ES2908830T3 - Dispositivo y método para la detección remota de un gas objetivo - Google Patents

Abstract

Dispositivo (1) para la detección remota de un gas objetivo (2) que presenta un dispositivo de iluminación (3) con un láser (4), donde el láser (4) está concebido de tal manera que, durante un funcionamiento del dispositivo (1), el láser (4) emite un rayo láser de excitación monomodo (5) con una longitud de onda, un dispositivo de modulación (6), un dispositivo de detección (7) con un primer detector (8) que está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo láser de excitación (5) se detecta por el dispositivo de detección (7), y un dispositivo de evaluación (9), donde el dispositivo de modulación (6) y el láser (4) están concebidos y dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la longitud de onda del rayo láser de excitación (5) se modula con una primera frecuencia de modulación, donde el dispositivo de iluminación (3) y el dispositivo de detección (7) están dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo láser de excitación (5) se puede irradiar desde un punto de radiación (13) sobre un objeto (10) y el rayo láser de excitación (11) reflejado y/o dispersado por el objeto (10) se puede detectar por el dispositivo de detección (7), donde el dispositivo de detección (7) y el dispositivo de evaluación (9) están conectados entre sí de forma efectiva de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), una señal que representa el rayo láser de excitación detectado (11) se transmite desde el dispositivo de detección (7) al dispositivo de evaluación (9), y donde el dispositivo de evaluación (9) está adaptado de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el dispositivo de evaluación (9) evalúa la señal transmitida por el dispositivo de detección (7), donde la densidad de columna media (18) del gas objetivo (2) se determina en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación (5, 11) a partir de una atenuación del rayo láser de excitación (5, 11), donde el dispositivo de iluminación (3) está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el dispositivo de iluminación (3) irradia un rayo de medición de distancia (12) con una longitud de onda, donde el láser (4) contribuye a la generación del rayo de medición de distancia (12), el dispositivo de iluminación (3) está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo de medición de distancia (12) se puede irradiar en la misma trayectoria óptica desde el punto de radiación (13) sobre el objeto (10) como el rayo láser de excitación (5), el dispositivo de modulación (6) y el dispositivo de iluminación (3) están concebidos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia (12) está modulado con una segunda frecuencia de modulación, donde la segunda frecuencia de modulación es diferente de la primera frecuencia de modulación, el dispositivo de modulación (6) está conectado de forma efectiva al dispositivo de evaluación (9) de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), una señal se transmite desde el dispositivo de modulación (6) al dispositivo de evaluación (9), donde la señal representa la frecuencia de modulación, el dispositivo de detección (7) está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo de medición de distancia (24) reflejado y/o dispersado en el objeto (10) se puede detectar por el dispositivo de detección (7), el dispositivo de detección (7) está conectado de forma efectiva al dispositivo de evaluación (9) de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), una señal que representa el rayo de medición de distancia detectado (24) se transmite al dispositivo de evaluación (9), y el dispositivo de evaluación (9) está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el dispositivo de evaluación (9) determina a partir de la señal transmitida la distancia espacial (17) entre el punto de radiación (13) y el objeto (10), donde la distancia espacial (17) se determina por medio de una medición de fase o una medición de distancia FMCW, y que la concentración de gas media del gas objetivo (2) se determina a partir de la densidad de columna media (18) del gas objetivo (2) y la distancia espacial (17).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y método para la detección remota de un gas objetivo

La presente invención se refiere a un dispositivo para la detección remota de un gas objetivo, que presenta un dispositivo de iluminación con un láser, donde el láser está concebido de tal manera que, durante un funcionamiento del dispositivo, el láser emite un rayo láser de excitación monomodo con una longitud de onda, un dispositivo de modulación, un dispositivo de detección con un primer detector, que está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el rayo láser de excitación se detecta por el dispositivo de detección, y un dispositivo de evaluación, donde el dispositivo de modulación y el láser están concebidos y dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, la longitud de onda del rayo láser de excitación está modulada con una primera frecuencia de modulación, donde el dispositivo de iluminación y el dispositivo de detección están dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el rayo láser de excitación se puede irradiar desde un punto de radiación sobre un objeto y el rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado por el objeto se puede detectar por el dispositivo de detección, donde el dispositivo de detección y el dispositivo de evaluación están conectados entre sí de forma efectiva de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, una señal que representa el rayo láser de excitación detectado se transmite desde el dispositivo de detección al dispositivo de evaluación, y donde el dispositivo de evaluación está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el dispositivo de evaluación evalúa la señal transmitida por el dispositivo de detección, donde la densidad de columna media del gas objetivo se determina en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación a partir de una atenuación del rayo láser de excitación.

La presente invención se refiere además a un método para la detección remota de un gas objetivo con los pasos: generación de un rayo láser de excitación monomodo con una longitud de onda con un láser, modulación de la longitud de onda del rayo láser de excitación con una primera frecuencia de modulación, iluminación de un objeto con el rayo láser de excitación modulado, donde el rayo láser de excitación recorre una trayectoria desde un punto de radiación hasta el objeto, detección del rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado por el objeto, determinación de la densidad de columna media del gas objetivo en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación a partir de una atenuación del rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado en el objeto.

El objetivo de la detección remota de un gas objetivo es registrar cuantitativamente un gas específico en un entorno definido o en un punto definido, por ejemplo, en el entorno de un gasoducto. Así, por ejemplo, las fugas en un gasoducto se pueden detectar de forma remota sin que el usuario se exponga al riesgo de gases nocivos.

Para ello, por el estado de la técnica se conocen métodos y dispositivos que se sirven de la espectroscopia láser, en particular con longitudes de onda en el rango del infrarrojo cercano y medio. A este respecto, un rayo láser con una longitud de onda determinada atraviesa un volumen con el gas a detectar. Dependiendo del tipo de gas en cuestión, por la radiación láser se excitan diferentes vibraciones moleculares y transiciones rotacionales en los gases, de modo que la radiación se absorbe dependiendo del tipo de gas. En particular en el rango infrarrojo, muchos gases muestran propiedades de absorción características a las que se puede recurrir para una diferenciación.

Para poder detectar la radiación láser que interactúa con los gases, a menudo se utiliza una geometría de reflexión. Esto decir, el rayo láser se refleja en una superficie, por ejemplo, la pared de un gasoducto, de nuevo en la dirección del punto de radiación y se detectado por un dispositivo de detección correspondiente que es sensible a la longitud de onda emitida del rayo láser. Por lo tanto, se infiere el tipo de gas en base al debilitamiento detectado de la radiación láser.

Sin embargo, en aplicaciones en la práctica, por ejemplo, en la detección de fugas en objetos que transportan gas, a menudo ya se conoce qué tipo de gas es el gas objetivo que se escapa potencialmente. Además del tipo de gas, es de particular importancia determinar cuantitativamente la concentración de gas en base a la atenuación de la señal.

Si la medición se realiza sin conocer la distancia entre el punto de radiación del dispositivo de medición y el punto en el que se refleja la radiación, solo es posible determinar la llamada densidad de columna del gas objetivo, es decir, una cantidad de gas integrada sobre la distancia, que a menudo se indica en la unidad ppm*m.

