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DE602004000374T2 - Gasdetektionsverfahren und gasdetektoreinrichtung - Google Patents

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DE602004000374T2
DE602004000374T2 DE602004000374T DE602004000374T DE602004000374T2 DE 602004000374 T2 DE602004000374 T2 DE 602004000374T2 DE 602004000374 T DE602004000374 T DE 602004000374T DE 602004000374 T DE602004000374 T DE 602004000374T DE 602004000374 T2 DE602004000374 T2 DE 602004000374T2
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gas
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output light
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Bert Willing
Markus Kohli
Andreas Seifert
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IR Microsystems SA
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere preisgünstige Infrarot-(IR)-Gasdetektion. Eine Standardtechnologie in diesem Gebiet besteht aus einer thermischen IR-Lichtquelle, einem Interferenz-Netzfilter, einer Probenkammer und einem IR-Detektor. Der Netzfilter entspricht der charakteristischen Absorptionswellenlänge des zu detektierenden Gases, so dass nur Licht dieser spezifischen Wellenlänge auf den Detektor einfällt. Wenn ein zu detektierendes Gas in der Probenkammer vorhanden ist, wird ein Teil des Lichtes von dem Gas absorbiert und das Detektorsignal infolgedessen verringert. Um die durch Alterung, Feuchtigkeit oder Schmutz bedingte Intensitätsveränderung der Lichtquelle zu berücksichtigen, wird ein Teil des ausgesendeten Lichts aus der Probenkamer heraus auf einen Referenzdetektor geführt (so genannte Zwei-Strahl- oder Referenz-Strahl-Technologie).
  • Derartige nicht-ablenkende-IR (NDIR) Gasdetektoren leiden an zwei Nachteilen. Erstens haben thermische Lichtquellen einen hohen Energieverbrauch und eine niedrige Lichteffizienz, was einen Batteriebetrieb erschwert und Kühlmaßnahmen voraussetzt. Zweitens hängt die Mittenwellenlänge von Interferenz-Netzfiltern von der Temperatur ab, so dass für unterschiedliche Umgebungstemperaturen die Detektierung an unterschiedlichen Positionen des Gasabsorptionsmaximums arbeitet, was wiederum die Kalibrierung erschwert.
  • Jüngste Entwicklungen mit Oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL) haben einen Weg aufgezeigt, um preisgünstige Einzel-Gasdetektoren zu verbessern. VCSEL-Wellenlängen sind genau definiert und können über einige Nanometer durch eine Änderung des VCSEL-Ansteuerungsstroms abgestimmt werden. Derartige VCSEL-Dioden sind inzwischen für den nahen infraroten (NIR) Wellenlängenbereich von 1,3–2,05 μm verfügbar. Viele der durch IR-Absorption detektierten Gase besitzen die ersten oder zweiten Oberwellen ihrer Absorptionsmaxima in diesem Wellenlängenbereich. Obwohl diese Oberwellen im Wesentlichen schwächer sind als das fundamentale Maximum, ist die Gasdetektierung sehr empfindlich, da VCSELs typischerweise eine etwa 1000 Mal höhere Lichtintensität als eine thermische Lichtquelle liefern. Ein bedeutender Vorteil von VCSELs ist deren niedriger Energieverbrauch von eini gen Milliwatt im Vergleich zu einigen Watt bei thermischen Lichtquellen.
  • Ein Hauptunterschied zwischen einer Standard-NDIR-Detektierung und auf VCSELs basierter Detektierung ist, dass NDIR-Verfahren eine niedrige Spektralauflösung besitzen und daher Gas-Absorptionsmaxima messen, die typischerweise einige 100 nm breit sind. Diese breiten Absorptionsmaxima setzen sich eigentlich aus einer großen Anzahl von sehr scharfen Absorptionslinien zusammen. VCSELs strahlen mit einem sehr scharfen Wellenlängenmaximum, das innerhalb weniger Nanometer moduliert werden kann. Aus diesem Grund misst ein auf VCSEL basierter Gasdetektor eine einzige Absorptionslinie anstelle eines breiten Absorptionsmaximums.
