DE19526943C2 - Multiple reflection device for generating and measuring conventional signals and saturation signals of fluorescence and scattering - Google Patents

Multiple reflection device for generating and measuring conventional signals and saturation signals of fluorescence and scattering

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DE19526943C2 DE19526943A DE19526943A DE19526943C2 DE 19526943 C2 DE19526943 C2 DE 19526943C2 DE 19526943 A DE19526943 A DE 19526943A DE 19526943 A DE19526943 A DE 19526943A DE 19526943 C2 DE19526943 C2 DE 19526943C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachreflexionsvorrichtung zur Erzeugung und Messung von konventionellen Signalen und Sättigungssignalen der Fluoreszenz und der Streuung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 43 37 227 A1 bekannt.The invention relates to a multiple reflection device for generating and measuring conventional signals and saturation signals according to fluorescence and scattering the preamble of claim 1, as known from DE 43 37 227 A1.

In DD 301863 A7 und DE 43 37 227 A1 werden Methoden beschrieben, mit Hilfe der Fluo­ reszenz- und Streuspektroskopie nicht nur fluoreszierende Stoffe, sondern auch fluoreszenz­ unfähige Substanzen in Flüssigkeiten zu detektieren bzw. den Absorptionskoeffizienten mit einer im Vergleich zur klassischen Absorptionsspektrometrie wesentlich höheren Empfindlich­ keit zu bestimmen. Es wird vorgeschlagen, die konventionelle und die Sättigungs-Fluoreszenz bzw. -Streuung zu messen (90°-Meßgeometrie). Diese beiden Signale entstehen, wenn die anregende Strahlung zum einen kurze Wege (konventionelle Fluoreszenz- und Streusignale CF und CS) und zum anderen durch Mehrfachreflexion ausreichend lange Wege (Multipath- Sättigungs-Fluoreszenz und -Streuung MPSF und MPSS) in der zu untersuchenden Probe zurücklegt. Bei der MPSF und MPSS wird die anregende Strahlung nahezu vollständig in der Probe absorbiert. In DE 43 37 227 A1 werden des weiteren Mehrfachreflexionsvorrichtungen vorgeschlagen, mit denen eine separate Erzeugung und Messung der CF-, CS- und MPSF-, MPSS-Signale in Küvetten für Flüssigkeiten gelingen soll.Methods are described in DD 301863 A7 and DE 43 37 227 A1, using the Fluo Rescence and scattering spectroscopy not only fluorescent substances, but also fluorescence to detect incapable substances in liquids or the absorption coefficient with a significantly higher sensitivity than classic absorption spectrometry to determine. It is proposed the conventional and the saturation fluorescence to measure or scatter (90 ° measurement geometry). These two signals arise when the exciting radiation on the one hand short distances (conventional fluorescence and scatter signals CF and CS) and, on the other hand, due to multiple reflection, long distances (multipath Saturation fluorescence and scattering (MPSF and MPSS) in the sample to be examined travels. With the MPSF and MPSS, the exciting radiation is almost completely in the Sample absorbed. DE 43 37 227 A1 also describes multiple reflection devices with which a separate generation and measurement of the CF, CS and MPSF, MPSS signals in cuvettes for liquids should succeed.

Kurze Wege der in die Probe einfallenden Strahlung zur Erzeugung der konventionellen Fluo­ reszenz und Streuung werden in konventionellen Fluorimetern bzw. Scatterometern durch Küvetten mit ausreichend kleinen Abmessungen (z. B. 10 × 10 × 45 mm3) realisiert (G. Schwedt, Fluorimetrische Analyse, Verlag Chemie, Weinheim u. a., 1981; Th. Förster, Fluoreszenz organischer Verbindungen, Vanderhoeck & Ruprecht, Göttingen, 1982).Short paths of the radiation incident in the sample to generate the conventional fluorescence and scattering are realized in conventional fluorimeters or scatterometers by cuvettes with sufficiently small dimensions (e.g. 10 × 10 × 45 mm 3 ) (G. Schwedt, fluorimetric analysis , Verlag Chemie, Weinheim et al., 1981; Th. Förster, fluorescence of organic compounds, Vanderhoeck & Ruprecht, Göttingen, 1982).

Längere Wege der einfallenden Strahlung werden bei Fluoreszenztechniken genutzt, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. So können beispielsweise bei der Total-Internal-Reflection wesentliche Empfindlichkeitssteigerungen erzielt werden (DE 30 36 656 A1, N. L. Vekshin, Multipass cuvettes for spectrofluorimetry, Anal. Chim. Acta, Vol. 227, S. 291-295, 1989). Die Mehrfachreflexion wird mit Hilfe zweier sich gegenüberstehender und unterschiedlich großer Prismen erreicht. Hierbei verläßt die anregende Strahlung nach einigen Reflexionen wieder den Küvetten- bzw. Probenraum. Die Küvetten haben vergleichsweise geringe Abmessungen. Die Fluoreszenz kann somit relativ problemlos mit einfachen optischen Mitteln gemessen werden.Longer paths of the incident radiation are used in fluorescence techniques in order to Increase sensitivity. For example, in total internal reflection significant increases in sensitivity can be achieved (DE 30 36 656 A1, N.L. Vekshin, Multipass cuvettes for spectrofluorimetry, Anal. Chim. Acta, Vol. 227, pp. 291-295, 1989). The multiple reflection becomes different with the help of two opposing ones large prisms reached. The stimulating radiation leaves after a few reflections again the cuvette or sample room. The cuvettes are comparatively small Dimensions. The fluorescence can thus be relatively easy with simple optical Means are measured.

Lange Wege müssen in der Absorptionsspektroskopie insbesondere bei gasförmigen Medien realisiert werden, um auswertbare Signale zu erhalten (G. Baumbach, Luftreinhaltung, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg u. a., 1990; H. D. Kronfeldt, I. Berger, in SPIE, Vol. 1780, Lens and optical system design, 1992, S. 650-657; M. Tacke, in Laser in der Umwelt - Laser in Remote Sensing, Laser 91, München, S. 11-14). Die eingekoppelte Strahlung wird nach Durchlaufen einer definierten Probendicke zur Messung ihrer Schwächung wieder ausgekop­ pelt. Dabei werden zunehmend Laserstrahlquellen verwendet. Eine sehr einfache Anordnung zur Erzeugung einer Mehrfachreflexion der Anregungsstrahlung besteht aus sich gegenüber­ stehenden Planspiegeln. Um jedoch eine hohe Anzahl von Reflexionen realisieren zu können, werden spezielle Spiegelanordnungen und -formen benutzt. Gebräuchlich sind sich im Abstand d gegenüberstehende Konkavspiegel; zum einen als Spiegelpaar (HERRIOTT- Anordnung) und zum anderen als Vorrichtung mit 3 Spiegeln (WHITE-Anordnung).Long distances have to be traveled in absorption spectroscopy, especially with gaseous media be realized in order to obtain evaluable signals (G. Baumbach, air pollution control, Springer publishing house, Berlin-Heidelberg u. a., 1990; H. D. Kronfeldt, I. Berger, in SPIE, Vol. 1780, Lens and optical system design, 1992, pp. 650-657; M. Tacke, in Lasers in the Environment - Lasers in Remote Sensing, Laser 91, Munich, pp. 11-14). The injected radiation is after Running through a defined sample thickness to measure its weakening pelt. Laser beam sources are increasingly being used. A very simple arrangement to generate a multiple reflection of the excitation radiation consists of itself  standing plane mirrors. However, in order to be able to realize a high number of reflections, special mirror arrangements and shapes are used. Are common in Distance d opposite concave mirror; on the one hand as a pair of mirrors (HERRIOTT- Arrangement) and on the other hand as a device with 3 mirrors (WHITE arrangement).

