DE102010050549A1

DE102010050549A1 - Method for detecting water in aviation fuel by Raman scattering, involves irradiating aviation fuel with light source, and detecting light, which is scattered by aviation fuel

Info

Publication number: DE102010050549A1
Application number: DE201010050549
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Fafnir GmbH
Current assignee: Fafnir GmbH
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-10

Abstract

The method involves irradiating the aviation fuel with a light source (1), and detection the light, which is scattered by the aviation fuel. A signal characterizing the content of the water in the aviation fuel is emitted. A spectrometer (24), particularly a charge-coupled device detector, is used for detection. An independent claim is also included for a device for detecting water in an aviation fuel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Wasser in einem Flugkraftstoff.The invention relates to a method and a device for detecting water in aviation fuel.

Bei Flugkraftstoffen muss sichergestellt sein, dass die Konzentration von Wasser im Kraftstoff unter einer bestimmten Schranke bleibt. Wenn der Wassergehalt zu hoch ist, kann das Wasser bei den tiefen Temperaturen in großen Flughöhen ausfrieren. Dieses Eis verstopft dann die Kraftstofffilter und das Flugzeug könnte abstürzen. Es ist in den Qualitätsvorschriften festgelegt, dass der Wassergehalt unter 100 ppm bleiben muss (bezogen auf die Masse).For aviation fuel, it must be ensured that the concentration of water in the fuel remains below a certain level. If the water content is too high, the water may freeze at low altitudes at high altitudes. This ice then clogs the fuel filters and the plane could crash. It is specified in the quality regulations that the water content must remain below 100 ppm (in terms of mass).

Zur Qualitätssicherung wird in der Flugkraftstoff-Lieferkette an mehreren Stellen die Unterschreitung der vorgeschriebenen Grenze des Wassergehaltes überprüft. Die erste Überprüfung erfolgt in der Raffinerie vor der Befüllung von Tankfahrzeugen.For quality assurance, the undershoot of the prescribed limit of water content is checked in several places in the aviation fuel supply chain. The first inspection will be carried out at the refinery before filling tankers.

Bei der Anlieferung an einem Flugfeld-Tanklager wird ein visueller Trübungstest durchgeführt. Zusätzlich wird eine Kraftstoffprobe aus dem unteren Bereich des Tankfahrzeuges entnommen und diese mit einer Spritze durch eine spezielle Tablette gezogen, die sich bei einem kritischen Wassergehalt deutlich grünlich verfärbt. Dieses als ”Shell-Wasserreaktionstest” bezeichnete Verfahren wird derzeit standardmäßig angewendet.Upon delivery to an airfield tank farm, a visual haze test is performed. In addition, a fuel sample is taken from the lower part of the tanker and pulled with a syringe through a special tablet, which turns a greenish color at a critical water content. This process, called the "Shell Water Reaction Test," is currently used by default.

Ferner wird der Flugkraftstoff standardmäßig über Filterwasserabscheider geleitet, siehe z. B. US 2009/0289013 A1 oder US 2008/0230146 A1 . Die Restwasserkonzentration beträgt dann ca. 10–20 ppm. Bei einer Wasserbeladung der Filter nimmt deren Strömungswiderstand zu. Der Druckabfall steigt dabei auf 1,5 bar, und die Filter müssen ausgewechselt werden. Der Kraftstoff, der die Qualitätskriterien erfüllt, wird dann in Vorratsbehältern am Flugfeld eingelagert.Furthermore, the aviation fuel is routed as standard via filter water separator, see z. B. US 2009/0289013 A1 or US 2008/0230146 A1 , The residual water concentration is then about 10-20 ppm. When a water load of the filter increases their flow resistance. The pressure drop increases to 1.5 bar, and the filters must be replaced. The fuel that meets the quality criteria is then stored in storage tanks at the airfield.

Wenn Flugzeuge betankt werden sollen, wird zunächst aus dem Vorratslager ein Flugfeld-Tankfahrzeug befüllt. Hierbei wird ebenfalls manuell der ”Shell-Wasserreaktionstest” durchgeführt, und es wird eine Überprüfung auf visuelle Trübung vorgenommen. Bei der Befüllung des ersten Flugzeuges werden diese Tests wiederholt. Die weiteren Betankungen erfolgen dann ohne zusätzliche Tests.If aircraft are to be refueled, an airfield tanker is first filled from the supply warehouse. Here, too, the "Shell Water Reaction Test" is manually performed, and a check for visual haze is made. When filling the first aircraft, these tests are repeated. The further refueling then takes place without additional tests.

In jüngerer Zeit entwickelt wurden Wasserkonzentrationssensoren, die Wasser in Kraftstoffen mittels einer Trübungsmessung nachweisen, siehe z. B. WO 2007/042501 A1 oder US 7,518,719 B2 . Diese Sensoren sind aber noch nicht im normalen Einsatz. Nachteilig ist ihre begrenzte Empfindlichkeit. Die Messsysteme erkennen Wasser erst ab einer Konzentration von ca. 70 ppm, da sich darunter noch keine Trübung zeigt. Es gibt erste Testinstallationen, um zu prüfen, ob solche Sensoren einen Teil der Prüfungen, die derzeit von Hand durchgeführt werden, ersetzen können.More recently, water concentration sensors have been developed which detect water in fuels by means of a turbidity measurement. B. WO 2007/042501 A1 or US 7,518,719 B2 , These sensors are not yet in normal use. The disadvantage is their limited sensitivity. The measuring systems only detect water from a concentration of approx. 70 ppm, as there is no turbidity below it. There are initial test installations to check if such sensors can replace some of the tests that are currently done by hand.

Die Verfahren unter manueller Verwendung des ”Shell-Wasserreaktionstests” sind insgesamt sehr aufwändig, während die in jüngerer Zeit entwickelten Geräte, die eine Trübungsmessung anwenden, nur eine geringe Empfindlichkeit aufweisen.The procedures using the "Shell Water Reaction Test" manually are generally very expensive, while the more recently developed devices which employ turbidity measurement have only a low sensitivity.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um Wasser in Flugkraftstoffen mit möglichst hoher Empfindlichkeit und ohne großen Aufwand zu erfassen.It is an object of the invention to provide a method and apparatus to detect water in aviation fuels with the highest possible sensitivity and without much effort.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erfassen von Wasser in einem Flugkraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zum Erfassen von Wasser in einem Flugkraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a method for detecting water in aviation fuel with the features of claim 1 and by a device for detecting water in a aviation fuel with the features of claim 11. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Wasser in einem Flugkraftstoff durch Ramanstreuung erfasst.In the method according to the invention, water in a jet fuel is detected by Raman scattering.

Die Erfindung beruht auf dem Ramaneffekt, d. h. der inelastischen Streuung von Licht (insbesondere Laserlicht) an Molekülen, bei der Schwingungszustände in den Molekülen angeregt (Stokes-Streuung) oder auch abgeregt (Anti-Stokes-Streuung) werden. Die gestreuten Photonen sind daher in ihrer Energie spezifisch verändert, und die Verschiebung der Wellenlänge ist durch Übergänge in dem Molekül bedingt. Die Ramanstreuung ist also charakteristisch für jedes Molekül und kann auf Grund der Schwingungsmoden im Molekül identifiziert werden. Durch den Nachweis eines Ramanspektrums kann man qualitativ auf das Vorhandensein und quantitativ auf die Konzentration der betrachteten Moleküle (also hier der Wassermoleküle) schließen.The invention is based on the Raman effect, i. H. the inelastic scattering of light (in particular laser light) on molecules, in which vibrational states in the molecules are excited (Stokes scattering) or also excited (anti-Stokes scattering). The scattered photons are therefore specifically altered in their energy, and the shift in wavelength is due to transitions in the molecule. The Raman scattering is thus characteristic of each molecule and can be identified by the vibrational modes in the molecule. By detecting a Raman spectrum, one can qualitatively deduce the presence and quantity of the concentration of the considered molecules (in this case, the water molecules).

