DE19938280C1

DE19938280C1 - Verfahren zur Verbesserung der Betriebssicherheit von optischen Gassensoren

Info

Publication number: DE19938280C1
Application number: DE19938280A
Authority: DE
Inventors: Bernd Fassian; Guenter Wahlbrink; Robert Kessel
Original assignee: Draeger Sicherheitstechnik GmbH
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: US6320199B1; GB0006405D0; FR2797497B1; FR2797497A1; GB2353092A; GB2353092B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Betriebssicherheit von optischen Gassensoren mit mindestens einer Strahlungsquelle und mit mindestens einem Strahlungsdetektor. Durch Vergleich und Bewertung der von dem mindestens einen Strahlungsdetektor abgegebenen Meßsignale (18) (D) mit ersten, zweiten und dritten gespeicherten Referenzwerten (D 1 , D 2 , K) wird einerseits erreicht, daß im Falle toxischer oder aufgrund der Explosionsgefahr kritischer Gaskonzentrationen entsprechend dem Bereich zwischen den Referenzwerten D 1 und D 2 weiterhin zweite Meßwerte (15) zum Schutz des Benutzers ausgegeben werden, wenn der dritte Referenzwert (K) überschritten wird. Andererseits werden zumindest erste Warnsignale (16) vom Gassensor abgegeben, um auf das Erreichen eines vorgegebenen Verschmutzungsgrades hinzuweisen, damit der Gassensor in Kürze gewartet und gereinigt oder durch einen neuen Gassensor ersetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Betriebssicherheit von optischen Gassensoren.

Optische Gassensoren weisen in der Regel eine oder mehrere Strahlungsquellen auf, die geeignete Strahlung über eine Meßstrecke aussenden, wobei die resultierenden Meßstrahlen ein- oder mehrmals die Meßstrecke mit dem zu messenden Gas durchqueren und die Intensität der durch die optische Absorption des zu messenden Gases geschwächten Meßstrahlen mittels eines oder mehrerer Strahlungsdetektoren gemessen wird. Die verbleibende, gemessene Strahlungsintensität gasspezifischer Wellenlänge(n) ist dabei ein Maß für die Konzentration des gemessenen Gases.

Eine derartige Meßvorrichtung geht beispielsweise aus DE 197 13 928 C1 hervor.

Für die Messung der Konzentration vieler Gase, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe (zum Beispiel Methan) ist die Infrarotabsorption charakteristisch und deshalb für die Messung besonders bevorzugt.

Ein Problem bei den bisher bekannten optischen Gassensoren ergibt sich aus der Tatsache, daß die optische Meßstrecke für das zu messende Gas möglichst gut zugänglich sein muß, damit möglichst ohne zeitliche Verzögerung ein für die aktuelle Gaskonzentration am Ort der Messung repräsentatives Meßsignal ermittelt werden kann.

Da die Meßstrecke in der Regel durch optische Elemente wie Fenster, Spiegel oder Linsen begrenzt wird beziehungsweise mit derartigen Elementen versehen ist, sind diese Elemente außer den zu messenden Gasen am Ort der Messung in gleicher Weise auch störenden Umwelteinflüssen wie beispielsweise Regen, Schnee, Staub, Aerosolen oder Verschmutzungen ausgesetzt. Diese Umwelteinflüsse führen zu Störungen beziehungsweise Abschwächungen des Meßstrahls und des letztlich von den Strahlungsdetektoren abgegebenen Meßsignals.

Bei Abschwächung des Meßstrahls über ein bestimmtes Maß hinaus kann die Konzentration des zu messenden Gases nicht mehr gemessen werden, so daß die Meßeinheit mit den Strahlungsdetektoren in diesem Fall mehr oder weniger abrupt ein Störungssignal, insbesondere ein elektrisches Signal in Form einer konstanten Stromstärke, abgibt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für optische Gassensoren ein Verfahren vorzuschlagen, das die Betriebssicherheit im Falle zunehmender Störungen des Meßstrahls durch Umwelteinflüsse erhöht.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2, die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 an.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere im Falle toxischer oder explosiver zu messender Gase in der Erhöhung der gegebenenfalls lebenswichtigen Meßbereitschaft des Gassensors, verbunden mit der rechtzeitigen Warnung über einen eingeschränkten Betriebszustand, während der oder die Benutzer des Gassensors vor toxischen Schäden und vorhandene Maschinen und Anlagen in der Umgebung vor Explosionsschäden bewahrt werden, weil weiterhin kritische Gaskonzentrationen gemessen und angezeigt werden.

