WO2013135611A4 - Vorrichtung und verfahren zum messen eines zielgases - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Zielgases, mit einem Anregungslaser 1 zur Emission eines infraroten Laserstrahls 2, der auf einen Zielort lenkbar ist, an dem sich das Zielgas 3 befinden kann, und dessen Wellenlänge auf eine Anregungswellenlänge einer Absorptionslinie des Zielgases 3 abstimmbar ist, die durch Anregung eines Zustandes des Rotationsschwingungsspektrums des Zielgases zustande kommt, mit einer Detektionsanordnung mit einem Messdetektor 5 zur Detektion einer von dem Zielort ausgehenden, durch das Zielgas 3 beeinflussbaren Strahlung, und mit einer Analyseeinrichtung 6 zur Analyse eines Ausgangssignals des Messdetektors 5 in Abhängigkeit von dem von dem Anregungslaser 1 emittierten Laserstrahl 2. Ein einfacherer Aufbau und eine gute Messempfindlichkeit werden dadurch erzielt, dass der Anregungslaser 1 so ausgebildet ist, dass mit dem infraroten Laserstrahl 2 eine Absorptionslinie des Zielgases 3 derart anregbar ist, dass die Anregung zu einer Temperaturerhöhung des Zielgases 3 führt, und dass die Detektionsanordnung zum Messen einer durch die Temperaturerhöhung beeinflussbare Eigenschaft des Zielgases 3 ausgestattet ist.

