DE2202969A1

DE2202969A1 - Vorrichtung fuer die Fernanalyse von Gasen

Info

Publication number: DE2202969A1
Application number: DE19722202969
Authority: DE
Inventors: Leonard Donald Allan
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1971-01-22
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1972-08-03
Also published as: IT948244B; IL38531A0; GB1337357A; IL38531A; FR2122520B1; FR2122520A1; SE373210B; US3723007A; CH564189A5; CA944581A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

D-8000 MÖNCHEN 81 ■ ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

Avco Corporation, Greenwich, Conn./USA

Vorrichtung für die Pernanalyse von Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Fernanalyse von Gasen, bei welcher eine intensive monochromatische Strahlungsquelle auf ein Ziel mit den Gasen gerichtet wird und die Raman-gestreute Strahlung mindestens einer ersten spezifischen Wellenlänge, welche von dem Ziel infolge der auftreffenden intensiven monochromatischen Strahlung zurückgeworfen wird, mit einer Erfassungseinrichtung erfaßt wird.

Eine Pernabtastung von Gasen in in die Atmosphäre abgegebenen Abgasen wurde bisher mit einer Vorrichtung durchgeführt, mit welcher Impulse einer intensiven Laserstrahlung von einer entfernten Übertragungsstelle auf

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das Abgas gerichtet wurde. Die von dem Gas rückgestreute Strahlung wird erfaßt und fernanalysiert, um wenigstens einige der Gaskomponenten des Abgases zu identifizieren. Die Rückstreuung ist eine Raman-Streuung und zeigt somit Raman-verschobene Wellenlängen, welche charakteristisch für verschiedene Gase sind. Die Auswahl der gestreuten Strahlung entsprechend der Wellenlänge an einer Empfängerstelle und die Messung der Intensität der ausgewählten Strahlung ergibt eine Identifizierung des bestimmten Gases und eine Anzeige der relativen Konzentration jeden Gases in dem Abgas. In dieser Vorrichtung neigt die reflektierte Strahlung von dem Laser, welche in dem Empfänger eintrifft, zum Verdecken der in den Empfänger eintretenden Raman-gestreuten Strahlung. Dies wird in dieser Vorrichtung dadurch kompensiert, daß die reflektierte Laserstrahlung am Empfänger absichtlich ausgewählt erfaßt wird, und daß ein die Intensität dieser Strahlung darstellendes bewertetes Signal von der Messung der Intensität der ausgewählten Raman-gestreuten Strahlung am Empfänger subtrahiert wird. Die Bewertung wird empirisch bestimmt. So ist der Abgleich und die Bestimmung der Bewertung für jede Gaskomponente Ungenauigkeiten und Näherungen ausgesetzt. Weiter wird ein zuverlässiger Abgleich für jede Gaskomponente nur dadurch erreicht, daß diese mit jeder bestimmten Komponente bekannter Konzentration in einer bekannten Entfernung von dem Übertrager und Empfänger geprüft und verglichen wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung für die Pernanalyse von Gasen zu schaffen, bei welcher eine Verdeckung der Raman-gestreuten Strahlung durch reflektierte intensive monochromatische Strahlung am Empfänger vermieden wird.

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Dieses Ziel wird mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Filter für die Strahlung in dem Weg zwischen dem Ziel und der Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, welches so aufgebaut ist, daß es die Raman-gestreute Strahlung zu der Erfassungseinrichtung überträgt und verhindert, daß Strahlung mit der gleichen Wellenlänge wie die Strahlung von der Strahlungsquelle die Erfassungseinrichtung erreicht.

Ein Zweck der Fernüberwachung von Abgasen und insbesondere verschmutzenden Abgasen besteht unter anderem darin, die Komponenten des verschmutzenden Gases und ihre Konzentrationen in dem Abgas zu identifizieren und auch die Stelle der Abgasabgabe zu bestimmen. Hierzu wird durch Elevation, Azimuth und Entfernung des Abgases relativ zu der bekannten Stelle des Übertragers die Stelle der Verschmutzung identifiziert. Elevation und Azimuth definieren klar die Richtung des gepulsten Laserstrahls. Die Entfernungsbestimmung wird weniger einfach. Entsprechend wird die Erfindung weiter mit einer Einrichtung zum Erstellen der grundlegenden Parameter versehen, welche erforderlich sind zur Bestimmung der Entfernung zu den die in den Empfänger eintretende Raman-gestreute Strahlung erzeugenden Gasen.