In der Praxis werden die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor empfangenen optischen Meßsignale mit zunehmendem Verschmutzungsgrad kleiner, so daß in diesem Fall bei Unterschreitung eines ersten gespeicherten Referenzwertes die Meßsignale mit einem zweiten gespeicherten Referenzwert verglichen werden, so daß bei Unterschreitung auch des zweiten gespeicherten Referenzwertes durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor abgegebenen Meßsignale zweite Warnsignale vom Gassensor ausgegeben werden. Wird jedoch nur der erste gespeicherte Referenzwert unterschritten, aber der zweite gespeicherte Referenzwert nicht unterschritten, wird mit einem dritten gespeicherten Referenzwert verglichen, der im allgemeinen ein Maß für eine kritische Gaskonzentration ist: Je nachdem, ob dieses Maß für eine kritische Gaskonzentration durch das Meßsignal unterschritten wird oder nicht, werden Meßwerte abgegeben (bei Unterschreitung des Maßes für eine kritische Gaskonzentration) oder erste Warnsignale ausgegeben (bei Nichtunterschreitung des Maßes für eine kritische Gaskonzentration).

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 bis 3 den schematischen Aufbau eines Gassensors und

Fig. 4 die Entscheidungsstruktur der Auswerteeinheit 6 des Gassensors gemäß Fig. 1 bis 3.

In Fig. 1 ist schematisch die Anordnung eines vorzugsweise im infraroten Wellenlängenbereich arbeitenden optischen Gassensors dargestellt. Derartige Gassensoren dienen zur Messung der Konzentration von Gasen, wobei die Absorption des Meßstrahls 8 bei mindestens einer für das zu messende Gas charakteristischen Wellenlänge ausgewertet wird: Die von der Strahlungsquelle 1 ausgehenden Meßstrahlen 8 durchqueren ein optisches Fenster 2, eine Meßstrecke 5 mit dem zu messenden Gas, die durch ein zweites Fenster 3 (rechts in den Fig. 1 bis 3) begrenzt wird. Schließlich gelangen die Meßstrahlen 8 zu mindestens einem Strahlungsdetektor 4. Die Meßsignale des Strahlungsdetektors 4 werden in der Auswerteeinheit 6 verarbeitet und als Meßwerte 7, insbesondere als Stromwerte, ausgegeben. Kommt es nun gemäß Fig. 2 zu Verschmutzungen 10 in der Meßstrecke 5 oder an den optischen Fenstern 2, 3, wird ein gestrichelt dargestellter Teil 9 der von der Strahlungsquelle 1 ausgesendeten Meßstrahlen 8 abgeschwächt. In Fig. 3 ist der Fall dargestellt, daß die Verschmutzungen 10 die gesamte Meßstrecke 5 einnehmen oder die optischen Fenster 2, 3 vollständig abdecken, so daß der Strahlungsdetektor 4 keine Strahlung von der Strahlungsquelle 1 mehr empfängt, weil der gestrichelt dargestellte Teil 9 den gesamten Strahlenquerschnitt hinter der Verschmutzung 10 einnimmt. Beim Vergleich der Fig. 1 und 2 wird deutlich, daß je nach Verschmutzungsgrad die Signalschwächung graduell unterschiedlich und im allgemeinen zeitabhängig ist.

In Fig. 4 ist zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Entscheidungsstruktur der Auswerteeinheit 6 dargestellt, die insbesondere elektronisch realisiert ist.

Enthält die Meßstrecke 5 keine oder nur geringfügige Verschmutzungen 10, werden den Meßsignalen D bzw. 18 entsprechende erste Meßwerte 11 ausgegeben.