  • Verschiedene Autoren haben eine Gasdetektierung beschrieben, die mit einer VCSEL-Quelle aufgebaut ist, wo die Wellenlänge des VCSEL über die Absorptionslinie des Gases hinweg abgetastet wird, wie es in 2 dargestellt ist. Dieses Abtasten wird mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz F durchgeführt. Diese Modulation wird dadurch erzielt, dass ein geringer Wechselstrom (typischerweise 100 μA) mit der Frequenz F auf einen konstanten Strom über der Laserschwelle (einige mA typischerweise) auferlegt wird. Als Messverfahren wird dieser "konstante Strom" langsam über den gesamten Bereich des VCSEL gestrichen, um nachfolgende Absorptionslinien zu detektieren. Mit derartigem Aufbau wird ein Netzfilter nicht mehr benötigt, was ein großer Faktor zur Kostenminderung für Produkte darstellt.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf einer Quelle, die durch einen wellenlängen-modulierten VCSEL gebildet wird und nutzt die Tatsache, dass die Modulation der Wellenlänge direkt mit einer Modulation der Ausgangsintensität des VCSEL verknüpft ist. Die Intensität des Lichtes, welches das Volumen durchlaufen hat und auf den Detektor einfällt, zeigt deshalb eine erste Modulation, die auf die VCSEL-Intensität bezogen ist, und eine zweite Modulation, die auf die Gasabsorption bezogen ist, wenn die Wellenlänge über die Gasabsorptionslinie abgetastet wird.
  • Mit einem Standard-IR-Detektor, welcher ein Signal liefert, das proportional zur einfallenden Strahlung ist, besteht die Signalverarbeitung aus dem Messen des Detektorsignals durch eine Lock-in-Technik auf der doppelten Modulationsfrequenz (2F-Detektierung). Dadurch wird die DC-Signalkomponente, die von dem über den Modulationsbereich hinweg detektierten seitlich verschobenen Licht herrührt, unterdrückt. Jedoch muss noch ein Referenzstrahl benutzt werden, um Information über die Gesamt-Lichtintensität des Ausgangs-Lichtstrahls, der von der Quelle bereitgestellt wird, für einen genauen Wert der Gaskonzentration zu erhalten. Dieser Referenzstrahl wird gewöhnlich von einem zweiten spezifischen Detektor detektiert. Somit verkompliziert die Erzeugung und die Detektierung eines Strahls die Vorrichtung und erhöht ihre Produktionskosten.
  • US 6 356 350 61 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Demodulieren einer Vielzahl von Frequenzkomponenten, die in einem Wellenlängenmodulationssystem von einem Photodetektor ausgegeben werden und zum Bestimmen von Gestalten der Absorptionslinien an Hand der demodulierten Daten. Das Verfahren ermöglicht Information über die Gestalt der Absorberlinie und Linienbreite, Gasmessung über einen Bereich von Gasdrücken, Temperaturen und Konzentrationen. Dafür sind wenigstens zwei geradzahlige Oberschwingungen oder eine Vielzahl von Oberschwingungen der Wellenlängenfrequenz F notwendig. Allgemein lehrt das Dokument aus dem Stand der Technik, mehr demodulierte Frequenzkomponenten von geradzahligen Oberschwingungen als ungeradzahlige Frequenzkomponenten zu verwenden. Das in US 6 356 350 61 offenbarte Verfahren ist nicht geeignet, eine Gasvorrichtung mit niedrigen Herstellungskosten für große Stückzahlen bereitzustellen, die ein effizientes Messen der Gaskonzentration oder des Vorhandenseins von Gas ermöglicht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effiziente Vorrichtung oder Detektor zur Gaskonzentrationsmessung mit geringen Kosten bereitzustellen. Ziel der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, die oben genannte Aufgabe bezüglich des Referenzstrahls zu lösen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und Vorrichtungsanspruchs 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale werden in den jeweiligen Unteransprüchen beansprucht.
  • Aufgrund der Merkmale der Gasdetektorvorrichtung der Erfindung wird nur eine einzige Sensoreinheit benötigt, um einen genauen Gaskonzentrationswert zu bestimmen, der durch die Verarbeitung des erzeugten elektronischen Signals geliefert wird, welches proportional zur Ableitung des von der Sensoreinheit empfangenen Lichtsignals ist, nachdem es durch eine Probe des definierten Gases gelaufen ist.
