DE19634191B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Gasdetektion - Google Patents

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Abstract

Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Absorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich, gekennzeichnet durch:
– einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebenen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlänge;
– einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat;
– einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales durch die Erfassung von Licht, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat, wobei das Referenzsignal eine Frequenz aufweist, die einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebenen 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 Bestimmung der Anwesenheit von Gas anhand des Ausgangssignales der Mischstufe.

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 Durchtritts durch einen Meßobjektbereich erfaßt durch den Empfang des Lichtes an einem Laserempfänger und die Analyse des empfangenen 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 Modulationserfassung, wobei eine Laserdiode mit hoher Frequenz 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 Meßobjektbereich hindurchgeführt, der ein oder mehrere interessierende Gase beinhalten kann und an einem Detektor aufgenommen, der einen Photodetektor beinhaltet. Das beziehungsweise die interessierenden 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 Herausforderung besteht nun darin, die kleine Veränderung der Amplitude des Lichtpegels auf den durch die Laserdiode verursachten Veränderungen der Amplitude zu erkennen, die durch die Gasabsorption 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 Absorptionslinie überstreicht. Nach einem bekannten Verfahren werden Harmonische der Modulationsfrequenz gemessen. Die Photodetektor-Schaltung wird zweite, dritte, vierte, etc. Harmonische der Lasermodulationsfrequenz wahrnehmen, die durch die nicht-lineare Gasabsorption hervorgerufen werden. Die Laseramplitudenmodulation wird durch die Grundmodulationsfrequenz dominiert, so daß sie die relativ schwachen Harmonischen beziehungsweise Oberwellen 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 diese Frequenzen mischen, so daß der Photodetektor eine Frequenzkomponente wahrnimmt, die die Differenz zwischen den beiden Frequenzkomponenten ist.
  • Allen diesen Techniken ist gemeinsam, daß die Schaltung zur Erfassung beziehungsweise Erkennung eine bestimmte Frequenzkomponente 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 erfaßten Signal ausgeführt. Die Mischstufe erzeugt einen Gleichstrom- 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 Strommodulator für die Laserdiode abgenommen wird. Der Gleichstromausgang (w0-w0) aus 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 relativ niedrigen Frequenz unter Verwendung einer Anstiegsfunktion 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 übereinstimmt, was schwierig ist. Das unter diesen Bedingungen erfaßte Hochfrequenzsignal ist nicht eine Gleichstromfrequenz, sondern wird moduliert, wenn der Laser die Absorptionslinie überstreicht. Dies führt zu den bekannten "W"-förmigen erfaßten Wellenformen.
  • In der Praxis wird der benötigte Überlagerungsoszillator dadurch 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 ausgewählten Frequenz ist phasenabhängig. Das 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 wird als eine phasenabhängige Erfassung bezeichnet. Dabei wird dieses Verfahren bevorzugt, da es zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis beziehungsweise Störabstand 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 ausüben, so daß ein Filter von enger Bandbreite einen hohen Störabstand bieten wird. Es ist aber sehr schwierig, elektrische Filter mit einem hohen Q-Wert auszubilden, dem Verhältnis der Signalfrequenz zur Bandbreite. Die bei der phasenabhängigen Erfassung eingesetzte Schaltung zur Mischung verschiebt die Signalfrequenz 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 Bandbreite und einen nur geringen Durchgang von statistischem Rauschen zu erzielen.
  • Da die phasenabhängige Erfassung auf den Relativphasen des Signales 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 Überlagerungsoszillator 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 gestalten. 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 vorliegenden Erfindung wird daher das erfaßte Signal als eine Quelle für den Überlagerungsoszillator eingesetzt.
  • Zudem ist ein bei der Verwendung von frequenzmodulierten Diodenlasern 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 verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um Etalonstreifen zu verringern, diese neigen allerdings dazu, sehr komplex zu sein. Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung 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 Meßobjektgases 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 hindurchgeführt 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 Lasersender mit einem frequenzmodulierten Lichtausgang beziehungsweise Lichtausgangssignal besitzt, welches Licht von einer Wellenlänge 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 bestimmt 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 Erfassungssignales als Ausgangssignal aus dem Licht des Lasers, welches durch den Meßobjektbereich hindurch getreten ist, einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales durch die Erfassung von Licht, welches durch den Meßobjektbereich hindurch getreten ist, wobei das Referenzsignal eine Frequenz entsprechend einer Modulationsfrequenz des Lichtausganges des Lasers aufweist und eine Mischstufe zur Mischung des erfaßten Signales und des Referenzsignales zur Erzeugung eines Mischerausganges beziehungsweise-signales. Die Anwesenheit eines Meßobjektgases wird durch einen mit der Mischstufe verbundenen Signalanalysator festgestellt.
  • Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Signalanalysator einen Filter mit einem Durchlässigkeitsbereich, der den Niederfrequenzausgang beziehungsweise das Niederfrequenzausgangssignal der Mischstufe umfaßt.
  • Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Referenzsignalgenerator einen Frequenzvervielfacher zur Erzeugung eines Signales mit einer Frequenz entsprechend einer Harmonischen einer Modulationsfrequenz des Licht ausganges beziehungsweise des Lichtausgangssignales aus dem Laser.
  • 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 Aufnahme der Ausgabe aus dem Photodetektor verbunden.
  • Nach einem weiteren Gesichtspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung 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 angeordnet 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 Verfügung gestellt werden, daß das Fenster nach der Form eines Keiles 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 Meßobjektbereich und eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder des Meßobjektbereiches auf den Photodetektor vorgesehen sein. Hierbei kann der Datenanalysator eine Einrichtung zum Vergleich eines Ausganges beziehungsweise 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 Meßobjektbereich hindurch getreten ist.
  • Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Gasdetektor einen Lichtsensor zur Erkennung der Anwesenheit oder Abwesenheit von aus dem Meßobjektbereich zurückkehrenden Lichtes auf, um negative falsche Signale zu vermeiden.
  • Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt der Gasdetektor einen Phasenschieber zur Einstellung der Phasendifferenz zwischen dem Erfassungssignal und dem Referenzsignal, 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 einer oder mehreren Frequenzen frequenzmoduliert wird und die Frequenz des aus dem Laser ausgesandten Lichtes eine Frequenzkomponente 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 Mischung des Erfassungssignales mit einem von durch den Meßobjektbereich hindurchgetretenen frequenzmodulierten Licht abgeleitetem Referenzsignal.
  • Nach einem weiteren Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Verfahren die Verringerung von Etalonstreifen in dem empfangenen frequenzmodulierten Licht durch die Verschiebung der Etalonstreifen zu Frequenzen hin, die aus dem Erfassungssignal heraus gefiltert werden können unter beispielsweise Verwendung eines keilförmigen Fensters in der Einfassung (Gehäuse) 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 hindurch 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 Absorptionslinie des Methans durchgeführt.
  • Darüber hinaus wird die Ausgestaltung des Lasers auch durch die Tatsache erschwert, daß die Möglichkeit besteht, daß er in einer gefährlichen beziehungsweise schädlichen Umgebung betrieben wird mit dem Ergebnis, daß die Anordnung teuer wird. Der Erfinder hat daher eine Vorrichtung vorgeschlagen, gemäß der sich das von einem Lasersender stammende Licht entlang mehrerer optischer Lichtleiter von einem Lasersender zu einem Laserempfänger 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 Schalter gestattet die Auswahl eines der Strahlengänge und daher einen der Meßobjektbereiche zur Erkennung beziehungsweise Feststellung von Gas. Ein bevorzugter Lichtleiter verwendet optische Fasern mit optischen Schaltern oder eine Kombination aus einer Spalteinrichtung (Splitter) und einem Schalter.
  • Es ist auch eine besondere Anordnung zum Sammeln beziehungsweise zur Bündelung von Licht aus einer übertragenden Faseroptik und einer empfangenden Faseroptik vorgesehen. Faseroptik bedeutet hierbei Lichtwellenleiter oder Lichtleitfaser.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein entfernt angeordneter Laserkopf in jeden Lichtstrahlengang zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger eingekoppelt. Im Betrieb wird der entfernt angeordnete Laserkopf an einem Meßobjektbereich im Abstand vom Lasersender und vom Laserempfänger angeordnet.
  • Vorzugsweise ist auch eine Gasreferenzzelle in einem geführten Lichtstrahlengang zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger vorgesehen. Ein sequentielles Umschalten zwischen den entfernt aufgestellten Laserköpfen und der Gasreferenzzelle ermöglicht 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 Meßobjektbereich nicht oder nur ungenau bekannt ist und wenn Veränderungen in der Phase des empfangenen Lichtes nicht einfach angepaßt beziehungsweise ausgeglichen werden können.
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Laserempfänger vorgesehen, 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 nearinfrared 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 beschrieben ist. Die neueren Entwicklungen von phasenunabhängigen Techniken bei der Laserabsorptionsspektroskopie unter Verwendung der Modulationserfassung gestattet die Entwicklung von tragbaren 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 innerhalb 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 komplexer Betriebsanlagen zur umfassenden genauen Fernerfassung von Leckstellen wäre ausgesprochen teuer. Aber insbesondere bei Betriebsanlagen mit toxischen Gasen wären leicht leckende entfernte Leckstellen sehr wenig wünschenswert. Bekannte elektrochemische Gasdetektoren sind ebenfalls zu teuer, um in umfassender 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 leichter 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 Faseroptik 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 Laserquelle 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 bewegbare Spiegel eingestellt wird. Es sind eine Vielzahl von sich bewegenden Strahlengängen möglich und infolgedessen kann die Gasverteilung innerhalb beispielsweise eines Gebäudes festgestellt werden. Jeder Reflektor kann von retroreflektierender Art sein, wie er beispielsweise an Straßenrändern verwendet wird oder es können Reflektoren aus Kunststoff sein, wie beispielsweise 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 kostengünstig 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 besitzt einen Laser zum Aussenden von Licht, dessen Ausbreitung durch das Meßobjektgas beeinflußt wird, einen Laserempfänger für von dem Lasersender ausgesandtes Licht, einen Signalanalysator zum Analysieren von von dem Laserempfänger erzeugten Signalen zur Bildung eines Angabe, ob Meßobjektgas in dem Meßobjektbereich 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 Vielzahl 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 optischen 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 Erfindung weist der Lasersender einen Laser mit einem frequenzmodulierten Ausgangssignal auf, wobei das Laserlicht eine Phase besitzt und der Signalanalysator phasenunabhängig ist.
  • In Fortführung der Erfindung ist das erste optische Abtastelement ein Spiegel, der an einer kardanischen Aufhängung angeordnet ist und die Steuereinrichtung beinhaltet einen Schrittmotor, 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 kardanische 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 Erfassung oder Erkennung von Gas in einem Raum einer Gas-Betriebsanlage vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
    Leiten von Laserlicht aus einem Lasersender zu einer Abtastvorrichtung;
    gesteuertes Drehen der Abtastvorrichtung, um Licht in sequentieller Weise zu mehreren Meßobjektbereiche zu leiten und Empfangen von aus den mehreren Meßobjektbereichen zurück reflektiertem 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 werden, um schwer zu erreichende Bereiche eines Raumes abzutasten.