In DE 41 04 316 A1 wird eine innen verspiegelte Kugelküvette vorgestellt, in welcher die anregende Strahlung mehrfach hin und her reflektiert und dann wieder ausgekoppelt wird. In DE 41 24 545 A1 wird eine Gasabsorptionszelle beschrieben, aus der die eingekoppelte Strahlung nach Mehrfachreflexion ebenfalls wieder austritt. Gemäß DE 31 22 896 A1 werden lange Strahlwege dadurch erzeugt, indem die Strahlung einen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllten Lichtleiter durchläuft und ausgekoppelt wird.DE 41 04 316 A1 presents an internally mirrored spherical cell in which the exciting radiation is reflected back and forth several times and then coupled out again. In DE 41 24 545 A1 describes a gas absorption cell from which the injected Radiation also emerges after multiple reflections. According to DE 31 22 896 A1 long beam paths generated by the radiation with the one to be examined Liquid-filled light guide passes through and is coupled out.

Des weiteren werden sehr lange Wege der Anregungsstrahlung bei Trassenmessungen (z. B. Kontrolle von Luftschadstoffen in der Nähe von Straßen, Kontrolle von Deponiegasen) reali­ siert. Hier wird ein Laserstrahl auf einen weit entfernten Spiegel gerichtet, der die Laser­ photonen zur Messung der Transmission (Absorption) auf einen optoelektronischen Empfän­ ger zurückreflektiert. Bei LIDAR-Messungen in Gewässern und in der Atmosphäre (R. Reuter, R. H. Gillot (ed.), Remote Sensing of Pollution of the Sea, Proceedings of the International Colloquium, Universität Oldenburg, 31.3.-3.4.1987; H. J. Kölsch, Probing the Atmosphere: Air Pollution Studies by LIDAR, Dissertation, FU Berlin, 1990) werden hoch­ energetische Laserphotonen in das zu untersuchende Medium eingestrahlt und die rückge­ streuten Wechselwirkungsphotonen (Fluoreszenz, Ramanstreuung, elastische Streuung) mit einem optoelektronischen Empfänger gemessen.Furthermore, very long paths of excitation radiation in route measurements (e.g. Control of air pollutants near roads, control of landfill gases) reali siert. Here a laser beam is aimed at a distant mirror, which is the laser photons for measuring the transmission (absorption) on an optoelectronic receiver ger reflected back. For LIDAR measurements in water and in the atmosphere (R. Reuter, R.H. Gillot (ed.), Remote Sensing of Pollution of the Sea, Proceedings of the International Colloquium, University of Oldenburg, March 31 - April 3, 1987; H. J. Kölsch, Probing the Atmosphere: Air Pollution Studies by LIDAR, dissertation, FU Berlin, 1990) are getting high energetic laser photons irradiated into the medium to be examined and the return scattered interaction photons (fluorescence, Raman scattering, elastic scattering) measured with an optoelectronic receiver.

Fluoreszenz- und Streumethoden sind im Vergleich zur klassischen Absorptionsspektrometrie durch eine sehr hohe Empfindlichkeit charakterisiert. Daher eignen sie sich gut für den Nachweis von Spurenkonzentrationen, was in vielen Fällen mit der Absorptionsspektrometrie nicht gelingt. Eine spezielle Fluoreszenz-/Streu-Methode ist die im Stand der Technik erwähnte Multipath-Sättigungs-Fluoreszenz/Streuung MPSF/MPSS. Um damit den Schwä­ chungs- oder Absorptionskoeffizienten bei der Anregungswellenlänge zu bestimmen, ist es erforderlich in 90°-Geometrie zu messen.Fluorescence and scattering methods are compared to classic absorption spectrometry characterized by a very high sensitivity. Therefore, they are well suited for the Detection of trace concentrations, which in many cases with absorption spectrometry not succeed. A special fluorescence / scattering method is that in the prior art mentioned multipath saturation fluorescence / scatter MPSF / MPSS. To the Schwä determination or absorption coefficients at the excitation wavelength, it is required to measure in 90 ° geometry.

Es gibt keine Mehrfachreflexionsvorrichtung, mit der konventionelle und Sättigungssignale in klassischen, in sich geschlossenen Meßzellen sowie in offenen Trassen gemessen werden können. Die Aufgabe besteht zum einen darin, die Wechselwirkungsphotonen eines größeren strahlenden bzw. streuenden Volumens (z. B. klassische Gasmeßzelle) auf einen kleineren Empfänger zu bringen. Zum anderen sollen die konventionellen Signale und die Sättigungs­ signale auch dann registriert werden können, wenn das zu untersuchende Medium ausgedehnt (Straße, Deponie) ist, aggressive Eigenschaften besitzt (Abgaskamin) und dessen Strömungs­ verhalten nicht durch hereinragende Meßköpfe gestört werden darf (chemische Prozesse in Reaktoren).There is no multiple reflection device with which conventional and saturation signals measured in classic, self-contained measuring cells and in open routes can. The task consists on the one hand, the interaction photons of a larger one radiating or scattering volume (e.g. classic gas measuring cell) to a smaller one Bring recipient. On the other hand, the conventional signals and the saturation signals can also be registered if the medium to be examined is expanded (Road, landfill), has aggressive properties (exhaust gas fireplace) and its flow behavior must not be disturbed by protruding measuring heads (chemical processes in Reactors).

Bei der Analyse optisch dünner Medien (Gase, Flüssigkeiten) werden i.d.R. Küvetten oder Meßzellen eingesetzt, die durch größere Längen bzw. bei Mehrfachreflexionszellen durch größere Spiegelabstände charakterisiert sind. When analyzing optically thin media (gases, liquids), usually Cuvettes or Measuring cells used by longer lengths or by multiple reflection cells larger mirror distances are characterized.  

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einer Mehrfachreflexionsvorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkma­ le. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The problem is solved in a multiple reflection device according to the Oberbe Handle of claim 1 by the feature specified in its characterizing part le. Advantageous further developments are characterized in the subclaims.

