des Meßobjektgases befindet, wird die Trägerfrequenz vorzugsweise mit einer Rampenfunktion durch die Absorptionslinie hindurch abgestimmt. Hierzu wird das Licht aus dem Laser mit einer ersten Modulationsfrequenz ent sprechend der Frequenz des Modulationsstromes und einer zweiten Modulationsfrequenz entsprechend der Frequenz der Rampenfunkti on moduliert. Bei einer Zwei-Ton-Modulation wird das Licht aus dem Laser mit einer dritten Modulationsfrequenz moduliert. Das vom Gas absorbierte Licht kann die Trägerfrequenz oder der durch die Modulation hervorgerufenen Seitenbänder sein.

Während der Lasersender 12, die Technik der Modulation und der Frequenzwahl bekannt sind, ist der Laserempfänger 14 neu. Eine beispielshalber dargestellten Ausführungsform des Laserempfän gers 14 ist in Fig. 2 dargestellt. Licht aus dem Laser, welches den Meßobjektbereich durchquert hat, wird durch den Photodetek tor 20 aufgenommen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und einer Mischstufe 22 zugeführt. Das aufgenommene Signal wird viele Frequenzen w₁, w₂ entsprechend den Modulationsfrequenzen des vom Laser ausgestrahlten Lichtes und deren Harmonischen enthalten. Das Signal aus dem Photodetektor 20 wird auch einem Referenzsignalgenerator 24 zugeführt, wo das Signal in einem Filter 26 bandpaßgefiltert wird, um eine der Frequenzen, bei spielsweise w₁ zu isolieren und dann in einem Verstärker 28 verstärkt, um ein Referenzsignal zu erzeugen. Das Referenzsi gnal wird als einer der Input einer Mischstufe 22 zugeführt, wo es mit dem aufgenommenen Signal, welches direkt von Photodetek tor 20 kommt, gemischt wird. Der Ausgang (Output) aus der Mischstufe 22 wird in einem Filter 30 tiefpaßgefiltert und dann analysiert, beispielsweise unter Verwendung des in Fig. 6 dar gestellten Datenanalysators 32. Der Ausgang, d. h. das Ausgangs signal aus dem Tiefpaßfilter 30 wird eine Gasabsorption zeigen, wenn das Meßobjektgas vorhanden beziehungsweise anzutreffen ist. Der Analysator 32 führt auch solche Funktionen wie bei spielsweise eine Berechnung des Mittelwertes über das Signal aus und beinhaltet vorzugsweise auch eine Einrichtung zur An zeige des festgestellten Signales.

Der Referenzsignalgenerator 24 kann sein Referenzsignal auch über einen zweiten Photodetektor (nicht dargestellt) erzeugen, obwohl die Verwendung nur eines Photodetektors bevorzugt wird. Der Referenzsignalgenerator 24 erzeugt einen Überlagerungsos zillator w₁ (local oscillator), welcher unabhängig ist von der Lasermodulator-Schaltungsanordnung. Der Überlagerungsoszillator besitzt ein immer gleichbleibendes Phasenverhältnis zum Signal des Photodetektors, so daß diese Schaltung unabhängig ist von der Absorptionsweglänge.

Ein weiterer beispielshafter phasenunabhängiger Laserempfänger ist in Fig. 3 dargestellt. Der Referenzsignalgenerator 24 nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Refe renzsignalgenerator dadurch, daß er einen Phasenregelkreis 34 aufweist. Das Signal w₁ aus dem Verstärker 28 wird dazu verwen det, den Phasenregelkreis 34 (PLL) zu aktivieren und das Aus gangssignal dieses PLL wird gemäß Fig. 2 als ein Überlage rungsoszillator verwendet. Der Ausgang des PLL 34 besitzt die selbe Frequenz und Phase wie das Eingangssignal w₁. Jedoch ist es frei von anderen Frequenzen, die den Bandpaßfilter w₁ pas sieren können, wie beispielsweise das elektrische Rauschen über der Bandbreite des Filters. Die Verwendung eines PLL für einen Überlagerungsoszillator resultiert infolgedessen in einem bes seren Störabstand im Ausgang der Mischstufe.

Ein weiterer beispielshalber dargestellter und verbesserter phasenunabhängiger Laserempfänger ist in Fig 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine Schaltung 36 zur Phasenver schiebung dem Referenzsignalgenerator 24 nach Fig. 2 hinzuge fügt. Die Schaltung 36 zur Phasenverschiebung gestattet Verän derungen des Phasenverhältnisses zwischen dem Signal w₁ und dem Überlagerungsoszillator. Der Rauschpegel in einem Laser- Absorptions-Spektrometer kann durch eine sorgfältige Abstimmung der Phase des Referenzsignalgenerators 24 in bekannter Weise verringert werden.

Ein weiterer beispielshalber dargestellter und verbesserter phasenunabhängiger Laserempfänger ist in Fig. 5 dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird das Signal mit der ge wünschten Frequenz dazu eingesetzt, einen Phasenregelkreis 34 zu aktivieren. Bei der Anwendung im Fernbetrieb beziehungsweise Ferneinsatz ist dieses Photodetektor-Signal üblicherweise zu schwach, um den PLL 34 zu aktivieren. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird der PLL 34 von einem Signal mit einer Grund frequenz aktiviert, welches immer stärker ist als das erfaßte beziehungsweise aufgenommene Signal. Bei der Technik der Mes sung der Absorption, bei der der Laser mit einer einzigen Fre quenz moduliert wird, ist das Erfassungssignal üblicherweise die zweite Harmonische 2w₁. Bei der als Zwei-Ton-Modulation be kannten Technik wird der Laser mit zwei Frequenzen w₁ und w₂ (neben der Rampenfrequenz) moduliert und es wird das Differenz signal bei der Frequenz (w₁-w₂) erfaßt. Nach Fig. 5 wird der PLL 35 mit der Frequenz w₁ aktiviert und erzeugt einen Output beziehungsweise ein Ausgangssignal mit der harmonischen Fre quenz 2w₁. Dieses harmonische Signal wirkt in der Mischstufe 22 dann als der Überlagerungsoszillator und es wird das Signal 2w₁ dann wie gewünscht erfaßt. Auf diese Weise wird der PLL 35 durch das viel stärkere Signal w₁ aktiviert. Bei der Zwei-Ton-Modulation werden zwei PLLs 35a und 35b, die w₁ und w₂ erzeugen, benötigt, wie es in Fig. 5A dargestellt ist. Diese werden kann in einer zweiten Mischstufe 23 zusammengefaßt, um ein Signal (w₁-w₂) zu erzeugen, welches dann in der Erfassungsschaltung als der Überlagerungsoszillator eingesetzt und als Input an der Mischstufe 22 angelegt wird.

Bei dem Verfahren der Laserabsorptionsspektroskopie ist das Er fassungssignal proportional zur Quantität des Gases in der Ab sorptionsweglänge. Das erfaßte Signal kann daher als ein Maß der Gaskonzentration verwendet werden, wenn die Weglänge der Absorption bekannt ist. So kann beispielsweise Licht aus einem Laser-Absorptions-Spektrometer von einem beabstandeten Objekt oder einem Reflektor reflektiert werden, wie beispielsweise dem in Fig. 1 dargestellten Reflektor 18. Zu dem Spektrometer zu rückkehrendes Licht wird die Anwesenheit von Gas feststellen lassen, wenn sich das Laserlicht mit der Gas-Absorptions-Wellenlänge deckt. Eine Berechnung beziehungsweise Bestimmung der Weglänge des Lichtes durch die Gaswolke hindurch ermöglicht dann eine Bestimmung der Konzentration des Gases. Um eingesetzt werden zu können, muß das Spektrometer kalibriert werden, damit die Meßwerte der Gaskonzentration sich aufgrund von Veränderun gen des Meßgerätes oder der Umgebung nicht verändern. In der Praxis ist dies nur sehr schwer zu erreichen. Geringfügige Ver änderungen der Temperatur des Lasers werden ein Abweichen der Wellenlänge des Lasers von der Gas-Absorptionslinie hervorru fen, da die Wellenlänge der Laserdiode sehr empfindlich auf Veränderungen der Temperatur reagiert. Veränderungen der Tempe ratur der Umgebung zwischen -40°C bis +50°C, wie es bei ei ner für die Industrie tauglichen Ausrüstung gefordert wird, können auch Veränderungen der Empfindlichkeit der Elektronik hervorrufen. Es ist bekannt, eine Methanzelle in Verbindung mit einer Rückkopplungsschaltung zu verwenden, um die Wellenlänge des Lasers auf die Methan Absorptionslinie einzuregeln, wobei temperaturbedingte Veränderungen die hauptsächliche Grenze für die Empfindlichkeit darstellen. Gemäß der vorliegenden Erfin dung werden die Auswirkungen von Veränderungen der Temperatur minimiert unter Verwendung einer Gasreferenzzelle in einer sich von der bekannten Weise erheblich unterscheidenden Weise.

Die Gaszelle wird nicht dazu eingesetzt, die Wellenlänge des Lasers zu stabilisieren, wie es üblicherweise gemacht wird. Ge mäß der vorliegenden Erfindung wird die Wellenlänge des Lasers vorzugsweise unter Verwendung einer Strommodulation eines Di odenlasers mit einer niederfrequenten Anstiegsfunktion durchge tastet. Auf diese Weise haben geringfügige Änderungen der Wel lenlänge, die von umgebungsbedingten Einflüssen auf den thermo elektrischen Temperaturregelkreis ausgeübt werden, keine große Bedeutung. Wenn das Laserlicht die Absorptionslinie über streicht, haben geringfügige Abweichungen von der mittleren Wellenlänge des Lasers keine Bedeutung.

