DE4015623C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung der Verteilung eines Fremdgases in der Atmosphäre, mit einem gasselektiven, zyklisch durchstimmbaren Modulationselement vor einem optoelektrischen Detektor zur Abgabe intensitätsmodulierter Signale in Abhängigkeit vom Zustand des Modulationselementes und mit einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung.

Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus F. W. Taylor: "Pressure Modulator Radiometry, in Spectrometric Techniques, G. A. Vanasse ed., Academic Press, London 1983, bekannt.

Aus A. Leipertz, "Modular aufgebautes Laser-System zur Analyse von Gasströmungen und Verbrennungsprozessen" in messen, prüfen, automatisieren, Januar/Februar 1986, S. 58-60 sowie April 1986, S. 209-212, ist es auch bekannt, in fremdangeregten Systemen zur Intensitätserfassung eine Vidiconröhre oder ein Dioden-Array zu verwenden.

In neuerer Zeit hat die Überwachung der Erdatmosphäre auf atmosphärische Schadstoffe zur Abbildung der räumlichen Verteilung derselben sowohl im Rahmen der Erdfernbeobachtung als auch in terrestrischer Anwendung zum Feststellen des Vorhandenseins und der räumlichen Verteilung von Schadstoffgasen größere Bedeutung erlangt. Derartige Überwachungen und Erfassungen erweisen sich mit Zunahme der Gefahr irreversibler Umweltbelastungen zum Einleiten von Präventivmaßnahmen als besonders wichtig. Darüber hinaus müssen auch in terrestrischer Anwendung Gasverteilungen, z. B. innerhalb einer Abgasfahne, oder Emissionen von Industrieanlagen erfaßt bzw. überwacht werden.

Gasselektive Modulatoren werden häufig zur Bestimmung von atmosphärischen Schadstoffen eingesetzt. Herkömmlich verfügbar ist z. B. ein Korrelationsspektrograph, mit dem Säulendichten von SO₂ und NO₂ gemessen werden (M. M. Millan, R. M. Hoff, in Applied Optics, Vol. 16, 1971, Seiten 1609-1618). Diese Anordnung besteht aus einem Monochromator, an dessen Ausgang eine Kombination von Spalten angebracht ist, die der Verteilung der SO₂- bzw. NO₂-Absorptionslinien entspricht. Mit Hilfe einer anderen Spaltenkombination wird die einfallende Strahlung derart moduliert, daß in einem Teil des Modulationszyklus die Strahlung der SO₂- bzw. NO₂- Absorptionswellenlänge und in einem anderen Teil die Strahlung mit Wellenlängen außerhalb dieser Absorptionslinien gemessen wird. Aus der Modulationsamplitude der einfallenden Strahlung wird sodann die Säulendichte des Schwefeldioxids bzw. Stickoxides in dem eng begrenzten Erfassungswinkel des Korrelationsspektrographen bestimmt. Die Dispersion des Lichtes verhindert die Abbildung der räumlichen Verteilung der Gase. Wenn die Gasverteilung, z. B. in einer Abgasfahne, bestimmt werden soll, dann muß der Korrelationsspektrograph quer unter der Fahne bewegt werden (R. H. Varey: Remote monitoring techniques, in "Handbook of Air Pollution Analysis", R. M. Harrison, R. Perry, eds., Chapman and Hall, London, 1986).

Andere Anordnungen der Korrelationsspektroskopie mit gasektiven Modulatoren und einem oder mehreren Photosensoren zur Messung der Schadgaskonzentration entlang einer optischen Strecke sind ebenfalls bekannt. Häufig wurde in diesem Zusammenhang als gasselektiver Modulator ein sogenanntes Gasfilterrad benutzt, bei dem abwechselnd eine Küvette mit dem zu erfassenden Schadgas, eine Küvette mit neutralem Gas oder ein Schwarzkörperstrahler als Referenzsignalgeber in den Strahlengang eingeblendet werden (T. V. Ward, H. H. Zwick, in Applied Optics, Vol. 14, 1975, Seiten 2896-2904). Aus der Amplitude der Modulation eins Photosensors wird dann die Konzentration des Schadgases bestimmt. Diese Anordnung wurde z. B. für die Fernmessung von Kohlenmonoxidverteilungen von einem Satelliten eingesetzt.

