DE2133080A1

DE2133080A1 - System zur optischen kontrolle von luftverunreinigungen in einem grossraum

Info

Publication number: DE2133080A1
Application number: DE19712133080
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl-Phys Dr Rer Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-07-02
Filing date: 1971-07-02
Publication date: 1973-01-11
Also published as: US3820897A; NL7208852A; SE377613B; IT956901B; FR2145165A5; BE785698A; DE2133080B2; DE2133080C3; GB1397633A; LU65643A1

Description

System zur optischen Kontrolle von Luftverunreinigungen in einem Großraum

Die Erfindung betrifft ein System zur optischen Kontrolle von Luftverunreinigungen mittels Laserstrahlung, welche die in der Atmosphäre enthaltenen Atome und Moleküle zu spezifischen Ramanstrahlungen anregt und durch welche diese Streustrahlungen registriert und analysiert werden.

Durch die modernen industriellen Produktionsprozesse entstehen in wachsendem Maße Luftverunreinigungen, die sich nachteilig auf die Gesundheit der lebenden Weit auswirken können. Es besteht daher seit längerer Zeit das Bedürfnis, den Luftraum zu überwachen.

Versuche sind in dieser Richtung bereits unternommen worden. So wurden in den V.St.A. großflächige, poröse Stoffproben in dem zu vermessenden Gebiet verteilt, die Verunreinigungen der Luft aufsaugen sollten. Diese Verunreinigungen wurden später auf chemischem Wege qualitativ und quantitativ untersucht. Um nach dieser Methode Verunreinigungen feststellen zu können, müssen die Proben allerdings monatelang der Luft ausgesetzt werden. Außerdem erhält man nur Aussagen über Luftverunreinigungen direkt an den Orten, wo die Proben angeordnet sind.

Es ist ferner bekannt,"Verunreinigungen in der Luft mittels einer Laser-Ramanradartechnik zu ermitteln (Spectroscopic Detection of SO₂ and COg Molecules in the polluted Atmosphere by Laser-R&manradartechnique von lakao Kobayasi und Humio

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Inaba, Appl. Physics Letters, 15.8.1970). In diesem Artikel werden die Vorteile der Ramanrückstreuung von Laserstrahlen an Molekülen gegenüber der Rückstreuung von Laserstrahlen, die sich zusammensetzt aus der Mie-Streuung an bestimmten Stoffen und der Rayleight-Streuung an atmosphärischen Molekülen, beschrieben. Da nämlich die Frequenz der rückgestreuten Strahlung bei der Mie-Streuung und der Rayleight-Streuung die gleiche wie die des ausgesandten Lichtes ist, ist eine Identifizierung der Verunreinigungen nicht möglich. Die Laser-Ramanrückstreuung ermöglicht jedoch eine qualitative Analyse aller Chemikalien in der verunreinigten Atmosphäre, da die Frequenz des gestreuten Lichtes spezifisch für jedes Molekül um einen gewissen Betrag gegen die Frequenz des ausgesagten Lichtes verschoben ist. Es ist ebenfalls möglieh _f die Verteilung der molekularen Dichte in der verunreinigten Atmosphäre zu bestimmen. Wall man beispielsweise die Konzentration von COp-Molekülen ermitteln, so benötigt man das Intensitätsverhältnis des rückgestreuten Lichtes zwischen den COg-Molekülen und den Op-Molekülen, den Ramanrückstreu-Differential-Wirkungsquerschnitt der C0₂-Molekülen, den spektralen Anzeigekoeffizienten des Detektors und schließlich den Ramanstreukoeffizienten von Op. Mit Hilfe dieser Angaben läßt sich die Molekulardichte von CO₂ bestimmen. Auf ähnliche Weise kommt man zu v/eiteren Luftverunreinigungsanteilen. In diesem

* Artikel ist allerdings nur von einem Lasersender und einem Empfänger die Rede. Mit Hilfe dieser Anordnung läßt sich daher nur die Luftverunreinigung in einem begrenzten kleinen Gebiet überwachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Kontrolle von Luftverunreinigungen vorsiischlagen, das letztere an einer Vielaahl von Orten in einem Großraum zu messen gestattet.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch in einer Reihe angeordnete lasersendestationen, und durch in einer Reihe angeordnete ausgerichtete Empfangsstationen. Die in der Atmosphäre enthaltenen Atome und Moleküle werden zu Absorption oder zu spezifischen Ramanstrahlungen angeregt, die dann registriert und analysiert werden.