Eine neue Anwendung einer Gasreferenzzelle ist in Fig. 6 darge stellt. Ein Teil des den Lasersender 12 verlassenden Lichtes wird von Strahlenteilern 40 und 42 in den Laserempfänger 14 re flektiert und zwar durch eine kleine Zelle 44 hindurch, die das interessierende Gas beinhaltet. Der Hauptstrahl A wird an den im Abstand angeordneten Reflektor 18 übertragen und der reflek tierte Strahl B wird von dem Laserempfänger 14 in normaler Wei se gesammelt.

Eine erste Verschlußklappeneinrichtung 46 ist im Strahlengang vom Strahlenteiler 40 durch die Referenzzelle 44 hindurch zum Strahlenteiler 42 angeordnet. Eine zweite Verschlußklappenein richtung 48 ist im Strahlengang vom Strahlenteiler 40 zum Strahlenteiler 42 angeordnet, der durch einen Meßobjektbereich hindurch zum Reflektor 18 verläuft. Der Betrieb der Verschluß klappeneinrichtungen 46 und 48 setzt den Empfänger einem Licht in sich abwechselnder Weise aus entweder dem beabstandeten Re flektor 18 oder der Gasreferenzzelle 44 aus. Der mit dem Aus gang des Empfängers 14 verbundene Datenanalysator 32 zeichnet das Signal beider Quellen auf und vergleicht sie unter bei spielsweise Verwendung eines Kalmanfilters. Die Verwendung ei nes Kalmanfilters und ähnlicher digitaler Verarbeitungsverfah ren für den Vergleich eines Referenzsignales mit einem ver rauschten Signal ist bekannt und muß daher nicht näher be schrieben werden. Da die Gasdichte innerhalb der Referenzzelle 44 bekannt ist, ist es möglich, die Gasdichte auf dem Weg zum beabstandeten Reflektor 18 zu berechnen anhand eines Verglei ches der Intensität des erfaßten Lichtes, welches durch den Meßobjektbereich hindurch getreten ist, mit der Intensität des Lichtes, welches durch die Gasreferenzzelle hindurch getreten ist. Die Erfassung des Referenzsignales und dann des Signales aus dem Meßobjektbereich kann in sequentieller Weise mehrfach pro Sekunde oder nur mehrere Male pro Stunde durchgeführt wer den, aber die Zeitdauer der Übertragung von Laserlicht wird vorzugsweise auf einem Minimum gehalten, beispielsweise auf Bruchteile von Sekunden, um mögliche Verletzungen der Augen von anwesenden Personen zu vermeiden. Diese Vorgehensweise besitzt mehrere Vorteile.

Einflüsse von Veränderungen der Anordnung und umgebungsbedingte Veränderungen werden ausgeglichen, da sich diese Veränderungen sowohl auf das Signal als auch auf das Referenzsignal beziehen. Dieses System stellt daher in der Tat eine automatische Kali brierung zur Verfügung. Darüber hinaus ist es bei der Erfassung gefährlicher Gase von Bedeutung, daß eine Fehlfunktion der An ordnung nicht als die Abwesenheit eines Gases interpretiert wird. Dies wird mit falschem negativen Signal bezeichnet. Die Benutzung sowohl des Referenzsignales als auch des Signales be ziehungsweise des Erfassungssignales selbst innerhalb der Vor richtung beseitigt dieses Problem so weit, als daß der ausge sandte Laserstrahl nicht blockiert wird. Zu einem fehlersiche ren Betrieb der Vorrichtung ist es daher notwendig, einen Lichtpegelsensor 50 einzusetzen, um das Vorhandensein eines zu rückkehrenden Lichtstrahles sicherzustellen. Die Verwendung ei ner Gasreferenzzelle erfordert ein bekanntes Phasenverhältnis ses sowohl hinsichtlich des Referenzsignales als auch des Er fassungssignales beziehungsweise Fernerfassungssignales selbst. Es ist daher nicht möglich, einfach die Phase des Überlage rungsoszillators einzustellen. Demgemäß wird es bevorzugt, das Verfahren nach Fig. 2 bis 5 einzusetzen, um eine Phasenanpas sung sowohl für das Referenzsignal als auch das Fernerfassungs signal zu vermeiden.

In der Praxis befindet sich das Rückkehrsignal zum Laserempfän ger nicht in Phase mit dem Überlagerungsoszillator, was für das höchste Ausgangssignal sorgen würde. Die Phase des Signales und des Überlagerungsoszillators unterscheiden sich typischerweise um 10° bis 40°. Dies ist erforderlich, um das durch die Laser dioden-Amplitudenmodulation hervorgerufene Rauschen auszuglei chen. Ein Drift in der Phasendifferenz, hervorgerufen durch Veränderungen der Anordnung und umgebungsbedingte Veränderungen können eine signifikante Zunahme des Rauschens des Lasers und eine Verschlechterung der Empfindlichkeit der Spektrometrie hervorrufen. Beim Vorhandensein eines Signales ist aber eine Abstimmung der Phase zur Verringerung von Rauschen nicht mög lich, weil auch das Signal von der Phase abhängig ist. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß die Laser-Wellenlänge von der Gasabsorptionslinie weg abgestimmt wird, so daß das Si gnal auf Null reduziert wird. Das Rauschen kann dann durch eine Phasenanpassung auf ein Minimum reduziert werden und dann wird das Ausgangssignal des Lasers, d. h. das Laserlicht wieder auf die Absorptionslinie zurückgeführt. Eine Phasenanpassung kann mit einer Einrichtung 36 zur Phasenverschiebung in dem Refe renzsignalgenerator 24 erreicht werden. Da es jedoch nur erfor derlich ist, die Phasendifferenz zwischen dem erfaßten und dem Referenzsignal zu verändern, kann sich die Einrichtung 36 zur Phasenverschiebung innerhalb der Leitung befinden, die das Er fassungssignal trägt. Alle diese Schritte können innerhalb der Steuerungsschaltungen des Spektrometers ausgeführt werden. In folgedessen kann die Gasreferenzzelle dazu eingesetzt werden, das ausgesandte Fernerfassungssignal automatisch zu kalibrieren und auch dazu, die Phase des Überlagerungsoszillators auf mini males Rauschen einzustellen, um eine zuverlässige fehlersichere Betriebsweise der gesamten Vorrichtung über die Zeit und unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sicherzustellen.

Laser-Absorptions-Spektrometer sind geeignet zur Erfassung ex plosiver Gase wie beispielsweise Methan. Die Verwendung elek trischer Vorrichtungen in Gefahrumgebungen ist in hohem Maße reglementiert und macht es üblicherweise erforderlich, daß die Vorrichtung in explosionssicheren Einfassungen angeordnet ist, wie beispielsweise eine Einfassung oder Gehäuse 52 nach Fig. 1. Die Ausbildung von explosionssicheren Gehäusen 52 ist bekannt und macht ein dickes Fenster 54 erforderlich, durch welches der aus tretende und der zurückkehrende Laserstrahl hindurchtreten kann. Wie es bekannt ist, verhalten sich Fenster wie Fabry-Perot Resonantoren und verursachen Interferenzstreifen, die als Etalonstreifen bekannt sind. Dieser Effekt verursacht eine von der Wellenlänge abhängige Übertragungsvariation, die auf die Gasabsorption Einfluß nimmt und eine ernsthafte Verringerung des Störabstandes und damit der Gas-Empfindlichkeit hervorruft. Insbesondere dicke Fenster verursachen Streifen, die von beson ders großem Nachteil sind. Der Erfinder hat nun herausgefunden, daß die Verwendung eines dicken Fensters mit einem geringen streifenbedingten Rauschen an einer explosionssicheren Kammer möglich ist, wenn die Vorderseitenfläche 56 beziehungsweise die Hinterseitenfläche 58 des Fensters in einem ausreichenden Winkel zueinander verlaufen, um die Streifen in einen Frequenzbereich zu verlagern, der vom erfaßten Signal unterschieden werden kann. Die Etalonstreifen können dann unter Verwendung des Tief paßfilters 30 aus dem erfaßten Signal heraus gefiltert werden. Wenn das Fenster 54 aus einem Laminat hergestellt wird, kann die keilförmige Form des Fensters 54 dadurch erreicht werden, daß ein kleiner Keil 60 zwischen den das Fenster 54 bildenden Laminaten 62 und 64 eingesetzt wird. Die keilförmige Form sorgt dafür, daß die Frequenzdifferenz zwischen Streifenmaxima ver ringert wird.

Wenn die Wellenlänge des Lasers das keilförmige Fenster über streicht, wird sie durch mehrere Streifen hindurch treten und das von der Schaltung des Laserempfängers aufgezeichnete Strei fenrauschen wird eine relativ hohe Frequenz aufweisen. Der nach dem Mischstufenkreis eingesetzte Tiefpaßfilter wird diese Stör quelle beseitigen und das Streifenrauschen wird die Empfind lichkeit des Spektrometers nicht negativ beeinflussen.

Der Erfinder hat auch herausgefunden, daß der Einsatz der Er findung über Abstände von mehr als 200 Meter hinaus möglich ist, wenn das zu einem Reflektor auf der gegenüberliegenden Seite des Meßobjektbereiches übertragene Licht dem gleichen Rücklaufweg folgt. Auf diese Weise ist die Abweichung des Strahlenganges auf dem herausgehenden und dem zurückkehrenden Strahlengang gleich und der zurückkehrende Strahl endet beim Laserempfänger, der vorzugsweise mit dem Lasersender in einem Gehäuse angeordnet ist.

Der Reflektor sollte ausreichend groß sein, um den thermisch abgelenkten und gebrochenen Laserstrahl wirksam zu reflektieren und der Licht-Kollektor am Laser-Spektrometer sollte groß genug sein, den gebrochenen Laserstrahl zu sammeln. Der Reflektor sollte von qualitativ hochwertigem reflektierenden Werkstoff sein, da der Versatz des zurückkehrenden Strahles nach der Re flexion dazu neigt, den zurückkehrenden Strahl einem sich ge ringfügig unterschiedlichen Weg folgen zu lassen. Zudem wird es bevorzugt, einen so breit wie möglich ausgebildeten Laserstrahl zu verwenden.