Aus der bereits eingangs erwähnten Druckschrift sind andere gasselektive Modulationselemente bekannt, die für die Gas- Fernmessung von einem Satelliten eingesetzt werden. Dies sind z. B. ein Gasdruckmodulator, bei dem dem Photosensor eine mit Gas gefüllte Absorptionsküvette vorgeschalte wird, in der der Gasdruck zyklisch variiert wird (F. W. Taylor: Pressure modulator radiometry, in "Spectrometric Techniques"; G. A. Vanasse ed.; Academic Press, London, 1983).

Als Erfassungseinrichtung ist aus der DE 35 21 834 A1) auch ein interferometrischer Modulator als gasselektives Modulationselement bekannt, bei dem die freie Weglänge eines Interferometers um den für ein bestimmtes, zu erfassendes Gas charakteristischen, äquidistanten Abstand der Absorptions- bzw. Emissionslinien variiert wird.

Weitere Modulationssysteme zur Erfassung eines Strahlungsspektrums eines Schadgases sind ein Längenmodulator, bei dem im Unterschied zu einem Druckmodulator die optische Dichte der Modulationsküvette nicht durch Gasdruck, sondern durch die Küvettenschichtdicke verändert wird, sowie ein elektrooptischer Phasenmodulator, bei dem die Phase des Absorptionsspektrums des zu erfassenden Gases verändert wird.

Die bekannten gasselektiven Modulatoren wurden zur Fernmessung von atmosphärischen Schadgasen von Satelliten oder anderen mobilen Plattformen aus eingesetzt bzw. entwickelt. Die räumliche Verteilung der Schadgase wird bei den bekannten Anordnungen so bemessen, daß die Anordnung bewegt bzw. verschwenkt wird und auf diese Weise die räumliche Verteilung des zu erfassenden Schadgases abgetastet wird.

Die bisher bekannten Anordnungen zur Korrelationsspektrographie zur Bestimmung von atmosphärischen Schadstoffen haben jedoch den Nachteil, daß die Abtastung der räumlichen Gasverteilung in zeitlicher Abfolge erfolgt und daher eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, während der die Gasverteilung sich ändern kann. Die verhältnismäßig lange Aufnahmezeitdauer verhindert auch eine effiziente Überwachung von Gasausbrüchen in Verbindung mit Industrieanlagen, bei denen im Falle der Überschreitung vorgegebener Grenzwerte sofortige Gegen- oder Schutzmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine unmittelbare Darstellung der räumlichen Fremdgasverteilung in der Atmosphäre vorgenommen werden kann, ohne daß hierzu eine Relativbewegung der Anordnung zu dem Beobachtungsfeld erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der optoelektronische Detektor ein zweidimensional erfassender Bildaufnahmesensor ist, der zur Abgabe der intensitätsmodulierten Signale als Grauwerte ausgebildet ist, und daß die Auswerteeinrichtung (Bildverstärkungs- und -verarbeitungseinheit, Bildwiedergabeeinheit) zur Ermittlung der in unterschiedlichen Phasen des Modulationszyklus gewonnenen Verteilung der Grauwerte sowie zur Darstellung der Konzentration und Verteilung des Fremdgases aufgrund der Differenz der Verteilung dieser Grauwerte ausgebildet ist.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesem zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer photoelektrischen Kamera mit einer Anordnung als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer photoelektrischen Kamera mit einer Anordnung nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist eine photoelektrische Kamera gezeigt, die in vorteilhafter Weise die Erfassung und Abbildung der räumlichen Verteilung von Schadgasen ermöglicht, ohne daß dabei der zu erfassende oder zu überwachende Raum langwierig durch Relativbewegung der Anordnung zum gewünschten Beobachtungsfeld abgetastet werden muß.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer photoelektrischen Kamera gezeigt, bei der im Strahlungseintrittsbereich einer Bildaufnahmeanordnung A objektivseitig ein Bildmodulationsbereich B angeordnet ist, der seinerseits aus einem Bandfilter 1 und einem, einem Objektiv 2 nachgeschalteten gasselektiven Modulationselement 3 besteht.

