DE19940280C2 - Gassensor mit offener optischer Meßstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit offener optischer Meßstrecke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs geht aus DE 39 02 015 C2 hervor, die in einer Sendereinrichtung Laser für Laserstrahlen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und eine frequenzempfindliche Empfängereinrichtung aufweist, wobei die Sendereinrichtung zusätzlich über eine Richtfunkstrecke ein Referenzsignal für die Empfangsauswertung an die Empfängerein­ richtung übermittelt.

Aus DE 195 35 679 A1 ist ein Rauchmelder mit einer Licht­ emissions-Kontroll- und -Detektor-Schaltung bekannt geworden, womit von der Empfängereinrichtung Signale zur Aktivierung der zugehörigen Sendereinrichtung übertragen werden.

Die Analyse gasförmiger Gemische hat in der Umweltanalytik und in der industriellen Überwachungstechnik zunehmende Bedeutung erlangt. Aus diesem Grunde besteht ein steigendes Interesse an der Entwicklung neuartiger Gassensoren, die hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit, Selektivität, Langlebigkeit und guten Handhab­ barkeit optimiert sind.

Neben Gassensoren, die ein räumlich eng eingegrenztes Gebiet überwachen, werden in jüngster Zeit vermehrt solche Gassensoren eingesetzt, die ein größeres Gebiet kontrollieren. Diese soge­ nannten Gassensoren mit offener optischer Meßstrecke (Open Path Sensoren) registrieren die mittlere Konzentration des Zielgases über eine Meßstrecke mit einer Länge von 10 m bis einige 100 m.

In US 5 339 155 A ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der das Licht einer Lichtquelle in seiner Wellenlänge moduliert und diese Frequenzmodulation bei Anwesenheit des Zielgases in eine Amplitudenmodulation umgewandelt wird, die von einem Detek­ tor gemessen werden kann. Die Meßstrecke wird durch eine Licht­ quelleneinheit und eine Detektoreinheit begrenzt, die räumlich voneinander getrennt sind.

Als Lichtquellen werden in den letzten Jahren zunehmend Laser- Lichtquellen verwendet. Insbesondere DFB-Laserdioden zeichnen sich dadurch aus, daß zum einen die Wellenlänge des emittierten Lichts sehr viel schmalbandiger ist als die Absorptionslinien von Gasen und zum anderen diese Wellenlänge sowohl über die Temperatur der Laserdiode als auch über den ansteuernden Laser­ diodenstrom variiert werden kann.

In vielen laserdiodengestützten Systemen findet die sogenannte Derivativspektroskopie Anwendung. Hierbei wird die Wellenlänge der Laserdiode, zum Beispiel durch Vorgabe der Laserdiodentempe­ ratur, zunächst so eingestellt, daß die sehr schmalbandige La­ serlinie spektral innerhalb der Absorption zum Beispiel einer einzelnen Gaslinie des Zielgases liegt. Die gezielte Kontrolle der Laserdiodentemperatur kann zum Beispiel dadurch vorgenommen werden, daß der Laserdiodenchip sich auf einem Peltier-Element befindet, das durch Variation des Peltier-Stroms auf eine ge­ wünschte Temperatur gebracht werden kann. Die Laserdiode wird mit einer Strommodulation so betrieben, daß die Gaslinie peri­ odisch mit der Frequenz f überstrichen wird, wobei die Modula­ tion vorzugsweise sinusförmig ist. Dabei wird die Laserdiode nicht nur in ihrer Wellenlänge variiert, sondern es tritt dar­ überhinaus als Parasitäreffekt noch eine Amplitudenmodulation der Strahlungsintensität mit der Frequenz f, der sogenannte 1f- Anteil, auf, wobei diese Amplitudenmodulation für die Intensitätsnormierung herangezogen werden kann.