Da bei der Anwendung der Erfindung die Wassermoleküle nur als geringfügige, unerwünschte Beimischung zu dem Flugkraftstoff auftreten, müssen sehr kleine Konzentrationen nachgewiesen werden. Ferner tritt der Ramaneffekt selbst nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit auf, verglichen mit der elastischen Streuung von Licht (Rayleighstreuung). Dadurch sind die Linien in einem Ramanspektrum der Wassermoleküle, verglichen mit der Intensität des Anregungslichts, sehr schwach. Erschwerend tritt noch hinzu, dass die Matrix, in der sich die Wassermoleküle befinden (also der Flugkraftstoff), aus vielen verschiedenen Molekülsorten besteht und in ihrer Zusammensetzung nicht reproduzierbar ist. Daher ist der Untergrund, auf dem das Ramanspektrum nachgewiesen werden muss, nicht fest vorgegeben.Since, in the practice of the invention, the water molecules only occur as a minor, unwanted admixture with aviation fuel, very small concentrations must be detected. Furthermore, the Raman effect itself appears only with a very low probability compared to the elastic scattering of light (Rayleigh scattering). As a result, the lines in a Raman spectrum of the water molecules are very weak compared to the intensity of the excitation light. To make matters worse, that the matrix in which the water molecules are located (ie the aviation fuel), consists of many different types of molecules and their composition is not reproducible. Therefore, the background on which the Raman spectrum must be detected is not fixed.

Trotzdem lässt sich mit der Erfindung eine ausreichende Genauigkeit erreichen. Bei kleinerem Wassergehalt (< 100 ppm), d. h. in der Regel solange, wie das Wasser in dem Flugkraftstoff gelöst ist, kann man die spezifische Ramanstreuung des Wassers nachweisen. Das Verfahren lässt sich daher automatisieren und somit schneller durchführen als ein manueller ”Shell-Wasserreaktionstest”. Ein Wassergehalt, bei dem die Löslichkeit im Flugkraftstoff überschritten wird, ist nicht erforderlich. Nevertheless, sufficient precision can be achieved with the invention. At lower water content (<100 ppm), ie usually as long as the water in the aviation fuel is dissolved, one can detect the specific Raman scattering of the water. The process can therefore be automated and thus perform faster than a manual "Shell Water Reaction Test". A water content in which the solubility in aviation fuel is exceeded, is not required.

Falls bei höheren Wassergehalten dennoch Wasser in Form kleiner Tröpfchen ausfällt, wird der Kraftstoff trübe. Das darf im Normalbetrieb nicht auftreten und muss aus Sicherheitsgründen ebenfalls erkannt werden. In diesem Fall entsteht ein unspezifischer Streuuntergrund, der automatisch mit nachgewiesen wird, so dass die diesbezügliche Sicherheitsanforderung auf jeden Fall erfüllt wird.However, if at higher water contents, water precipitates in the form of small droplets, the fuel becomes cloudy. This must not occur during normal operation and must also be recognized for safety reasons. In this case, a nonspecific litter substrate is created, which is automatically detected, so that the safety requirement in this case is met in any case.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden, indem der zu untersuchende Flugkraftstoff mit einer Lichtquelle (vorzugsweise einem Laser) bestrahlt und das von dem Flugkraftstoff gestreute Licht bei mindestens einer für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung detektiert wird. Ferner wird ein den Gehalt des Wassers in dem Flugkraftstoff charakterisierendes Signal ausgegeben.The method according to the invention can be carried out by irradiating the aviation fuel to be examined with a light source (preferably a laser) and detecting the light scattered by the aviation fuel with at least one Raman shift characteristic of water. Further, a signal characterizing the content of the water in the aviation fuel is output.

Unter Ramanverschiebung ist die Verschiebung einer Linie eines Ramanspektrums in Bezug auf die Wellenlänge der bestrahlenden Lichtquelle zu verstehen. Die Ramanverschiebung muss nicht als Wellenlänge, sondern kann auch als Frequenz oder Energie (entsprechend einer Anregungsenergie für eine Schwingungsmode im Molekül) angegeben werden. Üblicherweise wird die Ramanverschiebung jedoch als Wellenzahl ausgedrückt. Die Lichtquelle kann als Laser ausgestaltet sein kann, der vorzugsweise monochromatisch arbeitet oder, falls er mehrere Linien erzeugt, zumindest keine überlappenden Ramanspektren hervorruft. Im Prinzip sind jedoch auch andere Lichtquellen möglich.By Raman shift is meant the displacement of a line of a Raman spectrum with respect to the wavelength of the irradiating light source. The Raman shift does not have to be given as a wavelength, but can also be expressed as frequency or energy (corresponding to an excitation energy for a vibrational mode in the molecule). Usually, however, the Raman shift is expressed as a wavenumber. The light source can be configured as a laser, which preferably works monochromatically or, if it generates several lines, at least does not produce any overlapping Raman spectra. In principle, however, other light sources are possible.

Das Ausgeben des den Gehalt des Wassers in dem Flugkraftstoff charakterisierenden Signals ist hier sehr allgemein zu verstehen. Es kann sich bei dem Signal z. B. bereits um eine quantitative Angabe des Wassergehalts in dem zu untersuchenden Flugkraftstoff oder um ein Signal zur qualitativen Anzeige einer Grenzwertüberschreitung handeln, aber auch lediglich um Rohdaten oder ein verschlüsseltes Detektorsignal, die in einer separaten Vorrichtung ausgewertet werden, z. B. zur quantitativen Auswertung und Aufbereitung eines von dem Detektor erfassten Ramanspektrums.The output of the signal characterizing the content of the water in the aviation fuel is to be understood very generally here. It may be at the signal z. B. already be a quantitative indication of the water content in the aviation fuel to be examined or a signal for the qualitative display of a limit violation, but also only to raw data or an encrypted detector signal, which are evaluated in a separate device, eg. B. for the quantitative evaluation and processing of a detected by the detector Raman spectrum.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist die für Wasser charakteristische Ramanverschiebung durch eine O-H-Streckschwingung eines Wassermoleküls gegeben, vorzugsweise bei einer Wellenzahl von etwa 3622 cm^–1, was sich gut und sicher nachweisen lässt.In advantageous embodiments of the invention, the characteristic of water Raman shift is given by an OH stretching vibration of a water molecule, preferably at a wave number of about 3622 cm ^-1 , which can be detected well and safely.

