DE2459545A1

DE2459545A1 - Verfahren und anordnung zum ueberwachen und messen atmosphaerischer verunreinigungen

Info

Publication number: DE2459545A1
Application number: DE19742459545
Authority: DE
Inventors: Robert Thomas Menzies
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1974-12-17
Publication date: 1975-07-10
Also published as: NL7416841A; SE406645B; CA1031978A; FR2256407B1; SE7416255L; AU7666874A; FR2256407A1; CH580278A5; JPS5099591A; US3891848A; GB1457830A

Description

Anmelder: NATIONAL AERONAUTICS AND

SPACE ADMINISTRATION NASA-Headquarters, Washington D.O, U.S.A.

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

16.12.1974

Verfahren und Anordnung zum Überwachen und Messen Atmosphärischer Verunreinigungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für die Überwachung von atmosphärischen Verunreinigungen und insbesondere einen Detektor, mit dessen Hilfe bestimmte spezifische Verunreinigungen in einem unter Überwachung stehenden Bereich der Atmosphäre aus der Feme festgestellt und überwacht werden können.

Aus ökologischen Gründen «st es erforderlich geworden, daß aus einem Schornstein austretende Gas- und Rauchwolken leicht auf die Anwesenheit von verunreinigenden Stoffen wie z.B. Stickoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₃), Kohlenmonoxid (CO)₇ Kohlendioxid (COJ, Schwefeldioxid (SOJ und Ozon (OJ überwqcht werden können. Die !mission derartiger verunreinigender Stoffe läßt sich durch richtige Einstellung und Überwachung des Verbrennungsprozesses, an den der Schornstein angeschlossen ist, möglichst klein halten und durch ord-

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nungsgemäßen Betrieb der die Verunreinigung überwachenden, innerhalb des Schornsteins selbst angeordneten Vorrichtung kontrollieren. Die Anforderungen an die Überwachung einer Verunreinigung der Luft begrenzen in vielen Gegenden streng die Menge von Schadstoffen, die im Rahmen des gesetzlich Zulässigen ausgestoßen werden können. Daraus folgt, daß die Art und die Menge der in einer Wolke aus einem Schornstein ausgestoßenen Schadstoffe kritisch bestimmbar sein muß.

Ein bereits bekanntes System mißt den Grad der Verdunkelung und der Dichte der gasförmigen !mission der aus einem Schornstein austretenden Wolke dadurch, daß man diese Wolke mit einer Reihe von unterschiedlichen Bezugsgrößen der Schwärzung oder des Dunkelheitsgrades vergleicht. Ein solches System überwacht nur die Dichte des Rauches. Somit werden also unsichtbare gasförmige Schadstoffe nicht feststellbar sein.

Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, daß man periodisch der Rauchwolke Proben entnimmt. Diese Proben werden anschließend in einem Laboratorium chemisch analysiert. Abgesehen von der offensichtlichen Schwierigkeit, repräsentative Proben zu erhalten, kann sich doch der Charakter der Wolke zwischen der Zeit, zu der die Probe entnommen wurde und der Zeit, bei der die Ergebnisse der Analyse vorliegen, ganz beträchtlich ändern. Außerdem ist bei dieser Art der Überwachung eine Fernüberwachung nicht möglich.

Weiterhin ist es bereits bekannt, einen Wolframdraht zu verwenden, der unter Einwirkung eines standardisierten gasförmigen Schadstoffes fluoresziert. Dieser Standard wird dann anschließend mit einer Probe der verunreinigten Luft verglichen, welche der Rauchwolke entnommen ist. Dieses Verfahren kann wiederum nicht bei einer Fernüberwachung eingesetzt werden. Die Entnahme einer schadstoffhaltigen Probe trifft

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offensichtlich auf die bereits erwähnten Schwierigkeiten.

Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis an einem Fernüberwachungsverfahren, durch das man Schadstoffimissionen überwachen kann, wobei die Ergebnisse dann unmittelbar zur Verfugung stehen und Angaben über Art und Menge des spezifischen Schadstoffes liefern.

