DE4138242A1 - Vorrichtung zur gasanalytischen brandkontrolle - Google Patents

Vorrichtung zur gasanalytischen brandkontrolle

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur photometrischen, gasanalytischen Kontrolle bei Bränden.
Auf dem Gebiet der Detektion von toxischen Gasen, wie sie insbesondere bei Bränden auftreten, sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
Nach einem bekannten Verfahren werden beispielsweise kleine Probenvolumina am Rand der bei einem Brand entstehenden Gaswolken entnommen und anschließend in einem Spektrometer oder mit anderen bekannten Laborverfahren nach ihren Komponenten analysiert. Das Spektrometer kann in einem der Einsatzfahrzeuge installiert sein. Dieses Verfahren liefert eine genaue Bestimmung der Gaszusammensetzung; es ist jedoch sehr zeitaufwendig und läßt keine exakten Schlüsse auf die Zusammensetzung der Gaswolke in ihrem Innern zu.
Es ist ferner bekannt, die Zusammensetzung einer Gaswolke an ihrem Rande mit Hilfe von Gasprüfröhrchen vorzunehmen. Auch diese Methode liefert lediglich Informationen über die Zusammensetzung der Gaswolke am Rande. Sie ist zudem relativ ungenau.
Ferner sind aus OPTICAL ENGINEERING, Vol. 19 (1980), No. 4, S. 508-514, Über­ wachungsmethoden für besonders gefährdete Anlagen bekannt. Hierbei befindet sich der zu beobachtende Anlageteil zwischen einer Infrarotlicht-Quelle und einem Infrarotlicht-Detektor/Analysator. Als Detektor bzw. Analysator werden üblicher­ weise komplette Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer eingesetzt. Diese Methode liefert die Zusammensetzung der Gaswolke auch im Innern. Sie ist für den schnellen, mobilen Einsatz bei Bränden jedoch ungeeignet, da Aufbau und Justierung Stunden in Anspruch nehmen.
Es bestand daher die Aufgabe, eine tragbare Vorrichtung zu entwickeln, die eine schnelle Analyse der Zusammensetzung von Gaswolken, wie sie insbesondere bei Bränden auftreten, ermöglicht. Die Vorrichtung sollte von einer Person ohne Fachkenntnis auf dem Gebiet der Gasanalyse bedienbar sein. Ferner soll die Vorrichtung auch unter widrigen Umwelteinflüssen einsetzbar sein.
Die Aufgabe wurde gelöst durch eine Vorrichtung, welche folgende Elemente aufweist:
  • a) n-parallel angeordnete Kanäle zur simultanen oder quasi-simultanen Be­ stimmung der Intensität von Licht in n-engen Wellenlängenbereichen, wobei jeder Kanal eine Anordnung von einem den Wellenlängenbereich definieren­ den Interferenzfilter, einem Detektor zur Umwandlung von Lichtintensität in ein proportionales elektrisches Signal und einer Verstärkerschaltung auf­ weist,
  • b) ein zylindrisches oder prismatisches Gehäuse mit einer Lichteintrittsöffnung an einer Stirnseite, in dem die n-Kanäle nebeneinander angeordnet sind, und
  • c) mindestens ein, den Kanälen zuordbares Anzeigeelement.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.
