DE112011103665B4

DE112011103665B4 - Gasdetektor

Info

Publication number: DE112011103665B4
Application number: DE112011103665.5T
Authority: DE
Inventors: Cecile Jouanique-Dubuis; Yves Decoster
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2031-10-22
Also published as: US8786858B2; CN103189736A; DE112011103665T5; LU91752B1; WO2012059339A1; CN103189736B; US20130229658A1

Abstract

Gasdetektor (100; 200) zur Ferndetektion eines Gases in einem Zielbereich (106; 206), umfassendeine Lichtquelle (102; 202) zur Ausstrahlung eines wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) in den Zielbereich (106; 206), wobei der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl (110; 210) eine Wellenlängenmodulation um eine Absorptionswellenlänge des Gases trägt,einen Lichtsensor (112; 212) zur Erfassung von Licht, das aus dem Zielbereich zurückkehrt,ein Steuergerät (108; 208), das mit dem Lichtsensor (112; 212) wirkverbunden ist, um eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) im Zielbereich (106; 206) auf Basis des vom Lichtsensor (112; 212) erfassten zurückkehrenden Lichts zu detektieren,ein Anzeigegerät (124; 224), das mit dem Steuergerät (108; 208) wirkverbunden ist, um die Anwesenheit des Gases anzuzeigen;wobei der Gasdetektor (100; 200) eine Abtastvorrichtung (104; 204) umfasst, die in Bezug auf die Lichtquelle (102; 202) für das Abtastbewegen des von der Lichtquelle (102; 202) ausgestrahlten wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) durch den Zielbereich (106; 206) konfiguriert und angeordnet ist, und die in Bezug auf den Lichtsensor (112; 212) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass der Lichtsensor (112; 212) das Licht, das aus dem Zielbereich (106; 206) über die Abtastvorrichtung (104; 204) zurückkehrt, auffängt,wobei das Anzeigegerät (124; 224) derart konfiguriert ist, dass es mit der Abtastvorrichtung (104; 204) zusammenwirkt, um eine Position des Gases im Zielbereich (106; 206) anzuzeigen,wobei die Abtastvorrichtung (104) einen Abtastspiegel (114) zum Abtastbewegen des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110) durch den Zielbereich (106) und zum Reflektieren des aus dem Zielbereich (106) zurückkehrenden Lichts zum Lichtsensor (112) umfasst,dadurch gekennzeichnet, dassdas Anzeigegerät (124) eine zweite Lichtquelle (118) umfasst, die derart angeordnet ist, dass sie einen sichtbaren Lichtstrahl (120) im Wesentlichen kollinear mit dem wellenlängenmodulierten Lichtstrahl (110) über den Abtastspiegel (114) in den Zielbereich (106) ausstrahlt, wobei das Steuergerät (108) mit der zweiten Lichtquelle (118) wirkverbunden ist, um eine Intensität des sichtbaren Lichtstrahls (120) in Abhängigkeit davon, ob eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110) detektiert ist oder nicht, zu modulieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Ferndetektion von Gaslecks. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Gasdetektor beispielweise zur Verwendung in industrieller Umgebung.
Technischer Hintergrund
Vor einigen Jahren wurden tragbare Gasferndetektoren entwickelt, mit denen durch manuelles Abtastbewegen eines Laserstrahls durch einen Zielbereich die Anwesenheit eines Gaslecks aus einer Entfernung überprüft werden sollte. Ein derartiger Zielbereich wäre normalerweise die nähere Umgebung einer Gasleitung oder eines Gasleitungsnetzes. Tragbare Methanferndetektoren sind beispielsweise unter der Markenbezeichnung LaserMethane erhältlich. Diese Geräte strahlen einen Laserstrahl aus und fangen einen Anteil der Rückstreuung aus dem Zielbereich auf, um das sich aus der Konzentration und Länge ergebende Produkt des Methans zwischen dem Detektor und dem Ziel zu messen. Gemäß der Darlegung in der Abhandlung „LaserMethane™ - A portable remote methane detector“ von Takaya Iseki (ISEKI, T.; TAI, H.; KIMURA, K.: A portable remote methane sensor using a tunable diode laser. In: Meas. Sci. and Technol., 11, 2000, S. 594 - 602) ist die eingesetzte Technik die Absorptionsspektroskopie mit durchstimmbaren Diodenlasern (TDLAS, tunable diode laser absorption spectroscopy), insbesondere die auf die zweite Harmonische bezogene Detektion der Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS, wavelength modulation spectroscopy). Der interessierte Leser kann diese Abhandlung und die darin zitierten Quellenangaben konsultieren, um sich Kenntnisse über die Einzelheiten dieser Technik zu verschaffen. Das bekannte, von einer Person tragbare Gasdetektionsgerät ist mit einem Laserpointer mit sichtbarem rotem Licht zur Anzeige des momentan anvisierten Punkts ausgestattet. Wenn die Anwesenheit von Gas in der überprüften Richtung detektiert wird, d. h. falls das Produkt aus Konzentration und Länge einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, gibt das Gasferndetektionsgerät ein Alarmsignal aus, um seinen Benutzer zu warnen.