Mittels eines ersten Komparators 12 werden die Meßsignale D des Strahlungsdetektors 4 in periodischen Zeitabständen abgenommen, um den aktuellen Verschmutzungsgrad des Gassensors durch Vergleich mit einem ersten, einem bestimmten Verschmutzungsgrad entsprechenden, gespeicherten Referenzwert D₁ zu bestimmen.

Ist der Verschmutzungsgrad größer als durch D₁ vorgegeben, also D < D₁, wird durch einen zweiten Komparator 13 bewertet, ob das dem aktuellen Verschmutzungsgrad entsprechende Meßsignal auch kleiner als ein zweiter gespeicherter Referenzwert D₂, also D < D₂ ist. Bei Unterschreitung des Wertes D₂ durch die entsprechenden Meßsignale D ist eine Messung der Gaskonzentration nicht mehr sinnvoll, so daß zweite Warnsignale 17, insbesondere in Form eines konstanten elektrischen Stromes, ausgegeben werden.

Kommt der zweite Komparator 13 durch Vergleich der Meßsignale D mit dem zweiten gespeicherten Referenzwert D₂ zu dem Ergebnis, daß dieser nicht unterschritten wird, werden die Meßsignale D durch einen weiteren, dritten Komparator 14 bewertet, indem diese mit einem dritten gespeicherten Referenzwert K verglichen werden, wobei K insbesondere ein Maß für eine charakteristische Konzentration ist.

Bei Unterschreitung des dritten gespeicherten Referenzwertes K durch die Meßsignale D, das heißt also im Falle der Überschreitung der entsprechenden charakteristischen Konzentration, wird die Verschmutzung 10 der Meßstrecke 5 ignoriert und es werden zweite Meßwerte 15 der aktuellen Konzentration zum Schutz des Benutzers ausgegeben, beispielsweise, weil eine maximal am Arbeitsplatz zulässige Konzentration für ein toxisches Gas erreicht ist oder weil die für eine Explosionsgrenze in einem Gasgemisch kritische Konzentration des zu messenden Gases erreicht ist. Bei Nichtunterschreitung des dritten gespeicherten Referenzwertes K, das heißt wenn keine gefährliche Gaskonzentration vorhanden ist, werden erste Warnsignale 16 vom Gassensor abgegeben, weil ein kritischer Verschmutzungsgrad der Meßstrecke 5 erreicht ist, so dass der Benutzer schon im voraus darauf hingewiesen wird, daß eine Reinigung oder Wartung des Gassensors zur Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit notwendig ist.

Alternativ könnte im Verschmutzungsintervall entsprechend dem Wertebereich zwischen den Referenzwerten D₁ bis D₂ der dritte Komparator 14 entfallen und in vorgegebenen, einstellbaren Zeitabständen zwischen der Ausgabe von zweiten Meßwerten 15 und der Ausgabe von ersten Warnsignalen 16 hin- und hergeschaltet werden.

Die Warnsignale 17 weisen den Benutzer darauf hin, daß aufgrund des erreichten Verschmutzungsgrades die Betriebssicherheit des Gassensors nicht mehr gegeben ist, so daß eine Wartung mit Reinigung erforderlich ist und zur Aufrechterhaltung der Gasmessung ersatzweise ein zweiter Gassensor in Betrieb genommen werden sollte.

