SE465097B - Foerfarande foer detektering och bestaemning av halten av metangas i luft samt en metangasdetektor foer genomfoerande av foerfarandet - Google Patents

Description

465 097 Eftersom ett förfarande för att kunna detektera och mäta halten av metan- gas samt anordningen, metangasdetektorn, enligt uppfinningen använder den senast nämnda metoden skall teknikens ståndpunkt beskrivas med utgångs- punkt från IR-absorption och fiberoptik. Som referenser hänvisas till norska patentet nr 156306 "Infraröd Fiberoptisk Gassdetektor" och en artikel "Fiber optic system for multipoint remote detection of inflammable gases" av Y Arakowa, H Fukunga och H Inaba i OFS 86 Tokyo, sid 135-138.

Kol-väte-gaserna har som bekant karakteristiska absorptionslinjer i den infraröda delen av spektret. Detta innebär att aktuella gaser har den egenskapen att de absorberar de delar av infrarött ljus som har våglängder som sammanfaller med absorptionslinjerna. Aktuellt infrarött område av spektret ligger inom området 900-1800 nm. Eftersom metan har en absorp- tionstopp vid 1666 nm ligger denna gas väl inom området för att kunna detekteras. Eftersom det finnes ett samband mellan graden av ljusabsorp- tion och gaskoncentrationen kan man genom att mäta absorptionen få ett mått på gaskoncentrationen.

På grund av olika felkällor som åldring, temperaturdrift m m blir en mätning enligt ovan ej speciellt tillförlitlig. Ett sätt att förbättra noggrannheten är att på något sätt skaffa ett referensvärde. I den ovan nämnda patentskriften anges en metod för framtagning av en sådan referens.

Detta sker genom att man med hjälp av en spektralanalysator gör ett antal absorptionsmätningar utanför och i närheten av den aktuella absorptions- linjen för metan. Med utgångspunkt från dessa mätningar kan ett referens- värde för signalnivån i den aktuella absorptionslinjen beräknas. Förhåll- andet mellan mätsignalnivån i absorptionslinjen och referensvärdet utgör sedan ett mått på metangaskoncentrationen.

Rent fysiskt består en metangasdetektor enligt det norska patentet av en sändare som via en ljusemitterande diod, LED, sänder ljus med de våg- längder inom det spektrala omrâdet som skall studeras. En datorstyrd fyrkantvåg modulerar det emitterade ljuset som via en fiberoptisk kabel skickas till en gas-sensor. Det ljus som passerar sensorn leds genom en optisk returledare via en IR-spektralanalysator till en mottagare som detekterar ljusintensiteten i takt med det modulerade utsända ljuset. Den i anordningen ingående datorn är också programmerad för att med de mätta ljusintensiteterna beräkna det omtalade referensvärdet samt att bilda förhållandet mellan det uppmätta intensitetsvärdet för metans absorp- 465 G97 tionslinje och referensvärdet, dvs ett mått på metangaskoncentrationen.

Anordningen är på förhand kalibrerad genom att mf* ing har skett då en kalibreringskälla med känd gaskoncentration har ' ts in i gas-sensorn.

Intressant i sammanhanget är att konstatera att det i patentskriftens text står "ljus som har passerat genom den fiberoptiska sensorslingan". Det framgår inte i övrigt av texten att gas-sensorn innehåller en reflektor även om sensorhuvudet enligt figur 3 indikerar detta. I de ursprungliga ansökningshandlingarna står det dock beträffande sensorhuvudet att "ljuset reflekteras via en retroreflektor".

En mycket viktig del av detektorn enligt det norska patentet är den nämnda IR-spektralanalysatorn. För att kunna beräkna referensvärdet måste analy- satorn kunna ställas in på olika våglängder. Detta åstadkommas genom att analysatorn är utformad som ett vridbart smalbandigt optiskt interferens- filter. Filtrets inställda våglängd beror på infallsvinkeln hos det mot filtret infallande kollimerade ljuset. För att kunna ändra vinkeln är filret därför fastsatt på en servomanövrerad vridbar axel. Vridmekanismen styrs från den i anordningen ingående datorn.

