DE102004062164A1 - Substance detection device, has reflection unit arranged for multiple reflection without preferred direction, where substance which can be detected is partially arranged between radiation source and reflection unit in medium - Google Patents

Substance detection device, has reflection unit arranged for multiple reflection without preferred direction, where substance which can be detected is partially arranged between radiation source and reflection unit in medium Download PDF

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Abstract

The device has a reflection unit (20) arranged for multiple reflection without preferred direction in such a manner a part of radiation emitted by a radiation source(14) strikes the reflection unit, and a part of radiation reflected by the reflection unit strikes a detector (16). A substance (10) which can be detected is partially arranged between the radiation source and the reflection unit in the medium. Independent claims are also included for the following: (A) a method for detection of a substance that can be detected in a medium (B) an application of a substance detection device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis von Spurenstoffen in einer Flüssigkeit, einem Gas oder einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 11 und 15 genannten Merkmalen.The The invention relates to an apparatus and a method for detection of trace substances in a liquid, a gas or a liquid-gas mixture with those mentioned in the preambles of claims 1, 11 and 15 Features.

Messsysteme zum Spurenstoffnachweis benötigen häufig lange Wegstrecken, um die für den Nachweis benötigte Stärke der Absorption zu erreichen. Absorptionsspektroskopische Vorrichtungen können beispielsweise zum Spurenstoff-Nachweis, in der Prozessanalytik, für in-situ-Messungen von Stoffen, in der Umweltanalytik, in der Automobil-Technik, der Medizin sowie der Wasseranalytik verwendet werden. Um eine ausreichend starke, das heißt mit Detektoren messbare Absorption zu erreichen, ist es bekannt, entweder lange Wegstrecken in freier Atmosphäre (zum Beispiel „Differentielle Optische Absorptions Spektroskopie" (DOAS), „Differential Absorption Light Detection and Ranging" (DIAL), „Tunable Diode Laser Absorption Spectrsocopy" (TDLAS)) oder Multireflexionszellen zu verwenden. Nachteilig an den vorgenannten Lösungen ist, dass entweder lange freie Wegstrecken, die in vielen Applikationen nicht zur Verfügung stehen, benötigt werden, oder Multireflexionszellen verwendet werden, die eine komplizierte Justierung sowie eine gewisse Temperaturstabilität erfordern, die oft nicht gewährleistet werden kann.measuring systems need to trace substance detection often long distances to the for required proof Strength to reach the absorption. For example, absorption spectroscopic devices can for trace substance detection, in process analysis, for in-situ measurements of substances, in environmental analysis, in automotive engineering, the Medicine and water analysis are used. To be sufficient strong, that is with detectors to achieve measurable absorption, it is known either long distances in a free atmosphere (for example, "differential Optical Absorption Spectroscopy "(DOAS)," Differential Absorption Light Detection and Ranging "(DIAL)," Tunable Diode laser absorption spectrsocopy "(TDLAS)) or multi-reflection cells to use. A disadvantage of the aforementioned solutions is that either long free routes, which are not available in many applications, needed or multi-reflection cells are used, which is a complicated one Adjustment and a certain temperature stability often do not require guaranteed can be.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion von Spurenstoffen in Gasen, Flüssigkeiten oder Flüssigkeits-Gas-Gemischen oder sonstigen transparenten Medien anzugeben, welche Absorptionsmessungen zur Detektion von nachzuweisenden Substanzen auch bei geringen Konzentrationen ermöglichen und einen geringen Platzbedarf und ein geringes Messvolumen benötigen, kompakt und robust ausgebildet sind und weiterhin lediglich eine einfache Justierung zur Messung erfordern.It is therefore an object of the present invention, a device and a method for the detection of trace substances in gases, liquids or Liquid-gas mixtures or other transparent media to indicate which absorption measurements for the detection of substances to be detected even at low concentrations enable and require a small footprint and a low measurement volume, compact and are robust and still only a simple Require adjustment for measurement.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 und 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.These Tasks are performed according to the invention the features of the claims 1, 11 and 15 solved. Preferred embodiments The invention are contained in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion einer nachzuweisenden Substanz in einem Medium (vorzugsweise einer Flüssigkeit, einem Gas oder einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch) weist eine Strahlungsquelle, einen Detektor zur Detektion einer Strahlungsintensität, ein Mittel zur Ermittlung eines Absorptionsspektrums und ein Mittel zum Vergleich des ermittelten Absorptionsspektrums mit dem bekannten Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz auf, wobei ein Reflexionselement zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung auf das Reflexionselement trifft und zumindest ein Teil der vom Reflexionselement reflektierten Strahlung auf den Detektor trifft, wobei die im Medium (vorzugsweise Flüssigkeit, Gas oder Flüssigkeits-Gas-Gemisch) befindliche, nachzuweisende Substanz zumindest teilweise zwischen Strahlungsquelle und Reflexionselement angeordnet ist.The inventive device for the detection of a substance to be detected in a medium (preferably a liquid, a gas or a liquid-gas mixture) has a radiation source, a detector for detecting a radiation intensity, a means for determining an absorption spectrum and a means for comparing the determined absorption spectrum with the known absorption spectrum the substance to be detected, wherein a reflection element for multiple reflection without preferential direction is arranged such that at least part of the emitted from the radiation source Radiation hits the reflection element and at least one part the radiation reflected by the reflection element strikes the detector, where in the medium (preferably liquid, gas or liquid-gas mixture) at least partially in between Radiation source and reflection element is arranged.