Obwohl die Erfassung von Methan am üblicherweise eingesetzten 1.66 µm Methan-Absorptionsband durchgeführt werden kann, an dem die Absorption ziemlich stark stattfindet und das Signal durch Wasserdampf Absorption auch nicht negativ beeinflußt wird, wird es bevorzugt, die Übertragung und den Empfang an der 1.3165 µm Absorptionslinie für Methan durchzuführen, innerhalb des Was serdampf-Fensters zwischen 1.3162 bis 1.3169 µm. Da es um etwa 1.3165 µm herum auch eine Ammoniak Absorptionslinie gibt, so fern Ammoniak vorhanden ist, sollte eine Erfassung auch bei et wa 1.3177 µm innerhalb des 1.3173 µm bis 1.3184 µm Wasserdampf- Bandes durchgeführt werden, da Ammoniak auch eine Absorptions linie bei etwa 1.3177 µm aufweist, während dies bei Methan nicht der Fall ist. Daher unterscheidet bei der Verarbeitung des von einem Reflektor zurück reflektierten Erfassungssignales die Erfassung einer Absorption bei 1.3177 µm Methan von Ammoni ak und das Nichtvorhandensein einer Erfassung der Absorption bei 1.3177 µm unterscheidet Mathan von Ammoniak. Die Methan Ab sorptionslinie bei 1.3165 µm kann zwar möglicherweise für die praktische Messung der Anwesenheit von Methan als merkwürdig angesehen werden, da die Absorption an dieser Linie etwa um den Faktor 20 schwächer ist als an der bekannten 1.66 µm Linie, je doch gestattet die Anwendung dieser Linie für die Erfassung die Verwendung von Übertragungsbandlasern von etwa 1.32 µm für die Erfassung von sowohl Methan als auch Ammoniak.

Fig. 8 der Zeichnung zeigt einen Lasersender 80 und einen La serempfänger 82 mit einer Vielzahl von sich dazwischen erstrec kenden Lichtleitern 84. Der Lasersender 80 ist vorzugsweise, nicht aber notwendigerweise ein Lasersender vom Typ mit einer abstimmbaren Diode, wie er vorstehend beschrieben worden ist und der Laserempfänger 82 ist vorzugsweise, nicht aber notwen digerweise entsprechend der Beschreibung zu Fig. 2 bis 5 ausge bildet und zwar einschließlich der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Beseitigung der Phasenabhängigkeit des Empfän gers. Jeder optische Lichtleiter 84 ist vorzugsweise aus einer optischen Faser 84a zur Übertragung und einer optischen Faser 84b zum Empfang ausgebildet. Die optischen Fasern 84a zur Über tragung sind so angeordnet, daß sie Licht aus dem Lasersender 80 aufnehmen können und zwar beispielsweise durch eine optische Faser 86 und enden an einem im Abstand angeordneten Laserkopf 90 an einem Meßobjektbereich, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Die optischen Empfangsfasern 84b sind so angeordnet, daß sie Licht an den Laserempfänger 82 abgeben können, beispiels weise durch eine Linse 88 oder ein ähnliches optisches Element und jede besitzt ein Ende 85, welches an dem im Abstand ange ordneten Laserkopf 90 an einem Meßobjektbereich 92 endet, um Licht aus einer der optischen Fasern 84a aufnehmen zu können, welches den Meßobjektbereich 92 durchquert hat.

Jeder Laserkopf 90 weist eine Kollimatorlinse 94 im Abstand zum Endstück einer der optischen Fasern 84a auf, um Licht, welches aus der optischen Faser 84a austritt, aufzunehmen und zu bün deln. Das gebündelte Licht wird auf einen würfelförmigen Win kelreflektor 96 gerichtet, der im Abstand zur Kollimatorlinse 94 an der gegenüberliegenden Seite des Meßobjektbereiches 92 angeordnet ist, so daß sich der Meßobjektbereich zwischen dem Laserkopf 90 und dem Reflektor 96 befindet. Von dem würfelför migen Winkelreflektor 96 reflektiertes Licht wird von einem versetzten Parabolreflektor gebündelt und auf ein Ende 85 einer der optischen Fasern 84b fokussiert. Vorzugsweise weist der Pa rabolreflektor 98 eine mittige Apertur auf, um den Durchtritt von Licht aus der optischen Faser 84a durch den Parabolreflek tor 98 hindurch zu ermöglichen. Die Linse 94 und der Reflektor 98 bilden zusammen ein Beispiel einer optischen Einrichtung, um Licht aus der optischen Faser 84a durch den Meßobjektbereich zur optischen Faser 84b zu leiten.

Beim Einbau beispielsweise in einer Industrieanlage der Ölindu strie wird ein Laserkopf in jedem Meßobjektbereich der Anlage eingebaut werden, der zu überwachen ist. So können beispiels weise 30 Meßobjektbereiche vorgesehen sein. Ein beispielshafter Meßobjektbereich kann ein Steuerraum sein. Bei dem beschriebe nen und mit einer optischen Faser verbundenen Laserkopf kann der Lasersender und der Laserempfänger an einem Ort im Abstand zu jedem Meßobjektbereich angeordnet werden, mehrere hundert Meter oder noch weiter entfernt.

Jedes Paar der optischen Fasern 84a und 84b und der dazugehöri ge Laserkopf 90 bilden zusammen einen gesondert geführten Strahlengang vom Lasersender 80 zum Laserempfänger 82, der den Meßobjektbereich 92 durchquert. Die optischen Fasern 84a und 84b sind vorzugsweise Einmodenlichtleitfasern.

Wie es in der Ausführungsform nach Fig. 8 dargestellt ist, ist am Lasersender 80 ein optischer Schalter 100 vorgesehen, um ei nen der optischen Lichtleiter 84 zu selektieren. Die Selektion kann dabei von einem Computer gesteuert werden. Schalter für optische Fasern dieser Art sind bekannt und müssen daher nicht näher beschrieben werden. Die optischen Fasern 84b führen das Licht aus den im Abstand angeordneten Laserköpfen 90 zur Optik am Laserempfänger 92.

Eine alternative Schaltvorrichtung ist in Fig. 10 dargestellt. In diesem Fall wird Licht aus dem Lasersender 80 durch eine op tische Faser 102 zu einem Strahlenteiler 104 geführt, wo es auf optische Fasern 84a aufgeteilt und zu den im Abstand angeordne ten Laserköpfen 90 geführt wird. Das Licht aus den im Abstand angeordneten Laserköpfen 90 wird durch optische Fasern 84b zu einem faseroptischen Schalter 106 ähnlich dem Schalter 100 ge führt mit dem Unterschied, daß der Schalter 106 ein multimoda ler Schalter ist. Der Schalter 106 ist über eine optische Faser 108 mit einem Laserempfänger 82 verbunden. Die Betätigung des Schalters 106 wählt einen der geführten Strahlengänge 84, die durch die optischen Fasern 84a, 84b und der Optik in dem Laser kopf 90 definiert werden, aus und verbindet eine der optischen Fasern 84b mit der optischen Faser 108, um einen geführten Strahlengang zwischen dem Lasersender 80 und dem Laserempfänger 82 zur Erfassung von Gas in dem Meßobjektbereich, der durch den ausgewählten Strahlengang durchquert wird, zu vervollständigen.

Bei der Fernerfassung von Gas in einer Vielzahl von Bereichen ist es von Vorteil, eine Gasreferenzzelle 110 in einem geführ ten Strahlengang anzuordnen, welcher vom Schalter 100 oder 106 selektiert werden kann. Damit kann zur Messung der Gasdichte das Licht aus dem Lasersender 90 selektiv durch einen der im Abstand angeordneten Laserköpfe 90 oder die Gasreferenzzelle 110 geführt werden. Beim Gebrauch einer optischen Faser wird dabei vorzugsweise eine refokussierende Linse 112 in der Gasre ferenzzelle 110 vorgesehen, wie es in Fig. 9 dargestellt ist und zwar um Licht aus der optischen Faser 84a zu bündeln und auf die optische Faser 84b zu fokussieren. Es können auch ande re Verfahren der Fokussierung von Licht auf die Faser 84b ein gesetzt werden.

Eine Steuerung 114, die Teil des in Fig. 6 dargestellten Daten analysators 32 sein kann, kann dazu verwendet werden, in se quentieller Weise einen der im Abstand angeordneten Laserköpfe zur Gaserfassung auszuwählen. In einer industriellen Umgebung bietet das sequentielle Umschalten zwischen den Laserköpfen ei ne kontinuierlich wiederholte Überwachung mehrerer Flächen oder Bereiche innerhalb der Umgebung. Darüber hinaus gestattet ein sequentielles Umschalten zwischen den beabstandeten Laserköpfen 90 und der Gasreferenzzelle 110 eine automatische Kalibrierung jedes einzelnen der vielen geführten Strahlengänge.

Zur Erfassung von mehr als einem Gas kann über eine Weiche 118 ein zweiter Lasersender 116 mit den optischen Lichtleitern 84 verbunden sein. Der zweite Lasersender 116 kann dabei in einem engen Band arbeiten, welches sich vom Band des Lasersenders 80 unterscheidet und auf diese Weise eingesetzt werden, um eine andere Gasart zu erfassen. Jeder der Lasersender 80 und 116 kann in sequentieller oder alternierender Weise je nach Bedarf betrieben werden.

