DE3334264A1

DE3334264A1 - Verfahren und messgeraet zum messen der methan-konzentration in einem gasgemisch

Info

Publication number: DE3334264A1
Application number: DE19833334264
Authority: DE
Inventors: Akio Fujisawa Kanagawa Shinohara
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1982-09-25
Filing date: 1983-09-22
Publication date: 1984-04-05
Also published as: US4567366A; DE3334264C2

Description

HOEGER,

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c D 7000 STUTTGART

A 45 818 b , Anmelder: SHOWA DENKO KABUSHIKI KAISHA k - 176 13-9, Shiba Daimon 1-chome

19. September 1983 Minato-ku

Tokyo / Japan

Verfahren und Messgerät zum Messen der Methan-Konzentration in einem Gasgemisch

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Methan-Konzentration in einem Gasgemisch sowie ein Messgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren und einem Messgerät zur Messung der Methan-Konzentration in Erdgas, in der Luft von Kohlengruben usw. wobei speziell eine Messung über eine große Entfernung angestrebt wird.

Methangas ist als Kraft- bzw. Brennstoff sehr wichtig, und in einer großen Menge im Erdgas enthalten. Außerdem wird das Kokereigas im Stadtgas zur Erhöhung des Heizwerts in zunehmendem Maße durch Erdgas ersetzt. Um Gasexplosionen bei Lecks an Stadtgasleitungen zu vermeiden, ist es folglich sehr wichtig, ein Sicherheitssystem zu entwickeln, mit welchem Lecks, aus denen Methangas austritt, schnell und sicher erfasst werden können, insbesondere in unterirdisch angelegten

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Einkaufszentren, in mehrstöckigen Gebäuden usw., damit ein entsprechender Alarm ausgelöst werden kann.

Methangas ist ferner ein Hauptbestandteil der brennbaren Gase, die in Kohlenminen auftreten, so daß auch dort entsprechende Uberwachungssysteme erwünscht sind/ die Gasexplosionen mit anschließenden Kohlenstaubexplosionen verhindern.

Konventionelle Methangas-Sensoren vom Kontaktbrennertyp, vom Wärmeleitertyp und vom Halbleitertyp sind hinsichtlich ihrer Fähigkeiten,selektiv auf Methangas anzusprechen, unbefriedigend und haben außerdem im Hinblick auf die bei ihnen ausgewerteten Effekte eine unzureichende Ansprechcharakteristik. Außerdem wird ihre Zuverlässigkeit erheblich durch die gleichzeitige Anwesenheit anderer Gase, durch die Umgebungstemperatur und durch die Feuchtigkeit beeinflusst. Die konventionellen Methangas-Sensoren sind folglich nicht für Messungen geeignet, bei denen im Echtzeitbetrieb genaue Messergebnisse erhalten werden müssen. Außerdem werden die Ausgangssignale der konventionellen Methangas-Sensoren in Form elektrischer Signale übertragen, so daß induzierte Spannungen und Kabelschäden eine beträchtliche Fehlerquelle bilden.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein Messgerät zum Messen der Methangas-Konzentration in einem Gasgemisch anzugeben, mit dem es möglich ist, unter kritischen

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Bedingungen zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, wobei die Möglichkeit einer Echtzeit-Messung und einer Fernmessung und Überwachung angestrebt wird sowie eine hohe Fehlerfreiheit. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch das Messgerät gemäß Anspruch 8 gelöst.

Der wesentliche Vorteil von Verfahren und Gerät gemäß der Erfindung besteht darin, daß durch den Vergleich der Lichtenergie in mindestens einem Band, in dem eine der Absorptionsfrequenzen des Methans liegt, mit der Lichtenergie in einem Referenzband, in dem keine derartige Absorptionsfrequenz liegt, sehr zuverlässige Messergebnisse erhalten werden, wobei das Licht zwischen der Messzelle und den Auswerteeinrichtungen über einen optischen Faserleiter übertragen werden kann, der nur eine geringe Dämpfung für den interessierenden Frequenzbereich aufweist, so daß große Entfernungen überbrückt werden können, ehe die Lichtsignale in den Auswerteeinrichtungen in elektrische Signale umgewandelt und ausgewertet werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden, nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung des

Verlaufs der Übertragungsverluste über der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtsignals für eine

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optische Faser vom Quarztyp, wie sie in einem erfindungsgemäßen Gerät Verwendung finden kann;

Fig. 2 einen ersten Bereich des Absorptionsspektrums von Methangas;

Fig. 3 einen zweiten Bereich des Absorptionsspektrums von Methangas;

Fig. 4 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Lichtdurchlässigkeit eines Bandpass-Filters mit Gauss¹scher Verteilung;

Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Konzentration von Methangas und dem Absorptionsverhältnis der drei Bandpass-Filter mit unterschiedlichen Bandmittenwellenlängen;