Nach dem Durchlaufen der Meßstrecke wird die Intensität des Lichts mit einem für das Licht der Lichtquelle empfindlichen Detektor nachgewiesen, der ein elektrisches Signal proportional zur einfallenden Lichtintensität erzeugt. Dieser Detektor ist mit einem optischen Filter ausgestattet, der störende Teile des Spektrums, zum Beispiel der Tageslichteinstrahlung, herausfil­ tert. Bei Abwesenheit des Zielgases ist das Detektorsignal eben­ falls sinusförmig mit der Frequenz f aufgrund der entsprechenden Amplitudenmodulation des Laserdiodenstroms. Wenn allerdings Zielgas innerhalb der Meßstrecke vorhanden ist, dann enthält die nach dem Durchlaufen der Meßstrecke vom Detektor gemessene In­ tensität als Funktion der Zeit Anteile, die mit der n-fachen Frequenz moduliert sind, sogenannte n-te harmonische Anteile oder auch n-te Oberwellen. Die Erzeugung dieser harmonischen Anteile ist durch die nichtlineare Krümmung der Absorptionslinie des Gases bedingt. Mit Hilfe entsprechender phasenempfindlicher Meßverstärker (Lock-In-Verstärker) können diese harmonischen Anteile des Detektorsignals bestimmt werden. Während der 1f- Anteil des Detektorsignals kaum von der Gaskonzentration beein­ flußt wird, sind die höheren 2f-, 3f- usw. Anteile näherungs­ weise proportional zur Gaskonzentration. Somit stellt beispiels­ weise der Quotient aus 2f-Anteil und 1f-Anteil, genannt 2f : 1f- Quotient, eine normierte Maßzahl zur Bestimmung der Gaskonzen­ tration dar, welche unabhängig von äußeren Effekten wie Alterung der Lichtquellen, breitbandiger Abschwächung durch Schmutz, Nebel etc. ist.

Zur Kompensation von Nullpunktdriften und zur Steigerung der Empfindlichkeiten wird der schnellen 1f-Modulation der Laserdio­ denwellenlänge zusätzlich eine langsamere Modulation der Mitten­ wellenlänge mit der Frequenz F (f << F) unterlegt, indem der La­ serdiodenstrom entsprechend variiert wird. Diese langsame Modu­ lation kann zum Beispiel in Form einer linearen Durchstimmrampe (Sägezahn) erfolgen; jeweils eine Periode dieser langsamen Modulation wird als "Scan" bezeichnet. Während eines Scans wird eine zuvor festgelegte Anzahl von n 2f : 1f-Quotienten bei n verschie­ denen Wellenlängen aufgenommen. Die Amplituden sowohl der schnellen f- wie auch der langsamen F-Modulation der Wellenlänge sind jeweils so gewählt, daß sie ungefähr der Breite der Gasli­ nie entsprechen. Somit erhält man anstelle des zuvor beschriebe­ nen einfachen Wertes eines 2f : 1f-Quotienten bei einer festen Wellenlänge nun eine Mehrzahl oder ein Tupel von n 2f : 1f-Quo­ tienten bei n verschiedenen Wellenlängen. Dieses Meßwert-Tupel kann mit einer geeigneten mathematischen Auswertung, wie etwa mit einem PCA-Verfahren (Principle Components Analysis) oder dergleichen, sowohl zur Bestimmung der Zielgaskonzentration als auch zur sicheren Identifikation des Zielgases dienen.

Um zu verhindern, daß sich während des Betriebes die ursprüng­ lich eingestellte Temperatur der Laserdiode bzw. des Peltier­ elements ändert und somit die Wellenlänge des Laserlichts vari­ iert, ist auf der Seite der Lichtquelleneinheit oder der Detek­ toreinheit ein Strahlteiler angebracht, der einen Teil des aus der Laserdiode austretenden Lichts durch eine Zelle (Referenz­ zelle) lenkt, in der ein Gas mit geeignetem Absorptionsvermögen - z. B. das Zielgas selbst - eingeschlossen ist. Dieser Teil des Lichts wird nach Durchlaufen der Referenzzelle von einem licht­ empfindlichen Detektor nachgewiesen. Mit Hilfe eines phasenemp­ findlichen Meßverstärkers kann analog zu dem Meß-Tupel ein Satz von Referenz-Meßwerten, ein sogenanntes Referenz-Tupel, bestimmt werden, das sich vorzugsweise wieder aus 2f : 1f-Quotienten zu­ sammensetzt. Durch einen Vergleich dieser Referenz-Tupel mit abgespeicherten Werten ist es möglich, eventuelle Wellenlängen­ driften zu detektieren und die Temperatur der Laserdiode so zu korrigieren, daß diese Wellenlängendrift gerade kompensiert wird.

