DE3887768T2

DE3887768T2 - Gasnachweisvorrichtung mit Fernübertragung.

Info

Publication number: DE3887768T2
Application number: DE3887768T
Authority: DE
Inventors: Robert N Hunt; Robert L Sandridge
Original assignee: Miles Inc
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1988-04-12
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-04-13
Also published as: EP0287929A2; DE3887768D1; CA1321262C; JP2733592B2; JPS6478134A; US4795253A; EP0287929A3; EP0287929B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das kontinuierliche Überwachen von in der Umgebung von Produktionseinrichtungen vorhandenen gasförmigen Materialien an mehr als einer Stelle. Dazu gehört das Sammeln der von diesen Stellen ausgehenden Infrarot- Hintergrundstrahlung, das Analysieren der gesammelten Infrarotstrahlung mit einem Infrarotspektrometer und das Weitergeben der Analyseergebnisse an eine Überwachungsvorrichtung oder an einen Beobachter. Ferner ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung von in der Umgebung von Produktionseinrichtungen vorhandenen gasförmigen Materialien an mehr als einer Stelle gerichtet, wobei diese Vorrichtung eine Strahlungssammelvorrichtung, die imstande ist, sowohl Infrarotstrahlung als auch sichtbare Strahlung zu sammeln, ein Interferometer, das imstande ist, von der Strahlungssammelvorrichtung gesammelte Infrarotstrahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu analysieren, und eine Einrichtung zur Weitergabe der Ergebnisse der Interferometeranalyse an eine Überwachungs- oder Aufzeichnungsvorrichtung aufweist.
Bei Produktionseinrichtungen, insbesondere chemischen Produktionseinrichtungen, werden häufig potentiell gefährliche Materialien verwendet. Um das Risiko bei der Herstellung, Handhabung und Verwendung derartiger Materialien zu verringern, ist es wünschenswert, das Vorhandensein ihrer Dämpfe in der Umgebung zu erkennen, bevor ein gefährliches Niveau erreicht wird. Die kontinuierliche Überwachung der Umgebung der Produktionseinrichtungen stellt eine Möglichkeit dar, ein frühzeitiges Erkennen unerwünschter Materialien in der Umgebung zu gewährleisten.
Zahlreiche Ansätze zur Überwachung der Atmosphäre auf das Vorhandensein von Schadstoffen sind untersucht worden.
US 3 766 380 und US 3 925 666 beispielsweise offenbaren Verfahren, bei denen ein Infrarotlaserstrahl durch die Atmosphäre gesendet wird. Die Reflexionen dieses gesendeten Laserstrahls werden gesammelt und im Hinblick auf das Vorhandensein gasförmiger Schadstoffe betreffende Informationen analysiert. Bei jedem dieser offenbarten verfahren muß die Wellenlänge des gesendeten Laserstrahles zur Erkennung eines bestimmten gasförmigen Schadstoffes ausgewählt werden.
Die U.S. Patente 4 490 043 und 4 529 317 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Überwachung von gasförmigen Schadstoffen, bei dem mehrere gesendete Laserstrahlen verwendet werden. Gemäß U.S. 4 490 043 werden zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen verwendet. Ein Strahl weist eine für das oder die zu überwachenden Gase spezifische Wellenlänge auf und der andere Strahl ist ein Referenzstrahl mit einer benachbarten Wellenlänge, die keine Absorptionsbänder von dem Schadstoff oder anderen Verbindungen aufweist. Dieses Verfahren ist auf die Erkennung eines oder mehrerer bestimmter Schadstoffe begrenzt, deren Vorhandensein in der Umgebung erwartet wird. Ferner ist bei diesem Verfahren eine Veränderung der den Detektor erreichenden Strahlungsmenge erforderlich, um eine Überlastung des Detektors zu verhindern, wenn der Strahl Bereiche mit hoher Reflexionskraft abtastet, wodurch die quantitative Leistungsfähigkeit der Vorrichtung eingeschränkt ist. Darüber hinaus gibt dieses Verfahren lediglich die Richtung des Gases und nicht die Entfernung einer Gaswolke an.
Bei dem in U.S. 4 529 317 offenbarten Überwachungsverfahren werden mindestens zwei Abtaststrahlen, die jeweils gemultiplexte Referenz- und Meßwellenlängen aufweisen, von zwei voneinander beabstandeten Abtastpositionen aus auf die zu überwachende Stelle gerichtet. Die Kombination der Informationen aus den zwei Signalen liefert eine Messung der Menge des an dem Schnittpunkt der beiden Strahlen vorhandenen Gases. Wie bei dem in U.S. 4 490 043 offenbarten Verfahren wird die Referenzstrahlwellenlänge auf der Basis des bestimmten Schadstoffes, dessen Vorhandensein in der Umgebung erwartet wird, ausgewählt. Eine kontinuierliche Überwachung in bezug auf das Vorhandensein von mehr als einem Schadstoff kann daher nicht mit einer einzigen Vorrichtung ausgeführt werden.
Bei jedem der oben beschriebenen Systeme und allen anderen Systemen auf der Basis von Infrarot-Laser kann nur eine begrenzte Anzahl von diskreten Wellenlängen durch Laser erzeugt und als Meß- und Referenzstrahl verwendet werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, daß die verfügbaren Wellenlängen den interessierenden Absorptionspeaks nicht in geeigneter Weise angepaßt sind, was eine geringere Sensibilität des Systems und eine Zunahme der Wahrscheinlichkeit der Störung durch andere Schadstoffe zur Folge hat. Da ferner üblicherweise nur eine Meßwellenlänge in Betracht gezogen wird, würde jede andere Verbindung, die bei der ausgewählten Frequenz absorbierend ist, ein Signal geben, das von den von dem interessierenden Schadstoff ausgegebenen Signalen nicht zu unterscheiden wäre. Dies hätte eine Störung bei der Messung des zu überwachenden Schadstoffes zur Folge.
Die Environmental Protection Agency (EPA) hat Verfahren zur Überwachung der Atmosphäre auf gasförmige Materialien hin verfolgt, die sich nicht auf die Erkennung von lediglich einer Verbindung auf einmal beschränken würden. Eine kurze Darstellung der Versuche der Environmental Protection Agency zur Verwendung von Systemen zur Erfassung von Emissionen aus der Ferne (ROSE) (remote optical sensing of emissions), bei denen handelsübliche Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrophotometer verwendet werden, ist von Herget et al in "Remote Fourier Transform Infrared Air Pollution Studies", Optical Engineering, Band 19, Nr. 4, Seiten 508-514 (Juli/August 1980) angeführt. Herget et al beschreibt in diesem Artikel ferner ein verbessertes mobiles ROSE- System. Tatsächliche Tests, die mit diesem verbesserten mobilen System durchgeführt wurden, sind in Hergets "Remote and Crossstack Measurement of Stack Gas Concentrations Using a Mobile FTIR-System" in Applied Optics, Band 21, Nr. 4, Seiten 635-641 (15. Februar 1982) beschrieben.
Eines der ersten ROSE-Systeme der EPA war ein mobiles System, das zur Erkennung und Messung von an verschiedenen Schadstoffquellen vorhandenen Schadstoffen von einem von der Schadstoffquelle entfernten Punkt aus konzipiert war. Bei diesem System wurden in dem Feld gesammelte Interferogramme zur Verarbeitung zu einem Zentralcomputer zurückgeführt. Diese Verzögerung zwischen dem Sammeln der Daten und ihrer Verarbeitung war nicht wünschenswert, weil es dadurch erschwert, wenn nicht unmöglich gemacht wurde, eine Entweichung zu erkennen, bevor sie sich ausbreitete und einen potentiell gefährlichen Zustand schuf. In der Folgezeit wurde dieses frühe System so verbessert, daß eine Verarbeitung an Ort und Stelle möglich war. Jedoch verwendeten sowohl das ursprüngliche als auch das verbesserte System einen Gittermonochromator, der nicht die Spektralauflösung oder optische Effizienz aufwies, die zur Erkennung von Schadstoffspuren erforderlich ist.