Fig. 6 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Konzentration von Methangas und dem Absorptionsverhältnis für drei Bandpass-Filter mit unterschiedlichen Halbwertbreiten;

Fig. 7 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der

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Fig.	8
und
Fig.	9
Fig.	10
und
Fig.	11

Konzentration von Stadtgas in Luft und dem Absorptionsverhältnis/ welches bei verschiedenen Konzentrationen von Methangas in Luft beobachtet wird/ wenn ein Bandpass-Filter verwendet wird;

Schaltbilder zweier bevorzugter Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Geräten zur Messung der Methangas-Konzentration und

schematische Schaltbilder zweier weiterer bevorzugter Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Geräten zur Messung der Methangas-Konzentration.

Es wurde festgestellt, daß eine optische Faser, welche in jüngster Zeit für optische Kommunikationseinrichtungen entwickelt wurde, beispielsweise eine optische Faser vom Quarztyp, im Wellenlängenbereich zwischen 1,0 und 1,8 μπι sehr kleine libertragungsverluste besitzt. Andererseits liegen die charakteristischen Absorptionswellenlängen bei Methangas in der Nähe von 1,3 μπι und 1,6 μπι, d.h. im oben angegebenen Wellenlängenbereich. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß in der Nähe der charakteristischen Absorptionsfrequenzbänder bei 1,3 μπι und 1,6 μπι nur eine geringe Absorption für Wasserdampf (H₂O) oder Kohlendioxyd (CO-) vorliegt/ Die vorliegende Erfindung basiert auf diesen Erkenntnissen.

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Fig. 1 zeigt eine grafische Darstellung, in der der Übertragungsverlust einer optischen Faser vom Quarztyp für den Wellenlängenbereich von 0,6 bis 1,8 ρ dargestellt ist. Aus der grafischen Darstellung wird erkennbar, daß der Übertragungsverlust in dem Wellenlängenbereich zwischen 1,1 und 1,7 um kleiner als 1 dB/km ist und in der Nähe von 1,6 μΐη besonders klein ist und bei etwa 0,2 dB/km liegt. Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung einer optischen Faser mit einem derartig kleinen Übertragungsverlust als optischem Kanal die Konzentration von Methangas an einer relativ weit entfernten Stelle aufgrund der Absorptionsmessung gemessen werden kann.

In Fig. 2 und 3 ist das typische Absorptionsspektrum von Methangas für den Wellenlängenbereich um 1,33 \xm (Fig. 2) bzw. den Wellenlängenbereich um 1,66 um (Fig. 3) dargestellt. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß ein starkes Absorptionsband bei 1,331 um liegt. Fig. 3 zeigt, daß ein breites Absorptionsband bei 1,666 um liegt. Aufgrund von getrennt durchgeführten Messungen wurde bestätigt, daß keine wesentliche charakteristische Absorption für H.O oder CO₂ in der Nähe dieser beiden Absorptionsbänder liegt.

Wie oben ausgeführt, wurde jedoch festgestellt, daß die charakteristischen Absorptionsbänder verschiedener Gase, wie z.B. einigen von Methan verschiedenen Kohlenwasserstoff gasen, in den Bändern um 1,6 und 1,3 um liegen.

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Wenn beispielsweise eine optische Faser vom Quarztyp als Lichtübertragungskanal verwendet wird, dann wird mindestens eine der charakteristischen Absorptionswellenlängen bei 1,666 um und 1,331 μΐη (die zu messende Wellenlänge) ausgewertet, so daß folglich die Messung eines an einer entfernten Stelle vorhandenen Methangases mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann, ohne daß sich merkliche Einflüsse von gleichzeitig vorhandenem H₉O und C0_ ergeben würden. Weiterhin kann das Vorliegen oder Fehlen von Störungen aufgrund anderer gasförmiger Kohlenwasserstoffe dadurch festgestellt werden, daß man mindestens zwei Lichtwellen mit Wellenlängen, bei denen keine ins Gewicht fallende Absorption durch H_0 oder CO₂ auftritt, als Referenzlichtquellen verwendet, die beispielsweise mit den beiden Wellenlängen von 1,30 und 1,34 μΐη arbeiten, wenn als zu messende Wellenlänge die Wellenlänge von 1,331 μΐη gewählt wird oder mit Wellenlängen von 1,30 μπι und 1,62 μπι, wenn die Wellenlängen von 1,331 und 1,666 μπι gemessen werden sollen. Im einzelnen werden mindestens zwei Absorptionsverhältnisse bei 1,666 μπι oder bei 1,331 μπι oder bei beiden Wellenlängen ermittelt,und die bei 1,666 μπι gemessene Methan-Konzentration wird mit der bei 1,331 μπι gemessenen Methan-Konzentration verglichen. Wenn mit mindestens zwei Bezugswellenlängen gearbeitet wird, um mehrere Intensitätsverhältnisse für den Lichtdurchlaß bei der zu messenden Wellenlänge und den Lichtdurchlaß bei den Bezugswellenlängen zu erhalten, werden diese Intensitätsverhältnisse miteinander verglichen.

