DE3804134A1

DE3804134A1 - Verfahren und einrichtung zum messen der konzentration eines fremdgases in einem gasgemisch unter nutzung eines moires

Info

Publication number: DE3804134A1
Application number: DE19883804134
Authority: DE
Inventors: Friedrich Karl Dr Levacher; Helmut Dr Federmann; Georg Dr Ing Noack; Anton Dipl Ing Kraus
Original assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Current assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Priority date: 1988-02-11
Filing date: 1988-02-11
Publication date: 1989-08-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der Konzentration (Dichte) eines Fremdgases in einem Gas gemisch, vorzugsweise der CH₄-Konzentration in Luft, mittels einer optischen Gassensor-Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es eignet sich besonders zur Überwachung von explosiven Gasen (CH₄) im Bergbau, in der Offshore-Technik und in der chemischen Industrie.

Die vorerwähnte Gassensor-Einrichtung ist bereits in der älteren Patentanmeldung P 36 27 876.9 angegeben. Bei dem damit betriebenen Verfahren wird die Veränderung der optischen Dichte des Gasge misches in einer Meßküvette aus einem Vergleich der beim Zeemann- Effekt auftretenden Schwebungsfrequenz des Lichts ermittelt.

Dazu wird der Resonator eines Lasers axial von einem Magnetfeld durchsetzt, womit er zwei polarisierte Lichtstrahlen gering unter schiedlicher Frequenz aussendet, die sich zu einer Schwebung über lagern, deren Frequenz man über Fotodioden mißt. Man trennt die beiden Lichtstrahlen voneinander, führt die eine durch die Meß küvette und die andere durch eine Referenzküvette mit einem Refe renzgas und überlagert beide wieder, so daß man je nach der Zu- oder Abnahme der optischen Dichte in der Meßküvette eine steigende oder sinkende Schwebungsfrequenz erhält. Schließlich zählt man die Frequenz der Meßschwebung hoch und vergleicht diese mit der Fre quenz einer Referenzschwebung am Ausgang des Lasers. - Zur Licht leitung zwischen der Gassensor-Einrichtung vor Ort und dem Meßraum in sicherer Entfernung dienen Lichtwellenleiter (LWL).

Bei diesem Verfahren wird im wesentlichen die Frequenzänderung des Lichts, durch dessen Laufzeitänderung, in der Meßküvette beim Ein tritt des Fremdgases, gegenüber dem Referenzgas (Normalatmosphäre) in der Referenzküvette, zur Detektion des Fremdgases benutzt. Da hierbei der Doppler-Effekt wirksam wird, bleibt die Frequenzände rung nur solange bestehen, wie sich der Anteil des Fremdgases än dert. Das bedeutet, daß die Anzeige verschwindet, sobald konstante Verhältnisse vorliegen. Dies ist nachteilig.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch eine Ände rung des Meßverfahrens und der optischen Gassensor-Einrichtung eine Anzeige der Fremdgaskonzentration selbst (und nicht nur deren Änderung) zu erhalten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht im wesentlichen darin, daß der Laufzeitunterschied des Lichts zwischen Gasgemisch und Refe renzgas zur Bildung eines, allein von der Fremdgaskonzentration abhängigen, Interferenzgitters benutzt und dieses einem vorgege benen Phasengitter überlagert wird, so daß ein Moir´ entsteht, das von einer LWL-Detektorvorrichtung aufgenommen wird, deren Licht intensitäten über ein LWL-Kabel einer Auswerteelektronik zugeführt werden.

Die zur Durchführung dieses Meßverfahrens benötigte optische Gas sensor-Einrichtung ist in Anspruch 2, Einzelheiten der Detektor vorrichtung sind in Anspruch 3 gekennzeichnet.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß man nun eine laufende Anzeige der Fremdgaskonzentration selbst erhält. Des weiteren wirkt sich die räumliche Trennung der Gassensor-Ein richtung (kurz: des Gassensors) am Meßort von der elektronischen Auswerteeinrichtung (im Meßraum) vorteilhaft aus, wodurch die Meß einrichtung besonders zur Überwachung eines Auftretens explosiver Gase geeignet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

- Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf die LWL-Gassensor-Ein richtung zum Interferenz-Moir´-Verfahren und

- Fig. 2 ein schematisches Bild zur Moir´-Überwachung mit dem Moir´ (oben) und der Positionierung der Detektor-LWL-Stirnflächen zum Moir´ (unten).

Bezeichnet sich mit

1 Grundplatte des Gassensors
2 LWL vom Meßraum herkommend
3 Indexgradientenlinse
4 Strahlteiler
5 Meßküvette mit dem zu untersuchenden Gasgemisch
6 Referenzküvette mit dem Referenzgas
7 Prisma zur Strahlen-Zusammenführung
8 Interferenzgitter von Meß- und Referenzstrahl, veränderlich mit der Fremdgaskonzentration
9 Phasengitter, in der Ebene des Interferenzgitters, unveränder liches Strichgitter, als Ganzes drehbar
10 Moir´, gemustertes Überlagerungsbild von Interferenz- und Pha sengitter
11 Zerstreuungslinse
12 Optische Detektorvorrichtung
13 LWL-Stirnflächen der Detektorvorrichtung
14 LWL-Kabel zum Meßraum abgehend
15 Drehpunkt des Phasengitters.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, gelangt der von einem Laser im Meßraum über den Lichtwellenleiter (LWL) 2 herkommende Lichtstrahl über die Indexgradientenlinse 3 zu dem Strahlteiler 4, die links auf der länglichen Grundplatte 1 des Gassensors angeordnet sind. Nach der Strahlteilung durchläuft der eine Strahl die Meßküvette 5, die das zu untersuchende Gasgemisch enthält, und der andere Strahl parallel hierzu die Referenzküvette 6 mit dem Referenzgas, hier Luft.