Gassensoren mit offener Meßstrecke sind bei großem räumlichen Abstand zwischen der Lichtquelleneinheit und der Detektoreinheit bei der Montage und im Betrieb nur schwer und unter großem Aufwand handhabbar. Beispielsweise ergeben sich bei der Derivativ­ spektroskopie Abstimmungsprobleme zwischen der Steuerung der Lichtquelle und der Auswertung der Detektorsignale. Soweit mög­ lich müssen Abstimmungen zwischen der Steuerung der Lichtquelle und der Auswertung für die Detektorsignale in einer separaten Steuer- und Auswerteeinrichtung, die sowohl mit der Lichtquel­ leneinheit als auch mit der Detektoreinheit in Verbindung steht, vorgenommen werden.

Solche Abstimmungs- und Steuerungsprobleme konnten teilweise durch Gassensorsysteme vermieden werden, bei denen Lichtquellen- und Detektoreinheit direkt benachbart angeordnet sind und eine lange offene Meßstrecke dadurch realisiert ist, daß die Licht­ quelle einen Meßstrahl auf einen entfernt stehenden Retroreflek­ tor richtet, von dem der Meßstrahl reflektiert und auf die De­ tektoreinheit zurückgeworfen wird. Ein solcher Gassensor ist z. B. aus DE 196 11 290 C2 bekannt. Bei dieser bekannten Gassen­ sorvorrichtung sind die Lichtquelleneinheit und die Detektorein­ heit nicht voneinander getrennt, sondern in einem Gehäuse unter­ gebracht. Dieser Gassensor hat den Vorteil, daß die Lichtquel­ leneinheit und die Detektoreinheit in einfacher Weise aufein­ ander abgestimmt arbeiten können. Nachteilig an solchen Gassen­ soren ist die Verwendung eines Retroreflektors, da das Signal- Rausch-Verhältnis dadurch ungünstiger ist als bei Gassensoren, bei denen das Meßlicht aus der Lichtquelle direkt auf die Detek­ toreinheit gerichtet ist.

Ein weiteres Problem bei Gassensoren mit offenen Meßstrecken großer Länge besteht in der Justage des Gassensors. Da die Lichtquelleneinheit und die Detektoreinheit einige 100 m vonein­ ander entfernt sein können, ist zunächst bei der Montage und Inbetriebnahme eine sorgfältige optische Ausrichtung beider Einheiten zueinander notwendig. Dabei ergeben sich folgende Probleme. Zum einen sind die optischen Führungselemente, welche auf Seiten der Lichtquelleneinheit und der Detektoreinheit zur Abbildung des Meßlichtes auf den Detektor dienen, starr in der Lichtquellen- und Detektoreinheit montiert. Somit müssen jeweils die Lichtquellen- und die Empfängereinheit als Ganzes bewegt werden, um eine optimale Justage des Systems zu ermöglichen. Beträgt der Abstand von Lichtquellen- und Detektoreinheit z. B. 100 m, so muß die Lichtquelleneinheit mit einer Genauigkeit von 1/20° bewegt werden können, wenn das Meßlicht auf der Seite der Detektoreinheit mit einer Genauigkeit von 10 cm positionierbar sein soll. Diese Genauigkeitsanforderung stellt zusammen mit dem typischen Gewicht der Lichtquelleneinheit von mehreren Kilogramm praktisch ein erhebliches konstruktives Problem dar. Zum anderen besteht während der Justage des Systems keine unmittelbare In­ formation zur Verfügung, wie gut die momentane Justage ist. So muß entweder mit einem optischen Hilfsmittel wie etwa einem Zielfernrohr zunächst eine Grobeinstellung vorgenommen werden und anschließend bei dem 100 m entfernten Detektor das Detektor­ signal kontrolliert werden, wozu sich der Monteur entweder selbst zu der entfernten Detektoreinheit begeben muß oder eine zweite Person dort das Detektorsignal aufzeichnen und kontrol­ lieren muß. Die Inbetriebnahme eines Gassensors mit offener Meßstrecke großer Länge oder die Kontrolle der Justage ist also nur unter hohem personellen und zeitlichem Aufwand möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen leichter handhabbaren und betreibbaren Gassensor mit offener optischer Meßstrecke zu schaffen, der auch bei langer Meßstrecke leicht einstellbar ist. Ferner soll das Meßlicht der Lichtquellenein­ heit direkt, und nicht über einen Retroreflektor, auf die Detek­ toreinheit gerichtet werden, damit ein gutes Signal-Rausch-Ver­ hältnis erzielbar ist, und gleichzeitig eine einfache Abstimmung zwischen Detektor- und Lichtquelleneinheit ermöglicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Detektoreinheit neben einer Empfängereinrichtung zusätzlich mit einer Sendereinrich­ tung versehen ist, die mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung in der Detektoreinheit in Verbindung steht, und dass die Licht­ quelleneinheit neben einer Sendereinrichtung zusätzlich mit einer Empfängereinrichtung versehen ist, die mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung in der Lichtquelleneinheit in Verbindung steht, so dass ein direkter, bidirektionaler Datenaustausch zwischen Detektoreinheit und Lichtquelleneinheit ermöglicht ist. Zusätzlich sind die optischen Führungselemente in der Lichtquel­ leneinheit mittels elektrischer Ansteuerung in ihrer Ausrichtung verstellbar sowie weitere optische Führungselemente in der De­ tektoreinheit vorhanden, die ebenfalls mittels elektrischer Ansteuerung in ihrer Ausrichtung verstellbar sind, und die Steu­ er- und Auswerteeinrichtungen sind so ausgelegt, um unter Aus­ nutzung der Datenübertragung zwischen der Lichtquelleneinheit und der Detektoreinheit eine optimale optische Justage durch Steuerung der Ausrichtung der optischen Führungselemente automa­ tisch vorzunehmen.