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Nachstehend soll nunmehr die Lichtquelle beschrieben werden, die dazu dient, im nahen Infrarot-Bereich Licht mit Wellenlängen von 1,3 μπι und 1,6 um zu erzeugen. Als Lichtquellen für diesen Wellenlängenbereich kann ein Gasstrumpf, eine Globar-Lampe, eine Nernst-Lampe, eine Wolfram-Lampe, eine Xenon-Lampe und ein geheizter Draht verwendet werden; im Hinblick auf eine einfache Handhabung, im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit und im Hinblick auf den Energieverbrauch wird jedoch vorzugsweise eine Halbleiter-Laserdiode (LD) oder eine Leuchtdiode (LED) verwendet.

Mit einer Laserdiode kann ein hohes Ausgangssignal erhalten werden, aber die Emissionswellenlänge ändert sich kräftig in Abhängigkeit von der Temperatur und der angelegten Spannung. Außerdem wird stark monochromes Licht erzeugt. Es ist daher ein großes Geschick erforderlich, wenn man eine Laserdiode für den hier betrachteten Zweck verwenden möchte. Bei einer Leuchtdiode ist dagegen die Ausgangsleistung niedrig; dafür ist aber das Emissionsspektrum relativ breit, während die Wellenlängenstabilität gut ist, so daß die charakteristische Absorptionswellenlänge sehr leicht abgedeckt werden kann. Die Handhabung von Leuchtdioden ist also einfach, und Leuchtdioden können daher für die Messung von Gasen der hier betrachteten Art mit Erfolg eingesetzt werden. Da bei Verwendung einer Leuchtdiode als Lichtquelle das Emissionsspektrum breit ist, ist jedoch eine Auswahl der Wellenlänge erforderlich bzw. das Ausfiltern eines oder mehrerer definierter Frequenzbänder .

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Für die Wellenlängenauswahl stehen verschiedene technische Möglichkeiten zur Verfügung. Erfindungsgemäß werden Bandpass-Filter bevorzugt, die relativ preiswert erhältlich sind.

Die Bandbreite des Bandpass-Filters ist gewöhnlich breit und liegt im Bereich von 1 bis mehreren nm. Wenn die Spektrallinie des zu untersuchenden Messobjektes schmaler ist als diese Bandbreite, wird die Effektivität verringert. Bei Methangas, welches relativ breite Absorptionsspektren bei 1,331 μΐη oder 1,666 um besitzt, wird jedoch die Genauigkeit des Meßsystems insgesamt auch bei Einsatz von Bandfiltern mit einem relativ breiten Durchlaßbereich ausreichend verbessert. Dies wird nachstehend noch näher erläutert.

Fig. 4 zeigt die Intensitätsverteilung von Licht, welches ein Bandpass-Filter mit einer Gauss'sehen Verteilung und einer mittleren Wellenlänge von 1,6661 \im und einer Halbwertsbreite von 2 nm passiert hat. Dabei zeigt die ausgezogene Linie die Ergebnisse, die erhalten werden, wenn in einer Messzelle, in der die Länge des Lichtpfades 50 cm beträgt, Methangas unter einem Druck von 20 Torr vorhanden ist, während die gestrichelte Linie das Ergebnis für den Fall zeigt, daß kein Methangas vorhanden ist. Man sieht, daß das Absorptionsverhältnis für Methangas erhalten werden kann, indem man die Flächendifferenz zwischen beiden Kurven durch die unter der gestrichelten Linien liegende Fläche teilt.

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Fig. 5 zeigt eine Darstellung des Absorptionsverhältnisses der Absorptions-Spektrallinie von Methangas bei 1,666 μΐη, welches erhalten wird, wenn man drei verschiedene Arten von Bandpass-Filtern mit einer Halbwertbreite von 2 nm und einer Bandmittenfrequenz von 1,6661 μπι (Kurve A), 1,6666 um (Kurve B) bzw. 1,6656 um (Kurve C) verwendet und dabei die Methan-Konzentration ändert. Dabei liegt der Druck des Gemisches von Methan und Luft bei 1 atm,und der Partialdruck (in Torr) des Methangases ändert sich. Wie aus der grafischen Darstellung gemäß Fig. 5 deutlich wird, ändert sich das Absorptionsverhältnis bei Änderung der Bandmittenfrequenz des Filters selbst dann, wenn der Partialdruck des Methangases derselbe ist, wobei das Filter mit einer der Wellenlänge von 1,6661 um entsprechenden Bandmittenfrequenz gemäß der Kurve A das höchste Absorptionsverhältnis liefert.

Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung des Absorptionsverhältnisses für Methangas, welches bei denselben Bedingungen, die vorstehend in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wurden, bei Verwendung von drei verschiedenen Bandfiltern mit einer Bandmitten-Wellenlänge von 1,6661· um und Halbwertbreiten von 1,5 nm (Kurve E), 2,0 nm (Kurve F) und 2,0 nm (Kurve G) erhalten wurde. Aus der grafischen Darstellung gemäß Fig. 6 wird deutlich, daß bei der Verwendung des Filters mit einer Halbwertbreite von 2,5 nm (Kurve G) zum Erfassen von Methangas mit einem Partialdruck von 3 Torr in Luft (dies entspricht etwa 6% der Konzentration an der unteren

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Explosionsgrenze) das AbsorptionsverhäLtnis von etwa 1,5% gemessen werden muß, was bedeutet, daß eine Verringerung der Lichtintensität von etwa 1,5% erfasst werden muß. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß das Filter gemäß Kurve E in Fig. 6 zwar die höchste Empfindlichkeit ergibt, daß ein solches Filter jedoch wegen der geringen Halbwertbreite relativ teuer ist, so daß vorzugsweise ein Filter gemäß Kurve G verwendet wird, nachdem sich ein solches Filter als befriedigend erwiesen hat. Ähnliche Untersuchungen wurden mit Stadtgas durchgeführt, welches Methangas enthielt.

Fig. 7 zeigt das Absorptionsverhältnis, welches bei einer Probe gemessen wurde, die aus einer Mischung von Luft und Stadtgas mit einem Methananteil von 20% bestand und bei der die Menge des Stadtgases geändert wurde. Das für die Messung verwendete Bandpass-Filter besaß eine Bandmitten-Wellenlänge von 1,6661 μπι und eine Halbwertbreite von 2,0 nm. Aus den vorstehend diskutierten Versuchsergebnissen wird deutlich, daß selbst bei Verwendung einer kleinen Leuchtdiode als Lichtquelle und eines Bandpass-Filters für das Ausfiltern der gewünschten Wellenlänge bzw. für die Auswahl der Wellenlänge die Methangas-Konzentration quantitativ bestimmt werden kann. Außerdem kann bei Bestimmung der Methangas-Konzentration aufgrund der Absorptionsverhältnisse bei mindestens einer Messwellenlänge,für die eine der charakteristischen Absorptionswellenlängen des Methangases bei 1,666 um und 1,331 um gewählt wird, und bei mehreren Referenz-Wellenlängen eine Störung

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durch Kohlenwasserstoffgase, die von Methan verschieden sind, erfasst werden. Obwohl gewisse/ von Methan verschiedene Kohlenwasserstoffgase charakterische Absorptionsbänder bei 1,6 μπι und 1 ,3 μπι besitzen, kann eine Beeinträchtigung des Messergebnisses durch ein von Methan verschiedenes Kohlenwasserstoffgas festgestellt werden. Da nämlich das Molekular-Absorptionsvermögen bei 1,666 μπι vom Molekular-Absorptionsvermögen bei 1,331 μπι verschieden ist und da das Molekular-Absorptionsvermögen des betreffenden Kohlenwasserstoffgases verschieden von den Molekular-Absorptionswerten des Methangases ist, stimmt die bei 1,666 μπι gemessene Methan-Konzentration nicht mit der bei 1,331 μπι gemessenen Methan-Konzentration überein, wenn mit mehreren Bezugswellenlängen gearbeitet wird, die dicht bei den zu messenden Wellenlängen liegen und wenn ein von Methan verschiedenes Kohlenwasserstoffgas vorhanden ist. Mit anderen Worten sind die Absorptionsverhältnisse zwischen einer der Messwellenlängen und den Bezugswellenlängen also voneinander verschieden, und die gemessenen Methan-Konzentrationen stimmen folglich nicht überein, so daß aufgrund dieser fehlenden Übereinstimmung ein störender Einfluß durch ein von Methan verschiedenes Kohlenwasserstoff gas bestätigt wird.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Messgerätes zur Messung der Methangas-Konzentration, welches ausgehend von den vorstehend wiedergegebenen Erkenntnissen entwickelt wurde. Im einzelnen weist das Gerät gemäß