Zum Detektieren kann ein Spektrometer verwendet werden, vorzugsweise mit einem CCD-Detektor, wobei ein Spektrum des gestreuten Lichts in der Umgebung der für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung aufgenommen wird. Um den z. B. durch elastische Streuung, Fluoreszenz im Flugkraftstoff, Reflexionen in der verwendeten Vorrichtung, usw. hervorgerufenen, im Allgemeinen starken Untergrund zu unterdrücken, kann ein Filter vorgesehen sein, mit dem ein Spektralbereich des gestreuten Lichts in der Umgebung der für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung ausgewählt wird und/oder ein Spektralbereich des Lichts der Lichtquelle unterdrückt wird. Dieser Filter ist vorzugsweise vor dem Eingang des Spekrometers angeordnet, kann aber auch an anderer Stelle in den Strahlengang eingebracht sein. Mit Hilfe eines Spektrometers lässt sich in der Regel eine hohe Genauigkeit erzielen.For detection, a spectrometer may be used, preferably with a CCD detector, wherein a spectrum of the scattered light is captured in the vicinity of the water-characteristic Raman shift. To the z. B. by elastic scattering, fluorescence in aviation fuel, reflections in the device used, etc., to suppress caused, generally strong background, a filter may be provided, with which a spectral range of the scattered light is selected in the vicinity of the water-characteristic Raman shift and / or a spectral range of the light of the light source is suppressed. This filter is preferably arranged in front of the input of the spectrometer, but may also be introduced elsewhere in the beam path. With the help of a spectrometer can usually achieve a high accuracy.

Der Bereich des zu untersuchenden Ramanspektrums kann auch mit Hilfe eines Filters ausgewählt werden, ohne dass ein Spektrometer zum Einsatz kommt. Zum Beispiel lässt sich durch einen ersten Filter ein Spektralbereich des gestreuten Lichts in der Umgebung der für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung auswählen, während durch einen zweiten Filter ein weiterer Spektralbereich des gestreuten Lichts ausgewählt wird. Dabei wird das den Gehalt des Wassers in dem Flugkraftstoff charakterisierende Signal mittels eines Vergleichs der Gesamtintensitäten des gestreuten Lichts in den beiden Spektralbereichen erzeugt. Eine Anordnung mit Filtern ist im Allgemeinen preisgünstiger als die Verwendung eines Spektrometers und kann auch robuster sein.The range of the Raman spectrum to be examined can also be selected with the aid of a filter, without the use of a spectrometer. For example, a spectral range of the scattered light in the vicinity of the water-characteristic Raman shift can be selected by a first filter, while a further spectral range of the scattered light is selected by a second filter. In this case, the signal characterizing the content of the water in the aviation fuel is generated by means of a comparison of the total intensities of the scattered light in the two spectral ranges. An array of filters is generally less expensive than the use of a spectrometer and may be more robust.

Wie bereits erwähnt, ist eine Lichtquelle von Vorteil, die einen Laser aufweist. Als Laser eignet sich z. B. ein Halbleiterlaser, aber auch andere Laserarten sind denkbar.As already mentioned, a light source having a laser is advantageous. As a laser is z. As a semiconductor laser, but other types of lasers are conceivable.

Um den Strahlungsuntergrund in der Umgebung der Ramanverschiebung, also in dem interessierenden Bereich des betrachteten Spektrums, zu berücksichtigen und somit eine hohe Messgenauigkeit zu ermöglichen, kann ein SERDS-Verfahren angewandt werden. SERDS-Verfahren werden von M. Maiwald et al. in Appl. Phys. B 85, 509–512 (2006) sowie in Appl. Optics 48, 2789–2792 (2009) beschrieben.In order to consider the radiation background in the vicinity of the Raman shift, ie in the region of interest of the considered spectrum, and thus to enable a high measurement accuracy, a SERDS method can be used. SERDS procedures are used by M. Maiwald et al. in Appl. Phys. B 85, 509-512 (2006) as in Appl. Optics 48, 2789-2792 (2009) described.

SERDS ist eine Abkürzung für ”Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy”. Kurz zusammengefasst, wird als Lichtquelle ein auf zwei relativ nah beieinander liegende Frequenzen stimmbarer Laser verwendet. Wenn bei der einen der beiden Frequenzen ein zu erfassendes Ramanspektrum in einem vorgegebenen Wellenzahlfenster liegt, verschiebt sich das Ramanspektrum beim Umschalten auf die andere Frequenz, so dass es außerhalb des vorgegebenen Fensters zu liegen kommt und das Fenster nur den zu berücksichtigenden Untergrund erfasst.SERDS is an abbreviation for "Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy". Briefly summarized, the light source used is a frequency of tunable lasers which is relatively close to each other. If at one of the both frequencies a Ramanspektrum to be detected in a given wavenumber window, shifts the Raman spectrum when switching to the other frequency, so that it comes to rest outside the specified window and the window detects only the underlying background.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Verfahren ”online” angewandt wird. Dazu kann der Flugkraftstoff durch eine Leitung strömen, wobei er quer zur Strömungsrichtung mit Licht bestrahlt wird. Quer zu Strömungsrichtung gestreutes Licht wird bei mindestens einer für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung detektiert, und ein den Gehalt des Wassers in dem Flugkraftstoff charakterisierendes Signal wird ausgegeben. Eine besonders kompakte Bauform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens lässt sich erreichen, wenn die Lichtquelle und ein beim Detektieren der für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung verwendeter Detektor im Wesentlichen in gleicher Richtung ausgerichtet sind und die zugehörigen Strahlengänge mittels eines teildurchlässigen optischen Elements eingestellt werden. Weiter unten ist ein Ausführungsbeispiel dafür näher erläutert.It is particularly advantageous if the method according to the invention is applied "online". For this purpose, the aviation fuel can flow through a conduit, being irradiated with light transversely to the flow direction. Light diffused transverse to the direction of flow is detected in at least one Raman shift characteristic of water, and a signal characterizing the content of the water in the aviation fuel is output. A particularly compact design of a device for carrying out the method can be achieved if the light source and a detector used in detecting the Raman shift characteristic of water are aligned substantially in the same direction and the associated beam paths are adjusted by means of a partially transmissive optical element. Below, an embodiment is explained in more detail.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von Wasser in einem Flugkraftstoff enthält eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, den Flugkraftstoff zu bestrahlen, eine Detektoreinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das von dem Flugkraftstoff gestreute Licht bei mindestens einer für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung zu detektieren, und eine Bearbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein den Gehalt des Wassers in dem Flugkraftstoff charakterisierendes Signal auszugeben. Der Begriff ”Bearbeitungseinrichtung” ist wieder in sehr breitem Sinne zu verstehen. Als Bearbeitungseinrichtung kann z. B. eine Schnittstelle der Detektoreinrichtung angesehen werden, die Rohdaten ausgibt, andererseits aber z. B. auch ein externer Rechner, der eine Datenauswertung ausführt.A device according to the invention for detecting water in aviation fuel includes a light source adapted to irradiate the aviation fuel, a detector device configured to detect the light scattered by the aviation fuel at at least one Raman shift characteristic of water, and a Processing device which is adapted to output a signal characterizing the content of the water in the aviation fuel. The term "processing device" is again to be understood in a very broad sense. As a processing device can, for. Example, be considered an interface of the detector device that outputs raw data, but on the other hand z. B. also an external computer that performs a data evaluation.