Eine weitere Ausführungsform eines Gasdetektors mit einem im Abstand angeordneten Laserkopf ist in Fig. 12 dargestellt. Ein Lasersender 80 ist an einem Ende eines geführten Strahlengan ges, der sich bis zu einem Meßobjektbereich 132 erstreckt, vor gesehen. Der geführte Strahlengang beinhaltet eine optische Fa ser 121, die mit einem Richtungskoppler 120 verbunden ist, ei nen optischen Schalter 122, eine Faser 123, die den Richtungs koppler 120 und den Schalter 122 verbindet, einen Laserkopf 126 und eine optische Faser 124, die den Schalter 122 und den La serkopf 126 verbindet. Der Laserkopf 126 umfaßt ein Ende 128 einer Faseroptik bzw. Lichtleiters 126 und einen versetzten pa rabolischen Kollimatorspiegel 130, wobei das Ende 128 am Fokus des Spiegels ausgerichtet ist. Der Spiegel 130 dient sowohl da zu, aus der Faseroptik 124 austretendes Licht parallel zu rich ten als auch dazu, vom Reflektor 134 auf der gegenüberliegenden Seite des Meßobjektbereiches 132 aus dem Laserkopf 126 stammen des und zurückkehrendes Licht zu sammeln. Es können verschiede ne optische Anordnungen mit der gleichen Wirkung eingesetzt werden. Der Spiegel 130 ist ähnlich dem Spiegel 98, nur daß der Spiegel 130 keine mittige Apertur aufweisen muß.

Bei dem in Fig. 12 dargestellten Gasdetektor tritt, wenn der Schalter 122 geschlossen wird, um die Fasern 123 und 124 zu verbinden, Licht aus dem Lasersender 80 über die Faser 121 durch den Richtungskoppler 120 hindurch, weiter über die Faser 123, durch den Schalter 122 hindurch und über die Faser 124 schließlich zum Laserkopf 126. Licht aus dem Ende 128 der Faser 124 wird durch den Spiegel 130 parallel gerichtet und über den Meßobjektbereich zum Reflektor 134 gerichtet. Von dem Reflektor 134 zurück reflektiertes Licht wird von dem Spiegel 130 gesam melt und in die Faser 124 zurück fokussiert. Bei nach wie vor geschlossenem Schalter 122 schreitet das Licht entlang der Fa ser 123 weiter fort und wird von dem Richtungskoppler 120 in den Laserempfänger 82 gerichtet. Auf diese Weise wird nur eine einzige optische Faser für den geführten Strahlengang zum beab standeten Laserkopf benötigt. Es wird auch nur ein einziger Richtungskoppler 120 für mehrere optische Output/Input- Fasern 124 benötigt, wenn er auf der Lasersender-Seite des Schalters 122 angeordnet ist. Es können eine Vielzahl ähnlicher Strahlen gange mit einer einzigen Faser über den Schalter 122 in der gleichen Weise wie mit dem Schalter 100 verbunden werden. Die an dieser Stelle beschriebenen optischen Bauteile sind für sich bekannt und gewerblich verfügbar.

Aufgrund des im Abstand angeordneten Laserkopfes gemäß der vor liegenden Erfindung kann der Lasersender und der Laserempfänger außerhalb einer Gefahrenumgebung angeordnet werden und daher müssen sie nicht in einem explosionssicheren Gehäuse angeordnet werden. In ähnlicher Weise kann der Laserkopf einfach ausgebil det werden ohne elektrische Anschlüsse in der Gefahrenumgebung.

Fig. 8 bis 12 und die zugehörige Beschreibung beschreiben daher einen Gasdetektor zur Erfassung von Gas in entfernten Betriebs anlagen. In jeder Betriebsanlage, beispielsweise einem Raum in einer Gasfabrik können auch mehrere Flächen vorhanden sein, die zu überwachen sind, beispielsweise eine Fläche nahe einem Ven til oder einem Kompressor. Fig. 13 zeigt einen Gasdetektor zur Erfassung eines Meßobjektgases in einer Vielzahl von Meßobjekt bereichen. Ein Licht-Lasersender 131, dessen Übertragung von dem Meßobjektgas beeinflußt wird, weist vorzugsweise einen fre quenzmodulierten Diodenlaser von bekannter Ausbildung auf. Ein Laserempfänger 133 zum Empfang von von dem Lasersender ausge sandtem Licht ist vorzugsweise von der in Fig. 5 dargestellten Art. Alternativ hierzu kann der Lasersender 131 und der La serempfänger von dem Typ sein, wie er in "Ultrasensitive dual-beam absorption and gain spectroscopy: applications for near infrared and visible diode laser sensors", von Mark G. Allen, Karen L. Carleton, Steven J. Davis, William J. Kessier, Charles E. Otis, Daniel A. Palombo und David M. Sonnenfroh, Applied Op tics, Vol. 34, No. 18, 20 June 1995, p. 3240-3248 beschrieben ist. In jedem Fall arbeitet der Laser vorzugsweise phasenunab hängig. Wenn der Laserempfänger 133 nicht phasenunabhängig ist, dann muß die Länge des Strahlenganges vom Lasersender zum La serempfänger ziemlich gut bekannt sein aufgrund der Veränderun gen der Phase des durch den Laserempfänger aufgenommen Lichtes.

Ein Signalanalysator 135 zur Analyse der vom Laserempfänger er zeugten Signale ist in bekannter Weise mit dem Laserempfänger gekoppelt. Es sind auch verschiedene derartige Empfänger be kannt. Der Analysator kann beispielsweise ein Computer oder ein Mikroprozessor sein, der ohne weiteres verfügbar ist und zu diesem Zweck programmiert ist. Der Signalanalysator 135 stellt ein Ausgangssignal zur Verfügung, welches anzeigt, ob ein Meß objektgas in einem Meßobjektbereich vorhanden ist. Dieses Aus gangssignal kann digital angezeigt oder an einen Monitor 137 ausgegeben werden, um dort als Bild angezeigt zu werden oder es kann auch in einer sonstige bevorzugten Weise dargestellt wer den. Das Signal kann auch für einen späteren Zugriff aus einem Speicher in dem Computer/Analysator 135 heraus gespeichert wer den.

Um Gas an verschiedenen Orten in einem Raum zu erfassen, ist ein optisches Abtastelement 140 in einem Raum getrennt vom La sersender 131 angeordnet und zwar in dem Strahlengang aus dem Lasersender 131 heraus, um Licht aus dem Lasersender 131 auf nehmen zu können und das Licht auf eine Vielzahl von Meßobjekt bereichen 196 in einem Raum 191 zu richten, wie es schemati siert in Fig. 19 dargestellt ist. Das Licht kann nach dem Durchlaufen eines Meßobjektbereiches durch eine Reflexion an einem Reflektor 195 oder direkt von einer Wand 193 zurückge führt werden, wenn der Laser empfindlich genug ist, um von der Wand 193 zurück reflektiertes Licht zu erfassen. Der Reflektor 195 kann ein Winkelreflektor, ein reflektierendes Band bezie hungsweise Platte oder eine reflektierende farbige Oberfläche sein, wobei diese Einrichtungen gewerblich verfügbar sind.

Licht, welches nach dem Durchtritt durch einen der mehreren Meßobjektbereiche 196 vom optischen Abtastelement 140 zurück kehrt, wird durch einen Kollektor 162 gesammelt, der zwischen dem optischen Abtastelement 140 und dem Lasersender 131 ange ordnet ist. Der Kollektor 162 kann beispielsweise ein Abschnitt eines Parabolspiegels sein. Der Kollektor 162 fokussiert das Licht auf den Laserempfänger 133. Licht aus dem Lasersender 133 kann durch optische Fasern, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, zum Spiegel 140 geführt werden oder aber auch durch den freien Raum hindurch übertragen werden.

Ein Schrittmotor 142 mit zugehöriger Steuerung 138 für den Schrittmotor, die eine Steuerungseinrichtung für das optische Abtastelement 140 bilden, kann zur Steuerung der Stellung des optischen Abtastelementes 140 eingesetzt werden und dadurch zur Steuerung, welcher der Meßobjektbereiche 196 von dem Licht aus dem Lasersender 131 durchquert wird. Der Schrittmotor 138 und die zugehörige Steuerung sind für sich bekannt. Es wird dabei bevorzugt, daß ein Schrittmotor 138 mit einem kleinen Winkelin krement, beispielsweise in der Größenordnung von 1° oder weni ger eingesetzt wird. Die Steuerung 138 für den Schrittmotor wird vorzugsweise vom Computer 135 überwacht, um den Lasersen der 131, den Laserempfänger 133 und die Steuerung 138 für den Schrittmotor zu koordinieren. So kann beispielsweise das opti sche Abtastelement 140 den Raum nach der Art eines Rasters als Fernsehbild abtasten und das sich ergebende Signal als eine zweidimensionale Abbildung der Gasdichte an einem Monitor 137 dargestellt werden. Das optische Abtastelement 140 kann auch in sequentieller Weise bestimmte Orte in einem Raum abtasten. Die Steuerung 138 und die Steuerung 139 können vom Computer 135 an gewiesen werden, den Spiegel über eine vorprogrammierte Zahl von Inkrementen zu bewegen und der Lasersender 131 kann vom Computer eingeschaltet werden, um einen Impuls von moduliertem Licht zum Spiegel auszusenden, der dann zum Laserempfänger zu rückgeführt wird und die sich hieraus ergebenden ausgegebenen Signale werden im Computer 135 analysiert. Die Steuerung 138 und 139 kann dann das optische Abtastelement 140 in eine neue Stellung bewegen und dieser Vorgang wird dann fortgeführt, bis eine Zahl von Meßobjektbereichen auf das Vorhandensein von Gas hin überprüft worden ist.

