DE2452685C3 - Anordnung zur Überwachung eines Raumbereichs auf die Anwesenheit eines Gases - Google Patents

Anordnung zur Überwachung eines Raumbereichs auf die Anwesenheit eines Gases

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung eines Raumbereichs auf die Anwesenheit eines Gases mit einer Detektoreinrichtung, die einen Licht einer durch das Gas absorbierbaren Wellenlänge emittierenden Sender sowie einen photoelektrischen Empfänger aufweist, mit einem Satz von in dem Raumbereich verteilt angeordneten Reflektoren, welche einfallendes Licht des Senders jeweils zum Empfänger zurückwerfen, und mit einer Abtasteinrichtung zur aufeinanderfolgenden Beaufschlagung der Reflektoren mit dem Licht des Senders.
Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der Zeitschrift »Funkschau«, Jahrgang45, April 1973, Heft 8, S. 262. Mit einer derartigen Anordnung ist eine exakte Lokalisierung einer Verunreinigungsqueüe jedoch nicht möglich.
Weiterhin ist aus der US-PS 37 68 908 eine Vorrichtung zur Ermittlung von Verunreinigungen in Luft bekannt, bei welcher die Raman-Streuung oder die Strahlungsabsorption ausgenutzt wird. Auch mit dieser bekannten Vorrichtung ist es nicht möglich, eine Gasquelle zu lokalisieren.
Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Applied Optics« Nr. 10,1971, Seiten 2452—2455, ein Laser-Absorptionsspektrometer bekannt, welches dazu in der Lage ist, ein vollständiges Absorptionsspektrum atmosphärischer Gase zu liefern. In dieser Druckschrift wird eine Vorrichtung, welche diesem Zweck dient, in ihren technischen Einzelheiten beschrieben.
Weiterhin ist aus »Proceedings of the IEEE« 58.1970, Seiten 1568—1571, eine Laser-Raman-Anordnung bekannt, welche dazu angewandt wird, in selektiver Weise Chemikalien oder Gase zu analysieret..
Bei der Herstellung von schwerem Wasser (D2O) ist es erforderlich, große Mengen Schwefelwasserstoff (H2S) innerhalb einer Anlage zu verwenden. Schwefelwasserstoff befindet sich im allgemeinen in großen Behältern, die in parallelen Reihen aufgestellt und durch Rohre verbunden sind. Da Schwefelwasserstoff eine potentielle Gesundheitsgefahr darstellt, werden diese Behälter und Rohre sehr sorgfältig hergestellt, jedoch besteht stets die Möglichkeit eines Gasaustritts. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß dann, wenn Schwefelwasserstoff ständig in geringen Mengen in der Luft vorliegt, eine Person zeitweilig die Fähigkeit verlieren kann, den charakteristischen Geruch des Schwefelwasserstoffs festzustellen und damit dessen Anwesenheit nicht bemerkt. Wenn andererseits eine große Menge von Schwefelwasserstoff in einem Bereich vorliegt, wie es bei großen Lecks der Fall ist, kann eine Person, die in diesen Bereich eintritt, unter Umständen das Vorliegen überhaupt nicht bemerken, da der Schwefelwasserstoff unverzüglich ihren Geruchssinn lahmlegt.
Es ist daher wichtig, ein zuverlässiges System zur Verfügung zu haben, das kontinuierlich den Bereich um eine Anlage herum in bezug auf das Vorliegen von Schwefelwasserstoff überwacht. Es ist außerdem zweckmäßig, wenn ein System die Konzentration von Schwefelwasserstoff in der Atmosphäre mißt und annähernd die Lage des Schwefelwasserstofflecks angibt.
Infrarot-Absorptionsverfahren sind in der Vergangenheit bei der Feststellung und Analyse von verschie-
denen Elementen und Verbindungen verwendet worden. Diese Anwendungsfälle haben sich jedoch als kompliziert und teuer erwiesen, und es war stets eine Einstellung erforderlich, wenn ein Bereich wie eine Anlage zur Herstellung von schwerem Wasser überwacht werden sollte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die Position einer Gasquelle und insbesondere die Lage einer Schwefelwasserstoffquelle innerhalb eines bestimmten Bereiches und zugleich die Gaskonzentration zumindest näheruiigsweise bestimmt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zur Lokalisierung des Gases in dem Raumbereich drei weitere gleichartige Detektoreinrichtungen samt zugeordneten Abtasteinrichtungen und Sätzen von in dem Raumbereich angeordneten Reflektoren vorgesehen sind, und daß die einzelnen Detektoreinrichtungen im Absland zueinander bezüglich ihrer zugehörigen Sätze von Reflektoren derart um den zu übe: wachenden Raumbereich herum angeordnet sind, daß sich eine über den Raumbereich verteilte Anzahl von Schnittpunkten der Strahlengänge ergibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. I ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Anlage für schweres Wasser,
F i g. 2 ist eine Draufsicht einer derartigen Anlage mit vier Detektoren,
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Laser-Detektors.