Ein Nachteil des bekannten Gasferndetektionsgeräts besteht darin, dass sich für den Bediener ein gewisses Risiko ergibt, dass er ein Leck wegen einer mangelhaften manuellen Abtastung des Zielbereichs übersieht. Sogar ein konzentrierter Benutzer könnte aus Versehen vergessen, das Gerät auf einige Zonen zu richten. Demnach hängt die Zuverlässigkeit einer Leckdetektionsmaßnahme mit dem tragbaren Gasdetektionsgerät in hohem Maße von der Vollständigkeit der manuellen Abtastung ab.
Ein anderer Nachteil des bekannten tragbaren Gasdetektionsgeräts besteht darin, dass die manuelle Abtastung großer Bereiche lange dauern kann.
Gasdetektoren zur Ferndetektion eines Gases in einem Zielbereich, mit einer Lichtquelle zur Ausstrahlung eines wellenlängenmodulierten Lichtstrahls, einem Steuergerät, das mit einem Lichtsensor wirkverbunden ist, um eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des Lichtstrahls im Zielbereich auf Basis des vom Lichtsensor erfassten zurückkehrenden Lichts zu detektieren, und mit einem Anzeigegerät, das mit dem Steuergerät wirkverbunden ist, um die Anwesenheit des Gases anzuzeigen, sind weiterhin aus den Druckschriften „Portable Laser Gas Detector Systems for Landfill CH₄ and CO₂ Monitoring“, Adam H, IET, November/Dezember 2008 und der US 2005 / 0 134 859 A1 bekannt.
Technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasdetektor für die Ferndetektion vorzuschlagen, der eine zuverlässigere Detektion von Gas ermöglicht und das Potential hat, die für das Abtasten eines Zielbereichs erforderliche Zeit zu verringern. Diese Aufgabe wird durch einen Gasdetektor nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß umfasst ein Gasdetektor für die Ferndetektion eines Gases (z. B. Methan, CO₂, CO, N₂O, Ethanol usw.) in einem Zielbereich eine Lichtquelle (z. B. ein Laser, vorzugsweise ein durchstimmbarer Diodenlaser) zur Ausstrahlung eines wellenlängenmodulierten Lichtstrahls in den Zielbereich sowie einen Lichtsensor - beispielsweise eine Photodiode, einen photovoltaischen Detektor, einen Photon-Drag-Detektor (Detektor mit Übertragung des Photonenimpulses, z. B. bei Hamamatsu erhältlich) - zur Erfassung des aus dem Zielbereich zurückkehrenden Lichts. Der Lichtstrahl trägt eine Wellenlängenmodulation um eine Absorptionswellenlänge des Gases. Ein Steuergerät (beispielsweise ein Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern oder dergleichen) ist mit dem Lichtsensor wirkverbunden, um eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls im Zielbereich auf Basis des vom Lichtsensor erfassten zurückkehrenden Lichts zu detektieren. Der Gasdetektor umfasst ein Anzeigegerät (z. B. zur Bereitstellung eines optischen, akustischen oder Vibrationsalarms), das mit dem Steuergerät wirkverbunden ist, um die Anwesenheit des Gases anzuzeigen. Der Gasdetektor umfasst eine Abtastvorrichtung, die in Bezug auf die Lichtquelle für die Abtastbewegung des von der Lichtquelle ausgestrahlten wellenlängenmodulierten Lichtstrahls durch den Zielbereich konfiguriert und angeordnet ist, und die in Bezug auf den Lichtsensor derart konfiguriert und angeordnet ist, dass der Lichtdetektor das Licht auffängt, das über die Abtastvorrichtung aus dem Zielbereich zurückkehrt. Das Anzeigegerät ist derart konfiguriert, dass es mit der Abtastvorrichtung zusammenwirkt, um eine Position des Gases im Zielbereich anzuzeigen.
Es versteht sich für den Fachmann, dass der erfindungsgemäße Gasdetektor für das automatische Abtasten eines Zielbereichs konfiguriert ist. Das Abtastmuster (z. B. eine Lissajous-Kurve) ist vorzugsweise dicht genug, damit keine Leerpunkte (d. h. Punkte, über die der Lichtstrahl nicht streicht) im Zielbereich übrig bleiben. Die Dichte des Abtastmusters wird vorzugsweise auf die Divergenz des Lichtstrahls eingestellt, um eine wirksame Abtastung des gesamten Zielbereichs zu erzielen. Im Vergleich zu einer manuellen Abtastung des Zielbereichs hat eine automatische Abtastung die Vorteile der Wiederholbarkeit, der höheren Zuverlässigkeit und normalerweise auch einer höheren Abtastgeschwindigkeit. Es versteht sich für den Fachmann darüber hinaus, dass der erfindungsgemäße Gasdetektor als ein von einer Person tragbares (beispielsweise mit der Hand gehaltenes) Gerät implementiert werden kann. Der Gasdetektor könnte dessen ungeachtet auch mit einem Träger (beispielsweise einem Stativ) versehen werden. Ein interessanter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, dass der Gasdetektor, nachdem er in einer strategisch wichtigen Position angebracht wurde, dazu verwendet werden kann, den Zielbereich selbstständig zu überwachen. Der Gasdetektor umfasst für derartige Überwachungsanwendungen vorzugsweise eine Kommunikationsvorrichtung (beispielsweise einen Netzwerkschnittstellencontroller, ein Bluetooth-Gerät, einen USB-Port usw.), um sich mit einer Überwachungszentrale zu verbinden.