Bei der Ausführung der Erfindung werden intensive Impulse einer Laserstrahlung auf ein gasförmiges Ziel, wie z.B. Verbrennungsprodukte, Wasserdampf in der Atmosphäre, Abgabe von Industrieprozessen und dgl. gerichtet, welche eine von diesen rückgestreute Raman-Strahlung ergeben, in deren Weg ein Empfänger zweckmäßig an der gleichen Stelle wie die Strahlungsquelle für die Laserimpulse angeordnet wird. In dem Empfänger wird die Strahlung gefiltert, um die

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reflektierte Laserstrahlung abzublocken und hierdurch von der Raman-rückgestreuten Strahlung zu trennen, welche über die Wellenlänge getrennt, erfaßt und integriert wird. Die Integration erfolgt während Intervallen, welche gegenüber dem die Rückstreuung erzeugenden Laserimpuls zeitlich getrennt oder verschoben sind. Jedes Integral stellt die Konzentration einer gegebenen Gaskomponente dar, und die Zeittrennung ist repräsentativ für die Entfernung zu dem Abgas.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind besondere Ausflihrungsbeispiele der Erfindung in der Zeiohnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Pernanalysevorrichtung zum Bestimmen der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in einer bestimmten Entfernung,

Fig. 2 die Darstellung einer aufgenommenen Strahlungsfilterdurchlässigkeit über der Wellenlänge, welche die vernachlässigbare Durchlässigkeit für die Wellenlänge der reflektierten Laserstrahlung zeigt,

Fig. 3 ein schematisohes Blockschaltbild einer anderen AusfUhrungsform zum schnellen Bestimmen der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in einer Mehrzahl von Entfernungen,

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer AusfUhrungsform zum schnellen Bestimmen der Konzentration einer Mehrzahl von Gaskomponenten in einer Mehrzahl von Entfernungen,

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Pig. 5 eine Skala, welche die Raman-gestreuten Wellenlängen für im Zusammenhang mit der Luftverschmutzung interessierende Gasarten zeigt, wenn die auftreffende Laserstrahlung von einem gepulsten St-ickstofflaser mit der Wellenlänge 3371 Ä kommt,

Pig. 6 eine. Darstellung des Ausgangs der Erfassungseinrichtung für die Rückstreuung im Empfänger über der Wellenlänge für eine einer Stickstofflaserstrahlung mit 3371 Ä ausgesetzte SO₂-CO₂ Mischung, welche die Messung von SO₂ bei vorhandenem CO₂ zeigt,

Pig. 7 eine Darstellung des Ausgangs der Erfassungseinrichtung für die Rückstreuung im Empfänger (Fotovervielfacher) über der Wellenlänge für eine Stickstofflaserstrahlung mit 3371 8 ausgesetzte Luft, welche die Raman-gestreute Strahlung von O₂ und N₂ bei ihren charakteristischen Raman-verschobenen Wellenlängen zeigt, und

Pig. 8 eine Darstellung, welche einen zur Überwachung verschmutzender Abgase an einer entfernten Stelle aufgebauten Laserübertrager- und -empfänger zeigt.

Wenn z.B. amtosphärische Qasarten (Komponenten) von Laserstrahlung angestrahlt werden, tritt eine Raman-Wellenlängenverschiebung auf, mit dem Ergebnis, daß die resultierenden Spektrallinien kennzeichnend für die im Wege des Laserstrahls liegenden Molekülarten sind. Die Raman-verschobene Wellenlänge unterscheidet so jede Oaskomponente von der anderen, und die verschobenen Wellenlängen können unterschieden werden von der intensiveren Laserstrahlreflexion und der Rayleigh-Streuung, welche die Wellenlänge nicht verschiebt. Die Raman-Streutechnik, wie sie hier für Fernüberwachung von Oas ver-

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wendet wird, ermöglicht eine in weitern Bereich aufgelöste Messung atmosphärischer Komponenten in bezug auf sowohl die Arten als auch Konzentrationen von einem entfernten Ort aus.

Obwohl auch andere Laser verwendet werden können, ist der in den AusfUhrungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Laser ein ultraviolett gepulster Stickstofflaser mit 3371 fi, welcher als Hauptoszillatorleistungsverstärker bezeichnet und im folgenden auch MOFA (master oscillator power amplifier) genannt werden wird. In dem MOPA wird ein kleiner gepulster Stickstofflaser als Oszillator zur Erzeugung von Impulsen mit relativ geringer Spitzenleistung,etwa 10 kW Spitzenleistung, verwendet. Der Strahl von dem Oszillator wird durch einen räumlichen Filter zur Wellentypsteuerung geleitet, welcher einen Strahl sehr geringer Divergenz erzeugt. Dieser Strahl wird in einer zweiten größeren Lasereinheit verstärkt, welche mit dem Oszillator auf wenigstens eine Nanosekunde genau synchron gepumpt wird.