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Fig. 8 eine Lichtquelle 1 auf, welche eine Leuchtdiode umfasst. Das von dieser Lichtquelle 1 abgestrahlte Licht, welches zumindest ein Wellenlängenspektrum hat, welches ein Wellenlängenband bei 1,3 um oder ein Wellenlängenband bei 1,6 um besitzt, wird über einen Lichtübertragungskanal 3 übertragen, welcher aus einer optischen Faser mit einem geringen Übertragungsverlust, wie z.B. einer optischen Faser vom Quarztyp, zusammengesetzt ist, über eine optische Koppelungsvorrichtung übertragen. Die optische Faser 3 vom Quarztyp hat eine übertragungscharakteristik, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, und besitzt im Wellenlängenbereich zwischen 1,1 und 1,7 μπι einen sehr geringen Ubertragungsverlust. Folglich kann die Länge der optischen Faser 3 einige Kilometer und bis zu etwa 10 km betragen. Das Licht aus der optischen Quarzfaser 3 wird über eine optische Koppelvorrichtung 4b zu einer Messzelle 4 übertragen. Die Messzelle 4 umfasst einen kreisrunden Hohlzylinder 4a und optische Koppelvorrichtungen 4b und 4b¹, die an beiden Enden des Zylinders 4a montiert sind. Der Zylinder 4a besteht aus einem porösen Sintermetall oder einem Kunststoffschaum mit kontinuierlicher Zellenstruktur, so daß ein Gas frei in die Messzelle 4 hinein und aus dieser herausströmen kann. Wenn von der optischen Koppelvorrichtung 4b Licht zu der optischen Koppelvorrichtung 4b¹ durch die Zelle 4 hindurch übertragen wird, dann wird dabei Licht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Die Länge des optischen Pfades, d.h. der Abstand zwischen den optischen Koppelvorrichtungen

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4b und 4b¹ der Messzelle ist nicht besonders kritisch, wird jedoch in vielen Fällen auf Werte zwischen 50 und 100 cm eingestellt. Wenn die Konzentration des Methangases gering ist, kann eine bekannte Absorptionszelle verwendet werden, die von dem Licht mehrfach durchlaufen wird. Das die Messzelle 4 verlassende Licht wird von der optischen Koppelvorrichtung 4b¹ auf eine optische Faser 5 mit geringem Ubertragungsverlust, beispielsweise eine optische Quarzfaser, übertragen. Das Licht, welches die optische Faser 5 passiert hat, gelangt über eine optische Koppelvorrichtung 6 zu einem halbdurchlässigen Spiegel 7, wo das Licht in zwei Ströme bzw. Strahlen 8,10 aufgeteilt wird. Der erste Strahl 8 gelangt von dem Spiegel 7 zu einem ersten Bandpass-Filter 9, während der zweite Strahl 10 mit Hilfe einer weiteren Einrichtung 11 zur Strahlaufteilung in einen dritten Strahl 12 und einen vierten Strahl 13 aufgeteilt wird. Der dritte Strahl wird zu einem zweiten Bandpass-Filter 14 übertragen, während der vierte Strahl 13 zu einem dritten Bandpass-Filter 15 übertragen wird.

Jedes der Bandpass-Filter 9,14 und 15 ist ein Interferenz-Filter, bei dem die Interferenz mittels mindestens einer dünnen Folie erreicht wird, wobei Interferenz-Filter mit mehreren Folienschichten bevorzugt werden, und wobei die Durchlässigkeit bei der Bandmitten-Wellenlänge möglichst hoch sein soll, während die Halbwertbreite relativ klein sein und bei 1,0 bis 2,0 nm liegen sollte. Die Bandmitten-Wellenlänge des ersten

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Filters 9 wird auf 1,3312 μΐη eingestellt, während die Bandmitten-Wellenlänge des zweiten Filters 14 auf 1,30 μπι eingestellt wird, was keiner charakteristischen Absorptionswellenlänge des Methan entspricht und auch keiner charakteristischen Absorptionswellenlänge von H₂O oder C0_.

Auch das dritte Filter 15 ist für die Bezugswellenlänge,und seine Bandmitten-Wellenlänge ist auf 1,34 um eingestellt. Das Licht, welches das erste Filter 9 passiert hat, besitzt im Übertragungsbereich eine Gauss'sehe Verteilung, wobei die Intensität durch Absorption aufgrund des Vorhandenseins von Methangas verringert sein kann. Für das Licht, welches das zweite Filter 14 und das dritte Filter 15 passiert, ist eine gegebenenfalls vorliegende Absorption aufgrund des Vorhandenseins von Methangas irrelevant. Das durchgelassene Licht hat jeweils eine Bandmitten-Wellenlänge in der Nachbarschaft der Methan-Absorptionswellenlänge von 1,331 μΐη und im übrigen eine Gauss'sehe Verteilung. Von den Filtern 9, 14,15 gelangt das Licht zu einem ersten Lichtdetektor 16, zu einem zweiten Lichtdetektor 17 bzw. zu einem dritten Lichtdetektor 18. Jeder der Detektoren 16,17, 18 umfasst eine Lawinen-Fotodiode (APD) oder eine konventionelle Fotodiode (PD) (beispielsweise eine Germanium-Diode) . Das ankommende Licht wird von den Detektoren in elektrische Signale verwandelt, welche mittels Verstärkern 19,20 bzw. 21 verstärkt werden und einem Signalprozessor 22 zugeführt werden, der einen Mikrocomputer umfasst.