Auf diese Weise ist es möglich, daß bei der Justage des Gassen­ sors eine Optimierung der Ausrichtung von Lichtquelleneinheit und Detektoreinheit zueinander vorgenommen werden kann, um eine automatische Justage von Lichtquelleneinheit und Detektoreinheit auszuführen. Dazu sind sowohl in der Lichtquelleneinheit als auch in der Detektoreinheit elektrisch ansteuerbar bewegliche optische Führungselemente (Spiegel) vorhanden, die von Steuer- und Auswerteeinrichtungen so eingestellt werden, daß sich ein möglichst hohes Detektorsignal ergibt und damit eine möglichst gute Ausrichtung des Detektors im Strahlengang des Meßlicht­ strahls erreicht wird.

Die Lichtquelleneinheit ist mit einer Sendereinrichtung und die Detektoreinheit mit einer auf diese Sendereinrichtung anspre­ chenden Empfängereinrichtung ausgestattet, so daß ein direkter, bidirektionaler Datenaustausch zwischen Lichtquelleneinheit und Detektoreinheit ermöglicht ist. Die Möglichkeit eines bidirek­ tionalen Datenaustausches zwischen Lichtquelleneinheit und De­ tektoreinheit hat viele Vorteile. So können z. B. Servicefunktio­ nen, eine Kalibrierung des Gassensors oder ein Selbsttest durch geeignet ausgelegte Steuer- und Auswerteeinrichtungen in der Lichtquelleneinheit und der Detektoreinheit vorgenommen werden. Insbesondere im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Deriva­ tivspektroskopie in Kombination mit einer Laserdiode ist es meßtechnisch sehr vorteilhaft, wenn ein bidirektionale Datenaus­ tausch zwischen Lichtquelleneinheit und Detektoreinheit verwirk­ licht wird, beispielsweise für die Demodulation des Detektor­ signals.

Die Sender- und Empfängereinrichtungen in der Lichtquellenein­ heit und der Detektoreinheit können drahtlos oder über eine Kabelverbindung, sei es eine elektrische oder optische Kabelver­ bindung, arbeiten. Alternativ ist es auch möglich, daß die Sen­ dereinrichtung in der Lichtquelleneinheit durch eine geeignete Auslegung der Steuer- und Auswerteeinrichtung realisiert wird, die die Lichtquelle so ansteuert, daß das Meßlicht in Frequenz und/oder Amplitude moduliert wird, um mittels des Meßlichtes auch Daten zu übertragen, die von einer geeignet ausgelegten Steuer- und Auswerteeinrichtung in der Detektoreinheit aus dem Detektorsignal demoduliert werden können.

