Messverfahren und Messvorrichtung zur optischen Gasmessung Die Erfindung betrifft einen optischen Gassensor und ein Verfahren zu dessen Betrieb, wobei von einer Lichtquelle emit ^¬ tiertes Licht durch einen hohlen Lichtwellenleiter geleitet wird . Solche optischen Gassensoren verwenden beispielsweise eine Laserdiode, um Licht in ein Messvolumen zu emittieren. Das Messvolumen kann dabei in einer Ausgestaltung solcher Sensoren durch einen hohlen Lichtwellenleiter dargestellt werden. Der hohle Lichtwellenleiter leitet das Licht entlang seiner Ausdehnung, ggf. auch um Biegungen und entlässt oder reflektiert es an seinem Ende zu einem Detektor.

Problematisch bei optischen Gassensoren ist bei der Vermessung von geringen Gaskonzentrationen stets die geringe abso- lute Signalhöhe, die durch die Absorption durch das Gas oder die Gase gegeben ist. Zusammen mit einem vergleichsweise ho ^¬ hen Aufwand bei der Signalauswertung, bei der die genaue Wel ^¬ lenlängenlage und andere Parameter berücksichtigt werden müs ^¬ sen, ergibt sich daraus eine limitierte Genauigkeit der Mes- sung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, wie die Auflösung, also Messgenauigkeit der opti ^¬ schen Messung beträchtlich erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Gasmessvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung besteht in einem Messverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 3. Die Erfindung schafft einen optischer Gassensor. Der Gassensor weist eine Lichtquelle auf, beispielsweise eine VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) oder eine Laserdio ^¬ de. Das davon emittierte Licht wird durch einen hohlen Licht- Wellenleiter, also eine Hohlfaser geleitet. Mit anderen Worten ist der Lichtwellenleiter angeordnet, das von der Lichtquelle emittierte Licht aufzunehmen. Die Hohlfaser kann di ^¬ rekt mit der Lichtquelle gekoppelt sein oder einen Abstand dazu aufweisen. Bei dem Licht handelt es sich bevorzugt um infrarotes Licht, beispielsweise in Wellenlängen zwischen 2 und 10 ym oder aber um sichtbares Licht. Bei breitbandigen Lichtquellen kann das Licht einen großen Bereich vertretener Wellenlängen aufweisen.

Die Hohlfaser ist bevorzugt eine Multi-mode-Faser . Sie kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,5 mm aufweisen. Ihr spezifisches Volumen kann beispielsweise 1,8 ml/m betragen. Sie kann beispielsweise aus einer äußeren Mantelschicht aus S1O ₂ und einer inneren, reflektiven Beschichtung aus Silber oder Silberjodid bestehen. Ihre Dämpfung kann beispielsweise für den Wellenlängenbereich von 2 bis 3 ym 1,5 bis 4 dB/m betragen, wobei dieser Wert u.a. von der Krümmung der Faser abhängt .

Die Faser erlaubt einen Zutritt von zu vermessenden Gasen in ihren inneren Hohlraum. Der Zutritt kann beispielsweise durch die Faserenden erfolgen. Er kann auch durch den Fasermantel erfolgen. Dazu kann der Fasermantel gaspermeabel sein. Er kann auch Löcher, Spalte o.ä. Öffnungen aufweisen.

Zumindest während des Durchtritts des Lichts durch die Hohl ^¬ faser wird ein Teil des Lichts durch in der Faser vorhandene Gase absorbiert. Diese Absorption wird nach Durchtritt durch die Hohlfaser durch einen Detektor festgestellt und analysiert .

Wenigstens während der Messung wird die Hohlfaser erfindungs ^¬ gemäß in Vibrationen versetzt. Hierdurch werden vorteilhaft Interferenzerscheinungen, die bei einer festen Geometrie beispielsweise aufgrund von Spiegelungen auftreten können, in ihrem Einfluss reduziert. Konkret kann sich dabei bei einer Messung für das Signal- zu Rausch-Verhältnis eine Verbesse- rung um den Faktor 10 oder mehr ergeben. Als Frequenz für die Vibrationen kann beispielsweise 200 Hz verwendet werden. Die Amplitude der Vibrationen liegt bevorzugt bei mehreren 100 ym.