Die Verwendung eines Reflexionselementes zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung bietet den Vorteil, dass sowohl lange Wegstrecken in freier Atmosphäre als auch ein kompliziertes Einjustieren, wie es bei Multireflexionszellen notwendig ist, vermieden werden kann. Da das Reflexionselement zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung die auf dieses Reflexionselement treffende Strahlung diffus, das heißt in unterschiedlichste Richtungen reflektiert, wäre grundsätzlich zu erwarten, dass ein aufgrund einer vielfachen diffusen Reflexion erhaltenes Signal nicht ausreichend stark ist, um mit herkömmlichen Detektoren eine Absorptionsmessung vornehmen zu können, die bei geringen Konzentrationen noch ein auswertbares Signal liefert. Es wurde jedoch gefunden, dass auch bei diffuser Reflexion hinreichend verwertbare Signal gewonnen werden können. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht insbesondere darin, dass Absorptionsspektren für einen Substanznachweis unter Vermeidung langer; freier Wegstrecken kostengünstig und mit geringem Justageaufwand realisiert werden können.The Use of a reflection element for multiple reflection without Preferred direction offers the advantage that both long distances in a free atmosphere as well as a complicated Einjustieren, as with multi-reflection cells necessary, can be avoided. Since the reflection element to multiples Reflection without preferential direction on this reflection element Incoming radiation is diffuse, that is in different directions reflected, would be in principle to expect that due to a multiple diffuse reflection received signal is not strong enough to conventional detectors to be able to make an absorption measurement at low concentrations still provides an evaluable signal. However, it was found that even with diffuse reflection sufficiently usable signal can be won. The advantage of the device according to the invention is in particular that absorption spectra for a Proof of substance while avoiding long; free routes cost-effective and can be realized with little adjustment effort.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist das Reflexionselement zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung mindestens eine diffus reflektierende Fläche mit einer solchen Form auf, dass mindestens zwei Punkte auf der mindestens einen diffus reflektierenden Fläche existieren, deren Verbindungslinie sich außerhalb des Reflexionselementes befindet. Hierzu sind insbesondere Reflexionselemente mit einer gekrümmten (und vorzugsweise konkaven) Oberfläche gut einzusetzen, da hierdurch gewährleistet ist, dass reflektiertes Licht stets auch wieder auf das Reflexionselement trifft und so eine Mehrfachreflexion (zur Erhöhung der Wegelänge des Lichts und somit zur Erhöhung der durch die nachzuweisende Substanz bewirkte Absorption) möglich ist.In a preferred embodiment variant the reflection element for multiple reflection without preferential direction at least one diffusely reflecting surface having such a shape on that at least two points on the at least one diffuse reflective surface exist whose connecting line outside the reflection element located. For this purpose, reflection elements are in particular with a curved (and preferably concave) surface to use well, thereby ensuring is that reflected light always back to the reflection element meets and so a multiple reflection (to increase the path length of the light and thus to increase the absorption caused by the substance to be detected) is possible.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist das Reflexionselement einen Hohlraum mit mindestens einer Öffnung auf, wobei die Innenseite des Hohlraums zumindest teilweise diffus reflektierend ausgebildet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Hohlraum kugelförmig bzw. nahezu kugelförmig ausgebildet und die Innenseite des Hohlraums ist vollständig diffus reflektierend ausgebildet.In a further preferred embodiment of the invention, the reflection element has a cavity with at least one opening, wherein the inside of the cavity is formed at least partially diffusely reflecting. In a particularly preferred embodiment of the invention, the cavity is spherical or nearly ku formed gel-shaped and the inside of the cavity is formed completely diffuse reflective.