Die Lichtquelle kann eine Glühlampe, eine Blitzlampe, eine La­ serdiode oder irgendeine andere Lichtquelle sein. Dabei ist das Meßlicht nicht etwa auf den Bereich des sichtbaren Lichts be­ schränkt; in vielen Fällen ist es vorteilhaft, außerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts, z. B. im Infrarotbereich, zu arbeiten, damit störende Effekte durch Hintergrundlicht und Sonnenlicht ausgeschaltet werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von einem Ausführungsbei­ spiel in den Zeichnungen erläutert, in denen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zeigt mit optischen Führungselementen in der Lichtquelleneinheit und der Detektoreinheit, die elektrisch justierbar sind;

Fig. 2 den Verlauf des 2f : 1f-Quotienten bei einem laserdioden­ gestützten Gassensor mit offener Meßstrecke während eines Scans unter folgenden Bedingungen zeigt: (a) nor­ maler Betriebsmodus, wenn kein Zielgas vorhanden ist; (b) normaler Betriebsmodus, wenn Zielgas vorhanden ist; (c) Kontroll-Scan, wenn kein Zielgas vorhanden ist; (d) Kontroll-Scan, wenn Zielgas vorhanden ist;

Fig. 3 den Verlauf des 2f : 1f-Quotienten bei einem laserdioden­ gestützten Gassensor mit offener Meßstrecke während eines Scans mit Startpuls zur Synchronisation von Licht­ quellen- und Detektoreinheit bei Anwesenheit (a) und bei Abwesenheit (b) des Zielgases zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit bidirektio­ naler Datenübertragung zwischen Lichtquelleneinheit 1 und Detek­ toreinheit 2 über zwei Kommunikationskanäle 14, 15.

Die Lichtquelle 3 emittiert das Meßlicht und wird durch eine Lichtquellensteuerung 5 angesteuert, die die notwendigen Versorgungs­ parameter wie Strom, Spannung etc. an die Lichtquelle 3 liefert und die ihrerseits von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 in Form eines Prozessors gesteuert wird.

Das Meßlicht durchquert die offene Meßstrecke 13 und wird von einem Detektor 4 in der Detektoreinheit 2 registriert. Das Meß­ signal des Detektors 4 wird in der Aufbereitungseinrichtung 12 elektrisch vorverarbeitet; diese Vorverarbeitung kann aus einer Strom-Spannungswandlung, einer Vorverstärkung, einer Demodula­ tion, einer Analog-Digital-Wandlung usw. bestehen. Das vorver­ arbeitete Signal wird schließlich zu einer Steuer- und Auswerte­ einrichtung 11 in Form eines Prozessors geleitet, der die Auswertung der Daten vornimmt und insbesondere aus diesen Daten die Gaskonzentration des Zielgases in der Meßstrecke 13 ermittelt.

Die Kommunikationskanäle 14 und 15 zum bidirektionalen Daten­ austausch zwischen Lichtquelleneinheit 1 und Detektoreinheit 2 werden durch eine Sendereinrichtung 7 in Form einer Lichtquelle samt Ansteuerungsschaltung und eine erste Empfängereinrichtung 8 in Form eines Detektors, sowie durch eine Sendereinrichtung 10 in Form einer Lichtquelle samt Ansteuerungsschaltung und eine zweite Empfängereinrichtung 9 in Form eines Detektors gebildet. Der Datenaustausch wird von den gleichen Steuer- und Auswerte­ einrichtungen 6 und 11 in der Lichtquelleneinheit 1 und der Detektoreinheit 2 gesteuert, die auch die Lichtquelle 3 bzw. den Detektor 4 ansteuern bzw. auslesen und auswerten.

Alternativ ist es möglich, anstelle von optischen Sendereinrich­ tungen 7, 10 und Empfängereinrichtungen 8, 9 entsprechende Sen­ dereinrichtungen 7, 10 und Empfängereinrichtungen 8, 9, die mit Funksignalen arbeiten, einzusetzen.