F i g. 4 ist ein Diagramm und zeigt das Zusammentreffen des He-Xe-Laser-Spektrums und des H2S-Absorptionsspektrunis.
Das Gasabtastsystem dient zur Feststellung von Gaslecks in einem großen Flächenbereich. Es umfaßt beispielsweise einen Laser, der ein Laserspektrum aufweist, das dem Absorptionsspektrum des zu überwachenden Gases entspricht. In einem Falle bestreicht ein He-Xe-Lastr-Strahl eine Anzahl von Retroreflektoren, die in geeigneter Weise um eine Anlage für schweres Wasser zur Feststellung von H2S-Lecks angeordnet sind. Der reflektierte Strahl wird durch ein Teleskop gebündelt, gefiltert und in einen Infrarot-Detektor geleitet. Der Laser kann entweder zwei Frequenzen aussenden, oeren eine der Absorptionsfrequenz des H2S entspricht, oder er kann auf die Absorptionsfrequenz des H2S und abweichend von dieser moduliert werden. Die relative Amplitude des absorbierten Lichtes ist ein Maß für den Schwefelwasserstoff.
Eine vereinfachte Darstellung einer Anlage 1 für schweres Wasser (D2O) ist in F i g. 1 gezeigt. Die Anlage umfaßt Behälter 3, die durch nicht gezeigte Rohre und andere Zubehöreinrichtungen miteinander verbunden sind. Die Behälter sind üblicherweise in parallelen Reihen angeordnet und bilden eine rechtwinkelige Fläche, jedoch ist das Überwachungssystem ebenfalls anwendbar auf eine Fläche beliebiger Form. In einer Anlage zur Herstellung von schwerem Wasser sind die Behälter üblicherweise etwa 100 m hoch und in Abständen von 50 m a/:geordnet. Der unmittelbare Bereich um die Anlage herum ist normalerweise mit einem Zaun 5 umgeben, durch den eine abgeschlossene Fläche gebildet wird, in der strenge Sicherheitsvorschriften gelten. Vier Infrnroiabsorptions-Detektoren 2 sind außerhalb des abgeschlossenen Bereiches angeordnet. Die Detektoren können Detektoren der Art sein, S wie sie im Zusammenhang mit Fig.3 beschrieben werden, oder beliebige herkömmliche Detektoren. Vorzugsweise ist je ein Detektor 2 in der Nähe einer Ecke angeordnet, so daß er direkt zwei Seiten der Anlage 1 überwachen kann. Zur Vereinfachung sind
ίο lediglich die Detektoren 2a und Ib mit ihren entsprechenden Strahlungslinien gezeigt. Reflektoren 4a für den Detektor 2a sind entlang einer Linie an der Oberseite der äußeren Behälter 3 auf zwei Seiten der Anlage angeordnet. Zusätzliche Reflektoren Aa können entlang der Seite der Eckbehälter nach unten hin angeordnet sein sowie an jeder günstigen Stellung innerhalb der Anlage, die in direkter Sichtlinie gegenüber dem Detektor 2a liegt. Ähnliche Reflektoren sind für den Detektor 2b und für Jie beiden nicht
ίο gezeigten Detektoren vorgesehen. Öse Anzahl der Reflektoren pro Detektor ändert sich in Abhängigkeit von dem Abstand der Behälter und der Größe der Anlage. Sie können in Abständen von etwa 25 m, jedoch auch dichter angeordnet sein, wenn eine größere Genauigkeit erforderlich ist. Zweckmäßig werden Retroreflektoren verwendet, da sie eine Reflexion eines Strahles parallel zu dem einfallenden Strahl gewährleisten, ohne daß eine genaue oder ständige Einstellung erforderlich ist. Jeder Detektor 2, der genauer im Zusammenhang mit Fig.3 beschrieben werden soll, strahlt periodisch alle ihm zugeordneten Reflektoren an und bildet damit einen Vorhang von optisch empfindlichen Bahnen entlang zwei Seiten der Anlage. Zwei diagonal gegenüberliegende Detektoren bestrahlen daher alle vier Seiten der Anlage. Jedes Gas, das aus dem Bereich austritt, absorbiert einen Teil des Lichtes in einer oder mehreren dieser Strahlungsbahnon. Daher ist die Veränderung der Intensität des reflektierten Strahles, der durch den Detektor 2 abgetastet wird, ein Maf1. für die Existenz eines Gasaustritts.