Am Ende der Laufstrecke führt das Prisma 7 die beiden Strahlen in der Ebene 9 zusammen, wo durch Überlagerung der beiden Strahlen das Interferenzgitter 8 entsteht. Dieses Gitter ändert seine Lage, sobald in der Meßküvette 5 ein von der Referenzküvette 6 abwei chender Brechungsindex (verursacht vom Fremdgas) und damit ein Fremdgas vorliegt.

Wie anhand der Fig. 2 verdeutlicht wird, kann eine Verschiebung des Interferenzgitters 8 sehr präzise mittels dem in dessen Ebene angeordneten Phasengitter (Strichgitter) 9 nachgewiesen werden: Durch die Überlagerung der beiden Gitter entsteht ein Moir´ (gemu sterte Überlagerungsbild) 10, dessen Struktur von der optischen Detektorvorrichtung 12 über eine davor angeordnete Zerstreuungs linse 11 aufgenommen wird.

Die Detektorvorrichtung 12 besteht aus drei LWL, die mit ihren Stirnflächen 13 das Licht von den ihnen optisch gegenüberliegenden Stellen des Moir´s aufnehmen. Zu einer optimalen Aufnahme sind die LWL-Stirnflächen in einer Linie senkrecht zur Grundplatte 1 über einander so positioniert, daß die Intensitätswerte des oben und des unten befindlichen LWL in bezug auf den mittleren LWL um + bzw. -120° verschoben sind. Diese Positionierung kann durch Ver änderung des Abstandes der LWL 13 zueinander oder vorzugsweise bei vorgegebenem Abstand der LWL durch Drehung des Phasengitters 9 um den Drehpunkt 15, gegenüber dem Interferenzgitter 8 um den Winkel α, erreicht werden.

Die von der Detektorvorrichtung 10 aufgenommenen Lichtintensitäten werden über das LWL-Kabel 14 zur Auswerteelektronik im Meßraum geführt, die anhand eines vorgegebenen Programms die Fremdgaskon zentration ermittelt und beim Überschreiten eines Grenzwertes ein Signal auslöst.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Konzentration (Dichte) eines Fremd gases in einem Gasgemisch, vorzugsweise der CH₄-Konzentration in Luft,

- mittels einer optischen Gassensor-Einrichtung, die sich am Meß ort befindet und über Lichtwellenleiter (LWL) mit einer im abgele genen Meßraum befindlichen Auswerteelektronik verbunden ist,
- wobei in der Gassensor-Einrichtung ein Lichtstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt wird, der eine Strahl durch das Gasgemisch und der andere Strahl durch ein Referenzgas, vorzugsweise Luft, ge führt wird, beide Strahlen wieder zusammengeführt werden und eine charakteristische Strahl-Eigenschaft als Maß für die Fremdgaskon zentration benutzt und gemessen wird,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Laufzeitunterschied (Unterschied des Brechungsindex) des Lichts zwischen Gasgemisch und Referenzgas zur Bildung eines, allein von der Fremdgaskonzentration abhängigen, Interferenz gitters (8) benutzt wird,
- dieses einem vorgegebenen Phasengitter (Strichgitter 9) über lagert wird,
- die Struktur des hierbei entstandenen Moir´s (10) über eine Zer streuungslinse (11) von einer Detektorvorrichtung (12) aus Licht wellenleitern (13) aufgenommen wird,
- und die aufgenommenen Lichtintensitäten über ein LWL-Kabel (14) einer Auswerteelektronik zugeführt werden, die anhand eines vorge gebenen Programms die Fremdgaskonzentration ermittelt und oberhalb eines Grenzwertes ein Signal auslöst.

2. Einrichtung zum Messen einer Gaskonzentration gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Gassensor-Einrichtung auf einer länglichen Grundplatte (1) von links nach rechts angeordnet sind:

- der eingehende Lichtwellenleiter (LWL 2) eine Indexgradienten linse (3) und ein Strahlteiler (4),
- im Gang der beiden, parallel zur Plattenlängsachse verlaufenden Teilstrahlen eine Küvette mit dem Gasgemisch (Meßküvette 5) und eine Küvette mit dem Referenzgas (Referenzküvette 6),
- anschließend ein Prisma (7) zum Zusammenführen der beiden Teil strahlen und ein Phasengitter (Strichgitter 9) in der Ebene des Interferenzgitters (8), wo sich das Moir´ (10) bildet,
- und schließlich eine Zerstreuungslinse (11), eine optische Detektorvorrichtung (12) und das zur Auswerteelektronik abgehende LWL-Kabel (14) (Fig. 1).

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Detektorvorrichtung (12) aus drei LWL besteht, die mit ihren Stirnflächen (13) das Licht an den ihnen gegenüberliegenden Stellen des Moir´s (10) aufnehmen,
- wozu die LWL-Stirnflächen (13) in einer Linie senkrecht zur Grundplatte (1) übereinander so positioniert sind, daß die Inten sitätswerte des oben und des unten befindlichen LWL in bezug auf den mittleren LWL um + bzw. -120° verschoben sind,
- was mittels des Abstandes der LWL zueinander oder vorzugsweise über den Drehwinkel α des Phasengitters (9) einstellbar ist (Fig. 2).