Es ist allgemein bekannt, daß durch infrarote Strahlung angeregte Gase fluoreszieren. Die Fluoreszenz eines Gases ist im wesentlichen ein ganz spezifisches Merkmal dieses Gases, das darin besteht, daß das Gas in dem Infrarotbereich Fluoreszenzstrahlungen einer bestimmten Wellenlänge abgibt. Es gibt optische Sender oder Laser, die im Bereich der Wellenlängen des infraroten Lichtes eine kohärente Strahlung liefern, wobei diese Wellenlängen den Bereich der Wellenlängen der zu analysierenden Schadstoffe überlagern. Ein typischer, für die Zwecke der Erfindung brauchbarer Laser ist ein CO^ - Laser. Ein derartiger optischer Sender oder Laser ist dabei in der Lage, die Moleküle der spezifischen, zu analysierenden gasförmigen Schadstoffe anzuregen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der interessierende atmosphärische Bereich durch einen Laser oder einen optischen Sender angestrahlt. Die Moleküle der hier interessierenden gasförmigen Schadstoffe reagieren dami'f, daß sie in Abhängigkeit von der Bestrahlung mit dem Laserstrahl eine entsprechende, ganz bestimmte fluoreszierende Strahlung emittieren. Diese Fluoreszenzstrahlung wird an einem entfernten Ort durch einen Empfänger aufgenommen und durch eine Gaszelle mit einem Paar Kammern hindurchgeleitet. Eine Kammer ist eine Bezugskammer, die mit einem genau spezifierten und standardisierten, gasförmigen Schadstoff der gleichen Art gefüllt ist, die analysiert werden soll. Die andere Kammer wird leer gelassen. Der gas-

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förmige Schadstoff in der Bezugskammer absorbiert einen hohen Prozentsatz der von dem interessierenden gasförmigen Schadstoff ausgehenden Fluoreszenzstrahlung, d.h. des gleichen Schadstoffes, der in der Bezugskammer enthalten ist. Andere Schadstoffe werden natürlich durch den Laserstrahl ebenfalls angeregt. Diese anderen Strahlungen durchlaufen jedoch beide Kammern gleich gut und haben daher auf die Schadstoffeststellung keinen nachteiligen Einfluß. Ein optischer Zerhacker belichtet einen Fotodetektor abwechselnd mit der am Ausgang der beiden Kammern abgeleiteten Fluoreszenzstrahlung.

Durch geeignete Verstärkung und Demodulation des vom Fotodetektor kommenden Ausgangssignals wird dieses in ein Signal umgewandelt, das die Menge des bestimmten, gerade untersuchten, gasförmigen Schadstoffes anzeigt. Dieses Signal wird einer Anzeigevorrichtung zugeführt, und die Amplitude des Signals entspricht der Größe oder der Menge des fraglichen Schadstoffes.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Schadstoffdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. la eine Draufsicht auf die Gaszelle und den optischen Zerhacker gemäß Fig. 1 und

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Fig. 2 die an den verschiedenen Punkten in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 auftretenden Signale.

ist Ein impulsmäßig getasteter optischer Sender oder Laser 11 mit seiner Strahlung, die aus einem kohärenten infraroten Lichtstrahl oder Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 7\o besteht, auf die aus einem Schornstein 10 austretende Rauchwolke 5 gerichtet. Der Laserimpuls erregt verschiedene Arten von Schadstoffmolekülen in der Rauchwolke 5. Beispielsweise soll im vorliegenden Fall Stickoxid (NO) als der interessierende Schadstoff angenommen werden.

Die Moleküle des Stickoxides reagieren auf den Laserstrahl, indem sie eine fluoreszierende Strahlung bei einer Wellenlänge abgeben, die im Vergleich mit anderen Schadstoffen für Stickoxid typisch ist. Die durch die Stickoxidmoleküle hervorgerufene Fluoreszenzstrahlung wird zusammen mit Strahlung aus anderen Quellen von einem Detektor 12 aufgenommen.

Die am Detektor 12 ankommende Fluoreszenzstrahlung durchläuft ein Filter 13, das beispielsweise ein geeignetes optisches Filter sein kann, das so ausgewählt ist, daß Strahlung mit der Wellenlänge Ao des Lasers nicht durchgelassen wird, während jedoch das gewünschte Band von Wellenlängen durchgelassen wird. Das Durchlaßband des Filters 13 ist so ausgewählt, daß die Fluoreszenzwellenlängen der verschiedenen hier interessierenden Schadstoffe durchgelassen werden. Ist die Atmosphäre selbst ausreichend klar, so daß keine Streuung des Laserstrahles stattfindet, dann ist das Filter 13 nicht erforderlich.

Die durch das Filter 13 hindurchgelassene Fluoreszenzstrahlung wird einer Gaszelle 14 zugeleitet, die eine Bezugskammer 15 enthält, die ein standardisiertes Gas der gleichen Art von Gas enthält, das

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überwacht werden soll. In unserem Beispiel ist die Vergleichskammer somit mit einem Standard aus Stickoxid gefüllt. Die Kammer 16 kann selbst leer sein oder sie kann mit einem nicht reagierenden Gas, wie z.B. Stickstoff oder Helium, gefüllt sein. Im vorliegenden Fall sind der Einfachheit halber zwei Kammern abgebildet. Selbstverständlich kann man so viele Kammern verwenden, als Schadstoffe analysiert werden müssen.

