DE2525378A1 - METHOD OF DETECTING A GAS COMPONENT, DEVICE FOR EXECUTING AND USING THE METHOD - Google Patents
METHOD OF DETECTING A GAS COMPONENT, DEVICE FOR EXECUTING AND USING THE METHODInfo
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Description
VERFAHREN ZUM NACHWEIS EINER GASKOMPONENTE, VORRICHTUNG ZUR AUSFUEHRUNG UND VERWENDUNG DES VERFAHRENS METHOD OF DETECTING A GAS COMPONENT, DEVICE FOR EXECUTING AND USING THE METHOD
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis einer Gaskomponente, bei welchem elektromagnetische Strahlung durch das zu untersuchende Gas geleitet und die durch die Komponenten des Gases verursachte Absorption bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens mit einer Strahlungsquelle, deren Strahlung das zu untersuchende Gas durchsetzt, einem Strahlungsempfänger und einerThe invention relates to a method for detecting a gas component, in which electromagnetic radiation is passed through the gas to be examined and that caused by the components of the gas Absorption is determined, as well as a device for execution the method with a radiation source, the radiation of which penetrates the gas to be examined, a radiation receiver and a
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damit verbundenen Auswerteschaltung.associated evaluation circuit.
Eine geeignete Anwendung ist die Benützung zum Nachweis bestimmter, gasförmiger Verbindungen mit Absorptionsbanden im infraroten Spektralbereich, beispielsweise von Kohlenmonoxid in anderen Gasen. Bei Verwendung zum Nachweis von Kohlenmonoxid in Luft kann das Verfahren zur Brandmeldung verwendet werden.A suitable application is the use to prove certain, gaseous compounds with absorption bands in the infrared spectral range, for example carbon monoxide in other gases. Using the fire detection method can be used to detect carbon monoxide in air.
Es ist bekannt, bestimmte Gaskomponenten selektiv durch ihr Absorptionsspektrum nachzuweisen. Zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit und einer guten Selektivität, insbesondere in Gegenwart anderer Gaskomponenten, ist jedoch entweder die Benutzung von Strahlung mit ganz bestimmter spektraler Zusammensetzung erforderlich, welche möglichst nur die Absorptionslinien des nachzuweisenden Gases umfassen soll, oder eine spektrale Zerlegung, z. B. durch Filterung, der zu empfangenden Strahlung.It is known that certain gas components can be selectively determined by their absorption spectrum to prove. To achieve sufficient sensitivity and good selectivity, especially in the presence of others Gas components, however, are either using radiation with very specific spectral composition required, which should only include the absorption lines of the gas to be detected, or a spectral decomposition, e.g. B. by filtering the radiation to be received.
Da beide Verfahren nur schwer mit der geforderten optischen Präzision ausgeführt werden können und aus serordentlich aufwendig sind, sind weitere Verfahren bekanntgeworden, welche ohne spektrale Zerlegung und mit breitbandiger Lichtquelle arbeiten. Bei solchen als nicht-dispersive Infrarot-Gasanalysatoren bekannten Geräten wird die Strahlung periodisch abwechselnd durch das zu untersuchende Gas und durch ein Referenzgas geleitet. Eine unterschiedliche Absorption in bestimmten Spektralbereichen zeigt das Vorhandensein bestimmter Gaskomponenten an. Um ein erträgliches Signal-Rausch-Verhältnis zu bekommen, istBecause both processes are difficult to carry out with the required optical precision can be and are extremely expensive, other methods have become known, which without spectral decomposition and with broadband light source work. For those as non-dispersive Infrared gas analyzers known devices, the radiation is periodically alternating through the gas to be examined and through a Reference gas passed. A different absorption in certain spectral ranges shows the presence of certain gas components at. To get a bearable signal-to-noise ratio is
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jedoch ein für die Absorptionslinien des nachzuweisenden Gases äusserst selektiv empfindlicher Strahlungsempfänger nötig, z.B. ein mit dem nachzuweisenden Gas gefüllter, pneumatischer Strahlungsdetektor. Dieser ist jedoch sehr stör empfindlich und instabil und eignet sich nur für beschränkte Anwendungen.however, it is extremely important for the absorption lines of the gas to be detected selectively sensitive radiation receiver necessary, e.g. one with the to be detected Gas-filled, pneumatic radiation detector. However, this is very sensitive to interference and unstable and is only suitable for limited users Applications.
Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines Verfahrens zum Nachweis bestimmter Gaskomponenten mit erhöhter Empfindlichkeit, verbesserter Selektivität für das nachzuweisende Gas ohne Störung durch andere Gase mit benachbarter Absorptionslinien, mit verbesserter Stabilität und Robustheit, ohne mechanisch bewegte Teile, mit rein elektrischer Auswertung mit einem breitbandigen,, Strahlungsempfänger und mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis.The aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned and the Creation of a method for the detection of certain gas components with increased sensitivity, improved selectivity for that to be detected Gas without interference from other gases with neighboring absorption lines, with improved stability and robustness, without mechanically moving parts, with purely electrical evaluation with a broadband ,, Radiation receiver and with an improved signal-to-noise ratio.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Strahlung periodisch zwischen einem Absorptionsmaximum der nachzuweisenden Gaskomponente und einer benachbarten Stelle mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert wird und dass der Wechselanteil der Strahlung nach Durchsetzen des zu untersuchenden Gases zum Nachweis der betreffenden Gaskomponente benützt und ausgewertet wird.The method according to the invention is characterized in that the wavelength of the radiation periodically between an absorption maximum of the gas component to be detected and an adjacent one Body is modulated with a predetermined frequency and that the alternating component of the radiation after penetrating the to be examined Gas used and evaluated for the detection of the gas component in question will.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, zur Ausführung dieses Verfahrens wird anhand der Figur 1 erläutert. Figur 2 zeigt die Wirkungsweise des Verfahrens.An embodiment of an apparatus for carrying out this method is explained with reference to FIG. Figure 2 shows how the method works.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung wird eine Strahlungsquelle L mit abstimmbarer Emissionswellenlänge benützt. Beispielsweise kann eine Halbleiter-Diode eines Typs verwendet werden, wie er in letzter Zeit als "tunable Laser" bekanntgeworden ist, z.B. ein PbSeS-Halbleiter. Eine solche Laser-Diode emittiert nur ein schmales Frequenzband des Spektrums, dessen Frequenzlage vom Diodenstrom abhängt und mit diesem in einem gewissen Bereich variiert werden kann. Zweckmässigerweise wird eine solche Laser-Diode verwendet, deren Einstellbereich eine bedeutende Absorptionsbande des nachzuweisenden Gases überdeckt.In the device shown in FIG. 1, a radiation source is used L used with a tunable emission wavelength. For example, a semiconductor diode of the type shown in FIG has recently become known as a "tunable laser", e.g., a PbSeS semiconductor. Such a laser diode only emits a narrow frequency band of the spectrum, the frequency of which depends on the diode current and this can be varied within a certain range. Such a laser diode is expediently used, its setting range covers a significant absorption band of the gas to be detected.
Die Strahlung der Las er-Diode L wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel Si in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl geteilt. Der Messstrahl durchsetzt nach Umlenkung durch einen weiteren Spiegel S2 das Mess volumen M und trifft auf einen Strahlungsempfänger D 2. Der Referenzstrahl durchläuft eine Referenzkammer R, welche zumindest einen gewissen Anteil der nachzuweisenden Gaskomponente enthält und fällt auf einen weiteren Strahlungsempfänger Dj.The radiation from the laser diode L is transmitted through a semitransparent Mirror Si divided into a measuring beam and a reference beam. Of the Measuring beam penetrates after deflection by a further mirror S2 the measurement volume M and hits a radiation receiver D 2. The The reference beam passes through a reference chamber R which contains at least a certain proportion of the gas component to be detected and falls on another radiation receiver Dj.