Gemäß Fig. 1 justiert sich der Gassensor automatisch, indem die optischen Führungselemente der Lichtquelleneinheit 1 und der Detektoreinheit 2 durch elektrische Ansteuerung justierbar sind, d. h. weil die entsprechenden optischen Führungselemente mit einer elektrisch ansteuerbaren Justagevorrichtung versehen sind. Beispielsweise besteht die Optik von Lichtquellen- und Detektor­ einheit 1 und 2 jeweils aus einem gekrümmten Spiegel 23, 24 und einem planen Spiegel 21, 22, und alle vier Spiegel sind unabhän­ gig voneinander justierbar.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Inbetriebnahme des Gassensors wesentlich vereinfacht, da die optische Justie­ rung von Lichtquelleneinheit 1 und Detektoreinheit 2 so vorge­ nommen werden kann, daß zunächst nur eine grobe Ausrichtung erfolgt, so daß der Detektor 4 überhaupt Meßlicht von der Licht­ quelle 3 empfängt. Die notwendige Feineinstellung zur Optimierung der optischen Ausrichtung wird dann mittels der Justage der Spiegel 21, 22, 23, 24 von dem Gassensor automatisch vorgenom­ men, indem die Steuer- und Auswerteeinrichtungen 6 und 11 ent­ sprechend ausgelegt werden, daß sie optimierende Suchläufe durchführen können, die zu einer optimalen Einstellung der Spie­ gel und damit zu einem optimalen Meßsignal des Detektors 4 füh­ ren. Eine solche Feinjustage kann z. B. so durchgeführt werden, daß die Spiegel 21, 23 der Lichtquelleneinheit 1 ein zuvor defi­ niertes Bewegungsmuster durchlaufen, durch welches das Licht des Meßlichtstrahls den Detektor 4 überstreicht. Durch die Sender­ einrichtung 10 und die Empfängereinrichtung 9 kann die Detekto­ reinheit 2 der Lichtquelleneinheit 1, nämlich deren Steuer- und Auswerteeinrichtung 6, mitteilen, zu welchem Zeitpunkt das Emp­ fangssignal optimal war, also bei welcher Position beispiels­ weise die größte Intensität des Detektorsignals gemessen wurde. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 kann dann diese Position reproduzieren, um anschließend beispielsweise ein zweites Bewe­ gungsmuster der optischen Führungselemente der Lichtquellenein­ heit 1 zu initiieren, um sich so iterativ an eine optimal ausge­ richtete Position der optischen Führungselemente der Lichtquel­ leneinheit 1 heranzutasten. Anschließend können sich die opti­ schen Führungselemente der Detektoreinheit 2, nämlich die Spie­ gel 22 und 24 ebenfalls automatisch iterativ justieren, um einen optimalen Strahlengang und eine maximale Meßlichtintensität auf dem Detektor 4 zu erzielen.

Alternativ ist es auch möglich, jeweils die optischen Führungs­ elemente von Lichtquelleneinheit 1 und Detektoreinheit 2 als Ganzes zu justieren, wobei die relative Ausrichtung der opti­ schen Führungselemente zueinander, also in Fig. 1 die Ausrich­ tung der Spiegel 21 zu 23 und 22 zu 24, unberührt bleibt.

Mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, die beschriebene automatische Justage des Systems nicht nur bei der ersten Inbetriebnahme, sondern im Fall einer Dejus­ tage des Gassensors auch während des Betriebs durchzuführen, damit nötigenfalls eine notwendige Nachjustage automatisch durchgeführt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, den Gassensor so zu konstruieren, daß mit dem Meßlicht selbst zusätzliche Daten von der Lichtquelleneinheit 1 zu der Detektoreinheit 2 übertragen werden, indem die Lichtquelle 3 geeignet moduliert wird. Die Möglichkeit kann dadurch realisiert werden, daß in Fig. 1 beispielsweise die Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 vorbereitet ist, so daß sie über die Lichtquellensteuerung 5 die Lichtquelle 3 geeignet modulieren kann. Im Falle der laser­ diodengestützten Derivativspektroskopie sind die Daten dem an­ steuernden Laserdiodenstrom aufgeprägt, und in der Laserdiode wird diese Strommodulation wieder in eine Amplitudenmodulation des Meßlichts umgewandelt, welche von dem Detektor 4 registriert und von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 11 dekodiert und ausgewertet werden kann.