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Im dem Signalprozessor 22 wird das elektrische Ausgangssignal des ersten Lichtdetektors 16 mit dem elektrischen Ausgangssignal des zweiten Lichtdetektors verglichen. In Abhängigkeit von dem Intensitätsverhältnis des Lichts bei einer Wellenlänge von 1,3312 μπι einerseits und des Lichts bei einer Wellenlänge von 1,30 μπι andererseits wird das Auslöschungsverhältnis A für Methan bestimmt. Anschließend wird in Abhängigkeit vom Verhältnis des Auslöschungsverhältnisses einerseits zu der Methangas-Konzentration andererseits, welche vorab unter Verwendung eines Standard-Methangases bestimmt wurde, berechnet, so daß die Konzentration des Methangases in dem in der Messzelle 4 vorhandenen Gas bei 1,3312 um bestimmt wird. Gleichzeitig wird das elektrische Signal des ersten Lichtdetektors 16 mit dem elektrischen Signal des dritten Lichtdetektors verglichen. Das Absorptionsverhältnis A' für Methan wird in Abhängigkeit vom Verhältnis der Intensität des Lichts bei einer Wellenlänge von 1,3312 μπι einerseits und der Intensität des Lichts bei einer Wellenlänge von 1,34 μπι bestimmt, und die Methan-Konzentration wird in derselben Weise bestimmt wie oben beschrieben. Die beiden so bestimmten Konzentrationen werden miteinander verglichen, und wenn beide Konzentrationen im Rahmen eines zulässigen Toleranzbereichs identisch sind, wird das Ergebnis als Methangas-Konzentration des Gases in der Messzelle 4 an einer Anzeige 23 angezeigt. Wenn zwischen den beiden gemessenen Konzentrationen eine Differenz vorhanden ist, die einen vorgegebenen Wert übersteigt, dann bedeutet dies, daß in

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dem Gas in der Messzelle 4 ein weiterer gasförmiger Kohlenwasserstoff vorhanden ist oder daß stromabwärts von der optischen Koppelvorrichtung 6 im Messgerät ein Fehler vorhanden ist, beispielsweise in einem der Bandpass-Filter 9,14 oder 15, bei einem der Lichtdetektoren 16,17 oder 18 oder bei einem der Verstärker 19,20 oder 21. Dies wird an der Anzeige 23 angezeigt. Wenn eine Prüflichtquelle zwischen der Koppelvorrichtung 6 und dem ersten Element 7 zur Strahlaufteilung angeordnet wird und wenn bei Auftreten eines Fehlers der Lichtstrahl von der optischen Koppelvorrichtung 6 unterbrochen und die Prüflichtquelle eingeschaltet wird, dann kann das Vorliegen eines Fehlers im Messgerät selbst von dem Fall unterschieden werden, daß die Störung durch das Vorhandensein eines weiteren Kohlenwasserstoff gases ausgelöst wurde.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Messgerätes gemäß der Erfindung. Dabei sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 8 bezeichnet, und es werden nur die Unterschiede zum.ersten Ausführungsbeispiel erläutert. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 kanmt das Licht aus der optischen Fa-' ser 5 zu einer Verzweigung 24, wo es auf drei Pfade verteilt wird, die an optischen Koppelvorrichtungen 25, 26,27 enden. Von dort wird das Licht über einen Zerhacker (Chopper) 28 zu den drei Filtern 9, 14 und 15 übertragen, denen die Lichtdetektoren 16,17 bzw. 18 zugeordnet sind. Die elektrischen Signale vom ersten

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und vom zweiten Lichtdetektor 16 bzw. 17 werden zu einem ersten Verstärker 29 übertragen, während die elektrischen Signale vom ersten und vom dritten Lichtdetektor 16 bzw. 18 zu einem Verstärker 30 übertragen werden. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Ausgangssignale der Detektoren 16,17 und 18 wegen des Zerhackers 28 in den Lichtpfaden Wechselspannungssignale, was den Vorteil mit sich bringt, daß die Verstärkung der Signale sehr einfach ist.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, das Licht aus einer Lichtquelle mittels eines Verzweigungselementes auf mehrere Pfade zu verzweigen, die über getrennte optische Fasern mit einer entsprechenden Zahl von Messzellen verbunden sind, so daß die Methankonzentrationen an verschiedenen Punkten gleichzeitig gemessen werden können.