  • Weitere besondere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen, die als nicht limitierende Ausführungsformen angegeben sind, beschrieben, in denen:
  • 1 schematisch eine Gasdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 die Wellenlängenmodulation einer VCSEL-Quelle um eine Absorptionslinie zeigt, die verwendet wird, um die Konzentration dieses Gases zu detektieren;
  • 3 die Modulation der Lichtintensität des Ausgangs-Lichtstrahls zeigt, der von der VCSEL-Quelle bereitgestellt wird und die aus der Wellenlängen-Modulation von 2 resultiert;
  • 4 den Graph eines resultierenden Lichtstrahls zeigt, der durch eine Gasprobe gedrungen ist;
  • 5 ein Graph eines Signals ist, das proportional zur zeitlichen Ableitung des in 4 gezeigten Signals ist;
  • 6 und 7 jeweils erste und zweite Modulations-Referenzsignale bei Frequenzen F und 2F, zeigen, wobei F die Frequenz der Wellenlängenmodulation in 2 ist;
  • 8 ein erstes resultierendes Signal zeigt, das durch die Multiplikation des Signals in 5 mit der ersten Modulationsreferenz in 6 erzeugt wird;
  • 9 ein zweites resultierendes Signal zeigt, das durch die Multiplikation des Signals in 5 mit der zweiten Modulationsreferenz in 7 erzeugt wird;
  • 10 und 11 Variationen bei einem ersten Messsignal und bei einem zweiten Messsignal, das durch eine Gasdetektorvorrichtung der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, in Abhängigkeit von der Mittenwellenlänge der Modulation der VCSEL-Quelle bezüglich einer Absorptionslinie zeigen;
  • 12 Variationen bei dem zweiten Messsignal in Abhängigkeit von der Amplitude der VCSEL-Modulation zeigt;
  • 13 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Gasdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 14 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Gasdetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • Mit Bezugnahme auf 1 bis 9 wird das Verfahren zum Detektieren einer Gaskonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Wie in 1 schematisch gezeigt, umfasst die Gasdetektorvorrichtung gemäß der Erfindung eine Lichtquelle, die von einem VCSEL 2 gebildet wird, eine Probenkammer oder Detektionsbereich 4, wo ein zu detektierendes Gas eingeführt werden kann, einen Lichtdetektor 6 und Verarbeitungsmittel 8, welche zwei Messignale SMF und SM2F bereitstellen, die es ermöglichen, dass eine Gaskonzentration definiert wird. Der VCSEL erzeugt einen Ausgangs-Lichtstrahl So, der wellenlängen-moduliert ist. Dieser Lichtstrahl verläuft durch den Bereich 4. Aufgrund der Gasabsorption weist das Ausgangs-Lichtsignal eine Intensitätsvariation auf, nachdem es durch den Gasdetektionsbereich 4 verlaufen ist, und der Detektor 6 empfängt somit ein resultierendes Lichtsignal SG. Der Detektor stellt den Verarbeitungsmitteln 8 ein entsprechendes Detektionssignal SD bereit.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist die VCSEL-Wellenlänge λ (Zentrum des Lichtintensitätsmaximums 10) innerhalb eines kleinen Bereiches um eine vorgegebene Gasabsorptionslinie 12 moduliert. Diese Wellenlängen-Modulation ist direkt an eine Amplituden-Modulation der Anfangslichtintensität gekoppelt, was in 2 durch verschiedene Höhen der Intensitätsmaxima angedeutet ist. 3 zeigt die Intensi tätsvariation des Ausgangs-Lichtsignals S über die Zeit, die aus einem abwechselnden Abtasten um die Gasabsorptionslinie resultiert.
  • Die Intensitätsvariation des resultierenden Lichtsignals SG, das den Gasabsorptionsraum oder Bereich 4 verlässt, ist in 4 gezeigt. Dieses Signal SG besitzt daher zwei Beiträge:
    • – Der erste Beitrag rührt von der Tatsache her, dass die Intensität des VCSEL mit seiner Wellenlänge (ungefähr linear) variiert. Dieser Beitrag ist von der Gasabsorption unabhängig und existiert selbst dann, wenn kein Gas vorhanden ist.
    • – Der zweite Beitrag rührt von der Gasabsorption her, wenn die Wellenlänge über die Gasabsorptionslinie abgetastet wird. Dieser Beitrag ist linear proportional zur vom VCSEL ausgestrahlten Lichtintensität und ist abhängig von der Gaskonzentration im Gasabsorptionsbereich.
  • Um diese beiden Beiträge zu trennen, schlägt das Messprinzip der vorliegenden Erfindung erst vor, die zeitliche Ableitung des resultierenden Lichtsignals SG zu bilden und dann das in 5 gezeigte zeitliche Ableitungssignal 18 mit so genannten Lock-in-Verstärkern zu verarbeiten, wie es hiernach im Einzelnen beschrieben werden wird.
  • In einem Lock-in-Verstärker wird ein moduliertes Signal mit einem symmetrischen Rechtecksignal ("Modulationsreferenz"), das ein genau definiertes Phasenverhältnis mit dem modulierten Signal besitzt, multipliziert. Das resultierende elektronische Signal wird dann über eine Anzahl von Modulationsperioden integriert, um ein Messsignal am Ausgang des Lock-in-Verstärkers abzugeben.
  • 6 zeigt ein erstes Modulations-Referenzsignal 20 bei der Frequenz F, die der Frequenz des Abtastens durch die VCSEL-Quelle entspricht, das heißt der Frequenz der Intensitätsmodulation 22 des Ausgangslichtsignals S0. Die 6 zeigt auch die Phasenrelation zwischen dem Intensitäts-Modulationssignal 22 und der ersten Modulationsreferenz 20, die von diesem Signal 22 erzeugt wird. 7 zeigt ein zweites Modulationsreferenzsignal 24 beim doppelten der Frequenz F. Die 7 zeigt auch die Phasenrelation zwischen dem Intensitäts-Modulationssignal 22 und der ersten Modulationsreferenz 24, die von diesem Signal 22 erzeugt wird.