Das durch zwei sich gegenüberstehende Spiegel aufgespannte Wechselwirkungsvolumen ist erfindungsgemäß mit Lichtwellenleitern ganz oder teilweise eingehüllt, wobei das Wechsel­ wirkungsvolumen einmal ausschließlich das Meßvolumen ist und zum anderen aus dem Meßvolumen und einem separaten Indikatorvolumen besteht. Das Meßvolumen ist das zu untersuchende Medium. Das Indikatorvolumen kann z. B. ein szintillierender oder streuender Festkörper sein. Die im Wechselwirkungsvolumen durch die Anregungsstrahlung erzeugten Fluoreszenz- oder Streuphotonen treffen auf die Lichtwellenleiter und rufen dort, je nach Art des Lichtwellenleiters, eine elastische Streuung (streuende Quarzglasfaser) und/oder Szintila­ tion (szintillierende Faser) hervor, die dann auf optoelektronische Empfänger gerichtet werden. Es ist zu beachten, daß in grober Näherung eine 90°-Meßgeometrie realisiert wird, was mit einfachen mechanischen Hilfsmitteln erreicht werden kann (siehe Ausführungs­ beispiele).The interaction volume spanned by two opposing mirrors is fully or partially encased according to the invention with optical fibers, the change effective volume is exclusively the measuring volume and from the other Measurement volume and a separate indicator volume. The measuring volume is too investigating medium. The indicator volume can e.g. B. a scintillating or scattering Be solid. The generated in the interaction volume by the excitation radiation Fluorescence or scattering photons hit the optical fibers and call there, depending on the type of the optical waveguide, an elastic scattering (scattering quartz glass fiber) and / or Szintila tion (scintillating fiber), which is then directed to optoelectronic receivers will. It should be noted that a roughly 90 ° measuring geometry is implemented, what can be achieved with simple mechanical aids (see execution examples).

Eine hohe Reflexionszahl der Anregungsstrahlung im Wechselwirkungsvolumen kann mit einem Spiegelpaar bestehend aus einem Zylinder- und Konkavspiegel erzielt werden. Ein sol­ ches Spiegelpaar erzeugt Reflexionskurven der Anregungsstrahlung auf den spiegelnden Flächen, die sich bei definierten Bedingungen helixartig um die Eintrittsöffnung bewegen, so daß die Anregungsstrahlung nicht frühzeitig ausgekoppelt wird.A high reflection number of the excitation radiation in the interaction volume can a mirror pair consisting of a cylinder and concave mirror can be achieved. A sol The mirror pair generates reflection curves of the excitation radiation on the specular one Areas that move helically around the entrance opening under defined conditions, see above that the excitation radiation is not decoupled early.

Diese Spiegelkombination liefert auch bei vergleichsweise kleinen Küvettenlängen (z. B. 1 cm) gute Resultate. Hierbei sollte allerdings eine Einhüllung mit Lichtwellenleitern nicht unbe­ dingt notwendig sein, da kleine Volumina mit Hilfe einfacher optischer Bauelemente pro­ blemlos abgebildet werden können.This mirror combination delivers even with comparatively small cuvette lengths (e.g. 1 cm) good results. Here, however, an encasing with optical fibers should not be uncommon must be necessary since small volumes per simple optical components can be easily mapped.

Klassische Gasmeßzellen weisen Längen bis zu etwa 1 m auf. Bei solchen vergleichsweise noch geringen Ausdehnungen kann der gesamte Zellenkörper bzw. das gesamte Meßvolumen mit Lichtwellenleitern ohne großen Aufwand eingehüllt werden. Die Lichtwellenleiter können mehrlagig angeordnet werden oder/und sich in einem Szintillationsblock befinden. Das hat den Vorteil, daß so viele Fluoreszenz- und Streuphotonen durch die Lichtwellenleiter "einge­ fangen" werden können.Classic gas measuring cells have lengths of up to approximately 1 m. In such a comparison The entire cell body or the entire measuring volume can still be of small dimensions can be encased with optical fibers with little effort. The optical fibers can be arranged in multiple layers and / or are located in a scintillation block. That has the advantage that so many fluorescence and scattering photons through the optical fibers catch ".

Die Meßvolumina bei Trassenmessungen sind wesentlich länger (teilweise einige hundert Meter). Eine vollständige Einhüllung des Meßvolumens wäre sehr kostspielig bzw. gar nicht möglich. Die Messung der Fluoreszenz- und Streustrahlung gelingt hier mit Hilfe einer teilweisen Einhüllung mit Lichtwellenleitern. Das soll im folgenden näher erläutert werden (siehe auch Ausführungsbeispiel (b) mit mathematischer Betrachtung):The measuring volumes for route measurements are much longer (some hundreds Meter). A complete encapsulation of the measuring volume would be very expensive or not at all possible. The measurement of fluorescence and scattered radiation succeeds here with the help of a partial cladding with optical fibers. This will be explained in more detail below (see also embodiment (b) with mathematical consideration):

Die Intensität der Fluoreszenz- und Streustrahlung klingt exponentiell mit dem Weg der Anregungsstrahlung (z. B. Laser) ab (Abb. 1a). Im Fall der vollständigen Einhüllung integriert der Lichtwellenleiter-Sensor über die gesamte Wegstrecke x und liefert als Summe eine Sättigungsfunktion (Abb. 1b). Im Fall der nur teilweisen Einhüllung, z. B. als Lichtwellenlei­ terring der Breite a am Ort unmittelbar nach dem Einkoppeln der Anregungsstrahlung, wird die Exponentialfunktion nur segmentweise integriert; nämlich immer am Ort des Lichtwellen­ leiterringes. Als Summe entsteht ebenfalls eine Sättigungsfunktion, deren Wertebereich jedoch um einen konstanten Faktor kleiner ist (Abb. 1b). Dieser Faktor ist abhängig von der Länge a des Lichtwellenleiterringes und vom Spiegelabstand d. Davon ausgehend können MPSF und MPSS bei Trassenmessungen auch in 90°-Geometrie gemessen werden. The intensity of the fluorescence and scattered radiation decays exponentially with the path of the excitation radiation (e.g. laser) ( Fig. 1a). In the case of complete encapsulation, the fiber optic sensor integrates over the entire path x and delivers a saturation function as a sum ( Fig. 1b). In the case of only partial wrapping, e.g. B. as Lichtwellenlei terring the width a at the site immediately after coupling the excitation radiation, the exponential function is only integrated in segments; namely always at the location of the light wave conductor ring. The sum also results in a saturation function, the value range of which is smaller by a constant factor ( Fig. 1b). This factor depends on the length a of the optical waveguide ring and the mirror spacing d. Based on this, MPSF and MPSS can also be measured in 90 ° geometry for route measurements.

Bei der Messung in aggressiven Medien oder in Medien, deren Strömungsverhalten nicht durch hineinragende Meßköpfe gestört werden soll, wird das Wechselwirkungsvolumen durch zwei separate und voneinander getrennte Volumina gebildet. Das ist zum einen das zu unter­ suchende Meßvolumen und zum anderen ein fluoreszierendes oder/und streuendes Indikator­ volumen, deren optischen Eigenschaften bekannte und konstante Größen sind. Beide Volumi­ na befinden sich zwischen den Spiegeln und wechselwirken nicht miteinander. Das Indikator­ volumen ist mit Lichtwellenleitern eingehüllt, das Meßvolumen nicht. Ähnlich der Trassen­ messung liegt auch hier der Fall einer teilweisen Einhüllung mit Lichtwellenleitern vor. Die Wechselwirkungssignale des zu untersuchenden Meßvolumens werden jedoch hier über die Wechselwirkung der Anregungsstrahlung mit dem Indikatorvolumen ermittelt.When measuring in aggressive media or in media whose flow behavior is not the interaction volume is disrupted by protruding measuring heads two separate and separate volumes are formed. On the one hand that's the under measuring volume searching and on the other hand a fluorescent or / and scattering indicator volume whose optical properties are known and constant quantities. Both volumi na are between the mirrors and do not interact with each other. The indicator volume is covered with optical fibers, the measuring volume is not. Similar to the routes measurement there is also the case of a partial covering with optical fibers. The Interaction signals of the measuring volume to be examined are, however, here via the Interaction of the excitation radiation with the indicator volume determined.