Por el contrario, si se conoce la distancia, la concentración de gas media en ppm se puede determinar a partir de la densidad de columna. Por el estado de la técnica se conocen métodos para determinar la distancia, que estiman la distancia o usan un equipo separado para medir aproximadamente la distancia.

Así Frish et. al. en IEEE Sensors Journal, vol. 10, núm. 3, 2010 describe un dispositivo para la detección de gases basado en la espectroscopia de absorción por medio de láseres sintonizables, donde se tiene en cuenta la distancia al objeto de medición además de la medición espectroscópica.

Sin embargo, las imprecisiones asociadas con ello en la determinación de la distancia conducen a problemas masivos en la detección de fugas en objetos que transportan gas. A este respecto, una medición de distancia exacta es esencial para una determinación exacta de la concentración de gas. En particular, se debe asegurar que la distancia medida corresponda al recorrido de absorción para la determinación de la densidad de columna.

Además, cantidades del gas objetivo están presentes naturalmente en el medio ambiente, las cuales pueden falsear el resultado de la medición.

Por lo tanto, la presente invención tiene el objetivo de proporcionar un dispositivo y un método para la detección remota de un gas objetivo, que permita una medición más precisa de la concentración del gas objetivo.

El objeto antes mencionado se logra según la invención mediante un dispositivo para la detección remota de un gas objetivo, que presenta un dispositivo de iluminación con un láser, donde el láser está concebido de tal manera que, durante un funcionamiento del dispositivo, el láser emite un rayo láser de excitación monomodo con una longitud de onda, el dispositivo presenta además un dispositivo de modulación y un dispositivo de detección con un primer detector, que está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el rayo láser de excitación se detecta por el dispositivo de detección, y el dispositivo presenta además un dispositivo de evaluación, donde el dispositivo de modulación y el láser están concebidos y dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, la longitud de onda del rayo láser de excitación está modulada con una primera frecuencia de modulación, donde el dispositivo de iluminación y el dispositivo de detección están dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el rayo láser de excitación se puede irradiar desde un punto de radiación sobre un objeto y el rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado por el objeto se puede detectar por el dispositivo de detección, donde el dispositivo de detección y el dispositivo de evaluación están conectados entre sí de forma efectiva de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, una señal que representa el rayo láser de excitación detectado se transmite desde el dispositivo de detección al dispositivo de evaluación, y donde el dispositivo de evaluación está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el dispositivo de evaluación evalúa la señal transmitida desde el dispositivo de detección, donde la densidad de columna media del gas objetivo se determina en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación a partir de una atenuación del rayo láser de excitación, donde el dispositivo de iluminación está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el dispositivo de iluminación irradia un rayo de medición de distancia con una longitud de onda, donde el láser contribuyendo a la generación del rayo de medición de distancia, el dispositivo de iluminación está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el rayo de medición de distancia se puede irradiar desde el punto de radicación sobre el objeto en la misma trayectoria óptica que el rayo láser de excitación, el dispositivo de modulación y el dispositivo de iluminación están concebidos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia está modulada con una segunda frecuencia de modulación, donde la segunda frecuencia de modulación es diferente de la primera frecuencia de modulación, el dispositivo de modulación está conectado de forma efectiva al dispositivo de evaluación de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, una señal se transmite desde el dispositivo de modulación al dispositivo de evaluación, donde la señal representa la frecuencia de modulación, el dispositivo de detección está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el rayo de medición de distancia reflejado y/o dispersado en el objeto se puede detectar por el dispositivo de detección, el dispositivo de detección está conectado de forma efectiva al dispositivo de evaluación de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, una señal que representa el rayo de medición de distancia detectado se transmite al dispositivo de evaluación, y el dispositivo de evaluación está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo, el dispositivo de evaluación determina la distancia espacial entre el dispositivo y el objeto a partir de la señal transmitida, donde la distancia espacial se determina por medio de una medición de fase o una medición de distancia FMCW, y donde a partir de la densidad de columna media del gas objetivo y la distancia espacial se determina la concentración de gas media del gas objetivo.

Según la invención, el dispositivo para la detección de un gas objetivo, tal como, por ejemplo, un gas natural activo en el infrarrojo como el metano, comprende un dispositivo de iluminación con un láser que emite un rayo láser de excitación continuo, monomodo con una longitud de onda, por ejemplo en el rango de infrarrojo. A este respecto, el dispositivo de iluminación está dispuesto de modo que el rayo láser de excitación se puede irradiar desde un punto de radiación sobre un objeto, en el que se sospecha, por ejemplo, una fuga. El rayo láser de excitación incide sobre el objeto que se debe examinar (por ejemplo, un gasoducto) y se refleja y/o dispersa en el objeto.

El dispositivo según la invención presenta además un dispositivo de detección con un primer detector, que está concebido de tal manera que el rayo láser de excitación que se ha reflejado y/o dispersado en la superficie del objeto se detecta por el detector del dispositivo de detección. En la detección de la radiación en el rango de infrarrojo se utilizan en particular detectores térmicos como bolómetros o fotodetectores. La ventaja de los fotodetectores consiste en una sensibilidad claramente más elevada en comparación a los detectores térmicos, pero el rango espectral detectable es más limitado. Dado que cada tipo de gas muestra características de absorción a diferentes longitudes de onda, el detector se debe adaptar preferentemente al tipo de gas a detectar respectivamente.

En su trayectoria desde el punto de radiación hasta el objeto y en su trayectoria de regreso al detector, el rayo láser de excitación experimenta una atenuación dependiente del tipo de gas, ya que se excitan diferentes vibraciones moleculares y/o transiciones rotacionales en el gas dependiendo de la longitud de onda del rayo láser de excitación.

Para determinar la densidad de columna media del gas objetivo a partir de la atenuación del rayo láser de excitación, el dispositivo según la invención presenta además un dispositivo de evaluación, donde el dispositivo de detección y el dispositivo de evaluación están conectados entre sí de forma efectiva de tal manera que una señal que representa el rayo láser de excitación detectado se transmite desde el dispositivo de detección al dispositivo de evaluación.

La densidad de columna media es la concentración de gas normalizada a 1 m, que se determina a partir del espectro de transmisión en toda la distancia del rayo láser de excitación. El rayo láser de excitación atraviesa una longitud de recorrido desconocida a través de una nube de gas objetivo potencial con una elevada concentración de gas y fuera de la nube un recorrido desconocido con la concentración ambiental. Si se conoce la distancia y, por lo tanto, la longitud de recorrido total del rayo láser de excitación, la concentración de gas media se puede calcular a partir de la densidad de columna media.

Para determinar exactamente la distancia entre el dispositivo y el objeto, el dispositivo de iluminación del dispositivo está concebido además de tal manera que se irradia un rayo de medición de distancia con una longitud de onda, donde el láser contribuye a la generación del rayo de medición de distancia. En el sentido de la presente invención, el hecho de que el láser contribuya a la generación del rayo de medición de distancia significa que el láser provoca la generación del rayo de medición de distancia directamente, es decir, mediante emisión del propio rayo de medición de distancia, o indirectamente, por ejemplo mediante duplicación de frecuencia en un cristal óptico no lineal.

Una ventaja de tal medición de distancia consiste en que la medición de distancias se realiza en el mismo lugar y en particular también a lo largo del mismo recorrido que la medición espectroscópica. Por lo tanto, se asegura automáticamente que la distancia medida corresponde al recorrido de absorción.