  • Gemäß der Erfindung wird die zeitliche Ableitung des resultierenden Lichtsignals SG entweder direkt durch die Verwendung eines pyroelektrischen Sensors erzielt, der ein im Wesentlichen zur Veränderung der Lichtintensität, die von diesem pyroelektrischen Sensor empfangen wird, proportionales Signal liefert, oder sie wird durch einen elektronischen Differenzierer erzielt, in dem Fall, dass der eingesetzte Sensor ein Signal SD erzeugt, das im Wesentlichen proportional zum einfallenden Lichtsignal SD ist (d.h. Photodiode, Thermoelement, Bolometer).
  • 8 zeigt die resultierende Kurve 26 der Multiplikation der zeitlichen Ableitung des Intensitätssignals 18 (5) mit dem ersten Modulations-Referenzsignal 20 bei der VCSEL-Modulationsfrequenz F. Es ist offensichtlich, dass die nachfolgend positiven und negativen Beiträge von Gasabsorption sich auslöschen in einer Integration über die Zeit der resultierenden Kurve 26, so genannte F-Detektion. Das Ergebnis einer solchen Zeitintegration ist ein erstes Messsignal SMF, das von der Modulation der VCSEL-Intensität abhängig ist und mit der Gesamt-VCSEL-Intensität in Beziehung steht, aber das unabhängig von der Anwesenheit eines Gases im Detektionsbereich ist.
  • 9 zeigt die resultierende Kurve 28 der Multiplikation der zeitlichen Ableitung des Intensitätssignals 18 (5) mit dem ersten Modulations-Referenzsignal 24 bei der VCSEL-Modulationsfrequenz F. Hier löscht sich der Beitrag von der VCSEL-Intensitätsmodulation in einer zeitlichen Integration der resultierenden Kurve 28 aus, so genannte 2F-Detektion, wogegen die individuellen Beiträge der Gasabsorption sich aufsummieren. Das Ergebnis einer solchen Integration ist ein zweites Messsignal SM2F, das von der Gasabsorption und somit von der Gaskonzentration abhängig ist. Die Integration löscht den Beitrag aus, der von der Gasabsorption unabhängig ist.
  • Das zweite Messsignal SM2F ist tatsächlich im Wesentlichen proportional zur Gesamt-Lichtintensität, die vom VCSEL kommt. Durch Teilen dieses zweiten Messsignals SM2F durch das erste Messsignal SMF, wird ein Wert erhalten, der eine Funktion der Gaskonzentration ist, aber unabhängig von der auf den Detektor einfallenden Lichtintensität ist.
  • Ein Gassensor gemäß der Erfindung, der auf einem VCSEL und einem Zwei-Kanal-Lock-in-Verstärker basiert ist, stellt daher Gasabsorptionssignal und VCSEL-Intensitätsreferenz mit einem einzigen Detektor bereit, so dass der Bedarf nach einem separaten physikalischen Referenzkanal, wie er bei konventionellen NDIR-Sensoren verwendet wird, unterdrückt wird. Darüber hinaus wird der Intensitäts-Referenzwert direkt vom auf den Detektor einfallenden Licht erhalten, wohingegen ein Zweistrahl-NDIR-Sensor eine solche Referenz von einem separaten Strahl erhalten wird, der keine Information über Änderungen in dem Messstrahl erhalten werden kann (d.h. Altern von optischen Komponenten oder durch thermische Variationen bedingte Dejustierungen).
  • Die Analyse der Messsignale SMF und SM2F zeigt, dass das Phasenverhältnis zwischen dem Intensitäts-Modulationssignal des VCSEL und den Modulations-Referenzsignalen 20 und 24, wie es in 6 und 7 beschrieben ist, kritisch für das Messprinzip ist. Eine Abweichung von diesem gegebenen Phasenverhältnis wird in Beiträgen des Gasabsorptionssignals (SM2F) zum Intensitäts-Referenzsignal (SMF) und umgekehrt resultieren.
  • Eine extensivere Analyse der Signale zeigt, dass die oben beschriebene Signalverarbeitung nicht von der Gestalt der VCSEL-AC-Modulation abhängig ist, d.h. anstelle der in 3 beschriebenen dreieckigen Modulation kann die Modulation auch sinusförmig, sägezahnförmig oder von anderer Gestalt sein.
  • VCSEL-Quellen können in einem breiten Frequenzbereich von einigen Hz bis einige MHz wellenlängen-moduliert sein. Folglich kann ein Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut werden, um An sprechzeiten von einigen Sekunden bis mehrere Mikrosekunden zu erzeugen, die von der geforderten Spezifikation abhängt.