Die Zahl n der Kanäle ist begrenzt durch die Abmessung eines Interferenzfilters und der zugehörigen Verstärkungselektronik in Relation zur Gehäusegröße. So lassen sich in einem zylindrischen Gehäuse mit 5 cm Durchmesser problemlos zehn Kanäle anordnen. Um das Gerät bedienungsfreundlich zu halten, d. h. die Gehäuseab­ messung nicht zu groß und die Anzeige nicht zu unübersichtlich werden zu lassen, werden zwei bis zehn Kanäle, bevorzugt zwei bis acht, insbesondere bevorzugt drei bis sechs, verwendet. Einsparungen an Volumen und aufwendigen Komponenten ergeben sich, wenn Elemente, die den Kanälen gemeinsam sind, unter Verwendung an sich bekannter Multiplex-Techniken durch ein von den Kanälen gemeinsam genutztes Element ersetzt werden. Beispielsweise kann ein Verstärkerelement die Signale aller Detektoren verstärken, wenn es mittels einer elektronischen Multiplex-Schaltung entsprechend angesteuert wird. Auch lassen sich die Interferenzfilter durch ein gemeinsames Filter ersetzen, wenn dieses nach Wellenlängen durchstimmbar ist. Zu diesem Zweck lassen sich vorzugsweise akustooptische Filter verwenden. Im Multiplexbetrieb erfolgt die Aufnahme und Auswertung der Kanäle jedoch nicht mehr simultan, sondern lediglich quasi-simultan. Eine Vorrichtung arbeitet im Sinne dieser Erfindung quasi-simultan, wenn die Meßwertaufnahme deutlich schneller erfolgt als die Meßwertausgabe.
Das Gehäuse wird bevorzugt stabförmig ausgebildet. Dabei ist eine Abmessung (Länge) relativ groß im Vergleich zu den Querdimensionen, so daß das Gerät zusammen mit dem Handgriff eine pistolenartige Charakteristik erhält. Auf diese Weise ist es dem Bediener möglich, eine gewünschte Region genau anzuvisieren. Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn die bedienende Person sowohl die anvisierte Stelle als auch das Ergebnis der Messung, also die Anzeigeelemente, im Blick hat. Daher sind die Anzeigeelemente bevorzugt an der der Lichteintrittsöffnung gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses angeordnet. Obwohl die Energieversorgung der Vorrichtung problemlos über längere Kabel von einer externen Energiequelle aus erfolgen kann, so ist es jedoch von Vorteil, einen Akkumulator oder eine Batterie im Gehäuse oder Handgriff zu integrieren, so daß eine größere Mobilität der Vorrichtung erreicht wird.
Die n-Kanäle dienen der Intensitätsbestinimung von Licht im Wellenlängenbereich von 0,1 bis 100 µm, vorzugsweise infrarotem Licht (0,4 bis 100 µm), in einem schmalen Wellenlängenbereich. Dieser Wellenlängenbereich wird so ausgewählt, daß in ihm möglichst nur eine einzige charakteristische Absorptionsbande eines Gases liegt. Auf diese Weise läßt sich eine Brandgaswolke nach n-Komponenten (Leitkomponenten) analysieren. Zu einer Konzentrationsbestimmung ist es jedoch erforderlich, die Entfernung zwischen Strahlungsquelle und Detektor zu kennen. Die alleinige Intensitätsbestimmung liefert einen Wert für die Absorption der gesamten Gaswolke zwischen Brandherd und der neuen Vorrichtung. Erst bei Kenntnis der Entfernung zwischen Brandherd und der Vorrichtung läßt sich die gesamte Absorp­ tion in eine Konzentrationsangabe umrechnen. Daher weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zu einem anvisierten Objekt auf. Diese Entfernungsmessung ist auf dreierlei Weise möglich: Zum einen durch eine Ultraschallmessung, zum anderen über eine Lauf­ zeitmessung von Radarpulsen und drittens durch Abschätzen und manuelle Eingabe der Entfernung durch eine geeignete Eingabevorrichtung, beispielsweise einem Drehknopf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner auf einfache Weise um eine Mög­ lichkeit zur Temperaturmessung erweitert werden. Dazu wird in einem zusätzlichen Kanal Infrarotlicht entweder breitbandig oder ebenfalls in einem schmalen Wellen­ längenbereich aufgefangen und die Intensität mit Hilfe einer entsprechenden Eichung in eine Temperaturangabe umgewandelt. Diese Temperaturangabe kann ebenfalls auf dem Anzeigenfeld dargestellt werden. Mit Hilfe einer Temperatur­ angabe kann bei Brandeinsätzen die Festigkeit von Materialien abgeschätzt werden. Die Bestimmung der Lichtintensität in einem breiten Wellenlängenbereich kann dabei gleichzeitig als Referenzsignal zur Bestimmung der Konzentration der Einzelkomponenten eines Gasgemisches verwendet werden.