Die Abtastvorrichtung umfasst weiterhin einen Abtastspiegel, welcher beim Betrieb den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl durch den Zielbereich streichen lässt und das Licht reflektiert, das aus dem Zielbereich zum Lichtsensor zurückkehrt. Ein solcher Abtastspiegel kann beispielsweise einen zweiachsigen mikromechanischen Spiegel vom Resonanztyp oder zwei einachsige mikromechanische Spiegel vom Resonanztyp umfassen, die derart zueinander angeordnet sind, dass sie eine zweidimensionale Abtastung des Zielbereichs erzielen können. Falls die Abtastvorrichtung zwei einachsige mikromechanische Spiegel vom Resonanztyp umfasst, können ein oder mehrere Zwischenspiegel auf dem Lichtweg zwischen den mikromechanischen Spiegeln angeordnet werden.
Gemäß der Erfindung umfasst das Anzeigegerät eine Lichtquelle (nachstehend als „zweite Lichtquelle“ bezeichnet, um sie von der ersten Lichtquelle zu unterscheiden, die den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl ausstrahlt), die derart angeordnet ist, dass sie einen sichtbaren Lichtstrahl im Wesentlichen kollinear mit dem wellenlängenmodulierten Lichtstrahl über den Abtastspiegel in den Zielbereich ausstrahlt. Bevorzugter werden der sichtbare Lichtstrahl und der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl derart ausgestrahlt, dass sie einander im Zielbereich überlagern. Gemäß dieser Ausgestaltung ist das Steuergerät mit der zweiten Lichtquelle wirkverbunden, um die Intensität des sichtbaren Lichtstrahls in Abhängigkeit davon, ob eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls detektiert wird oder nicht, zu modulieren. Die zweite Lichtquelle könnte intensitätsmoduliert werden, indem sie beispielsweise durch das Steuergerät an- und ausgeschaltet wird. Alternativ oder zusätzlich dazu könnte die zweite Lichtquelle einen Verschluss (beispielsweise einen mechanischen oder optischen) umfassen, der unter der Steuerung des Steuergeräts öffnet und schließt. Das Steuergerät schaltet die zweite Lichtquelle vorzugsweise jedes Mal an, wenn und solange das zurückkehrende Licht die Anwesenheit von Gas anzeigt. Wenn die Gaskonzentration hoch genug für die Detektion nur in einem Teil der Szene ist, wird dieser Teil dem Bediener durch Beleuchten mit sichtbarem Licht angezeigt. Teile ohne Gasmengen bzw. mit nicht detektierbaren Gasmengen werden nicht mit sichtbarem Licht beleuchtet, da die zweite Lichtquelle ausgeschaltet ist, während die Abtastvorrichtung diese Teile des Zielbereichs abtastet. Die Bildfrequenz der Abtastvorrichtung (d. h. der Umkehrwert der für einen Abtastzyklus benötigten Zeit) wird vorzugsweise hoch genug ausgewählt (beispielsweise ≥ 20 Hz, bevorzugter ≥ 30 Hz und noch bevorzugter ≥ 50 Hz), damit ein menschlicher Bediener kein oder nur ein geringes Flimmern im beleuchteten Teil der Szene sieht. Die zweite Lichtquelle ist vorzugsweise eine Laserquelle. Das optische System des wellenlängenmodulierten und/oder des sichtbaren Lichtstrahls ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass beide Lichtstrahlen die gleiche oder im Wesentlichen gleiche Divergenz im Zielbereich aufweisen, wodurch der mit dem sichtbaren Licht beleuchtete Punkt demjenigen Punkt entspricht, auf den der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl auftrifft.
Der Gasdetektor umfasst vorzugsweise einen Strahlkombinierer (beispielsweise einen dichroitischen Spiegel oder ein optisches Prisma), um den sichtbaren Lichtstrahl und den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl kollinear zu machen oder zu überlagern.
Das Steuergerät kann mit der Abtastvorrichtung wirkverbunden werden, um die Abtastbewegung des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls zu steuern.