Den detekteringsanordning som beskrivs i den ovan nämnda japanska artikeln arbetar 1 stort efter samma princip som den redovisade anordningen enligt det norska patentet. Den japanska detektorn är dock utformad så att den kan detektera tre olika kol-väte-gaser, nämligen metan, propan och etylen.

Metan har som tidigare omtalat förutom den mycket smalbandiga absorptions- toppen vid 1666 nm också en relativt kraftig absorption vid 1331 nm.

Propan uppvisar ett relativt bredbandigt absorptionsspektrum från 1670 till 1720 nm och etylens absorptionsband ligger mellan 1610 och 1710 nm.

Det infraröda ljus som ljuskällan i denna anordning producerar filtreras så att det ljus som i tur och ordning via en optisk omkopplare skickas till de 30 gas-sensorerna anordningen omfattar har en våglängd större än 900 nm. Det ljus som har passerat gas-sensorerna leds via en mekanisk vridbar optisk kopplare i tur och ordning till 6 nm breda bandpassfilter vid 1600 nm. 1625 nm. 1666 nm ooch 1690 nm. Fotodetektering av ljusinten- siteten efter filtret för 1625 nm ger absorptionsgraden för etylen, efter filtret för 1666 nm absorptionsgraden för metan och efter filtret för 1690 nm absorptionsgraden för propan. På samma sätt som i den norska patent- skriften relateras de uppmåtta värdena till ett referensvärde som i denna 465 097 anordning utgöres av ljusets absorption vid 1600 nm. Anordningen kalibre- ras i övrigt på tidigare omtalat sätt.

En besvärande nackdel med de redovisade anordningarna är de mekaniskt vridbara optiska omkopplarna både vad beträffar livslängd och omkopplings- tid relativt en ren elektronisk omkoppling. Som exempel anges att mättiden för var och en av de ovan nämnda 30 gas-sensorerna är 18 sekunder och total tid för samtliga uppgår till ca 9 mintuer.

REnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen omfattar som det har framförts ett förfarande för att kunna detektera och mäta halten av metangas och en anordning för genomförande av förfarandet. Anordningen är utformad så att den omfattar ett flertal olika mätpunkter.

Principen för detektering och bestämning av halten baseras på den kända egenskapen hos metangasen att den vid bestrålning med infrarött ljus absorberar ljus med våglängder som sammanfaller med gasens absorptions- linje(r). Eftersom sådana mätanordningar finnes beskrivna enligt den redovisade teknikens ståndpunkt kommer det av naturliga skäl att finnas vissa gemensamma dellösningar som först skall redovisas.

Förfarandet och anordningen enligt uppfinningen omfattar en sändare som via en ljusemitterande diod skickar det aktuella infraröda ljuset via en optisk ledare till en gas-sensor. För att fokusera ljuset respektive att få en parallell strâlgång i sensorn är denna i regel försedd med inbyggda linser. För att minska inverkan av vibrationer, mekaniska spänningar och längdförändring på grund av temperaturförändringar m m är gas-sensorn försedd med en retroreflektor. Det reflekterade ljuset leds via en optisk ledare och filter till en fotodiod för intensitetsbestämning. För att minska inverkan av störkällor, förluster m m användes också ett referens- värde vid absolutbestämningen av gashalten. I övrigt sker kalibrering med metan. Härvid stannar dock likheten med känd teknik.

I en anordning enligt uppfinningen matas varje mätslinga med ljus från var sin ljusemitterande diod. Samtliga av dessa har en gemensam strömkontroll- krets vilket, förutom individuella variationer dioderna emellan, medger de bästa förutsättningar för att det av fotodioderna mottagna ljuset blir så 465 G97 lika som möjligt. Via en multiplexer aktiveras en diod i taget. Under den rlziva tiden moduleras ljuset med en relativt hög frekvens.

Gas-sensorn har ytterligare några särdrag som skiljer den från teknikens ståndpunkt. Ett av dessa är att den optiska ledaren som leder ljus in i sensorn, hädanefter kallad sensorledare, också fungerar som returledare.