Herget et al berichtet, daß diese ROSE-Systeme anschließend weiter derart verbessert wurden, daß sie ein Interferometersystem aufwiesen, das imstande war, Wellenlängen im Infrarotspektralbereich von 650 bis 6000cm&supmin;¹ zu erkennen. Dieses ROSE-System konnte in einem Fahrzeug von der Größe eines Lieferwagens zu einer Stelle in der Nähe des zu überwachenden Bereiches transportiert werden. Bei diesem neuesten ROSE-System werden zunächst eine Lichtquelle und ein Quellenteleskop an einer von der zu überwachenden Stelle entfernten Stelle positioniert. Die von dieser entfernten Lichtquelle ausgehende Energie wird von einem Empfängerteleskop durch eine Öffnung in der Lieferwagenwand gesammelt. Das Infrarotsignal des oder der Gase, die von einem Kamin der überwachten Einrichtung emittiert werden, wird von einem Nachführspiegel in das Empfangsteleskop reflektiert. Das Empfangsteleskop fokussiert die Energie aus der entfernten Lichtquelle und das Infrarotsignal des Gases/der Gase an der Interferometeröffnung. Der Interferometerdetektor, der eine Doppelelement-Sandwichkonfiguration aufweist und in einem Flüssigstickstoff-Dewar-Gefäß angebracht ist, tastet zwei Infrarotbereiche (nämlich 1800 bis 6000 cm&supmin;¹ und 600 bis 1800 cm&supmin;¹) getrennt ab. Die Auswahl des gewünschten Detektorelementes erfolgt durch Befehl (über Computer). In dem Interferometer werden zwei Strahlenteiler verwendet. Der Austausch und das Wiederausrichten eines Strahlenteilers dauert ungefähr fünf Minuten.
Dieses neueste ROSE-System weist in der Praxis einige Nachteile auf. Beispielsweise verwendet dieses System eine ortsfeste Lichtquelle und ein ortsfestes Quellenteleskop, die derart positioniert sind, daß das Quellenlicht von dem Nachführspiegel weg zu dem Empfängerteleskop reflektiert wird. Die Bewegung des Nachführspiegels zur Überwachung einer zweiten benachbarten Stelle macht somit die Bewegung des Quellenlichts und des Quellenteleskops erforderlich, wenn eine genaue Messung erzielt werden soll. Dieses ROSE-System ist daher nicht imstande, durch einfaches Justieren des Nachführspiegels mehr als eine Stelle zu überwachen. Dieses System kann auch nicht auf einfache Weise derart verändert werden, daß es innerhalb weniger Minuten mehrere unterschiedliche Stellen überwachen kann. Tatsächlich gibt Herget et al an, daß nach der Anfangseinstellung des ROSE-Systems (die zwei bis drei Stunden dauert), unter normalen Bedingungen nachfolgende Einstellungen in demselben Umgebungsbereich ungefähr eine Stunde dauern.
Außerdem ist dieses neueste ROSE-System nicht imstande, präzise Anzeigen in bezug auf Schadstoffe zu liefern, die nicht auf einer Linie mit dem durch die ferne Lichtquelle definierten optischen Weg liegen oder ihn bereits überquert haben.
Ferner können Schadstoffe, die im Bereich des ausgewählten Strahlenteilers (d.h. entweder 650-1800 cm&supmin;¹ oder 1800 bis 6000 cm&supmin;¹) keine charakteristischen Infrarotpeaks aufweisen, nicht ohne Wechsel und Wiederausrichten des Strahlenteilers identifiziert werden. Ein solches Wechseln und Wiederausrichten dauert jedoch ungefähr fünf Minuten. Wenn folglich zwei Schadstoffe in einem überwachten Bereich vorhanden wären, von denen der eine bei 1700 cm&supmin;¹ ein charakteristisches IR-Band und der andere bei 1900 cm&supmin;¹ ein charakteristisches Band aufwiese, könnte das ROSE- System nicht beide Schadstoffe gleichzeitig erkennen und überwachen.
Ein weiterer Nachteil des ROSE-Systems besteht in der Anfangseinstellzeit von zwei bis drei Stunden. Die Länge der Zeit, die zur Einstellung erforderlich ist, macht das ROSE-System fast nutzlos zur Erkennung einer Entweichung in einem Anfangsstadium, wenn das System nicht ständig an der Entweichungsstelle installiert ist oder wenn eine Entweichung nicht zufällig während der planmäßigen Überwachung eines Bereiches auftritt.
Schließlich sind die Primärspiegel des ROSE-Systems nicht dazu geeignet, ständig der korrosiven Industrieatmosphäre ausgesetzt zu sein.
Ferner wird von Fredriksson et al in "Mobile lidar System for environmental probing", Applied Optics, Band 20, Nummer 24, Seiten 4181-4189, 15. Dezember 1981 ein mobiles System zur Umweltsondierung unter Verwendung des Lidar-Laserverfahrens offenbart. Bei diesem System wird ein gepulster Laserstrahl in die Atmosphäre gesendet und das umgekehrt gerichtete Laserlicht wird mit zeitlicher Verzögerung gesammelt. Die Verfasser weisen darauf hin, daß die Anwendungsmöglichkeiten dieses Systems bei atmosphärischen Studien aufgrund des Quenchens und anderer physikalischer Effekte in der Troposphäre beschränkt sind.
Ein weiteres verbessertes System zur Überwachung gasförmiger Schadstoffe wird gegenwärtig von der Bomem Corporation auf den Markt gebracht. Ausführliche Informationen bezüglich der Konstruktion und des Betriebs dieses Bomem-Systems stehen den Anmeldern noch nicht zur Verfügung. Aus den Werbeveröffentlichungen für dieses System geht jedoch hervor, daß die in diesem System verwendeten optischen Bauteile und die Ausführung des Instruments der korrosiven Atmosphäre in der Umgebung vieler Industrieanlagen nicht standhalten würden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines oder mehrerer gasförmiger Materialien in der Umgebung eines ausgewählten Bereiches zu schaffen.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung der Umgebung eines ausgewählten Bereiches im Hinblick auf das Vorhandensein von gasförmigen Materialien, insbesondere von gefährlichen Dämpfen, die geeignete Absorptions- oder Emissionspeaks im Infrarotbereich aufweisen, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erkennung der Menge der infrarotabsorbierenden oder -emittierenden gasförmigen Materialien in der Umgebung eines ausgewählten Bereiches zu schaffen, bei dem ein Bild des ausgewählten Bereiches und die Menge des oder der vorhandenen gasförmigen Materialien gleichzeitig oder sequentiell auf einem Monitor angezeigt werden.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die imstande ist, die Menge jedes infrarotabsorbierenden oder -emittierenden gasförmigen Materials in der Umgebung eines ausgewählten Bereiches zu erkennen und ein Bild des ausgewählten Bereiches und der Menge des gasförmigen Materials/der gasförmigen Materialien gleichzeitig oder sequentiell auf einem Monitor anzuzeigen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die imstande sind, die Menge und/oder das Vorhandensein jedes infrarotabsorbierenden oder -emittierenden Materials in der Umgebung eines ausgewählten Bereiches zu erkennen, ein Bild des Bereiches anzuzeigen, einen signifikanten Teil des Infrarotspektrums der von dem Bereich ausgehenden Strahlung anzuzeigen und, falls erwünscht, eine permanente Aufzeichnung der Ergebnisse zu liefern, entweder als Computerdatei oder als plottererzeugtes Infrarotspektrum.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die imstande sind, die Stelle und die Grenzen einer Gaswolke aus infrarotabsorbierendem oder -emittierendem Material in einem ausgewählten Bereich zu erkennen und diese Information in einer für einen Monitor oder einen Beobachter verständlichen Form zu liefern.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die imstande ist, die Menge und/oder das Vorhandensein eines infrarotabsorbierenden oder -emittierenden Materials in der Umgebung zu erkennen, wobei die Gestaltung und Ausführung der Vorrichtung insbesondere zum kontinuierlichen, automatischen, wartungsarmen, unbeaufsichtigten Betrieb unter erschwerten Industriebedingungen über längere Zeiträume geeignet ist.
Diese und andere Aufgaben, die dem Fachmann ersichtlich sind, werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von einer entfernten Lichtquelle ausgehende Strahlung durch Ausrichten des Reflektors auf die zu überwachenden Bereiche innerhalb eines Betrachtungsfeldes von 360º gesammelt wird, das Betrachtungsfeld zur besseren Abdeckung eines Bereiches von 0º bis 10º variiert wird, die gesammelte Strahlung in einen Infrarotstrahlungsteil und einen Teil sichtbarer Strahlung getrennt wird und die sichtbare Strahlung des überwachten Ortes entweder gleichzeitig oder sequentiell mit den Ergebnissen der Infrarotanalyse der an diesem Ort vorhandenen gasförmigen Materialien angezeigt wird.