  • Diese und weitere Gesichtspunkte gemäß der vorliegenden Erfindung 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:
  • 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht eines Gasdetektors, eines Meßobjektbereiches und eines Reflektors zum Gebrauch mit einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Prinzipskizze einer ersten Meßschaltung beziehungsweise Erfassungsschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine Prinzipskizze, die eine zweite Meßschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ist eine Prinzipskizze, die eine dritte Meßschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 5 ist eine Prinzipskizze, die eine vierte Meßschaltung zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5A ist eine Prinzipskizze eines Teiles eines alternativen Generators für ein Referenzsignal für die Ausführungsform nach 5 zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist eine Prinzipskizze, die einen Gasdetektor darstellt, der für die Analyse der Gasdichte zur Verwendung an einem Gasdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
  • 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;
  • 8 ist eine Prinzipskizze, die eine Vielzahl von optischen Strahlengängen zeigt, die mehrere getrennte Meßobjektbereiche und eine Gasreferenzzelle durchqueren;
  • 9 ist eine Ansicht einer Gasreferenzzelle zur Verwendung bei der in 8 dargestellten Vorrichtung;
  • 10 ist eine Ansicht, die eine Vielzahl optischer Strahlengänge darstellt, welche mehrere getrennte Meßobjektbereiche und eine Gasreferenzzelle durchqueren;
  • 11 ist eine Ansicht der Konfiguration eines Strahlenganges an einen Meßobjektbereich;
  • 12 ist eine Ansicht einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine einzelne Faseroptik beziehungsweise optische Faser für ausgesandtes und zurückkehrendes Licht verwendet;
  • 13 ist eine Ansicht, welche die Gesamtanordnung eines Gasdetektors mit einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 14 ist eine perspektivische Ansicht einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 15 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer Abtastvorrichtung mit einer optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 16 ist eine Seitenansicht im Schnitt eines Abtastspiegels und einer Vorrichtung zur Bündelung von Laserlicht gemäß der Erfindung;
  • 17 ist eine Vorderseitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 18 ist eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Abtastvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 19 ist eine Draufsichtansicht auf einen Raum in einer Gas-Betriebsanlage, welche die Anordnung einer Vielzahl von Abtastvorrichtungen zeigt; und
  • 20 ist eine Prinzipskizze eines Laserempfängers mit einem Detektor für Licht von geringer Intensität.
  • Wie aus 1 der Zeichnung ersichtlich ist, weist ein Gasdetektor 10 gemäß der dargestellten Ausführungsform einen Lasersender 12 und einen Laserempfänger 14 auf. Im Betrieb wird dabei Licht vom Lasersender 12 auf ein Gas in einem Meßobjektbereich 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 dabei mehr als 200 Meter betragen und kann eine Öl- oder Gas-Betriebsanlage sein.
  • Die Meßobjektgase können dabei Fluorwasserstoff, Schwefelwasserstoff, Ammonik, Wasser, Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Blausäure, Kohlenmonoxid, Stickoxid, Stickstoffdioxid, Sauerstoff und Azetylen beinhalten, wobei der hauptsächlich erwartete Verwendungsbereich der Erfindung die Erkennung beziehungsweise Erfassung von Methan ist.
  • Der Lasersender 12 verwendet vorzugsweise einen abstimmbaren Diodenlaser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Lichtausganges beziehungsweise Lichtausgangssignales (Abgabe von Licht) mit einer Wellenlänge, die von dem Meßobjektgas absorbiert wird. Derartige abstimmbare Diodenlaser, bei denen ein Injektionsstrom zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Ausganges moduliert wird, sind bekannt. Da es schwierig ist sicherzustellen, 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 entsprechend der Frequenz des Modulationsstromes und einer zweiten Modulationsfrequenz entsprechend der Frequenz der Rampenfunktion 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 Laserempfängers 14 ist in 2 dargestellt. Licht aus dem Laser, welches den Meßobjektbereich durchquert hat, wird durch den Photodetektor 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, beispielsweise w1 zu isolieren und dann in einem Verstärker 28 verstärkt, um ein Referenzsignal zu erzeugen. Das Referenzsignal wird als einer der Input einer Mischstufe 22 zugeführt, wo es mit dem aufgenommenen Signal, welches direkt von Photodetektor 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 6 dargestellten Datenanalysators 32. Der Ausgang, d. h. das Ausgangssignal aus dem Tiefpaßfilter 30 wird eine Gasabsorption zeigen, wenn das Meßobjektgas vorhanden beziehungsweise anzutreffen ist. Der Analysator 32 führt auch solche Funktionen wie beispielsweise eine Berechnung des Mittelwertes über das Signal aus und beinhaltet vorzugsweise auch eine Einrichtung zur Anzeige 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 Überlagerungsoszillator 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 3 dargestellt. Der Referenzsignalgenerator 24 nach 3 unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Referenzsignalgenerator dadurch, daß er einen Phasenregelkreis 34 aufweist. Das Signal w1 aus dem Verstärker 28 wird dazu verwendet, den Phasenregelkreis 34 (PLL) zu aktivieren und das Ausgangssignal dieses PLL wird gemäß 2 als ein Überlagerungsoszillator verwendet. Der Ausgang des PLL 34 besitzt dieselbe Frequenz und Phase wie das Eingangssignal w1. Jedoch ist es frei von anderen Frequenzen, die den Bandpaßfilter w1 passieren können, wie beispielsweise das elektrische Rauschen über der Bandbreite des Filters. Die Verwendung eines PLL für einen Überlagerungsoszillator resultiert infolgedessen in einem besseren Störabstand im Ausgang der Mischstufe.