In diesem Fall könnte das Steuergerät beispielsweise das Abtastmuster in Abhängigkeit von der Verteilung des detektierten Gases dynamisch einstellen.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Anzeigegerät derart konfiguriert sein, dass es eine oder mehrere Richtungen anzeigt (z. B. auf einem Anzeigeschirm, einem LCD oder dergleichen), in welcher bzw. welchen das Steuergerät die Anwesenheit von Gas detektiert hat. Die angezeigte(n) Richtung(en) kann bzw. können auf Basis der Position der Abtastvorrichtung zu dem bzw. den Zeitpunkten bestimmt werden, bei dem bzw. denen die Anwesenheit von Gas detektiert wird. Insbesondere dann, wenn das Steuergerät Gas detektiert (beispielsweise durch einen Vergleich des Produkts aus Konzentration und Länge mit einem Schwellwert), wird die aktuelle Position der Abtastvorrichtung (beispielsweise die Orientierung des bzw. der Abtastspiegel relativ zum Bezugssystem des Gasdetektors) in eine Richtungsanzeige umgewandelt. Die so berechnete Information kann z. B. auf dem Hintergrund des Zielbereichs und/oder auf einem LCD usw. angezeigt werden.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung des Gasdetektors umfasst das Anzeigegerät eine zweite Lichtquelle (z. B. einen Laser) zur Ausstrahlung eines zweiten Lichtstrahls sowie eine Anzeigevorrichtung (z. B. einen Streuschirm oder einen Fluoreszenzschirm usw.). Die Abtastvorrichtung ist mit einem ersten und einem zweiten Abtastspiegel versehen. Der erste Abtastspiegel erzielt eine zweidimensionale Abtastung des Zielbereichs mit dem von der Lichtquelle ausgestrahlten wellenlängenmodulierten Lichtstrahl, während der zweite Abtastspiegel abtastend den zweiten Lichtstrahl über die Anzeigevorrichtung mit bewegt. Der erste und der zweite Abtastspiegel sind für synchronen Betrieb konfiguriert (derart, dass eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Positionen des ersten Abtastspiegels und des zweiten Abtastspiegels besteht, wobei die Entsprechung im Laufe der Zeit unverändert bleibt). Das Steuergerät ist mit der zweiten Lichtquelle wirkverbunden, um die Intensität des zweiten Lichtstrahls in Abhängigkeit davon, ob die Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls detektiert wird oder nicht, zu modulieren (beispielsweise durch An- und Ausschalten der zweiten Lichtquelle). Der zweite Lichtstrahl erzeugt einen sichtbaren Lichtpunkt auf der Anzeigevorrichtung, der die Position des Gases im Zielbereich anzeigt. Da die Abtastspiegel synchron betrieben werden,
Gemäß einer Variante der dritten Ausgestaltung des Gasdetektors sind der erste und der zweite Abtastspiegel zweiachsige mikromechanische Spiegel vom Resonanztyp, d. h., dass beide in zwei Achsen gekippt werden können, um somit eine Abtastung in zwei Dimensionen durchzuführen. Alternativ dazu kann jeder von dem ersten und zweiten Abtastspiegel zwei einachsige mikromechanische Spiegel vom Resonanztyp umfassen, die derart zueinander angeordnet sind, dass der auf den mikromechanischen Spiegeln verlaufende Lichtstrahl in zwei Dimensionen streichen gelassen werden kann.
Die Anzeigevorrichtung wird vorzugsweise mit dem zweiten Lichtstrahl hintergrundbeleuchtet.
Der zweite Lichtstrahl kann bei der dritten bevorzugten Ausgestaltung ein unsichtbarer Lichtstrahl sein (beispielsweise UV- oder IR-Licht), wenn die Anzeigevorrichtung ein Fluoreszenzschirm ist, der den unsichtbaren Lichtstrahl absorbiert und statt dessen sichtbares Licht ausstrahlt. Wenn jedoch kein Fluoreszenzschirm verwendet wird, kann ein sichtbarer Lichtstrahl benutzt werden, um die Position des Gases anzuzeigen.
Zur Durchführung der Intensitätsmodulation des zweiten Lichtstrahls kann die zweite Lichtquelle durch das Steuergerät an- und ausgeschaltet werden und/oder einen Verschluss (beispielsweise einen mechanischen oder optischen) umfassen, der den Lichtweg unter der Steuerung des Steuergeräts öffnet und sperrt.
Das Gasdetektor kann vorteilhafterweise einen Umlenkspiegel umfassen, der das Licht, das aus dem Hintergrund des Zielbereichs zurückkehrt, auf den Lichtsensor umlenkt. Der Umlenkspiegel hat vorzugsweise eine Öffnung, durch welche der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl und möglicherweise der sichtbare Lichtstrahl durchgelassen werden. Ein solcher Umlenkspiegel ist vorzugsweise gewölbt, um das zurückkehrende Licht auf den Lichtsensor zu fokussieren.
Es ist anzumerken, dass der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl auch eine Amplitudenmodulation tragen kann. Dies wird vorzugsweise erzielt, indem als erste Lichtquelle ein Laser verwendet wird, dessen Wellenlänge und Ausgangsenergie von derselben Steuergröße, beispielsweise dem zur Speisung des Lasers benutzten Strom, abhängen: durch Aufbringen einer sinusförmigen Modulation auf die Steuergröße erhält man eine sinusförmige Modulation sowohl bei der Intensität als auch bei der Wellenlänge des Lichtstrahls. Die Nennwellenlänge des Lasers wird auf eine Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases eingestellt. Das Steuergerät ist dann in der Lage, das Gas zu detektieren, indem es in dem aus dem Zielbereich zurückkehrenden Licht die Energie bei der zweiten Harmonischen der Modulationsfrequenz (d. h. beim Zweifachen der Modulationsfrequenz) mit der Energie bei der Modulationsfrequenz selbst vergleicht. Man kann das Produkt aus Konzentration und Länge aus dem Verhältnis zwischen der Energie bei der zweiten Harmonischen und der Energie bei der Modulationsfrequenz erhalten.