Günstige Ausbildungen beschreiben Möglichkeiten zur Erzeugung und Messung von CF und CS (kurze Wege der Anregungsstrahlung im Wechselwirkungsvolumen) sowie von MPSF und MPSS (lange Wege der Anregungsstrahlung).Favorable training courses describe options for generating and measuring CF and CS (short paths of excitation radiation in the interaction volume) and MPSF and MPSS (long paths of excitation radiation).

Für die Erzeugung von MPSF, MPSS sind Spiegel mit sehr hohem Reflexionsvermögen nötig. Solche Spiegel können mit dielektrischen Schichten realisiert werden. Nachteilig ist allerdings, daß dielektrische Spiegel nur in einem begrenzten Spektralbereich ein sehr hohes Reflexionsvermögen garantieren. So sind z. B. für den UV/VIS-Bereich mindestens 3-4 Spiegel (Zylinder/Konkav) mit unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien erforderlich. Mehrere Spiegelpaare können nun auf einer Schiene oder einer Rotationsscheibe angeordnet werden, wobei Schiene/Scheibe und Anregungsstrahlengang zueinander beweglich angeordnet sind. Eine solche Spiegelaufnahme enthält weiterhin Positionen, die nicht mit Zylinder- und Konkavspiegeln belegt sind. Bei diesen Positionen legt die Anregungsstrahlung nur kurze Wege im Wechselwirkungsvolumen zurück, was zur Erzeugung der CF, CS führt.For the generation of MPSF, MPSS are mirrors with very high reflectivity necessary. Such mirrors can be realized with dielectric layers. The disadvantage is however, that dielectric mirrors are very high only in a limited spectral range Guarantee reflectivity. So z. B. for the UV / VIS range at least 3-4 Mirror (cylinder / concave) with different coating materials required. Several pairs of mirrors can now be arranged on a rail or a rotating disc are arranged, rail / disc and excitation beam path movable to each other are. Such a mirror holder also contains positions that are not cylindrical and Concave mirrors are occupied. At these positions, the excitation radiation is only short Paths back in the interaction volume, which leads to the generation of the CF, CS.

Bei Anwendungen, die mit nur einem Spiegelpaar auskommen (z. B. bei begrenzten Wellen­ längenbereichen bezüglich der Anregung oder bei optisch dicken Medien, bei denen für die Erzeugung der MPSF, MPSS nur wenige Reflexionen nötig sind), sollte folgende Konfigura­ tion nützlich sein: Das Spiegelpaar ist gegenüber der Anregungsstrahlung unbeweglich. Zur Erzeugung der MPSF, MPSS wird wie üblich die Anregungsstrahlung nahezu parallel in das Wechselwirkungsvolumen eingekoppelt und die Fluoreszenz und die Streuung über die ein­ hüllenden Lichtwellenleiter auf die optoelektronischen Empfänger gebracht. Zur Erzeugung der CF, CS wird eine Linse in den Anregungsstrahlengang gebracht, die die Parallelität in Divergenz transformiert. Das führt dazu, daß die nun divergente Anregungsstrahlung nur noch kurze Wege im Wechselwirkungsvolumen zurücklegt bzw. in einem kleinen Wechselwir­ kungsvolumen fokussiert. Der Fokus kann über ein von Lichtwellenleitern freies Fenster mit Hilfe einer einfachen Optik auf einen Optowandler abgebildet werden.For applications that only need one pair of mirrors (e.g. with limited waves length ranges with regard to the excitation or with optically thick media, for which for the Generation of the MPSF, MPSS only a few reflections are necessary), the following configuration should be tion: The pair of mirrors is immobile in relation to the excitation radiation. For Generation of the MPSF, MPSS is, as usual, the excitation radiation almost parallel in the Interaction volume coupled in and the fluorescence and scattering over the one enveloping optical fiber brought to the optoelectronic receiver. For generation the CF, CS, a lens is placed in the excitation beam path, which shows the parallelism in Divergence transformed. The result is that the now divergent excitation radiation only short distances in the interaction volume or in a small interaction volume focused. The focus can be viewed through a window free of optical fibers Mapped to an optoconverter using simple optics.

Zum Zwecke einer besseren Anschaulichkeit soll zunächst eine kurze mathematische Betrach­ tung am Beispiel der Fluoreszenz (CF, MPSF) vorgenommen werden. Es wird die 90°- Meßgeometrie betrachtet, d. h. die Fluoreszenz wird stets rechtwinklig zur Anregungsstrahlung gemessen. Dabei wird davon ausgegangen, daß keine merkliche Schwächung der 90°-Fluo­ reszenz im Wechselwirkungsvolumen stattfindet, was durch kurze Wege in Detektions­ richtung realisiert werden kann. For the sake of clarity, a brief mathematical review should first be made the example of fluorescence (CF, MPSF). It will be the 90 ° Considered measurement geometry, d. H. the fluorescence always becomes perpendicular to the excitation radiation measured. It is assumed that there is no noticeable weakening of the 90 ° fluo Resence in the interaction volume takes place, which is due to short distances in detection direction can be realized.  

Abb. 1a zeigt das Verhalten der Fluoreszenz entlang des Weges der Anregungsstrahlung. Die an einem Ort x beobachtete, differentielle Fluoreszenz dF ist umso kleiner, je weiter der Ort x vom Ort x = 0 entfernt liegt:
Fig. 1a shows the behavior of fluorescence along the path of the excitation radiation. The differential fluorescence dF observed at a location x is smaller, the further the location x is from the location x = 0:

Der Parameter H enthält die Intensität der Anregungsquelle und die Fluoreszenzquanten­ ausbeute αF ist der Absorptionskoeffizient der fluoreszierenden Substanz bei der Anregungs­ wellenlänge, αT ist der totale Schwächungskoeffizient (Summe aus fluoreszierenden und nichtfluoreszierenden Stoffen). Das Produkt αTx ist die Absorption bzw. die Extinktion E. Die Integration von Gleichung (1) liefert:
The parameter H contains the intensity of the excitation source and the fluorescence quanta yield α F is the absorption coefficient of the fluorescent substance at the excitation wavelength, α T is the total attenuation coefficient (sum of fluorescent and non-fluorescent substances). The product α T x is the absorption or the extinction E. The integration of equation (1) provides:

Das ist die gesamte, über den Weg x gemessene Summenfluoreszenz (Abb. 1b, Graph 1). Ist der Weg x ausreichend klein, dann kann Gleichung (2) linearisiert werden:
This is the total sum fluorescence measured along path x ( Fig. 1b, Graph 1). If the path x is sufficiently small, then equation (2) can be linearized:

F(0, a) = H . αF . a (3)F (0, a) = H. α F. a (3)

Gleichung (3) beschreibt die im Intervall x = 0 bis x = a generierte lineare, konventionelle Fluo­ reszenz.Equation (3) describes the linear, conventional fluo generated in the interval x = 0 to x = a resence.