Eine in der Praxis dieser Erfindung nützliche Vorrichtung muß eine Strahlungssammelvorrichtung aufweisen, die imstande ist, sowohl Infrarotstrahlung als auch sichtbare Strahlung zu sammeln, ein Interferometer, das imstande ist, von der Strahlungssammelvorrichtung gesammelte Infrarotstrahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu analysieren, und eine Einrichtung zur Weitergabe der Ergebnisse der Interferometeranalyse an eine Überwachungs- oder Aufzeichnungsvorrichtung. Erfindungsgemäß besteht die Strahlungssammelvorrichtung aus einem Primärenergiesammelreflektor und einem Sekundärspiegel, der zur Veränderung des Betrachtungsfelds relativ zu dem Primärreflektor verschiebbar ist, wobei die Strahlungssammelvorrichtung innerhalb eines Bereiches von 360º bewegbar ist, einem Spiegel zum Trennen der gesammelten Strahlung in einen Infrarotteil und einen sichtbaren Teil, der zwischen der Strahlungssammelvorrichtung und dem Interferometer angeordnet ist, einer Einrichtung zum Weitergeben des sichtbaren Teiles an eine Überwachungs- oder Aufzeichnungsvorrichtung, und einer Einrichtung zum gleichzeitigen oder sequentiellen Anzeigen des sichtbaren Teiles der gesammelten Strahlung der genauen überwachten Stelle und der Ergebnisse der Interferometeranalyse des Infrarotteiles der Strahlung der genauen überwachten Stelle.
Weitere Verbesserungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2 ist eine schematisierte Darstellung einer Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die die Überwachung einer gesamten Anlage und die Verfolgung einer Gaswolke ermöglichen würde.
Figur 3 ist eine schematisierte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 4 ist eine Darstellung einer gleichzeitigen Videoanzeige der Ergebnisse einer Infrarotanalyse und des Bildes des Bereiches, auf den die Analyse zutrifft, und zwar von der Art, die mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Menge und/oder des Vorhandenseins eines in der Umgebung einer ausgewählten Stelle vorhandenen infrarotabsorbierenden oder -emittierenden gasförmigen Materials und eine bei einer derartigen Erkennung nützliche Vorrichtung.
Von jedem Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, wird Hintergrundstrahlung emittiert. Ein zwischen einem derartigen Objekt und einer Erkennungsvorrichtung vorhandenes Gas kann, abhängig von der Temperatur dieses Gases in bezug auf das Hintergrundobjekt oder die -objekte, entweder ein Emissions- oder ein Absorptionsspektrum erzeugen. Speziell wenn die Temperatur des Hintergrundobjektes unter der des Gases liegt, erzeugt das Gas ein Emissionsspektrum. Wenn im Gegensatz dazu die Temperatur des Hintergrundobjektes höher ist als die des Gases, erzeugt das Gas ein Absorptionsspektrum. Wenn jedoch das Hintergrundobjekt exakt die gleiche Temperatur aufweist wie das zu erkennende Gas, kann kein Spektrum gewonnen werden. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Temperatur eines Hintergrundobjektes und die Temperatur eines in der Atmosphäre vorhandenen Gases sich nicht um wenigstens einige Zehntel Grad voneinander unterscheiden, ist jedoch extrem gering. Daher kann in praktisch jeder Umgebung bei einer über dem absoluten Nullpunkt liegenden Temperatur ein Spektrum erzeugt werden.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, die relative Konzentration eines bestimmten Materials in einem spezifischen Bereich des von diesem Material erzeugten Emissions- oder Absorptionsspektrum zu bestimmen. Die Genauigkeit einer solchen Bestimmung hängt jedoch von solchen Faktoren wie beispielsweise der bestimmten verwendeten Vorrichtung, dem Temperaturunterschied zwischen Hintergrundobjekt(en) und dem oder den bestimmten gasförmigen Materialien, der Entfernung zwischen dem überwachten Bereich und dem Spektrometer, dem Wetter usw. ab. Unter optimalen Bedingungen ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung jedoch imstande, ein Gas schon bei einer Konzentration von 1 Teil pro Million pro Meter zu erkennen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung werden die Hintergrundinfrarotstrahlung und die sichtbare Strahlung mit einer Sammelvorrichtung gesammelt, die aus einem großen konkaven Kugel- oder Parabolreflektor (Spiegel) 1 und einem kleineren sekundären konvexen Kugel- oder Parabolreflektor (Spiegel) 2 besteht. Der bei dieser Vorrichtung verwendete Reflektor 1 wurde aus einem Nickelsubstrat hergestellt, das elektrolytisch mit einer hochreflektierenden und dennoch harten, haltbaren und korrosionsbeständigen Rhodiumschicht beschichtet wurde. Reflektor 2 war ein rhodiumplattierter konvexer Kugelspiegel.
Eine Reihe reflektierender Beschichtungsmaterialien sind bekannt und bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges davon verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie ausreichend haltbar und korrosionsbeständig sind. Weil der Primärund der Sekundärspiegel zur Umgebung hin offen sind, ist es wünschenswert, daß sie auf der Spiegeloberfläche eine Schutzschicht aufweisen, die ihre Säuberung ermöglicht und ihre Korrosionsbeständigkeit verbessert. Eine Rhodiumbeschichtung wird jedoch bevorzugt, weil sie sichtbare Strahlung und Infrarotstrahlung sehr gut reflektiert und Erblinden und Oxidieren gegenüber resistent ist. Ferner ist bevorzugt, daß die Reflektoren einen hohen Grad an Oberflächengenauigkeit aufweisen. Das heißt, die Oberfläche sollte einen Strahl derart reflektieren, daß der reflektierte Strahl nicht wesentlich von seinem Idealweg abweicht. Es wird bevorzugt, daß jegliche Abweichung des reflektierten Strahles von seinem Idealweg nicht größer als 6 Bogenminuten ist.
Obwohl bei dieser Sammelvorrichtung sowohl ein Parabol- als auch ein Kugelspiegel verwendet werden, kann jeder Spiegel mit einer Form, die imstande ist, Strahlung zu sammeln, und einer Oberfläche, die imstande ist, sichtbare und Infrarotstrahlung genau zu reflektieren, verwendet werden.
Die von den Reflektoren 1 und 2 gesammelte sichtbare und infrarote Strahlung wird durch ein Schutzfenster geleitet, das sowohl sichtbarer als auch infraroter Strahlung gegenüber transparent ist, und dann auf den "heißen" Spiegel 4 geleitet. Dieser "heiße" Spiegel trennt die Infrarotstrahlung von der sichtbaren Strahlung, indem er die Infrarotstrahlung reflektiert und die sichtbare Strahlung den Spiegel 5 passieren läßt, der diese sichtbare Strahlung zu der Videokamera 6 reflektiert. Ein aus dieser sichtbaren Strahlung erzeugtes Bild kann dann von der Videokamera 6 zu einer (nicht dargestellten) Anzeigeeinheit wie einem Fernsehbildschirm weitergeleitet werden.
Das bei dieser Vorrichtung verwendete Schutzfenster 3 war ein durchsichtiger Polyethylenfilm mit einem Durchmesser von 7,62 cm.
Das Fenster 3 muß keinen bestimmten Durchmesser haben. Es wird jedoch bevorzugt, daß der Durchmesser des Fensters 3 wenigstens der gleiche ist wie derjenige des Reflektors 2 und vorzugsweise größer als der des Reflektors 2 ist. Ein Polyethylenfenster ist bevorzugt und wurde ausgewählt, weil es in dem sichtbaren Bereich transparent ist und im infraroten Bereich Banden aufweist, die für den Zweck des Instrumentes nicht störend wirken. Es kann jedoch jedes beliebige Material, das imstande ist, sichtbares Licht und infrarotes Licht ohne eine wesentliche Verzerrung weiterzuleiten (beispielsweise zinkselenidplatten optischer Güte) verwendet werden. Wie in Figur 1 zu erkennen, ist das Schutzfenster 3 hinter und parallel zu der kleinen Öffnung in dem Reflektor 1 angeordnet. Zwischen dem Fenster 3 und der Öffnung des Reflektors ist kein bestimmter Abstand erforderlich.
Der bei dieser Vorrichtung verwendete "heiße" Spiegel war ein quadratischer Spiegel von 4" aus Pyrexglas mit einem größeren Durchmesser als das Fenster 3. Der Spiegel weist auf der ersten Oberfläche eine Dünnfilmbeschichtung auf, um einen Infrarotreflexionskoeffizienten von mehr als 80% zu liefern. Dieser "heiße" Spiegel wurde von Laser Power Optics Corporation spezialgefertigt. Bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann jedoch jedes Material, das imstande ist, Infrarotstrahlung und sichtbare Strahlung zu trennen und die eine zu übertragen, während es die andere reflektiert, und zwar ohne einen wesentlichen Verzerrungsgrad, als "heißer" Spiegel verwendet werden.