  • Ein weiterer beispielshalber dargestellter und verbesserter phasenunabhängiger Laserempfänger ist in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine Schaltung 36 zur Phasenverschiebung dem Referenzsignalgenerator 24 nach 2 hinzugefügt. Die Schaltung 36 zur Phasenverschiebung gestattet Veränderungen 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 5 dargestellt. Bei der Ausführungsform nach 4 wird das Signal mit der gewünschten 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 4 wird der PLL 34 von einem Signal mit einer Grundfrequenz aktiviert, welches immer stärker ist als das erfaßte beziehungsweise aufgenommene Signal. Bei der Technik der Messung der Absorption, bei der der Laser mit einer einzigen Frequenz moduliert wird, ist das Erfassungssignal üblicherweise die zweite Harmonische 2w1 . Bei der als Zwei-Ton-Modulation bekannten Technik wird der Laser mit zwei Frequenzen w1 und w2 (neben der Rampenfrequenz) moduliert und es wird das Differenzsignal bei der Frequenz (w1-w2) erfaßt. Nach 5 wird der PLL 35 mit der Frequenz w1 aktiviert und erzeugt einen Output beziehungsweise ein Ausgangssignal mit der harmonischen Frequenz 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 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 Erfassungssignal 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 1 dargestellten Reflektor 18. Zu dem Spektrometer zurückkehrendes 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 Veränderungen des Meßgerätes oder der Umgebung nicht verändern. In der Praxis ist dies nur sehr schwer zu erreichen. Geringfügige Veränderungen der Temperatur des Lasers werden ein Abweichen der Wellenlänge des Lasers von der Gas-Absorptionslinie hervorrufen, da die Wellenlänge der Laserdiode sehr empfindlich auf Veränderungen der Temperatur reagiert. Veränderungen der Temperatur der Umgebung zwischen –40°C bis +50°C, wie es bei einer 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 Erfindung 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. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wellenlänge des Lasers vorzugsweise unter Verwendung einer Strommodulation eines Di odenlasers mit einer niederfrequenten Anstiegsfunktion durchgetastet. Auf diese Weise haben geringfügige Änderungen der Wellenlänge, die von umgebungsbedingten Einflüssen auf den thermoelektrischen Temperaturregelkreis ausgeübt werden, keine große Bedeutung. Wenn das Laserlicht die Absorptionslinie überstreicht, haben geringfügige Abweichungen von der mittleren Wellenlänge des Lasers keine Bedeutung.
  • Eine neue Anwendung einer Gasreferenzzelle ist in 6 dargestellt. Ein Teil des den Lasersender 12 verlassenden Lichtes wird von Strahlenteilern 40 und 42 in den Laserempfänger 14 reflektiert 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 reflektierte Strahl B wird von dem Laserempfänger 14 in normaler Weise gesammelt.
  • Eine erste Verschlußklappeneinrichtung 46 ist im Strahlengang vom Strahlenteiler 40 durch die Referenzzelle 44 hindurch zum Strahlenteiler 42 angeordnet. Eine zweite Verschlußklappeneinrichtung 48 ist im Strahlengang vom Strahlenteiler 40 zum Strahlenteiler 42 angeordnet, der durch einen Meßobjektbereich hindurch zum Reflektor 18 verläuft. Der Betrieb der Verschlußklappeneinrichtungen 46 und 48 setzt den Empfänger einem Licht in sich abwechselnder Weise aus entweder dem beabstandeten Reflektor 18 oder der Gasreferenzzelle 44 aus. Der mit dem Ausgang des Empfängers 14 verbundene Datenanalysator 32 zeichnet das Signal beider Quellen auf und vergleicht sie unter beispielsweise Verwendung eines Kalmanfilters. Die Verwendung eines Kalmanfilters und ähnlicher digitaler Verarbeitungsverfahren für den Vergleich eines Referenzsignales mit einem verrauschten Signal ist bekannt und muß daher nicht näher beschrieben 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 werden, 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 Kalibrierung zur Verfügung. Darüber hinaus ist es bei der Erfassung gefährlicher Gase von Bedeutung, daß eine Fehlfunktion der Anordnung nicht als die Abwesenheit eines Gases interpretiert wird. Dies wird mit falschem negativen Signal bezeichnet. Die Benutzung sowohl des Referenzsignales als auch des Signales beziehungsweise des Erfassungssignales selbst innerhalb der Vorrichtung beseitigt dieses Problem so weit, als daß der ausgesandte Laserstrahl nicht blockiert wird. Zu einem fehlersicheren Betrieb der Vorrichtung ist es daher notwendig, einen Lichtpegelsensor 50 einzusetzen, um das Vorhandensein eines zurückkehrenden Lichtstrahles sicherzustellen. Die Verwendung einer Gasreferenzzelle erfordert ein bekanntes Phasenverhältnisses sowohl hinsichtlich des Referenzsignales als auch des Erfassungssignales beziehungsweise Fernerfassungssignales selbst. Es ist daher nicht möglich, einfach die Phase des Überlagerungsoszillators einzustellen. Demgemäß wird es bevorzugt, das Verfahren nach 2 bis 5 einzusetzen, um eine Phasenanpassung sowohl für das Referenzsignal als auch das Fernerfassungssignal zu vermeiden.
  • In der Praxis befindet sich das Rückkehrsignal zum Laserempfänger 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 Laserdioden-Amplitudenmodulation hervorgerufene Rauschen auszugleichen. 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 möglich, 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 Signal 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 Referenzsignalgenerator 24 erreicht werden. Da es jedoch nur erforderlich ist, die Phasendifferenz zwischen dem erfaßten und dem Referenzsignal zu verändern, kann sich die Einrichtung 36 zur Phasenverschiebung innerhalb der Leitung befinden, die das Erfassungssignal trägt. Alle diese Schritte können innerhalb der Steuerungsschaltungen des Spektrometers ausgeführt werden. Infolgedessen kann die Gasreferenzzelle dazu eingesetzt werden, das ausgesandte Fernerfassungssignal automatisch zu kalibrieren und auch dazu, die Phase des Überlagerungsoszillators auf minimales 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 explosiver Gase wie beispielsweise Methan. Die Verwendung elektrischer 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 1. Die Ausbildung von explosionssicheren Gehäusen 52 ist bekannt und macht ein dickes Fenster 54 erforderlich, durch welches der austretende 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 besonders großem Nachteil sind. Der Erfinder hat nun herausgefunden, daß die Verwendung eines dicken Fensters mit einem geringen streifenbedigten Rauschen an einer explosionssicheren Kammer möglich ist, wenn die Vorderseitenfläche 56 beziehungsweise die Hinterseitefläche 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 Tiefpaßfilters 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 verringert wird.
  • Wenn die Wellenlänge des Lasers das keilförmige Fenster überstreicht, 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 Störquelle beseitigen und das Streifenrauschen wird die Empfindlichkeit des Spektrometers nicht negativ beeinflussen.