Vorzugsweise weist das Reflexionselement eine erste Öffnung zur Einkopplung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung in das hohlraumförmige Reflexionselement und eine zweite Öffnung zur Auskopplung der vom Reflexionselement vielfach diffus reflektierte Strahlung aus dem hohlraumförmigen Reflexionselement auf. In einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung kann als Reflexionselement eine Ulbricht-Kugel verwendet werden. Die Strahlungsquelle ist vorzugsweise ein durchstimmbarer, schmalbandiger Halbleiterlaser, der Detektor zur Detektion der Strahlungsintensität ist vorzugsweise eine Photodiode. Der Halbleiterlaser weist vorzugsweise eine Bandbreite kleiner 1/10 nm auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Strahlungsquelle durch eine Laseranordnung, welche einen Halbleiterlaser und ein Element zur Frequenzselektion (z.B. Gitter) aufweist, ausgebildet.Preferably the reflection element has a first opening for coupling the radiation emitted by the radiation source into the cavity-shaped reflection element and a second opening for coupling out of the reflection element many times diffusely reflected Radiation from the cavity-shaped Reflection element on. In a particularly simple embodiment The invention may use an integrating sphere as a reflection element become. The radiation source is preferably a tunable, Narrow-band semiconductor laser, the detector for detecting the radiation intensity is preferably a photodiode. The semiconductor laser preferably has a bandwidth smaller 1/10 nm. In a particularly preferred embodiment is the radiation source by a laser arrangement, which is a Semiconductor laser and a frequency selection element (e.g., grating) has formed.