Das Funktionsprinzip und die Vorteile einer derartigen Vorrichtung ergeben sich aus den Erläuterungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.The principle of operation and the advantages of such a device will become apparent from the explanation of the method according to the invention.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Vorrichtung einen Leitungsabschnitt mit einer Wandung, die mindestens ein Fenster aufweist. Dabei sind die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung außerhalb des Leitungsabschnitts angeordnet und dazu eingerichtet, durch den Leitungsabschnitt strömenden Flugkraftstoff durch das Fenster zu bestrahlen und von dem Flugkraftstoff gestreutes Licht durch das Fenster zu detektieren. Der Leitungsabschnitt kann z. B. an seinen Enden jeweils einen Flansch aufweisen, damit sich die Vorrichtung in eine Leitung für Flugkraftstoff einbauen lässt. Bei kleineren Leitungsdurchmessern können statt dessen Gewindeanschlüsse verwendet werden.In an advantageous embodiment, the device includes a line section with a wall having at least one window. In this case, the light source and the detector device are arranged outside the line section and adapted to irradiate through the window flowing aviation fuel through the window and to detect light scattered by the aviation fuel through the window. The line section can, for. B. at its ends in each case have a flange so that the device can be installed in a line for aviation fuel. For smaller pipe diameters threaded connections can be used instead.

Wenn genau ein Fenster vorgesehen ist, kann die Ramanstreuung unter einem rückwärts gerichteten Winkel (etwa 180°), aber bei geeigneter Anordnung der Strahlengänge der Lichtquelle und der Detektoreinrichtung auch unter etwa 90° erfasst werden. Bei zwei einander gegenüberliegenden Fenstern sind auch Anordnungen unter etwa 0° möglich, bei denen die Lichtquelle durch eines der Fenster strahlt und die Ramanstreuung durch das andere Fenster gemessen wird. Hierbei muss allerdings in der Regel ein größerer Aufwand getrieben werden, um für die Messung der Ramanstreuung die direkte Strahlung der Lichtquelle zu unterdrücken. Prinzipielle Aufbauten für Messungen der Ramanstreuung unter 0°, 90° und 180° werden weiter unten in Form von Beispielen erläutert.If exactly one window is provided, the Raman scattering can be detected at a backward angle (about 180 °), but with a suitable arrangement of the beam paths of the light source and the detector device also below about 90 °. Arrangements below about 0 ° are also possible with two windows facing each other, in which the light source radiates through one of the windows and Raman scattering by the other window is measured. In this case, however, usually has a greater effort to be driven to suppress the direct radiation of the light source for the measurement of Raman scattering. Principal setups for Raman scattering measurements below 0 °, 90 ° and 180 ° are discussed below in the form of examples.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform, die unter Rückwärtsstreubedingungen arbeitet, weist die Lichtquelle (z. B. ein Halbleiterlaser) einen quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Strahlengang auf, und der Strahlengang der Detektoreinrichtung ist für Rückwärtsstreuung eingerichtet, wobei vorzugsweise für den Strahlengang der Lichtquelle und den Strahlengang der Detektoreinrichtung eine gemeinsame Objektiveinrichtung verwendet ist und der Strahlengang der Lichtquelle und der Strahlengang der Detektoreinrichtung über ein teildurchlässiges optisches Element geführt sind. Wie weiter unten anhand von Beispielen erläutert, können teildurchlässige optische Elemente so ausgestaltet sein, dass ein Untergrund durch Einstrahlung der Lichtquelle weitgehend unterdrückt wird.In an advantageous embodiment, which operates under backscattering conditions, the light source (eg a semiconductor laser) has a beam path running transversely to the flow direction, and the beam path of the detector device is set up for backward scattering, wherein preferably for the beam path of the light source and the beam path Detector means a common lens device is used and the beam path of the light source and the beam path of the detector device are guided over a partially transparent optical element. As explained below with reference to examples, partially transmissive optical elements can be designed so that a background is largely suppressed by irradiation of the light source.

Im Prinzip kann bei derartigen Vorrichtungen die Detektoreinrichtung ein Spektrometer enthalten. Einen besonders einfachen und robusten Aufbau erhält man jedoch, wenn die Vorrichtung einen ersten Filter aufweist, der für einen Spektralbereich des gestreuten Lichts in der Umgebung der für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung durchlässig ist und vorzugsweise schmalbandig ist, wobei hinter dem ersten Filter ein erster Detektor angeordnet ist, z. B. ein CCD-Detektor. Ferner kann die Detektoreinrichtung einen zweiten Filter aufweisen, der auf einen anderen Spektralbereich abgestimmt ist als der erste Filter, wobei hinter dem zweiten Filter ein zweiter Detektor für eine Vergleichsmessung angeordnet ist. In diesem Fall ergibt sich ein Maß für den Wassergehalt des Flugkraftstoffs aus einem Vergleich der Signale des ersten Detektors und des zweiten Detektors.In principle, in such devices, the detector device may include a spectrometer. However, a particularly simple and robust construction is obtained if the device has a first filter which is permeable to a spectral range of the scattered light in the environment of the characteristic water Raman shift and is preferably narrowband, wherein behind the first filter, a first detector is arranged , z. B. a CCD detector. Furthermore, the detector device may have a second filter which is tuned to a different spectral range than the first filter, wherein a second detector for a comparison measurement is arranged behind the second filter. In this case, a measure of the water content of the aviation fuel results from a comparison of the signals of the first detector and the second detector.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die Zeichnungen zeigen inIn the following the invention will be further explained by means of exemplary embodiments. The drawings show in

1 ein Beispiel für einen Messaufbau zur Untersuchung von Ramanstreuung, bei dem eine Vorwärtsstreugeometrie (0°-Geometrie) angewandt wird, 1 an example of a measurement setup for studying Raman scattering, in which a forward scatterometry (0 ° geometry) is applied,

2 ein Beispiel für einen Messaufbau zur Untersuchung von Ramanstreuung, bei dem eine Seitwärtsstreugeometrie (90°-Geometrie) angewandt wird, 2 an example of a Raman scattering test setup using a 90 degree sideways scan geometry,

3 ein Beispiel für einen Messaufbau zur Untersuchung von Ramanstreuung, bei dem eine Rückwärtsstreugeometrie (180°-Geometrie) angewandt wird, 3 an example of a measurement setup for investigating Raman scattering in which a backscatter geometry (180 ° geometry) is applied,

4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen von Wasser in einem Flugkraftstoff, 4 an embodiment of a device according to the invention for detecting water in a jet fuel,

5 typische Ramanspektren von Wasser in Flugkraftstoff für verschiedene Wasserkonzentrationen und 5 typical Raman spectra of water in aviation fuel for different water concentrations and

6 eine graphische Veranschaulichung des Auswertergebnisses für die Spektren aus 5, wobei die Ereigniszahl der jeweiligen integrierten und untergrundbereinigten Ramanspektren als Funktion des dem Flugkraftstoff zugegebenen Wassergehalts aufgetragen ist. 6 a graphic illustration of the evaluation result for the spectra 5 , wherein the number of events of the respective integrated and sub-normalized Raman spectra is plotted as a function of the water content added to the aviation fuel.

Die 1, 2 und 3 zeigen Ausführungsformen für typische Messaufbauten, mit denen man Ramanstreuung an einer flüssigen Probe untersuchen kann. Bei der Anordnung gemäß 1 wird eine Vorwärtsstreugeometrie (0°-Geometrie) genutzt, bei der Anordnung gemäß 2 eine Seitwärtsstreugeometrie (90°-Geometrie) und bei der Anordnung gemäß 3 eine Rückwärtsstreugeometrie (180°-Geometrie). In den 1, 2 und 3 sind gleiche oder einander entsprechende Teile der jeweiligen Anordnung mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Funktionsweise dieser Messaufbauten ist einem Spektroskopiker geläufig.The 1 . 2 and 3 show embodiments of typical measurement setups that can be used to investigate Raman scattering on a liquid sample. In the arrangement according to 1 a forward scattering geometry (0 ° geometry) is used, in the arrangement according to 2 a Seitwärtsstreugeometrie (90 ° geometry) and in the arrangement according to 3 a backward scattering geometry (180 ° geometry). In the 1 . 2 and 3 the same or corresponding parts of the respective arrangement are provided with the same reference numerals. The functioning of these measurement setups is familiar to a spectroscopist.