  • Der Erfinder hat auch herausgefunden, daß der Einsatz der Erfindung 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 Reflexion dazu neigt, den zurückkehrenden Strahl einem sich geringfügig 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 Wasserdampf-Fensters zwischen 1.3162 bis 1.3169 μm. Da es um etwa 1.3165 μm herum auch eine Ammoniak Absorptionslinie gibt, sofern 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 Absorptionslinie 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 Ammoniak und das Nichtvorhandensein einer Erfassung der Absorption bei 1.3177 μm unterscheidet Mathan von Ammoniak. Die Methan Absorptionslinie 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, jedoch 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.
  • 8 der Zeichnung zeigt einen Lasersender 80 und einen Laserempfänger 82 mit einer Vielzahl von sich dazwischen erstreckenden 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 notwendigerweise entsprechend der Beschreibung zu 2 bis 5 ausgebildet und zwar einschließlich der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Beseitigung der Phasenabhängigkeit des Empfängers. 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 Übertragung 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 11 dargestellt ist. Die optischen Empfangsfasern 84b sind so angeordnet, daß sie Licht an den Laserempfänger 82 abgeben können, beispielsweise durch eine Linse 88 oder ein ähnliches optisches Element und jede besitzt ein Ende 85, welches an dem im Abstand angeordneten 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 bündeln. Das gebündelte Licht wird auf einen würfelförmigen Winkelreflektor 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 würfelförmigen Winkelreflektor 96 reflektiertes Licht wird von einem versetzten Parabolreflektor gebündelt und auf ein Ende 85 einer der optischen Fasern 84b fokussiert. Vorzugsweise weist der Parabolreflektor 98 eine mittige Apertur auf, um den Durchtritt von Licht aus der optischen Faser 84a durch den Parabolreflektor 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 Ölindustrie wird ein Laserkopf in jedem Meßobjektbereich der Anlage eingebaut werden, der zu überwachen ist. So können beispielsweise 30 Meßobjektbereiche vorgesehen sein. Ein beispielshafter Meßobjektbereich kann ein Steuerraum sein. Bei dem beschriebenen 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 dazugehörige 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 8 dargestellt ist, ist am Lasersender 80 ein optischer Schalter 100 vorgesehen, um einen 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 10 dargestellt. In diesem Fall wird Licht aus dem Lasersender 80 durch eine optische Faser 102 zu einem Strahlenteiler 104 geführt, wo es auf optische Fasern 84a aufgeteilt und zu den im Abstand angeordneten 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 geführt mit dem Unterschied, daß der Schalter 106 ein multimodaler 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 Laserkopf 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 geführten 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 Gasreferenzzelle 110 vorgesehen, wie es in 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 andere Verfahren der Fokussierung von Licht auf die Faser 84b eingesetzt werden.
  • Eine Steuerung 114, die Teil des in 6 dargestellten Datenanalysators 32 sein kann, kann dazu verwendet werden, in sequentieller Weise einen der im Abstand angeordneten Laserköpfe zur Gaserfassung auszuwählen. In einer industriellen Umgebung bietet das sequentielle Umschalten zwischen den Laserköpfen eine 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 12 dargestellt. Ein Lasersender 80 ist an einem Ende eines geführten Strahlenganges, der sich bis zu einem Meßobjektbereich 132 erstreckt, vorgesehen. Der geführte Strahlengang beinhaltet eine optische Fa ser 121, die mit einem Richtungskoppler 120 verbunden ist, einen optischen Schalter 122, eine Faser 123, die den Richtungskoppler 120 und den Schalter 122 verbindet, einen Laserkopf 126 und eine optische Faser 124, die den Schalter 122 und den Laserkopf 126 verbindet. Der Laserkopf 126 umfaßt ein Ende 128 einer Faseroptik bzw. Lichtleiters 126 und einen versetzten parabolischen Kollimatorspiegel 130, wobei das Ende 128 am Fokus des Spiegels ausgerichtet ist. Der Spiegel 130 dient sowohl dazu, aus der Faseroptik 124 austretendes Licht parallel zu richten als auch dazu, vom Reflektor 134 auf der gegenüberliegenden Seite des Meßobjektbereiches 132 aus dem Laserkopf 126 stammendes und zurückkehrendes Licht zu sammeln. Es können verschiedene 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 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 gesammelt und in die Faser 124 zurück fokussiert. Bei nach wie vor geschlossenem Schalter 122 schreitet das Licht entlang der Faser 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 beabstandeten 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 Strahlengänge 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 vorliegenden 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 ausgebildet werden ohne elektrische Anschlüsse in der Gefahrenumgebung.
  • 8 bis 12 und die zugehörige Beschreibung beschreiben daher einen Gasdetektor zur Erfassung von Gas in entfernten Betriebsanlagen. In jeder Betriebsanlage, beispielsweise einem Raum in einer Gasfabrik können auch mehrere Flächen vorhanden sein, die zu überwachen sind, beispielsweise eine Fläche nahe einem Ventil oder einem Kompressor. 13 zeigt einen Gasdetektor zur Erfassung eines Meßobjektgases in einer Vielzahl von Meßobjektbereichen. Ein Licht-Lasersender 131, dessen Übertragung von dem Meßobjektgas beeinflußt wird, weist vorzugsweise einen frequenzmodulierten Diodenlaser von bekannter Ausbildung auf. Ein Laserempfänger 133 zum Empfang von von dem Lasersender ausgesandtem Licht ist vorzugsweise von der in 5 dargestellten Art. Alternativ hierzu kann der Lasersender 131 und der Laserempfänger von dem Typ sein, wie er in "Ultrasensitive dualbeam absorption and gain spectroscopy: applications for nearinfrared 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 Optics, Vol. 34, No. 18, 20 June 1995, p. 3240-3248 beschrieben ist. In jedem Fall arbeitet der Laser vorzugsweise phasenunabhängig. Wenn der Laserempfänger 133 nicht phasenunabhängig ist, dann muß die Länge des Strahlenganges vom Lasersender zum Laserempfänger ziemlich gut bekannt sein aufgrund der Veränderungen der Phase des durch den Laserempfänger aufgenommen Lichtes.
