NO156306B - Infraroed fiberoptisk gassdetektor. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved gassdeteksjon, hvor lys sendes gjennom gassmediet som skal undersøkes og deretter spektralanalyseres med henblikk på

å bestemme absorbsjon av lys på en for gassen karakteristisk og forutbestemt bølgelengde.

Oppfinnelsen vedrører også en anordning for overvåking og måling av gass, omfattende et følerhode for utsending av lys gjennom det gassmedium som skal undersøkes, en spektrumsanalysator for detektering av absorbsjonen av lys med en forhåndsbestemt bølgelengde samt en lyskilde.

Oppfinnelsen inngår således i et fiberoptisk målesystem

for overvåkning og måling av gasser basert på infrarød absorbsjonsspektroskopi. Målingen resulterer i et optisk signal som spektralanalyseres i en spesiell enhet i sy-stemets kontrollmodul- Kontrollmodulen, som er forbund-

et til selve sensoren med optiske fibre, kan være plas-sert i stor avstand fra selve målepunktet for gassen.

Oppfinnelsen har særlig stor aktualitet i forbindelse

med deteksjon av eksplosjonsfårlige konsentrasjoner av f.eks. metan-gass. Det fiberoptiske systemet gir her unike fordeler mht. operasjon i eksplosjonsfårlige om-givelser som dem man eksempelvis finner ombord på olje-

og gassproduksjonsanlegg til havs.

IR-absorbsjonsteknikker for deteksjon av gasser er vel kjent. I de senere år er det også beskrevet flere løs-ninger hvor optiske fibre benyttes til overføring av de infrarøde lyssignalene til og fra målecellen for gass. Dermed oppnås en helt passiv og kald løsning med en fullstendig egensikker sensorsløyfe. Det vises bl.a.

til følgende tre referanser for beskrivelse av status og kjent teknikk.

1. B. Culshaw, "Optical fibre transducers", The Radio and Electronic Eng., Vol. 52, No. 6, June 1982, p. 283.

2. K. Chan et. al., "An Optical-Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level CH^ Gas in the Near-infrared Region", J. and Lightwave Techn., Vol. LT-2, No. 3, June 1984, p. 234. 3. A. Hordvik et. al., "A fiber Optic Gas Detection System", Proe. 9th ECOC, Geneva, 23-26 Oet. 1983, p. 317.

Utgangspunktet for den aktuelle oppfinnelse er en fiberoptisk metandetektor.basert på prinsippet beskrevet i referanse 3 ovenfor, og hvis realisering er ytterligere beskrevet i publikasjonen 4): S. Stueflotten et. al.,

"An infrared fibre optic gas detection system", Proe.

2nd OFS, Stuttgard, 5-7 Sept. 1984, p. 87. Det vises til figur 2 for illustrasjon av prinsippet.

Basis for infrarød deteksjon av ulike gasser er måling av optisk effekt på en bølgelengde som sammenfaller med en absorbsjonslinje i spekteret til den angjeldende gass, f.eks. metan. Transmisjonen gjennom gassvolumet følger Beer-Lamberts lov, og absorbsjonen på den valgte bølge-lengde vil være avhengig av konsentrasjon, trykk og ab-sorbs jonslengde i gassen, samt forholdet mellom optisk båndbredde og absorbsjonslinjens bredde.

I tillegg til gassabsorbsjonen vil andre effekter som forurensninger, avblending og andre tapsmekanismer bl.a. i fiberkanalen kunne redusere mottatt effekt ytterligere. For å hindre at endringer i disse tapene gir feilmelding, benyttes en differensiell absorbsjonsteknikk hvor lys på en eller flere andre referansebølgelengder som ligger utenfor absorbsjonslinjen til den gassen som skal detektere, overføres samtidig i sensorsløyfen. Det er viktig at tapsmekanismen som ikke skyldes gassabsorbsjon, gir identiske bidrag på måle- og referansebølgelengden. Et eksempel på plassering av måle-tøm) og referansebølge-lengde (Ar) er vist i figur 1, som forøvrig viser 2^3-båndet i metanspekteret.

Under forutsetning av at utsendt effekt er lik på begge bølgelengder, og at detektoren har samme responsivitet

for begge bølgelengder, vil forholdet mellom detektorsig-nalene være et uttrykk for gassabsorbsjon. Imidlertid er dette en forutsetning som langt fra er oppfylt. Både utsendt effekt på de to bølgelengdene og detektorresponsi-viteten vil variere i et praktisk system. En nærliggende løsning vil derfor være å monitorere utsendt effekt på begge de to bølgelengdene. Et system som på denne måten i prinsippet ivaretar effektovervåkning og dempnings-overvåking, er vist i figur 2.