Es sei darauf verwiesen, das ein inertes Gas, wie z.B. Stickstoff, unter Druck von etwa 1 Atmosphäre ebenfalls in der Bezugskammer 15 untergebracht werden kann. Dieser Druck wird im Stand der Technik als "Hintergrunddruck" (background pressure) bezeichnet. Dieses Gas dient dazu, die Fluoreszenz - Absorptionsbänder in dem Standardgas in der Bezugskammer zu verbreitern. Ein solcher Hintergrunddruck erhöht somit die Wirksamkeit des Systems und verbessert seine Arbeitsweise.

Zwischen der Gaszelle 14 und einer Linse 17 ist ein Zerhacker 22 angeordnet, der die von den beiden Kammern ausgehenden Strahlungen abwechselnd sperrt und freigibt.

Fig. la zeigt eine Draufsicht auf die Gaszelle 14 und die Zerhackerscheibe 9. Die Zerhackerscheibe 9 ist drehbar angeordnet und wird in geeigneter Weise durch einen Synchronmotor 23 angetrieben. Ein Bezugsoszillator 24 liefert eine Grundfrequenz f o, die beispielsweise in der Größenordnung von 100 Hz liegen soll. Der Zerhacker 22 läßt abwechslungsweise die Strahlung, die die Kammern 15 f nd 16 durchläuft und durch die Linse 17 fokussiert wird, auf die Oberfläche des Fotodetektors 21 fallen.

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Die Kammer 15, die den gasförmigen Schadstoff enthält, absorbiert die Fluoreszenzwellenlänge des durc.h den Laser 11 angeregten Stickoxides. Die kontinuierliche Drehung der Zerhackerscheibe 9 erzeugt eine dreieckige Einhüllende 35, wie sie in Fig. 2 bei A dargestellt ist. Fig. la zeigt in gestrichelten Linien bzw. in strichpunktierten Linien die Lage der Zerhackerscheibe 9 in zwei verschiedenen Stellungen.

Der Betrag der durch die Rotation der Zerhackerscheibe 9 durchgelassenen und/oder gesperrten Energie ändert sich mit den unterschiedlichen Positionen der Zerhackerscheibe 9. Wenn die Zerhackerscheibe 9 den Ausgang der Kammer 16 vollständig abdeckt (vgl. die untere Position der Zerhackerscheibe 9 in Fig. la), dann ist das Lichtausgangssignal ein Minimum. Bedeckt die Zerhackerscheibe 9 den Ausgang der Kammer 15 vollständig, dann ist das Lichtausgangssignal ein Maximum. Jede volle Umdrehung der Zerhackerscheibe 9 1 liefert somit ein dreieckförmiges Signal 40 in Fig. 2.

Der Signalpegel V ο ergibt sich aus der Fluoreszenzstrahlung aller anderen Schadstoffe mit Ausnahme des für das vorliegende Beispiel angenommenen Stickoxids. Die maximale Signalamplitude im Verhältnis zu V ο ist als eine Spannungsänderung ZjV dargestellt, die somit die Menge des gerade gemessenen Schadstoffes Stickoxid angibt.

In Fig. 1 wird ein Generator 29 zur Erzeugung von Harmonischen durch den Bezugsoszillator 24 angesteuert. Dieser Generator 29 liefert als typisches Beispiel die 5. Harmonische der Bezugsfrequenz f o. Das Ausgangssignal des Generators 29 bewirkt damit, daß der Laserstrahl 11 impulsmäßig mit einer Frequenz getastet wird, die 5 χ so

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hoch ist wie die Grundfrequenz f ο des Bezugsoszillators 24. Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist die Amplitude einer Anzahl von Impulsen durch die dreieckförmige Einhüllende 40 moduliert. Die Breite der Spitzenimpulse 42 innerhalb der Einhüllenden hängt von eier Dauer der Laserimpulse, der Abklingzeit der Fluoreszenz des gasförmigen Schadstoffes und der Größe der Teilchen des Schadstoffes ab. Die Wiederholungsfrequenz der Impulse 42 liegt bei der harmonischen Frequenz.