Um die Messungen empfindlicher zu machen, ist es vorteilhaft, das zu messende Signal mit einer bekannten Frequenz zu modulieren. Dies geschieht mit Vorteil durch eine rotierende Sektorscheibe, die bereits in der Lichteintrittsöffnung vor den einzelnen Kanälen angeordnet ist. Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird weiter erhöht, indem man den Detektoren eine Temperatur­ kompensation zuordnet. Diese Temperaturkompensation kann zum einen elektro­ nisch durch die Messung der Detektorentemperatur erfolgen. Dabei erfolgt die Korrektur über die bekannte Temperatur-Empfindlichkeitskurve des Detektors. Zum anderen lassen sich die Detektoren beispielsweise durch ein Peltierelement auch elektrothermisch kühlen und somit auf einer konstanten Temperatur halten. Insbe­ sondere für diese Thermostatisierung ist es von Vorteil, wenn die Detektoren in einem Block aus wärmeleitfähigem Material angeordnet sind.
Um den Einsatz der Vorrichtung auch durch relativ ungeschultes Personal, insbe­ sondere in Extremsituationen, wie sie Brandeinsätze darstellen, zu gewährleisten, ist eine übersichtliche Gestaltung und Anordnung der Anzeigeelemente von besonderer Wichtigkeit. Dazu werden vorteilhafterweise Leuchtdiodenfelder oder LCD-Dis­ plays verwendet. Bei der Verwendung von Leuchtdiodenfeldern wird beispielsweise jedem Kanal eine Reihe von fünf Leuchtdioden zugeordnet, wobei mit steigender Gaskonzentration entsprechend viele Leuchtdioden, beginnend mit der ersten, zum Aufleuchten gebracht werden. Auf einem LCD-Display läßt sich diese Leucht­ diodenreihe durch eine Balkenanzeige ersetzen. Ein LCD-Display ist vorteilhafter­ weise hintergrundbeleuchtet. Eine weitere Vereinfachung des Anzeigefeldes läßt sich dadurch erzielen, daß die Konzentrationswerte durch die elektronische Steuer­ einheit der Vorrichtung selbst in Vielfache der maximalen Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) umgerechnet und angezeigt werden. Für eine genauere Analyse kann das Anzeigenfeld, insbesondere das LCD-Display, auch so gestaltet werden, daß die gemessenen Konzentrationswerte digital angezeigt werden.
Durch die neue Vorrichtung können beispielsweise folgende Komponenten einer Gaswolke erfaßt werden: CO, CO2, NO, NO2, NH3, HCl, COCl2, HCN, SO₂ und Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel HxCy (wobei x und y natürliche Zahlen sind), die auch chloriert sein können.
Im folgenden wird die neue Vorrichtung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
Fig. 1 zeigt die vereinfachte Seitenansicht der Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt die einer Gaswolke zugewandte Frontansicht der Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt die dem Bediener zugewandte Rückseite der Vorrichtung.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau zweier Meßkanäle.