Das Bandfilter 1 dient dazu, die einfallende Strahlung auf den Wellenbereich des elektromagnetischen Spektrums zu begrenzen, in dem das zu erfassende Gasmolekül Strahlung absorbiert oder emittiert. Auf diese Weise wird das Signal/Rauschverhältnis des Bildsignales verbessert und eine Querempfindlichkeit zu anderen Gasen eingeschränkt.

Nach dem Objektiv 2 der photoelektrischen Kamera, die im U-, VIS- oder IR-Bereich arbeitet, ist das weitgehend verzeichnungsfreie Modulationselement 3 angeordnet, mit dem die optische Dichte des zu erfassenden Fremdgases selektiv und weitgehend ohne Bildverzeichnung moduliert wird.

Als gasselektives Modulationselement 3 kann ein bekanntes Modulationselement, wie Gasfilterrad, Gasfiltermaske, Gasdruckmodulator, interferometrischer Modulator, Längenmodulator oder elektrooptischer Phasenmodulator, eingesetzt werden, in Abhängigkeit von den jeweiligen Kamera- und Einsatzbedingungen sowie dem zu überwachenden Absorptions- bzw. Emissionsspektrum.

Der Bildaufnahmeteil A der Kamera besteht aus einem dem gasselektiven Modulationselement 3 nachgeschalteten Bildaufnahmesensor 4 mit einer Bildverstärkungs- und -verarbeitungseinheit 5 sowie einer Bildwiedergabeeinheit 6.

Die Arbeitsweise der photoelektrischen Kamera ist wie folgt: Die Kamera wird z. B. als Überwachungskamera in Verbindung mit Industrieanlagen, Rohrleitungen etc. stationär angeordnet, um eine Leckage von gasförmigen Schadstoffen zu überwachen und darzustellen.

Nach Begrenzung der beständig einfallenden Strahlung auf den Wellenlängenbereich, der auf das Spektrum des zu überwachenden gasförmigen Mediums abgestimmt ist, gelangt diese über das Objektiv 2 auf das gasselektive Modulationselement 3, mit der die optische Dichte des zu erfassenden Fremdgases selektiv und weitgehend ohne Bildverzeichnung moduliert wird. Die modulierte Strahlung gelangt anschließend auf den photoelektrischen Bildaufnahmesensor 4, dessen Bildsignal in der Bildverstärkungs- und Verarbeitungseinheit 5 verstärkt und verarbeitet sowie anschließend in der Bildwiedergabeeinheit 6 bereitgestellt wird. Gegebenenfalls ist parallel zur Bildwiedergabeeinheit 6 auch eine optische und/oder akustische Alarm- oder Signalvorrichtung angeschlossen, um in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Bildverstärkungs- und -verarbeitungseinheit 5 das Auftreten gefährlicher Emissionen anzuzeigen.

Die gasselektive Modulation durch das Modulationselement 3 führt zu Grauwert-Modulation der Bildelemente des photoelektrischen Bildaufnahmesensors 4, auf denen die räumlichen Bereiche abgebildet bzw. aktiviert werden, die das zu erfassende Fremdgas enthalten. Aus der Amplitude der Grauwertmodulation wird sodann in der Bildverstärkungs- und -verarbeitungseinheit 5 das Produkt der Gaskonzentration und der Absorptionsstrecke und/oder die Gaskonzentration (im IR-Bereich) des Fremdgases räumlich bestimmt. Die auf den Bildaufnahmesensor 4 fallende Strahlung wird somit durch das gasselektive Modulationselement 3 in den Bildbereichen zyklisch moduliert, die das zu erfassende Fremdgas enthalten. Der Bildaufnahmesensor 4 nimmt dann in unterschiedlichen Phasen des Modulationszyklus Bilder mit unterschiedlicher Modulationstiefe, d. h. mit unterschiedlicher Verteilung der Grauwerte auf. Aus den Differenzen der Bildgrauwerte werden in der Bildverstärkungs- und -verarbeitungseinheit 5 die Konzentrationen des zu erfassenden Fremdgases digital oder analog bestimmt und beispielsweise in Falschfarben, die einer Konzentrationsskala entsprechen, auf einem Bildschirm, der als Bildwiedergabeeinheit 6 vorgesehen ist, dargestellt. Aus den mit einzelnen Bildelementen erfaßten Gaskonzentrationen wird somit eine Abbildung der räumlichen Verteilung des Fremdgases im Beobachtungsbereich gewonnen, ohne daß eine zeitfordernde Abtastung erforderlich ist.