Der "heiße" Spiegel 4 ist unter einem solchen Winkel geneigt, daß im wesentlichen die gesamte reflektierte Infrarotstrahlung die Reflexionsfläche des Reflektors 8 erreicht und im wesentlichen die gesamte übertragene sichtbare Strahlung die Reflexionsfläche des Spiegels 5 erreicht. Der Optimalwinkel für eine bestimmte Vorrichtung läßt sich auf einfache Weise durch ein paar einfache Vorversuche bestimmen. Der Winkel des heißen Spiegels 4 in der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung betrug 45 (in bezug auf die Senkrechte durch das Fenster 3).
Im Prinzip kann der Spiegel 5 jegliche reflektierende Oberfläche sein, deren Fläche groß genug ist, um zur Erzeugung eines Videobi1des des überwachten Bereiches genügend sichtbare Strahlung zu reflektieren. Es wird jedoch bevorzugt, daß der Spiegel 5 aus einem relativ hochwertigen Material hergestellt wird oder eine hochertige Beschichtung aufweist, die die reflektierte Strahlung nicht wesentlich verzerrt, so daß ein Videobild von guter Qualität erzielt werden kann. Der Spiegel 5 in der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung bestand aus Glas und wies eine silberbelegte Vorderfläche auf. Die Abmessungen dieses Spiegels betrugen 10,16 cm x 10,16 cm.
Die Videokamera 6 kann eine beliebige der vielen im Handel erhältlichen Videokameras sein. Die bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung verwendete Kamera war eine von Panasonic unter der Bezeichnung WV-1460 vertriebene.
Die von dem "heißen" Spiegel 4 reflektierte Infrarotstrahlung wird von einem achsenentfernt angeordneten Parabolreflektor 8 und einem kleineren achsenentfernt angeordneten Parabolreflektor 10 zu einem Strahl kollimiert. Die achsenentfernten Parabolreflektoren, die von Melles Griot im Handel erhältlich sind, sind tatsächlich aus regulären Parabolreflektoren geschnitten, die, entlang der mechanischen Achse gesehen, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Jeder der Reflektoren 8 und 10 weist ein durch Elektroformung hergestelltes Nickelsubstrat und eine elektrolytisch aufgebrachte Rhodiumoberfläche auf. Diese rhodiumbeschichteten achsenentfernt angeordneten Parabolreflektoren sind bevorzugt und wurden gewählt, weil reflektierte Strahlen um nicht mehr als 6 Bogenminuten von ihrer Idealrichtung/ihren Idealrichtungen abweichen, wenn sie korrekt positioniert sind. Es wären jedoch auch andere Spiegel wie diamant-gedrehte Metallspiegel geeignet. Tatsächlich kann jede reflektierende Oberfläche, bei der die optische Achse oder Symmetrieachse des Reflektorsegments nicht durch das Reflektorsegment selbst, sondern in dessen Nähe durch den Raum verläuft, und die Strahlung ohne wesentliche Verzerrung reflektiert, verwendet werden.
Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß der Durchmesser des achsenentfernt angeordneten Parabolreflektors 10 kleiner ist als der des achsenentfernt angeordneten Parabolreflektors 8. Bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung weist der Reflektor 8 einen Durchmesser von 7,6 cm und der Reflektor 10 einen Durchmesser von 5,08 cm auf. Der Durchmesser von 7,6 cm des Reflektors 8 wurde entsprechend dem Durchmesser des Schutzfensters 3 ausgewählt, damit der Reflektor 10 im wesentlichen die gesamte, das Fenster 3 passierende Infrarotstrahlung empfangen kann. Der Durchmesser von 5,08 cm des Reflektors 10 wurde entsprechend der Öffnung des Strahlenteilers 11 ausgewählt. Im Prinzip können jedoch beliebige Reflektoren verwendet werden, deren Durchmesser (Breiten) imstande sind, Infrarotstrahlung, die für eine spektrometrische Analyse ausreicht, ohne wesentliche Verzerrung zu empfangen und zu reflektieren.
Der Strahl der Infrarotstrahlung wird dann von dem Reflektor 10 zu dem Strahlenteiler 11 gesendet. Der bei dieser Vorrichtung verwendete Strahlenteiler 11 war ein ZnSe-Strahlenteiler mit einem Durchmesser von drei Inches. Es kann jedoch ein beliebiger der bekannten, im Handel erhältlichen Strahlenteiler mit geeignetem Durchmesser und der Fähigkeit der Infrarotstrahlenteilung verwendet werden. Aufgrund der durch einen keilförmigen Strahlenteiler gebotenen einfachen optischen Ausrichtung ist dieser gegenüber einem Planplattenstrahlenteiler bevorzugt. In Figur 1 wurde ein Keil von 1/2º verwendet, doch könnte ein Keil mit jedem Winkel, der die Trennung der von der Vorder- und Rückfläche reflektierten Strahlung durch den Strahlenteiler zuläßt, in vorteilhafter Weise verwendet werden.
Ein Teil des Strahls der Infrarotstrahlung wird dann von dem Strahlenteiler 11 zu dem Retro-Reflektor 12b reflektiert, der ein Eckenkubus-Retro-Reflektor ist. Der Retro-Reflektor 12b reflektiert diesen Strahl durch den Strahlenteiler 11 zurück zu dem achsenentfernt angeordneten Parabolreflektor 19. Gleichzeitig wird ein zweiter Teil des Infrarotstrahls durch den Strahlenteiler 11 zu dem Retro-Reflektor 12a gesendet (der auch ein Eckenkubus-Retro-Reflektor ist), der diesen Strahl zurück zu dem Strahlenteiler 11 reflektiert, der ihn zu dem achsenentfernt angeordneten Parabolreflektor 19 reflektiert. Jeder der Retro-Reflektoren 12a und 12b ist eine Hohleckenkubuskonstruktion aus drei beschichteten optischen planen Platten, die eine Ecke bilden, wobei die Platten jeweils orthogonal zueinander sind. Die bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung verwendeten Retro-Reflektoren hatten eine Goldbeschichtung mit einem Schutzmantel aus Siliziumoxid, eine Öffnung von 6,35 cm und eine Genauigkeit von 0,5 Bogensekunden. Es wären jedoch auch Reflektoren mit einer beliebigen anderen Beschichtung (z.B. Aluminium), die eine Reflexion der Infrarotstrahlung ohne wesentliche Verzerrung zuließe, geeignet. Eckenkubus-Retro-Reflektoren sind bevorzugt, weil sie sich auf einfache Weise korrekt ausrichten lassen. Im Grunde könnte jedoch jede reflektierende Oberfläche, die Infrarotstrahlung ohne wesentliche Verzerrung reflektiert, als Retro-Reflektor 12a und/oder 12b verwendet werden. Da es schwierig ist, reflektierende Flächen wie Planplattenspiegel korrekt auszurichten, und da eine nicht korrekte Ausrichtung ein schlechtes Interferogramm zur Folge hat, ist die Verwendung von Planplattenspiegeln nicht empfehlenswert.
In Figur 1 ist der Retro-Reflektor 12a zur Erzeugung des Interferogramms auf einer (nicht dargestellten) motorgetriebenen bewegbaren Plattform befestigt. Die Plattform könnte auf dem Retro-Reflektor 12a oder 12b befestigt sein. Zum Antrieb des kreisförmigen Nockens 13 für die Spiegelplattform bei ungefähr 72 U/m wird ein Motor mit konstanter Drehzahl und ein Getriebezug verwendet. Der Nocken bewegt die Präzisionsrollenlagerplattform in einer glatten Vor- und Rückgangsbewegung über eine Strecke von ungefähr 2,54 cm vor und zurück. Diese Anordnung wurde ausgewählt, um einen unempfindlichen, störungsfreien Mechanismus zur Erzeugung des Interferogramms zu schaffen. Andere Systeme wie schwingspulengetriebene Luftlagerplattformen mit konstanter Geschwindigkeit können verwendet werden, bieten jedoch keine äquivalente mechanische Haltbarkeit. Die Wegstrecke der bewegbaren Plattform kann variiert werden, muß jedoch lang genug sein, um den gewünschten Grad spektraler Auflösung zu erzielen. Bei dem in Figur 1 gezeigten Instrument erzielte eine Strecke der bewegbaren Plattform von 2,54 cm eine spektrale Auflösung, die besser als 1 cm&supmin;¹ war. Die Periode der Hin- und Herbewegung und die Länge der Plattformwegstrecke werden so ausgewählt, daß sie den Charakteristiken der aktiven elektronischen Filter in dem Detektorvorverstärker 16 angepaßt sind. Durch diese Anordnung läßt sich ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erzielen, ohne daß mehrere Interferogramme oder Spektren zeitlich gemittelt werden müssen. Daher können Spektren von hoher Auflösung in minimaler Zeitdauer erzielt werden. Beispielsweise können unter typischen Betriebsbedingungen Spektren in weniger als 2 Sekunden erhalten werden. Aus Gründen der Einfachheit und Haltbarkeit wird bevorzugt, die Spiegelplattform 13 mit einer festen Periode und Wegstreckenlänge zu bedienen. Es können jedoch auch andere Systeme, bei denen die Geschwindigkeit und die Wegstrecke unter kontrollierten Bedingungen variiert, sehr effektiv verwendet werden.