Das Mittel zur Ermittlung eines Absorptionsspektrums sowie das Mittel zum Vergleich des ermittelten Absorptionsspektrums mit dem bekannten Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz ist vorzugsweise durch ein Datenverarbeitungsgerät ausgebildet. Dabei kann das Absorptionsspektrum beispielsweise durch (lineare) Interpolation der (mittels des Detektors) gemessenen Intensitäten (über die Wellenlänge) und Vergleich der interpolierten Intensitäten mit den gemessenen Intensitäten oder durch Vergleich von eingestrahlter Strahlung (Intensität) und detektierter Strahlung (Intensität) ermittelt werden. Das Datenverarbeitungsgerät weist vorzugsweise eine Datenbank mit dem Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz auf. Die mittels des Detektors gewonnenen Signale (aus denen das Absorptionsspektrum ermittelt wird) können nun zur Bestimmung der nachzuweisenden Substanz mit dem bekannten (vorzugsweise aus einer Datenbank entnommenen) Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz verglichen werden. Durch den Vergleich kann geschlossen werden, ob sich die nachzuweisende Substanz tatsächlich zwischen Strahlungsquelle und Reflexionselement bzw. zwischen Reflexionselement und Detektor (d.h. im für die Strahlungsquelle zumindest teilweise transparenten Medium) befindet bzw. befunden hat. Dementsprechend ist die nachzuweisende Substanz, bzw. das Medium (beispielsweise Gas, Flüssigkeit oder Flüssigkeits-Gas-Gemisch), in dem die nachzuweisende Substanz vermutet wird, zur Messung zwischen der Strahlungsquelle und dem Reflexionselement und/oder zwischen Reflexionselement und Detektor anzuordnen.The Means for determining an absorption spectrum and the agent to compare the determined absorption spectrum with the known Absorption spectrum of the substance to be detected is preferably formed by a data processing device. The absorption spectrum can be determined, for example, by (linear) Interpolation of the intensities measured (via the detector) (via the Wavelength) and comparing the interpolated intensities with the measured intensities or by Comparison of irradiated radiation (intensity) and detected radiation (Intensity) be determined. The data processing device preferably has a database with the absorption spectrum of the substance to be detected. The means obtained from the detector signals (from which the absorption spectrum is determined) can now for the determination of the substance to be detected with the known (preferably taken from a database) absorption spectrum of the detected Substance can be compared. By comparison can be closed be whether the substance to be detected actually between radiation source and reflection element or between the reflection element and the detector (i.e., in for the radiation source is at least partially transparent medium) or has found. Accordingly, the substance to be detected is or the medium (for example gas, liquid or liquid-gas mixture), in which the substance to be detected is suspected, for the measurement between the radiation source and the reflection element and / or between Reflection element and detector to arrange.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer nachzuweisenden Substanz ist durch:

  • – Einkoppeln von Strahlung in das transparent e. Medium, in dem die Substanz nachgewiesen werden soll,
  • – Auskoppeln von Strahlung aus dem Medium,
  • – Detektieren der Intensität der ausgekoppelten Strahlung und Ermitteln eines Absorptionsspektrums und
  • – Vergleich des ermittelten Absorptionsspektrums mit dem bekannten Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz, wobei das eingekoppelte Licht vor dem Auskoppeln vielfach diffus reflektiert wird,
gekennzeichnet.The method according to the invention for the detection of a substance to be detected is characterized by:
  • - Coupling of radiation in the transparent e. Medium in which the substance is to be detected,
  • Decoupling radiation from the medium,
  • Detecting the intensity of the coupled-out radiation and determining an absorption spectrum and
  • Comparison of the determined absorption spectrum with the known absorption spectrum of the substance to be detected, wherein the coupled-in light is reflected many times diffusely before decoupling,
characterized.

Um die Intensitätsverteilung der ausgekoppelten Strahlung über einen gewünschten Wellenlängenbereich (Spektrum) zu erhalten, wird vorzugsweise monochromatisches Licht eingestrahlt und sukzessive über den gewünschten Wellenlängenbereich durchgestimmt. Alternativ ist es möglich, breitbandige Strahlung (die den gewünschten Wellenlängenbereich abdeckt) einzustrahlen und nachfolgend eine wellenlängenabhängige Detektion der Intensität der ausgekoppelten Strahlung (beispielsweise über ein Spektrometer) zu realisieren.Around the intensity distribution the decoupled radiation over a desired one Wavelength range (Spectrum) is preferably monochromatic light irradiated and successively over the wished Wavelength range tuned. Alternatively it is possible broadband radiation (the the desired wavelength range covering) and subsequently a wavelength-dependent detection the intensity the decoupled radiation (for example via a spectrometer) to realize.

Weiterhin ist es möglich, durch Vergleich von eingestrahlter Strahlung (Intensität) und detektierter Strahlung (Intensität) die Konzentration der nachzuweisenden Substanz zu ermitteln. Weiterhin ist es möglich, durch Vergleich von eingestrahlter Strahlung (Intensität) und detektierter Strahlung (Intensität) bei bekannter Konzentration der nachzuweisenden Substanz eine Kalibrierung (Referenzmessung) vorzunehmen.Farther Is it possible, by comparison of irradiated radiation (intensity) and detected radiation (Intensity) to determine the concentration of the substance to be detected. Farther Is it possible, by comparison of irradiated radiation (intensity) and detected Radiation (intensity) at a known concentration of the substance to be detected, a calibration (Reference measurement).