Um die Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente im Messstrahlengang festzustellen, wird nun die Wellenlänge der Strahlung periodisch zwischen einem Absorptionsmaximum und einem benachbarten Minimum der Absorption durch die nachzuweisende Gaskomponente umgeschaltet. Dies geschieht dadurch, dass zunächst der Ruhestrom der Laser-Diode so eingestellt wird, dass die Emissionsfrequenz auf einem Punkt A (in Figur 2)To determine the concentration of the gas component to be detected in the measuring beam path determine, the wavelength of the radiation is now periodically between an absorption maximum and an adjacent minimum the absorption by the gas component to be detected is switched. This is done by first applying the quiescent current to the laser diode is set so that the emission frequency is at a point A (in Figure 2)
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der Flanke einer Absorptionslinie der nachzuweisenden Gaskomponente zu liegen kommt, beispielsweise beim Nachweis von Kohlenmonoxid, einer Linie der r- oder p-Absorptionsbande des Kohlenmonoxids, z.B. einer der Linien zwischen p^ undthe flank of an absorption line of the gas component to be detected comes to lie, for example when detecting carbon monoxide, a line of the r- or p-absorption band of the carbon monoxide, e.g. one of the lines between p ^ and
Von diesem Arbeitspunkt ausgehend erfolgt die Einstellung auf das benachbarte Maximum oder Minimum nun dadurch, dass der Diodenstrom pulsmoduliert wird. Hierzu wird von einem ersten Oszillator Oi an einem ersten Ausgang ein Rechtsecksignal bestimmter Frequenz erzeugt, welches über ein Additionsnetzwerk 12 dem als Steuerteil für die Laser-Diode dienenden Spannungs-Strom-Konverter 11 zugeführt wird. Die Pulsmodulationsfrequenz kann beispielsweise 5 kHz betragen und die Modulationsamplitude 0,1 % des der Mittelfrequenz entsprechenden Stromes oder weniger. Die in dieser Weise frequenzmodulierte Strahlung wird nach Durchlaufen der Referenzzelle R vom Detektor Di empfangen, an dessen Ausgang ein Wechselsignal auftritt, solange die Mittelfrequenz der Strahlung auf der Flanke der Absorptionslinie liegt. Dieses zur Steigung der Absorption proportionale Wechselsignal wird im phasen empfindlichen Detektor Ί?\, welcher über die Referenzspannung aus dem Oszillator Oi gesteuert wird, gleichgerichtet und dem Proportional-Integral-Regler 10 zugeführt. Dieser ändert über das Additionsnetzwerk 12 den Gleichstrom durch die Laser-Diode solange, bis das vom Detektor Pi abgegebene Wechselsignal mit der Frequenz fi des ersten Oszillator Oi verschwindet. Dabei ist dann die Mittelfrequenz der Strahlung so abgestimmt, dass sie genauStarting from this operating point, the adjustment to the adjacent maximum or minimum is now carried out in that the diode current is pulse-modulated. For this purpose, a square-wave signal of a certain frequency is generated at a first output by a first oscillator Oi, which is fed via an addition network 12 to the voltage-current converter 11 serving as a control part for the laser diode. The pulse modulation frequency can be, for example, 5 kHz and the modulation amplitude 0.1% of the current corresponding to the mean frequency or less. The radiation frequency-modulated in this way is received by the detector Di after passing through the reference cell R, at the output of which an alternating signal occurs as long as the center frequency of the radiation is on the flank of the absorption line. This alternating signal, which is proportional to the slope of the absorption, is rectified in the phase- sensitive detector Ί? \, Which is controlled via the reference voltage from the oscillator Oi, and fed to the proportional-integral controller 10. This changes the direct current through the laser diode via the addition network 12 until the alternating signal emitted by the detector Pi with the frequency fi of the first oscillator Oi disappears. The center frequency of the radiation is then tuned so that it is accurate
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auf dem Maximum einer Absorptionslinie des in der Referenzkammer R enthaltenen Gases oder auf einem Minimum zwischen zwei benachbarten Linien liegt, wie in Figur .2 dargestellt. Die Wellenlänge der Strahlung kann nun wahlweise auf ein Maximum oder ein Minimum stabilisiert werden, jenachdem wie die Phasenlage der dem phasen empfindlich en Detektor Pj vom Oszillator Οχ zugeführten Referenzspannung ist. Zu diesem Zweck hat der Oszillator Οχ zwei Ausgänge mit umgekehrten Phasenlage.at the maximum of an absorption line of the gas contained in the reference chamber R or at a minimum between two adjacent ones Lines is as shown in Figure .2. The wavelength of the radiation can now optionally be stabilized to a maximum or a minimum, depending on the phase position of the phase sensitive Detector Pj from the oscillator Οχ supplied reference voltage. to for this purpose the oscillator Οχ has two outputs with reversed Phasing.