Der Gasdetektor kann derart konfiguriert werden, dass er eine einzige oder mehrere Gasspezies detektiert. Ein Benutzer des Gasdetektors muss normalerweise die Anwesenheit von Gasen detektieren, die eine potentielle Gefahr darstellen, also beispielsweise explosive Gase (z. B. Methan) oder gifige Gase.
Figurenliste
Es werden nun bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1: ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausgestaltung eines Gasdetektors;
2: ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausgestaltung eines Gasdetektors.

Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Gasdetektors 100 zur Ferndetektion eines Gases (z. B. Methan) in einem Zielbereich 106. Der Gasdetektor 100 umfasst eine erste Lichtquelle 102. Die Lichtquelle 102 ist vorzugsweise ein Laser, beispielsweise ein im nahen Infrarot durchstimmbarer Diodenlaser oder ein InGaAsP-DFB-Laser mit einer Wellenlänge bei einer Absorptionslinie der zu detektierenden Gasspezies (beispielsweise 1,6537 µm bei der 2v₃-Bande-R(3)-Linie von Methan). Die Lichtquelle 102 ist derart konfiguriert, dass sie über eine Abtastvorrichtung 104 einen wellenlängenmodulierten Lichtstrahl 110 in den Zielbereich 106 ausstrahlt. Die Abtastvorrichtung 104, die einen Abtastspiegel 114 umfasst, ist mit einem Steuergerät 108 (z. B. einem Mikroprozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, einer feldprogrammierbaren Anordnung von Logik-Gattern oder dergleichen) wirkverbunden, um die Bewegung des Abtastspiegels 114 zu steuern und somit gemäß einem bestimmten Abtastmuster den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl 110 abtastend durch den Zielbereich 106 zu bewegen. Der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl 110 wird sinusförmig bei der Wellenlänge (um eine mittlere Wellenlänge herum, die der Absorptionslinie des zu detektierenden Gases entspricht) und Amplitude moduliert. Die Amplitudenmodulation und die Wellenlängenmodulation sind zueinander phasengleich. Wenn der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl 110 auf ein Hindernis im Zielbereich 106 trifft, wird ein Teil des Lichts in der Richtung reflektiert und/oder rückgestreut, aus welcher er kam. Der Gasdetektor 100 umfasst einen Lichtsensor 112 (z. B. eine Photodiode), der den Lichtanteil erfasst, der entlang dem Lichtweg des nach außen gehenden Lichtstrahls 110 aus dem Zielbereich 106 zurückkehrt. Der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl 110 verläuft zwischen der ersten Lichtquelle und dem Abtastspiegel 114 durch eine Öffnung (in 1 nicht dargestellt) in einem feststehenden Umlenkspiegel 116, der das aus dem Zielbereich 106 rückgestreute Licht auf den Lichtsensor 112 richtet. Der Umlenkspiegel 116 ist vorzugsweise derart gewölbt, dass er das rückgestreute Licht auf den Lichtsensor fokussiert. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Gasdetektor 100 eine Fokussieroptik umfassen, die vor dem Lichtsensor 112 angeordnet ist. Das Steuergerät 108 ist mit dem Lichtsensor 112 wirkverbunden, um ein Signal zu empfangen, das das auf den Lichtsensor 112 auftreffende Licht angibt.
Wenn der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl 110 (und dessen zurückreflektierter Anteil) durch einen das zu detektierende Gas enthaltenden Raum verläuft, absorbiert das Gas einen Teil der Photonen, deren Wellenlänge der Absorptionslinie entspricht. Dies verursacht bei dem Licht, das zum Sensor zurückkehrt, eine zusätzliche Amplitudenmodulation beim Zweifachen der ursprünglichen Modulationsfrequenz. Das Steuergerät 108 ermittelt die Energie im zurückkehrenden Licht bei der Modulationsfrequenz, nämlich P_1f, sowie die Energie bei der doppelten Modulationsfrequenz, nämlich P_2f. Das Verhältnis P_2f/P_1f ist proportional zu dem Produkt aus Konzentration und Länge bei der Richtung, in der die Abtastvorrichtung momentan anvisiert. Um zu entscheiden, ob Gas in dieser Richtung vorhanden ist, vergleicht das Steuergerät 108 das Produkt aus Konzentration und Länge mit einem vorgegebenen Schwellwert.