En una forma de realización, el rayo de medición de distancia se emite sobre la misma trayectoria óptica hacia el objeto que el rayo láser de excitación.

En una forma de realización, el punto de radiación en el sentido de la presente invención es aquel punto en el que el rayo láser de excitación y el rayo de medición de distancia discurren por primera vez una trayectoria óptica común. Pero, en una forma de realización también es posible que se defina como punto de radiación el punto en el que el rayo láser de excitación y el rayo láser de medición de distancias salen de una carcasa del dispositivo, ya que la concentración de gas en el interior de la carcasa se mantiene convenientemente tan baja como sea posible. Tan bajo como sea posible. Por lo tanto, el curso de la radiación en la carcasa no contribuye a la medición de la densidad de columna media o la concentración de gas media y el recorrido allí recorrido por la radiación es irrelevante. En una forma de realización, el punto de radiación es el punto desde el que la radiación láser de excitación puede experimentar por primera vez una atenuación debida a la absorción en un gas. Con el dispositivo según la invención, la concentración de gas media y la densidad de columna media se determinan básicamente entre el punto de radiación y el punto de reflexión en el objeto.

Según la invención, la medición de distancia se realiza por medio de una medición de fase o una medición de distancia FMCW. Entre otras cosas, esto ofrece la ventaja de que la radiación electromagnética continua (CW) se puede utilizar como rayo de medición de distancia, de modo que al menos en formas de realización del dispositivo según la invención, el rayo láser de excitación también sirve simultáneamente como rayo de medición de distancia.

En la medición de distancia en base a una medición de fase se aprovecha el hecho de que la posición de fase de la modulación de amplitud del rayo de medición de distancia depende de la distancia recorrida después de atravesar la trayectoria desde el dispositivo de iluminación hasta el objeto y de vuelta desde el objeto hasta el detector. La posición de fase se puede medir en comparación con una señal de referencia, que se transmite directamente desde el dispositivo de modulación sin atravesar la trayectoria desde el dispositivo de iluminación hasta el objeto y de vuelta al dispositivo de evaluación.

En una medición de distancia FMCW (de inglés, onda continua modulada en frecuencia), la longitud de onda o la frecuencia del rayo de medición de distancia cambia linealmente con el tiempo. A este respecto, el cambio lineal en la longitud de onda o frecuencia se repite periódicamente en el tiempo. Por lo tanto, cada longitud de onda o frecuencia del rayo de medición de distancia codifica un valor de tiempo determinado cuando en la radiación desde el dispositivo de iluminación.

En particular, se utilizan funciones de diente de sierra o triangulares para modular la longitud de onda o frecuencia del rayo de medición de distancia. De esta manera, en todo momento hay una diferencia de frecuencia o longitud de onda entre el rayo de medición de distancia que incide sobre el detector en ese momento y una señal de referencia transmitida de modo directo al dispositivo de evaluación y que representa la modulación de frecuencia. Esta diferencia de frecuencia es una medida directa de la distancia que ha recorrido el rayo de medición de distancia.

En una forma de realización, el cambio de longitud de onda o frecuencia y, por lo tanto, el cambio de tiempo se determina mediante la mezcla de la señal de referencia de la modulación con el rayo de medición de distancia reflejado y/o dispersado y detectado en el objeto. Debido a la codificación temporal conocida de las longitudes de onda o frecuencias del rayo de medición de distancias emitido se determina el tiempo de tránsito del rayo de medición de distancias entre el punto de radiación y el objeto. El tiempo de tránsito, a su vez, es proporcional a la distancia espacial.

Para una medición de distancia precisa se requiere una modulación de la frecuencia de emisión lo más lineal posible, ya que cualquier falta de linealidad empeora la precisión de distancia de la medición de distancia.

La modulación de la longitud de onda se puede realizar además de la modulación de amplitud con la segunda frecuencia de modulación, que en este caso solo sirve para la distinción del rayo láser de excitación, o reemplazar la modulación de amplitud, de modo que la modulación de longitud de onda se utilice, por un lado, para la medición de distancias y, por otro lado, para la diferenciación del rayo láser de excitación.

La ventaja de los dos métodos de medición de distancia consiste en que se logra una resolución significativamente mayor en comparación con los métodos de tiempo de propagación de pulsos, donde al mismo tiempo se requiere un esfuerzo de medición significativamente menor. Las distancias de medición habituales en las que se debe utilizar la presente invención se sitúan entre 1 m y 50 m.

Para ello, el dispositivo de detección del dispositivo está concebido de tal manera que el rayo de medición de distancia reflejado y/o dispersado en el objeto también se puede detectar y una señal que representa el rayo de medición de distancia detectado se transmite al dispositivo de evaluación, que igualmente presenta la frecuencia de modulación del rayo de medición de distancia emitido. Al seleccionar el detector o los detectores se debe prestar atención a que tanto las características de absorción del tipo de gas a detectar aún se puedan detectar con una relación señal/ruido suficiente, como también el rayo de medición de distancia reflejado en el objeto.

Para poder separar las señales del rayo láser de excitación y del rayo de medición de distancia, la longitud de onda del rayo láser de excitación se modula con una primera frecuencia de modulación y la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia se modula con una segunda frecuencia de modulación. Esto se puede realizar, por ejemplo, mediante una modulación de la corriente del diodo si se usa un láser de diodo como láser del dispositivo de iluminación. Un funcionamiento sincronizado del dispositivo también es posible para excluir interacciones ópticas y electrónicas entre la medición de distancia y la espectroscopia de gases.

Dado que las frecuencias de modulación se transmiten como referencias desde el dispositivo de modulación al dispositivo de evaluación, tanto la distancia espacial al objeto como también la densidad de columna del gas objetivo se determinan por el dispositivo de evaluación del dispositivo a partir de la señal transmitida por el detector. La concentración de gas media del gas objetivo se puede calcular a partir de la densidad de columna del gas objetivo y la distancia espacial al objeto de medición.

Mediante la medición de distancia simultánea también es posible una corrección de la concentración de gas media medida mediante la sustracción de una concentración de gas de fondo media en el aire entre el dispositivo y el objeto, siempre que estén presentes los valores característicos para concentraciones de gas habituales en el aire. Así, la concentración de gas se determina con mayor precisión y sensibilidad. Los valores característicos también se pueden determinar directamente con el dispositivo según la invención midiendo la concentración de gas media en un recorrido conocido entre el equipo de medición y una superficie del objeto que no presenta fugas.

El dispositivo según la invención se puede utilizar en particular para buscar o localizar fugas de gas en objetos que transportan gas o también para comprobar la estanqueidad de tuberías y recipientes en la producción industrial y tecnología de procesos, en la construcción de instalaciones o para supervisar infraestructuras técnicas.

En otra forma de realización, el rayo de medición de distancia se emite directamente por el láser, de modo que el rayo láser de excitación forma al mismo tiempo el rayo de medición de distancia. Se entiende que en este caso la longitud de onda del rayo láser de excitación y la longitud de onda del rayo de medición de distancia son iguales. A este respecto, el dispositivo de modulación está conectado al láser y concebido de tal manera que la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia se modula con la segunda frecuencia de modulación. El punto de radiación del dispositivo se puede definir aquí en el punto en el que el láser emite la radiación por primera vez o también en el punto en el que la radiación abandona la carcasa del dispositivo, por ejemplo, o en el que el rayo láser de excitación se puede atenuar por primera vez por la absorción de un gas.