Der Ausgang des MOPA wird durch ein Interferenzfilter geschickt, welches für das Durchlassen einer schmalen Linie, der 3371 Ä Linie, und zum Abblocken von Eigenemissionslinien aus der Stickstoffentladung ausgelegt ist, Der MOPA oder Laser ist in Fig. 1 dargestellt und allgemein mit der, Bezugsziffer 10 bezeichnet. Dieser Laser umfaßt einen Oszillator und Verstärker 11, eine Energiequelle 12 und eine Triggerschaltung 13. Die Triggerschaltung leitet Laserimpulse mit einer Wiederholfrequenz von 100 Impulsen pro Sekunde und Jeweils 10 Nanosekunden Dauer ein. Ein Laserstrahl 16 wird durch ein Interferenifllter 14 gefiltert, welches die schmale Linie von 337I Ä durchläßt. Steuerspiegel I5 geben eine genaue Richtungssteuerung der aus dem Laser austretenden Impulse bzw. des Laserstrahls 16 und dienen zum Leiten des

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Laserstrahls und zu dessen Positionierung im Gesichtsfeld eines Teleskops 20 im interessanten Bereich.

Das Teleskop 20 stellt den Eingang zu einem allgemein mit der Bezugsziffer 21 bezeichneten Empfängersystem dar. Das Teleskop ist ein Newton¹sches Teleskop, welches einen Spiegel 22 mit 25,4 cm (10 Zoll) Durchmesser und 152 cm Brennweite enthält. In dem Teleskop richtet ein Spiegel zum Steuern im Brennpunkt die eintretende Strahlung zu einem Okular 24 oder einem Monochrometer 25. Das Okular wird dazu verwendet, um das Teleskop auf das Ziel auszurichten. Das Monochrometer kann ein Jarrel-Ash 1/4 Meter Monochrometer mit einer Auflösung von 17 8 pro Millimeter sein. Es überträgt ungefähr 20Ji des Ultraviolett-Berelchs und weist Streulicht im Verhältnis von etwa 10"' zurück.

Eine Linse 26 am Ausgangsschlitz des Monochrometers fokussiert den Ausgangsschlitz auf die Feldblende eines Potovervielfachers 27. Zwischen das Monochrometer 25 und den Fotovervielfacher 27 ist ein Filter 28 geschaltet, welches den Rest der von dem Monochrometer 25 durchgelassenen Strahlung mit 3371 A abblockt, aber die Raman-verschobene Strahlung durchläßt, welche charakteristisch für die beobachteten Oasarten ist. Das Filter 28 kann im wesentlichen irgendwo in dem optischen Weg des Empfängers angeordnet sein. Ein geeignetes Filter für diesen Zweck ist ein Flüssigkeitsfilter, welches eine Zelle mit Quarzwänden ist und eine Wasserlösung von 2,7-Dimethyl-3,6-Diazacyclohepta-l,6-Dienperchlorat enthält. Diese hat die Eigenschaft, für die 3371 fi Strahlung eine im wesentlichen vollständige isotropische Volumenhauptabsorp^tion durchzuführen, während sie nahezu völlig durchlässig für Wellenlängen von 3500 Ä und mehr ist. Der Zweck des Filters besteht darin, die 3371 fi

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Strahlung von dem Laser abzublocken, welche von dem Gas als Ziel, z.B. einer Rauchfahne reflektiert wird und welche das Monochrometer nicht vollständig abweisen kann.

Pig. 2 zeigt die Filterkennlinie Durchlässigkeit Über der Wellenlänge. Wie zu erkennen ist, ist die Durchlässigkeit über 5500 S besser als 80#, während sie unter 3400 Ä praktisch Null ist. Diese besondere oben definierte Wasserlösung ist eine einfache zyklische cyaninartige Farbe. Ähnliche Filter und ihre Abstimmungen sind in einem Aufsatz von M. Kasha, "Übertragungsfilter für Ultraviolett" im "Journal of the Optical Society of America", Band 38, Nr. 11 erläutert. Filter dieser Art werden vorzugsweise verwendet, da ihre Übertragungseigenschaften denen kommerziell erhältlicher Interferenzfilter weit überlegen sind.

Die Wirksamkeit des Filters mit der in Fig. 2 gezeigten Kennlinie wird noch besser verständlich, wenn man das Spektrum einer Raman-verschobenen gestreuten Strahlung von Gasarten betrachtet, wie sie gerne in einer Fahne aus verschmutzenden Abgasei auftreten. Fig. 5 zeigt das Spektrum einer Raman-verschobenen Strahlung für eine Anzahl von Gasarten, welche mit einer 3371 Ä Laserstrahlung beleuchtet werden. Die Gasarten umfassen Oo und Np, welche natürlich in allen atmosphärischen Abgasen vorhanden sind. Die relativen Intensitäten der zurückgestreuten 337I Ä Strahlung und der Raman-verschobenen Streuung von O₂ und Ng in der Atmosphäre sind in der in Fig. 7 aufgetragenen Kurve gezeigt. Diese Kurve ist aufgetragen, um den Ausgang des Fotovervielfaohers über der Wellenlänge zu zeigen. Die Streuungen von Og und Ng bei 3557 Ä bzw. 3658 Ä sind in der Höhe um mehr als drei Größenordnungen schwächer als die Rückstreuung bei 3371 Ä. Dies zeigt die Zweckmäßigkeit eines selektiven Abblockens der 3371 Ä Strahlung im Empfänger.