Der Gasdetektor 100 umfasst ferner ein Anzeigegerät 124, das mit dem Steuergerät 108 wirkverbunden ist, um dem Bediener die Anwesenheit von Gas anzuzeigen. Das Anzeigegerät 124 umfasst eine zweite Lichtquelle 118 in Form eines Lasers, der in der Lage ist, einen sichtbaren Lichtstrahl 120 auszustrahlen. Ein Strahlkombinierer (beispielsweise ein dichroitischer Spiegel, ein Prisma oder dergleichen) ist in den Lichtwegen des sichtbaren Lichtstrahls 120 und des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls 110 angeordnet, um sie zu kombinieren (zu überlagern), bevor sie durch den Abtastspiegel 114 umgelenkt und durch den Zielbereich 106 streichen gelassen werden. Das Steuergerät 108 hält die zweite Lichtquelle 118 ausgeschaltet, wenn im Zielbereich 106 kein Gas detektiert wird, schaltet sie jedoch an, sobald und solange die Anwesenheit von Gas detektiert wird. Immer wenn Gas in einer bestimmten Richtung detektiert wird, erzeugt der Gasdetektor 100 demnach auf dem Hintergrund 130 des Zielbereichs 106 einen hellen Punkt, der dem Bediener des Gasdetektors 100 die Bestimmung der Bereiche ermöglicht, in denen die Anwesenheit von Gas festgestellt wurde. Es ist anzumerken, dass das Steuergerät 108 - statt die zweite Lichtquelle auszuschalten - derart konfiguriert und angeordnet werden könnte, dass es im Wesentlichen die Intensität des sichtbaren Lichtstrahls dimmt oder bewirkt, dass der sichtbare Lichtstrahl 120 blockiert wird (beispielsweise mit einem mechanischen oder elektronischen Verschluss). Der Lichtsensor 112 und das Steuergerät 108 müssen schnell genug sein, damit die zweite Lichtquelle fast sofort angeschaltet werden kann, weil andernfalls der sichtbare Punkt signifikant von seiner theoretischen Stelle verschoben sein könnte. Die Detektion kann beispielsweise bei einer Frequenz von ungefähr 100 kHz erzielt werden.
Der Strahlkombinierer 122 ist vorzugsweise ein dichroitischer Spiegel; d. h., dass er signifikant verschiedene Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften bei Wellenlängen des sichtbaren Lichtstrahls 120 bzw. des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls 110 aufweist. Bei der Konfiguraton von 1 ist der Strahlkombinierer für den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl 110 und dessen Anteil, der aus dem Zielbereich zurückkehrt, lichtdurchlässig, wohingegen er den sichtbaren Lichtstrahl 120 reflektiert. Alternativ dazu könnte der Strahlkombinierer für den sichtbaren Lichtstrahl 120 lichtdurchlässig sein und den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl 110 und dessen Anteil, der aus dem Zielbereich zurückkehrt, reflektieren.
Der Abtastspiegel 114 ist vorzugsweise ein zweiachsiger mikromechanischer Spiegel vom Resonanztyp oder eine ähnliche Vorrichtung, die zu einer zweidimensionalen Abtastung in der Lage ist. Es könnte allerdings Anwendungen geben, bei denen eine eindimensionale Abtastung der Szene genügt. In diesem Fall würde ein einachsiger Abtastspiegel ausreichen.
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Gasdetektors 200 für die Ferndetektion von Gas in einem Zielbereich 206. Der Gasdetektor 200 umfasst eine Lichtquelle 202, um einen wellenlängenmodulierten Lichtstrahl 210 über eine Abtastvorrichtung 204 in den Zielbereich 206 auszustrahlen. Die Abtastvorrichtung 204 umfasst einen ersten Abtastspiegel 214 und ist mit einem Steuergerät 208 wirkverbunden, das das Streichenlassen des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls 210 durch den Zielbereich 206 steuert. Es ist ein Lichtsensor 212 (z. B. eine Photodiode) für die Erfassung des Lichtanteils vorgesehen, der entlang dem Lichtweg des nach außen gehenden Lichtstrahls 210 aus dem Zielbereich 206 zurückkehrt. Der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl 210 verläuft zwischen der ersten Lichtquelle 202 und dem Abtastspiegel 214 durch eine Öffnung (in 2 nicht dargestellt) in einem feststehenden Umlenkspiegel 216, der das aus dem Zielbereich 206 rückgestreute Licht auf den Lichtsensor 212 richtet. Das Steuergerät 208 ist mit dem Lichtsensor 212 wirkverbunden, um ein Signal zu empfangen, das das auf den Lichtsensor 212 auftreffende Licht angibt. Hinsichtlich der bisher besprochenen Merkmale des Gasdetektors 200 ist anzumerken, dass er auf die gleiche Weise arbeitet wie der Gasdetektor 100 von 1. Die Unterschiede werden nachstehend behandelt.