Be der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung kann die Spiegelbewegung mittels Laser 7 bestimmt werden. Im einzelnen fügt der Laser 7 einen Strahl mit einer charakteristischen Wellenlänge ein, die zur Bestimmung der Spiegelposition durch Interferenzstreifenzählverfahren durch den "heißen" Spiegel 4 geeignet ist. Dieser Laserstrahl wird auf die gleiche Weise reflektiert wie die gesammelte Infrarotstrahlung, bis er den Strahlenteiler 11 passiert. Der Laserdetektor 17 nimmt das Interferenzinuster von den neukombinierten Laserstrahlen auf und sendet das sich ergebende Signal zu dem Laservorverstärker 15, der eine Zählschaltung taktet, die zum Triggern des Starts der Datenumsetzung und -sammlung verwendet wird.
Der achsenentfernt angeordnete Parabolreflektor 19 ist identisch mit dem achsenentfernt angeordneten Parabolreflektor 8, obwohl es nicht erforderlich ist, daß diese gleich sind.
Die zwei von dem Strahlenteiler 11 erzeugten Infrarotstrahlen werden dann von dem achsenentfernt angeordneten Parabolreflektor 19 zu dem Infrarotdetektor 14 reflektiert, der bei einer geeigneten Temperatur (z.B. 75-80ºK) gehalten ist. Es kann jeder im Handel erhältliche Infrarotdetektor mit geeigneter Empfindlichkeit und geeignetem Frequenzverhalten verwendet werden. Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung wurde ein in einem Glas- Dewar-Gefäß mit einem Miniaturkryostat befestigter hochwertiger HgDcTe-Infrarotdetektor verwendet. Das Kryostat und das Dewar- Gefäß waren in einem Aluminiumgehäuse mit einem Kabel als Signalausgang befestigt. Ein Siliziumdiodentemperatursensor überwacht die Kryostatfunktion. Das Kryostat wird mit Hochdruckstickstoffgas betrieben. Unter der Umgebungstemperatur liegende Temperaturen werden bevorzugt, da die Empfindlichkeit des Detektors bei tieferen Temperaturen (z.B. 75-80ºK) größer ist. Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung kann jede andere geeignete Kühlvorrichtung oder jedes andere geeignete Kühlverfahren verwendet werden.
Der in der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung verwendete Detektor 14 war ein photoleitfähiger HgCdTe-Detektor, der imstande ist, Infrarotstrahlung im 8-14um-Bereich zu erkennen, wobei dieser Bereich wenigstens ein charakteristisches Kennband für im wesentlichen alle gasförmigen Schadstoffe, die man in dem überwachten Bereich zu finden erwartet, aufweist. Es könnte jedoch ein beliebiger der im Handel erhältlichen Detektoren mit der Fähigkeit des Erkennens von Infrarotstrahlung innerhalb eines gewünschten Bereiches verwendet werden. Der bevorzugte Infrarotbereich eines bestimmten Detektors hängt selbstverständlich von der speziellen überwachten Umgebung ab. Im Handel sind Detektoren erhältlich, die imstande sind, Infrarotstrahlung in praktisch jedem ausgewählten Gebiet zu erkennen.
Das Interferogrammsignal von dem Detektor 14 wird dann zu dem Infrarotdetektorvorverstärker 16 gesendet. Vorverstärker 16 ist ein rauscharmer elektronischer Verstärker mit Fernverstärkungsregelung zur Einstellung des Interferogrammsignals, so daß es dem dynamischen Bereich des Analog-Digital-Wandlers 20 angepaßt ist. Zur Zurückweisung von von dem Interferometer herkommenden unerwünschten Frequenzen werden aktive elektronische Filter verwendet, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des endgültigen Spektrums bedeutend verbessert wird. Der Analog-Digital-Wandler 20 digitalisiert das zu dem Computer 18 zu sendende Interferogramm.
Zwar wurde in der Vorrichtung von Figur 1 Computer 18 verwendet, doch kann jede Vorrichtung, die imstande ist, die von dem Infrarotdetektor erhaltenen Daten zu reduzieren, verwendet werden. Zu möglichen Alternativen zu einem Computer zählen optische Prozessoren und digitale Prozessoren.
Der bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung verwendete Computer 18 war zur schnellen Fourier-Transformation der gesammelten Daten programmiert, es könnte jedoch jedes Programm, das imstande ist, die gesammelten Daten zu einer brauchbaren Form zu reduzieren, verwendet werden. Der Computer 18 kann auch so programmiert sein, daß er die Wellenlänge der erkannten Infrarotstrahlung mit Referenzwellenlängen der Gase vergleicht, deren Vorhandensein in der überwachten Umgebung erwartet wird. Eine solche vergleichende Programmierung ist jedoch nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Computer 18 zum Vergleichen gemessener Wellenlängen gegenüber Referenzwellenlängen und zum Umwandeln und Übertragen der Ergebnisse seiner Analyse in graphischer Form (z.B. in Form eines Balkendiagramms) zu einem Betrachtungsschirm, auf den das optische Bild des überwachten Bereiches von der Videokamera 6 übertragen wird. Ein Beispiel dessen, was auf dem Betrachtungsschirm zu sehen ist, auf dem die Ergebnisse der Infrarotanalyse gleichzeitig mit dem Bild des überwachten Bereiches angezeigt werden, ist in Figur 4 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß eine gleichzeitige Anzeige zwar bevorzugt ist, jedoch auch die Möglichkeit besteht, eine sequentielle Anzeige von Infrarotanalyse und Videobild einzuprogrammieren. Es ist ferner möglich, die Anzeige des Videobildes und/oder des Infrarotspektrums auf festgesetzte Zeitintervalle zu programmieren. Die von der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gesammelten und analysierten Informationen können zur Aktivierung einer Alarmvorrichtung oder zum Triggern eines elektronischen Aufzeichnungsgerätes zum permanenten Aufzeichnen der erhaltenen Informationen verwendet werden.
Der Primärenergiesammelreflektor 1 ist vorzugsweise an einem (nicht dargestellten) computergesteuerten Turm angebracht. Dieser Turm ermöglicht es, ein Betrachtungsfeld von 360º mit einer Auflösung von einem Grad abzutasten, und zwar auf eine Weise, die mit einem Radarzielverfolgungssystem vergleichbar ist. Dieses Abtasten kann durch ein beliebiges der nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren "zeitgesteuert" oder gesteuert werden. Bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung können die von der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zu überwachenden Bereiche in den Computer 18 einprogrammiert sein. Der Computer 18 leitet dann den Turm so, daß er sich nach Empfang eines geeigneten Signals zu der nächsten vorprogrammierten Position bewegt.
Das Verschieben des Sekundärspiegels 2 ermöglicht ein Variieren des Betrachtungsfeldes des Instrumentes. Tatsächlich ermöglicht eine Verschiebung des Sekundärspiegels 2 von Figur 1 um eine Entfernung von lediglich 5,1 cm oder weniger eine Veränderung des Betrachtungsfeldes von 0 bis 10 Grad. Dieser Verschiebungseffekt ermöglicht eine Weitwinkelabdeckung eines normalen Produktionsvorgangs. Er ermöglicht ferner die Fokussierung der Erkennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf eine Weise, die die bessere Abdeckung eines Bereiches zuläßt, um die Quelle einer Entweichung zu identifizieren.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Abtasten eines breiten Bereiches oder einer Anlage auf kontinuierlicher Basis bis zur Erkennung einer Entweichung, die Unterbrechung des kontinuierlichen Abtastvorgangs und die Konzentration des Abtastvorgangs auf den Bereich, in dem die Entweichung erkannt worden ist, indem der Sekundärspiegel 2 so weit verschoben wird, daß eine nähere Untersuchung eines bestimmten Bereiches möglich ist. Wenn eine wesentliche Entweichung vorliegt, ermöglicht die auf diese Weise erfolgende Konzentration mehrerer an strategischen Stellen in der gesamten Anlage angeordneten Abtastvorrichtungen es, sowohl der Position der Gaswolke zu folgen als auch ihre relative Konzentration zu bestimmen. Derartige Informationen sind wesentlich, falls, bevor die Entweichung zu einer Gefahr für die Arbeiter in der Anlage und für Gemeinden in der Umgebung wird, zur Neutralisierung dieser Entweichung erforderliche Maßnahmen zu treffen sind. Eine derartige Anordnung mehrerer Abtastvorrichtungen ist in Figur 2 gezeigt. In Figur 2 ist leicht zu erkennen, daß die Triangulierung der wen den Detektoren 21,22 und 23 übertragenen Daten es ermöglicht, den Bereich zu begrenzen, in dem sich die aus der Entweichung an Punkt A erzeugte Gaswolke befindet, und die ungefähre Konzentration dieser Gaswolke zu bestimmen.