  • 10 und 11 zeigen den Einfluss der Position der VCSEL-Mittenwellenlänge (die durch den VCSEL-DC-Strom eingestellt wird) in Bezug auf die Gasabsorptionslinienmitte auf die zwei Messsignale. Die Kurven wurden erzielt durch lineares Ansteigen lassen des VCSEL-DC-Stroms, während eine kleine AC-Modulation, die einer Wellenlängen-Modulation von 0,15 nm entspricht, angewandt wurde. Es ist offensichtlich, dass das Messprinzip, wie es oben beschrieben wurde, nur gilt, wenn die VCSEL-Wellenlänge genau auf die Gasabsorptionslinie zentriert ist und die AC-Modulation symmetrisch über die Gasabsorptionslinie abtastet. Eine Abweichung von dieser Mittenposition erzeugt ein verringertes Absorptionssignal sowie einen Fehler im Referenzsignal. Jedoch verringert sich Letzterer mit geringer werdender Gaskonzentration.
  • Wie in 12 gezeigt ist, hat die Amplitude der VCSEL-AC-Modulation einen Einfluss auf beide erste und zweite Messsignale. Die Signalanalyse zeigt, dass das Gasabsorptionssignal SM2F ein Maximum für eine Modulationsamplitude in der Größenordnung der Breite der Gasabsorptionslinie (0,1–0,15 nm) besitzt. Der Fehler des Intensitäts-Referenzsignals SMF verringert sich mit steigender Modulationsamplitude. Folglich kann die Modulationsamplitude für eine gegebene Spezifikation des Gassensors optimiert werden.
  • Da die Wellenlänge eines VCSEL eine Funktion der Umgebungstemperatur ist, muss die Mittenwellenlänge des VCSEL auf der exakten Wellenlänge der Gasabsorptionslinie festgehalten bleiben (siehe 10 und 11). Dies kann dadurch erzielt werden, dass eine geschlossene Transparentzelle in den Lichtpfad einbezogen wird, die das zu detektierende Gas enthält. Beim Einschalten des Gassensors, steigt der VCSEL-DC-Strom langsam von einem DC-Vorgabewert linear an, während mit der AC-Frequenz F abgetastet wird, bis die Gasabsorptionslinie innerhalb des AC-Modulationsbereiches zu liegen kommt. Von diesem Punkt an wird das Gasabsorptionssignal ungleich Null sein und eine Rückkopplungsschleife zur DC-Stromquelle wird dieses Signal an seinem Maximum halten, das dem Festhalten der VCSEL-Mittenwellenlänge an der Gasabsorptionslinienmitte entspricht. Weil jedoch die Wellenlängenvariation eines gegebenen VCSEL begrenzt ist, ist es notwendig, die VCSEL-Quelle annähernd bei einer vordefinierten Temperatur zu halten. Im Fall eines CO2-Detektors für Umgebungsluft kann die geschlossene Zelle weggelassen werden, da die natürliche Konzentration von CO2 von 350–400 ppm ausreichend hoch ist für den beschriebenen Festlegungszweck.
  • Die Tatsache, dass das von dem VCSEL ausgestrahlte Licht hoch gebündelt ist, ermöglicht einen einfachen Entwurf für einen Mehrfach-Gassensor ohne weitere Optik. In einer solchen Vorrichtung sind mehrere VCSELs (jeder mit einer Wellenlänge, die einem anderen Gas entspricht) in einem Laserkopf montiert, wobei der Detektor eine Matrix von so vielen Lichtsensoren ist, wie der Laserkopf VCSELs enthält. Das Montieren erfolgt in einer Weise, dass der Laserstrahl von jedem VCSEL auf einen anderen Sensor zielt, was eine sehr kompakte Mehrfach-Gasdetektionsvorrichtung für zwei, drei oder mehr verschiedene Gase liefert.
  • Was die Laserquelle betrifft, kann ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFBLaser) im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden. VCSELS und DFBLaser sind bevorzugte Laserquellen.
  • 13 zeigt eine erste Ausführungsform einer Gasdetektorvorrichtung gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung umfasst einen Laserlicht ausstrahlenden Kopf 32, in dem zwei VCSEL-Quellen 34 und 36 angeordnet sind. Somit bildet diese Vorrichtung einen Detektor für zwei verschiedene Gase, wobei beide Quellen jeweils ausgewählt werden, um gewählten Absorptionslinien dieser beiden Gase zu entsprechen. Dieser Kopf 32 umfasst weiter eine mit den zwei verschiedenen Gasen gefüllte geschlossene Zelle, um den elektrischen Stromwert, der an jede Quelle 34 und 36 zu liefern ist, genau zu bestimmen, so dass die Mittenwellenlänge des bereitgestellten Lichtmaximums der Mitte der Absorptionslinie des jeweiligen Gases entspricht, wie hier zuvor erklärt wurde. Schließlich umfasst der Kopf 32 einen Temperatursensor 40, der elektrisch mit Energieversorgungsmitteln 42 von Wärmemitteln 44 verbunden ist, die im Bereich, wo die Quellen angeordnet sind, angebracht sind.