Bei der in 1 dargestellten Anordnung wird als Lichtquelle 1 ein Laser verwendet. Falls der Laser 1 in mehreren Wellenlängenbereichen strahlt, wird mit einem Vormonochromator 2 (im Ausführungsbeispiel ein Bandpassfilter) eine gewünschte Wellenlänge ausgewählt. Das Licht fällt danach durch einen Polarisator 4 und durch zwei Linsen 6, zwischen denen ein Raumfilter 7 angeordnet ist, auf eine Linse 8, die es auf eine Probe 10 fokussiert. Im Ausführungsbeispiel befindet sich die Probe 10 in einer Küvette oder Durchflussküvette.At the in 1 shown arrangement is used as a light source 1 a laser used. If the laser 1 radiating in several wavelength ranges, is using a pre-monochromator 2 (In the embodiment, a bandpass filter) selected a desired wavelength. The light then falls through a polarizer 4 and through two lenses 6 between which a spatial filter 7 is arranged on a lens 8th it's on a trial 10 focused. In the embodiment, the sample is 10 in a cuvette or flow cell.

Von der Probe 10 wird Licht in alle Richtungen gestreut. Ein Teil davon wird mit einer Linse 12 gesammelt und in weitgehend parallelem Strahlengang durch einen Ramanfilter 14 geleitet.From the sample 10 Light is scattered in all directions. Part of it comes with a lens 12 collected and in largely parallel beam path through a Raman filter 14 directed.

Ein Ramanfilter ist eine Filtereinrichtung, die das Licht bei der Wellenlänge der einstrahlenden Lichtquelle möglichst schlecht, aber bei dagegen um die erwartete Ramanverschiebung verschobenen Wellenlängen möglichst gut durchlassen soll. Besonders geeignet sind Notchfilter, die bei der benutzten Wellenlänge der Lichtquelle eine sehr geringe Transmission mit beidseitigen steilen Flanken der Transmissionskennlinie zeigen. Eine andere Möglichkeit bieten Kantenfilter, bei denen die Transmission ab einer vorgegebenen Wellenlänge hoch ist und unterhalb davon sehr niedrig, wobei der Übergangsbereich (Kante) steil verläuft. Bei Einsatz eines Kantenfilters legt man die Kante so, dass die verwendete Wellenlänge des einfallenden Lichts auf der Seite der Kante mit sehr geringer Transmission liegt und der Wellenlängenbereich entsprechend der Ramanverschiebung auf der anderen Seite der Kante. Der Ramanfilter 14 unterdrückt also sehr stark das direkte Licht der Lichtquelle 1 und ferner auch den von elastischer Streuung (Rayleighstreuung) an der Probe 10 herrührenden Untergrund. Diese Strahlung ist zwar nicht Raman-verschoben, aber um einige Größenordnungen intensiver als ein typisches Ramanspektrum und würde daher als Folge unerwünschter Streuungen und Reflexionen innerhalb des Messaufbaus bei der Aufnahme eines Ramanspektrums stören.A Raman filter is a filter device which is intended to transmit the light as poorly as possible at the wavelength of the incident light source, but to transmit as well as possible in the case of wavelengths shifted by the expected Raman shift. Particularly suitable are notch filters, which show a very low transmission with bilateral steep flanks of the transmission characteristic at the wavelength of the light source used. Another possibility is provided by edge filters in which the transmission is high at a given wavelength and very low below it, with the transition region (edge) running steeply. When using an edge filter, place the edge so that the wavelength of the incident light used is on the side of the very low transmission edge and the wavelength range corresponding to the Raman shift on the other side of the edge. The Raman filter 14 So suppressed very strong the direct light of the light source 1 and also that of elastic scattering (Rayleigh scattering) on the sample 10 originating underground. Although not Raman-shifted, this radiation is several orders of magnitude more intense than a typical Raman spectrum and would therefore interfere with unwanted scattering and reflections within the measurement setup when recording a Raman spectrum.

Zwischen zwei Linsen 16 befindet sich ein weiterer Raumfilter 17 und dahinter ein Polarisator 18. Eine Linse 20 fokussiert das Licht auf einen Eintrittsspalt 22 eines Spektrographen 24.Between two lenses 16 there is another room filter 17 and behind it a polarizer 18 , A lens 20 focuses the light on an entrance slit 22 a spectrograph 24 ,

Wie ein Spektrograph aufgebaut sein kann, ist einem Fachmann bekannt und daher in den Figuren nicht dargestellt. Eine hohe Auflösung erreicht man mit einem Gitterspektrographen. In dem Spektrographen 24 befindet sich im Ausführungsbeispiel als eigentlicher Detektor eine CCD-Kamera, mit der sich das zu erfassende Spektrum aufnehmen lässt.How a spectrograph can be constructed is known to a person skilled in the art and therefore not shown in the figures. A high resolution can be achieved with a grid spectrograph. In the spectrograph 24 In the exemplary embodiment, the actual detector is a CCD camera with which the spectrum to be recorded can be recorded.

In der 1 ist an den Spektrographen 24 angrenzend in schematischer Weise eine Bearbeitungseinrichtung 26 eingezeichnet. Die Bearbeitungseinrichtung 26 dient zum Ausgeben eines Signals, das den Gehalt der durch das zu untersuchende Ramanspektrum gegebenen Substanz in der Probe 10 charakterisiert. Im Prinzip erfolgt die Charakterisierung über das Ramanspektrum selbst. Das charakterisierende Signal kann daher z. B. lediglich das Ramanspektrum als Rohdaten enthalten, wobei als Bearbeitungseinrichtung 26 z. B. die Ausleseelektronik der CCD-Kamera aufgefasst wird. Im anderen Extrem gibt das charakterisierende Signal bereits einen Zahlenwert für den Gehalt der Substanz in der Probe an. In diesem Fall sind der Bearbeitungseinrichtung 26 noch andere Komponenten zuzurechnen, insbesondere ein Rechner, der sich auch außerhalb des Messaufbaus befinden kann. Wie man gemessene Ramanspektren auswerten kann, wird weiter unten anhand der 5 und 6 erläutert.In the 1 is at the spectrograph 24 adjoining a processing device in a schematic manner 26 located. The processing device 26 is used to output a signal indicating the content of the substance in the sample given by the Raman spectrum to be examined 10 characterized. In principle, the characterization takes place via the Raman spectrum itself. B. only contain the Raman spectrum as raw data, as a processing facility 26 z. B. the readout electronics of the CCD camera is understood. At the other extreme, the characterizing signal already indicates a numerical value for the content of the substance in the sample. In this case, the processing device 26 add other components, in particular a computer, which may also be outside the measurement setup. How to measure Raman spectra can be evaluated below using the 5 and 6 explained.