Esto ofrece la ventaja de que solo se requiere un único láser para emitir tanto el rayo de medición de distancia como también el rayo láser de excitación. Como resultado, se ahorran costes debido a una fuente de radiación adicional para el rayo de medición de distancia. Además, se garantiza que el rayo de medición de distancia caiga con el mismo ángulo en aquel punto de la superficie en el que también se refleja y/o dispersa el rayo láser de excitación.

En otra forma de realización, el dispositivo de evaluación del dispositivo está diseñado de modo que presenta un filtro de cruce, donde el filtro de cruce divide la señal transmitida por el dispositivo de detección en una primera señal modulada con la primera frecuencia de modulación y una segunda señal modulada con la segunda frecuencia de modulación, de modo que detrás del filtro de cruce se realiza una determinación de la densidad de columna en base a la primera señal y una determinación de la distancia espacial en base a la segunda señal. Un filtro de cruce semejante representa un componente utilizado con frecuencia en tecnología electrónica e implementado en hardware o en software, de modo que la señal transmitida por el dispositivo de detección se descompone en sus componentes de forma económica y eficiente.

En otra forma de realización, el dispositivo para la detección remota de un gas objetivo presenta además una fuente de luz piloto dentro del dispositivo de iluminación, donde, durante el funcionamiento del dispositivo, la fuente de luz piloto emite un rayo de luz piloto con una longitud de onda en el rango visible, preferentemente en el rango de longitud de onda verde. En este caso, la fuente de luz piloto y el láser son dos componentes separados. Como fuente de luz piloto entra en consideración, por ejemplo, un diodo láser sencillo y económico o un láser de estado sólido bombeado por diodo.

Mediante este rayo de luz piloto se hace visible un punto en el objeto en el que se deben reflejar y/o dispersar el rayo láser de excitación y el rayo de medición de distancia. Con este propósito, el dispositivo de iluminación está concebido de modo que el rayo de luz piloto incide en el mismo punto de la superficie del objeto en el que también se reflejan y/o dispersan el rayo de medición de distancia y el rayo láser de excitación. El rayo de luz piloto se guía preferentemente de forma colineal con el rayo láser de excitación y el rayo de medición de distancia. Esto ofrece la ventaja de que por el usuario del dispositivo se selecciona y apunta exactamente el punto en el que se debe detectar una fuga. Se ha demostrado que el rango de longitud de onda verde (aprox. 500-550 nm) es especialmente adecuado para este propósito, ya que el ojo humano puede reconocer la luz verde especialmente bien, incluso a grandes distancias.

En otra forma de realización del dispositivo, por otro lado, está previsto que el dispositivo de iluminación presente un cristal óptico no lineal y una fuente de radiación de bombeo, donde la fuente de radiación de bombeo emite radiación de bombeo electromagnética durante el funcionamiento del dispositivo, donde el dispositivo de iluminación está concebido de tal manera que el rayo de luz piloto se genera a partir del rayo láser de excitación y la radiación de bombeo en el cristal óptico no lineal, de modo que el rayo de luz piloto, el rayo láser de excitación y el rayo de medición de distancia se irradian sobre el objeto en la misma trayectoria óptica. Gracias a esta configuración del dispositivo, el punto en el que se reflejan y/o dispersan el rayo láser de excitación y el rayo de medición de distancia se marca de forma especialmente precisa debido a la iluminación colineal.

Un potente diodo con una longitud de onda de 785 nm entre en consideración, por ejemplo, como fuente de radiación de bombeo. A este respecto, la conversión del rayo láser de excitación en el cristal óptico no lineal se diseña de modo que solo una parte del rayo láser de excitación se convierte de modo que todavía haya suficiente potencia para la espectroscopia de gases.

En una forma de realización, la modulación del rayo láser de excitación y la modulación del rayo de medición de distancia y, opcionalmente, también la iluminación del objeto con el rayo de luz piloto se realizan temporalmente simultáneamente. Es decir, en particular, en este caso, la medición de la densidad de columna media y la distancia espacial también se miden simultáneamente.

En otra forma de realización, el funcionamiento del dispositivo se realiza de forma secuencial o sincronizada. A este respecto, por ejemplo, la medición de distancia se realiza temporalmente de forma decalada a la medición espectroscópica y/o al marcado de la zona de medición por el láser piloto. Esto tiene la ventaja de que, por ejemplo, la luz piloto no puede influir en la medida espectroscópica, y por otro lado se puede suprimir un filtrado de las señales, ya que la señal de medida de distancia y la señal de medición espectroscópica no llegan al detector simultáneamente. Además, la relación señal/ruido se puede aumentar ya que las influencias de fondo perturbadoras se restringen a una zona más corta. Un funcionamiento secuencial o sincronizado del dispositivo también se puede implementar mediante la conmutación correspondiente de la fuente de radiación de bombeo. Los tiempos de ciclo típicos están en un rango de 1 Hz a 100 Hz.

En otra forma de realización del dispositivo, la fuente de radiación de bombeo se modula por el dispositivo de modulación en su amplitud o longitud de onda con la segunda frecuencia de modulación, donde el rayo de luz piloto forma simultáneamente el rayo de medición de distancia. En este caso, la longitud de onda del rayo de medición de distancia es igual a la longitud de onda del rayo de luz piloto. En este caso, el punto de radiación se sitúa en la zona del cristal óptico no lineal, es decir, donde se genera el rayo de medición de distancia, o de nuevo en el punto de la carcasa en el que las radiaciones abandonan la carcasa, es decir, en el que el rayo láser de excitación experimenta en primer lugar una atenuación debido a la absorción de gas.

Con este propósito, el dispositivo de detección presenta un primer y un segundo detector y un divisor de rayo óptico. A este respecto, el divisor de rayo está concebido de modo que dirige el rayo láser de excitación al primer detector y el rayo de medición de distancia al segundo detector. En este caso, se puede prescindir de un filtro de cruce. Se utiliza un filtro de paso alto convencional para eliminar la primera frecuencia de modulación no necesaria, pero sin embargo estampada en el rayo de medición de distancias, a partir del rayo de medición de distancia detectado.

El uso de dos detectores diferentes es razonable en particular cuando la sensibilidad del detector o el ancho de banda del detector no es suficiente para detectar un gas determinado o para detectar el rayo de medición de distancia con suficiente exactitud.

Esta forma de realización es ventajosa en particular luego cuando se espera una absorción de gas en el rango infrarrojo medio, es decir, en longitudes de onda >2 gm. En este rango de longitud de onda, los detectores que se podrían usar para la medición de distancia son significativamente menos sensibles que en longitudes de onda más cortas. Si se utiliza una longitud de onda diferente para la medición de distancia que para la espectroscopia de gases, entonces se suprime un enfriamiento adicional de los detectores, que de otro modo sería necesario para una operación de medición estable a longitudes de onda más largas.

En otra forma de realización del dispositivo, el dispositivo de detección presenta un filtro, donde el filtro deja pasar el rayo láser de excitación y el rayo de medición de distancia al detector y filtra el rayo de luz piloto. Esto ofrece la ventaja de que la señal detectada no se false por el rayo de luz piloto. Se entiende que esta forma de realización sólo entra en consideración para aquellas formas de realización del dispositivo en las que el rayo de medición de distancia no se forma por el rayo de luz piloto.