Nun wird der Weg x in n Intervalle der Breite a mit einem äquidistanten Abstand d geteilt (Abb. 1a). Wir wollen wissen, wie groß ist die gesamte, in allen auf dem Weg x befindlichen Intervallen generierte Fluoreszenz. Diese Fluoreszenz wird mit Intervallfluoreszenz IF bezeichnet. Die diffentielle Intervallfluoreszenz dIF wird in jedem Intervall nd - (n - 1)d mit n = 1, 2, 3, ... erzeugt. Es gilt die Differentialgleichung:
Now the path x is divided into n intervals of width a with an equidistant distance d ( Fig. 1a). We want to know how large is the total fluorescence generated at all intervals on path x. This fluorescence is called interval fluorescence IF. The differential fluorescence dIF is generated in each interval nd - (n - 1) d with n = 1, 2, 3, ... The differential equation applies:

mit x = n . d. Die Integration über x in den Grenzen x = 0 bis x = n . d ergibt dann die gesamte in den über den Weg x mit dem Abstand d lokalisierten Intervallen der Breite a generierte Fluoreszenz (Abb. 1b, Graph 2):
with x = n. d. The integration over x in the limits x = 0 to x = n. d then gives the total fluorescence generated in the intervals a of width a located along path x with distance d ( Fig. 1b, graph 2):

Wird der Intervallabstand d bis auf a = d verringert (gleichbedeutend mit n = 1, da es ja dann nur noch ein einziges Intervall der Länge a gibt) geht Gleichung 5 wegen der Kleinheit von a (Linearisierung) in Gleichung 3 über.If the interval distance d is reduced to a = d (synonymous with n = 1, since then it is there is only a single interval of length a) equation 5 goes because of the smallness of a (linearization) in equation 3 above.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described with reference to exemplary embodiments shown in the figures described. Show it:

Abb 1a, b verschiedene FluoreszenzkurvenFig 1 a, b different fluorescence curves

Abb 2 eine mit Lichtwellenleiter vollständig eingehüllte Durchfluß­ zelleFig. 2 a flow cell completely enveloped with fiber optic cable

Abb 3 eine Mehrfachreflexionszelle für TrassenmessungenFig. 3 a multiple reflection cell for route measurements

Abb 4 eine Mehrfachreflexionszelle für KaminmessungenFig. 4 a multiple reflection cell for chimney measurements

(a) Durchflußzelle:(a) Flow cell:

Abb. 2 zeigt die Ausführung einer mit Lichtwellenleiter vollständig eingehüllten Durchfluß­ zelle. Fig. 2 shows the design of a flow cell completely encased with fiber optic cables.

Die Anordnung besteht aus zwei Teilmodulen. Zum einen ist das eine zylindrische Durchfluß- Meßzelle mit Ein- und Auslaßöffnungen (10) für das zu untersuchende Meßvolumen (11) (Flüssigkeit oder Gas). Zum anderen ist das eine Vorrichtung (Grundplatte (13) mit starren und beweglichen Elementen) zur Aufnahme der Meßzelle. Diese Aufnahmevorrichtung besteht im wesentlichen aus beweglichen Trägern zur Halterung der Lichtwellenleiter des Lichtwellenleiterringes (8) (z. B. zwei klappbare Halbschalen), die die Zelle einschließen, zwei sich gegenüberstehenden Spiegeln, nämlich ein Zylinderspiegel (6) und ein Konkavspiegel (12), mit Halterungen (9), die die Mehrfachreflexion der Anregungsstrahlung bewerkstelligen sowie der Einkoppel- und Empfangsoptik mit Laser (3), einschwenkbarer Sammellinse (4), Fenster (7), Lichtwellenleiterbündel (5), spektralselektivem Element (2) und Empfänger (1). Die Lichtwellenleiter werden längs der zylindrischen Meßzelle bzw. der Anregungsstrahlung angeordnet. Die im Meßvolumen erzeugten Fluoreszenz- und Streuphotonen gelangen in die Lichtwellenleiter und werden bei Verwendung von Lichtwellenleitern mit einem ausreichend großen Wechselwirkungsquerschnitt merklich gestreut. Die im Lichtwellenleiter erzeugten Photonen werden dann z. T. in Lichtwellenleiterrichtung transportiert. Direkte Anregungsstrah­ lung gelangt nicht auf die Lichtwellenleiter.The arrangement consists of two sub-modules. First, there is a cylindrical flow measuring cell with inlet and outlet openings ( 10 ) for the measuring volume ( 11 ) to be examined (liquid or gas). On the other hand, this is a device (base plate ( 13 ) with rigid and movable elements) for receiving the measuring cell. This holding device essentially consists of movable supports for holding the optical fibers of the optical fiber ring ( 8 ) (e.g. two foldable half-shells) which enclose the cell, two opposing mirrors, namely a cylindrical mirror ( 6 ) and a concave mirror ( 12 ), with brackets ( 9 ), which bring about multiple reflection of the excitation radiation and the coupling and receiving optics with laser ( 3 ), swiveling converging lens ( 4 ), window ( 7 ), optical fiber bundle ( 5 ), spectrally selective element ( 2 ) and receiver ( 1 ) . The optical fibers are arranged along the cylindrical measuring cell or the excitation radiation. The fluorescence and scattering photons generated in the measuring volume enter the optical fibers and are noticeably scattered when using optical fibers with a sufficiently large interaction cross section. The photons generated in the optical fiber are then z. T. transported in the optical fiber direction. Direct excitation radiation does not reach the optical fibers.

Um in grober Näherung eine 90°-Meßgeometrie realisieren zu können, sind in regelmäßigen Abständen ringförmige Blenden bzw. Lamellen zwischen Meßzelle und Lichtwellenleiter an­ geordnet. Diese verhindern, daß die unter einem von 90° stark verschiedenen Winkel stam­ menden Fluoreszenz- oder Streuphotonen aus dem Meßvolumen auf die Lichtwellenleiter treffen. Diese Lamellen können gleichzeitig zur mechanischen Befestigung der Lichtwell­ enleiter benutzt werden (Klebverbindungen könnten unter Umständen störende Klebstoff- Fluoreszenzen verursachen).In order to be able to roughly approximate a 90 ° measuring geometry, regular Distances ring-shaped diaphragms or lamellae between measuring cell and optical fiber orderly. These prevent the stamens from being at a very different angle from 90 ° fluorescence or scattering photons from the measurement volume onto the optical fibers to meet. These slats can also be used for mechanical fastening of the light wave conductor can be used (adhesive connections could possibly cause annoying adhesive Cause fluorescence).