Ein Wechselstromverstärker 25 verstärkt das vom Fotodetektor 21 abgegebene Signal. Das verstärkte Ausgangssignal kann etwa zehnmal so stark sein wie das Eingangssignal, wie sich beispielsweise aus einem Vergleich der Signale 45, 47 mit den Signalen 40 und in Fig. 2 ergibt. Das verstärkte Signal wird anschließend einer Signalmischerstufe 26 bekannter Bauart zugeführt. Statt einer Signalmischerstufe kann auch eine Integrationsstufe benutzt werden. Geeignete Signalmischerstufen oder Integrationsschaltungen sind in dem Verkaufskatalog von Princeton Applied Research von 1970 beschrieben.

In jedem Fall wird das Ausgangssignal der Signalmischerstufe die in Fig. 2 bei 48 gezeigte Dreiecksform aufweisen. Das Signal 48 wird einem Verstärker 27 zugeleitet, der auf eine Frequenz abgestimmt ist, die der Grundfrequenz f ο entspricht. Das dreieckförmige Signal wird durch den abgestimmten Verstärker 27 in ein sinusförmiges Signal umgewandelt, das die Information enthält, die der Anzeige der Größe der Verunreinigung durch Stickoxide in dem angenommenen Beispiel entspricht.

Ein Synchronmodulator 31 bekannter Bauart nimmt das Ausgangssignal des abgestimmten Verstärkers 27 auf. Das Demodulationssignal für den Synchrondemodulator 31 ist das Signal mit der Frequenz f ο aus

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dem Bezugsoszillator 24. Der Synchrondemodulator 31 und der Integrator 32 geben eine Gleichspannung ab, deren Amplitude der Menge des gasförmigen Stickoxides als Schadstoff entsprechen. Eine Anzeigeoder Aufzeichnungsvorrichtung, wie z.B. ein Streifenschreiber 33, liefert eine sichtbare Anzeige der Menge des gerade überwachten Schadstoffes.

Der impulsmäßige Betrieb des Lasers oder optischen Senders 11 läßt auch eine Entfernungsbestimmung zwischen Schadstoffquelle und Detektor zu. Die Signalmischerstufe 26 (oder der Integrator) zeigt die zeitliche Verzögerung eines aufgenommenen Fluoreszenzimpulses, gemessen in Bezug auf einen Impuls aus dem Bezugsoszillator 24, an. Diese zeitliche Verzögerung kann leicht in bekannter Weise in eine Entfernungsmessung umgesetzt werden. Natürlich ist der Abstand zwischen der Schadstoffquelle und dem Detektor nicht immer ein notwendiger Faktor. Ist dies nicht der Fall, kann der optische Sender oder Laser 11 kontinuierlich betrieben werden und.die Signalmischerstufe 26 muß in der Detektorschaltung nicht unbedingt enthalten sein.

Die gesamte Apparatur einschließlich der Laserstrahlungsquelle 11, des Detektors 12 und des Streifenschreibers 33 ist ausreichend empfindlich, so daß sie in einem Flugzeug oder Hubschrauber angebracht und über industrialisierte Bereiche für eine Fernüberwachung der aus den Schornsteinen austretenden Rauchwolken auf die Anwesenheit von Schadstoffen in der Atmosphäre geflogen werden können. Man sieht somit, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu aufgebaute Vorrichtung sich in hohem Maße für die Überwachung und Durchsetzung der zur Verhinderung von Umweltverunreinigungen erlassenen Gesetze und Regeln eignet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί 1.) Verfahren zur Fernüberwachung von gasförmigen Schadstoffen in einem überwachten Bereich der Atmosphäre durch Erregen des atmosphärischen Bereiches mit einer Strahlungsenergie, die eine Fluoreszenz der gasförmigen Schadstoffe hervorruft und Empfangen der Fluoreszenzstrahlung der gasförmigen Schadstoffe an dem Überwachungsort, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Einbringen mindestens eines die bestimmte Fluoreszenzstrahlung absorbierenden Gases in die Bahn der aufgenommenen Fluoreszenzstrahlung zur praktisch vollständigen Absorption der Fluoreszenzstrahlung des bestimmten gasförmigen zu überwachenden Schadstoffes und gleichzeitiges unbehindertes Durchleiten der Fluoreszenz-Strahlung aller Schadstoffe einschließlich des bestimmten, zu überwachenden gasförmigen Schadstoffes,

Ableiten eines Signals aus der durchgelassenen und der absorbierten Fluoreszenzstrahlung und

Ableiten einer Anzeige aus der Amplitudendifferenz der beiden Signale als Anzeige für die Menge des zu überwachenden gasförmigen Schadstoffes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zu überwachende Bereich mit einem Laserstrahl angestrahlt wird, der die gasförmigen Schadstoffe zu einer Fluoreszenzstrahlung anregt, dadurch gekennzeichnet, daß an dem entfernten Ort die Wellenlänge des erregenden Laserstrahles ausgesiebt und die Fluoreszenzstrahlung der durch den