In Fig. 10 und 11 sind weitere Ausführungsbeispiele von Messgeräten gemäß der Erfindung gezeigt, wobei entsprechende Teile wieder mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 8 und 9 bezeichnet sind. Das in Fig. 10 gezeigte Gerät besitzt im wesentlichen denselben Aufbau wie das Gerät gemäß Fig. 8, mit dem Unterschied, daß das Licht nur einmal - mit Hilfe des halb durchlässigen Spiegels 7 - in zwei Strahlen aufgeteilt wird, die dann zu einem ersten Bandpass-Filter 9 und zu einem zweiten Bandpass-Filter 15 gelangen. Das Gerät gemäß Fig. 11 hat grundsätzlich denselben Aufbau wie das Gerät gemäß Fig. 9, mit dem Unterschied, daß das Licht von dem Verteiler 24 nur auf zwei Pfade aufgeteilt wird.

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Das Gerät gemäß Fig. 10 und 11 kann auch nur ein Bandpass-Filter und einen Lichtdetektor aufweisen. In diesem Fall wird das Bandpass-Filter gegen ein anderes ausgetauscht, um das Licht durchzulassen, welches die zu messende Wellenlänge oder die Bezügswellenlänge besitzt. Das Licht mit der zu messenden Wellenlänge und das Licht mit der Bezugswellenlänge werden nacheinander von dem Lichtdetektor erfasst.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, wird bei der Messung der Methangas-Konzentration nach dem Verfahren bzw. mit dem Gerät gemäß der Erfindung mindestens eines der Absorptionsbänder bei 1,33 um und bei 1,66 μπι gewählt, wo die Übertragungsverluste der optischen Faser am kleinsten sind und wo im wesentlichen keine CO₂ oder HLO-Absorption auftritt, um als charakteristisches Absorptionsband für das Methangas zu dienen. Zur Lichtübertragung wird eine optische Faser mit einem geringen Ubertragungsverlust verwendet. Ein Bandpass-Filter, welches geringe Abmessungen hat und billig ist, wird zur Auswahl bzw. zum. Ausfiltern des gewünschten Wellenlängenbereichs verwendet. Das Absorptionsverhältnis zwischen der bzw. den ausgewählten Wellenlängen von 1,33 und 1,66 um einerseits und von mindestens einer Bezugswellenlänge wird verwendet, um die Methan-Konzentration zu bestimmen. Folglich besteht die Möglichkeit, eine Messzelle 4 in einer sehr großen Entfernung anzuordnen, wobei der Einfluß von elektromagnetischen Induktionen auf das übertragene Signal verhindert wird und wobei das Auftreten von Fehlern, wie z.B. Kurzschlüssen aufgrund des Brechens eines Kabels,,verhindert werden kann. Verfahren und Gerät gemäß der Erfindung können folglich erfolgreich für die Messung der Methangas-Konzentration in den Gängen einer Kohlenmine oder zur konzentrierten über-

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wachung der Methangas-Konzentration an einem Ort unter Verwendung mehrerer Messzellen eingesetzt werden. (Letzteres beispielsweise in großflächigen, unterirdisch angelegten Einkaufszentren oder dergleichen.) Da mindestens eine der ausgewählten Wellenlängen von 1,331 μπι und 1,666 um als Messwellenlänge verwendet wird und da ein oder mehrere Bezugswellenlängen verwendet werden, um die Methangas-Konzentration zu ermitteln, indem man die gemessenen Werte miteinander vergleicht, kann erfindungsgemäß auch festgestellt werden, ob außer dem Methan in dem untersuchten Gas noch ein weiterer Kohlenwasserstoff vorhanden ist. Außerdem können Fehler im Messgerät festgestellt werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Messergebnisse verbessert wird. Da die erfindungsgemäß durchgeführten Messungen auf dem Absorptionsverfahren beruhen, können Echtzeit-Messungen durchgeführt werden, wobei auf jede Änderung der Methan-Konzentration sofort reagiert werden kann. Da für die Ausblendung bzw. Auswahl des gewünschten Wellenlängenbereichs aus dem von der Lichtquelle ausgehenden Licht ein Bandpass-Filter verwendet wird, können ferner die Abmessungen und Herstellungskosten des Geräts verringert werden. Weiterhin können selbst bei Verwendung einer Leuchtdiode geringer Größe und geringer Ausgangsleistung sowie entsprechend geringer Eingangsleistung, so daß auf eine Kühlung verzichtet werden kann, Methangas-Konzentrationen, die unter der Explosionsgrenze für Methan liegen, mit hoher Empfindlichkeit festgestellt werden.