In Fig. 2 ist in Draufsicht die als Beispiel dienende Anlage 1 mit zwölf Behältern 3 in drei parallelen Reihen gezeigt. Zum Feststellen von Gaswolken auf allen vier Seiten der Anlage sind zwei Detektoren 2a und 2c mit entsprechenden Reflektoren 4a und 4cerforderlich. Nur eine kleine Anzahl von Reflektoren ist zur Vereinfachung der Zeichnung dargestellt. Der Detektor 2a bestrahlt die Seiten I und II, während der Detektor 2c die Seiten III und IV bestrahlt.
Eine zweite Gruppe von Detektoren 2b und 2d ist zusätzlich mit ihren entsprechenden Reflektoren 4b und 4c/ gezeigt. Diese beiden Detektoren bestrahlen ebenfalls alle vier Seiten der Anlage. Wenn die Detektoren 2b und 2d außerhalb des abgeschlossenen Bereiches in einigem Abstand von den Detektoren 2a und 2c angeordnet sind, wie es in F i g. 2 gezeigt ist, bilden ihre Strahlungsbahnen ein Gitter mit denjenigen der Detektoren 2a und 2c. Dieses Gitter erleichtert es dem Personal, den Bereich festzustellen, in dem ein Leck eingetreten ist. Wenn beispielsweise der Detektor 2a eine Abnahme der reflektierten Strahlungsintensität in der Strahlungsbahn 6 anzeigt und der Detektor 2b ebenfalls eine Abnahme der reflektierten Strahlungsintensität in der Bahn 1 anzeigt, so erfährt das Personal,
<\'< daß sich eine Gaswolke durch den Schnittpunkt 8 bewegt. Wenn ein einzelner Detektor 2a für die Seiten I und Il verwendet wird, könnte das Personal lediglich feststellen, daß die Wolke den Strahl irgendwo entlang
der Bahn 6 schneidet.
Ein schematisches Diagramm des Infrarotabsorptions-Detektors 2 ist in Γ i g. 3 gezeigt. Die Anordnung kann eine herkömmliche, modulierte Infrarolqucllc mit einem geeigneten optischen System zur Schaffung eines gerichteten Lichtstrahls mit einer Wellenlänge umfassen, die der Absorptionswellenlänge des überwachten Gases entspricht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform jedoch wird eine modulierte He-Xe-Laserquelle 9 verwendet, die einen Laserstrahl aussendet, der in weilgehender Übereinstimmung mit dem Absorptionsspektrum von HjS steht. F i g. 4 veranschaulicht das Laserspektrum 10 und das HjS-Absorptionsspektrum It.
Die Spitzen dieser Spektren werden durch H. C. Allen Jr. et al, Lournal Chemical Physics 24. 35. 195b. und durch W. L. F a u s t el al. Appl. Phys. Letts I. 85. 1962, beschrieben. Das i.ascr-Ausbeuteprofii wird dopplerverbreitert und hat seine volle Breite bei halbem Maximum von 1.7 10* H/. sofern eine Atomtemperatur im l.aserabgaberohr von 500" K vorausgesetzt wird, wie es durch C. K. N. P a ι e I in »Lasers VoI 2« cd. A. K Levine (Marcel Dekker. Inc., New York) 135. 1968. beschrieben wird, während das HjS-Absorptionsspcktrum druckverteiler wird und etwa Lorentz-förmig mit voller Breite bei halbem Maximum von etwa 15 108HzISt.
Die Anlegung eines Magnetfelds an den Laser trennt das Ausbeuteprofil aufgrund des Zeeman-Effekts in zwei Komponenten, deren eine in die Mitle des HjS-Spektrums und deren andere in entgegengesetzter Richtung verschoben wird. Der Laser strahlt sodann zwei Frequenzen aus. die entgegengesetzte Zirkularpolarisationen haben. Das Magnetfeld wird derart eingestellt, daß die höhere Frequenzkomponente genau mit der H2S-Spektrumsmiue übereinstimmt. Wenn sodann H2S in der Atmosphäre vorliegt, wird diese Komponente im Vergleich zu der zweiten Komponente stark absorbiert. Durch alternatives Modulieren der beiden Spektren bei einer gegebenen Modulationsfrequenz *ird der Ausgangswert des Detektors moduliert, und dessen Amplitude ist ein Maß für das in der Strahlenbahn vorhandene H2S. Dies kann bewirkt werden durch Verwendung eines oder mehrerer Etalons. die auf die beiden Frequenzen abgestimmt werden können, oder durch Umwandlung der zirkularpolarisierten Strahlung in ebenpolarisierte Strahlung unter Verwendung einer doppelt brechenden Viertelwelienplatte und durch anschließendes Hindurchleiten der Strahlung dun_h einen sich drehenden, ebenen Polarisator.