Den optiska kabeln som förbinder sensorn med elektronik- och styrdelen består av en tvåfiberkabel. I sensorns skyddade hölje kopplas dessa båda i hop med sensorledaren. Den andra änden av den ena av tvåfiberkabelns ledare är kopplad till den ljusemitterande dioden och den andra tvåfiber- lsbeln fungerar som returledare för det icke absorberade ljuset till an- ordningens detekteringsenhet. En fördel med att använda en tvåfiberkabel är att en avsliten kabel då ej kan ge upphov till felaktig reflexion och därmed felaktigt mätvärde.

För att anordningen skall fungera på avsett sätt måste reflexer från sensorledarens mynning vara låga, annars påverkas mätvärdet. Enligt teknikens ståndpunkt försöker man undvika sådana reflexer genom att avsluta sensorfibern med sned- elle rundslipade ytor, index matchning och liknande. Enligt uppfinningen kan dock praktiskt taget alla reflexer från fiberänden elimineras genom att limma en glaskropp direkt mot fiberänden.

Glaskroppen kan ha olika form, exempelvis som en kub eller en cirkulär- cylindrisk kropp. Det viktigaste kriteriet på glaskroppen är att avståndet från fiberänden till glaskroppens bortre yta är så stor att det ljus som eventuellt reflekteras sprids så mycket att det inte träffar ljusledaren.

Gas-sensorn är försedd med en lins vars fokalplan ligger i glaskroppen.

Strålknippet efter linsen förlöper därför parallellt mot gas-sensorns andra ände där det träffar en inbyggd retroreflektor. Det icke absorberade ljuset reflekteras i form av ett likaledes parallellt strålknippe mot linsen varefter det avböjs mot linsens brënnpunkt, dvs sensorledarens mynning.

För att undvika att kondens bildas på gas-sensorns glasytor har i luft- I flet placerats ett keramiskt filter. Detta kan utnyrijas för den med gas njdvändiga kalibreringen.

Förfarandet vid signalbehandling och filtrering av det reflekterade ljuset i en anordning enligt uppfinningen skiljer sig väsentligt från den så som 465 097 teknikens ståndpunkt beskrivna metoden med mekaniskt vridbara axlar m m. I en metangasdetektor enligt uppfinningen leds det från gas-sensorn reflek- terade ljuset via den optiska returledaren till ett mycket smalbandigt första filter motsvarande metangasens absorptionslinje. En efterföljande första fotodiod avkänner på känt sätt ljusintensiteten. Det mot det första filtret kommande ljuset kommer, bortsett från det smalbandiga området kring metangasens absorptionslinje, att reflekteras från filtret. Detta reflekterade ljus leds via en egen optisk ledare till ett andra relativt bredbandigt filter centrerad kring metangasens absorptionslinje. Det ljus som passerar detta filter avkänns på känt sätt med en andra fotodiod. Det så erhållna intensitetsvärdet bildar det tidigare omtalade referensvärdet.

Detta förfaringsätt innebär att ingen mekanik som utsättes för slitage m m ingår i uppfinningen.

För att nämnda filters egenskaper skall få den nödvändiga stabilitet som behövs och för att uppnå önskad noggrannhet är dessa tillsammans med respektive ljusdioder och fotodioder placerade på en temperaturreglerad enhet.

Mätvärdesbehandlingen inklusive förstärkning av fotodiodsignalerna arbetar med faslåsta looper och multiplexstyrs i takt med den gas-sensor som får ljus via respektive ljusemitterande diod. Det från gas-sensorerna via de optiska kablarna reflekterade ljuset multiplexas av en passiv fiber- kopplare, dvs en kopplare utan rörliga delar, i tur och ordning till en detektorenhet. De mottagna mätvärdenas AC-delar signalbehandlas med samma fas och frekvens som matningen till ljusdioderna. Mätvärdesbehandlingen, multiplexstyrningen, förstärkningskontroll, driftjustering m m styrs och kontrolleras av en i anordningen ingående överordnad dator.

Det mått som bildar metangashalten erhålles enligt uppfinningen också på ett annat sätt än det enligt teknikens ståndpunkt beskrivna. I rubricerade metangasdetektor bildas metangashalten genom att man från referensvärdet subtraherar mätvärdet för metangasens absorptionslinje. För att vid noll metangashalt kalibrera detektorn till noll procent LEL justeras förstärk- ningen av mätvärdet för absorptionslinjen så att det subtraherade värdet blir noll.