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Die Auflösung des Monochrometers bestimmt die Auflösung der verschiedenen Raman-gestreuten Linien von verschiedenen Oasarten« und sie bestimmt ebenfalls die Auflösung zwischen den Gasarten. Die Verwendung von Filtern vom Wassertyp wie hier beschrieben und mit Eigenschaften wie in Fig. 2 gezeigt, ermöglicht die Verwendung billiger Monochrometer, Welche nur eine Unterscheidung zwischen den verschiedenen Raman-Linien ermöglichen müssen. Eine typische Dunkelstromzählgeschwlndigkeit ist 200 Zählungen pro Sekunde. Wenn jedoch der Ausgang des Fotovervielfachers mit Torimpulsen von 100 Nanosekunden mit einer Geschwindigkeit von 100 Impulsen pro Sekunde gesteuert wird, ist die Dunkelstromzählung weniger als 2 χ 10*"^ pro Sekunde. Dies zeigt die wesentliche Verringerung der Dunkelstromzählung, welche durch eine solche Steuerung des Ausgangs des Fotovervielfachers erreicht werden kann, daß der Ausgang nur die Raman-gestreute Strahlung von einer gegebenen Gasart in einer gegebenen Entfernung von dem Laser darstellt. Die Entfernungsabgrenzung ist in einem solchen Steuerverfahren in sich enthalten, weil der Empfängerausgang tatsächlich in einem Intervall betrachtet werden muß, welches im Zusammenhang mit dem Laserimpulsintervall als Intervall für die Entfernung stehen muß. Wenn das Torimpulsintervall mit dem Laserimpulsintervall zusammenfällt, 1st die Entfernung Null. Wenn es um 100 Nanosekunden gegenüber dem Laserimpuls verzögert ist, 1st die Entfernung 15 m usw. So ist die Wirkung der Steuerung des Ausgangs des Fotovervielfachers 24 zweifach. Sie verringert wesentlich die Dunkeldtromimpulse von dem Fotovervielfacher und sie begrenzt den Ausgang auf eine bestimmte Entfernung. Zu diesem Zweck wird der Ausgang des Fotovervielfachers, welcher aus die auftreffenden Photonen der Raman-gestreuten Strahlung darstellenden elektrischen Impulsen besteht, durch eine elektronische Schaltung, welche allgemein mit der Bezugsziffer

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bezeichnet ist, gesteuert und gezählt. Diese Schaltung spricht auf ein Triggersignal von der Triggerschaltung I3 des Lasers an. Die Triggersignale werden durch eine Verzögerungseinrichtung 3I verzögert, welche die Entfernung bestimmt, und einem Generator 32 für Torimpulse zugeführt, welcher die Triggerimpulse in z.B. 100 Nanosekunden lange Torimpulse formt. Diese Torimpulse werden zusammen mit dem Ausgang des Fotovervielfacher 27 einer UND-Schaltung 33 zugeführt, deren Ausgang einen Zähler 34 triggert« Der Zähler erzeugt so während des Intervalls eines Torimpulses als Zählung eine Zahl, welche die relative Konzentration einer bestimmten Gasart im Ziel anzeigt, wobei das Ziel durch die Richtung des Laserstrahls und die Entfernung durch die Verzögerungseinrichtung 3I bestimmt ist.

Das gleiche optische System wie in Fig. 1 gezeigt und oben beschrieben kann elektronisch so ausgerüstet sein, daß sich ein Mehrkanalempfänger ergibt, der Ausgänge erzeugt, welche die Konzentration einer bestimmten Gasart in mehreren Entfernungen vom Laser darstellen. Ein solches elektronisches System ist in Fig. 3 gezeigt. Hier wird der Ausgang von der Triggerschaltung I3 jedem von 10 Kanälen, welche mit 40 bis 49 bezeichnet sind, zugeführt und zwischen aufeinanderfolgenden Kanälen mit beispielsweise gleichen Verzögerungseinrichtungen 39 verzögert, deren Verzögerungszeiten Nanosekumden betragen können. So wird das Triggersignal von der Triggerschaltung I3 des Lasers mit jeweils 50 Nanosekunden Abstand den Kanälen 40 bis 49 oder mit einem Gesamtintervall von 500 Nanosekunden für 10 Kanäle zugeführt. Jeder der Kanäle, wie z.B. der Kanal 40 weist einen Generator 5I für Torimpulse auf, welcher auf den Triggerimpuls zur Erzeugung eines z.B. 30 Nanosekunden breiten Torimpulses anspricht. Dieser Torimpuls wird einer UND-Schaltung 52 in dem Kanal