  • Ein Signalanalysator 135 zur Analyse der vom Laserempfänger erzeugten Signale ist in bekannter Weise mit dem Laserempfänger gekoppelt. Es sind auch verschiedene derartige Empfänger bekannt. 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 Meßobjektgas in einem Meßobjektbereich vorhanden ist. Dieses Ausgangssignal 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 werden. Das Signal kann auch für einen späteren Zugriff aus einem Speicher in dem Computer/Analysator 135 heraus gespeichert werden.
  • Um Gas an verschiedenen Orten in einem Raum zu erfassen, ist ein optisches Abtastelement 140 in einem Raum getrennt vom Lasersender 131 angeordnet und zwar in dem Strahlengang aus dem Lasersender 131 heraus, um Licht aus dem Lasersender 131 aufnehmen zu können und das Licht auf eine Vielzahl von Meßobjektbereichen 196 in einem Raum 191 zu richten, wie es schematisiert in 19 dargestellt ist. Das Licht kann nach dem Durchlaufen eines Meßobjektbereiches durch eine Reflexion an einem Reflektor 195 oder direkt von einer Wand 193 zurückgeführt 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 beziehungsweise 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 zurückkehrt, 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 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 Winkelinkrement, beispielsweise in der Größenordnung von 1° oder weniger eingesetzt wird. Die Steuerung 138 für den Schrittmotor wird vorzugsweise vom Computer 135 überwacht, um den Lasersender 131, den Laserempfänger 133 und die Steuerung 138 für den Schrittmotor zu koordinieren. So kann beispielsweise das optische 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 angewiesen 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 zurückgeführt 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 14 dargestellt ist. Der Spiegel 141 wird über eine Welle 143 vom Schrittmotor 142 abgestützt. Die Welle 143 definiert 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 Schrittmotor 142 kann dabei ins Langsame übersetzt sein, um jedes erwünschte Winkelinkrement bei der Drehung des reflektierten Lichtstrahles zu erzeugen. Der Spiegel 141 kann um volle 360° gedreht werden, obwohl für die meisten Abtastvorgänge 120° ausreichend 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 Drehachse 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 Betätigungseinrichtung 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 drehen. Da üblicherweise Räume oder andere Gas-Betriebsanlagen bezogen auf ihre Breite eher flach als hoch ausgebildet sind, muß der Betrag der Drehung des Spiegels 141 um die horizontale Achse herum nicht groß sein, sondern kann beispielsweise 22.5° betragen, um eine vertikale Abtastung von 45° zu erzeugen.
  • Der Lasersender 131 kann direkt oberhalb des optischen Abtastelementes 140 angeordnet so ausgerichtet sein, daß sein Ausgangsstrahl entlang der vertikalen Achse des Spiegels 141 ausgerichtet ist und auf die Mitte der Reflexionsfläche des Spiegels trifft. Gas-Betriebsanlagen sind aber Gefahrenumgebungen und die Anordnung des Lasersenders 131 in der Gefahrenumgebung macht es erforderlich, daß der Lasersender in einem explosionssicheren Gehäuse angeordnet ist. Es wird daher bevorzugt, das optische Abtastelement 140 über eine optische Faser 154 mit Licht zu versorgen, wie es in 15 dargestellt ist. Der optischen Faser 154 wird Licht aus einem Lasersender von einem beabstandeten Ort aus zugeführt, wie es beispielsweise in 15 dargestellt ist. Es ist nur das vom Lasersender beabstandete Ende der optischen Faser 154 dargestellt. In der Darstellung nach 15 umfaßt das optische Abtastelement 140 einen Parabolspiegel 150, der an einer Achse 155 drehbar angeordnet ist. Die optische Faser 154 ist an einem Träger 152 aufgehängt, wobei Licht aus der optischen Faser 154 auf die Mitte des Spiegels 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 überstreicht, die überwacht werden soll. Aus einem Meßobjektbereich zurückkehrendes Licht 157 wird durch die Reflexionsfläche des Spiegels 150 gebündelt und auf die optische Faser 154 fokussiert. Bei Verwendung der Faseroptik (Lichtleiter) 154 kann der Lasersender und der Laserempfänger außerhalb eines Raumes angeordnet 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 8 und 10 dargestellt ist, mehr als ein Raum überwacht werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform eines optischen Abtastelementes nach 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 mehrere Meßobjektbereiche hin. Die Meßobjektbereiche können wie bei der in 14 dargestellten Ausführungsform durch eine inkrementelle 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 Detektor 165 fokussiert, der einen Teil eines Laserempfängers bildet.
  • In 17 ist eine zweite Ausführungsform einer kardanischen Aufhängung dargestellt, bei der ein Spiegel 170 an einer horizontalen Achse 171 angeordnet ist, wobei die vertikale Bewegung eines einfallenden Laserstrahles von einem Schrittmotor 175 gesteuert wird. Eine Achse 171 ist an einem Rahmen 176 angeordnet, der seinerseits an einer Achse 172 in einem Rahmen 173 angeordnet ist. Eine Rotation des Spiegels 170 um die Achse 172 wird von einem Schrittmotor 174 und seiner zugehörigen Steuerung gesteuert. Die kardanische Aufhängung nach 17 arbeitet in ähnlicher Weise wie die in 14 dargestellte kardanische Aufhängung derart, daß der Spiegel um jede der zwei zueinander rechtwinkligen Achsen gedreht werden kann.
  • Nach einer weiteren in 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 angeordnet 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 zurückkehrendes Licht wird von beiden Spiegeln 185 und 180 zurück gestrahlt 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 Spiegel, 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 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 Übersetzung des Schrittmotors ins Langsame ergibt. Durch die Steuerung der x und y Positionierung des optischen Abtastelementes 194 kann der abgegebene Laserstrahl nacheinander durch Meßobjektbereiche 196 hindurch gerichtet werden, um von den Reflektoren 195, 198 oder 199 zurück reflektiert zu werden. Dies kann aufgrund einer programmgesteuerten Reihenfolge ablaufen. Dabei kann jede Richtung beziehungsweise Position des abgegebenen Lichtstrahles 197 durch eine entsprechende Drehung des optischen Abtastelementes 194 ausgewählt werden. Wenn beispielsweise die horizontale beziehungsweise vertikale Stellung des Spiegels 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 Linearantriebe 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 optischen Abtastelemente 192 und 194 befindet.