Både differenssignal och referenssignal likriktas i synkrona demodulatorer och integreras under 1 sekund för att minska inverkan av störningar av olika slag. 465 097 En anordning som arbetar med fiberoptik för transmission av analoga signaler blir känslig för drift i ingående komponenter. Uppfinningen omfattar ett nytt förfarande för att kompensera bort drift i nollpunkt beroende på drift i strömmatningen till de ljusemitterande dioderna, i de ljusemitterande dioderna, optiska ledarna, multiplexerna, fotodioderna och förstärkarna. Detta sker med hjälp av en justeringssignal som erhålles via en dedicerad referenskanal med en optisk ledare direkt från en lysdiod, dvs utan gas-sensor, till optomultiplexer, filter och fotodiod och med vidare signalgång via förstärkare till detekteringsenheten.

Eftersom man generellt sett arbetar med extremt låga signalnivåer kommer, trots mätning med faslåsta loopar, drift i fotodiodernas mörkerströmmar liksom i övrig elektronik att kunna inverka på mätresultatet. Genom ett förfarande där man i den tidsmultiplexade anordningen i normal drift kontinuerligt inkluderar en mätcykel där alla lysdioder är avstängda, kompenseras även dessa drifter bort.

RITNINGSFÖRTECKNING Figur 1 visar i stora drag hur en metangasdetektor enligt uppfinningen är uppbyggd - Figur 2 visar uppbyggnaden av en mätkrets.

Figur 3 visar hur mätkretsarnas faslásning äger rum.

Figur 4 visar gas-sensorns uppbyggnad.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEFORMER En metangasdetektor enligt uppfinningen är i stora drag uppbyggd enligt fig 1. Den sekventiella styrningen sker från en centralenhet 1 som om- fattar den ingående datorn, faslåsningskretsarna, PLL, och multiplex-styr- ningen MPX. Via en LED-multiplexer 2 strömmatas de olika ljusemitterande dioderna LED 3A till 3N i tur och ordning. Detta leder till att gas-sen- sorens HA till 4(N-1) i tur och ordning blir belysta med det infraröda ljuset. En fiberkopplare 5 optomultiplexar det från gas-sensorerna reflek- 465 097 terade ljuset så att i takt med varje belyst gas-sensor ljuset leds vidare till ett första smalbandigt filter 6 kring 1666 nm motsvarande metangasens absorptionslinje. Det ljus som släpps genom filtret detekteras av en första fotodiod 7, PHD, och efter förstärkning i förstärkaren 8 leds mät- värdet för utvärdering till en detekteringsenhet 9.

Det mot det första filtret 6 infallande ljuset som ej släpps genom reflek- teras och leds till ett andra relativt bredbandigt filter 10 centrerad kring 1666 nm. Det ljus som passerar filtret leds till en andra fotodetek- tor 11 och efter förstärkning i förstärkaren 12 leds mätvärdet också till detekteringsenheten 9 och utgör det så kallade referensvärdet. I detekte- ringsenheten bildas differensen mellan referensvärdet och mätvärdet vid absorptionslinjen vilken differens utgör ett mått på metangashalten.

Den dedicerade referenskanalen som omtalats under redogörelsen för upp- finningen och som används för att kompensera bort drift i mottagaroptik och fotodioder, dvs en så kallad "dummy"-kanal, utgår från den ljusemitte- rande dioden SN direkt till fiberkopplaren 5 och vidare via filter, foto- dioder och förstärkare till detekteringsenheten 9. Genom att köra en dummy-cykel kommer noll procent LEL att vara definierad för samtliga ingående mätpunkter. För uppdatering av driften körs en dummy-cykel för varje tionde komplett mätomgång.

I figur 2 visas något mera i detalj hur varje mätkrets är uppbyggd, dock med multiplexande organ uteslutna. Strömmen til varje ljusemitterande diod bestäms av den centrala datorn via D/A-omvandlaren 13 och förstärkaren lä.