Die 2 zeigt einen Messaufbau, bei dem eine Streugeometrie unter 90° genutzt wird. Die meisten der bei dieser Anordnung verwendeten Komponenten stimmen mit denen aus der Anordnung gemäß 1 überein oder sind dazu sehr ähnlich, weshalb in 2 derartige Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in 1 und nicht erneut erläutert werden.The 2 shows a test setup in which a spread geometry below 90 ° is used. Most of the components used in this arrangement are the same as those in the arrangement 1 or are very similar to that, which is why in 2 Such components are provided with the same reference numerals as in 1 and will not be explained again.

Ein zusätzliches Bauteil in der Anordnung gemäß 2 ist eine λ/2-Platte 30. Die Probe befindet sich hier in einer Durchflussküvette 32, in die das Licht über ein Umlenkprisma eingestrahlt wird. Hinter dem anderen Ende der Durchflussküvette 32 ist eine Strahlfalle 34 angeordnet, um das einfallende Licht aus dem Laser 1 möglichst vollständig zu schlucken.An additional component in the arrangement according to 2 is a λ / 2 plate 30 , The sample is located here in a flow cell 32 into which the light is radiated via a deflection prism. Behind the other end of the flow cell 32 is a jet trap 34 arranged to remove the incident light from the laser 1 to swallow as completely as possible.

Wie man an 2 erkennt, wird mit dem Spektrographen 24 nur das Streulicht beobachtet, das in einem Winkelbereich um 90° zum einfallenden Lichtstrahl emittiert wird. Die zu dem Spektrographen 24 vordringende Untergrundstrahlung ist bei der Anordnung gemäß 2 generell niedriger als bei der Anordnung gemäß 1.How to 2 recognizes, is using the spectrograph 24 observed only the scattered light emitted in an angular range of 90 ° to the incident light beam. The to the spectrograph 24 penetrating background radiation is in the arrangement according to 2 generally lower than the arrangement according to 1 ,

Die 3 zeigt einen Messaufbau, bei dem eine Rückwärtsstreugeometrie genutzt wird. Wiederum werden für gleiche oder einander entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wie bei den Anordnungen gemäß 1 und 2.The 3 shows a test setup in which a backscatter geometry is used. Again, the same reference numerals are used for the same or corresponding components as in the arrangements according to 1 and 2 ,

Das Licht aus dem als Lichtquelle dienenden Laser 1 wird über zwei Spiegel 40 auf eine Durchflussküvette 42 gerichtet, die die Probe enthält und mit einer Weierstraßlinse versehen ist. Dazu erfolgt eine weitere Reflexion an einem Ramanfilter 44. Der Ramanfilter 44 ist als Notchfilter konzipiert, der bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts reflektiert, aber in anderen Wellenlängenbereichen, insbesondere im Bereich der Ramanverschiebung bei der zu untersuchenden Probe, eine hohe Transmission zeigt. Der Übergang zwischen beiden Transmissionsbereichen erfolgt wiederum mit steilen Flanken.The light from the laser serving as the light source 1 will have two mirrors 40 on a flow cell 42 directed, which contains the sample and is provided with a Weierstrass lens. For this purpose, another reflection takes place on a Raman filter 44 , The Raman filter 44 is designed as a notch filter, which reflects at the wavelength of the incident light, but shows a high transmission in other wavelength ranges, in particular in the range of Raman shift in the sample to be examined. The transition between the two transmission ranges again takes place with steep flanks.

Während die Anordnungen gemäß den 1, 2 und 3 als Messaufbauten für Laboruntersuchungen benutzt werden können, im Prinzip aber auch bei Feldmessungen zum Erfassen von Wasser in Flugkraftstoffen Anwendung finden können, ist die in 4 dargestellte Vorrichtung speziell für Online-Messungen an Flugkraftstoffen konzipiert.While the arrangements according to the 1 . 2 and 3 can be used as measurement setups for laboratory investigations, but in principle can also be used in field measurements for detecting water in aviation fuels, is the in 4 illustrated device specially designed for online measurements on aviation fuels.

Diese mit 50 bezeichnete Vorrichtung weist einen Leitungsabschnitt 52 mit einer Rohrwandung 54 auf, von der ein Abzweig 56 mit einem Flanschansatz ausgeht. An seinen beiden Enden ist der Leitungsabschnitt 52 jeweils mit einem Flansch 58 versehen. Der Leitungsabschnitt 52 kann in eine Rohrleitung eingesetzt werden, in der Flugkraftstoff strömt, wie durch die Pfeile angedeutet.This with 50 designated device has a line section 52 with a pipe wall 54 on, from which a branch 56 with a flange approach. At its two ends is the line section 52 each with a flange 58 Mistake. The pipe section 52 can be used in a pipeline in which aviation fuel flows, as indicated by the arrows.

Auf dem Flanschansatz des Abzweigs 56 liegt über eine in 4 nicht eingezeichnete Dichtung ein Fenster 60 aus Glas auf. Der Flanschansatz ist mit einem Außengewinde versehen, in das ein Innengewinde an einem Ende eines Gehäuses 62 eingreift, wobei das Fenster 60 von einem Innenvorsprung des Gehäuses 62 in Position gehalten wird, wie aus 4 ersichtlich.On the flange of the branch 56 lies about one in 4 not drawn seal a window 60 made of glass. The flange shoulder is provided with an external thread into which an internal thread at one end of a housing 62 engages, with the window 60 from an internal projection of the housing 62 is held in position as out 4 seen.

In dem Gehäuse 62 befindet sich ein als Lichtquelle dienender Laser 64, der im Ausführungsbeispiel als Festkörperlaser gestaltet ist und bei einer Wellenlänge im roten Bereich strahlt. Das Licht des Lasers 64 wird über einen Kollimator 66, einen Spiegel 68 und einen Spiegel 70 auf ein Objektiv 72 gerichtet, dass das Laserlicht auf eine Stelle innerhalb des Leitungsabschnitts 52 fokussiert, wie in 4 dargestellt.In the case 62 There is a serving as a light source laser 64 , which is designed in the embodiment as a solid-state laser and radiates at a wavelength in the red region. The light of the laser 64 is about a collimator 66 , a mirror 68 and a mirror 70 on a lens 72 directed that the laser light to a point within the line section 52 focused, as in 4 shown.

Das gestreute Licht gelangt durch das Fenster 60 und das Objektiv 72 zu dem Spiegel 70. Der Spiegel 70 dient als Ramanfilter und ist als Notchfilter ausgeführt, d. h. er reflektiert nahezu 100% des eingestrahlten Laserlichts, zeigt aber bei benachbarten Wellenlängen eine hohe Transmission. Daher wird das von dem Objektiv 72 gesammelte Licht von der Ramanstreuung praktisch ungehindert durchgelassen und fällt auf einen Strahlteiler 74. Der Strahlteiler 74 wirkt wie ein teildurchlässiger Spiegel und lässt einen Teil des Lichts durch, so dass dieser Teil über einen ersten Filter 76 und eine Linse 78 zu einem ersten Detektor 80 gelangen kann. Der andere Teil des Lichts wird von dem Strahlteiler 74 zu einem Spiegel 82 reflektiert, der das Licht durch einen zweiten Filter 84 und eine Linse 86 auf einen zweiten Detektor 88 richtet.The scattered light passes through the window 60 and the lens 72 to the mirror 70 , The mirror 70 serves as a Raman filter and is designed as a notch filter, ie it reflects almost 100% of the irradiated laser light, but shows a high transmission at adjacent wavelengths. Therefore, that is the lens 72 collected light from the Raman scattering practically unhindered and falls on a beam splitter 74 , The beam splitter 74 It acts as a semi-transparent mirror, allowing some of the light to pass through, leaving this part with a first filter 76 and a lens 78 to a first detector 80 can get. The other part of the light is from the beam splitter 74 to a mirror 82 reflects the light through a second filter 84 and a lens 86 to a second detector 88 directed.