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zugeführt, und der Ausgang des Potovervielfachers 27 wird ebenfalls zu der UND-Schaltung 52 geführt. So besteht der Ausgang der UND-Schaltung 52 aus Impulsen gleicher Amplitude und Dauer, von denen jeder einen Impulsausgang von dem Fotovervielfacher während des Intervalls des 30 Nanosekunden-Torimpulses darstellt. Diese Impulse werden durch eine Integrierschaltung I53 gezählt oder summiert, welche ein analoger Integrator oder Zähler sein kann. Die Integrierschaltung I53 erzeugt ein Ausgangssignal einer Größe, welche die Konzentration der bestimmten Gasart darstellt, wie sie durch das Monochrometer in der durch die Verzögerungseinrichtung 31 bestimmten Entfernung identifiziert worden ist. Ähnlich sind die Ausgänge von den Kanälen 41 bis 49 Signalhöhen, welche die Konzentrationen der gleichen Gasart in aufeinanderfolgenden Entfernungen mit Abständen von 7*5 m darstellen. Diese Ausgänge werden einem Registriergerät zum Vergleich mit Abgleichnormen und zur Analyse zugeführt. Eine Verwendung der sich ergebenden Aufzeichnung besteht darin, das Rauchfahnenprofil in bezug auf eine bestimmte Gasart zu bestimmen.

Es ist klar, daß die Breite des Ausgangsschlitzes des Monochrometers vergrößert oder verkleinert werden kann, um hierdurch entsprechend die Auflösung zwischen den Raman-gestreuten Strahlungslinien zu verkleinern oder zu vergrößern. Wenn der Ausgangsschlitz vergrößert wird, ist der Ausgang von dem Fotovervielfacher größer, und wenn er verkleinert wird, wird auch der Ausgang des Fotovervielfacher verkleinert. Sorgfältige Auslegung und ein sorgfältiger Betrieb des Systems erlauben eine Auflösung zwischen den Raman-gestreuten Linien von weniger als ein fi. Wie aus dem Spektrum einer Raman-verschobenen Strahlung aus einer Auswahl von typischen Gasarten w ie in Fig. 5 gezeigt, zu erkennen ist, unterscheidet sich

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die Raman-verschobene Linie für SOp von denjenigen für CO₂ und Np, und alle diese Linien unterscheiden sich von denjenigen für Qg und Ng. Ein typischer Fall ist die Erfassung von 1 % SOg bei Anwesenheit von 99 % COg, was ein typisches Verhältnis von Schwefel zu Kohlenstoff für Brennstoffe darstellt. 51g. 6 zeigt die Raman-Daten, wie man sie beispielsweise mit einer in Pig. I gezeigten Vorrichtung erhält. Wie aus Fig. 6 klar hervorgeht, ist SOg bei der Konzentrationshöhe von 1 % klar erfaßbar. Daher ist das System in Fig. 1 oder das System in Fig. 3 geeignet, eine bestimmte Gasart zu identifizieren oder wenigstens die Gesamtkonzentration einer Anzahl von Gasarten, welche für die Luftverschmutzung von besonderem Interesse sind, zu unterscheiden, ohne die immer vorhandenen Gase Og und Ng einzuschließen. Weiter ermöglicht es die Elektronik in Fig. 3, daß mit dem System Fahnenprofile mit wesentlich geringerer Integrationszeit als bei einem Einkanalsystem mit variabler Eingangsverzögerung erforderlich bestimmt werden können. Mit dem in Fig. 3 gezeigten System werden alle Entfernungen oder Bereiche von Interesse gleichzeitig geprüft, und jeder Laserimpuls erzeugt ein aufgenommenes Signal, welches die Konzentration der ausgewählten Gasart in allen interessierenden Entfernungen anzeigt.

Eine Reihe von Monochrometern, welche eine Reihe von Fotovervielfachern in den in Fig. 1 und 3 gezeigten Systemen einspeisen, können verwendet werden, um ein Raman-gestreutes Rücksignal von einer Anzahl verschiedenen Gasarten wie SOg, NOg und CO, welche die schlimmsten Luftverschmutzer sind, zu erhalten. Alle diese ftrten können in bezug auf Konzentration und Entfernung geprüft werden. Für jede Gasart wäre dann ein getrennter Kanal erforderlich, welcher Jeweils auf den Ausgang der verschiedenen Fotovervielfacher in Fig. 1 gezeigt anspricht, welche auf den Ausgang jedes Fotovervielfachers, wie in Fig. 3 gezeigt,