Via gas-sensorn 4 reflekteras det utsända ljuset mot filtret 6 respektive 10. Fotodioderna 7 respektive 11 avkänner de genomsläppta ljusnivårerna.

Motsvarande signalniváer förstärks i förstärkarna 8 och 12. Differensbild- ningen mellan referensnivåen och nivåen vid absorptionslinjen för metan- gasen sker i förstärkaren 15. Den tidigare omtalade förstärkningsjuste- ringen av signalnivåen vid absorptionslinjen för att få noll procent LEL då ingen metangas finnes sker med hjälp av förstärkare 16. Båda förstärk- arna 15 och 16 inryms lämpligen i detektorenheten 9 enligt figur 1.

I figur 3 visas en principiell utförandeform för den beskrivna faslås- ningen. En faslåsningssignal PLL, Phase Locked Loop, samordnar inkoppling av varje ljusemitterande diods ström via ett kopplingsarrangemang 17 och den synkrona demoduleringen 18 av reflekterade mätvärden. Faslâsningen

Claims (10)

46: 097 innebär bl a att varje kringliggande ljuskälla, det gäller både en stationär eller intermittent sådan, inte kan pâ. sa mätningen så länge den inte har samma frekvens och fas som synkroniseringsfrekvensen. Som också omtalat tidigare integreras mätvärdet under l sekund. Återställning av integratorn 9 sker med hjälp av ett arrangemai. 20 som också styrs av faslåsningssignalen. En mycket viktig och integrerad del aa .ppfinningen utgöres av gas-sensorn som visas vid 4 i fig 4. Det från en lysdiod 4 kommande ljuset leds i den ena av den optiska tvåfiberkabelns 21 ledare via den till denna kopplade sensorledaren 22 in i själva gas-sensordelen. Vid sensorledarens mynning sitter en glaskropp 22 för att förhindra att störande reflexer påverkar mätningen. Glaskroppen kan företrädesvis utgöras av en kub med sidokanter ca 2 mm. Via en lins 24 erhålles en parallell strålgång 25 mot en retro- reflektor 26 fastsatt i gas-sensorns andra ände. Det ljus som ej absorbe- ras reflekteras, också i form av en parallell strålgång, träffar linsen Zü och fokuseras mot sensorledarens mynning. Tvåfiberkabelns båda ledare är hopkopplade med sensorledaren i en optokopplare 27. Det reflekterade ljuset leds sedan i returledaren till fotodiod 7. Gas-se*-srn är i övrigt som det har framförts försedd med ett keramiskt filter o för att undvika kondens på glasets insida och en nippel 29 för påfyllning av kalibreringsgas. PATENTKRAV

1. Förfarande för detektering och bestämning av halten av metangas i luft vilket förfarande omfattar ett flertal gas-sensorer (4) som bestra- las med infrarött ljus från ljusemitterande dioder LED, (3) vilka via en LED-multiplexer (2) strömmatas i tur och ordning, vilket ljus via optiska ledare skickas till gas-sensorerna där metangas kan förväntas förekomma, varefter det icke absorberade ljuset, via en optomultiplexer (5) som styrs i takt med LED-multiplexern och en optisk ledare leds till gasdetektorns signalbehandling k ä n n e t e c k n a t av att det icke absorberade ljuset leds mot ett smalbandigt filter (6) dimensionerad för att släppa genom ljus med en våglängd motsvarande metangasens absorptionslinje och att det genomsläppta ljusets intensitet detekteras med en första fotodiod (7) varvid efter förstärkning (8) ett första mätvärde erhålles i en detek- 465 lo 097 torenhet (9), och att det mot det smalbandiga filtret infallande ljus som ej släpps genom reflekteras och leds via en optisk ledare mot ett bredban- digt filter (10) centrerad kring metangasens absorptionslinje och att det genom detta filter släppta ljusets intensitet detekteras med en andra fotodiod (11) varvid efter förstärkning (12) ett mätvärde representerande ett referensvärde för det kring absorptionslinjen för metangas icke absor- berade ljuset erhålles i detektorenheten och att ett mått på metangashal- ten bildas i detektorenheten genom att från referensvärdet subtrahera det första mätvärdet. II

2. Förfarande för detektering och bestämning av halten av metangas i luft enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av att den optiska ledaren, sensorledaren, (22) som leder ljus in i gas-sensorn (4) också utnyttjas som optisk ledare för det icke absorberade ljuset, och att sensorledaren i gas-sensorns hölje i en optokopplare (27) hopkopplas med både den från respektive ljusemitterande diod kommande optiska ledaren och den optiska ledaren som leder ljuset tillbaka till optomultiplexern (5) för vidare signalbehandling.