Et slikt system vil i prinsippet kunne detektere gass med stor nøyaktighet. Det viser seg imidlertid at systemet i praksis har en del svakheter.

De viktigste er:

1. Forholdet mellom referanse og målebølgelengden vil være avhengig av kabellengden. Dette innebærer at systemet må kalibreres først etter installasjon. 2. Det må stilles strenge krav til enkelte av komponent-ene. I første rekke gjelder dette den optiske kobleren og detektorene. For kobleren er det viktig at splitte-forholdet ikke endrer seg p.g.a. elding, temperatur, me-kanisk påvirkning o.l. For de to detektorene er en avhengig av at spektral responsivitet endrer seg likt som funksjon av temperatur og tid. 3. Ulik modusfordeling i transmisjonsfiberen og i sensorhodet kan også være et problem. Dette gir seg uslag i at perturbasjoner av fiber og kontakter kan gi opphav til ulik dempning på de to bølgelengdene. I sensorhodet vil delvis avblending av lysstrålen ha samme virkning. Begge disse endringene vil bli registrert som endring/ drift i gasskonsentrasjonen. 4. Konstruksjonen har forholdsvis mange optiske kompo-nenter som resulterer i en forholdsvis kostbar konstruk-sjon. Spektroskopisk måling av en bestemt gass skjer således normalt ved hjelp av en fast 2-punkts måling, dvs. måling av lys på en for gassen karakteristisk absorbsjons-bølgelengde, samt på en annen referansebølgelengde fors-kjellig fra målebølgelengden. Gasskonsentrasjonen beregnes da utfra forholdet mellom disse to signaler.

Fra BRD Offenlegungsschrift 33 34 264 og EPO søknad

6 3 4 31 er der beskrevet varianter av denne kjente teknikk. Den foreliggende oppfinnelse går imidlertid ut på en ny måte å beregne gasskonsentrasjonen på, nemlig ved at man teoretisk beregner et referansesignal på selve absorb-sjonsmålebølgelengden, idet denne beregning er basert på

to eller flere målinger på bølgelengder forskjellige fra absorbsjonsbølgelengden utenfor absorbsjonslinjen.

Nærmere bestemt går fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ut på at signalnivåer for to eller flere bølgelengder utenfor

absorbsjons-bølgelengden måles og benyttes som grunnlag for å danne et teoretisk beregnet signalnivå på absorbsjonsbøl-gelengden, idet absorbsjonen bestemmes ut fra forholdet mellom signalnivået som måles på absorbsjonsbølgelengden og det teoretisk beregnede signalnivået. Med denne fremgangsmåte er det mulig å realisere en nøyaktig og stabil fiberoptisk gassdetektor med de fordeler dette i praksis innebærer, dvs. hvor svakhetene ved de kjente systemer er søkt eliminert.

En anordning ifølge oppfinnelsen vil være karakterisert

ved at spektrumanalysatoren er tilkoblet en mikrodatamaskin innrettet for bestemmelse av absorbsjon på basis av forholdet mellom det målte signalnivå for nevnte bølge-lengde, og et beregnet signalnivå for den samme bølge-lengde basert på målinger på bølgelengder utenfor den forhåndsbestemte bølgelengde.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere

under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer.

Figur 1 er et absorbsjonsspekter for metan.

Figur 2 er et blokkdiagram som viser prinsippet ved et fiberoptisk IR-gassdetekteringssystem. Figur 3 er et blokkdiagram som viser prinsippet ved den foreliggende oppfinnelse. Figur 4 er en skjematisk fremstilling av en IR-spektrum-analysator.

Som figur 1 viser, består absorbsjonsspekteret for metan av flere separate linjer innenfor transmisjonsvinduet til kvartsfiber. Den sterkeste absorbsjonslinjen finner vi på Q-grenen av spekteret ved 1666 nm. En forutsetning og grunntanke bak det nye prinsippet, er at alle paramet-ere som har spektral avhengighet, varierer langsomt i re-lasjon til absorbsjonslinjene til metan. For Q-grenen med halvverdibåndbredde på ca. 1.5 nm, vil forutsetningen være godt oppfylt for fiberdempnings-variasjoner, lyskildevariasjoner og detektorvariasjoner. Forurensninger med varierende spektral absorbsjon, men uten ka-rakteristiske linjer vil også falle under denne kategori av parametre. Det samme vil også gjelde for endel inter-ferenseffekter med lang periodisitet i forhold til ab-sorbs jonsbåndet .