Die Vorrichtung besteht aus einem im wesentlichen zylindrisch geformten Hauptrohr 1, dem ein Handgriff 2 zugeordnet ist. An dem Handgriff befindet sich der Hauptschalter 5 zum Aktivieren bzw. Deaktivieren der Vorrichtung. An der der zu analysierenden Gaswolke zugewandten Seite des Hauptrohres befindet sich ein Chopperrad 3 mit fünf Sektoren und ebenso viele Öffnungen 4, die der Aufnahme des die Gaswolke durchdringenden Lichtes 41 dienen. Im Hauptrohr 1 sind die Bauteile zur spektralen Analyse des Lichtes 41 untergebracht. Im Griff 2 befinden sich die zur Stromversorgung der Vorrichtung notwendigen Batterien. Auf der dem Bediener zugewandten Seite befinden sich vier Anzeigeelemente 31, die den vier Lichteintrittsöffnungen 4 zugeordnet sind. Die fünfte Lichteintrittsöffnung 4 dient zur Bestimmung der gesamten Infrarotintensität des einfallendenden Lichtes 41. Ein Anzeigenelement 31 besteht aus mehreren (hier: 3) Leuchtdioden 32. Das Aufleuch­ ten einer bestimmten Leuchtdiode 32 innerhalb eines Anzeigenelementes gibt dem Bediener ein Maß für die relative oder absolute Konzentration der diesem Anzeigen­ element zugeordneten Komponente. Dargestellt ist beispielhaft der Fall einer hohen Kohlenmonoxidkonzentration (CO), einer mäßigen Kohlenwasserstoffkonzentration (CH) sowie geringer Anteile der restlichen beiden Komponenten (HCN, C-Cl). Zusätzlich ist auf dieser Seite der Vorrichtung noch ein Bedienknopf 33 angebracht, der zur manuellen Eingabe der Entfernung zum Meßplatz, d. h. der Gaswolke, dient.
Im Hauptrohr 1 sind weiter Fokussierlinsen 6, 7 zur Bündelung des einfallenden Lichtes 41 untergebracht. Von ihnen ausgehend passiert das Licht die Wellenlängen-selektiven Interferenzfilter 44, 45. Durch die Detektoren 46, 47 wird die Lichtintensität in den selektierten Wellenlängenbereichen in proportionale elektri­ sche Signale umgewandelt. Diese werden durch die Verstärker 48, 49 verstärkt an die elektronische Steuereinheit 50, einem handelsüblichen Mikroprozessorbaustein weitergegeben. Entsprechend der Höhe des Signales eines jeden Kanals wird eine der Leuchtdioden der Leuchtdiodenfelder 31 angesteuert. Alle zum Aufbau einer solchen Vorrichtung notwendigen Bauteile sind dem Fachmann wohlbekannt.

Claims (16)

1. Tragbare Vorrichtung zur photometrischen, gasanalytischen Kontrolle bei Bränden, aufweisend
  • a) n-Kanäle zur simultanen oder quasi-simultanen Bestimmung der Intensität von Licht in n-engen Wellenlängenbereichen, wobei jeder Kanal eine Anordnung von einem den Wellenlängenbereich definie­ renden Interferenzfilter (44, 45), einem Detektor (46, 47) zur Umwandlung von Lichtintensität in ein proportionales elektrisches Signal und einer Verstärkerschaltung (48, 49) aufweist,
  • b) ein zylindrisches oder prismatisches Gehäuse (1) mit einer Lichtein­ trittsöffnung an der Stirnseite, in dem die n-Kanäle nebeneinander angeordnet sind, und
  • c) mindestens ein den Kanälen zuordenbares Anzeigeelement (31).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenz­ filter (44, 45) Wellenlängenbereiche aus dem infraroten Spektralbereich filtern.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigenelement (31) an der der Lichteintrittsöffnung gegenüberliegen­ den Stirnseite des Gehäuses (1) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (1) mindestens ein Handgriff (2) zugeordnet ist
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend einen Akkumula­ tor und/oder eine Batterie zur Versorgung mit elektrischer Energie.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend einen zusätz­ lichen Kanal zur Bestimmung der infraroten Lichtintensität in einem breiten Wellenlängenbereich.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend eine Vorrichtung (3) zur Modulation des eintretenden Lichtes.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zu einem anvisierten Objekt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur des anvisierten Objektes.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend eine elektronische Steuereinheit (50).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß gleichartige Elemente der Kanäle unter Verwendung an sich bekannter Multiplextechniken als ein gemeinsames Element ausgeführt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (46, 47) in einem Block aus wärmeleitfähigem Material angebracht sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (46, 47) eine Vorrichtung zur Temperaturkompensation zugeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein thermoelektrisches Element zur Thermostatisierung und/oder Kühlung der Detektoren (46, 47) aufweist
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigenelement (31) aus Leuchtdiodenfeldern besteht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigenelement (31) ein LCD-Display ist.
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