  • Wie es in 20 dargestellt ist, kann der Laserempfänger 204, der im übrigen entsprechend einem der in 2 bis 5 dargestellten oder entsprechend anderer phasenunabhängiger Detektoren 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, welches in dem Rückkehrstrahl des Lasersenders zurückkehrt. Wenn sich der Pegel des Lichtes in dem Rückkehrstrahl unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts befindet, dann wird dieser Zustand als ein solcher Zustand interpretiert, daß der Laser ausgeschaltet ist und wird nicht als das Vorhandensein eines absorbierenden Gases interpretiert. Darüber hinaus kann eine Abbildung des Raumes unter Verwendung des zurückkehrenden Laser strahles gebildet werden. Die Steuerung 138 für den Schrittmotor kann so programmiert werden, daß sie ein optisches Abtastelement 140 einen Raum abtasten läßt. Wenn das optische Abtastelement 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 Fernsehbild 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 Lichtpegel-Detektor 206 erzeugt wird, so daß der Ort eines Gasleckes schnell bestimmt werden kann.
  • Wenn der Gasdetektor in einer Gefahrenumgebung eingesetzt werden 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 beschränken. Der Abtastspiegel 141 sollte groß genug sein, eine Abbildung zu erzeugen, die das Sichtfeld des Detektors ausfüllt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß sichergestellt ist, daß die Apertur des Spiegels auch dann, wenn er um den maximalen Winkel geneigt ist, größer ist als die Apertur des Kollektorspiegels des Detektors, wie es durch das Maß G nach 16 dargestellt ist. Anstelle von Schrittmotoren ist es auch möglich zur Bewegung der Spiegel Galvanomoter einzusetzen, wobei auch andere vom Fachmann vorgenommene Änderungen nicht als Abweichungen von der Erfindung angesehen werden.
  • Es ist ein Gasdetektor zur Erfassung von Gas in einem Meßobjektbereich 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 Homodynerfassung beinhaltet einen Bandpaßfilter, einen Verstärker, einen Phasenregelkreis und einen Phasenschieber. Etalonstreifen werden 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 Signales mit einem Signal aus einer Gasreferenzzelle ermittelt. Ein Verfahren zur Gaserfassung umfaßt die Übertragung von frequenzmoduliertem Licht durch einen Meßobjektbereich, den Empfang des Lichtes und die Homodynerfassung des erfaßten Signales durch die Mischung des erfaßten Signales mit einem Referenzsignal bei einer der Modulationsfrequenzen, wobei das Referenzsignal von dem Licht abgeleitet wird, welches den Meßobjektbereich durchquert hat.
  • Licht aus einem Lasersender breitet sich entlang mehrerer optischer 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 Phasenabhängigkeit 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 Steuerungseinrichtung steuert die Stellung des ersten optischen Abtastelementes und steuert dadurch auch, welcher der Meßobjektbereiche von dem Licht aus dem Lasersender durchquert wird.
  • Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird in übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

Claims (38)

  1. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Absorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich, gekennzeichnet durch: – einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebenen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlänge; – einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat; – einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales durch die Erfassung von Licht, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat, wobei das Referenzsignal eine Frequenz aufweist, die einer Modulationsfrequenz des vom Laser abgegebenen 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 Bestimmung 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 Erzeugung eines Signales mit einer Frequenz entsprechend einer Harmonischen 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 Modulationsfrequenzen ausgebildet ist und daß der Referenzsignalgenerator einen Bandpaßfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich aufweist, der eine der Modulationsfrequenzen des vom Laser abgegebenen 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 Meßobjektgases; – eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus dem Laser auf die Gasreferenzzelle oder den Meßobjektbereich; – eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder dem Meßobjektbereich auf den Photodetektor; und – eine Einrichtung des Datenanalysators zum Vergleich des Ausgangssignales der Mischstufe, wenn das Licht aus dem Laser die Gasreferenzzelle durchlaufen hat und wenn das Licht aus dem Laser den Meßobjektbereich durchlaufen hat.
  10. Gasdetektor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Lichtsensor zur Bestimmung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von aus dem Meßobjektbereich zurückkehrendem Licht.
  11. Gasdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Phasenverschiebung zur Einstellung der Phasendifferenz zwischen dem Erfassungssignal und dem Referenzsignal.
  12. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Absorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich, gekennzeichnet durch: – einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebenen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlänge; – einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat; – einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales 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 aufnehmende schützende Einfassung mit einem Fenster zum Durchtritt des vom Laser abgegebenen Lichtes; – eine Einrichtung zur Verschiebung von von dem Fenster erzeugten Etalonstreifen zu Frequenzen hin, die aus dem Erfassungssignal herausfilterbar sind; und – einen mit der Mischstufe verbundenen Datenanalysator zur Erfassung 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 Modulationsfrequenzen ausgebildet ist und daß der Referenzsignalgenerator einen Bandpaßfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich aufweist, der eine der Modulationsfrequenzen des vom Laser abgegebenen Lichtes umfaßt.
  16. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Absorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich, gekennzeichnet durch: – einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebenen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlänge; – eine Gasreferenzzelle zur Aufnahme einer Probe des Meßobjektgases; – einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat; – eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus dem Laser zur Gasreferenzzelle oder dem Meßobjektbereich; – eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder aus dem Meßobjektbereich zum Photodetektor; – einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales 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 Erfassung der Anwesenheit des Gases anhand des Ausgangssignales der Mischstufe; und – eine Einrichtung des Datenanalysators zum Vergleich des Ausgangssignales der Mischstufe, wenn das Licht aus dem Laser die Gasreferenzzelle durchlaufen hat und wenn das Licht aus dem Laser den Meßobjektbereich durchlaufen hat.