Der Gasdetektor 200 umfasst ein Anzeigegerät 224, das mit der Abtastvorrichtung 204 zusammenwirkt, um die Position des im Zielbereich 206 detektierten Gases anzuzeigen. Das Anzeigegerät 224 umfasst eine Lichtquelle 218 (z. B. einen Laser) und einen Anzeigeschirm 226. Die Abtastvorrichtung 204 umfasst einen zweiten Abtastspiegel 228, der synchron mit dem ersten Abtastspiegel 214 angetrieben wird und derart in Bezug auf die zweite Lichtquelle 218 und den Anzeigeschirm 226 angeordnet ist, dass der von der zweiten Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrahl 220 (der „zweite Lichtstrahl“) durch den zweiten Abtastspiegel 228 auf den Anzeigeschirm 226 umgelenkt wird. Da die zwei Abtastspiegel 214, 228 synchron betrieben werden, besteht eine konstante Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen einem Punkt, der von dem zweiten Lichtstrahl auf dem Anzeigeschirm erzeugt wird, und der Richtung, in welche der erste Lichtstrahl 210 ausgestrahlt wird. Die zweite Lichtquelle 218 wird unter der Steuerung des Steuergeräts 218, das mit dem Anzeigegerät 224 wirkverbunden ist, an- und ausgeschaltet. Das Steuergerät 208 hält insbesondere die zweite Lichtquelle 218 ausgeschaltet, wenn im Zielbereich 106 kein Gas detektiert wird, schaltet sie aber an, sobald und solange die Anwesenheit von Gas detektiert wird. Immer wenn Gas in einer bestimmten Richtung detektiert wird, wird dem Bediener demzufolge ein heller Punkt auf dem Anzeigeschirm 226 angezeigt, der die Richtung(en) anzeigt, in welcher bzw. welchen die Anwesenheit von Gas festgestellt wurde. Der Anzeigeschirm 226 ist vorteilhafterweise mit einer Strichskala oder dergleichen versehen, um das Ablesen der Anzeigewerte zu vereinfachen.
Der Anzeigeschirm 226 ist vorzugsweise ein Streuschirm, der einem Bediener den Blick auf den hellen Punkt aus einem breiten Sichtwinkel gestattet. Der zweite Lichtstrahl 220 kann ein sichtbarer Lichtstrahl oder ein unsichtbarer Lichtstrahl sein. Im letzteren Fall muss der Anzeigeschirm 226 jedoch derart konfiguriert sein, dass das unsichtbare Licht in sichtbares Licht umgewandelt wird (beispielsweise durch den Einsatz eines Fluoreszenzschirms).
Obwohl spezifische Ausgestaltungen im Detail beschrieben wurden, versteht sich für den durchschnittlichen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen dieser Details im Lichte der Gesamtlehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die offenbarten besonderen Anordnungen hinsichtlich des Schutzbereichs der Erfindung, der die volle Breite der beigefügten Ansprüche und beliebiger und aller Äquivalente davon enthalten soll, lediglich veranschaulichen und nicht einschränken.
Bezugszeichenliste

100; 200: Gasdetektor
102; 202: erste Lichtquelle
104; 204: Abtastvorrichtung
106; 206: Zielbereich
108; 208: Steuergerät
110; 210: wellenlängenmodulierter Lichtstrahl
112; 212: Lichtsensor
114: Abtastspiegel
214: erster Abtastspiegel
116; 216: Umlenkspiegel
118; 218: zweite Lichtquelle
120: sichtbarer Lichtstrahl
220: zweiter Lichtstrahl
122: Strahlkombinierer
124; 224: Anzeigegerät
226: Anzeigeschirm
228: zweiter Abtastspiegel
130; 230: Hintergrund des Zielbereichs
132; 232: Spiegelversteller

Claims

Gasdetektor (100; 200) zur Ferndetektion eines Gases in einem Zielbereich (106; 206), umfassend eine Lichtquelle (102; 202) zur Ausstrahlung eines wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) in den Zielbereich (106; 206), wobei der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl (110; 210) eine Wellenlängenmodulation um eine Absorptionswellenlänge des Gases trägt, einen Lichtsensor (112; 212) zur Erfassung von Licht, das aus dem Zielbereich zurückkehrt, ein Steuergerät (108; 208), das mit dem Lichtsensor (112; 212) wirkverbunden ist, um eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) im Zielbereich (106; 206) auf Basis des vom Lichtsensor (112; 212) erfassten zurückkehrenden Lichts zu detektieren, ein Anzeigegerät (124; 224), das mit dem Steuergerät (108; 208) wirkverbunden ist, um die Anwesenheit des Gases anzuzeigen; wobei der Gasdetektor (100; 200) eine Abtastvorrichtung (104; 204) umfasst, die in Bezug auf die Lichtquelle (102; 202) für das Abtastbewegen des von der Lichtquelle (102; 202) ausgestrahlten wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) durch den Zielbereich (106; 206) konfiguriert und angeordnet ist, und die in Bezug auf den Lichtsensor (112; 212) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass der Lichtsensor (112; 212) das Licht, das aus dem Zielbereich (106; 206) über die Abtastvorrichtung (104; 204) zurückkehrt, auffängt, wobei das Anzeigegerät (124; 224) derart konfiguriert ist, dass es mit der Abtastvorrichtung (104; 204) zusammenwirkt, um eine Position des Gases im Zielbereich (106; 206) anzuzeigen, wobei die Abtastvorrichtung (104) einen Abtastspiegel (114) zum Abtastbewegen des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110) durch den Zielbereich (106) und zum Reflektieren des aus dem Zielbereich (106) zurückkehrenden Lichts zum Lichtsensor (112) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigegerät (124) eine zweite Lichtquelle (118) umfasst, die derart angeordnet ist, dass sie einen sichtbaren Lichtstrahl (120) im Wesentlichen kollinear mit dem wellenlängenmodulierten Lichtstrahl (110) über den Abtastspiegel (114) in den Zielbereich (106) ausstrahlt, wobei das Steuergerät (108) mit der zweiten Lichtquelle (118) wirkverbunden ist, um eine Intensität des sichtbaren Lichtstrahls (120) in Abhängigkeit davon, ob eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110) detektiert ist oder nicht, zu modulieren.