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ansprechen. Es wäre hler ein Vorteil, die Oasarten O₂ oder Ng zu prüfen, welche in atmosphärischen Abgasen in bekannten Konzentrationen vorhanden sind. DerAusgang des Kanals für die bekannten Gasarten O₂ und N₂ würde als Norm dienen, mit welchem die Ausgänge der Kanäle für die anderen Qasarten verglichen würden. Dieser Vergleich würde eine Messung der.Konzentrationen der unbekannten Gasarten relativ zu den bekannten ergeben. Ein PernUberwachungssystem, das eine solche Norm aufweist, mit welcher die Ablesungen für bestimmte Gasarten unbekannter Konzentrationen verglichen werden, ist in Fig. 4 gezeigt. Hier kann das Übertragungssystem einschließlich des gepulsten Lasers 11, der Laserenergiesteuerung oder Energiequelle 12, des Interferenzfilters 14 und des Steuerspiegels 15 für den Laserstrahl das gleiche wie oben in bezug auf die Systeme in Pig. 1 beschrieben sein. In dem Empfängersystem 21 ljggt ein Newton¹sches Teleskop 20 im Weg der gestreuten Strahlung, welche durch den steuernden Spiegel 23 in dem Teleskop auf ein Spektrometer 5J5 gerichtet wird. Ein Filter 128 in Art eines FlUssigkeitsfilters zwischen dem Spektrometer und dem Teleskop dient dem gleichen Zweck wie das Filter 28 in den Ausführungsformen in Fig. 1 und 3 und kann somit die gleichen Eigenschaften wie in Fig. 2 dargestellt haben. Das Spektrometer 53 trennt die Raman-gestreute Strahlung entsprechend der Wellenlänge und kann hierzu mit einem Prisma oder einem Beugungsgitter ausgerüstet sein. Das Spektrometer mit einem Prisma umfaßt im optischen System einen Eingang und einen Ausgang, welche die gestreute Strahlung vor dem Eintreten in das Prisma parallel machen und die Strahlung von dem Prisma auf mit Abstand angeordnete Schlitze fokussiert, von denen jeder eine andere Wellenlänge und somit eine andere Oasart identifiziert. Die Strahlung von jedem der Schlitze wird von Jeweils einem getrennten Fotovervielfacher erfaßt.

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In einem Spektrometer mit Beugungsgitter wird das Licht von dem Teleskop parallel gemacht und auf ein gekrümmtes Beugungsgitter gerichtet, welches das Licht entsprechend den Wellenlangen trennt und es auf mit Abstand angeordnete Schlitze richtet, welche die Wellenlängen und damit die Oasarten identifizieren. Das in Fig. 4 dargestellte Spektrometer kann von einer dieser beiden gnindlegenden Arten sein, und richtet so Strahlung längs drei getrennten Wegen 54, 55 und 56 zu Feldblenden 57', 58' und 59' von Potovervielfachern 57* 58 bzw. 59· So erfassendie Fotovervielfacher jeweils eine andere Wellenlänge der Raman-gestreuten Strahlung und erfassen somit die gestreute Strahlung verschiedener Gasarten. Das optische System kann beispielsweise so entworfen sein, daß Fotovervielfacher 57, 58 und 59 gestreute Strahlung von den Gasarten SO₂, NO₂ bzw. N₂ erfassen. Die Ausgänge der Fotovervielfacher werden über Impulsintervalle integriert, welche mit dem Intervall eines Laserimpulses in Beziehung stehen. FUr jeden Ausgang ist eine Mehrzahl von Kanälen vorgesehen, von welchen jeder ein Signal erzeugt, welches der Konzentration der bestimmten Gasart in einer bestimmten Entfernung entspricht. So wird der Ausgang jedes Fotovervielfacher durch mehrere Entfernungskanäle wie in Fig. 3 gezeigt, verarbeitet, und es können Fahnenprofile jedes bestimmten Gases oder jeder Gasart folgend einem einzigen Impuls von dam Laser gemessen bzw. erzielt werden. Zu diesem Zweck wird der Ausgang des Fotovervielfachers 57* welcher die Konzentration von SO₂ im Zielbereich darstellt, Jedem von Kanälen 60 bis 69 zugeführt. Die Verzögerungseinrichtung 31 am Eingang zu dem Kanal 60 und Verzögerungseinrichtung 71 an den Eingängen zu jedem der Kanäle dienen zur Verzögerung des Triggersignals von der Triggerschaltung I3 für den Laser, welches einem Generator für Torimpulse in Jedem Kanal zugeführt wird. Die in den aufeinanderfolgenden Kanälen 60 bis 69 erzeugten Torimpulse definieren so aufeinanderfolgende Entfernungsbereiche wie in dem System

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in Fig. 3. Wenn z.B. alle Verzögerungseinrichtungen Verzögerungen von 100 Nanosekunden ergeben, nimmt die Entfernung jeweils um I5 m von Kanal zu Kanal zu. Die Kanäle 60 bis 69 können wie die Kanäle 40 bis 49 in Fig. 3 aufgebaut sein und einem Registriergerät 72 für SO₂ Signale zuführen, welche das Fahnenprofil für SO₂ in einem bestimmten Raum anzeigen.

Xhnlich wird der Ausgang des Fotovervielfachers 58, welcher die Konzentration von NO₂ darstellt, Kanälen 80 bis 89 zugeführt, welche Signale zu einem Registriergerät 102 für NOg führen. Der Ausgang des Fotovervielfachers 59* welcher die Konzentration von Np in mehreren aufeinanderfolgenden Entfernungsbereichen darstellt, wird Kanälen 90 bis 99 zugeführt, welche ein Registriergerät 112 für N₂ steuern. Die aufgezeichneten Konzentrationen von N₂ können als Norm oder Vergleichsbasis dienen, weil sie in ihrer Größe in der Abgabe von Verbrennungsgasen in die Atmosphäre bekannt sind. Da die gestreuten Raman-Strahlungen von den drei Gasarten gleichzeitig über im wesentlichen die gleichen optischen Wege (mit Ausnahme der Fotovervielfacher) abgetastet werden, können die von dem Registriergerät 112 aufgezeichneten Signale für das Normgas als Abgleich für alle aufgezeichneten Signale verwendet werden.