  • Die Gasdetektorvorrichtung besitzt eine Probenkammer oder Gasdetektionsbereich 46, durch den die beiden Laserstrahlen 50 und 52, die von den beiden Laserquellen bereitgestellt werden, hindurch treten. Die beiden Laserstrahlen werden dann von zwei entsprechenden Lichtsensoren 54 und 56 empfangen, die auf einer gemeinsamen Basis 58 angebracht sind. Bei dieser ersten Ausführungsform sind die beiden Sensoren von der Bauart, dass sie ein elektrisches Detektionssignal bereitstellen, das im Wesentlichen proportional zum auf den Sensor einfallenden Lichtsignal ist, wie ein Thermoelement oder ein Bolometer oder vorzugsweise eine Photodiode. Gemäß der Erfindung sind die beiden Sensoren 54 und 56 durch einen elektronischen Selektor mit einem elektronischen Zeitdifferenzierer 64 verbunden. Dieser Differenzierer stellt den Vorverstärkermitteln 66 somit ein elektronisches Signal. bereit, das im Wesentlichen proportional zur zeitlichen Ableitung des einfallenden Lichtsignals ist.
  • Die Gasdetektorvorrichtung umfasst weiter Versorgungssteuermittel 70, die mit elektrischen Versorgungsmitteln 72 verbunden sind, welche einen elektrischen Strom an die Quellen 34 und 36 über einen elektronischen Selektor 74 liefert. Die Versorgungssteuermittel 70 besitzen einen ersten Teil 76, um ein DC-Stromsignal zu definieren, und einen zweiten Teil 78, um ein AC-Stromsignal zu definieren bei einer gegebenen Referenzfrequenz F, die ein alternatives Abtasten um die Gasabsorptionslinie erzeugt, wie zuvor erklärt wurde. Die Verarbeitungsmittel der Vorrichtung umfassen auch erste Mittel 80, um ein erstes Modulations-Referenzsignal bei der Referenzfrequenz F zu erzeugen, und zweite Mittel 82, um ein zweites Modulations-Referenzsignal bei dem doppelten der Referenzfrequenz F zu erzeugen. Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren der vorliegenden Erfindung werden diese ersten und zweiten Modulations-Referenzsignale jeweils zwei Lock-in-Verstärkern 84 und 86 zugeführt, in denen diese Referenzsignale jeweils mit dem Signal multipliziert werden, das von dem Zeitderivator 64 diesen zwei Lock-in-Verstärkern durch die Vorverstärkermittel bereitgestellt wird, und dann über mehrere Zeitperioden des ersten Modu lations-Referenzsignals integriert. Der erste Lock-in-Verstärker 84 stellt ein erstes Messsignal bereit, das unabhängig von der Gasabsorption ist, wie zuvor erklärt wurde. Der zweite Lock-in-Verstärker 86 stellt ein zweites Messsignal bereit, das unabhängig von der Modulation des Ausgangs-Lichtsignals, das von der jeweiligen Quelle erzeugt wird, bezüglich der Gasabsorption und somit der Gaskonzentration im Bereich 48 ist.
  • In einem vorbereitenden Schritt wird das zweite Messsignal verwendet, um das DC-Stromsignal zu definieren, indem das Maximum dieses zweiten Messsignals detektiert wird, wenn der DC-Strompegel linear variiert wird. Es ist zu beachten, dass dieser vorbereitende Schritt vermieden werden kann, wenn die Vorrichtung mit einer sehr genauen Temperatursteuerung für die Laserquelle ausgerüstet ist.
  • Schließlich wird das zweite Messsignal durch das erste Messsignal in einer Verarbeitungseinheit 90 dividiert, in welcher das Ergebnis dieser Division weiter verarbeitet wird, um ein brauchbares Signal oder Information bezüglich der Anwesenheit eines gegebenen Gases oder dessen Konzentration zu liefern.