Claims

HOEGER1 UHLANDS'RASSE 14 c D 7000 STUTTGART 1 A 45 818 b Anmelder: SHOWA DENKO KABUSHIKI KAISHA k-176 13-9, Shiba Daimon 1-chome 19. September 1983 Minato-ku Tokyo / Japan Patentansprüche

1.J Verfahren zum Messen der Methan-Konzentration in einem Gasgemisch, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

man überträgt Licht mit mindestens einem Wellenlängenband, welches unter den Wellenlängenbandern mit einer Wellenlänge von 1,6 um und 1,3 um ausgewählt ist, über eine optische Faser, die in diesem mindestens einen Wellenlängenband einen kleinen Übertragungsverlust aufweist, zu einer Messzelle, die das zu untersuchende Gasgemisch enthält, insbesondere ein frei aus der Umgebung zuströmendes und ein frei in die Umgebung abströmendes Gasgemisch,

man lässt das Licht durch die Messzelle hindurchtreten, so daß entsprechend dem Methan-Gehalt des Gasgemisches eine Absorption bei mindestens einer der Wellenlängen von 1,666 um und 1,331 um erfolgt,

man überträgt das aus der Messzelle austretende Licht über eine optische Faser mit einem geringen Übertragungsverlust, in dem mindestens einen

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ausgewählten Wellenlängenband von 1,6 μπι und/oder 1/3 μπι zu einem Bandpass-Filter, man spaltet das Licht vom Ausgang der optischen Faser in mindestens einen Lichtstrahl mit der Absorptionswellenlänge des Methan-Gases, d.h. mit der zu messenden Wellenlänge und mindestens einen Lichtstrahl mit einer davon verschiedenen Bezugswellenlänge auf, man bestimmt das Intensitätsverhältnis zwischen dem Licht mit der Messwellenlänge und dem Licht mit der Bezugswellenlänge und

man berechnet die Methangas-Konzentration in der Messzelle in Abhängigkeit von dem so ermittelten Intensitätsverhältnis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als optische Faser eine optische Faser vom Quarztyp verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Methan-Konzentration mit hoher Genauigkeit und ohne einen wesentlichen Einfluß der gleichzeitig vorhandenen H₂O- und CO-HKonzentration misst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Wahl der Wellenlänge von 1,331 um als Messwellenlänge die beiden Wellenlängen von 1,30 um und 1,34 um als Bezugswellenlängen auswählt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen von 1,30 um und 1,62 um als

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Bezugswellenlängen gewählt werden, wenn als Messwellenlängen die Wellenlängen von 1,331 um und 1,666 \im gewählt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Beeinträchtigungen des Messergebnisses durch ein von dem Methangas verschiedenes Kohlenwasserstoff gas erfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Methan-Konzentration aufgrund des Absorptionsverhältnisses bestimmt, welches sich für mindestens eine der Messwellenlängen, welche unter den charakteristischen Absorptionswellenlängen des Methans mit einer Wellenlänge von 1,666 um und 1,331 um ausgewählt sind, einerseits und einer Vielzahl von Bezugswellenlängen andererseits ergibt.

8. Messgerät zur Messung der Methan-Konzentration in einem Gasgemisch, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: es ist eine Lichtquelle (1) vorgesehen, welche Licht in mindestens einem Wellenlängenband abstrahlt, welches unter den Bändern mit einer Wellenlänge von 1,6 um und 1,3 um ausgewählt ist; es ist eine optische Faser (3) zur Übertragung des Lichts vorgesehen, welche in den genannten Wellenlängenbändern einen geringen Übertragungsverlust aufweist;

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es ist eine Messzelle (4) vorgesehen, in die Gas eintritt und aus der Gas austritt; es ist mindestens ein Bandpass-Filter (9,14,15) vorgesehen, um das Licht, welches in der Messzelle (4) bei mindestens einer der charakteristischen Absorptionswellenlängen von 1,331 μπι und 1 ,666 μπι eines Methangases absorbiert wurde, in mindestens einen Lichtanteil mit cer Methangasabsorptionswellenlänge und mindestens einen Lichtanteil mit einer anderen Wellenlänge zu trennen ;

es ist mindestens ein Lichtdetektor (16,17,18) zum Erfassen des Lichts der beider. Lichtanteile vorgesehen und

es ist ein Rechner (22) zur Verarbeitung der von dem Lichtdetektor (16,17,18) erfassten Signale vorgesehen.

9. Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (3) als optische Faser vom Quarztyp ausgebildet ist.

10. Messgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine der folgenden Lichtquellen vorgesehen ist:

ein Gasstrumpf, eine Globar-Lampe, eine Nernst-Lampe, eine Wolfram-Lampe, eine Xenon-Lampe, ein erhitzter Draht, eine Halbleiter-Laser-Diode, eine Leuchtdiode.

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11. Messgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (1) eine Leuchtdiode vorgesehen ist.

12. Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Bandpass-Filter eine Bandmittenwellenlänge von 1,6661 um und eine Halbwertbreite zwischen 1,5 und 2,5 nm aufweist.

13. Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messzelle (4) einen Hohlzylinder (4a) aus porösem Sintermetall oder aus einem offenporigen Schaumstoff aufweist, an dessen Enden optische Koppelvorrichtungen (4b, 4b') montiert sind.

14. Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messzelle als mehrfach vom Lichtstrahl durchlaufene Absorptionszelle ausgebildet ist.