Dabei können insbesondere die SendeStationen und die Empfangsstationen eine gemeinsame Reihe bilden, in der jeweils eine Sendestation neben einer Empfangsstation angeordnet ist, wobei alle Sender zueinander parallele Strahlungsbündel aussenden und die rückgestreute Strahlung jeweils von dem zugehörigen Empfänger registriert und analysiert wird. Da die Strahlungsbündel alle parallel zueinander verlaufen, erhält man eine Strahlungsebene, die insbesondere horizontal liegen kann. Auf diese Weise kann in dieser Strahlungsebene eine Luftüberwachung in einem um so größeren Bereich durchgeführt werden, je mehr Lasersender- und Empfangsstationen angeordnet werden.

Es ist von Vorteil, daß die Strahlungsebene variabel einstellbare Winkel mit der Horizontalen bildet. Auf diese Weise lassen sich dann nämlich mehrere Messungen bei verschiedenen Winkeln durchführen, wobei man zu einer räumlichen Überwachung eines Gebietes kommt.

Bei den bisher aufgeführten Anordnungen werden die Orte der Streupartikel aus der Laufzeit der Strahlung ermittelt. Da nämlich je ein Paar eines Senders und eines Empfängers eng benachbart angeordnet sind, können die Empfänger trotz ihrer Ausrichtvorrichtung Streustrahlungen von verschieden entfernen Streupartikeln registrieren.

Die Streuorte lassen sich aber auch durch eine andere vorteilhafte Anordnung dadurch vorgeben, daß jeder Sender und

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jeder "benachbarte Empfänger einen vorgegebenen Abstand voneinander hat und daß jeder Empfänger Vorrichtungen zur Strahlungsauf nähme aus mehreren festen Richtungen enthält. Dann schließen nämlich die ausgesandten und die rückgestreuten Strahlenbündel bekannte Winkel miteinander ein, aus denen die Streuorte bestimmbar sind.

Von Vorteil ist auch eine Anordnung, bei der in Richtung der Strahlenbündel in vorgegebenem Abstand von den Sendern Reflektoren angeordnet sind, die die Strahlungsbündel auf die Empfänger reflektieren. Dadurch wird es nämlich möglich, * neben der Messung der Streustrahlung auch Transmissionsmessungen durchzuführen, was infolge schmalbandiger Absorptionsmessungen einen höheren Wirkungsgrad ergibt.

Von Vorteil ist auch eine Anordnung, bei der Sende- und Empfangsstrahlen ein matrixförmiges Netz bilden, wobei alle Sender in einer Spalte und alle Empfänger in einer Zeile an-. geordnet sind, und wobei in den Strahlengängen, z.B. periodisch Strahlteiler angebracht sind, welche die ausgesandten Strahlen zum Teil zum nächsten Strahlenteiler durchlaufen lassen und zum Teil in Richtung der Empfänger umlenken. Dadurch kann das Überwachungsgebiet noch weiter vergrößert werfe den. Da nämlich alle Empfänger von allen Sendern Strahlung erhalten, lassen sich Verunreinigungen aus vielen Teilgebieten ermitteln. Dazu müssen insbesondere alle Empfängerdaten durch eine zentrale Erfassungsanordnung festgehalten werden, welche die Daten auf ein zentrales Ortsnetz umrechnen.

Von Vorteil ist es auch, das obengenannte Fetz aus Sende- und Empfangsstrahlen nicht periodisch auszubilden, wenn auf bauliche Gegebenheiten in Großstädten Rücksicht genommen werden muß.