  17. Gasdetektor nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Lichtsensor zur Erfassung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von aus dem Meßobjektbereich zurückkehrendem Licht.
  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, welches 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 Meßobjektbereich 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 Gasreferenzzelle 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 reduziert 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 Modulationsfrequenzen ist.
  23. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines aus der Methan und Ammoniak umfassenden Gruppe ausgewählten Meßobjektgases, wobei das Meßobjektgas eine Absorptionslinie aufweist, gekennzeichnet durch: – einen Laser mit einem Ausgangssignal von etwa 1.32 μm zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Lichtausgangssignales, welches 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 Referenzsignales mit einer Frequenz entsprechend einer Modulationsfrequenz 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 Ausgangssignales der Mischstufe.
  24. Gasdetektor zur Gaserfassung in räumlichen getrennten Meßobjektbereichen, gekennzeichnet durch: – einen Lasersender mit einer abstimmbaren Laserdiode – einen Laserempfänger zum Empfangen von Licht aus dem Lasersender, welches durch einen der Meßobjektbereiche hindurch getreten ist und der Laserempfänger zur Erzeugung von Ausgangssignalen ausgebildet ist, die unabhängig sind von Veränderungen der Länge des Strahlengangs; – einen Signalanalysator zur Analyse der vom Laserempfänger erzeugten Ausgangssignale zur Bildung einer Anzeige, ob Gas in einem Meßobjektbereich vorhanden ist; – mehrere einmodale optische Lichtleiter, wobei jeder einmodale optische Lichtleiter zur Bildung eines getrennt geführten und einen der Meßobjektbereiche durchlaufenden Strahlenganges zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger ausgebildet ist; und – einer zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger angeordneten optischen Schalteinrichtung zur Selektion einer der einmodalen optischen Lichtleiter zur Vervollständigung eines geführten Strahlenganges zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger zur Erfassung von Gas in dem Meßobjektbereich, der von dem selektierten optischen Lichtleiter durchlaufen wird.
  25. Gasdetektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Lichtleiter von optischen Fasern gebildet sind.
  26. Gasdetektor nach Anspruch 25, 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 Lichtleiter angeordnet ist.
  27. Gasdetektor nach Anspruch 25, 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 Lichtleiter angeordnet ist und einen zum Empfang von Licht aus der Vielzahl der optischen Lichtleiter und zur Abgabe von Licht an den am Laserempfänger angeschlossenen Lichtleitschalter aufweist.
  28. Gasdetektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserempfänger eine Einrichtung zur Gaserfassung unabhängig von der Phase des Lichtes aufweist, welches vom Laserempfänger empfangen wird.
  29. Gasdetektor nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Gasreferenzzelle und eine Einrichtung zur selektiven Einkoppelung der Gasreferenzzelle in einen vollständigen Strahlengang vom Lasersender zum Laserempfänger.
  30. Gasdetektor nach Anspruch 29, weiterhin gekennzeichnet durch eine optische Gasreferenz-Lichtleiteinrichtung, die zur Leitung von Licht entlang eines Weges vom Lasersender zur Gasreferenzzelle und von der Gasreferenzzelle zum Laserempfänger angeordnet ist.
  31. Gasdetektor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur selektiven Einkoppelung der Gasreferenzzelle in einen vollständigen Strahlengang vom Lasersender zum Laserempfänger einen Teil der Schalteinrichtung bildet.
  32. Gasdetektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserempfänger eine Einrichtung zur Beseitigung der Phasenabhängigkeit des Laserempfängers aufweist.
  33. Gasdetektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß jeder optische Lichtleiter einen im Abstand vom Lasersender und vom Laserempfänger angeordneten Laserkopf aufweist, wobei der Laserkopf jedes optischen Lichtleiters eine optische Einrichtung zur Leitung von parallel gerichtetem Licht durch einen Meßobjektbereich und zur Bündelung von Licht, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat und zur Abgabe des gesammelten Lichtes an den Laserempfänger aufweist.
  34. Gasdetektor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laserkopf an einem der Meßobjektbereiche angeordnet ist und daß der Detektor für jeden Laserkopf und für jeden Meßobjektbereich 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.
  35. Gasdetektor nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf über eine erste optische Faser mit dem Lasersender 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 optischen Faser austretendem Licht und eine Kollektoroptik zur Leitung von Licht in die zweite optische Faser aufweist.
  36. Gasdetektor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf über eine erste optische Faser mit dem Lasersender 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 optischen Faser austretendem Licht und eine Kollektoroptik zur Leitung von Licht in die zweite optische Faser aufweist.
  37. Gasdetektor nach Anspruch 33, 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 optischen Faser angeordnet ist.
  38. Gasdetektor zur Erfassung der Anwesenheit eines eine Absorptionslinie aufweisenden Meßobjektgases in einem Meßobjektbereich, gekennzeichnet durch: – einen Laser zur Erzeugung eines frequenzmodulierten abgegebenen Lichtes mit einer vom Meßobjektgas absorbierten Wellenlänge; – eine Gasreferenzzelle zur Aufnahme einer Probe des Meßobjektgases; – einen Photodetektor zur Erzeugung eines Erfassungssignales als Ausgabewert aus dem Licht des Lasers, welches den Meßobjektbereich durchlaufen hat; – eine Einrichtung zur selektiven Einkoppelung der Gasreferenzzelle in einen Strahlengang zwischen dem Lasersender und dem Laserempfänger; – eine Einrichtung zur selektiven Leitung von Licht aus der Gasreferenzzelle oder aus dem Meßobjektbereich zum Photodetektor; – einen Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignales 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 Erfassung der Anwesenheit des Gases anhand des Ausgangssignales der Mischstufe; und – eine Einrichtung des Datenanalysators zum Vergleich des Ausgangssignales der Mischstufe, wenn das Licht aus dem Laser die Gasreferenzzelle durchlaufen hat und wenn das Licht aus dem Laser den Meßobjektbereich durchlaufen hat.
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