Claims

GEÄNDERTE ANSPRÜCHE
beim Internationalen Büro eingegangen am 24. Oktober 2013 (24.10.2013)
1. Vorrichtung zum Messen eines Zielgases, mit einem Anregungslaser (1) zur Emission eines infraroten Laserstrahls (2), der auf einen Zielort lenkbar ist, an dem sich das Zielgas (3) befinden kann, und dessen Wellenlänge auf eine Anregungswellenlänge einer Absorptionslinie des Zielgases (3) abstimmbar ist, die durch Anregung eines Zustandes des Rotationsschwingungsspektrums des Zielgases zustande kommt, mit einer Detektionsanordnung mit einem Messdetektor (5) zur Detektion einer von dem Zielort ausgehenden, durch das Zielgas (3) beeinflussbaren Strahlung, und mit einer Analyseeinrichtung (6) zur Analyse eines Ausgangssignals des Messdetektors (5) in Abhängigkeit von dem von dem
Anregungslaser (1) emittierten Laserstrahl (2), wobei der Anregungslaser (1) so ausgebildet ist, dass mit dem infraroten Laserstrahl (2) eine Absorptionslinie des Zielgases (3) derart anregbar ist, dass die Anregung zu einer Temperaturerhöhung des Zielgases (3) führt, und dass die Detektionsanordnung zum Messen einer durch die Temperaturerhöhung beeinflussbaren Eigenschaft des Zielgases (3) ausgestattet ist, wobei mit dem Messdetektor (5) eine Strahlung in einem Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des infraroten Laserstrahls (2) des Anregungslasers (1) messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als
Messdetektor (5) ein Infrarotdetektor zur Detektion von Infrarotstrahlung vorgesehen ist, deren Wellenlänge sich von der Anregungswellenlänge des infraroten Laserstrahls unterscheidet und die von dem Zielgas (3) infolge der durch die Anregung der Absorptionslinie erfolgten Temperaturerhöhung des Zielgases (3) emittiert wird, sodass die Detektion der von dem Zielgas emittierten Infrarotstrahlung abseits der Anregungswellenlänge erfolgt und direkte Störreflexe des infraroten Laserstrahls (2) unterdrückt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (1) zum Anregen einer Grundschwingung des Rotationsschwingungsspektrums des Zielgases (3) ausgestaltet ist.
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslaser (1) zur Emission eines Laserstrahls (2) mit einer vorherbestimmten Referenzwellenlänge ausgebildet ist, bei welcher das Zielgas (3) und weitere das Zielgas (3) umgebende Gase eine geringe Absorption aufweisen, und dass mit der Analyseeinrichtung (6) ein Vergleich von Ausganssignalen des Messdetektors (5) bei einer Messung in Korrelation mit der Anregungswellenlänge und in Korrelation mit der Referenzwellenlänge durchführbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Infrarotdetektor ein Detektorelement zur schmalbandigen Detektion der Infrarotstrahlung angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Infrarotdetektor eine Wärmebildkamera vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung einen Rückstreudetektor (9) zur Detektion eines an einem Rückstreuelement (19) rückgestreuten Laserstrahls (11) des Anregungslasers (1) aufweist, wobei das Ausgangssignal des Rückstreudetektors (9) der Analyseeinrichtung zuführbar ist und vor dem Infrarotdetektor (5) ein Filterelement (12) angeordnet ist, welches für die Anregungswellenlänge und für die Referenzwellenlänge des Anregungslasers (1) undurchlässig ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinrichtung eine Vergleichseinheit zum Vergleich eines der Ausgangssignale des ersten Infrarotdetektors und eines der Ausganssignale des Rückstreudetektors aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinrichtung eine Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen der Detektion mit dem ersten Infrarotdetektor und der Detektion mit dem Rückstreudetektor aufweist.
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdetektor (5) und der Rückstreudetektor (9) als ein Detektorelement ausgebildet sind, wobei das Filterelement (12) beweglich zwischen einer Position vor dem Detektorelement (5) und einer Position außerhalb des Detektionsbereichs der Detektorelements (5) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Analyseeinrichtung die Strömungsgeschwindigkeit einer sich bewegenden Zielgaskomponente bestimmbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als
Anregungslaser (1) ein gepulster Laser vorgesehen ist, dessen Pulsdauer und Pulswiederholrate auf die Strömungsgeschwindigkeit des Zielgases(3) geeignet einstellbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Laser (19) zur Emission eines sichtbaren Laserstrahls (20) vorgesehen ist und eine Ablenkeinrichtung (21), mit welcher der sichtbare Laserstrahl (20) dem von dem Anregungslaser (1) emittierten infraroten Laserstrahl (2) überlagerbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Entfernungsmesseinrichtung (19, 29) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung wenigstens einen weiteren Messdetektor (13) aufweist, der im gleichen Wellenlängenbereich empfindlich ist wie der
Messdetektor (5) und der räumlich versetzt zu dem Messdetektor (5) angeordnet ist.
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) 15 Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scaneinrichtung (8, 17) vorgesehen ist, mit der der Messdetektor (5), der weitere Messdetektor (13), der Anregungslaser (1) bzw. der optische Laser (25) relativ zueinander bewegbar sind.
16. Verfahren zum Messen eines Zielgases, bei dem ein infraroter Laserstrahl
(2) , dessen Wellenlänge der Anregungswellenlänge einer Absorptionslinie des Zielgases (3) entspricht, die durch Anregung eines Zustandes des Rotations- schwingungsspektrums des Zielgases zustande kommt, auf einen Zielort gelenkt wird, an dem sich das Zielgas (3) befinden kann, bei dem eine von dem Zielort ausgehende Strahlung detektiert und in Abhängigkeit von dem infraroten Laserstrahl (2) analysiert wird, dass die Anregung der Absorptionslinie derart erfolgt, dass sie zu einer Temperaturerhöhung des Zielgases (3) führt, und dass eine durch die Temperaturerhöhung beeinflussbare Eigenschaft des Zielgases (3) gemessen wird, wobei zur Detektion des Zielgases (3) eine Strahlung gemessen wird, die in einem Wellenlängenbereich außerhalb der Wellenlänge des infraroten Laserstrahls (2) des Anregungslasers (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Zielgas (3) infolge der Temperaturerhöhung emittierte Wärmestrahlung (4) gemessen wird, deren Wellenlänge sich von der Wellenlänge des Laserstrahls (2) unterscheidet, wobei die Detektion der von dem Zielgas emittierten Infrarotstrahlung abseits der Anregungswellenlänge erfolgt und direkte Störreflexe des infraroten Laserstrahls (2) unterdrückt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem infraroten Laserstrahl (2) eine Absorptionslinie angeregt wird, die einer Grundschwingung des Rotationsschwingungsspektrums entspricht.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 172, dadurch gekennzeichnet, dass der infrarote Laserstrahl (2) zwischen der Anregungswellenlänge und einer Referenzwellenlänge, bei welcher das Zielgas (3) und weitere das Zielgas
(3) umgebende Gase eine geringe Absorption aufweisen, hin und her geschaltet wird, und dass die Messwerte der von dem Zielort ausgehenden Strahlung (4) bei
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) Beleuchtung des Ortes mit der Anregungswellenlänge und bei Beleuchtung des Ortes mit der Referenzwellenlänge miteinander verglichen werden.
GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)