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Für alle Empfangsdaten kann insbesondere eine zentrale Erfassungsanordnung vorgesehen sein, welche die Daten auf ein zentrales Ortsnetz umrechnet.

Die Erfindung soll anhand der Figuren noch näher erläutert v/erden.

Die vier Figuren zeigen vier Ausführungsbeispiele der Erfindung .

Ausführun^sbeispiel 1

In der Figur 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei der in einer Reihe mehrere Laserimpulssender 1 gezeigt sind. Daneben befindet sich die Reihe der Empfänger 2. Das Laserlicht wird in parallelen Strahlenbündeln 3 ausgesandt und z.B. in den Richtungen 4 oder 8 zu den benachbarten Empfängern zurückgestreut. Die Empfänger 3 haben Ausrichtvorrichtungen, bo daß sie nur das Licht empfangen können, das von Partikeln zurückgestreut wird, die im Wege des vom benachbarten Sender ausgesandten Lichtstrahles liegen. Die ausgesandten Laserimpulse müssen zeitlich kürzer sein als die Laufzeiten der Strahlung vom Sender über den Streuort zum Empfänger, damit die Streuorte lokalisiert werden können. Aus den Frequenzverschiebungen wird immer auf die Art der Streukörper geschlossen. Die Laserstrahlen 3 markieren eine horizontale Ebene. Es ist jedoch von Vorteil, die Strahlrichtungen gemäß den Pfeilen 5 stufenweise variieren zu können, wobei dann auch die Empfänger 2 in die bezüglichen Richtungen gedreht v/erden müssen. Es werden dann stufenweise nacheinandei? mehrere Ebenen durchstrahlt, die jeweils vermessen werden. Nach Durchlaufen eines gesamten solchen Zyklusses in verschiedenen Ebenen erhält man also eine räumliche Einteilung der Luftverunreinigungen.

Bei dieser Anordnung ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Laserstrahlen in parallelen Richtungen ausgesandt werden, vielmehr dürfen sie auch verschiedene Richtungen in

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einer Ebene durchlaufen, wobei die Zuordnungen zwischen Sendern und Empfängern abgestimmt sein müssen. Die Ebene kann wieder gegen die Horizontale geneigt werden.

Ausführungsbeispiel 2

Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Entfernung der Streukörper nicht vom Empfänger vermittelt zu werden braucht, da die Entfernung aus der Strahlengeometrie bereits festliegt. Die Sender 1 und die zugehörigen Empfänger 2 sind jeweils in einem vorgegebenen Abstand 9 angeordnet. Die Empfänger 2 enthalten mehrere Ausrichtvorrichtungen zur Aufnahme der Streustrahlung aus den festen Richtungen 1O_? 11 und 13. Da auch die Ausstrahlrichtung fest vorliegt, kann somit der Streuort errechnet werden. Die bekannte Laufzeit kann hier dazu verwendet werden, mit Hilfe einer Kurzzeitschaltung den Rauschanteil auf den Meßzeitraum zu begrenzen.

Ausführunffsbeispiel 3

Die !figur 3 zeigt eine Anordnung, die der in Figur 1 gezeichneten ähnelt. Man hat hier wieder eine Reihe von Empfängern und daneben eine Reihe von Sendern angeordnet. In einem vorgegebenen Abstand von den Sende- und Empfangsanlagen sind Reflektoren 6 angeordnet, die das Laserlicht wieder in die bezüglichen Empfänger zurückleiten. Auf dem Weg.der Laserstrahlung werden aber gleichzeitig Streustrahlungen erzeugt» .die ebenfalls von den Empfängern registriert werden können. Mit Hilfe der Reflektoren 6 können nunmehr auch TransmissionsmesBxmgen durchgeführt werden, die ebenfalls zur quantitativen und qualitativen Analyse der auf dem Weg vorhandenen Atome und Moleküle beitragen. Da die in den Empfängern registrierte Strahlung infolge der Reflektoren intensiver ist, kann der Abstand zwischen den Sendern1 bzw. Empfängern 2 und den Reflektoren 6 groß gemacht werden* Da die Reflektoren 6

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fest angeordnet sind, kann nur in einer Strahlungsebene eine Messung vorgenommen werden.