3. Förfarande för detektering och bestämning av halten av metangas i luft enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av att drift i ström- matning till de ljusemitterande dioderna. i de ljusemitterande dioderna, i de optiska ledarna, i optokopplaren, i optomultiplexern, i fotodioderna och i förstärkarna kompenseras med hjälp av justeringssignaler som erhål- les via en dedicerad referenskanal omfattande en optisk ledare direkt från en ljusemitterande diod (3N) till optomultiplexer, filter och förstärkare med vidare signalbehandling via förstärkare till detekteringsenheten.

4. Förfarande för detektering och bestämning av halten av metangas i luft enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av att filtren, ljus- dioderna och fotodioderna har placerats på en temperaturreglerad enhet.

5. Metangasdetektor för genomförande av förfarandet för detektering och bestämning av halten av metangas i luft enligt patentkrav 1, vilken me- tangasdetektor omfattar en centralenhet (1) för att via en LED-multi- plexer (2) strömmata ett flertal ljusemitterande dioder (3), optiska ledare som leder diodernas utsända ljus till ett flertal gas-sensorer (4), och att optiska ledare är anordnade att leda det icke absorberade ljuset till en optomultiplexer (5) styrd med samma takt som LED-multiplexern, 11 465 097 varifrån en optisk ledare leder ljuset till metangasdetektorns signalbe- handlande delar k ä n n e t e c k n a d av ett smalbandigt filter (6) dimensionerad för att släppa genom ljus med våglängd motsvarande metan- gasens absorptionslinje, en första fotodiod (7) för detektering av det genomsläppta ljusets intensitet och en första förstärkare (8) för för- stärkning av signalniváen och med en efterföljande detektorenhet (9) för bildandet av ett första mätvärde, och ett bredbandigt filter (10) centre- rad kring metangasens absorptionslinje anordnad för mottagandet via en optisk ledare av det från det första filtret reflekterade ljuset, en andra fotodiod (11) för detektering av det genom det bredbandiga filtret genom- släppta ljusets intensitet och en andra förstärkare (12) för förstärkning av signalnivåen som är anordnad att ledas till detektorenheten som bildar ett mätvärde representerande ett referensvärde för det kring absorptions- linjen för metangas icke absorberade ljuset och att detektorenheten är anordnad att bilda differensen mellan referensvärdet och det första mät- värdet.

6. Metangasdetektor enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d av att den optiska ledaren, sensorledaren, (22) som leder ljus in i gas-sensorn också är anordnad som ljusledare för det ljus som ej absorberas av gas- SSIISOPII .

7. Metangasdetektor enligt patentkrav 5 och 6 k ä n n e t e c k n a d av att sensorledaren i en optokopplare i gas-sensorns hölje är anordnad hopkopplad med både den från respektive ljusemitterande diod kommande optiska ledaren och den optiska ledaren som leder det icke absorberade ljuset tillbaka till optomultiplexern (5) för vidare signalbehandling.

8. Metangasdetektor enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d av att detektorn är anordnad med en dedicerad referenskanal för att kompensera för drift i strömmatning till de ljusemitterande dioderna, i de optiska ledarna i optokopplaren, i optomultiplexern, i fotodioderna och i för- stärkarna, vilken referenskanal omfattar en optisk ledare direkt från en ljusemitterande diod (SN) till optomultiplexern, filtren, fotodioderna, förstärkarna och detektorenheten.

9. Metangasdetektor enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d av att filtren, ljusdioderna och fotodioderna är anordnade på en temperaturregle- rad enhet. 12

10. Metangasdetektor enligt patentkrav 5 k ä. n n e t e c k n a d av att sensorledarna vid sin ände inne i gas-sensorerna är anordnade med var sin glaskropp. å?