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The Invention will be explained below with reference to an embodiment.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion einer in einem Gas befindlichen Substanz geringer Konzentration in schematischer, geschnittener Darstellung, 1 a device according to the invention for the detection of a gas in a low concentration substance in a schematic, sectional representation,

2 die graphische Darstellung von ermittelten H2O-Absorptionsspektren und eines bekannten H2O-Absorptionsspektrums im Wellenlängenbereich 935 nm bis 946 nm, 2 the graphical representation of determined H 2 O absorption spectra and a known H 2 O absorption spectrum in the wavelength range 935 nm to 946 nm,

3 die graphische Darstellung eines ermittelten O2-Absorptionsspektrums und eines bekannten O2-Absorptionsspektrums im Wellenlängenbereich um 763 nm. 3 the graphical representation of a determined O 2 -Absorptionsspektrums and a known O 2 -Absorptionsspektrums in the wavelength range around 763 nm.

1 zeigt die schematische, geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion einer im Gas 12 befindlichen Substanz 10 geringer Konzentration. Zum Nachweis der Substanz 10 wird das Gas 12 (mit der darin vermuteten, nachzuweisenden Substanz 10) im Reflexionselement 20, welches durch den kugelförmigen Hohlraum 22 mit den zwei Öffnungen 24, 26 ausgebildet ist, angeordnet. Die Innenseite des Hohlraums 22 ist vollständig diffus reflektierend ausgebildet. Dabei ist es vorgesehen, dass die Innenseite einen möglichst hohen Reflexionskoeffizienten (jedoch ohne Vorzugsrichtung der Reflexion) aufweist. In der Öffnung 24 ist die Strahlungs quelle 14, vorzugsweise ein durchstimmbarer Halbleiterlaser angeordnet. An der Öffnung 26 ist der Detektor 16, im Ausführungsbeispiel eine Photodiode, angeordnet. Die Photodiode ist mit einer (hier nicht dargestellten) Auswerteeinheit, welche ein Datenverarbeitungsgerät aufweist, verbunden. Zur Detektion der nachzuweisenden Substanz wird erfindungsgemäß Strahlung der Strahlungsquelle 14 in den Hohlraum 22 eingestrahlt. Da sich in diesem Hohlraum das Gas 12 (mit der nachzuweisenden Substanz 10) befindet, werden bei- für die nachzuweisende Substanz 10 charakteristischen Wellenlängen Absorptionen auftreten. Daher wird die Wellenlänge der von der Strahlungsquelle 14 eingestrahlten Strahlung im Ausführungsbeispiel für dasjenige Spektrum durchgefahren, zu dem für die nachzuweisende Substanz 10 das charakteristische Absorptionsspektrum vorab bekannt ist. Die Strahlung 14 wird innerhalb des Hohlraums 22 vielfach diffus, das heißt ohne Vorzugsrichtung reflektiert, bevor sie auf den Detektor 16 trifft. Hierdurch kann eine deutliche Verlängerung des Lichtweges erzielt werden, erfindungsgemäß jedoch nicht durch zielgerichtete Reflexion mittels einer Multireflexionszelle bzw. durch das Vorsehen einer langen freien Lichtwegstrecke, sondern durch diffuse Reflexion. Hierdurch (durch den langen Lichtweg) können die charakteristischen Absorptionen der nachzuweisenden Substanz 10 besonders stark zu Tage treten, so dass die nachzuweisende Substanz 10 auch bei geringsten Konzentrationen nachweisbar ist. 1 shows the schematic, cut Representation of a device according to the invention for detecting a gas in the 12 substance located 10 low concentration. To prove the substance 10 becomes the gas 12 (with the suspected substance to be detected therein 10 ) in the reflection element 20 passing through the spherical cavity 22 with the two openings 24 . 26 is formed, arranged. The inside of the cavity 22 is formed completely diffuse reflective. It is provided that the inside has the highest possible reflection coefficient (but without preferential direction of the reflection). In the opening 24 is the radiation source 14 , preferably a tunable semiconductor laser. At the opening 26 is the detector 16 , In the embodiment, a photodiode arranged. The photodiode is connected to an evaluation unit (not shown here) which has a data processing device. For the detection of the substance to be detected according to the invention radiation of the radiation source 14 in the cavity 22 irradiated. Because in this cavity the gas 12 (with the substance to be detected 10 ) are found in the substance to be detected 10 characteristic wavelength absorptions occur. Therefore, the wavelength of the radiation source 14 irradiated radiation in the embodiment for that spectrum passed through, to which for the substance to be detected 10 the characteristic absorption spectrum is known in advance. The radiation 14 gets inside the cavity 22 often diffuse, that is reflected without preferential direction, before moving to the detector 16 meets. In this way, a significant extension of the light path can be achieved, but not by targeted reflection by means of a multi-reflection cell or by the provision of a long free light path, but by diffuse reflection. In this way (through the long light path), the characteristic absorptions of the substance to be detected 10 particularly strong, so that the substance to be detected 10 Even at lowest concentrations is detectable.