Um nun die Emissionsfrequenz der Diode L von einem Maximum auf ein Minimum der Absorption umzuschalten, ist es nötig, die beiden Ausgangssignale des Oszillators Οχ periodisch abwechselnd an den phasen empfindlichen Detektor Pj anzuschalten. Dies geschieht durch einen Umschalter 14, z.B. einen Reed-Umschalter, welcher von einem Relais 16 betätigt wird, oder durch einen äquivalenten elektronischen Schalter. Dieses Relais 16 wird nun durch einen zweiten Oszillator O2 gesteuert, an dessen Ausgang eine weitere Rechteckspannung mit einer wesentlich niedrigeren Frequenz f2> z.B. 135 Hz auftritt. Das Relais 16 schaltet im Takt dieser niedrigeren Frequenz i2 den Umschalter 14 periodisch von einer Stellung auf die andere mit entgegengesetzter Phasenlage. Dadurch wird erreicht, dass die Stabilisierung durch den phasenempfindlichen Detektor P^ periodisch im Takt der niedrigeren Frequenz Ϊ2 so gesteuert wird, dass die Emissionswellenlänge periodisch vom Maximum der gewählten Absorptionslinie der nachzuweisenden Gaskomponente auf ein benachbartes Minimum springtIn order to switch the emission frequency of the diode L from a maximum to a minimum of the absorption, it is necessary to switch on the two output signals of the oscillator Οχ periodically alternately to the phase-sensitive detector Pj. This is done by a changeover switch 14, for example a reed changeover switch, which is actuated by a relay 16, or by an equivalent electronic switch. This relay 16 is now controlled by a second oscillator O2, at the output of which a further square-wave voltage occurs with a significantly lower frequency f2> for example 135 Hz. The relay 16 switches the changeover switch 14 periodically from one position to the other with the opposite phase position in the cycle of this lower frequency i2. This ensures that the stabilization by the phase-sensitive detector P ^ is periodically controlled in time with the lower frequency Ϊ2 so that the emission wavelength jumps periodically from the maximum of the selected absorption line of the gas component to be detected to an adjacent minimum
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und wieder zurück. Um dabei stets die richtige Sprungrichtung zu bekommen, ist zwischen Oszillator O2 und Additionsnetzwerk 12 ein Differenzierglied 13 eingeschaltet. Falls neben dem Absorptionsmaximum kein geeignetes Minimum liegt, springt die Wellenlänge vom Maximum auf eine Stelle der Flanke, wo die Steigung hinreichend klein ist. Die Strahlung erhält also zusätzlich eine weitere stärkere Modulation der Emissionsfrequenz mit der niedrigeren Taktfrequenz f2, welche genau dem Unterschied zwischen dem Maximum und dem Minimum der Absorption durch die nachzuweisende Gaskomponente entspricht. Durchsetzt eine so modulierte Strahlung nun das zu untersuchende Gas M, so wird infolge der periodischen Modulation bei einer Absorptionslinie des nachzuweisenden Gases das am Strahlungsempfänger Dj auftretende Ausgangssignal, also ein Wechselanteil mit der Modulationsfrequenz f2, enthalten, welcher der im Messvolumen enthaltenen Konzentration der -nachzuweisenden Gaskomponente unmittelbar proportional ist.and back again. In order to always get the right jump direction, a differentiating element 13 is connected between the oscillator O2 and the addition network 12. If next to the absorption maximum If there is no suitable minimum, the wavelength jumps from the maximum to a point on the flank where the slope is sufficiently small. The radiation also receives a further stronger modulation of the emission frequency with the lower clock frequency f2, which corresponds exactly to the difference between the maximum and the minimum of the absorption by the gas component to be detected. Enforces a radiation modulated in this way now the gas M to be examined, as a result of the periodic modulation at an absorption line des of the gas to be detected is the output signal occurring at the radiation receiver Dj, i.e. an alternating component with the modulation frequency f2, which is directly proportional to the concentration of the gas component to be detected in the measuring volume.
Zur praktischen Ausführung dieses Verfahrens wird die in der beschriebenen Weise doppelt modulierte Strahlung über die beiden Umlenkspiegel Si und S2 durch das Mess volumen M geleitet, in welchem sich das zu überprüfende Gas befindet und fällt auf den zweiten Strahlungsempfänger D2, dessen Ausgangssignal einem zweiten phasenempfindlichen Detektor P2 zugeführt wird. Dieser zweite phasenempfindliche Detektor wird nun vom zweiten Oszillator O2 geste\aert, so dass nur der Wechselanteil bei der Frequenz dieses Oszillators, nämlich f2j ausgewertet wird. Da das Wechselsignal bei dieser Frequenz jedoch, yri& oben beschrieben.For the practical implementation of this method, the radiation, which is doubly modulated in the manner described, is passed via the two deflecting mirrors Si and S2 through the measuring volume M in which the gas to be checked is located and falls on the second radiation receiver D2, whose output signal is a second phase-sensitive detector P2 is fed. This second phase-sensitive detector is now controlled by the second oscillator O2, so that only the alternating component at the frequency of this oscillator, namely f 2j, is evaluated. Since the alternating signal is at this frequency, however, yri & described above.
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dem Unterschied zwischen dem Maximum und dem Minimum der Absorption durch die nachzuweisende Gaskomponente entspricht, so ist das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors P2 ein direktes Mass für die Menge der nachzuweisenden Gaskomponente im Messvolumen M, unbeeinflusst durch andere Gaskomponenten. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors P2 wird einer Auswerteschaltung 15 zugeleitet, welche beispielsweise so eingerichtet sein kann, dass die Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente direkt angezeigt wird oder dass bei Ueberschreiten einer bestimmten Konzentration ein Alarmsignal gegeben wird.the difference between the maximum and the minimum of absorption corresponds to the gas component to be detected, the output signal of the phase-sensitive detector P2 is a direct measure of the Amount of the gas component to be detected in the measurement volume M, unaffected through other gas components. The output signal of the phase-sensitive detector P2 is fed to an evaluation circuit 15, which can be set up, for example, so that the concentration of the gas component to be detected is displayed directly or that an alarm signal is given when a certain concentration is exceeded.