Die Grundplatte haltert einen Zylinderspiegel, der eine Öffnung zur Einkopplung der Anre­ gungsstrahlung (z. B. UV-Laser) enthält, und einen gegenüberliegenden Konkavspiegel. Beide Spiegel sind zu Justagezwecken beweglich gelagert (Translation, Rotation, Kippung). Bei Verwendung mehrerer Spiegelpaare sind die Spiegel auf einer senkrecht zur Anregungs­ strahlung beweglichen Halterung (Schiene oder Scheibe) positioniert.The base plate holds a cylinder mirror, which has an opening for coupling the stim radiation (e.g. UV laser) and an opposing concave mirror. Both Mirrors are movably mounted for adjustment purposes (translation, rotation, tilting). At  Using several pairs of mirrors, the mirrors are on one perpendicular to the excitation Radiation movable bracket (rail or disc) positioned.

Die Lichtwellenleiter werden auf einer Seite über den Spiegel geführt, verdichtet und mit einem optoelektronischen Empfänger gekoppelt. Das andere Ende der Lichtwellenleiter kann verspiegelt sein. Die Lichtwellenleiter sind nach außen hin optisch abgeschirmt, so daß kein Fremdlicht eindringen kann. Als Lichtwellenleiter kommen sowohl nichtszintillierende als auch szintillierende in Betracht. Nichtszintillierende Fasern (z. B. undotierte Quarzfasern) leiten sowohl Fluoreszenz- als auch Streuphotonen des Meßvolumens. Zwischen dem ver­ dichteten Ende der nichtszintillierenden Fasern und einem Empfänger ist ein spektralse­ lektives Element positioniert. Das kann z. B. ein Filterrad sein, das mit Bandpaß-Filtern und Kantenfiltern belegt ist. Bandpaß-Filter und Kantenfilter sind auf dem Filterrad alternierend angeordnet. Mittels der Bandpaßfilter wird die elastische Streuung des Meßvolumens gemes­ sen, mittels der Kantenfilter die integrale Fluoreszenz. Alternativ kann auch ein Spektrometer verwendet werden. Im Gegensatz dazu leiten szintillierende Fasern nicht die Fluoreszenz- bzw. Streuphotonen des zu untersuchenden Meßvolumens, sondern das durch sie generierte Faserszintillationslicht. Das hat zur Folge, daß eine spektralaufgelöste Messung der Fluo­ reszenz/Streuung des Meßvolumens nicht möglich ist. Die Faserszintillation dient als Indika­ tor für die vom Meßvolumen erzeugten Wechselwirkungssignale.The optical fibers are guided on one side over the mirror, compressed and with coupled to an optoelectronic receiver. The other end of the optical fiber can be mirrored. The optical fibers are optically shielded from the outside, so that none Extraneous light can penetrate. Both non-scintillating come as optical fibers also scintillating into consideration. Non-scintillating fibers (e.g. undoped quartz fibers) conduct both fluorescence and scatter photons of the measurement volume. Between the ver sealed end of the non-scintillating fibers and a receiver is a spectral positioned element. That can e.g. B. be a filter wheel with bandpass filters and Edge filtering is occupied. Bandpass filters and edge filters are alternating on the filter wheel arranged. The elastic spread of the measuring volume is measured by means of the bandpass filter integral fluorescence using the edge filter. Alternatively, a spectrometer can also be used be used. In contrast, scintillating fibers do not conduct the fluorescent or scatter photons of the measurement volume to be examined, but the one generated by them Fiber scintillation light. As a result, a spectrally resolved measurement of the fluo Resence / scatter of the measuring volume is not possible. Fiber scintillation serves as an indicator Tor for the interaction signals generated by the measurement volume.

Zur Erhöhung der in den Fasern erzeugten Intensität bieten sich folgende Möglichkeiten an:
The following options are available to increase the intensity generated in the fibers:

  • - Die Lichtwellenleiter werden mehrlagig angeordnet.- The optical fibers are arranged in multiple layers.
  • - Die Lichtwellenleiter werden mit einem äußeren Spiegel umhüllt oder auf der dem Meß­ volumen abgewandten Seite verspiegelt.- The optical fibers are covered with an outer mirror or on the measuring side facing away from the volume.
  • - Das Meßvolumen ist mit einem außen verspiegelten, szintillierenden Block umhüllt. In diesem Block sind wiederum szintillierende Fasern zur Lichtführung auf den Empfänger eingebettet.- The measuring volume is encased in an externally mirrored, scintillating block. In this block is again scintillating fibers for guiding light onto the receiver embedded.

Die Erzeugung und Messung der Sättigungssignale werden stets mittels Zylinder/Konkav­ spiegelpaar durchgeführt. Zur Erzeugung der konventionellen Signale wird die anregende Laserstrahlung mit Hilfe einer vor dem Zylinderspiegel einschwenkbaren Linse in das Meßvolumen fokussiert. Das führt zu einer divergenten Strahlung, die für eine Mehrfachrefle­ xion und somit für lange Wege der Anregungsstrahlung ungeeignet ist. Der Fokus wird über ein von Lichtwellenleitern freies Fenster mittels sammelnder Optik auf einen optoelektroni­ schen Empfänger gebracht. Eine andere Möglichkeit, die konventionellen Signale zu erzeu­ gen, besteht darin, die Spiegel aus dem Anregungsstrahlengang in eine spiegelfreie Position (z. B. mittels Schiene) zu bewegen. Die Anregungsstrahlung verläßt dann wegen fehlender Mehrfachreflexion das Meßvolumen nach kurzer Wegstrecke, was die Erzeugung der kon­ ventionellen Signale ermöglicht.The generation and measurement of the saturation signals are always by means of cylinders / concaves mirror pair performed. To generate the conventional signals, the stimulating Laser radiation with the help of a lens that can be swiveled in front of the cylinder mirror Measuring volume focused. This leads to a divergent radiation, which is necessary for multiple reflections xion and therefore unsuitable for long paths of excitation radiation. The focus is over a window free of optical fibers by means of collecting optics on an optoelectroni brought recipient. Another way to generate the conventional signals gene, consists of moving the mirrors out of the excitation beam path into a mirror-free position (e.g. using a rail). The excitation radiation then leaves due to the lack of Multiple reflection the measurement volume after a short distance, which the generation of the con conventional signals.