Ein besonderer Vorteil gegenüber den bekannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich geringe Anforderungen an die Justierung oder an die thermische Stabilität stellt. Daher kann diese Vorrichtung auch in schwer zu gänglichen Messumgebungen sehr gut eingesetzt werden. Durch Vergleich der mittels des Detektors 16 detektierten Intensitäten mit dem über die Strahlungsquelle 14 eingestrahlten Licht kann beispielsweise ein Absorptionsspektrum ermittelt und mit dem bekannten Absorptionsspektrum der nachzuweisenden Substanz 10 verglichen werden, woraus eine Aussage über das Vorhandensein der nachzuweisenden Substanz 10 getroffen werden kann. Der Vergleich von eingekoppeltem und ausgekoppeltem Licht sowie der Vergleich des ermittelten Absorptionsspektrums mit dem bekannten Absorptionsspektrum kann durch ein (hier nicht dargestelltes) Datenverarbeitungsgerät realisiert werden. Alternativ ist die Ermittlung des Absorptionsspektrums durch Interpolation der Intensitäten (beispielsweise lineare Interpolation) über das Wellenlängenspektrum und Vergleich der interpolierten Intensitäten mit den gemessenen Intensitäten möglich.A particular advantage over the known devices according to the prior art is that the device according to the invention only makes low demands on the adjustment or on the thermal stability. Therefore, this device can be used very well even in difficult to reach measuring environments. By comparing the means of the detector 16 detected intensities with the on the radiation source 14 irradiated light can be determined, for example, an absorption spectrum and with the known absorption spectrum of the substance to be detected 10 from which a statement about the presence of the substance to be detected 10 can be taken. The comparison of coupled and decoupled light and the comparison of the determined absorption spectrum with the known absorption spectrum can be realized by a (not shown here) data processing device. Alternatively, the determination of the absorption spectrum is possible by interpolation of the intensities (for example linear interpolation) over the wavelength spectrum and comparison of the interpolated intensities with the measured intensities.

Eine Kalibrierung kann beispielsweise durch Rückrechnung anhand bekannter Spektren, die mit dem gleichen Aufbau (konkrete Anordnung der einzelnen Komponenten) aufgenommen wurden oder durch Rückrechnung anhand bekannter Spektren bei Kenntnis der Systemparameter (z.B. optische Weglängen) realisiert werden.A Calibration can, for example, by recalculation based on known Spectra with the same structure (concrete arrangement of the individual Components) or by recalculation on the basis of known Spectra realized with knowledge of system parameters (e.g., optical path lengths) become.