Aueführungsbeispiel 4

Die Figur 4 zeigt eine Reihe von Sendern 1 und eine dazu senkrechtstehende Reihe von Empfängern 2. In allen Strahlengängen der Sender 1 sind Strahlteiler 7 so angeordnet, daß sie das Laserlicht teils durchlassen zum nächsten Strahlenteiler, teils umlenken zu den Empfängern 2. Bei dieser Anordnung können wieder sowohl Streumessungen als auch Absorptionsmessungen durchgeführt werden. Es erhält jeder der Empfänger 2 Strahlungsanteile von jedem der von den einzelnen Sendern 1 ausgesandten Laserstrahlen. Benutzt man eine vorbestimmte zeitliche Reihenfolge der von den Sendern 1 ausgesandten Laserstrahlenimpulse, so lassen sich die Verunreinigungen in den einzelnen Teilstrecken ermitteln. Die von den Empfängern 2 ermittelten Daten können dann zentral erfaßt werden und auf einer Anzeigetafel dargestellt werden.

Audi hier ist es wieder nicht erforderlich, daß die Sender 1 und die Empfänger 2 auf geraden Linien liegen. Vielmehr können diese beliebig verteilt sein und auch die -StrahlungsteJler nichtperiodisch angeordnet sein.

Durch ein solches System lassen sich also Luftverunreinigungen zu jeder Zeit aufzeigen und Spitzenwerte und Durchschnittswerte berechnen.

4 Figuren
Patentansprüche

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Claims

Patentansprü. ehe

(1 J System zur Kontrolle von Luftverunreinigungen mittels Laserstrahlung, welche die in der Atmosphäre enthaltenen Atome und Moleküle zu spezifischen Ramanstrahlungen anregt und durch welche die Streustrahlungen registriert und analysiert werden, gekennzeichnet , durch in einer Reihe angeordneter Lasersendestationen und durch in einer Reihe angeordneter ausgerichteter Empfangsstationen.
2. System nach Anspruch 1, dadurch ' gekennzeich net , daß die Sendestationen und die Empfangsstationen eine gemeinsame Reihe bilden» in der jeweils eine Sendeetation neben einer Empfangsstation angeordnet ist, wobei alle Sender zueinander parallele Strahlungsbündel aussenden und die rückgestreute Strahlung jeweils von dem zugehörigen Empfänger registriert und analysiert wird.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net , daß die Strahlungsebene horizontal liegt.
4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich ™ net , daß die Strahlungsebene variabel einstellbare

Winkel mit der Horizontalen bildet.
5. System nach den Ansprüchen 1, 2 und 3? dadurch ge kennzeichnet , daß in Richtung der Strahlungsbündel in vorgegebenen Abstand von den Sendern Reflektoren angeordnet sind, die die Strahlungsbündel auf die Empfänger reflektieren.
6. System nach den Ansprüchen 2 bis 4-, dadurch g e k e η η zeichnet , daß jeder Sender und jeder dazugehörige

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Empfänger einen vorgegebenen Abstand voneinander hat und daß jeder Empfänger Vorrichtungen zur Strahlungsaufnahine aus mehreren festen Richtungen enthält.
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , däß Sende- und Empfangsstrahlen ein matrixförmiges Netz bilden, wobei alle Sender in einer Spalte und alle Empfänger in einer Zeile angeordnet sind und wobei in den Strahlengängen Strahlteiler angeordnet sind, welche die ausgesandten Strahlen zum Teil zum nächsten Strahlenteiler durchlaufen lassen und zum Teil in Richtung der Empfänger umlenken.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net , daß das Netz periodisch ausgebildet ist.
9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net , daß das Netz nicht periodisch ausgebildet ist.
10. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine zentrale Erfassungsanordnung für alle Empfängerdatsn vorgesehen ist, welche die Daten auf ein zentrales Ortsnetz umrechnet.

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