Durch die Kombination des gasselektiven Modulationselementes 3 mit dem photoelektrischen UV-, VIS- oder IR-Bildaufnahmesensor 4 mit nachgeschalteter analoger oder digitaler Bildverarbeitung kann somit die Abbildung der räumlichen Verteilung der Schadgase bzw. ein havariebedingter Gasaustritt in Industrieanlagen schnell aufgenommen und dargestellt bzw. ermittelt werden, ohne daß dabei der Beobachtungsraum langwierig durch Bewegung der Anordnung bzw. der photoelektrischen Kamera abgetastet werden muß. Durch die beschriebene Anordnung ist daher die dauerhafte Langzeitüberwachung von Industrieanlagen oder anderen möglichen Emissionsquellen vereinfacht und es wird eine einfache und schnelle Kontrolle in bezug auf die Einhaltung von zulässigen Emissionswerten bzw. eine Schnellmeldung von havariebedingten Leckagen möglich.

In Fig. 2 ist in einer Modifikation der photoelektrischen Kamera nach Fig. 1 das gasselektive Modulationselement 3 als Eingangsteil der Kamera dem Bandfilter 1 vorgeschaltet, ohne daß sich insoweit eine Veränderung der bereits in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Funktionsweise der Anordnung ergibt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Darstellung der Verteilung eines Fremdgases in der Atmosphäre, mit einem gasselektiven, zyklisch durchstimmbaren Modulationselement vor einem optoelektronischen Detektor zur Abgabe intensitätsmodulierter Signale in Abhängigkeit vom Zustand des Modulationselementes und mit einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Detektor ein zweidimensional erfassender Bildaufnahmesensor (4) ist, der zur Abgabe der intensitätsmodulierten Signale als Grauwerte ausgebildet ist, und daß die Auswerteeinrichtung (5, 6 zur Emittlung der in unterschiedlichen Phasen des Modulationszyklus gewonnenen Verteilung der Grauwerte sowie zur Darstellung der Konzentration und Verteilung des Fremdgases aufgrund der Differenz der Verteilung dieser Grauwerte ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationselement (3) eine rotierende oder verschiebbare Gaskorrelationsvorrichtung, bestehend aus einer mit dem zu bestimmenden Fremdgas und einer mit Neutralgas gefüllten Küvette und/oder einem Schwarzkörperstrahler ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskorrelationsvorrichtung ein Gasfilterrad oder eine Gasfiltermaske ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationselement (3) eine Küvette mit dem zu bestimmenden Fremdgas ist, deren Innendruck zyklisch veränderbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationselement (3) eine mit dem zu bestimmenden Fremdgas gefüllte Küvette ist, in der die Länge der Absorptionsstrecke mit einer rotierenden oder verschiebbaren optischen Platte modulierbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationselement (3) ein elektrooptischer Phasenmodulator zur Modulation der Phase des Absorptionsspektrums in einer mit dem zu bestimmenden Fremdgas gefüllten Küvette ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationselement (3) ein durchstimmbares Interferometer ist, dessen freie Weglänge um den für das zu bestimmende Fremdgas charakterisischen, äquidistanten Abstand der Absorptionslinien zyklisch veränderbar ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bildaufnahmesensor (4) ein Bandfilter (1) zur Begrenzung eines Wellenlängenbereiches der einfallenden Strahlung angeordnet ist.