Das optische Abtastelement 140 ist vorzugsweise ein Spiegel 141, der an einer kardanischen Aufhängung angeordnet ist, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Der Spiegel 141 wird über eine Welle 143 vom Schrittmotor 142 abgestützt. Die Welle 143 defi niert eine erste vertikale Drehachse des Spiegels 141, welche die Mitte 147 der Reflexionsfläche des Spiegels durchsetzt. Der Schrittmotor 142 dreht den Spiegel 141 in inkrementeller Weise. Die Wirkung der Drehung des Spiegels 141 durch n° ist dabei den reflektierten Laserstrahl 149 um 2n° zu bewegen. Der Schrittmo tor 142 kann dabei ins Langsame übersetzt sein, um jedes er wünschte Winkelinkrement bei der Drehung des reflektierten Lichtstrahles zu erzeugen. Der Spiegel 141 kann um volle 360° gedreht werden, obwohl für die meisten Abtastvorgänge 120° aus reichend sein dürften. Der Schrittmotor 142 und der Spiegel 141 sind in einem Rahmen 148 angeordnet, der an Lagern 146 drehbar festgelegt ist.

Die Lager 146 definieren dabei eine zweite, horizontale Dreh achse des Spiegels 141, die die Mitte 147 der Reflexionsfläche des Spiegels durchsetzt und dabei die vertikale Achse an der Oberfläche des Spiegels schneidet. Eine Bewegung des an der kardanischen Aufhängung angeordneten Spiegels 141 um die zweite Achse herum kann mit einer linearen Betätigungseinrichtung (Linearantrieb) 151 ausgeführt werden, die mit der Achse 144 der linearen Betätigungseinrichtung gekoppelt ist und über die mit dem Lager 153 gekoppelten Achse 145. Die lineare Betäti gungseinrichtung 151 wird durch eine Steuerung 139 unter der Überwachung des Computers 135 gesteuert, um den Spiegel 141 um die horizontale Achse herum in inkrementeller Weise zu drehen und um dadurch den reflektierten Laserstrahl vertikal zu dre hen. Da üblicherweise Räume oder andere Gas-Betriebsanlagen be zogen auf ihre Breite eher flach als hoch ausgebildet sind, muß der Betrag der Drehung des Spiegels 141 um die horizontale Ach se herum nicht groß sein, sondern kann beispielsweise 22.5° be tragen, um eine vertikale Abtastung von 45° zu erzeugen.

Der Lasersender 131 kann direkt oberhalb des optischen Abtaste lementes 140 angeordnet so ausgerichtet sein, daß sein Aus gangsstrahl entlang der vertikalen Achse des Spiegels 141 aus gerichtet ist und auf die Mitte der Reflexionsfläche des Spie gels trifft. Gas-Betriebsanlagen sind aber Gefahrenumgebungen und die Anordnung des Lasersenders 131 in der Gefahrenumgebung macht es erforderlich, daß der Lasersender in einem explosions sicheren Gehäuse angeordnet ist. Es wird daher bevorzugt, das optische Abtastelement 140 über eine optische Faser 15 13264 00070 552 001000280000000200012000285911315300040 0002019634191 00004 131454 mit Licht zu versorgen, wie es in Fig. 15 dargestellt ist. Der op tischen Faser 154 wird Licht aus einem Lasersender von einem beabstandeten Ort aus zugeführt, wie es beispielsweise in Fig. 15 dargestellt ist. Es ist nur das vom Lasersender beabstandete Ende der optischen Faser 154 dargestellt. In der Darstellung nach Fig. 15 umfaßt das optische Abtastelement 140 einen Para bolspiegel 150, der an einer Achse 155 drehbar angeordnet ist. Die optische Faser 154 ist an einem Träger 152 aufgehängt, wo bei Licht aus der optischen Faser 154 auf die Mitte des Spie gels 150 gerichtet ist, wo sich die Drehachsen schneiden. Wenn sich der Spiegel 150 dreht, wird das Ende der optischen Faser 154 gedreht und ihre Ausrichtung wird so gesteuert, daß Licht aus der optischen Faser 154 einen Raum oder eine Fläche über streicht, die überwacht werden soll. Aus einem Meßobjektbereich zurückkehrendes Licht 157 wird durch die Reflexionsfläche des Spiegels 150 gebündelt und auf die optische Faser 154 fokus siert. Bei Verwendung der Faseroptik (Lichtleiter) 154 kann der Lasersender und der Laserempfänger außerhalb eines Raumes ange ordnet werden, der überwacht werden soll und sie müssen daher nicht in explosionssicheren Gehäusen angeordnet werden. Darüber hinaus kann aufgrund der Verwendung mehrerer optischer Fasern, wie es in Fig. 8 und 10 dargestellt ist, mehr als ein Raum überwacht werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform eines optischen Abtastele mentes nach Fig. 16 durchquert ein von einem Lasersender 131 abgegebener Laserstrahl 166 eine Apertur 164 in einem Spiegel 162 mit einer parabolischen Reflexionsfläche und reflektiert von einem an einer Achse 161 angeordneten Drehspiegel auf meh rere Meßobjektbereiche hin. Die Meßobjektbereiche können wie bei der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform durch eine in krementelle Drehung des Spiegels 160 mit einem Schrittmotor überstrichen werden. Aus den Meßobjektbereichen zurückkehrendes Licht - wie es mit dem Bezugszeichen 167 angedeutet ist - wird vom Spiegel 160 zum Spiegel 162 reflektiert und auf den Detek tor 165 fokussiert, der einen Teil eines Laserempfängers bil det.

In Fig. 17 ist eine zweite Ausführungsform einer kardanischen Aufhängung dargestellt, bei der ein Spiegel 170 an einer hori zontalen Achse 171 angeordnet ist, wobei die vertikale Bewegung eines einfallenden Laserstrahles von einem Schrittmotor 175 ge steuert wird. Eine Achse 171 ist an einem Rahmen 176 angeord net, der seinerseits an einer Achse 172 in einem Rahmen 173 an geordnet ist. Eine Rotation des Spiegels 170 um die Achse 172 wird von einem Schrittmotor 174 und seiner zugehörigen Steue rung gesteuert. Die kardanische Aufhängung nach Fig. 17 arbei tet in ähnlicher Weise wie die in Fig. 14 dargestellte kardani sche Aufhängung derart, daß der Spiegel um jede der zwei zuein ander rechtwinkligen Achsen gedreht werden kann.

Nach einer weiteren in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform werden zwei Spiegel für das optische Abtastelement verwendet. Der Spiegel 180 ist zur Drehung um eine vertikal Achse durch einen Schrittmotor 182 angeordnet. Das von einem Lasersender abgegebene Licht 186 durchquert eine Apertur 183 in einem Kol lektorspiegel 181 und wird von einem Spiegel 180 auf einen zweiten Spiegel 184 gerichtet, der nahe dem Spiegel 180 ange ordnet und an einer horizontalen Achse 188 eines Schrittmotors 185 vorgesehen ist. Der Spiegel 180 steuert die Abtastbewegung des Laserstrahles um die vertikale Achse herum und der Spiegel 184 steuert die vertikale Positionierung des sich abtastend drehenden Laserstrahles. Aus den Meßobjektbereichen zurückkeh rendes Licht wird von beiden Spiegeln 185 und 180 zurück ge strahlt und von dem Kollektorspiegel 181 auf den Detektor 187 fokussiert. Diese Ausführungsform kann dann verwendet werden, wenn eine schnellere Abtastung benötigt wird, da nur die Spie gel, nicht aber einer der Schrittmotoren in eine Drehbewegung versetzt werden muß.

Ein optisches Abtastelement 194 kann in einer Ecke eines Raumes 191 angeordnet werden, wie es in der Draufsichtansicht nach Fig. 19 dargestellt ist. Wenn sich das optische Abtastelement 194 dreht, dann wird der Laserstrahl nacheinander zwischen den Stellungen 197 bewegt, die jeweils einen Abstand von mindestens 2n° zueinander aufweisen, wobei n das Winkelinkrement des Schrittmotors ist, das sich aufgrund einer beliebigen Überset zung des Schrittmotors ins Langsame ergibt. Durch die Steuerung der x und y Positionierung des optischen Abtastelementes 194 kann der abgegebene Laserstrahl nacheinander durch Meßobjektbe reiche 196 hindurch gerichtet werden, um von den Reflektoren 195, 198 oder 199 zurück reflektiert zu werden. Dies kann auf grund einer programmgesteuerten Reihenfolge ablaufen. Dabei kann jede Richtung beziehungsweise Position des abgegebenen Lichtstrahles 197 durch eine entsprechende Drehung des opti schen Abtastelementes 194 ausgewählt werden. Wenn beispielswei se die horizontale beziehungsweise vertikale Stellung des Spie gels bei der Ausrichtung des Laserstrahles auf den Reflektor 198 mit 270° beziehungsweise 0° definiert ist, dann kann ein auf den Reflektor 199 gerichteter Laserstrahl eine Stellung von 300° beziehungsweise 0° bedeuten. Die Schrittmotoren und die linearen Betätigungseinrichtungen beziehungsweise Linearantrie be können daher so programmiert sein, sich um eine eingestellte Zahl von Inkrementen zur Position jedes Reflektors 198, 199 und 195 zu bewegen.

Wenn der Raum, der abgetastet werden soll, eine Ecke aufweist, die von dem optischen Abtastelement 194 nicht erreicht werden kann, dann kann ein zweites optisches Abtastelement 192 auf der Sichtlinie des ersten optischen Abtastelementes 194 angeordnet werden. Das optische Abtastelement 194 kann festgelegt werden, um Licht auf das zweite optische Abtastelement 192 zu richten, während das optische Abtastelement 192 gedreht wird, um die Fläche 200 mit den Meßobjektbereichen 201 und den Reflektoren 202 abzutasten.

Die Reflektoren 195, 198, 199 und 202 sind in einem Bereich aufgestellt, der die Meßobjektbereiche beinhaltet, so daß sich jeder Meßobjektbereich auf einem Strahlengang zwischen einem der das Licht reflektierenden Reflektoren und einem der opti schen Abtastelemente 192 und 194 befindet.