IN ARTIKEL 19 (1) GENANNTE ERKLÄRUNG

Die neuen Patentansprüche 1 und 16 beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Zielgases. Die Merkmale des jeweiligen Oberbegriffs entsprechen den Merkmalen der ursprünglichen Ansprüche 1 und 16. Die gemäß dem

Anschreiben hinzugefügten Merkmale bilden jeweils den

kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 16.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 und des Anspruchs 16 sind aus der US 2002/0166969 AI (D2) und der US 4 496 893 (D3) bekannt.

Bei der D2 wird zum Messen von Infrarotstrahlung ein

Spurenteleskop verwendet, mit welchem die von einer

untersuchten chemischen Wolke kommende Strahlung in ein

Spektrometer gelenkt wird. In dem Spektrometer wird diese Strahlung spektral analysiert und ein Emissionsspektrum erzeugt. Bei der D3 wird als Messdetektor ein Monochromator verwendet. Mit einer Kollektoranordnung mit Spiegeln wird die von dem zu untersuchenden Gas kommende Strahlung in den

Monochromator gelenkt. Dort wird sie nach einzelnen

Wellenlängen aufgesplittet und analysiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren mit einer hohen Messauflösung bei einem einfachen Messaufbau zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 16 gelöst. Dadurch, dass ein Infrarotdetektor als Messdetektor verwendet wird, ist der Messaufbau der Vorrichtung sehr einfach und unkompliziert. Der erfindungsgemäße Infrarotdetektor ist so ausgebildet ist, dass er nur bei Wellenlängen abseits der Anregungswellenlänge detektiert und direkte Störreflexe des infraroten Laserstrahls des Anregungslasers unterdrückt werden. Da die direkten Reflexe, die von dem Anregungslasers kommen würden, sehr stark sind, würden diese die Messung stark beeinflussen, wenn sie der detektierten Strahlung überlagert wären. Da diese Störreflexe unterdrückt werden, wird

verhindert, dass die Messung von den sehr starken Reflexen des Anregungslaserstrahls beeinträchtigt wird. Die Messung muss nicht von den störenden Reflexen bereinigt werden. Somit kann eine sehr hohe Messauflösung erzielt werden.

Im Gegensatz dazu wird sowohl bei den Anordnungen der D2 als auch der D3 das rückreflektierte Licht des Anregungslasers in den jeweiligen Messdetektor gelenkt, welchem in der D2 das Spektrometer und in der D3 der Monochromator entspricht. In beiden Fällen beeinflussen die starken Reflexe des

Anregungslichts die Messung. Es sind auch in beiden Fällen zur Auswertung komplexe Vorrichtungen erforderlich.

Die neuen Patentansprüche 1 und 16 sind somit aus der D2 und der D3 weder bekannt, noch durch diese oder deren Kombination nahegelegt. Das gleiche gilt für die übrigen Patentansprüche, da diese bevorzugte Ausführungsbeispiele der Patentansprüche 1 und 16 sind.

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