  • 14 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Gasdetektorvorrichtung gemäß der Erfindung. Die in der ersten Ausführungsform bereits beschriebenen Bezugszeichen werden hier nicht wieder beschrieben. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten darin, dass die zwei Lichtsensoren 94 und 96 von einer spezifischen Bauart sind und direkt ein elektrisches Detektionssignal bereitstellen, das im Wesentlichen proportional zur zeitlichen Ableitung des auf diese Sensoren einfallenden Lichtsignals ist. Vorzugsweise sind die Sensoren 94 und 96 pyroelektrische Sensoren. Somit wird der elektronische Zeitdifferenzierer in dieser zweiten Ausführungsform nicht mehr benötigt. Das elektrische Detektionssignal wird den beiden Lock-in-Verstärkern 84 und 86 durch einen Vorverstärker 66 direkt bereitgestellt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl Quelle als auch Lichtsensor auf derselben Seite des Gasdetekti onsbereiches angeordnet, wobei eine reflektierende Struktur an der gegenüberliegenden Seite angebracht ist. Für eine gegebene Länge des Gasdetektionsbereiches ist der Lichtpfad durch die Gasprobe zwei Mal so lang wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen, die in 13 und 14 gezeigt werden. Ferner können die Quelle, der Sensor und die elektronischen Elemente in/auf einem gemeinsamen Trägermaterial integriert werden, was sehr vorteilhaft und Kosten reduzierend ist. Die reflektierende Struktur kann verwendet werden, um den Lichtstrahl zu fokussieren, insbesondere wenn dessen numerische Apertur relativ hoch ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Detektion von zwei Gasen umfasst die Vorrichtung zwei Laserquellen aber nur einen einzigen Lichtsensor, wobei die beiden erzeugten Lichtstrahlen ausgerichtet sind, um auf diesen Lichtsensor einzufallen. Wie bei der Ausführungsform von 13 und 14 ermöglicht Zeit-Multiplexen in der Steuerung beider Quellen es, die Konzentration von zwei Gasen zu messen. Somit werden die beiden Lichtstrahlen abwechselnd auf den einzigen Lichtsensor gerichtet.
  • Wenn schließlich die Absorptionslinien von verschiedenen Gasen ausreichend eng sind, ist es möglich, nur eine Laserquelle zum Detektieren dieser Gase zu verwenden.
  • Der Gasdetektor gemäß verschiedener Merkmale der Erfindung hat die folgenden Vorteile:
    • – Unterdrückung des Referenzstrahls, die insbesondere für Mehrfachgas-Messungen wichtig ist,
    • – Kein Einfluss des Leistungsverlustes von optischen Komponenten oder der VCSEL-Intensität,
    • – Niedriger Energieverbrauch, der kabellose Vorrichtungen ermöglicht,
    • – Niedrige Wärmeabstrahlung, somit keine Kühlungsprobleme,
    • – Zeitliche Auflösung auf Mikrosekunden herabgesetzt,
    • – Automatische Detektion von VCSEL-Fehlfunktion,
    • – Aktive Temperaturkompensation,
    • – Spektrales Selbst-Festhalten,
    • – Kompaktes Design für Mehrfachgas-Detektor,
    • – Niedrige Herstellungskosten für hohe Stückzahlen, da VCSELs, Detektor und Anzeigeelektronik sämtliche durch losweise Arbeitstechniken hergestellt werden können.

Claims (3)

  1. Gasdetektionsverfahren umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Ausgangs-Lichtsignals (S0) durch eine wellenlängenmodulierte Laserquelle (2, 34, 36), wobei das Ausgangs-Lichtsignal (S0) bei einer ersten Frequenz (F) symmetrisch um eine Absorptionslinie eines Gases, dessen Konzentration oder Vorhandensein zu erfassen ist, wellenlängen-moduliert ist; Übermitteln des Ausgangs-Lichtsignals (S0), das Intensitätsschwankungen über die Zeit aufweist, die aus einem alternativen Abtasten um die Gasabsorptionslinie herum durch einen Gasdetektionsbereich (4, 48) resultieren, der vorgesehen ist, wenigstens eines der Gase aufzunehmen; Empfangen eines aus dem Gasdetektionsbereich austretenden resultierenden Lichtsignals (SG) durch Erfassungsmittel (6; 54, 56), wobei das resultierende Lichtsignal (SG) Veränderungen bei der Intensität des Ausgangs-Lichtsignals (S0) umfasst, die durch die Gaskonzentration in dem Erfassungsbereich (4, 48) bedingt sind; Erzeugen eines Detektionssignals (SD) durch die Erfassungsmittel (6; 54; 56), das im Wesentlichen proportional zur zeitlichen Ableitung des resultierenden Lichtsignals (SG) ist; Erzeugen eines ersten Messsignals (SMF) aus dem Detektionssignal (SD), das eine Intensitätsfunktion des Ausgangs-Lichtsignals (S0) ist, wobei das erste Messsignal (SMF) erzeugt wird, indem das Detektionssignal (SD) mit einem ersten Modulations-Referenzsignal (20) bei der ersten Frequenz (F) multipliziert und dann über die Zeit integriert wird; wobei das erste Modulations-Referenzsignal (20) genau in Phase mit den Intensitätsschwankungen des Ausgangs-Lichtsignals (S0) definiert ist; Erzeugen eines zweiten Messsignals (SM2F) von dem Detektionssignal (SD), das eine Funktion der Gasabsorption und im Wesentlichen unab hängig von einer Intensitätsmodulation des Ausgangs-Lichtsignals bei der ersten Frequenz (F) ist, wobei das zweite Messsignal (SM2F) erzeugt wird, indem das Detektionssignal (SD) mit einem zweiten Modulations-Referenzsignal (24) beim doppelten der ersten Frequenz (F) multipliziert und dann über die Zeit integriert wird, wobei das zweite Modulations-Referenzsignal (24) in Phase mit den Intensitätsschwankungen des Ausgangs-Lichtsignals (S0) definiert ist; Bereitstellen eines End-Messsignals, das unabhängig von der auf die Detektionsmittel (6, 54, 56) einfallenden Lichtintensität ist, indem das zweite Messsignal (SM2F) durch das erste Messsignal (SMF) dividiert wird, wodurch ein Signal bezüglich des Vorhandenseins oder der Konzentration eines gegebenen Gases bereitgestellt wird.