Med utgangspunkt i figur 2 og under spesiell henvisning til figur 3, går det nye prinsipp ut på følgende: Ut-ifrå et antall målinger på bølgelengder utenfor absorb-sjonslinjer (f.eks. Q-grenen) beregnes signalnivået i senter av absorbsjonslinjen. Deretter måles signalnivået i dette punktet. Forholdet mellom beregnet verdi og målt signalverdi er et mål for absorbsjonen i sensorhodet. Beregnet verdi kan f.eks. baseres på en Lagrange interpolasjon mellom målepunktene. I praksis vil det være aktuelt p benytte 3-5 målepunkter/bølgelengdekanal-er. Dersom forutsetningen om langsomme spektrale variasjoner er tilfredsstilt, vil forholdet mellom målt og beregnet verdi kunne være en funksjon av metankonsentrasjon-en fordi andre dempningsmekanismer vil påvirke målever-di og beregnet verdi i samme forhold.

Systemet som er skissert i blokkskjerna på figur 3, omfatter en senderblokk 10 som ved hjelp av en lysemitter-ende diode (LED) sender ut lys med bølgelengder innenfor det området det er aktuelt å analysere spekteret. Lyset moduleres med et firkantsignal styrt fra en mikrodatamaskin 30 eller fra en frittløpende oscillator i senderblokken eller driveren 10. Lyset kobles inn i en fiberoptisk kabel 50 som er ført ut til et sensorhode 60.

En mottager 20 detekterer lys som har passert gjennom den fiberoptiske sensorsløyfen og IR-spektrumsanalysatoren 40. Mottageren 20 detekterer lysintensiteten synkront med det modulerende signal i senderblokken 10. Den er også synkronisert med IR-spektrumsanalysatorens innstil-ling.

Mikrodatamaskinen 30 skal ut fra lysnivået på de enkelte bølgelengder som IR-spektrumsanalysatoren 40 i tur og orden innstilles til, beregne referanseberdien på måle-bølgelengden. Ut fra dette resultatet beregnes gass-konsentras jonen . Maskinen 30 skal også generere synkro-niseringssignaler i systemet, samt forsstå kommunika-sjon med omverdenen. Kalibrering av systemet skjer ved å skyte inn en kalibreringscelle med kjent konsentrasjon av den aktuelle gassen i sensorhodet 60.

Sentralt i denne oppfinnelsen står realiseringen av IR-spektrumsanalysatoren 40. Den har en flerkanals funksjon ved at den kan innstilles på forskjellige bølge-lengder etter tur. Analysatoren består av et dreibart, smalbåndet, optisk interferensfilter. Styresignalet til dreiemekanismen 44 kommer fra mikrodatamaskinen 30. Denne vet derfor til enhver tid hvilken bølgelengde som transmitteres.

Senterbølgelengden til smalbånds dielektriske interferens-filtre er bl.a. bestemt av innfallsvinkelen til den innfallende kollimerte lysstrålen. Strålen kollimeres ved hjelp av en Selfoc-linse 42 koblet til den innkommende fiber. En tilsvarende linse 43 benyttes til fokusering av det transmitterte lyset inn på fotodetektoren 21.

Følgende teoretiske sammenheng mellom transmittert bølge-lengde X 0<3 vinkeldreiningen $ gjelder:

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved gassdeteksjon, hvor lys sendes gjennom gassmediet som skal undersøkes og deretter spektralanalyseres med henblikk på å bestemme absorbsjon av lys på en for gassen karakteristisk og forutbestemt bølgelengde, Karakterisert ved at signalnivåer for to eller flere bølgelengder utenfor absorbsjons-bølgelengden måles og benyttes som grunnlag for å danne et teoretisk beregnet signalnivå på absorbsjonsbølgelengden, idet absorbsjonen bestemmes ut fra forholdet mellom signalnivået som måles på absorbsjonsbølgelengden og det teoretisk beregnede signalnivået.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de enkelte bølgelengder i spekteret skilles ut i tur og orden ved hjelp av bare ett dreibart optisk interferensfilter.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at lyset til og fra målepunktet sendes gjennom optiske fibre.

4. Gassdetekteringsanordning for overvåking og måling av gass, omfattende et følerhode (60) for utsending av lys gjennom det gassmedium som skal undersøkes, en spektrumsanalysator (40) for detektering av absorbsjonen av lys med en forhåndsbestemt bølgelengde, samt en lyskilde (LED),karakterisert ved at spektrumanalysatoren (40) er tilkoblet en mikrodatamaskin (30) innrettet for bestemmelse av absorbsjon på basis av forholdet mellom det målte signalnivå for nevnte bølgeleng-de, og et beregnet signalnivå for den samme bølgelengde basert på målinger på bølgelengder utenfor den forhåndsbestemte bølgelengde.

5. Anordning som angitt i krav 4,karakterisert ved at spektrumanalysatoren (40) omfatter et dreibart, smalbåndet, optisk interferensfilter med en dreiemekanisme (44) som styres fra mikrodatamaskinen (30) .

6. Anordning som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved at anordningen omfatter optiske fibre for overføring av lys til og fra målepunktet.