Im Ausführungsbeispiel besitzt der erste Filter 76 eine hohe Transmission im Bereich des zu untersuchenden Ramanspektrums und sperrt bei anderen Wellenlängen. Das Ramanspektrum liegt bei einer für Wasser charakteristischen Ramanverschiebung, die durch eine O-H-Streckschwingung eines Wassermoleküls gegeben ist und – ausgedrückt als Wellenzahl – etwa 3622 cm^–1 beträgt. Die Wellenlänge des Laserlichts wird also um einen dieser Wellenzahl entsprechenden Betrag verschoben, und zwar zu längeren Wellenlängen. Ausgedrückt in absoluten Wellenlängen, hängt der Transmissionsbereich des ersten Filters 76 also von der Wellenlänge des Laserlichts ab.In the embodiment, the first filter has 76 a high transmission in the range of the Raman spectrum to be examined and blocks at other wavelengths. The Raman spectrum is characteristic of water Raman shift, which is given by an OH stretching vibration of a water molecule and - in terms of wavenumber - is about 3622 cm ^-1 . The wavelength of the laser light is thus shifted by an amount corresponding to this wavenumber, and to longer wavelengths. Expressed in absolute wavelengths, the transmission range of the first filter depends 76 So from the wavelength of the laser light.

Der zweite Filter 84 hat in einem anderen Bereich eine hohe Transmission als der erste Filter 76, vorzugsweise in einem Bereich, der außerhalb des Bereichs des ersten Filters 76 liegt, aber in dessen Nähe. Der zweite Detektor 88 erfasst daher nicht den Bereich des Ramanspektrums, sondern einen daneben liegenden Bereich, der für den allgemeinen Untergrund charakteristisch ist.The second filter 84 has a high transmission in a different area than the first filter 76 , preferably in an area outside the range of the first filter 76 lies, but in whose Nearby. The second detector 88 Therefore, it does not capture the range of the Raman spectrum, but an adjacent region that is characteristic of the general background.

Mit der Vorrichtung 50 wird kein aufgelöstes Ramanspektrum aufgenommen, sondern der erste Detektor 80 erfasst die Zahl der Ereignisse innerhalb des Ramanspektrums (plus die Zahl der Untergrundereignisse in diesem Bereich) integral. Entsprechendes gilt für den zweiten Detektor 88, der aber im Wesentlichen nur Untergrundereignisse erfasst. Der erste Detektor 80 und der zweite Detektor 88 brauchen daher keine Ortsauflösung zu ermöglichen.With the device 50 no resolved Raman spectrum is recorded, but the first detector 80 integrates the number of events within the Raman spectrum (plus the number of background events in this area). The same applies to the second detector 88 which essentially only records background events. The first detector 80 and the second detector 88 therefore do not need to allow spatial resolution.

Ein für den Gehalt des Wassers in dem durch den Leitungsabschnitt 52 strömenden Flugkraftstoff charakteristisches Signal ist also die Nettofläche unter dem Ramanspektrum nach Subtraktion des Untergrunds; siehe dazu auch die nachfolgenden Erläuterungen anhand der 5 und 6.An for the content of water in the through the line section 52 flowing aviation fuel characteristic signal is thus the net area under the Raman spectrum after subtraction of the subsurface; see also the following explanations on the basis of 5 and 6 ,

Die in der Vorrichtung 50 enthaltene Elektronik ist schematisch durch eine Platine 90 angedeutet. Diese Elektronik steuert bzw. versorgt den Laser 64, den ersten Detektor 80 und den zweiten Detektor 88 und empfängt die Signale des ersten Detektors 80 und des zweiten Detektors 88. Die Signale des ersten Detektors 80 und des zweiten Detektors 88 können als den Gehalt des Wassers in dem Flugkraftstoff charakterisierendes Signal ausgegeben werden. In diesem Fall ist eine weitere Auswertung erforderlich, um einen Zahlenwert für den Wassergehalt zu erhalten, insbesondere eine Anpassung und Subtraktion des Untergrunds. Eine solche Auswertung kann in einem externen Rechner durchgeführt werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Elektronik 90 einen Teil dieser Auswertung oder sogar die vollständige Auswertung übernimmt.The in the device 50 included electronics is schematically represented by a circuit board 90 indicated. This electronics controls or supplies the laser 64 , the first detector 80 and the second detector 88 and receives the signals of the first detector 80 and the second detector 88 , The signals of the first detector 80 and the second detector 88 can be output as the content of the water in the aviation fuel characterizing signal. In this case, further evaluation is required to obtain a numerical value for the water content, in particular an adaptation and subtraction of the background. Such an evaluation can be carried out in an external computer. But it is also conceivable that the electronics 90 Part of this evaluation or even the full evaluation takes over.

Eine Variante der Vorrichtung 50 verwendet die eingangs erwähnte SERDS-Technik. Bei dieser Variante sind der Strahlteiler 74 und der Zweig mit den Elementen 82, 84, 86 und 88 nicht vorhanden. Der Laser 64 kann zwischen zwei relativ nah beieinander liegenden Frequenzen hin und her geschaltet werden. Eine dieser Frequenzen erzeugt ein Ramansignal, das durch den schmalbandigen Filter 76 fällt. Wenn auf die andere Frequenz umgeschaltet wird, verschiebt sich das Ramansignal und gelangt nicht mehr durch den Filter 76, der in diesem Fall nur Untergrundstrahlung durchlässt. Da dieser Untergrund praktisch nicht von dem Untergrund verschieden ist, über dem das bei der ersten Frequenz gemessene Ramansignal sitzt, kann er zur Untergrundsubtraktion verwendet werden.A variant of the device 50 uses the SERDS technique mentioned in the beginning. In this variant, the beam splitter 74 and the branch with the elements 82 . 84 . 86 and 88 unavailable. The laser 64 can be switched back and forth between two relatively close frequencies. One of these frequencies generates a Raman signal through the narrow band filter 76 falls. When switching to the other frequency, the Raman signal shifts and does not pass through the filter 76 , which only transmits background radiation in this case. Since this ground is practically not different from the ground over which the Raman signal measured at the first frequency sits, it can be used for background subtraction.