Die gleichzeitige Messung von CO₂, SO₂ und NO kann dazu verwendet werden, um unzweideutig das Verhältnis von SO₂ zu COg und NO zu CO₂ unabhängig von der Ubertragungsleistung, den optischen Übertragungseigenschaften des optischen Weges und der Fahne oder der Menge übermäßiger Verdünnungsluft zu erhalten. So können durch Verwendung der beschriebenen Vorrichtungen die Verhältnisse S0₂/C0₂ und NO/CO₂ leicht gemessen und dazu verwendet werden, eine Norm für Verschmutzungsbestimmungen aufzustellen, welche

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wie oben erwähnt, unabhängig von der Verdünnung der Abgase, den Übertragungsverlusten oder der Übertragungsleistung ist.

Jeder der Kanäle 80 bis 89 und Jeder der Kanäle 90 bis 99 umfaßt den Generator in dem entsprechenden der Kanäle 60 bis 69. So ist der Generator II3 für Torimpulse im Kanal 6O, welcher der Eingang des Kanals 6O ist, auch der Eingang der Kanäle 8O und 90. Entsprechend sprechen die Kanäle 60, 8O und 90 auf den gleichen Torimpuls für die Entfernung an, und ihre Ausgänge zeigen die Konzentration ihrer zugehörigen Gasarten in der jeweils gleichen gegebenen Entfernung an.

Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung weist eine Anzahl wichtiger Merkmale auf, die miteinander in Beziehung stehen und etwas voneinander abhängen. Z.B. wird die gestreute Strahlung für jede Gasart nur während des kurzen Intervalls eines kurzen Torimpulses für die Entfernung folgend einem Laserimpuls erfaßt und integriert. Dies verringert die Dunkelstromzählung in der Vorrichtung und stellt die Erfassung der Raman-gestreuten Strahlung in einer ausgewählten Entfernung sicher. Die Verteile der in Fig. k gezeig ten Vorrichtung bestehen wie bereits erwähnt darin, daß die getrennten Gasarten in jedem aufeinanderfolgender Entfernungsbereiche von dem Laser identifiziert werden können, und daß die Konzentration dieser Gasarten in jedem Bereich durch Vergleichen mit äquivalenten für N₂ oder andere Arten bekannter Konzentration aufgenommenen Signale bestimmt werden kann. So ermöglicht es die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung, daß das Profil eines verschmutzenden Abgases gleichzeitig für eine Anzahl verschiedener Gasarten durch Beleuchten des Abgases mit einem einzigen Laserimpuls gemessen oder bestimmt werden

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kann. In der Praxis werden jedoch wesentliche Ausgangssignale von den Kanälen erzeugt,wenn die Integration in jedem Kanal über eine Anzahl von Impulsen von dem Laser fortgesetzt wird. Die Anzahl von erforderlichen Impulsen zum Erreichen einer Ablesung wird unter anderem abhängen von der Laserleistung, der optischen und elektrischen Systemempfindlichkeit und von der Konzentration der Gase, welche erfaßt werden soll.

Fig. 8 zeigt eine Darstellung, in welcher ein Laserfernübertrager- und -empfänger 120 auf einem Sockel 121 aufgebaut ist, um die übertragene Laserstrahlung 122 auf eine aus einem Schornstein 124 austretende Rauchfahne 12j5 zu richten. Gestreute Strahlung 125 aller Art kehrt von der Rauchfahne zu dem Empfänger zurück und wird durch Systeme wie in Fig. 1, 3 oder 4 gezeigt, analysiert, um die Komponenten, Konzentrationen und Entfernungsbereiche der Rauchfahne zu bestimmen.

Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hier gezeigt und beschrieben worden sind, sollen die besten Verwendungen der Erfindung darstellen. Diese Ausführungsformen enthalten verschiedene Merkmale in verschiedenen Kombinationen, um die gestreute Strahlung von einem entfernten gasförmigen Ziel zu prüfen. Die im Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen beschriebene Vorrichtung hilft zum Bestimmen der Gasarten am Ziel, der relativen Konzentrationen verschiedener Gasarten am Ziel und der Entfernung bis zu dem Ziel. Bestimmte Ausflhrungsformen sind weiter verwendbar zum Bestimmen des Konzentrationsprofils einer gegebenen Gasart in einer Rauchfahne und zum Bestimmen dieses Profils gleichzeitig für

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eine Anzahl verschiedener Oasarten, so daß das Qualitätsprofil in der Gasfahne bestimmt werden kann. Die Information über die Entfernung ermöglicht es, die Stelle einer Luftverschmutzungsquelle zu bestimmen.