So ist es z. B. möglich, bei der Derivativspektroskopie in Ver­ bindung mit einer Laserdiode das Meßlicht so zu modulieren, daß die Intensität des Laserlichts am Ort des Detektors 4 als Funk­ tion der Zeit a priori einen 2f-Anteil enthält, wie er üblicher­ weise allein durch das Vorhandensein des Zielgases innerhalb der Meßstrecke 13 erzeugt würde. Die Fig. 2(a) bis 2(d) zeigen schematisch den 2f : 1f-Quotienten wie er während eines Scans gemessen wird: Im normalen Betriebsmodus ist das Laserlicht rein sinusförmig mit der Frequenz f moduliert, so daß das von dem Detektor 4 empfangene Signal bei Abwesenheit des Zielgases kei­ nen oder nur einen sehr geringen 2f : 1f-Anteil aufweist (siehe Fig. 2(a)). Bei Anwesenheit des Zielgases in der offenen Meß­ strecke 13 entsteht ein charakteristischer Verlauf des 2f : 1f- Quotienten während eines Scans, aus dem auf die Gaskonzentration geschlossen werden kann (siehe Fig. 2 (b)). Mit der Möglichkeit, Daten zwischen Lichtquellen- und Detektoreinheit 1, 2 auszutauschen, ist es möglich, zu beliebi­ gen Zeitpunkten einen sogenannten Kontroll-Scan auszusenden:
hierbei wird - im Gegensatz zum normalen Betriebsmodus - schon der Laserdiodenstrom selbst mit einem geeigneten 2f-Anteil be­ aufschlagt. Dieser 2f-Anteil des Laserdiodenstroms ist während eines Scans nicht konstant, sondern wird derart variiert, daß der 2f : 1f-Quotient des Laserdiodenstroms eine Form hat, die bis auf einen konstanten Faktor dem Verlauf des 2f : 1f-Quotienten aus Fig. 2 (b) entspricht. Damit erfährt das emittierte Laserlicht von vornherein eine Amplitudenmodulation, die so ausgeprägt ist, daß das gemessene Signal in der Detektoreinheit 2 von der Steu­ er- und Auswerteeinrichtung 11 als Gaskonzentration fehlinter­ pretiert werden muß, auch wenn kein Zielgas in der Meßstrecke 13 vorhanden war.

Die Fig. 2(c) und 2(d) illustrieren den Kontroll-Scan. Bei Abwesenheit des Zielgases entspricht der gemessene 2f : 1f-Quo­ tient des Detektorsignals dem Vorhandensein des Zielgases einer bestimmten Konzentration (Pseudo-Gaskonzentration, siehe Fig. 2(c)). Diese Pseudo-Gaskonzentration kann zuvor über die Ska­ lierung des 2f-Anteils des Laserdiodenstroms frei gewählt wer­ den. Bei Anwesenheit des Zielgases (Fig. 2 (d)) addiert sich der gasbedingte Meßeffekt zu dem 2f : 1f-Quotienten des Kontroll- Scans, so daß der Gasdetektor insgesamt eine Konzentration mißt, die der Summe der Gaskonzentration und der Pseudo-Gaskonzentra­ tion entspricht. Durch die mit dem wie beschrieben ausgestalte­ ten Gassensor gegebene Möglichkeit, einen solchen Kontroll-Scan zu einem beliebigen Zeitpunkt zu initiieren, ist es zum einen möglich, in regelmäßigen Abständen die Meßbereitschaft des Gas­ sensors zu überprüfen. Dazu kann z. B. die Bedingung überprüft werden, ob die während eines Kontroll-Scans gemessene Gaskonzen­ tration mindestens so groß wie die zuvor gewählte Pseudo-Gaskon­ zentration ist, da ansonsten eine Betriebsstörung vorliegt.

Weiterhin kann die beschriebene Verfahrensweise mit einem Kon­ troll-Scan dazu benutzt werden, um die Kalibrierung des Gassen­ sors zu kontrollieren. Zur Kalibration kann die Tatsache ausge­ nutzt werden, daß die nach dem Initiieren eines Kontroll-Scans gemessene Gaskonzentration so groß sein muß wie die Summe aus der gewählten Pseudo-Gaskonzentration und der Gaskonzentration, die unmittelbar vor der Initiierung des Kontroll-Scans im norma­ len Betriebsmodus registriert wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, liegt eine Störung des Gassensors oder eine fehlerhafte Kalibrierung vor.

Die Möglichkeit, mit dem Meßlicht zusätzliche Daten von der Lichtquelleneinheit 1 zu der Detektoreinheit 2 zu übertragen, kann dazu genutzt werden, den oben beschriebenen Startpuls zur Synchronisation durch eine geeignete Modulation des Meßlichts zu realisieren, wie es in Fig. 3(a) und (b) schematisch darge­ stellt ist. Zu Beginn eines Scans wird die Lichtquelle 3 durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung 6 so angesteuert, daß ein kurzzeitig sehr starker Wert des 2f : 1f-Quotienten mit einer charakteristischen Pulsform 25 erzeugt wird, der von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 11 in der Detektoreinheit 2 in dem De­ tektorsignal identifiziert werden kann und bei der Auswertung der Meßsignale zur Synchronisation verwendet werden kann.