En otra realización del dispositivo, la primera frecuencia de modulación se selecciona de modo que sea más baja que la segunda frecuencia de modulación, donde la primera frecuencia de modulación es preferentemente como máximo 1 kHz y/o la segunda frecuencia de modulación se sitúa en un rango de 100 kHz a 10 GHz, preferiblemente en un rango de 1 MHz a 5 MHz. En estos rangos de frecuencia, es posible especialmente bien una separación de las dos señales de medición para la espectroscopia de gases y la determinación de distancia. Además, en estos rangos de frecuencia está presente la tecnología de medición correspondiente que puede detectar las señales. Además, a frecuencias altas superiores a 1 MHz solo tiene lugar una pequeña modulación de la longitud de onda del rayo de medición de distancia, de modo que se eleva la exactitud de la medición de distancia. Esto último es importante en el caso de una modulación de amplitud de la radiación de medición de distancia, ya que una modulación de amplitud debería repercutir tan poco como sea posible sobre la longitud de onda o la frecuencia de la radiación de medición de distancia.

En otra forma de realización del dispositivo es concebible que la longitud de onda del rayo láser de excitación se module con una tercera frecuencia de modulación, en particular con una tercera frecuencia de modulación en el rango de 10 kHz a 100 kHz. Esto ofrece la ventaja de que un gas objetivo no solo se excita exactamente a una longitud de onda, sino que se detecta un rango de longitud de onda determinado. Así se aumenta la seguridad de la detección del dispositivo.

En esta forma de realización también se puede implementar una espectroscopia de absorción de gas derivada, en la que el cambio del espectro de absorción se evalúa en función de la longitud de onda. Por consiguiente, el espectro derivado tiene extremos en aquellos puntos en los que el espectro de salida presenta puntos de inflexión y allí tiene el valor cero, en los que el espectro de salida tiene un extremo. En el espectro derivado, la proporción de la absorción básica que discurre monótonamente se reduce a favor de cambios de señal claros (bandas y hombros) en comparación con el espectro inicial. Por ejemplo, mientras que la primera derivada elimina una absorción básica lineal, la segunda derivada elimina una absorción básica parabólica. Como resultado, los picos de absorción característicos del respectivo tipo de gas se destacan especialmente, con lo que se simplifica una evaluación de la atenuación del rayo láser de excitación.

Además, el objeto mencionado al principio se logra mediante un método para la detección remota de un gas objetivo, que presenta los siguientes pasos: generación de un rayo láser de excitación monomodo con una longitud de onda con un láser, modulación de la longitud de onda del rayo láser de excitación con un primera frecuencia de modulación, iluminación de un objeto con el rayo láser de excitación modulado, donde el rayo láser de excitación recorre un camino desde un punto de radiación hasta el objeto, detección del rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado por el objeto, determinación de la densidad de columna del gas objetivo en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación a partir de una atenuación del rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado en el objeto, donde el método presenta además los pasos de generación de un rayo de medición de distancia con una longitud de onda con el láser, modulación de la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia con una segunda frecuencia de modulación, donde la segunda frecuencia de modulación es diferente de la primera frecuencia de modulación, iluminación del objeto con el rayo de medición de distancia modulado, donde el rayo de medición de distancia se conduce desde el punto de radiación hasta el objeto en el mismo camino óptico que el rayo láser de excitación, detección del rayo de medición de distancia reflejado y/o dispersado en el objeto, determinación de la distancia espacial entre el punto de radiación y el objeto mediante la evaluación del rayo de medición de distancia detectado, donde la determinación de la distancia espacial se realiza con la ayuda de una medición de fase o una medición de distancia FMCW, y determinación de la concentración de gas del gas objetivo a partir de la densidad de columna del gas objetivo y la distancia espacial entre el punto de radiación y el objeto.

En otra forma de realización, el método comprende además el paso de que se muestra o hace sonar una señal cuando una concentración de gas determinada del gas objetivo excede un valor umbral predeterminado. En el caso de la detección de gas en recintos cerrados, por ejemplo, se avisa con antelación a los servicios de emergencia correspondientes.

En otra forma de realización, el método presenta además los pasos de que se repita la concentración de gas del gas objetivo en un intervalo de tiempo determinado y se registre una pluralidad de concentraciones de gas determinadas con una marca de tiempo, y preferentemente se provea con una información adicional de posición y/o dirección. De esta manera se realiza una supervisión continua de la concentración de gas en una habitación, por ejemplo. Este método también se usa para determinar las concentraciones de gas de fondo en el ambiente, que se usan como valores de corrección cuando se detecta un gas objetivo en la zona de una fuga. Con este propósito, se lleva a cabo al menos una medición según el método en una zona de un objeto que transporta gas que no presenta ninguna fuga, o de cualquier otro objeto que refleja la radiación.

Tales mediciones para determinar la concentración de gas de fondo se realizan preferentemente varias veces en una dirección espacial o en diferentes direcciones espaciales y/o a diferentes distancias espaciales, de modo que se promedian las concentraciones de gas medidas. De esta manera se determina una concentración de gas de fondo más exacta, en la que se basa la detección de fugas de un gas.

Además, el objeto mencionado al principio se consigue mediante el uso de un método descrito anteriormente para detectar una fuga en una superficie del objeto, donde el objeto es un elemento para guiar el gas objetivo y se llevan a cabo los siguientes pasos: orientación del rayo láser de excitación y del rayo de medición de distancia hacia una zona de superficie intacta del objeto, determinación de una concentración de fondo del gas objetivo entre el punto de radiación y la zona de superficie intacta del objeto, orientación del rayo láser de excitación y del rayo de medición de distancia hacia la fuga o una zona de superficie del objeto en un entorno de la fuga, determinación de la concentración de gas del gas objetivo entre el punto de radiación y la fuga o la zona de superficie del objeto en el entorno de la fuga , y determinación de la concentración de gas del gas objetivo en una zona cercana a la fuga mediante sustracción de la concentración de fondo del gas objetivo de la concentración de gas del fas objetivo entre el punto de radiación y el objeto durante el escape de gas de la fuga en el objeto.

Otras ventajas, características y posibilidades de aplicación de la presente invención se clarifican en base a la siguiente descripción de la forma de realización y las figuras asociadas. En las figuras, los mismos elementos están designados con los mismos símbolos de referencia.

La figura 1 muestra una representación esquemática de una forma de realización del dispositivo con una fuente de luz piloto separada y un filtro de cruce para dividir las señales.

La figura 2 muestra una representación esquemática de una forma de realización del dispositivo, en la que la radiación de luz piloto se genera con la ayuda de un cristal óptico no lineal y una fuente de radiación de bomba. La figura 3 muestra una representación esquemática de una forma de realización del dispositivo, en la que la fuente de radiación de bombeo está conectada de forma efectiva al dispositivo de modulación.