Falls zur Überwachung eines großen Bereiches, z.B. einer ganzen Anlage, mehr als eine Detektorvorrichtung verwendet wird, können die Daten von jedem Infrarotdetektor unmittelbar von dem Detektor oder von einem kleineren Computer 18 zu einem Zentralcomputer übertragen werden. Die an jeder überwachten Stelle gesammelten Videobilder können gleichermaßen direkt zu einer Zentralstelle übertragen werden. Diese Zentralisierung ist insbesondere dann nützlich, wenn der Weg einer Gaswolke über einen großen Bereich verfolgt werden soll.
Ferner besteht die Möglichkeit, ein Alarmsystem in die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einzubauen, das von dem Computer 18 immer dann aktiviert würde, wenn ein bestimmter Schadstoff entdeckt wird, und zwar auf einem Niveau, das eine vorprogrammierte Grenze überschreitet. Geeignete Alarmsysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt und können auf einfache Weise in die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebaut werden.
Im folgenden werden der Strahlenteiler 11, die Retro-Reflektoren 12a und 12b, die bewegbare Plattform und der Antriebsmechanismus 13, der achsenentfernt angeordnete Reflektor 19, der Infrarotdetektor 14, der Infrarotdetektorvorverstärker 16, der Laser 7, der Laserdetektor 17 und der Laservorverstärker 15 kollektiv als "Interferometer" bezeichnet. Es wird bevorzugt, das Interferometer hinter dem Primärspiegel 1 anzubringen. Das bevorzugte Befestigungsverfahren besteht darin, es auf einer starren optischen Bank anzubringen, die mit einer stoß- und schwingungsgedämpften Dreipunktstütze an dem Instrumentenkörper befestigt ist. Diese Anordnung leistet ausgezeichneten Widerstand gegenüber auf Umgebungstemperaturen, Schwingungen und mechanische Spannungen zurückzuführende Einwirkungen. Dies ist zwar das bevorzugte Befestigungsverfahren, es ist jedoch nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung, und jegliche andere Einrichtung zur Erzielung einer schwingungsfreien, temperaturunempfindlichen Befestigung wäre akzeptabel. Das in Figur 1 gezeigte Interferometer deckt ein durchgehendes Band von Infrarotwellenlängen zwischen 8 und 14um ab. Es ist jedoch möglich, das von dem Interferometer abgedeckte Wellenlängenband durch die Wahl eines Strahlenteilers 11 und eines Detektors 14, die imstande sind, den gewünschten Bereich abzudecken, zu variieren. Durch Verwendung mehrerer Detektoren, die jeweils in einem Bereich brauchbar sind, der von dem der anderen verschieden ist, können mehrere Wellenlängenbänder innerhalb des Leistungsvermögens des Strahlenteilers gleichzeitig überwacht werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die kontinuierliche Überwachung eines breiten Bereiches im Hinblick auf das Vorhandensein von mehr als einem gasförmigen Material mit einem einzigen Interferometer. Tatsächlich ist die Anzahl der in der Umgebung vorhandenen Gase, die zu jeder gegebenen Zeit überwacht werden können, nur durch die Kapazität des Computers 18 begrenzt und dadurch, daß mindestens eine erkennbare Peak der Verbindung in dem Spektralbereich des Instruments vorhanden sein muß. Da praktisch jede Zusammensetzung, die von einem System gemäß der vorliegenden Erfindung überwacht wird, mindestens eine charakteristische Peak oder eine Kombination von Peaks innerhalb des Wellenlängenbereichs von 3-5 oder 8 bis 14um erzeugt, ist die oben beschriebene Überwachungsvorrichtung imstande, viele verschiedene Substanzen ohne die kostenaufwendigen Schmalbandinterferenzfilter für jedes zu erkennende Gas, die in vielen der bekannten Überwachungssysteme erforderlich sind, zu erkennen.
Das Ausgangssignal des Infrarotdetektors 14 ist ein Interferogramm, das vorzugsweise von einem schnellen Fourier-Transformations-Algorithmus in dem Computer 18 verarbeitet wird, um ein Emissions- oder Absorptionsspektrum zu erzeugen. Zusätzlich zu der Verarbeitung des Interferogramms kann der Computer 18 den Spiegelabtastvorgang steuern, das Spektrum im Hinblick auf bestimmten (vorprogrammierten) Materialien wie toxische Gase entsprechende Peaks analysieren, die gesammelten Daten korrelieren usw. Das Ergebnis einer solchen Analyse kann dann in verschiedenen Formen gedruckt und/oder auf eine Videoanzeigeeinheit projiziert werden.
Figur 3 stellt in schematisierter Form eine andere Vorrichtung dar, die bei der Praxis der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Bei dieser Vorrichtung ist die Videokamera 36 derart plaziert, daß sichtbare Strahlung unabhängig von der zu analysierenden Infrarotstrahlung empfangen wird. In Figur 3 ist die Kamera 36 vor der Strahlungssammelvorrichtung angeordnet, die aus den Reflektoren (Spiegeln) 31 und 32 zusammengesetzt ist. Die Kamera 36 könnte jedoch auch längs oder parallel zu der Achse der Strahlungssammelvorrichtung angeordnet sein. Bei dieser Anordnung muß das Interferometer nicht mit einem "heißen" Spiegel versehen sein, da die sichtbare Strahlung von der überwachten Stelle getrennt von der zu analysierenden Infrarotstrahlung gesammelt wird. Wie aus Figur 3 ersichtlich, kann bei dieser Anordnung die Anzahl der reflektierenden Flächen und achsenentfernt angeordneten Parabolspiegeln reduziert werden. Das Schutzfenster 33 kann aus jedem Material bestehen, das Infrarotstrahlung durchläßt, selbst aus solchen Materialien, die im sichtbaren Bereich lichtundurchlässig sind. Daher können Germaniumplatten und andere derartige Materialien verwendet werden. Es werden jedoch Fenster bevorzugt, die sowohl im infraroten Bereich als auch im sichtbaren Bereich durchlässig sind, weil sie das Ausrichten der Instrumentenoptik unterstützen. Diese Vorrichtung ermöglicht ferner die Verwendung von Spiegeln 31 und 32 von geringerer optischer Qualität als die der Spiegel 1 und 2 der Vorrichtung von Figur 1, weil die optische Verzerrung des Videobildes bei der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung keine Schwierigkeit mehr darstellt. In jeder anderen Hinsicht jedoch entspricht die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung dem in Figur 1 gezeigten Interferometer im Hinblick auf Struktur und Betriebsmodus.
Im einzelnen entspricht der Reflektor 31 von Figur 3 dem Reflektor 1 von Figur 1, der Reflektor 32 von Figur 3 dem Reflektor 2 von Figur 1, und so weiter bis zum Element 320 von Figur 3 und Element 20 von Figur 1. In Figur 3 ist die bewegbare Spiegelplattform 321 für den Retro-Reflektor 312a dargestellt. Eine derartige bewegbare Plattform ist in bezug auf die Vorrichtung von Figur 1 beschrieben, ist jedoch in Figur 1 nicht dargestellt. Der Strahlsteuerreflektor (Spiegel) 322 reflektiert den Strahl von dem Laser 37 derart, daß der reflektierte Laserstrahl in die von den Reflektoren 31 und 32 gesammelte Infrarotstrahlung eingeschoben wird. Der Reflektor 322 kann aus jedem Material mit einer reflektierenden Oberfläche, wie beispielsweise einem gewöhnlichen Spiegel, bestehen.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter beschrieben, doch besteht nicht die Absicht, sie auf diese zu beschränken.