Claims (6)

1. Gassensor mit offener optischer Meßstrecke zur optischen Messung wenigstens einer Gaskomponente, mit einer Lichtquelleneinheit und einer Detektoreinheit, zwischen denen sich die optische Meßstrecke erstreckt, und mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, wobei

• - die Lichtquelleneinheit eine Lichtquelle und optische Führungselemente zur Aussendung eines Meßlichtstrahls zur Detektoreinheit aufweist,
• - die Detektoreinheit einen Detektor enthält, der bei Ausrichtung im Strahlengang des Meßlichtstrahls die Intensität von Licht aus dem Meßlichtstrahl erfaßt und
• - die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, auf Grundlage des Meßsignals des Detektors ein Maß für die Konzentration der zu untersuchenden Gaskomponente zu bestimmen,
• - die Lichtquelleneinheit mit einer Sendereinrichtung versehen ist, die mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung in der Lichtquelleneinheit in Verbindung steht und
• - die Detektoreinheit mit einer Empfängereinrichtung versehen ist, die mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung in der Detektoreinrichtung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Detektoreinheit (2) zusätzlich mit einer Sendereinrichtung (10) versehen ist, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) in der Detektoreinheit (2) in Verbindung steht,
• - die Lichtquelleneinheit (1) zusätzlich mit einer Empfängereinrichtung (9) versehen ist, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (6) in der Lichtquelleneinheit (1) in Verbindung steht, so daß ein direkter, bidirektionaler Datenaustausch zwischen Detektoreinheit (2) und Licht­ quelleneinheit (1) ermöglicht ist,
• - die optischen Führungselemente (21, 23) in der Lichtquelleneinheit (1) mittels elektrischer Ansteuerung in ihrer Ausrichtung verstellbar sind,
• - weitere optische Führungselemente (22, 24) in der Detektoreinheit (2) vorhanden sind, die mittels elektrischer Ansteuerung in ihrer Aus­ richtung verstellbar sind und
• - die Steuer- und Auswerteeinrichtungen (6, 11) so ausgelegt sind, um unter Ausnutzung der Datenübertragung zwischen der Lichtquelleneinheit (1) und der Detektoreinheit (2) eine optimale optische Justage durch Steuerung der Ausrichtung der optischen Führungselemente (21, 23; 22, 24) automatisch vorzunehmen.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar aus Sender- und Empfängereinrichtung (7, 8; 10, 9) in der Lichtquellenein­ heit (1) und der Detektoreinheit (2) zur drahtlosen Datenübertragung ausgebildet ist.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar aus zusammenwirkender Sender- und Empfängereinrichtung (7, 8; 10, 9) zur drahtlosen Datenübertragung eine Lichtquelle und einen auf das Licht der Lichtquelle anspre­ chenden Sensor aufweist.

4. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar aus zusammenwirkender Sender- und Empfängereinrichtung (7, 8; 10, 9) eine Kabel­ verbindung aufweist.

5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelverbindung ein elektrisch leitfähiges Kabel oder ein Lichtleiterkabel aufweist und daß die Sendereinrichtung (7, 10) elektrische Signale oder Lichtsignale sendet und die Empfängereinrichtung (8, 9) auf elektrische oder auf Lichtsignale anspricht.

6. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderein­ richtung (7) in der Lichtquelleneinheit (1) und die Empfängereinrichtung (8) in der Detektoreinheit (2) dadurch realisiert sind, daß die Steuer- und Auswerte­ einrichtung (6) in der Lichtquelleneinheit (1) so ausgelegt ist, daß sie über eine Lichtquellensteuerung (5) die Frequenz und/oder Amplitude des von der Licht­ quelle (3) emittierten Lichts moduliert, um Daten von der Lichtquelleneinheit (1) zu der Detektoreinheit (2) zu übertragen, und die Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) in der Detektoreinheit (2) entsprechend ausgelegt ist, um die Modulation des Meßlichtstrahls zu demodulieren und dadurch die übertragenen Daten zu dekodieren.