Según la figura 1, el dispositivo 1 para la detección remota de un gas objetivo 2 presenta un dispositivo de iluminación 3, que comprende un láser 4 y una fuente de luz piloto 15. El láser 4 está conectado de forma efectiva al dispositivo de modulación 6, donde el rayo láser de excitación 5 generado por el láser presenta una longitud de onda de 1652 nm, que está modulada a una primera frecuencia y el rayo de medición de distancia 12 igualmente generado por el láser tiene una longitud de onda de 1652 nm, donde la amplitud está modulada con una segunda frecuencia de modulación. La medición de la distancia como también la espectroscopia de gases se realizan por tanto con el mismo rayo láser 5, 12.

La fuente de luz piloto 15 genera un rayo de luz piloto 23 con una longitud de onda en el rango de longitud de onda verde visible a 520 nm. A este respecto, el rayo de luz piloto 23 se dirige sobre el mismo punto de la superficie del objeto 10 que el rayo láser de excitación 5 y el rayo de medición de distancia 12.

Según la figura 1, el rayo láser de excitación 11 dispersado y/o reflejado en el objeto 10 y el rayo de medición de distancia 24 dispersado y/o reflejado en el objeto 10 se detectan por un dispositivo de detección 7 con un primer detector 8, donde el rayo de luz piloto 25 dispersado y/o reflejado en el objeto 10 se filtra por un filtro 16. El detector 8 es un fotodetector que detecta el rayo láser de excitación infrarrojo 11 y el rayo de medición de distancia 24.

El dispositivo de detección 7 está conectado de forma efectiva a un dispositivo de evaluación 9 de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo 1, una señal que representa el rayo láser de excitación detectado 11 y una señal que representa el rayo de medición de distancia detectado 24 se transmite al dispositivo de evaluación 9.

Un filtro de cruce 14 del dispositivo de evaluación 9 divide la señal transmitida en una señal, que se ha modulado con la primera frecuencia de modulación, y en una señal, que se ha modulado con la segunda frecuencia de modulación. Con este propósito, el dispositivo de modulación 6 transmite la primera y la segunda frecuencia de modulación como referencias al filtro de cruce 14. El filtro de cruce 14 divide la señal transmitida conforme a las referencias transmitidas.

La densidad de columna 18 del gas objetivo 2 se determina a partir de la señal, que se ha modulado con la primera frecuencia de modulación, y el valor 17 de la distancia espacial entre el punto de radiación 13 y el objeto 10 se determina a partir de la señal, que se ha modulado con la primera frecuencia de modulación.

Para determinar la densidad de columna 18 del gas objetivo 2, se detecta la atenuación del rayo láser de excitación 24 reflejado y detectado en el objeto en comparación con el rayo láser de excitación emitido 5. Debido a la interacción del rayo láser de excitación 5 con el gas objetivo 2 se produce una excitación de vibraciones moleculares y transiciones rotacionales dentro del gas objetivo 2, por lo que una parte de la energía del rayo láser de excitación 5 se absorbe de modo que su intensidad se debilita.

Se utiliza una medición de fase para la medición de distancia. Con este propósito, la amplitud del rayo de medición de distancia 12 se modula a alta frecuencia con la segunda frecuencia de modulación. Cuando el rayo de medición de distancia 12 se refleja en el objeto 10, se produce un cambio de fase de la modulación de amplitud del rayo de medición de distancia 24 reflejado en el objeto 10 en comparación con la modulación de amplitud del rayo de medición de distancia emitido 12. Este cambio de fase depende sobre la distancia espacial entre el punto de radiación 13 y el objeto 10.

Para medir el cambio de fase de la modulación de amplitud, el dispositivo de evaluación 9 presenta un detector de fase, en el que la fase de la señal de modulación de amplitud del dispositivo de modulación 6 se compara con la fase de la modulación de amplitud del rayo de medición de distancia 24 detectado en el dispositivo de detección 7. A este respecto, se detecta el cambio de fase entre el rayo de medición de distancia detectado 24 y la señal de modulación de amplitud, a partir del cual se puede calcular el valor de la distancia espacial 17 buscada entre el punto de radiación 13 y el objeto 10.

La concentración de gas del gas objetivo 2 se puede determinar a partir de la combinación de los dos valores 17, 18.

Las formas de realización del dispositivo 1 representadas en las figuras 2 y 3 tienen en común que en el dispositivo de iluminación 3 presentan un cristal óptico no lineal 21 y una fuente de radiación de bombeo 22, que se utilizan para generar el rayo de luz piloto 23 desde la radiación láser de excitación 5.

Según la forma de realización del dispositivo 1 representada en la figura 2, solo el láser 4 está conectado de forma efectiva al dispositivo de modulación 6, de modo que, como en la forma de realización mostrada en la figura 1, el rayo láser de excitación 5 forma el rayo de medición de distancia 12, es decir, se realizan la medición de distancia y la espectroscopia de gases con el mismo rayo láser 5, 12.

En esta forma de realización, el rayo de luz piloto 23 incide de firma colineal sobre la misma superficie del objeto 10 que el rayo láser de excitación 5 y el rayo de medición de distancia 12.

La detección del rayo láser de excitación 11 reflejado y/o dispersado en el objeto 10 y del rayo de medición de distancia 24 se realiza de forma análoga a la forma de realización mostrada en la figura 1. La determinación de la densidad de columna 18 del gas objetivo 2 se realiza de forma análoga a la forma de realización mostrada en la figura 1.

En la forma de realización según la figura 2, la medición de distancia se realiza mediante una medición de distancia FMCW. Se utiliza una función de diente de sierra para modular la longitud de onda o la frecuencia del rayo de medición de distancia 12. Así, a cada instante de radiación se le asigna una longitud de onda del rayo de medición de distancia 12. Dado que en consecuencia la frecuencia y la longitud de onda del rayo de medición de distancia 12 cambian casi linealmente durante el tiempo de tránsito hacia el objeto 10 y de vuelta, el rayo de medición de distancia 24 reflejado y/o dispersado en el objeto 10 y detectado por el dispositivo de detección está desplazado en frecuencia en comparación con una señal de referencia transmitida directamente al dispositivo de evaluación 9. Mediante la mezcla de una señal de referencia con el rayo de medición de distancia 24 reflejado y/o dispersado en el objeto 10 y detectado, se determina el cambio de longitud de onda o frecuencia y, por lo tanto, el cambio de tiempo. Dado que la señal de modulación del dispositivo de modulación 5 se transmite al dispositivo de evaluación 9, la codificación temporal de las longitudes de onda o frecuencias del rayo de medición de distancia emitido 12 se conoce durante la evaluación. De este modo se determina el tiempo de tránsito del rayo de medición de distancia 12 entre el punto de radiación 13 y el objeto 10. El tiempo de tránsito, a su vez, es proporcional a la distancia espacial 17.

Según la figura 3, la fuente de radiación de bombeo 22 está conectada de forma efectiva al dispositivo de modulación 6 en una forma de realización del dispositivo 1. La radiación de bombeo de la fuente de radiación de bombeo 22 se modula así con la segunda frecuencia de modulación. En este caso, el rayo de luz piloto 23 forma el rayo de medición de distancia 12. El punto de radiación 13 se sitúa en aquella posición en el cristal óptico no lineal 21 en la que se genera el rayo de medición de distancia 12.

Según la forma de realización mostrada en la figura 3, el rayo láser de excitación 5 solo se modula con la primera frecuencia de modulación, mientras que el rayo de medición de distancia 12, que es igual al rayo de luz piloto 23, se modula tanto con la primera como también con la segunda frecuencia de modulación.