Alternativ kann die Übertragung des 3,6859 μητι-He-Xe-Laserstrahls verglichen werden mit demjenigen eines anderen He-Xe-Laserstrahls. etwa eines Strahls von 3,9967 μπί. Ein weiteres Verfahren besteht darin, die Stärke des magnetischen Regelfeldes zu modulieren und damit eine Komponente des Laserstrahles in Resonanz und außer Resonanz mit dem H2S-Spektrum zu modulieren.
Die zuvor beschriebenen verschiedenen Laserstrahl-Modulationssysteme sind alle am Ausgang des Lasers angeordnet Sie könnten jedoch, ausgenommen das Magnetfeld für die Zeeman-Verschiebung, ebenfalls in anderen Τεϋεη der Optik angeordnet sein, die unten beschrieben wird, wie etwa am Eingang des Detektors.
Nun soll wiederum auf Fig.3 Bezug genommen werden. Die Laserquelle 9 wird durch den Modulator i2 gesteuert, so daß ein Laserstrahl entsteht, der von einem ebenen Spiegel 13 auf einen zweiten Spiegel 14 reflektiert wird. Der Spiegel 14 wird derart gesteuert, daß er nacheinander den Strahl für einen bestimmten Zeitraum auf jeden der Retro-Reflektoren 4 lenkt. Die Länge des Zeitraums, währenddessen der Strahl auf jeden Reflektor gelenkt wird, kann veränderlich sein. Am Spiegel 13 und 14 beträgt der Strahldurchmcsser etwa I bis 2 mm. Der Spiegel 13 hat daher einen Durchmesser von etwa 1 bis 2 mm. Wegen der Strahldivergenz von 1 oder 2 mr beträgt der Sirahldurchmesser am Reiroreflektor. wenn dieser sich etwa in 100 m Entfernung von dem Spiegel 14 befindet, etwa 10 bis 20 cm. und der von dem Retro-Rcflektor 4 reflektierte Strahl hat an dem Spiegel 14 einen
is Durchmesser von etwa 20 bis 40cm. Der Spiegel 14 kann entsprechende Abmessungen haben, obwohl ein gewisser Strahliingsvcrlust akzeptabel ist. Der reflektier i l* Su aiii wiiu uüi'ui'i uC-fi Spiegel 54 Zurück iUjf de" Spiegel 13 gelenkt, jedoch erreicht der größte Teil der Strahlung wegen des großen Durchmessers der Strahlung in bc/tig auf die Abmessungen des Spiegels 1 ? den Spiegel 15. von dem aus sie in ein Teleskop 16 gelangt, das ein Teleskop nach Cassegrain oder Newton sein kann. Der gebündelte Strahl wird
2s sodann durch ein schmales Bandfilter 17 hindurchgeführt und gelangt in einen normalen Infrarot-Detektor 18. Das Bi.iJfilter schaltet Umgebungsstrahlungen aus. die von derjenigen der Laserquelle abweichen, und beseitigt damit Störfrequenzen in dem System. Der
vi Infrarot-Detektor kann ein PbSe-Detektor, ein InAs-Dctektor. ein pyro-elckirischer Detektor oder irgendein anderer geeigneter Detektor sein. Das Ausgangssignal des Infrarot-Detektors 18 gelangt nach der Vorverstärkung an einen Verstärker 19. der sein Gittersignal von dem Modulator 12 erhält und einen Ausgangswert liefert. Die Laserquelle, das Teleskop und die Elektronik können im Inneren angeordnet sein, während sich die Spiegel auf der Außenseite befinden.
Die Verwendung von He-Xe-l.aserabsorptionsdetcktoren. die mit 3.6859 μπι zur Ermittlung von HjS arbeiten, ist nicht beschränkt auf Anlagen für schweres Wasser, sondern kommt auch in Betracht für eine HjS-Ermittlung in der Atmosphäre in der Umgebung beliebiger Anlagen oder F.inrichlungen wie etwa einem Behälter für schwefelhaltige Gase. Er kann ebenfalls verwendet zum Ermitteln der Anwesenheit von HjS in einer beliebigen Gasprobe, die in einer Gasabsorptionszelle enthalten ist. indem der Laserstrahl durch diese Zelle geleitet wird.