Gleichzeitig ist es aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, daß im Falle toxischer oder aufgrund der Explosionsgefahr kritischer Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch entsprechend dem Bereich zwischen den Referenzwerten D₁ und D₂ zweite Meßwerte 15 zum Schutze des Benutzers ausgegeben werden, wenn der dritte Referenzwert K unterschritten ist. In praktischen Versuchen entsprach der bisher allein relevante erste Referenzwert D₁ = D₂, das heißt der Wert, ab dem abrupt keine Messung und keine Meßwerteausgabe mehr erfolgte, einem Verschmutzungsgrad von etwa 50 bis 70%. Der im erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich verwendete zweite Referenzwert D₂ (kleiner als D₁) entsprach einem Verschmutzungsgrad von etwa 80 bis 90%, so daß im Vergleich zum bisher üblichen Verfahren, das nur bis zum Erreichen des Referenzwertes D₁ eine Messung zuließ, eine deutliche Verbesserung erreicht wurde.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Betriebssicherheit von optischen Gassensoren mit mindestens einer Strahlungsquelle und mindestens einem Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. 1.1 Die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) werden zunächst mit einem ersten gespeicherten Referenzwert (D₁) verglichen, so daß
- 1. 1.1.1 bei Nichtunterschreitung des ersten gespeicherten Referenzwertes (D₁) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (1) entsprechende Meßwerte (7, 11) vom Gassensor ausgegeben werden und
- 2. 1.1.2 bei Unterschreitung des ersten gespeicherten Referenzwertes (D₁) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) diese Meßsignale (18, D) mit einem zweiten gespeicherten Referenzwert (D₂) verglichen werden, so daß
- 3. 1.2.1 bei Nichtunterschreitung des zweiten gespeicherten Referenzwertes (D₂) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) diese Meßsignale mit einem dritten gespeicherten Referenzwert (K) verglichen werden und
- 4. 1.2.1.1 bei Unterschreitung des drillen gespeicherten Referenzwertes (K) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) entsprechende Meßwerte (7, 15) vom Gassensor ausgegeben werden und
- 5. 1.2.1.2 bei Nichtunterschreitung des dritten gespeicherten Referenzwertes (K) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) erste Warnsignale (16) vom Gassensor ausgegeben werden und schließlich
- 6. 1.2.2 bei Unterschreitung des zweiten gespeicherten Referenzwertes (D₂) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) zweite Warnsignale (17) vom Gassensor ausgegeben werden.

2. Verfahren zur Verbesserung der Betriebssicherheit von optischen Gassensoren mit mindestens einer Strahlungsquelle und mindestens einem Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. 2.1 Die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) werden zunächst mit einem ersten gespeicherten Referenzwert (D₁) verglichen, so daß
- 1. 2.1.1 bei Nichtunterschreitung des ersten gespeicherten Referenzwertes (D₁) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) entsprechende Meßwerte (7, 11) vom Gassensor ausgegeben werden und
- 2. 2.1.2 bei Unterschreitung des ersten gespeicherten Referenzwertes (D₁) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) diese Meßsignale (18, D) mit einem zweiten gespeicherten Referenzwert (D₂) verglichen werden, so daß
- 3. 2.2.1 bei Nichtunterschreitung des zweiten gespeicherten Referenz wertes (D₂) durch die von dem mindestens einen Strahlungs detektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) in vorgegebenen, einstellbaren Zeitabständen zwischen der Ausgabe von Meß werten (7, 15) und der Ausgabe von ersten Warnsignalen (16) hin- und hergeschaltet wird und
- 4. 2.2.2 bei Unterschreitung des zweiten gespeicherten Referenz wertes (D₂) durch die von dem mindestens einen Strahlungs detektor (4) abgegebenen Meßsignale (18) (D) vom Gassensor zweite Warnsignale (17) ausgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18 D) in vorgegebenen, einstellbaren Zeitabständen mit dem oder den gespeicherten Referenzwerten (D₁, D₂, K) verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Warnsignale (16, 17) mittels eines konstanten Stroms, eines Digitalsignals, einer optischen Anzeige und/oder mittels einer akustischen Warneinrichtung abgegeben werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte gespeicherte Referenzwert (K) einer für das zu messende Gas kritischen, charakteristischen Konzentration entspricht, insbesondere der maximal am Arbeitsplatz zulässigen Konzentration des Gases oder der für eine Explosionsgrenze kritischen Konzentration des Gases in einem Gasgemisch.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nichtunterschreitung des zweiten gespeicherten Referenzwertes (D₂) und bei gleichzeitiger Unterschreitung des dritten gespeicherten Referenzwertes (K) durch die von dem mindestens einen Strahlungsdetektor (4) abgegebenen Meßsignale (18, D) zusätzliche dritte Warnsignale vom Gassensor ausgegeben werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Warnsignale (16, 17) und/oder die dritten Warnsignale in Form eines konstanten Stromes vom Gassensor ausgegeben werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der ersten und zweiten Warnsignale (16, 17) und/oder der Meßwerte (7; 11, 15) in vorgegebenen, einstellbaren Zeitabständen unterbrochen wird.