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Dokumentenidentifikation DE19810084C2 23.05.2001
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 der Patenterteilung 23.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2001
IPC-Hauptklasse G01N 22/00
IPC-Nebenklasse G01N 33/00   
Zusammenfassung Die 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 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gebündelter, definiert gepulster Strahl von einem Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist, ausgesendet wird und die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen mit einem Richtmikrofon detektiert und daraus die Konzentration der vorhandenen Gasmolekühle ermittelt wird, wobei durch Veränderung des Winkels zwischen der Richtung des ausgesendeten gebündelten Strahls und der Richtung des Richtmikrofons das Messobjekt in der Tiefe abgetastet wird und 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 Richtmikrofons messbar verändert werden kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur räumlichen Erfassung von Luftinhaltsstoffen durch Messung von Schallwellen, wobei durch Absorption ausgestrahlter elektromagnetischer Wellen charakteristische Druckschwankungen erzeugt werden, mittels eines Mikrophons.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur räumlichen Erfassung von Luftinhaltsstoffen durch Messung von Schallwellen, wobei durch Absorption ausgestrahlter elektromagnetischer Wellen charakteristische Druckschwankungen erzeugt werden, mittels eines Mikrofons.

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.

Nach US 5 540 079 ist ein Verfahren zur Überwachung des Kohlenstoffgehaltes in Flugasche durch Messung von Schallwellen, die durch Absorption von Mikrowellen-Pulsen in der Flugasche entstehen, mittels eines Mikrofons bekannt, wobei sich die Flugasche in einer so genannten fotoakustischen Kammer befindet.

Ferner ist nach DE 195 35 720 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Lokalisierung von Leckstellen mit Testgas beschrieben, bei dem ein gepulster Laserstrahl mittels einer Scann-Einrichtung über das zu untersuchende Objekt geführt wird. Im Falle eines Lecks wird von dem an der Leckstelle austretenden Testgas der Laserstrahl absorbiert und erzeugt dabei Schallwellen, die von einem Mikrofon erfasst werden.

In US-Z Microwave Journal, September 1996, Seiten 162 bis 170 und DE-Z tm-Technisches Messen 63 (1996) 7/8, Seiten 278 bis 281 sind optische Fernmessverfahren beschrieben, bei denen zugenannte Lidar (light detection and ranging)-Systeme, die zur Fernüberwachung von Emittenten verwendet werden. Hierbei wird ein kurzer Laserpuls in die Atmosphäre gesandt und das Laserlicht dort sowohl durch die Moleküle der Luft als auch durch kleine Partikel gestreut. Mit einem Teleskop und einem empfindlichen Detektor wird dabei der Teil des Lichtes zeitaufgelöst analysiert, der in Richtung des Systems zurückgestreut wird. Aus der Laufzeit des Laserpulses kann eine räumliche Information ermittelt werden.

Bei den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren ist nachteilig, dass diese entweder eine Messkammer erfordern und somit einen hohen Aufwand erforderlich machen oder nur zur Erfassung bestimmter Stoffe geeignet sind.

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 mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2.

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 Ausführungsbeispiels 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, sodass 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 Schaltaufnehmer veränderbar.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur räumlichen Erfassung von Luftinhaltsstoffen durch Messung von Schallwellen, wobei durch Absorption ausgestrahlter elektromagnetischer Wellen charakteristische Druckschwankungen erzeugt werden, mittels eines Mikrofons, dadurch gekennzeichnet, dass ein gebündelter, definiert gepulster Strahl von einem Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist, ausgesendet wird und die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen mit einem Richtmikrofon detektiert und daraus die Konzentration der vorhandenen Gasmoleküle ermittelt wird, wobei durch Veränderung des Winkels zwischen der Richtung des ausgesendeten gebündelten Strahles und der Richtung des Richtmikrofons das Messobjekt in der Tiefe abgetastet wird.
  2. 2. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Mikrowellensender, dessen Frequenz kontinuierlich veränderbar ist, und ein Richtmikrofon enthält, wobei das Richtmikrofon schwenkbar angeordnet ist, so dass der Winkel zwischen einem ausgesendeten, gebündelten Strahl des Mikrowellensenders und der Richtung des Richtmikrofons messbar verändert werden kann.






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