Im Betrieb werden die Spiegel 14 der Detektore,. 2a und 2c üblicherweise als ein Untersystem gesteuert, so daß die Bestrahlung aller Seiten der Anlage gleichzeitig abgeschlossen wird. Die Spiegel 14 in den Detektoren 2b und 2d sind in diesem Falle auf dieselbe Weise verbunden. Dies ermöglicht es, daß die Untersysteme mit verschiedenen Geschwindigkeiten abtasten, indem beispielsweise ein Untersystem den Strahl auf den Reflektor etwa 0,1 Sekunden lang auftreffen läßt und somit eine Kurzbestrahlung schafft, während das andere Untersystem den Strahl auf jeden Reflektor über einen Zeitraum von etwa 10 Sekunden auftreffen läßt und damit eine größere Empfindlichkeit zur Überwachung
geringer Gaskonzentrationen bietet
Weiterhin kann die Steuerung des Spiegels 14 derart programmiert sein, daß dem Personal vollständig freie Hand in bezug auf die Bestrahlungsgeschwindigkeit und ebenso auf die Auswahl der zu bestrahlenden Reflektoren gelassen wird.
ilicr/ti ?■ Uhiti Zeirhnunccn

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Überwachung eines Raumbereichs auf die Anwesenheit eines Gases mit einer Detektoreinrichtung, die einen Licht einer durch das Gas absorbierbaren Wellenlänge emittierenden Sender sowie einen photoelektrischen Empfänger aufweist, mit einem Satz von in dem Raumbereich verteilt angeordneten Reflektoren, welche einfallendes Licht des Senders jeweils zum Empfänger zurückwerfen, und mit einer Abtasteinrichtung zur aufeinanderfolgenden Beaufschlagung der Reflektoren mit dem Licht des Senders, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lokalisierung des Gases in dem Raumbereich drei weitere gleichartige Detektoreinrichtungen (2b, 2c, 2d) samt zugeordneten Abtasteinrichtungen (14) und Sätzen von in dem Raumbereich angeordneten Reflektoren (46,4c, 4d) vorgesehen iijd, und daß die einzelnen Detektoreinrichtungers (23, b, c d) im Abstand zueinander bezüglich ihrer zugehörigen Sätze von Reflektoren (4a. b, c, d) derart um den zu überwachenden Raumbereich herum angeordnet sind, daß sich eine über den Raumbereich verteilte Anzahl von Schnittpunkten (8) der Strahlengänge (6,7) ergibt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen (2a, b, c, d) als Sender jeweils eine Laserquelle (9) aufweisen, die ein Bündel mit wenigstens einer Wellenlänge im Absorptionsspektrum von Schwefelwasserstoff abgibt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein He-Xe-Lastτ vorgesehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch t oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge etwa 3,6859 μπι beträgt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen (2a, b, c, <# eine Einrichtung (12) zur Erzeugung einer durch das zu ermittelnde Gas nicht absorbierbaren Wellenlänge im Wechsel mit der absorbierbaren Wellenlänge enthalten.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtungen jeweils einen ersten Spiegel (13), dessen Durchmesser etwa dem Bündeldurchmesser des Senders entspricht und der derart angeordnet ist, daß er das Bündel um einen vorgegebenen Winkel ablenkt, und einen Richt-Spiegel (14) aufweisen, dessen Durchmesser größer als der Bündeldurchmesser des Senders ist und der derart beweglich angeordnet ist, daß er das von dem ersten Spiegel (13) aufgenommene Bündel der Reihe nach auf die einzelnen Reflektoren (4a. b, c, ablenkt.
.'. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (4a, b, c, d) Retroreflekloren sind, bei welchen das reflektierte Bündel stets parallel zum einfallenden Bündel gerichtet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen (2a, b, c, d) jeweils ein Teleskop (16) zur Bündelung des von den Reflektoren (4a, b, c, c/jbufgenommenen Bündels und ein Filter (17) aufweisen.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden »5 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer nicht absorbierbaren Wellenlänge einen Modulator (12) zum periodischen Verändern der Wellenlänge, die durch den Sender abgegeben wird, umfaßt.
DE2452685A 1973-11-14 1974-11-06 Anordnung zur Überwachung eines Raumbereichs auf die Anwesenheit eines Gases Expired DE2452685C3 (de)

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