Der Effekt der Vibrationen besteht darin, große Artefakte, die beispielsweise durch Spiegelungen auftreten und eine gro ^¬ ße Amplitude und Frequenzausdehnung aufweisen, in Rauschen mit kleinerer Frequenzausdehnung umzuwandeln. Das zusätzliche Rauschen lässt sich durch einen Kurvenfit der Messergebnisse wesentlich besser eliminieren als die vormaligen Artefakte.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Hohlfaser direkt mit der Lichtquelle in Verbindung gebracht wird. Damit ist gemeint, dass das emittierte Licht nicht oder möglichst wenig freien

Raum durchqueren muss, bevor es in die Hohlfaser eintritt. Im Idealfall ist die Hohlfaser direkt mit der Lichtquelle gekop ^¬ pelt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine VCSEL verwen ^¬ det wird, da deren Strahlung eine geringe Divergenz aufweist.

Im Folgenden werden anhand von schematischen begleitenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen schema ^¬ tisch Figur 1 einen Aufbau einer Hohlfaser,

Figur 2 einen Vergleich zwischen Messungen mit und ohne Vibrationen der Hohlfaser und

Figur 3 einen Messaufbau.

Figur 1 zeigt einen stark schematisierten Aufbau für eine Hohlfaser 11, durch die das Licht gesendet werden kann, das für die Messung verwendet wird. Die Hohlfaser 11 weist ein Hülle 1 aus Siliziumdioxid auf. Innerhalb der Hülle 1 befin ^¬ det sich eine Schicht 2 aus Ag und/oder AgI . Der Innenraum 3 ist hohl und mit Luft oder anderen Gasen gefüllt. Da das Licht sich im Wesentlichen im Innenraum 3 der Hohlfaser 11 bewegt, wird das dort befindliche Gas vermessen. Figur 2 zeigt einen Vergleich zwischen einer ersten Messung 4 ohne und einer zweiten Messung 5 mit Vibration der Hohlfaser 11. Dabei ist deutlich sichtbar, dass der teilweise durch Interferenzen erzeugte stark schwankende Untergrund in der ers- ten Messung 4 ohne Vibration der Hohlfaser 11 eine deutliche Störung der Auswertung bewirken kann. Bei der zweiten Messung 5 mit Vibration der Hohlfaser 11 hingegen ist außerhalb der durch Wasser bedingten Absorptionslinien (in zweiter Ableitung) bei einem Laserstrom von zwischen 6 und 6,5 mA nur we- nig Störung zu bemerken.

Die Vibration der Hohlfaser 11 bewirkt vorteilhaft eine Verringerung des Störeinflusses der Interferenzen. Dabei wird vorteilhaft über einen Zeitraum gemessen, der zumindest län- ger ist als die Vibrationsperiode der Hohlfaser, idealerweise wesentlich länger. Beispielsweise kann die Vibration mit 200 Hz durchgeführt werden, während Messwerte mit 10 Hz er ^¬ zeugt werden. Durch eine Integration oder Mittelwertbildung oder eine vergleichbare Zusammenfassung der Messwerte über die Zeit wird die Amplitude der Störungen relativ zur Amplitude der Signale deutlich verringert. Im gegebenen Beispiel nach Fig. 2 wird eine Verringerung um einen Faktor 10 erreicht . Die Vibrationen können in Längsrichtung der Hohlfaser 11 oder quer zur Längsrichtung stattfinden. Da die Hohlfaser 11 auch gekrümmt oder sogar aufgewickelt sein kann, ist es auch mög ^¬ lich, dass die Vibrationen in verschiedenen Bereichen der Hohlfaser 11 unterschiedliche Richtungen relativ zur Lage der Hohlfaser 11 haben.

Figur 3 zeigt einen beispielhaften Messaufbau 10. Eine Aus- wertungs- und Steuerungseinrichtung 14 steuert eine Licht ^¬ quelle in Form eines bei 2,3 ym emittierenden Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) 12. Das Licht der VCSEL 12 wird in die Hohlfaser 11 eingekoppelt. Es läuft dort entlang der Ausdehnung der Hohlfaser 11 zu einem Detektor in Form einer InGaAs-Photodiode 13. Die Photodiode 13 ist in einem Ge- häuse 15 untergebracht. Das Gehäuse 15 ist mit einer Gasmi ^¬ schung mit 10 Vol.-% Methan (CH ₄ ) gefüllt, das als Referenzgas dient. Das Signal der Photodiode 13 wird von der Auswer- tungs- und Steuerungseinrichtung 14 aufgenommen und ausgewer- tet. Die Hohlfaser 11 weist in Figur 3 eine Schleife auf. Im Bereich der Einkopplung des Lichts der VCSEL 13 wird die Hohlfaser 11 in Vibrationen versetzt.