Wie es in Fig. 20 dargestellt ist, kann der Laserempfänger 204, der im übrigen entsprechend einem der in Fig. 2 bis 5 darge stellten oder entsprechend anderer phasenunabhängiger Detekto ren ausgebildet sein kann, einen Detektor 206 zur Erkennung der Intensität des Lichtes besitzen, der mit dem Ausgangssignal des Photodetektors 20 verbunden ist. Dieser Lichtpegel-Detektor 206 erkennt den Pegel beziehungsweise Betrag des Laserlichtes, wel ches in dem Rückkehrstrahl des Lasersenders zurückkehrt. Wenn sich der Pegel des Lichtes in dem Rückkehrstrahl unterhalb ei nes vorgegebenen Schwellenwerts befindet, dann wird dieser Zu stand als ein solcher Zustand interpretiert, daß der Laser aus geschaltet ist und wird nicht als das Vorhandensein eines ab sorbierenden Gases interpretiert. Darüber hinaus kann eine Ab bildung des Raumes unter Verwendung des zurückkehrenden Laser strahles gebildet werden. Die Steuerung 138 für den Schrittmo tor kann so programmiert werden, daß sie ein optisches Abtaste lement 140 einen Raum abtasten läßt. Wenn das optische Abtaste lement 140 einen Raum abtastet, dann gibt der Detektor 206 ein Signal aus, welches weiter verarbeitet und auf einem Monitor 137 ausgegeben werden kann, an dem eine bildliche Abbildung des Raumes angezeigt werden kann. Diese Abbildung muß dabei nicht mit einer so hohen Bildwiederholungsfrequenz wie ein Fernseh bild dargestellt werden, weil die Einrichtung in dem Raum im allgemeinen nicht bewegt werden wird. Das Ausgangssignal des Laserempfängers, welches die Anwesenheit von Gas angezeigt, kann dabei dem Bild überlagert werden, welches durch den Licht pegel-Detektor 206 erzeugt wird, so daß der Ort eines Gasleckes schnell bestimmt werden kann.

Wenn der Gasdetektor in einer Gefahrenumgebung eingesetzt wer den soll, müssen Vorsichtsmaßnahmen entsprechend den örtlichen Bestimmungen für Gefahrenumgebungen eingehalten werden. So sollten beispielsweise sowohl der Linearantrieb 151 als auch der Schrittmotor 142 mit Zener-Sperrschaltungen 136 ausgerüstet werden, um die maximalen Ströme auf einen sicheren Wert zu be schränken. Der Abtastspiegel 141 sollte groß genug sein, eine Abbildung zu erzeugen, die das Sichtfeld des Detektors aus füllt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß sichergestellt ist, daß die Apertur des Spiegels auch dann, wenn er um den ma ximalen Winkel geneigt ist, größer ist als die Apertur des Kol lektorspiegels des Detektors, wie es durch das Maß G nach Fig. 16 dargestellt ist. Anstelle von Schrittmotoren ist es auch möglich zur Bewegung der Spiegel Galvanomoter einzusetzen, wo bei auch andere vom Fachmann vorgenommene Änderungen nicht als Abweichungen von der Erfindung angesehen werden.

Es ist ein Gasdetektor zur Erfassung von Gas in einem Meßob jektbereich vorgesehen mit einer Einrichtung zur Abgabe von frequenzmoduliertem Licht und einem Empfänger. In dem Empfänger mischt eine Schaltung zur Homodynerkennung ein Erfassungssignal mit einem Referenzsignal bei einer der Modulationsfrequenzen, wobei das Referenzsignal von Licht abgeleitet hat, welches den Meßobjektbereich durchquert hat. Die Schaltung zur Homodyner fassung beinhaltet einen Bandpaßfilter, einen Verstärker, einen Phasenregelkreis und einen Phasenschieber. Etalonstreifen wer den durch eine Verschiebung zu hohen Frequenzen hin und durch ihre Ausfilterung verringert oder beseitigt. Die Gasdichte wird durch einen Vergleich des aus dem Meßobjektbereich erfaßten Si gnales mit einem. Signal aus einer Gasreferenzzelle ermittelt. Ein Verfahren zur Gaserfassung umfaßt die Übertragung von fre quenzmoduliertem Licht durch einen Meßobjektbereich, den Emp fang des Lichtes und die Homodynerfassung des erfaßten Signales durch die Mischung des erfaßten Signales mit einem Referenzsi gnal bei einer der Modulationsfrequenzen, wobei das Referenzsi gnal von dem Licht abgeleitet wird, welches den Meßobjektbe reich durchquert hat.

Licht aus einem Lasersender breitet sich entlang mehrerer opti scher Lichtleiter vom Lasersender zu einem Laserempfänger aus. Die optischen Lichtleiter bilden einen geführten Strahlengang, der jede der mehreren Meßobjektbereiche durchquert, in denen sich unerwünschtes Gas befinden kann. Ein optischer Schalter ermöglicht die Selektion eines der Strahlengänge und damit auch eines der Meßobjektbereiche zur Gaserfassung. Ein bevorzugter Lichtleiter verwendet optische Fasern mit optischen Schaltern oder eine Kombination aus einem Splitter und einem Schalter. Ein Linsensystem sorgt für die Bündelung von Licht aus der für die Übertragung und den Empfang eingesetzten Faseroptik. Der Gasdetektor ist mit einer Einrichtung zur Beseitigung der Pha senabhängigkeit des Detektors versehen.

Es ist auch ein Gasdetektor zur Erfassung eines Meßobjektgases in einer Vielzahl von Meßobjektbereichen vorgesehen. Ein Licht-Kollektor empfängt Licht von einem ersten optischen Abtastele ment, das aus der Vielzahl der Meßobjektbereiche zurückgekehrt ist und richtet das Licht auf den Empfänger hin. Eine Steue rungseinrichtung steuert die Stellung des ersten optischen Ab tastelementes und steuert dadurch auch, welcher der Meßobjekt bereiche von dem Licht aus dem Lasersender durchquert wird.

Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht-näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird in übrigen ausdrücklich auf die An sprüche und die Zeichnung verwiesen.

Claims

1. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Absorp tionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjektbe reich, gekennzeichnet durch:

- einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebe nen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlän ge;
- einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßob jektbereich durchlaufen hat;
- einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsi gnales durch die Erfassung von Licht, welches den Meßobjektbe reich durchlaufen hat, wobei das Referenzsignal eine Frequenz aufweist, die einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebe nen Lichtes entspricht;
- eine Mischstufe zur Mischung des Erfassungssignales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Ausgangssignales der Mischstufe; und
- einen mit der Mischstufe verbundenen Signalanalysator zur Be stimmung der Anwesenheit von Gas anhand des Ausgangssignales der Mischstufe.

2. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalanalysator einen Filter mit einem Durchlässigkeitsbereich aufweist, der das Niederfrequenzausgangssignal der Mischstufe umfaßt.

3. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzsignalgenerator einen Frequenzvervielfacher zur Erzeu gung eines Signales mit einer Frequenz entsprechend einer Har monischen einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebenen Lichtes aufweist.

4. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser zur Erzeugung von Licht von einer oder mehreren Modulati onsfrequenzen ausgebildet ist und das der Referenzsignalgenera tor einen Bandpaßfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich auf weist, der eine der Modulationsfrequenzen des vom Laser abgege benen Lichtes umfaßt.

5. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzsignalgenerator zur Aufnahme eines Ausgangssignales aus dem Photodetektor angeschlossen ist.

6. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Gasdetektor in einer schützenden Einfassung angeordnet ist;
- die schützende Einfassung ein Fenster zum Durchlaß des vom Laser abgegebenen Lichtes aufweist;
- eine Einrichtung zur Verschiebung von Etalonstreifen, die vom Fenster erzeugt sind, vorgesehen ist zu Frequenzen hin, die aus dem Erfassungssignal herausfilterbar sind; und
- der Signalanalysator einen Filter zur Abgrenzung gegen die Etalonstreifen aufweist.

7. Gasdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verschiebung der Etalonstreifen ein Fenster mit einer keilförmigen Form aufweist.

8. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Diodenlaser ist.

9. Gasdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

- eine Gasreferenzzelle zur Aufnahme einer Probe des Meßobjekt gases;
- eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus dem La ser auf die Gasreferenzzelle oder den Meßobjektbereich;
- eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder dem Meßobjektbereich auf den Photodetek tor; und
- eine Einrichtung des Datenanalysators zum Vergleich des Aus gangssignales der Mischstufe, wenn das Licht aus dem Laser die Gasreferenzzelle durchlaufen hat und wenn das Licht aus dem La ser den Meßobjektbereich durchlaufen hat.

10. Gasdetektor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Lichtsensor zur Bestimmung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von aus dem Meßobjektbereich zurückkehrenden Lichtes.

11. Gasdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ein richtung zur Phasenverschiebung zur Einstellung der Phasendif ferenz zwischen dem Erfassungssignal und dem Referenzsignal.

12. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Ab sorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjekt bereich, gekennzeichnet durch:

- einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebe nen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlän ge;
- einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßob jektbereich durchlaufen hat;
- einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsi gnales mit einer Frequenz, die einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebenen Lichtes entspricht;
- eine Mischstufe zur Mischung des Erfassungssignales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Ausgangssignales der Mischstufe;
- eine den Laser aufnehmenden schützenden Einfassung mit einem Fenster zum Durchtritt des vom Laser abgegebenen Lichtes;
- eine Einrichtung zur Verschiebung von von dem Fenster erzeug ter Etalonstreifen zu Frequenzen hin, die aus dem Erfassungs signal herausfilterbar sind; und
- einen mit der Mischstufe verbundenen Datenanalysator zur Er fassung der Anwesenheit des Gases anhand des Ausgangssignales der Mischstufe, wobei der Datenanalysator eine Einrichtung zur Abgrenzung gegen die Etalonstreifen aufweist.

13. Gasdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verschiebung der Etalonstreifen ein Fenster mit einer vorderen und hinteren Oberfläche aufweist, die im Winkel zueinander angeordnet sind.

14. Gasdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere und hintere Oberfläche des Fensters in einem Winkel von größer 1° angeordnet sind.

15. Gasdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser zur Erzeugung von Licht von einer oder mehreren Modu lationsfrequenzen ausgebildet ist und das der Referenzsignalge nerator einen Bandpaßfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich aufweist, der eine der Modulationsfrequenzen des vom Laser ab gegebenen Lichtes umfaßt.

16. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Ab sorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjekt bereich, gekennzeichnet durch:

- einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebe nen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlän ge;
- eine Gasreferenzzelle zur Aufnahme einer Probe des Meßobjekt gases;
- einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßob jektbereich durchlaufen hat;
- eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus dem La ser zur Gasreferenzzelle oder dem Meßobjektbereich;
- eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder aus dem Meßobjektbereich zum Photodetek tor;
- einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsi gnales durch die Erfassung von Licht mit einer Frequenz, die einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebenen Lichtes entspricht;
- eine Mischstufe zur Mischung des Erfassungssignales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Ausgangssignales der Mischstufe;
- einen mit der Mischstufe verbundenen Datenanalysator zur Er fassung der Anwesenheit des Gases anhand des Ausgangssignales der Mischstufe; und
- eine Einrichtung des Datenanalysators zum Vergleich des Aus gangssignales der Mischstufe, wenn das Licht aus dem Laser die Gasreferenzzelle durchlaufen hat und wenn das Licht aus dem La ser den Meßobjektbereich durchlaufen hat.

17. Gasdetektor nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Lichtsensor zur Erfassung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von aus dem Meßobjektbereich zurückkehrenden Lichtes.

18. Verfahren zur Fernerfassung eines Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Übertragen von frequenzmoduliertem Licht aus einem Laser durch einen Meßobjektbereich hindurch, wobei das Licht bei ei ner oder mehreren Frequenzen moduliert wird und die Frequenz des übertragenen Lichtes aus dem Laser eine Frequenzkomponente umfaßt, die vom Meßobjektgas absorbiert wird;
- Empfangen des frequenzmodulierten Lichtes aus dem Laser, wel ches den Meßobjektbereich durchlaufen hat und Erzeugen eines Erfassungssignales aus dem empfangenen Licht; und
- Bestimmen des frequenzmodulierten Lichtes durch Mischen des Erfassungssignales mit einem Referenzsignal, welches von dem frequenzmodulierten Licht abgeleitet wird, das den Meßobjektbe reich durchlaufen hat.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Meßobjektgases durch Vergleichen der Intensität des erfaßten Lichtes, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat mit der Intensität von Licht gemessen wird, welches eine Gasre ferenzzelle durchlaufen hat, die eine Probe des Meßobjektgases beinhaltet.

20. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Abstimmen des Lasers weg von Frequenzen, die vom Meßobjektgas absorbiert werden;
- Einstellen der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem Erfassungssignal bis ein Rauschen auf ein Minimum redu ziert ist; und
- Abstimmen des Lasers zur Übertragung von Licht mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Frequenz.

21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal eine Harmonische einer der Modulationsfrequenzen ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal die zweite Harmonische einer der Modulationsfre quenzen ist.

23. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines aus der Methan und Ammoniak umfassenden Gruppe ausgewählten Meßobjekt gases, wobei das Meßobjektgas eine Absorptionslinie aufweist, gekennzeichnet durch:

- einen Laser mit einem Ausgangssignal von etwa 1.32 µm zur Er zeugung eines frequenzmodulierten Lichtausgangssignales, wel ches Licht mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlänge umfaßt;
- einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgangssignal aus dem Licht aus dem Laser, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat;
- einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsi gnales mit einer Frequenz entsprechend einer Modulationsfre quenz des vom Laser abgegebenen Lichtes;
- eine Mischstufe zur Mischung des Erfassungssignales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Ausgangssignales der Mischstufe; und
- einen mit der Mischstufe verbundenen Datenanalysator zur Feststellung der Anwesenheit des Gases anhand des Ausgangs signales der Mischstufe.

24. Verfahren zur Fernerfassung von Methan in einem Meßobjekt bereich, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Leiten von moduliertem Licht aus einem Laser mit einem Aus gangssignal von etwa 1.32 µm entlang einem Strahlengang durch den Meßobjektbereich zu einem Reflektor an der bezüglich des Lasers gegenüberliegenden Seite des Meßobjektbereiches;
- Durchstimmen des Lasers über die 1.3165 µm Absorptionslinie von Methangas; und
- Erfassen von dem Reflektor zurück reflektiertem Licht zur Erzeugung eines die Anwesenheit des Meßobjektgases entlang des Strahlenganges anzeigenden Signales.

25. Gasdetektor zur Gaserfassung in räumlichen getrennten Meß objektbereichen, gekennzeichnet durch:

- einen Lasersender;
- einen Laserempfänger;
- einen Signalanalysator zur Analyse von von dem Laserempfänger erzeugter Signale zur Bildung einer Anzeige, ob Gas in einem Meßobjektbereich vorhanden ist;
- mehrere optische Einrichtungen zur Leitung von Licht, wobei jede optische Lichtleiteinrichtung zur Bildung eines getrennt geführten und einen der Meßobjektbereiche durchlaufenden Strah lenganges zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger aus gebildet ist; und
- einer Schalteinrichtung zur Selektion einer der optischen Lichtleiteinrichtungen zur Vervollständigung eines geführten Strahlenganges zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger zur Erfassung von Gas in dem Meßobjektbereich, der von der se lektierten optischen Lichtleiteinrichtung durchlaufen wird.

26. Gasdetektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Lichtleiteinrichtung von optischen Fasern gebil det sind.

27. Gasdetektor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen Lichtleitschalter aufweist, der zum Empfang von Licht aus dem Lasersender und zur Abgabe von Licht an die Vielzahl der optischen Lichtleiteinrichtungen angeordnet ist.

28. Gasdetektor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen Splitter, der zum Empfang von Licht aus dem Lasersender und zur Abgabe von Licht an die Vielzahl der optischen Lichtleiteinrichtungen angeordnet ist und einen zum Empfang von Licht aus der Vielzahl der optischen Licht leiteinrichtungen und zur Abgabe von Licht an den Laserempfän ger angeschlossenen Lichtleitschalter aufweist.

29. Gasdetektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserempfänger eine Einrichtung zur Gaserfassung unabhängig von der Phase des Lichtes aufweist, welches vom Laserempfänger empfangen wird.

30. Gasdetektor nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine Gasreferenzzelle und eine Einrichtung zur selektiven Einkoppe lung der Gasreferenzzelle in einen vollständigen Strahlengang vom Lasersender zum Laserempfänger.

31. Gasdetektor nach Anspruch 30, weiterhin gekennzeichnet durch eine optische Gasreferenz-Lichtleiteinrichtung, die zur Leitung von Licht entlang eines Weges vom Lasersender zur Gas referenzzelle und von der Gasreferenzzelle zum Laserempfänger angeordnet ist.

32. Gasdetektor nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur selektiven Einkoppelung der Gasreferenzzel le in einen vollständigen Strahlengang vom Lasersender zum La serempfänger einen Teil der Schalteinrichtung bildet.

33. Gasdetektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserempfänger eine Einrichtung zur Beseitigung der Phasen abhängigkeit des Laserempfängers aufweist.

34. Gasdetektor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß jede optische Lichtleiteinrichtung einen im Abstand vom Laser sender und vom Laserempfänger angeordneten Laserkopf aufweist, wobei der Laserkopf jeder optischen Lichtleiteinrichtung eine optische Einrichtung zur Leitung von parallel gerichtetem Licht durch einen Meßobjektbereich und zur Bündelung von Licht, wel ches den Meßobjektbereich durchlaufen hat und zur Abgabe des gesammelten Lichtes an den Laserempfänger aufweist.

35. Gasdetektor nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laserkopf an einem der Meßobjektbereiche angeordnet ist und daß der Detektor für jeden Laserkopf und für jeden Meßob jektbereich einen vom Laserkopf getrennt angeordneten Reflektor aufweist, wobei der Meßobjektbereich zwischen dem Reflektor und dem Laserkopf angeordnet ist und der Reflektor zur Reflexion von Licht zum Laserkopf zurück angeordnet ist.

36. Gasdetektor nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf über eine erste optische Faser mit dem Lasersen der verbunden ist und über eine zweite optische Faser mit dem Laserempfänger verbunden ist und daß jede optische Einrichtung eine Kollimatoroptik zur Fokussierung von aus der ersten opti schen Faser austretenden Lichtes und eine Kollektoroptik zur Leitung von Licht in die zweite optische Faser aufweist.

37. Gasdetektor nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf über eine erste optische Faser mit dem Lasersen der verbunden ist und über eine zweite optische Faser mit dem Laserempfänger verbunden ist und daß jede optische Einrichtung eine Kollimatoroptik zur Fokussierung von aus der ersten opti schen Faser austretenden Lichtes und eine Kollektoroptik zur Leitung von Licht in die zweite optische Faser aufweist.

38. Gasdetektor nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf durch eine erste optische Faser mit dem Lasersen der gekoppelt ist und einen Richtungskoppler aufweist, der zur Leitung auf der ersten optischen Faser aus dem Meßobjektbereich zurückkehrenden Lichtes zum Laserempfänger an der ersten opti schen Faser angeordnet ist.

39. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Ab sorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjekt bereich, gekennzeichnet durch:

- einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebe nen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlän ge;
- eine Gasreferenzzelle zur Aufnahme einer Probe des Meßobjekt gases;
- einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßob jektbereich durchlaufen hat;
- eine Einrichtung zur selektiven Einkoppelung der Gasreferenz zelle in einen Strahlengang zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger;
- eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder aus dem Meßobjektbereich zum Photodetek tor;
- einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsi gnales durch die Erfassung von Licht mit einer Frequenz, die einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebenen Lichtes entspricht;
- eine Mischstufe zur Mischung des Erfassungssignales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Ausgangssignales der Mischstufe;
- einen mit der Mischstufe verbundenen Datenanalysator zur Er fassung der Anwesenheit des Gases anhand des Ausgangssignales der Mischstufe; und
- eine Einrichtung des Datenanalysators zum Vergleich des Aus gangssignales der Mischstufe, wenn das Licht aus dem Laser die Gasreferenzzelle durchlaufen hat und wenn das Licht aus dem La ser den Meßobjektbereich durchlaufen hat.

40. Gasdetektor zur Gaserfassung in räumlichen getrennten Meß objektbereichen, gekennzeichnet durch:

- einen Lasersender;
- einen Laserempfänger;
- einen Signalanalysator zur Analyse von von dem Laserempfänger erzeugter Signale zur Bildung einer Anzeige, ob Gas in einem Meßobjektbereich vorhanden ist;
- einen vom Lasersender und dem Laserempfänger im Abstand ange ordneten Laserkopf, wobei der Laserkopf eine optische Einrich tung zur Leitung von parallel gerichtetem Licht durch einen Meßobjektbereich hindurch und zur Bündelung von Licht, welches einen Meßobjektbereich durchlaufen hat und zur Abgabe des ge sammelten Lichtes an den Laserempfänger aufweist.

41. Gasdetektor nach Anspruch 40, angeordnet an einem Meßob jektbereich, weiterhin gekennzeichnet durch einen vom Reflektor beabstandeten Laserkopf, wobei der Meßobjektbereich zwischen dem Reflektor und dem Laserkopf vorgesehen ist und der Reflek tor zur Reflexion von Licht aus dem Laserkopf zurück zum Laser kopf angeordnet ist.

42. Gasdetektor nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf über eine erste optische Faser mit dem Lasersen der verbunden ist und über eine zweite optische Faser mit dem Laserempfänger verbunden ist und daß jede optische Einrichtung eine Kollimatoroptik zur Fokussierung von aus der ersten opti schen Faser austretenden Lichtes und eine Kollektoroptik zur Leitung von Licht in die zweite optische Faser aufweist.

43. Gasdetektor nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf über eine erste optische Faser mit dem Lasersen der verbunden ist und über eine zweite optische Faser mit dem Laserempfänger verbunden ist und daß jede optische Einrichtung eine Kollimatoroptik zur Fokussierung von aus der ersten opti schen Faser austretenden Lichtes und eine Kollektoroptik zur Leitung von Licht in die zweite optische Faser aufweist.

44. Gasdetektor nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf durch eine erste optische Faser mit dem Lasersen der gekoppelt ist und einen Richtungskoppler aufweist, der zur Leitung auf der ersten optischen Faser aus dem Meßobjektbereich zurückkehrenden Lichtes zum Laserempfänger an der ersten opti schen Faser angeordnet ist.

45. Gasdetektor zur Erfassung eines Meßobjektgases in einer Vielzahl von Meßobjektbereichen, gekennzeichnet durch:

- einen Licht-Lasersender, wobei die Übertragung des Lichtes vom Meßobjektgas beeinflußt ist;
- einen Laserempfänger zum Empfang von vom Lasersender ausge sandtem Licht;
- einen Signalanalysator zur Analyse von vom Laserempfänger er zeugten Signalen zur Bildung einer Anzeige, ob ein Meßobjektgas in dem Meßobjektbereich vorhanden ist;
- ein erstes vom Lasersender getrenntes optisches Abtastele ment, welches zur Aufnahme von Licht aus dem Lasersender und zur Leitung des Lichtes auf die Vielzahl der Meßobjektbereiche hin angeordnet ist;
- einen Lichtkollektor zum Empfang von Licht vom ersten opti schen Abtastelement, welches aus der Vielzahl der Meßobjektbe reiche zurückgekehrt ist und zur Leitung des Lichtes zum Emp fänger hin; und
- eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Stellung des ersten optischen Abtastelementes und dadurch zur Steuerung, welcher der Meßobjektbereiche vom Licht aus dem Lasersender durchlaufen wird.

46. Gasdetektor nach Anspruch 45, weiterhin gekennzeichnet durch einen mit dem Signalanalysator verbundenen Monitor zur Anzeige einer die Anwesenheit eines Meßobjektgases in dem Meß objektbereich anzeigenden Abbildung.

47. Gasdetektor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender einen Laser mit einem frequenzmodulierten Aus gangssignal umfaßt, wobei das Laserlicht eine Phase aufweist und der Signalanalysator phasenunabhängig ist.

48. Gasdetektor nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Abtastelement ein an einer kardanischen Auf hängung angeordneter Spiegel ist und daß die Steuerungseinrich tung einen zur inkrementellen Drehung des Spiegels angeschlos senen Schrittmotor und eine Steuerung für den Schrittmotor auf weist.

49. Gasdetektor nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel eine reflektierende Oberfläche aufweist und die kardanische Aufhängung erste und zweite Drehachsen besitzt, die sich an einem Schnittpunkt auf der reflektierenden Oberfläche des Spiegels schneiden und daß der Gasdetektor eine Einrichtung zur Richtung von Licht aus dem Lasersender auf den Schnittpunkt der ersten und zweiten Drehachsen der kardanischen Aufhängung aufweist.

50. Gasdetektor nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Richtung des Lichtes eine auf den Spiegel gerichtete optische Faser aufweist.

51. Gasdetektor nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender außerhalb des Raumes angeordnet ist, der abzu tasten beziehungsweise zu überwachen ist.

52. Gasdetektor nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Abtastelement in einem Raum angeordnet ist, der abzutasten beziehungsweise zu überwachen ist und daß der Gasdetektor ein zweites optisches Abtastelement aufweist, wel ches zwischen dem Lasersender und dem ersten optischen Abtaste lement angeordnet ist, wobei das zweite optische Abtastelement zur Richtung von Licht auf das erste optische Abtastelement hin angeordnet ist und das erste und zweite optische Abtastelemente zur Abtastung unterschiedlicher Bereiche des Raumes angeordnet sind.

53. Gasdetektor nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite der Drehachsen des Spiegels horizontal verläuft.

54. Gasdetektor nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel eine parabolische Form aufweist.

55. Gasdetektor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtkollektor einen fokussierenden Spiegel aufweist, der nahe dem Lasersender zwischen dem Lasersender und dem ersten optischen Abtastelement angeordnet ist, daß der fokussierende Spiegel eine Apertur zum Durchlaß für Licht aus dem Lasersender aufweist und daß der fokussierende Spiegel zum Empfang von Licht vom ersten optischen Abtastelement und zur Fokussierung des Lichtes auf den Laserempfänger angeordnet ist.

56. Gasdetektor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Abtastelement aus zwei benachbarten, auf wechselseitig senkrechten Achsen angeordneten Spiegeln gebildet ist.

57. Gasdetektor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdetektor in einem die Meßobjektbereiche umfassenden Be reich angeordnet ist und Licht-Reflektoren aufweist, die derart angeordnet sind, daß sich jeder Meßobjektbereich auf einem Strahlengang zwischen einem der Licht-Reflektoren und dem er sten optischen Abtastelement befindet.

58. Gasdetektor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Abtastelement eine optische Faser aufweist, die zum Empfang von Licht aus dem Lasersender angeordnet ist und ein im Abstand zum Lasersender angeordnetes Ende aufweist und daß das erste optische Abtastelement eine Einrichtung zur Steuerung der Ausrichtung des beabstandeten Endes der optischen Faser besitzt.

59. Gasdetektor nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser in einem fokussierenden optischen Element angeordnet ist, welches zum Empfang von Licht aus dem Lasersen der, welches wenigstens einen Meßobjektbereich durchlaufen hat angeordnet ist und das Licht auf den Laserempfänger fokussiert.

60. Gasdetektor nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß das fokussierende optische Element ein Abschnitt eines parabo lischen Spiegels ist.

61. Gasdetektor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung zur automatischen Abtastung mehrerer Meßobjektbereiche aufweist und daß der Gas detektor einen mit dem Laserempfänger verbundenen Lichtpegel-Detektor und einen Monitor zur Anzeige des vom Lichtpegel-Detektor erfaßten Lichtes aufweist.

62. Gasdetektor nach Anspruch 61, weiterhin gekennzeichnet durch einen mit dem Signalanalysator verbundenen Monitor zur Anzeige einer Abbildung, welche die Anwesenheit des Meßobjekt gases in den Meßobjektbereichen anzeigt.

63. Verfahren zur Erfassung eines Gases in einem Raum einer Gas-Betriebsanlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Leiten von Laserlicht aus einem Lasersender zu einem Scanner;
- gesteuertes Drehen des Scanners zur Leitung von Licht in se quentieller Weise zu mehreren Meßobjektbereichen hin und Emp fangen von zurück reflektiertem Licht aus den mehreren Meßob jektbereichen;
- Erfassen des Lichtes vom Scanner, welches die mehreren Meßob jektbereiche durchlaufen hat; und
- Analysieren des erfaßten Lichtes auf das Vorhandensein von Gas in den mehreren Meßobjektbereichen hin.

64. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner einen ersten drehbaren Spiegel und einen zweiten dreh baren Spiegel aufweist und daß das Verfahren weiterhin den Schritt umfaßt des Haltens des ersten drehbaren Spiegels in ei ner feststehenden Stellung, in der auf den ersten drehbaren Spiegel einfallendes Licht auf den zweiten Spiegel hin geleitet wird wobei das gesteuerte Drehen des Scanners die gesteuerte Drehung des zweiten drehbaren Spiegels zur Leitung von Licht in sequentieller Weise auf die mehreren Meßobjektbereiche hin um faßt.