Para detectar el rayo de medición de distancia reflejado 24 y el rayo láser de excitación reflejado 11, el dispositivo de detección 7 según la forma realización mostrada en la figura 3 presenta un divisor de rayo 20 y un segundo detector 19, donde el divisor de rayo 20 está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo 1, el divisor de rayo dirige el rayo láser de excitación 11 reflejado y/o dispersado al primer detector 8 y dirige el rayo de medición de distancia 24 reflejado y/o dispersado al segundo detector 18 . En esta forma de realización se suprime un filtro de cruce 14. Se usa un filtro de paso alto 26 para eliminar las fracciones de baja frecuencia en el rayo de medición de distancia.

La evaluación de los datos se puede realizar de forma análoga a la forma de realización mostrada en la figura 1 o de forma análoga a la forma de realización mostrada en la figura 2.

Por lo tanto, en otra forma de realización no representada del dispositivo 1 es ventajoso si la zona entre el láser 4 y el cristal óptico no lineal 21 se mantiene libre de gases que podrían absorber el rayo láser de excitación 5, ya que no se lleva a cabo ninguna medición de distancia para esta sección, por lo tanto, no es posible la compensación de la absorción de gas en esta zona. Alternativamente, la compensación de la concentración de gas de fondo se realiza dentro del dispositivo 1 mediante una medición de referencia en un objeto de prueba conocido.

En todas las formas de realización mostradas, la primera frecuencia de modulación se selecciona menor que la segunda frecuencia de modulación, donde la primera frecuencia de modulación es de 1 kHz y la segunda frecuencia de modulación de 3 MHz.

Con el propósito de la revelación original, se señala que todas las características que son evidentes para un experto en la materia a partir de la presente descripción, los dibujos y las reivindicaciones, incluso si se han descrito concretamente solo en relación con otras características determinadas, se pueden combinar tanto individualmente como en cualquier combinación con otras de las características o grupos de características reveladas aquí, a menos que esto se haya excluido expresamente o las circunstancias técnicas hagan que tales combinaciones sean imposibles 0 inútiles. Por otro lado, se prescinde aquí de la representación amplia y explícita de todas las combinaciones de características concebibles solo en aras de la brevedad y la legibilidad de la descripción.

Mientras que la invención se ha representado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior, esta representación y descripción se realiza solo a modo de ejemplo y pretenden una limitación del alcance de protección tal y como se define por las reivindicaciones. La invención no está limitada a las formas de realización reveladas.

Las modificaciones a las formas de realización descritas serán evidentes para el experto en la materia a partir de los dibujos, la descripción y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra "presentar" no excluye otras características o pasos, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. El mero hecho de que determinadas características se reivindiquen en diferentes reivindicaciones no excluye su combinación. Los signos de referencia en las reivindicaciones no pretenden la limitación del alcance de protección.

Símbolos de referencia

1 Dispositivo

2 Gas objetivo

3 Dispositivo de iluminación

4 Láser

5 Rayo láser de excitación

6 Dispositivo de modulación

7 Dispositivo de detección

8 Primer detector

9 Dispositivo de evaluación

10 Objeto

11 Rayo láser de excitación reflejado y/o dispersado

12 Rayo de medición de distancia

13 Punto de radiación

14 Filtro de cruce

15 Fuente de luz piloto

16 Filtro

17 Valor de distancia espacial

18 Densidad de columna del gas objetivo

19 Segundo detector

20 Divisor de rayo óptico

21 Cristal óptico no lineal

22 Fuente de radiación de bombeo

23 Rayo de luz piloto

24 Rayo de medición de distancia reflejado y/o dispersado

25 Rayo de luz piloto reflejado y/o dispersado

26 Filtro de paso alto

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (1) para la detección remota de un gas objetivo (2) que presenta

un dispositivo de iluminación (3) con un láser (4), donde el láser (4) está concebido de tal manera que, durante un funcionamiento del dispositivo (1), el láser (4) emite un rayo láser de excitación monomodo (5) con una longitud de onda,

un dispositivo de modulación (6),

un dispositivo de detección (7) con un primer detector (8) que está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo láser de excitación (5) se detecta por el dispositivo de detección (7), y

un dispositivo de evaluación (9),

donde el dispositivo de modulación (6) y el láser (4) están concebidos y dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la longitud de onda del rayo láser de excitación (5) se modula con una primera frecuencia de modulación,

donde el dispositivo de iluminación (3) y el dispositivo de detección (7) están dispuestos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo láser de excitación (5) se puede irradiar desde un punto de radiación (13) sobre un objeto (10) y el rayo láser de excitación (11) reflejado y/o dispersado por el objeto (10) se puede detectar por el dispositivo de detección (7),

donde el dispositivo de detección (7) y el dispositivo de evaluación (9) están conectados entre sí de forma efectiva de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), una señal que representa el rayo láser de excitación detectado (11) se transmite desde el dispositivo de detección (7) al dispositivo de evaluación (9), y

donde el dispositivo de evaluación (9) está adaptado de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el dispositivo de evaluación (9) evalúa la señal transmitida por el dispositivo de detección (7), donde la densidad de columna media (18) del gas objetivo (2) se determina en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación (5, 11) a partir de una atenuación del rayo láser de excitación (5, 11),

donde el dispositivo de iluminación (3) está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el dispositivo de iluminación (3) irradia un rayo de medición de distancia (12) con una longitud de onda, donde el láser (4) contribuye a la generación del rayo de medición de distancia (12),

el dispositivo de iluminación (3) está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo de medición de distancia (12) se puede irradiar en la misma trayectoria óptica desde el punto de radiación (13) sobre el objeto (10) como el rayo láser de excitación (5),

el dispositivo de modulación (6) y el dispositivo de iluminación (3) están concebidos de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia (12) está modulado con una segunda frecuencia de modulación, donde la segunda frecuencia de modulación es diferente de la primera frecuencia de modulación,

el dispositivo de modulación (6) está conectado de forma efectiva al dispositivo de evaluación (9) de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), una señal se transmite desde el dispositivo de modulación (6) al dispositivo de evaluación (9), donde la señal representa la frecuencia de modulación,

el dispositivo de detección (7) está concebido y dispuesto de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo de medición de distancia (24) reflejado y/o dispersado en el objeto (10) se puede detectar por el dispositivo de detección (7), el dispositivo de detección (7) está conectado de forma efectiva al dispositivo de evaluación (9) de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), una señal que representa el rayo de medición de distancia detectado (24) se transmite al dispositivo de evaluación (9), y el dispositivo de evaluación (9) está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el dispositivo de evaluación (9) determina a partir de la señal transmitida la distancia espacial (17) entre el punto de radiación (13) y el objeto (10), donde la distancia espacial (17) se determina por medio de una medición de fase o una medición de distancia FMCW, y que la concentración de gas media del gas objetivo (2) se determina a partir de la densidad de columna media (18) del gas objetivo (2) y la distancia espacial (17).

2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1, donde el rayo de medición de distancia (12) se emite por el láser (4), de modo que la longitud de onda del rayo láser de excitación (5) y la longitud de onda del rayo de medición de distancia (12) son iguales, y el dispositivo de modulación (6) está conectado de forma efectiva al láser (4) de tal manera que la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia (12) está modulada con la segunda frecuencia de modulación.

3. Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo de evaluación (9) presenta un filtro de cruce (14), donde el filtro de cruce (14) divide la señal transmitida por el dispositivo de detección (7) en una primera señal modulada con la primera frecuencia de modulación y una segunda señal modulada con la segunda frecuencia de modulación, de modo que después de pasar por el filtro de cruce (14) se realiza una determinación de la densidad de columna (18) en base a la primera señal y una determinación de la distancia espacial (17) en base a la base de la segunda señal.

4. Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo de iluminación (3) presenta una fuente de luz piloto (15) que está concebida de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la fuente de luz piloto (15) emite un rayo de luz piloto (23) con una longitud de onda en el rango visible, preferentemente en el rango de longitud de onda verde, donde el dispositivo de iluminación (3) está concebido de tal manera que mediante el rayo de luz piloto (23) se puede marcar un punto en el objeto (10), en el que se reflejan y/o dispersan el rayo láser de excitación (5) y/o el rayo de medición de distancia (12).

5. Dispositivo (1) según la reivindicación 4, donde el dispositivo de iluminación (3) presenta un cristal óptico no lineal (21) y una fuente de radiación de bombeo (22), donde, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la fuente de radiación de bombeo (22) emite radiación de bombeo electromagnético con una amplitud y una longitud de onda, donde el dispositivo de iluminación (3) está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el rayo láser de excitación (5), el rayo de medición de distancia (12) y la radiación de bombeo generan en el cristal óptico no lineal (21) el rayo de luz piloto (23), de modo que el rayo de luz piloto (23), el rayo láser de excitación (5) y el rayo de medición de distancia (12) se pueden irradiar sobre el objeto (10) en la misma trayectoria óptica.

6. Dispositivo (1) según la reivindicación 5 en tanto no depende de la reivindicación 2, donde la fuente de radiación de bombeo (22) está conectada de forma efectiva al dispositivo de modulación (5) de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), la amplitud o la longitud de onda de la radiación de bombeo se modula con la segunda frecuencia de modulación, donde el rayo de luz piloto (23) forma el rayo de medición de distancia (12) y donde la longitud de onda del rayo de medición de distancia (12) es igual a la longitud de onda del rayo de luz piloto (23).

7. Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, donde el dispositivo de detección (7) presenta un filtro (16), donde el filtro (16) está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el filtro (16) deja pasar el rayo láser de excitación (11) reflejado y/o dispersado en el objeto (10) y el rayo de medición de distancia (24) reflejado y/o dispersado en el objeto (10) al detector (8) y filtra el rayo de luz piloto (23).

8. Dispositivo (1) según la reivindicación 7, donde el dispositivo de detección (7) presenta un primer detector (8) y un segundo detector (19), así como un divisor de rayo óptico (20), donde el divisor de rayo óptico (20) está concebido de tal manera que, durante el funcionamiento del dispositivo (1), el divisor de rayo óptico (20) conduce el rayo láser de excitación (11) reflejado y/o dispersado en el objeto (10) al primer detector (8) y conduce el rayo de medición de distancia rayo (24) reflejado y/o dispersado en el objeto (10) al segundo detector (19).

9. Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera frecuencia de modulación es menor que la segunda frecuencia de modulación, donde preferentemente la primera frecuencia de modulación es como máximo de 1 kHz y/o la segunda frecuencia de modulación se sitúa en un rango de 100 kHz a 10 GHz, preferiblemente en un rango de 1 MHz a 5 MHz.

10. Dispositivo (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud de onda del rayo láser de excitación (5) se modula con una tercera frecuencia de modulación, en particular con una tercera frecuencia de modulación en el rango de 10 kHz a 100 kHz.

11. Método de detección remota de un gas objetivo (2) con los pasos:

generación de un rayo láser de excitación monomodo (5) con una longitud de onda con un láser (4), modulación de la longitud de onda del rayo láser de excitación (5) con una primera frecuencia de modulación, iluminación de un objeto (10) con el rayo láser de excitación modulado (5), donde el rayo láser de excitación (5) recorre una trayectoria desde un punto de radiación (13) hasta el objeto (10),

detección del rayo láser de excitación (11) reflejado y/o dispersado por el objeto (10),

determinación de la densidad de columna media (18) del gas objetivo (2) en un volumen atravesado por el rayo láser de excitación (5, 11) a partir de una atenuación del rayo láser de excitación (5, 11) reflejado y/o dispersado en el objeto (10),

donde el método comprende además los pasos:

generación de un rayo de medición de distancia (12) con una longitud de onda con el láser (4), modulación de la amplitud o la longitud de onda del rayo de medición de distancia (12) con una segunda frecuencia de modulación, donde la segunda frecuencia de modulación es diferente de la primera frecuencia de modulación,

iluminación del objeto (10) con el rayo de medición de distancia modulado (12), donde el rayo de medición de distancia (12) se conduce en la misma trayectoria óptica desde el punto de radiación (13) hasta el objeto (10) que el rayo láser de excitación (5),

detección del rayo de medición de distancia (24) reflejado y/o dispersado en el objeto (10), determinación de la distancia espacial (17) entre el punto de radiación (13) y el objeto (10) mediante la evaluación del rayo de medición de distancia detectado (24), donde la determinación de la distancia espacial (17) se realiza con la ayuda de una medición de fase o una medición de distancia FMCW y determinación de la concentración de gas media del gas objetivo (2) a partir de la densidad de columna media (18) del gas objetivo (2) y la distancia espacial (17) entre el punto de radiación (13) y el objeto (10).

12. Método según la reivindicación 11, donde el método comprende además el paso, muestra de una señal cuando la concentración de gas media determinada del gas objetivo (2) supera un valor umbral predeterminado.

13. Método según la reivindicación 11 o la reivindicación 12, donde el método comprende además los pasos, determinación repetida, espaciada temporalmente de la concentración de gas media del gas objetivo (2) y registro de una pluralidad de concentraciones de gas medias determinadas con una marca de tiempo y preferentemente con información adicional de posición y/o dirección.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el método comprende además el paso, promediado sobre una pluralidad de concentraciones de gas medias determinadas en una dirección espacial o en diferentes direcciones espaciales y/o con diferentes distancias espaciales (17).

15. Uso de un método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14 para la detección de una fuga en una superficie de un objeto (10), donde el objeto (10) es un elemento para guiar el gas objetivo (2), con los pasos:

orientación del rayo láser de excitación (5) y del rayo de medición de distancia (12) sobre una zona de superficie intacta del objeto (10),

determinación de una concentración de fondo del gas objetivo (2) entre el punto de radiación (13) y la zona de la superficie intacta del objeto (10),

orientación del rayo láser de excitación (5) y del rayo de medición de distancia (12) sobre la fuga o sobre una zona de superficie del objeto (10) en un entorno de la fuga,

determinación de la concentración de gas media del gas objetivo (2) entre el punto de radiación (13) y la fuga o la zona de superficie del objeto (10) en el entorno de la fuga, y

determinación de la concentración de gas media del gas objetivo (2) en una zona cercana a la fuga restando la concentración de fondo media del gas objetivo (2) de la concentración de gas media del gas objetivo (2) entre el punto de radiación (13) y el objeto (10) cuando sale gas de la fuga en el objeto (10).