2 zeigt den Vergleich von ermittelten Absorptionsspektren 18, 19 von H2O mit dem bekannten Absorptionsspektrum 28 von H2O (der Hitran-Datenbank entnommen) im Wellenlängenbereich 935 nm – 946 nm. Dabei wurde das Absorptionsspektrum 18 vom Gas 12, welches H2O in geringer Konzentration enthielt, bei 50 °C und das Absorptionsspektrum 19 bei 20 °C aufgenommen. Ein Vergleich der Absorptionen A der einzelnen Absorptionsspektren 18, 19, 28 zeigt, dass die gemessenen Absorptionsspektren 18, 19 in Bezug auf ihre charakteristischen Absorptionspeaks eindeutig mit der Absorptionskennlinie 28 aus der Datenbank übereinstimmen, so dass das Vorhandensein von H2O im Gas 12 bestätigt werden konnte. 2 shows the comparison of determined absorption spectra 18 . 19 of H 2 O with the known absorption spectrum 28 from H 2 O (taken from the Hitran database) in the wavelength range 935 nm - 946 nm. Here, the absorption spectrum became 18 from the gas 12 containing H 2 O in low concentration at 50 ° C and the absorption spectrum 19 recorded at 20 ° C. A comparison of the absorptions A of the individual absorption spectra 18 . 19 . 28 shows that the measured absorption spectra 18 . 19 in terms of their characteristic absorption peaks clearly with the absorption characteristic 28 from the database match, so the presence of H 2 O in the gas 12 could be confirmed.

Einen weiteren Vergleich eines detektierten Absorptionsspektrums 18 mit dem bekannten Absorptionsspektrum 28 im Bereich um 763 nm bei Verwendung eines Halbleiterlasers zeigt die 3. Auch bei dieser Messung konnte eine sehr gute Übereinstimmung des gemessenen Absorptionsspektrums 18 mit dem aus der Datenbank stammenden Absorptionsspektrum 28 erzielt werden, so dass auf das Vorhandensein von O2 auch durch Messung in diesem Wellenlängenbereich geschlossen werden konnte.Another comparison of a detected absorption spectrum 18 with the known absorption spectrum 28 in the range around 763 nm when using a semiconductor laser shows the 3 , Also in this measurement could be a very good match of the measured absorption spectrum 18 with the absorption spectrum from the database 28 be achieved, so that the presence of O 2 could also be concluded by measurement in this wavelength range.

1010
nachzuweisende Substanzdetected substance
1212
Gas/MediumGas / medium
1414
Strahlungsquelleradiation source
1616
Detektordetector
1818
detektiertes Absorptionsspektrumdetected absorption spectrum
1919
detektiertes Absorptionsspektrumdetected absorption spectrum
2020
Reflexionselement zur vielfachen Reflexion ohnereflection element for multiple reflection without
Vorzugsrichtungpreferred direction
2222
Hohlraumcavity
2424
Öffnungopening
2626
Öffnungopening
2828
bekanntes Absorptionsspektrumknown absorption spectrum

Claims (15)