Eine davon recht verschiedene Möglichkeit, konventionelle und Sättigungssignale separat zu messen, ist die zeitaufgelöste Messung. Die konventionellen Signale CF, CS entstehen bei kurzen Wegen der Anregungsstrahlung im Meßvolumen, die Sättigungssignale MPSF und MPSS bei langen Wegen. Kurze Wege sind durch entsprechend kurze Zeiten charakterisiert; lange Wege durch lange Zeiten. Das heißt, in einem von Null beginnenden, kurzen Zeitfen­ ster werden Signale gemessen, die durch kurze Wege der Anregungsstrahlung charakterisiert sind: CF und CS. In einem langen Zeitfenster werden dagegen Signale gemessen, die durch lange Wege der Anregungsstrahlung charakterisiert sind: MPSF und MPSS. Somit können mittels einer Empfängeranordnung bestehend aus einem kurzen und einem langen Zeitfenster, die optischen Meßgrößen CF, CS und MPSF, MPSS separat auf rein elektronischem Wege bestimmt werden. This is a very different way of separating conventional and saturation signals separately measure is the time-resolved measurement. The conventional signals CF, CS arise at short because of the excitation radiation in the measuring volume, the saturation signals MPSF and MPSS for long distances. Short distances are characterized by correspondingly short times; long ways through long times. That is, in a short time period starting from zero Signals are measured that are characterized by short paths of excitation radiation are: CF and CS. In a long time window, however, signals are measured that pass through Long paths of excitation radiation are characterized: MPSF and MPSS. So you can by means of a receiver arrangement consisting of a short and a long time window, the optical measured variables CF, CS and MPSF, MPSS separately by purely electronic means be determined.  

Ausgehend von obigen mathematischen Betrachtungen detektiert diese mit Lichtwellenleitern (nahezu) vollständig eingehüllte Durchflußzelle eine MPSF, die sich aus Gleichung 2 ergibt. Bei langen Wegen x der Anregungsstrahlung infolge der vielfachen Reflexionen zwischen dem Zylinder- und Konkavspiegel geht Gleichung 2 in Gleichung 6 über (siehe DE 43 37 227 A1 sowie K.-H. Mittenzwey und G. Sinn, EARSeL Advances in Remote Sensing, Vol. 4, No. 1-IX, 1995, S. 87-95):
Based on the above mathematical considerations, this flow cell (almost) completely enveloped with optical fibers detects an MPSF, which results from equation 2. For long paths x of the excitation radiation due to the multiple reflections between the cylinder and concave mirror, equation 2 changes to equation 6 (see DE 43 37 227 A1 and K.-H. Mittenzwey and G. Sinn, EARSeL Advances in Remote Sensing, Vol. 4, No. 1-IX, 1995, pp. 87-95):

Das ist genau die Fluoreszenz, die in Abb. 1b durch den Sättigungswert der Kurve 1 re­ präsentiert wird.This is exactly the fluorescence that is shown in Fig. 1b by the saturation value of curve 1 re.

(b) Offene Mehrfachreflexion für Trassenmessungen:(b) Open multiple reflection for route measurements:

Im Unterschied zur o. g. Apparatur zeigt Abb. 3 eine offene Trasse als Meßvolumen (11), die mit einem Lichtwellenleiterring (8) teilweise eingehüllt ist. Der Konkavspiegel (12) befindet sich in größerer Entfernung zum Zylinderspiegel (6) auf einer separaten Grundplatte (14). Beide Einheiten können für eine optische Grobjustage auf bewegliche Träger (15) montiert werden. Der Lichtwellenleiterring erfaßt die Fluoreszenz und Streuung des innerhalb des Lichtwellenleiterringes befindlichen Meßvolumens in 90°-Meßgeometrie.In contrast to the above-mentioned apparatus, Fig. 3 shows an open route as the measuring volume ( 11 ), which is partially enveloped with an optical waveguide ring ( 8 ). The concave mirror ( 12 ) is located at a greater distance from the cylinder mirror ( 6 ) on a separate base plate ( 14 ). Both units can be mounted on movable supports ( 15 ) for a rough optical adjustment. The optical waveguide ring detects the fluorescence and scatter of the measurement volume located within the optical waveguide ring in a 90 ° measuring geometry.

Dieser Lichtwellenleitering spiegelt sich auf Abb. 1a in den Intervallen der Breite a wider. Die Intervalle haben den Abstand d, was dem doppelten Spiegelabstand entspricht. Die damit gemessene Intervall-MPSIF ist der Sättigungswert, der sich aus Gleichung 5 ergibt und in Abb. 1b durch das Plateau der Kurve 2 charakterisiert ist:
This optical waveguide ring is reflected in Fig. 1a in the intervals of width a. The intervals have the distance d, which corresponds to twice the mirror distance. The interval MPSIF thus measured is the saturation value which results from equation 5 and is characterized in Fig. 1b by the plateau of curve 2 :

Die Gleichung 7 ergibt sich auch aus einer anderen Überlegung. Die MPSF wird gemessen, wenn ein fiktiver langgestreckter Sensor entlang des gesamten Meßvolumens bzw. der gesam­ ten Trassenlänge detektiert (90°). Der Lichtwellenleiterring "sieht" dagegen nur einen Aus­ schnitt der Trasse mir der Intensität MPSIF. Die beiden Intensitäten verhalten sich wie die entsprechenden Längen d (Länge des gesamten Meßvolumens) und a (Länge des Lichtwel­ lenleiterringes):
Equation 7 also results from another consideration. The MPSF is measured when a fictitious elongated sensor detects along the entire measurement volume or the entire route length (90 °). The fiber optic ring, on the other hand, "sees" only a section of the route with the intensity MPSIF. The two intensities behave like the corresponding lengths d (length of the entire measuring volume) and a (length of the optical waveguide ring):

Gleichung 6 in Gleichung 8 eingesetzt, ergibt die mittels Lichtwellenleiterring gemessene Sättigungsfluoreszenz in Gleichung 7. Equation 6 used in equation 8 gives the one measured using an optical fiber ring Saturation fluorescence in Equation 7.  

Mit Ausnahme der konstanten und bekannten Größe a/d zeigt MPSIF dasselbe Verhalten wie die über die gesamte Wegstrecke gemessene MPSF. Bei bekanntem a/d kann also die MPSF mit Hilfe eines Lichtwellenleiterringes, dessen Länge kleiner als die Trassenlänge ist, be­ stimmt werden. Ein solcher Lichtwellenleiterring kann natürlich an jeder beliebigen Stelle der Trasse positioniert werden.With the exception of the constant and known variable a / d, MPSIF shows the same behavior as the MPSF measured over the entire distance. If a / d is known, the MPSF can with the help of an optical fiber ring, the length of which is smaller than the route length, be be true. Such an optical waveguide ring can of course at any point in the The route.