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Claims

Patentansprüche

^rlΛ Vorrichtung zur Pernanalyse von Gasen, bei welcher eine intensive monochromatische Strahlungsquelle auf ein Ziel mit den Gasen gerichtet wird und die Ramangestreute Strahlung mindestens einer ersten spezifischen Wellenlänge, welche von dem Ziel infolge der auftreffenden intensiven monochromatischen Strahlung zurückgeworfen wird, mit einer Erfassungseinrichtung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter für die Strahlung in dem Weg zwischen dem Ziel und der Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, welches so aufgebaut ist, daß es die Raman-gestreute Strahlung zu der Erfassungseinrichtung überträgt und verhindert, daß Strahlung mit der gleichen Wellenlänge wie die Strahlung von der Strahlungsquelle die Erfassungseinrichtung erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Wellenlänge der Ramani-gestreuten Strahlung größer als die Wellenlänge der Strahlung von der Strahlungsquelle ist.

J. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Wellenlänge die Wellenlänge der Raman-gestreuten Strahlung von einer bestimmten Gasart an dem Ziel im Ansprechen auf das Auftreffen der intensiven monochromatischen Strahlung von der Strahlungsquelle auf die Gasart ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet, daß in dem Strahlungsweg zwischen dem Ziel und der Erfassungseinrichtung eine Trenneinrichtung für Strahlung vorgesehen ist, und daß zum Er-

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fassen einer Raman-gestreuten Strahlung einer zweiten spezifischen Wellenlänge, welche von demZiel zurückgeworfen wird, eine zweite Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, wobei die Ausgänge der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung repräsentativ für die relativen Konzentrationen der verschiedenen Gase an dem Ziel sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der zweiten Erfassungseinrichtung eine Raman-gestreute Strahlung eines Gases erfaßbar ist, welches an dem Ziel in einer bekannten relativen Konzentration auftritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere weitere Erfassungseinrichtungen für gestreute Strahlung vorgesehen sind, deren Ausgänge die relativen Konzentrationen verschiedener Gase an dem Ziel darstellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Ausgang jeder Erfassungseinrichtung ansprechende Einrichtungen zum Bestimmen des Verhältnisses jedes Ausgangs zu einem für das Gas bekannter relativer Konzentration an dem Ziel repräsentativen Ausgang vorgesehen sind*

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gek ennzei chn e t, daß die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung, welche im Ansprechen auf eine auf sie auftreffende Strahlung ein Signal abgibt, eine Einrichtung, welche das Signal integriert und eine Einrichtung aufweist,welche das Integrationsintervall steuert.

9.Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die intensive Strahlung von der Strahlungsquelle

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gepulst ist und das gesteuerte Integrationsintervall zeitlich relativ zu einem Impuls der Strahlung von der Strahlungsquelle um ein Intervall verschoben ist, welches für die Entfernung der Strahlungsquelle zu dem Ziel maßgebend und anzeigend ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von Signalen im Ansprechen auf die auf sie auftreffende Strahlung, eine Einrichtung zum Integrieren dieser Signale und eine Einrichtung zum Steuern des Integrationsintervalls aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die intensive Strahlung von der Strahlungsquelle gepulst ist und das gesteuerte Integrationsintervall zeitlich relativ zu einem Impuls der Strahlung von der Strahlungsquelle um ein Intervall verschoben ist, welches für die Entfernung der Strahlungsquelle zu dem Ziel maßgebend und anzeigend ist, so daß die Ausgänge der integrierenden Einrichtungen die relativen Konzentrationen verschiedener Gasarten am Ziel in bestimmten Entfernungen von der Strahlungsquelle darstellen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g ek e η η zeichnet, daß die Einrichtung, welche im Ansprechen auf eine auf sie auftreffende Strahlung ein Signal erzeugt, ein Fotovervielfacher ist, und daß die integrierende Einrichtung derart aufgebaut ist, daß sie Signale von dem Fotovervielfacher über Intervalle summiert, welche in bezug auf einen Impuls von der Strahlungsquelle verzögert sind, wobei der Betrag der Verzögerung für die Entfernung der Strahlungsquelle zu dem Ziel maßgebend und anzeigend ist.

IjJ. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziel ein entfernte Abgabestelle

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für verschmutzendes Gas in die Atmosphäre ist, und die spezifische Wellenlänge die Wellenlänge der Raman-gestreuten Strahlung von einer spezifischen Gasart in der Gasabgabe im Ansprechen auf das Auftreffen der intensiven monochromatischen Strahlung von der Strahlungsquelle auf die spezifische Gasart ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1]5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von der Strahlungsquelle im ultraviolett-Bereich liegt, und daß das Filter für die Strahlung eine Hauptabsorptionseinrichtung für isotopisches Volumen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionseinrichtung Dimethyl, Diazäcycloheptan und Dienperchlorat enthält.

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