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Dokumentenidentifikation DE19810084A1 23.09.1999
Titel Verfahren und Vorrichtung zur räumlichen Erfassung von Luftinhaltsstoffen
Anmelder UST Umweltsensortechnik GmbH, 98716 Geschwenda, DE
Erfinder Kiesewetter, Olaf, Dr., 98716 Geschwenda, DE;
Kathe, Editha, Dr.rer.nat., 98693 Ilmenau, DE
Vertreter Liedtke, K., Dr.-Ing., Pat.-Anw., 99089 Erfurt
DE-Anmeldedatum 10.03.1998
DE-Aktenzeichen 19810084
Offenlegungstag 23.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.09.1999
IPC-Hauptklasse G01N 22/00
IPC-Nebenklasse G01N 33/00   

Beschreibung[de]

Die Bestimmung von Gasen und Dämpfen in der Umgebungsluft ist in vielen Bereichen der Industrie notwendig. So muß die Detektion von Gasleckagen an Erdgasleitungen oder Leitungen in der chemischen Industrie und vielen Bereichen der Wirtschaft vorgenommen werden. Hierzu werden vorwiegend Geräte eingesetzt die mittels kleiner Pumpen die Gase an den zu untersuchenden Stellen ansaugen und über die verschiedensten Typen von Sensoren z. B. FID, HL-Gassensoren, WLD's . . . analysieren und die Konzentration bestimmen. Dieses Verfahren ist aufwendig und man muß an den Ort des Gasaustritts herankommen. Somit ist die Lecksuche mit einem erheblichen Kostenfaktor verbunden.

Im Stand der Technik bekannte Detektionsverfahren verwenden meist ansaugende Geräte mit denen eine qualitative Lecksuche möglich ist.

Um selektiv Gase analysieren zu können gibt es eine Reihe von bewährten Verfahren, wie z. B. Infrarotabsorptionsspektroskopie und Mikrowellenspektroskopie. Diese Verfahren nutzen aus, daß Gasmoleküle elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen absorbieren und somit zur Verringerung der Strahlungsintensität führen. Diese Verfahren setzen aber voraus, daß ein Sender und Empfänger diese elektromagnetische Strahlung in den Bereich der zu messenden Gase bringt oder umgekehrt. Ferndiagnosen sind somit nicht möglich. Um Ferndiagnosen von Gaskonzentrationen zu machen, werden Verfahren angewandt, die das Streulicht zur Gasanalyse auswerten. Nachteil dieser Verfahren ist die geringe Empfindlichkeit.

Als Verfahren mit guter Empfindlichkeit und Selektivität wird die Mikrowellenspektroskopie eingesetzt. Hier wird neben der Messung der Strahlungsdämpfung auch der Effekt ausgenutzt, daß die Absorption zum Temperaturanstieg im Gas führt und somit in abgeschlossenen Volumina ein Druckanstieg mit hochempfindlichen Sensoren registriert werden kann. Nachteil dieser Methode ist die Notwendigkeit ein Meßgefäß zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen Erfassung von Luftinhaltsstoffen anzugeben, mit denen berührungslos beliebige Gaszusammensetzungen ermittelt werden können.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß ein gebündelter, definiert gepulster Strahl von einem Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist, ausgesendet wird, so daß in Abhängigkeit von der Frequenz des Strahles bestimmte Gasmoleküle zur Energieaufnahme angeregt werden und die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen mit einem Richtmikrofon detektiert und daraus die Konzentration der vorhandenen Gasmoleküle ermittelt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung entsteht dadurch, daß die Vorrichtung einen Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist und ein Richtmikrofon enthält, wobei das Richtmikrofon schwenkbar angeordnet ist, so daß der Winkel zwischen ausgesendeten Strahl und der Richtung des Richtmikrofon meßbar verändert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, selektiv Gase in der Luft zu detektieren und gestattet eine quantitative Aussage, ohne an die zu untersuchende Stelle herantreten zu müssen.

Die in der Erfindung beschriebene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren nutzen die Vorteile der Mikrowellentechnik, wie die leicht veränderbare Anregungsfrequenz und die gute Selektivität.

Die Erfindung ermöglicht ebenso die Ermittlung von Gaszusammensetzungen über größere Distanzen sowie die berührungslose Bestimmung der räumlichen Konzentration bestimmter Gase.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau der Gesamtanordnung.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, wird ein definiert gepulster, in seiner Mikrowellenfrequenz veränderbarer, gebündelter Strahl in einem bestimmten veränderbaren Winkel α zu einem Richtmikrofon angeordnet, so daß er in Abhängigkeit von seiner Frequenz bestimmte Gasmoleküle zur Energieaufnahme anregt, die ihrerseits zu definierten Druckschwankungen führen, die am Schallaufnehmer detektiert werden können und ein Maß für die Konzentration der im Raum vorhandenen Gasmoleküle darstellt.

Die Mikrowellen werden dabei über einem Parabolstrahler abgegeben und sind gebündelt. Als Schallaufnehmer (Druckaufnehmer) wird ein Richtmikrofon verwendet. Der Winkel α zwischen Strahler und Empfänger ist veränderbar und in Abhängigkeit von einer Größe wird die Tiefeninformation des Meßsystems erzeugt. Die Frequenz des Mikrowellenstrahls ist in einem Bereich von 1-50 GHz kontinuierlich veränderlich.

Zur Modulation kann der Sender aus- und eingeschaltet werden. Ein Rechner verarbeitet die Information zu einem räumlichen Bild. Zur Veränderung der Auflösung im räumlichen Bereich ist der Abstand d zwischen Sender und Schallaufnehmer veränderbar.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur räumlichen Erfassung von Luftinhaltsstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein gebündelter, definiert gepulster Strahl von einem Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist, ausgesendet wird, so daß in Abhängigkeit von der Frequenz des Strahles bestimmte Gasmoleküle zur Energieaufnahme angeregt werden und die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen mit einem Richtmikrofon detektiert und daraus die Konzentration der vorhandenen Gasmoleküle ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung des Winkels zwischen der Richtung des ausgesendeten gebündelten Strahles und der Richtung des Richtmikrofons das Meßobjekt in der Tiefe abgetastet wird.
  3. 3. Vorrichtung zur . . . des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist und ein Richtmikrofon enthält, wobei das Richtmikrofon schwenkbar angeordnet ist, so daß der Winkel zwischen ausgesendeten Strahl und der Richtung des Richtmikrofon meßbar verändert werden kann.






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