(c) Lasermeßgerät für berührungslose Messungen an aggressiven Medien (z. B. in einem Kamin):(c) Laser measuring device for non-contact measurements on aggressive media (e.g. in a Stack):

Auf Abb. 4 ist eine Mehrfachreflexionsvorrichtung zur berührungslosen Kontrolle an einem Abgaskamin (z. B. einer Feuerungsanlage) dargestellt, bei der die optischen Teile nicht mit dem zu untersuchenden Abgas als Meßvolumen (11) in Kontakt stehen. Die Kaminmauer enthält zwei sich gegenüberstehende Schutzfenster (16). Hinter dem einen Fenster befindet sich die Strahlungsquelle (z. B. Laser (3)) mit Zylinderspiegel (6) und Lichtwellenleiterring (8); hinter dem anderen Fenster ist der Konkavspiegel (12) positioniert. Die Laserstrahlung wird durch eine Öffnung im Zylinderspiegel in das von den beiden Spiegeln aufgespannte Wechselwirkungsvolumen eingekoppelt und gelangt zur Mehrfachreflexion. Der Laser durchstrahlt dabei den Zylinderspiegel, Lichtwellenleiterring, das eine Schutzfenster, das zu untersuchende Meßvolumen (11) im Kamin, das andere Schutzfenster, trifft auf den Konkav­ spiegel und wird zurückreflektiert usw. Das Besondere im Vergleich zur Trassenvorrichtung und zur vollständig eingehüllten Meßzelle ist, daß der Lichtwellenleiterring ein vom Meßvo­ lumen abgetrenntes und separates Indikatorvolumen umhüllt. Der Indikator kann ein Fest­ körper (z. B. Quarzglas), eine Flüssigkeit oder ein Gas mit konstanten und bekannten opti­ schen Eigenschaften sein. Dieses Indikatorvolumen liefert Fluoreszenz- und Streustrahlung, die der Lichtwellenleiterring aufnimmt. Diese Signale sind ein Maß für die vom Meßvolumen erzeugten konventionellen und Sättigungssignale. Die mathematische Darstellung ist derjeni­ gen in Punkt (b) ähnlich, nur daß hier zusätzlich die Streu- bzw. Absorptionskoeffizienten des Indikatormaterials zu berücksichtigen sind. Das Fenster (7) wird hier zur Ermittlung der optischen Eigenschaften des Indikators und für seine regelmäßige Kontrolle verwendet. Fig. 4 shows a multiple reflection device for contactless control on an exhaust gas fireplace (e.g. a furnace), in which the optical parts are not in contact with the exhaust gas to be examined as the measuring volume ( 11 ). The chimney wall contains two opposing protective windows ( 16 ). The radiation source (eg laser ( 3 )) with cylindrical mirror ( 6 ) and optical fiber ring ( 8 ) is located behind one window; the concave mirror ( 12 ) is positioned behind the other window. The laser radiation is coupled through an opening in the cylindrical mirror into the interaction volume spanned by the two mirrors and reaches multiple reflection. The laser shines through the cylinder mirror, optical fiber ring, the one protective window, the measuring volume to be examined ( 11 ) in the chimney, the other protective window, hits the concave mirror and is reflected back, etc. that the optical waveguide ring envelops a separate indicator volume from the measuring volume. The indicator can be a solid (e.g. quartz glass), a liquid or a gas with constant and known optical properties. This indicator volume provides fluorescence and scattered radiation that the optical waveguide ring picks up. These signals are a measure of the conventional and saturation signals generated by the measuring volume. The mathematical representation is similar to that in point (b), except that the scattering and absorption coefficients of the indicator material must also be taken into account here. The window ( 7 ) is used here to determine the optical properties of the indicator and to check it regularly.

Die Ausführungsbeispiele (a) bis (c) zusammengefaßt:
Bei der Durchflußzelle besteht das durch die Spiegel aufgespannte Wechselwirkungsvolumen ausschließlich aus dem zu untersuchendem Meßvolumen, das vollständig mit Lichtwel­ lenleiter umhüllt ist. Bei der Trassenmessung besteht das durch die Spiegel aufgespannte Wechselwirkungsvolumen ausschließlich aus dem Meßvolumen, das nur teilweise, mit einem Lichtwellenleiterring eingehüllt ist. Bei der Kaminmessung besteht das durch die Spiegel aufgespannte Wechselwirkungsvolumen aus dem Meßvolumen sowie einem davon separaten Indikatorvolumen, wobei nur dieses Indikatorvolumen mit einem Lichtwellenleiterring umhüllt ist.
The exemplary embodiments (a) to (c) are summarized:
In the flow cell, the interaction volume spanned by the mirror consists exclusively of the measurement volume to be examined, which is completely coated with light waveguide. In the route measurement, the interaction volume spanned by the mirrors consists exclusively of the measurement volume, which is only partially enveloped with an optical waveguide ring. In the chimney measurement, the interaction volume spanned by the mirrors consists of the measurement volume and a separate indicator volume, only this indicator volume being encased with an optical waveguide ring.

Claims (3)

1. Mehrfachreflexionsvorrichtung zur Erzeugung und Messung von konventionellen Signalen und Sättigungssignalen der Fluoreszenz und Streuung infolge kurzer und langer Wege der Anregungsstrahlung im zu untersuchenden Meßvolumen mit Anregungsquelle, spektralse­ lektiven Elementen, Referenzkanal und sich gegenüberstehenden Hohlspiegeln für eine Mehr­ fachreflexion der Anregungsstrahlung sowie mit einem für die Messung konventioneller Signale optischen Fenster, das unmittelbar am Eintrittsort der Anregungsstrahlung angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß das durch die Hohlspiegel aufgespannte Wechselwirkungsvolumen ganz oder teilweise mit Lichtwellenleitern eingehüllt ist, denen optoelektronische Empfänger nachgeordnet sind, und der eine Hohlspiegel ein Zylinderspiegel und der andere ein Konkavspiegel ist, wobei das Wechselwirkungsvolumen einmal ausschließlich das zu untersuchende Meßvolumen oder zum anderen das Meßvolumen plus ein davon separates, fluoreszierendes oder streuendes Indikatorvolumen ist.1. Multiple reflection device for generating and measuring conventional signals and saturation signals of fluorescence and scatter due to short and long paths of the excitation radiation in the measurement volume to be examined with excitation source, spectral selective elements, reference channel and opposing concave mirrors for multiple reflection of the excitation radiation and with one for the Measurement of conventional signals, optical window, which is arranged directly at the point of entry of the excitation radiation, characterized in that the interaction volume spanned by the concave mirror is completely or partially encased with optical fibers, to which optoelectronic receivers are arranged, and one concave mirror is a cylindrical mirror and the other a concave mirror is, the interaction volume on the one hand only the measurement volume to be examined or on the other hand the measurement volume plus a separate, fluorescent or scattered is the indicator volume. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf einer senkrecht zur Anregungsstrahlung beweglichen Halterung mehrere Paare aus Zylinderspiegel und Konkavspiegel mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften angeordnet sind und daß auf der beweglichen Halterung weitere Positionen vorgesehen sind, die nicht mit derartigen Spiegeln belegt sind.2. Device according to claim 1, characterized by that on a bracket movable perpendicular to the excitation radiation from several pairs Cylinder mirrors and concave mirrors arranged with different reflection properties are and that other positions are provided on the movable bracket, which are not are covered with such mirrors. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Strahlungsquelle und Einkoppelspiegel ein fokussierendes und ein kollimieren­ des optisches Element wechselweise angeordnet sind, die zur Messung von konventionellen Signalen und Sättigungssignalen in den Anregungsstrahlengang gebracht werden, so daß die in das Meßvolumen eingekoppelte Strahlung einmal divergent und zum anderen nahezu parallel ist.3. Device according to claim 1, characterized by that a focusing and a collimating between the radiation source and the coupling mirror of the optical element are alternately arranged to measure conventional Signals and saturation signals are brought into the excitation beam path, so that the radiation coupled into the measuring volume is divergent on the one hand and almost on the other is parallel.
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