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Laser angeregten Schadstoffe aufgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl impulsmäßig betrieben wird und damit eine wiederholte Fluoreszenz der gasförmigen Schadstoffe hervorruft.
4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 - 3 zur Fernmessung und Fernüberwachung von gasförmigen Schadstoffen in einem Bereich der Atmosphäre, mit einem optischen Sender oder Laser für die Fluoreszenzanregung gasförmiger Schadstoffe und der Reflexion dieser Fluoreszenzstrahlung an einen Empfänger, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (14, 15, 16), die einmal am Empfänger die Fluoreszenzstrahlung des zu überwachenden,gasförmigen Schadstoffes absorbiert sowie die Fluoreszenzstrahlung aller anderen gasförmigen Schadstoffe durchläßt, und zum anderen die Fluoreszenzstrahlung aller gasförmigen Schadstoffe einschließlich der Fluoreszenzstrahlung des überwachten gasförmigen Schadstoffes durchläßt, sowie durch eine auf die Fluoreszenzstrahlung ansprechende Schaltung (21, 25, 26, 27), die auf die Differenz der aus der absorbierten bzw. durchgelassenen Fluoreszenzstrahlung abgeleiteten Signale ein dem Anteil des zu untersuchenden gasförmigen Schadstoffes entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.
5. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (11) für im Infrarotbereich liegende kohärente Strahlung vorgesehen ist, die der Anregung einer Fluoreszenzstrahlung in einem Bereich der Atmosphäre mit gasförmigen Schadstoffen dient, daß am Empfänger ein Filter (13) vorgesehen ist, das die infrarote kohärente Strahlung der Strahlungsquelle ausfiltert und die in den gasförmi-.

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gen Schadstoffen angeregte Fluoreszenzstrahlung durch läßt, daß diesem Filter eine Gaszelle (14) nachgeschaltet ist, die in mindestens einer Kammer (15) eine Standardprobe eines bestimmten zu überwachenden gasförmigen Schadstoffes und eine neutrale Kammer (16) enthält, daß daran anschließend ein Fotodetektor (21) vorgesehen ist, der jeweils entsprechend der durch die gasgefüllte Kammer (15) bzw. durch die neutrale Kammer (16) übertragenen Strahlung elektrische Signale unterschiedlicher Amplitude liefert, und daß an diesen Fotodetektor ein Signaldetektor (26) angeschlossen ist, der der Feststellung eines elektrischen Differenzsignals dient.

6. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsschaltung (27, 31, 32) mit dem Signa !detektor verbunden ist und entsprechend den von diesem ausgehenden Signalen ein Ausgangssignal liefert, das ein Maß für den Anteil des bestimmten gasförmigen Schadstoffes ist.

7. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung einen mit dem Fotodetektor (21) verbundenen Verstärker (25), einen damit verbundenen Demodulator (32) und einen daran angeschlossenen Integrator (32) aufweist, der ein Gleichspannungsausgangssignal an eine Anzeigevorrichtung (33) abgibt.

8. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle der infraroten kohärenten Strahlung ein optischer Sender oder Laser (11) dient.

9. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kammern (15, 16)

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der Gaszelle (14) und dem Fotodetektor (21) ein Zerhacker (22) angeordnet ist, daß ferner ein Bezugsfrequenzoszillator (24) und ein damit verbundener Motor (23) vorgesehen sind, der dem Antrieb des Zerhackers (22) dient, und daß der Motor durch die Grundfrequenz (f o) des Bezugsfrequenzoszillators synchronisiert ist.

10. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsfrequenzoozi Ilator (24) mit einem Generator (29) verbunden ist, der eine Harmonische der Grundfrequenz als Ausgangssignal liefert, daß der optische Sender (11) oder Laser ein impulsbetriebener Sender ist, und daß die Harmonische der Grundfrequenz als Steuersignal für den Impulsbetrieb des Lasers dient.

11 . Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fotodetektor (21) ein Wechselstromverstärker (25) nachgeschaltet ist.

12. Fernmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wechselstromverstärker (25) eine Signalformstufe (26) angeschlossen ist, die mit dem Demodulator (31) verbunden ist, und daß der Demodulator (31) durch die Harmonische der Impulsfrequenz des optischen Senders synchronisiert ist.

13. Femmeß- und Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Impulsformstufe (26) ein abgestimmter Verstärker (27) angeschlossen ist, der auf die Frequenz des Bezugsoszillators abgestimmt und ausgangsseitig mit dem Synchron-Demodulator (31) verbunden ist.

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