BEISPIELE

Beispiel 1

Aus den folgenden Elementen wurde gemäß der in Figur 3 gezeigten Anordnung eine Vorrichtung zusammengebaut.
Reflektor 31: rhodiumbeschichteter konkaver Kugelreflektor mit einem Durchmesser von 36" und einer Brennweite von 60" (vertrieben von Optical Radiation Corp.).
Reflektor 32: rhodiumbeschichteter konvexer Kugelreflektor mit einem Durchmesser von 5,08 cm und einer Brennweite von 7,62 cm (vertrieben von Ealing Electrooptics Co.).
Infrarotfenster 33: ein 0,013 mm dicker Film aus durchsichtigem Polyethylen.
Strahlenteiler 311: von Laser Power Optics Corp. vertriebener ZnSe-Infrarotstrahlenteiler mit einem Durchmesser von 3".
Reflektoren 312a und 312b: von Precision Lapping and Optics Company vertriebene Retro-Reflektoren mit Goldoberfläche mit einer Öffnung von 3,81 cm, die auf 1/2 Bogensekunde genau ist.
Reflektor 319: ein von Melles Griot vertriebener achsenentfernt angeordneter Parabolreflektor mit einem Durchmesser von 5,08 cm.
Infrarotdetektor 314: ein in einem Kryostatkühler angebrachter, von Judson Infrared Inc. unter der Bezeichnung Judson J15-DG vertriebener HgCdTe-Infrarotdetektor.
Infrarotdetektorververstärker 316: spezialgefertigter Vorverstärker und spezialgefertigte Aktivfilter mit einem Durchlaßbereich von 3-9 Kilohertz und Fernverstärkungsregelung.
Analog-Digital-Wandler 320: ein von Analog Devices Company unter der Bezeichnung HAD-1409KM vertriebener 14-Bit-Analog-Digital- Wandler.
Computer 318: ein von IBM Corporation vertriebener IBM-AT-Computer.
HeNe-Laser 37: ein von Melles Griot vertriebener 1-mw-HeNe-Laser.
Motor für den bewegbaren Spiegel für den Nocken der Spiegelplattform 313: ein von Oriental Motors Corp. unter der Bezeichnung #01k05GK-AA und #0GK60KA vertriebener Motor mit 72 U/min mit Getriebezug.
Strahlensteuerspiegel 322: ein von Daedal Inc. unter der Bezeichnung #2805 vertriebener Spiegel mit quadratischer Vorderfläche von 2,54 cm Kantenlänge.
Videokamera 36: eine von Panasonic Corporation unter der Bezeichnung WV-1460 vertriebene Videokamera.
Plattform 321 für den bewegbaren Spiegel: eine von Automation Gauges unter der Bezeichnung CRK-3 vertriebene Präzisionsrollenlagerplattform.
Laserdetektor 317: eine von Sharp Corporation vertriebene PIN- Photodiode #PD50PI.
Die Elemente 311, 312a, 312b, 319, 314, 316, 320, 37, 313, 322, 321 und 317 waren auf einer stoß- und schwingungsgedämpften optischen Bank befestigt, die hinter dem Primärspiegel 31 in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse befestigt war.
An einer außerhalb einer Toluoldiisozyanatproduktionsanlage, in der die oben beschriebene Vorrichtung vorhanden war, wurde ungefähr 0,1 gm Phosgen freigesetzt. Eine Ferninfrarotquelle befand sich in ungefähr 100 Meter Entfernung von der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, und zwar in einer Linie mit dem Punkt der Gasfreisetzung. Diese Vorrichtung erkannte das Vorhandensein von Phosgen und zeigte in weniger als 4 Sekunden ein Spektrum des 8-14um-Infrarotbereiches, der für Phosgen charakteristische Absorptionspeaks enthielt, an. Gleichzeitig war ein Videobild der Stelle verfügbar und konnte zur Bestimmung des überwachten Bereiches betrachtet werden. (Siehe Figur 4).