  2. Gasdetektoreinrichtung umfassend wenigstens eine wellenlängen-modulierte Laserquelle (2; 34, 36), die ein Ausgangs-Lichtsignal (S0) bereitstellt; einen Detektionsbereich (48), der dafür vorgesehen ist, wenigstens ein Gas, dessen Konzentration oder Vorhandensein zu erfassen ist, aufzunehmen; Versorgungssteuermittel (70) zur Wellenlängen-Modulation des Ausgangs-Lichtsignals (S0) bei einer ersten Frequenz (F) symmetrisch um eine Absorptionslinie eines der Gase und zum Bereitstellen des Ausgangs-Lichtsignals mit Intensitätsschwankung über die Zeit; einen Lichtsensor (94, 96), der jeweils am Rand des Detektionsbereiches angeordnet ist, wobei der Sensor zur Aufnahme eines resultierenden Lichtsignals (SG), welches Änderungen in der Intensität des den Detektionsbereich durchlaufenen Ausgangs-Lichtsignals (S0) umfasst, und zum Bereitstellen eines Detektionssignals (SD) vorgesehen ist, das proportional zur Lichtintensitätsschwankung des resultierenden Lichtsignals (SG) ist; Verarbeitungsmittel (8; 64, 66, 80, 82, 84, 86, 90) zum Bereitstellen eines Signals bezüglich des Vorhandenseins oder der Konzentration eines gegebenen Gases in dem Detektionsbereich von dem Detektionssignal (SD); wobei der Lichtsensor (94, 96) oder die Verarbeitungsmittel Mittel (64) umfassen zum Bereitstellen eines Detektionssignals, das im Wesentlichen proportional zur zeitlichen Ableitung des resultierenden Lichtsignals (SG) ist; und die Verarbeitungsmittel ferner umfassen erste Mittel (80) zum Erzeugen eines ersten Modulations-Referenzsignals (20) bei der ersten Frequenz (F) und zweite Mittel (82) zum Erzeugen eines zweiten Modulations-Referenzsignals (24) beim doppelten der ersten Frequenz (F), erste Mittel (84) zum Multiplizieren des ersten Modulations-Referenzsignals (20) mit dem Detektionssignal und dann Integrieren über die Zeit des resultierenden Signals, um ein erstes Messsignal (SMF) bereitzustellen, welches eine Funktion der Intensität des Ausgangs-Lichtsignals (S0) und im Wesentlichen unabhängig von der Konzentration des Gases ist, zweite Mittel (86) zum Multiplizieren des zweiten Modulations-Referenzsignals (24) mit dem Detektionssignal und dann zum Integrieren über die Zeit, um ein zweites Messsignal (SM2 F) bereitzustellen, das eine Funktion der Gasabsorption und im Wesentlichen unabhängig von einer Intensitätsmodulation des Ausgangs-Lichtsignals (S0) bei der ersten Frequenz (F) ist, und eine Verarbeitungseinheit (90) zum Dividieren des zweiten Messsignals (SM2F) durch das erste Messsignal (SMF) zum Bereitstellen des Signals bezüglich des Vorhandenseins eines gegebenen Gases oder dessen Konzentration.
  3. Gasdetektoreinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Versorgungssteuermittel (70) einen ersten Teil (76) zum Definieren eines DC Stromsignals und einen zweiten Teil (78) zum Definieren eines AC Stromsignals bei der gegebenen Referenzfrequenz (F) umfassen zum Erzeugen eines alternativen Abtastens von Lichtintensität des Ausgangs-Lichtsignals (S0) um die Gasabsorptionslinie herum.
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