Die 5 zeigt Ramanspektren, die mit einer Anordnung gemäß 2 (Streugeometrie von 90°) unter Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 647 nm und einer Leistung von 35 mW als Lichtquelle aufgenommen wurden. Die O-H-Streckschwingung eines nahezu isolierten Wassermoleküls in einer Matrix aus Flugkraftstoff liegt bei etwa 3600 cm^–1. Die Spektren in 5 erstrecken sich daher über einen Wellenzahlbereich, der diese für Wasser charakteristische Ramanverschiebung umfasst. Um Proben mit verschiedenem Wassergehalt herzustellen, wurde einem zuvor mit metallischem Natrium wasserfrei gemachten Flugkraftstoff schrittweise Wasser hinzugefügt. Diese Flüssigkeiten wurden nacheinander in eine Küvette des Messaufbaus gefüllt und mittels Ramanstreuung untersucht. Die Ramanspektren des Wassers im Bereich um 3622 cm^–1 heben sich bei Wassergehalten von 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm und 80 ppm deutlich vom Messuntergrund (Wassergehalt 0 ppm) ab, wie in 5 zu erkennen ist.The 5 shows Raman spectra, with an arrangement according to 2 (Scattering of 90 °) were recorded using a laser with a wavelength of 647 nm and a power of 35 mW as the light source. The OH stretching vibration of a nearly isolated water molecule in a matrix of aviation fuel is about 3600 cm ^-1 . The spectra in 5 Therefore, they extend over a wavenumber range that includes this water-characteristic Raman shift. In order to produce samples with different water content, water was gradually added to aviation fuel previously made anhydrous with metallic sodium. These liquids were successively filled into a cuvette of the measurement setup and examined by Raman scattering. The Raman spectra of the water in the range around 3622 cm ^-1 stand out clearly with water contents of 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm and 80 ppm from the measuring underground (water content 0 ppm), as in 5 can be seen.

Wenn man von den Ramanspektren in 5 den Untergrund subtrahiert (den man auch über Bereiche außerhalb des Peaks bei 3622 cm^–1 anpassen kann) und die Nettofläche unter dem Ramanspektrum integriert, erhält man eine für den Wassergehalt im Flugkraftstoff charakteristische Ereigniszahl. In 6 ist diese mit ”Intensität” ausgedrückte Ereigniszahl (”cts” oder ”counts”) als Funktion des Wassergehalts aufgetragen, auch für Wassergehalte von mehr als 80 ppm. Man erkennt, dass bis zu einem Wassergehalt von 80 ppm (Volumenteile Wasser pro Volumenteile Flugkraftstoff) die Kurve praktisch linear verläuft. Dies zeigt, dass das Verfahren zur quantitativen Bestimmung des Wassergehalts in Flugkraftstoff geeignet ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist.If one of the Raman spectra in 5 subtracting the background (which can also be adjusted over areas outside the peak at 3622 cm ^-1 ) and integrating the net area under the Raman spectrum, one obtains an event number characteristic of the aviation fuel water content. In 6 this "intensity" number of events ("cts" or "counts") is plotted as a function of water content, even for water contents greater than 80 ppm. It can be seen that up to a water content of 80 ppm (parts by volume of water per part by volume of aviation fuel) the curve is practically linear. This shows that the method is suitable for the quantitative determination of the water content in aviation fuel and has a high sensitivity.

Bei höheren Wassergehalten (100 ppm und 120 ppm) fällt die Kurve in 6 ab. Dies ist bedingt durch einen starken Anstieg des Untergrunds bei diesen Konzentrationen, der den Nutzpeak bei 3622 cm^–1 maskiert. Der Anstieg des Untergrunds ist auf Lichtstreuung an in dem Flugkraftstoff ausfallenden winzigen Wassertröpfchen zurückzuführen und bei der Auswertung der Messungen als Indikator nutzbar, um anzuzeigen, dass der Wassergehalt bereits zu hoch ist und die Sättigungsgrenze überschritten hat.At higher water contents (100 ppm and 120 ppm) the curve falls in 6 from. This is due to a large increase in background at these concentrations, which masks the peak at 3622 cm ^-1 . The slope of the subsurface is due to light scattering on minute droplets of water leaking in the aviation fuel and can be used as an indicator in the evaluation of the measurements to indicate that the water content is already too high and has exceeded the saturation limit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2009/0289013 A1 [0005]
US 2008/0230146 A1 [0005]
WO 2007/042501 A1 [0007]
US 7518719 B2 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Maiwald et al. in Appl. Phys. B 85, 509-512 (2006) [0023]
Appl. Optics 48, 2789-2792 (2009) [0023]

Claims

Method of detecting water in aviation fuel by Raman scattering.

Method according to claim 1, comprising the steps of: irradiating aviation fuel with a light source ( 1 ; 64 ), Detecting light scattered from the aviation fuel with at least one Raman shift characteristic of water, outputting a signal characterizing the content of the water in the aviation fuel.

A method according to claim 2, characterized in that the water characteristic Raman shift is given by an OH stretching vibration of a water molecule, preferably at a wave number of about 3622 cm ^-1 .

Method according to claim 2 or 3, characterized in that for detecting a spectrometer ( 24 ) is used, preferably with a CCD detector, wherein a spectrum of the scattered light in the vicinity of the water-characteristic Raman shift is recorded.

Method according to claim 4, characterized in that by means of a filter ( 14 ), preferably in front of the entrance of the spectrometer ( 24 ), a spectral range of the scattered light in the vicinity of the water-characteristic Raman shift is selected, and / or a spectral range of the light of the light source ( 1 ) is suppressed.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that by a first filter ( 76 ) a spectral range of the scattered light in the vicinity of the water-characteristic Raman shift is selected and that by a second filter ( 84 ) another spectral range of the scattered light is selected, wherein the content of the water in the aviation fuel characterizing signal is generated by means of a comparison of the total intensities of the scattered light in the two spectral ranges.

Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the light source ( 1 ; 64 ) comprises a laser, preferably a semiconductor laser.

A method according to claim 7, characterized in that a SERDS method is used for taking into account the radiation background in the vicinity of the Raman shift.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the aviation fuel through a line ( 52 ) is irradiated and transversely to the flow direction is irradiated with light, wherein transversely to the flow direction scattered light detected at least one water characteristic Raman shift and a the content of the water in the aviation fuel characterizing signal is output.

Method according to claim 9, characterized in that the light source ( 64 ) and a detector used in detecting the Raman shift characteristic of water ( 80 ) are aligned in substantially the same direction and the associated beam paths by means of a partially transparent optical element ( 70 ).

Device for detecting water in aviation fuel, - with a light source ( 1 ; 64 ) arranged to irradiate the aviation fuel, - with a detector device ( 24 ; 80 ) adapted to detect the light scattered by the aviation fuel at at least one Raman shift characteristic of water, and - with a processing device ( 26 ; 90 ) which is adapted to output a signal characterizing the content of the water in the aviation fuel.

Apparatus according to claim 11, characterized by a line section ( 52 ) with a wall ( 54 ), which has at least one window ( 56 . 60 ), wherein the light source ( 64 ) and the detector device ( 80 ) outside the line section ( 52 ) and are arranged to pass through the line section ( 52 ) passing aviation fuel through the window ( 56 . 60 ) and light scattered by the aviation fuel through the window ( 56 . 60 ) to detect.

Device according to claim 12, characterized in that the light source ( 64 ), which preferably has a semiconductor laser, has a beam path extending transversely to the flow direction and the beam path of the detector device ( 80 ) is arranged for backward scattering, wherein preferably for the beam path of the light source ( 64 ) and the beam path of the detector device ( 80 ) a common objective device ( 72 ) is used and the beam path of the light source ( 64 ) and the beam path of the detector device ( 80 ) via a partially transparent optical element ( 70 ) are guided.

Apparatus according to claim 13, characterized in that the detector device comprises a first filter ( 76 ) which is transparent to a spectral region of the scattered light in the vicinity of the Raman shift characteristic of water and is preferably narrowband, and that behind the first filter ( 76 ) a first detector ( 80 ) is arranged.

Apparatus according to claim 14, characterized in that the detector means a second filter ( 84 ), which is tuned to a different spectral range than the first filter ( 76 ), and that behind the second filter ( 84 ) a second detector ( 88 ) is arranged for a comparison measurement.