Gasdetektor (100) nach Anspruch 1, umfassend einen Strahlkombinierer (122), um den sichtbaren Lichtstrahl (120) und den wellenlängenmodulierten Lichtstrahl (110) im Wesentlichen kollinear zu machen.
Gasdetektor (100) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Abtastspiegel (114) ein mikromechanischer Spiegel vom Resonanztyp ist.
Gasdetektor (100) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuergerät (108) mit der Abtastvorrichtung (104) wirkverbunden ist, um das Abtastbewegen des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110) zu steuern.
Gasdetektor (100) nach Anspruch 4, wobei das Anzeigegerät (124) derart konfiguriert ist, dass es eine oder mehrere Richtungen, in welchen die Anwesenheit von Gas durch das Steuergerät (108) detektiert ist, auf Basis einer Position der Abtastvorrichtung (104) anzeigt, wenn die Anwesenheit von Gas detektiert ist.
Gasdetektor (100; 200) zur Ferndetektion eines Gases in einem Zielbereich (106; 206), umfassend eine Lichtquelle (102; 202) zur Ausstrahlung eines wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) in den Zielbereich (106; 206), wobei der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl (110; 210) eine Wellenlängenmodulation um eine Absorptionswellenlänge des Gases trägt, einen Lichtsensor (112; 212) zur Erfassung von Licht, das aus dem Zielbereich zurückkehrt, ein Steuergerät (108; 208), das mit dem Lichtsensor (112; 212) wirkverbunden ist, um eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) im Zielbereich (106; 206) auf Basis des vom Lichtsensor (112; 212) erfassten zurückkehrenden Lichts zu detektieren, ein Anzeigegerät (124; 224), das mit dem Steuergerät (108; 208) wirkverbunden ist, um die Anwesenheit des Gases anzuzeigen; wobei der Gasdetektor (100; 200) eine Abtastvorrichtung (104; 204) umfasst, die in Bezug auf die Lichtquelle (102; 202) für das Abtastbewegen des von der Lichtquelle (102; 202) ausgestrahlten wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (110; 210) durch den Zielbereich (106; 206) konfiguriert und angeordnet ist, und die in Bezug auf den Lichtsensor (112; 212) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass der Lichtsensor (112; 212) das Licht, das aus dem Zielbereich (106; 206) über die Abtastvorrichtung (104; 204) zurückkehrt, auffängt, wobei das Anzeigegerät (124; 224) derart konfiguriert ist, dass es mit der Abtastvorrichtung (104; 204) zusammenwirkt, um eine Position des Gases im Zielbereich (106; 206) anzuzeigen, und wobei das Anzeigegerät (224) eine zweite Lichtquelle (218) zur Ausstrahlung eines zweiten Lichtstrahls (220) und eine Anzeigevorrichtung (226) umfasst, wobei die Abtastvorrichtung (204) einen ersten Abtastspiegel (214) zum Abtastbewegen des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (210) durch den Zielbereich (206) und zum Reflektieren des vom Ziel (206) zurückkehrenden Lichts zum Lichtsensor (212) sowie einen zweiten Abtastspiegel (228) zum synchronen Abtastbewegen des zweiten Lichtstrahls (220) über die Anzeigevorrichtung (226) umfasst, wobei der erste und zweite Abtastspiegel (214, 228) für synchronen Betrieb konfiguriert sind, wobei das Steuergerät (208) mit der zweiten Lichtquelle (218) wirkverbunden ist, um eine Intensität des zweiten Lichtstrahls (220) in Abhängigkeit davon, ob eine Anwesenheit des Gases auf einem Weg des wellenlängenmodulierten Lichtstrahls (210) detektiert ist oder nicht, zu modulieren.
Gasdetektor (200) nach Anspruch 6, wobei der erste und zweite Abtastspiegel (214, 228) mikromechanische Spiegel vom Resonanztyp sind.
Gasdetektor (200) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Anzeigevorrichtung (226) mit dem zweiten Lichtstrahl (220) hintergrundbeleuchtet ist.
Gasdetektor (200) nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der zweite Lichtstrahl (220) ein unsichtbarer Lichtstrahl ist und wobei die Anzeigevorrichtung (226) derart konfiguriert ist, dass sie den unsichtbaren Lichtstrahl absorbiert und sichtbares Licht ausstrahlt.
Gasdetektor (100; 200) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend einen Umlenkspiegel (116; 216) zum Umlenken des zurückkehrenden Lichts zum Lichtsensor (112; 212), wobei der Umlenkspiegel (116; 216) eine Öffnung aufweist, durch welche der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl (110; 210) durchgelassen wird.
Gasdetektor (100; 200) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der wellenlängenmodulierte Lichtstrahl (110; 210) auch eine Amplitudenmodulation trägt.
Gasdetektor (100; 200) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Absorptionswellenlänge eine Absorptionswellenlänge von mindestens einem von Methan, Ethanol, CO₂, CO und N₂O ist.