Da das beschriebene Verfahren also mit einer genauen Einstellung der Strahlungswellenlänge auf eine ganz bestimmte Absorptionslinie arbeitet, ist es damit möglich, ausserordentlich selektiv eine bestimmte Gaskomponente nachzuweisen, ohne Störungen durch andere Gase. Von Vorteil ist besonders, dass die Einstellung mittels der beschriebenen Regelschaltung automatisch erfolgt. Wegen dieser selbstregelnden Eigenschaften weist das Verfahren also eine ausgezeichnete Stabilität auf und ein Nachstellen des Arbeitspunktes ist auch während längerer Betriebsdauern praktisch nicht erforderlich. Da bei dem beschriebenen Verfahren ausserdem direkt der Unterschied zwischen dem Maximum einer Absorptionslinie und dem benachbarten Minimum ausgewertet wird, so weist das Verfahren die physikalisch höchst mögliche Empfindlichkeit auf, d. h. das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich speziell dort einsetzen, woSince the method described so with a precise setting of the Radiation wavelength works on a very specific absorption line, It is thus possible to detect a certain gas component extremely selectively, without interference from other gases. Advantageous is special that the setting is made automatically by means of the control circuit described. Because of these self-regulating properties the method thus exhibits excellent stability and the operating point can also be readjusted during longer periods of operation practically not required. Since in the method described also the difference between the maximum of an absorption line and the neighboring minimum is evaluated directly, this shows Method has the highest possible physical sensitivity, d. H. the method according to the invention can be used especially where
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besonders geringe Konzentrationen einer Gaskomponente nachzuweisen sind. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung des Verfahrens zur Brandmeldung erwünscht, wo bereits geringste Konzentrationen von Kohlenmonoxid, welche im Anfangs stadium eines Brandes entstehen, als Kriterium für einen Brandausbruch benützt werden. Auf diese Weise lässt sich durch Anwendung des beschriebenen Verfahrens auf die Detektion von Kohlenmonoxid-Spuren in Luft ein ausserordentlich schnell, bereits auf das früheste Anfangs stadium eines Brandes reagierender Brandmelder schaffen, sobald in der Luft eine CO-Konzentrationserhöhung von nur einigen ppm auftritt.detect particularly low concentrations of a gas component are. This is desirable, for example, when using the method for fire detection, where even the smallest concentrations of Carbon monoxide, which occurs in the initial stage of a fire, is used as a criterion for a fire to break out. In this way By applying the described method to the detection of traces of carbon monoxide in air, an extremely fast, Create fire detectors that react to the earliest initial stage of a fire as soon as there is an increase in CO concentration in the air of only a few ppm occurs.
Geeignete, in der beschriebenen Schaltung verwendete elektronische Bauteile, wie phasengesteuerte Verstärker (P]1, P2)» Proportionalintegral-Regler (10) und Additionsnetzwerk (12) sind dem Fachmann bekannt und auf dem Markt, z. Teil auch als integrierte Schaltungen, in verschiedenen Variationen erhältlich. Einzelheiten können auch bekannten Handbüchern der Schaltungstechnik entnommen werden, z.B.Suitable electronic components used in the circuit described, such as phase-controlled amplifiers (P] 1 , P2) »proportional integral controller (10) and addition network (12) are known to the person skilled in the art and are on the market, e.g. Partly also as integrated circuits, available in different variations. Details can also be found in known circuit engineering manuals, e.g.
B. S. Walker "introduction to Computer Engineering" oder U. Tietze,B. S. Walker "Introduction to Computer Engineering" or U. Tietze,
C. Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik" (Kap. 11.1.1., 11.11. undC. Schenk "Semiconductor Circuit Technology" (Chapters 11.1.1., 11.11. And
19. 8). Statt eines phasengesteuerten Verstärkers (Pl, P2) kann gegebenenfalls auch ein einfacherer, auf den Oszillator (Οχ, Ο2) abgestimmter frequenz selektiver Verstärker verwendet werden.19. 8). Instead of a phase-controlled amplifier (P1, P2), if necessary also a simpler one, tuned to the oscillator (Οχ, Ο2) frequency selective amplifiers can be used.
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