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 beschriebene Vorrichtung befand sich außerhalb einer Chemieproduktionseinrichtung. Eine Ferninfrarotquelle, die von einem 250-Watt-Element betrieben wird, das sich an dem Brennpunkt eines Parabolspiegels von 30 Inches befand, wurde in einer Entfernung von 200 Metern in einer nicht mit Hindernissen versehenen Linie mit der Vorrichtung von dieser entfernt angeordnet. Eine Gastestzelle, die aus einem Polyethylenzylinder von 2 Meter Länge und 101,6 cm Durchmesser bestand, bei der über jedes Ende ein durchsichtiger Polyethylenfilm von 0,026 mm gespannt war, wurde in den Strahlenweg in ungefähr 100 Meter Entfernung von der Meßvorrichtung angeordnet. Eine abgemessene Menge eines Testgases (z.B. Phosgen, Dichlordifluormethan, Ammoniak, Ethylenoxid) wurde in den Zylinder injiziert und mittels eines kleinen elektrischen Ventilators dispergiert. Für jedes Gas wurden bei jeder der mehreren Konzentrationen Spektren genommen und die Peakhöhen der charakteristischen Absorptionsbanden für jede Verbindung wurden gemessen und zum Aufbau einer Konzentrationseichkurve als Funktion der Peakhöhe eines charakteristischen Bandes verwendet. Kombinationen der nichtreaktiven Gase ergaben Spektra, die Peakcharakteristiken beider Spezies enthielten, während Kombinationen reaktiver Gase die erwarteten Veränderungen bei den Peaks oder Peakhöhen zeigten, die der Stöchiometrie der Mischungen entsprachen. Ein anderes Mittel zur Erstellung von Eichkurven, wie beispielsweise das Anordnen einer kurzen Gaszelle mit einem Durchmesser von 7,62 cm oder eines geeigneten Absorptionsfilters in den von dem Sekundärenergiesammelspiegel 32 reflektierten kollimierten Strahl kann ebenfalls verwendet werden.
Obwohl die Erfindung zum Zweck der Veranschaulichung vorstehend im einzelnen beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, daß derartige Einzelheiten lediglich für diesen Zweck bestimmt sind und daß der Fachmann Änderungen vornehmen kann, ohne vom Geist und Rahmen der Erfindung abzuweichen, sofern er nicht durch die Ansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung von in der Umgebung von Produktionsmitteln vorhandenen gasförmigen Materialien an mehr als einer Stelle, mit den Schritten:

a) Sammeln der von diesen Stellen ausgehenden Infrarot- Hintergrundstrahlung,

b) Analysieren der gesammelten Infrarotstrahlung mit einem Infrarotspektrometer und

c) Weitergeben der Analyseergebnisse an eine Überwachungsvorrichtung oder an einen Beobachter,

dadurch gekennzeichnet, daß

1) die von einer entfernten Lichtquelle ausgehende Strahlung durch Ausrichten des Reflektors auf die zu überwachenden Bereiche innerhalb eines Betrachtungsfeldes von 360º gesammelt wird,

2) das Betrachtungsfeld zur besseren Abdeckung des zu überwachenden Bereiches von 0 bis 10 variiert wird,

3) die gesammelte Strahlung in einen Infrarotteil und einen sichtbaren Teil getrennt wird,

4) die sichtbare Strahlung des überwachten Ortes entweder gleichzeitig oder sequentiell mit den Ergebnissen der Infrarotanalyse der an diesem Ort vorhandenen gasförmigen Materialien angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der ausgewählte Bereich der Infrarotwellenlängen 3-5um und/oder 8-14um beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Infrarotanalyse mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Ergebnisse der Infrarotanalyse auf einem Videobildschirm anstehen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die sichtbare Strahlung gleichzeitig oder sequentiell mit den Infrarotanalyseergebnissen auf einem Videobildschirm angezeigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Spektrometer ein Interferogramm erzeugt, das zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses von aktiven elektronischen Filtern verarbeitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Infrarotanalyse und das Bild der sichtbaren Strahlung gleichzeitig oder sequentiell auf einem einzigen Videobildschirm angezeigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Infrarotanalyse und das Bild der sichtbaren Strahlung gleichzeitig auf zwei Videobildschirmen angezeigt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die an den ausgewählten Stellen vorhandene sichtbare Strahlung von einer Videokamera (6) und die Hintergrundstrahlung, die sowohl infrarote als auch sichtbare Strahlungssegmente aufweist, von einer Reflexionsvorrichtung gesammelt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, bei dem die Ergebnisse der Analyse der Infrarotstrahlung zu einer zentralen Datenreduktionsvorrichtung gesandt werden, welche diese Ergebnisse korreliert.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei dem die Stellen nach regelmäßigen zeitlichen Abständen gewechselt werden.

12. Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung von in der Umgebung von Produktionsmitteln vorhandenen gasförmigen Materialien an mehr als einer Stelle, mit

a) einer Strahlungssammelvorrichtung, die imstande ist, sowohl Infrarotstrahlung als auch sichtbare Strahlung zu sammeln,

b) einem Interferometer, das imstande ist, von der Strahlungssammelvorrichtung gesammelte Infrarotstrahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu analysieren, und

c) einer Einrichtung zur Weitergabe der Ergebnisse der Interferometeranalyse an eine Überwachungs- oder Aufzeichnungsvorrichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß

1) die Strahlungssammelvorrichtung aus einem Primärenergiesammelreflektor (1) und einem Sekundärspiegel (2) besteht, der zur Veränderung des Betrachtungsfelds relativ zu dem Primärreflektor verschiebbar ist,

2) die Strahlungssammelvorrichtung innerhalb eines Bereiches von 360º bewegbar ist,

3) ein Spiegel (4) zum Trennen der gesammelten Strahlung in einen Infrarotteil und einen sichtbaren Teil zwischen der Strahlungssammelvorrichtung und dem Interferometer angeordnet ist,

4) eine Einrichtung zum Empfangen und Weitergeben des sichtbaren Teiles an eine Überwachungs- oder Aufzeichnungsvorrichtung vorgesehen ist, und

5) eine Einrichtung zum gleichzeitigen oder sequentiellen Anzeigen des sichtbaren Teiles der gesammelten Strahlung der überwachten Stellen und der Ergebnisse der Interferometeranalyse des Infrarotteiles der Strahlung der Stellen vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Strahlungssammelvorrichtung ein durch Elektroformung hergestellter oder diamant-gedrehter konkaver Spiegel mit einer Rhodiumoberfläche ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 13, bei der das Interferometer (c) aufweist

(1) einen zum Empfang der Infrarotstrahlung positionierten Strahlenteiler (11,311), der imstande ist, Infrarotstrahlung innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches zu empfangen,

(2) einen ersten Retro-Reflektor (12b,312a), der zum Empfang der von dem Strahlenteiler (11,311) reflektierten Strahlung positioniert ist,

(3) einen zweiten Retro-Reflektor (12a,312b), der zum Empfang der von dem Strahlenteiler (11,311) gesandten Strahlung positioniert ist,

(4) einen Retro-Reflektor-Träger, der imstande ist, den Retro-Reflektor (12b,312a oder 12a,312b) hin- und herzubewegen,

(5) einen achsenentfernt angeordneten Paraboloid-Reflektor (19,319), der zum Empfang von von dem Strahlenteiler (11,311) ausgehenden kombinierten Infrarotstrahlen positioniert ist, und

(6) einen Infrarotdetektor (14,314), der zum Empfang von Infrarotstrahlung von dem Reflektor (19,319) positioniert ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei dem der Retro-Reflektor- Träger mit einer festen Periode der Hin- und Herbewegung derart bewegt wird, daß ein Interferogramm mit schmaler Bandbreite, das Informationen über den 3-5um oder 8-14um Infrarotbereich enthält, erzeugt wird.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 15, bei der das Interferogramm mit schmaler Bandbreite zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Interferogramms von aktiven elektronischen Filtern verarbeitet wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Strahlenteiler (12a,312b) imstande ist, Infrarotstrahlung im Bereich von 3-5um und/oder 8-14um zu teilen.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 17, bei der die Retro-Reflektoren (12b,312a und 12a,312b) Eckenkubus- Retro-Reflektoren sind.

19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 18, bei der der Infrarotdetektor (14,314) kryostatisch gekühlt ist.

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 18, bei der der Infrarotdetektor thermoelektrisch gekühlt ist.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 20, bei der die Einrichtung zum Empfang und zur Weitergabe der sichtbaren Strahlung von den überwachten Stellen eine Videokamera (36) aufweist, die vor der Strahlungssammelvorrichtung (31,32) positioniert ist.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 20, bei der die mittels des Spiegels (4) gesandte sichtbare Strahlung von einer Videokamera (6) empfangen wird.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 22, bei der ein Computer vorgesehen ist, der zur Analyse der Ergebnisse der mittels des Interferometers durchgeführten Analyse auf das Vorhandensein eines oder mehrerer gasförmiger Materialien oder deren Konzentration programmiert ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der der Computer ferner zur Steuerung des Abtastens der vorausgewählten Stellen auf kontinuierlicher Basis programmiert ist.