Vorrichtung zur Detektion einer nachzuweisenden Substanz (10) in einem Medium (12) mit einer Strahlungsquelle (14), einem Detektor (16) zur Detektion einer Strahlungsintensität, einem Mittel zur Ermittlung eines Absorptionsspektrums (18, 19) und einem Mittel zum Vergleich des ermittelten Absorptionsspektrums (18, 19) mit dem bekannten Absorptionsspektrum (28) der nachzuweisenden Substanz (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflexionselement (20) zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der von der Strahlungsquelle (14) emittierten Strahlung auf das Reflexionselement (20) trifft und zumindest ein Teil der vom Reflexionselement (20) reflektierten Strahlung auf den Detektor (16) trifft, wobei die im Medium (12) befindliche, nachzuweisende Substanz (10) zumindest teilweise zwischen Strahlungsquelle (14) und Reflexionselement (20) angeordnet ist.Device for detecting a substance to be detected ( 10 ) in a medium ( 12 ) with a radiation source ( 14 ), a detector ( 16 ) for detecting a radiation intensity, a means for determining an absorption spectrum ( 18 . 19 ) and a means for comparing the determined absorption spectrum ( 18 . 19 ) with the known absorption spectrum ( 28 ) of the substance to be detected ( 10 ), characterized in that a reflection element ( 20 ) is arranged for multiple reflection without preferential direction such that at least a part of the radiation source ( 14 ) emitted radiation on the reflection element ( 20 ) and at least part of the reflection element ( 20 ) reflected radiation on the detector ( 16 ), where in the medium ( 12 ), substance to be detected ( 10 ) at least partially between the radiation source ( 14 ) and reflection element ( 20 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung mindestens eine diffus reflektierende Fläche mit einer solchen Form aufweist, dass mindestens zwei Punkte auf der mindestens einen diffus reflektierenden Fläche existieren, deren Verbindungslinie sich außerhalb des Reflexionselementes (20) befindet.Apparatus according to claim 1, characterized in that the reflection element ( 20 ) for multiple reflection without preferential direction at least one diffusely reflecting surface having such a shape that at least two points on the at least one diffuse reflecting surface exist whose connecting line outside the reflection element ( 20 ) is located. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung einen Hohlraum (22) mit mindestens einer Öffnung (24) aufweist, wobei die Innenseite des Hohlraums (22) zumindest teilweise diffus reflektierend ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection element ( 20 ) for multiple reflection without preferential direction a cavity ( 22 ) with at least one opening ( 24 ), wherein the inside of the cavity ( 22 ) is formed at least partially diffusely reflective. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite des Hohlraums (22) vollständig diffus reflektierend ausgebildet ist.Device according to claim 3, characterized in that the inside of the cavity ( 22 ) is formed completely diffuse reflective. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) eine erste Öffnung (24) zur Einkopplung der von der Strahlungsquelle (14) emittierten Strahlung in das hohlraumförmige Reflexionselement (20) und eine zweite Öffnung (26) zur Auskopplung der vom Reflexionselement (20) vielfach diffus reflektierten Strahlung aus dem hohlraumförmigen Reflexionselement (20) aufweist.Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that the reflection element ( 20 ) a first opening ( 24 ) for coupling in from the radiation source ( 14 ) emitted radiation in the cavity-shaped reflection element ( 20 ) and a second opening ( 26 ) for decoupling from the reflection element ( 20 ) diffuse reflected radiation from the cavity-shaped reflection element ( 20 ) having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (20) eine Ulbricht-Kugel ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the reflection element ( 20 ) is an Ulbricht sphere. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (14) ein durchstimmbarer Halbleiterlaser ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source ( 14 ) is a tunable semiconductor laser. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (16) zur Detektion der Strahlungsintensität eine Photodiode oder ein Spektrometer ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 16 ) is a photodiode or a spectrometer for detecting the radiation intensity. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Ermittlung eines Absorptionsspektrums (18, 19) sowie das Mittel zum Vergleich des detektierten Absorptionsspektrums (18, 19) mit dem bekannten Absorptionsspektrum (28) der nachzuweisenden Substanz (10) ein Datenverarbeitungsgerät aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for determining an absorption spectrum ( 18 . 19 ) as well as the means for comparing the detected absorption spectrum ( 18 . 19 ) with the known absorption spectrum ( 28 ) of the substance to be detected ( 10 ) comprises a data processing device. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungsgerät eine Datenbank mit dem Absorptionsspektrum (28) der nachzuweisenden Substanz (10) aufweist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the data processing device a database with the absorption spectrum ( 28 ) of the substance to be detected ( 10 ) having. Verfahren zur Detektion einer nachzuweisenden Substanz (10) in einem Medium (12) mit folgenden Verfahrensschritten: – Einkoppeln von Strahlung in das Medium (12), – Auskoppeln von Strahlung aus dem Medium (12), – Detektieren der Intensität der ausgekoppelten Strahlung und Ermitteln eines Absorptionsspektrums (18, 19) und – Vergleich des detektierten Absorptionsspektrums (18, 19) mit dem bekannten Absorptionsspektrum (28) der nachzuweisenden Substanz (10), dadurch gekennzeichnet, dass das eingekoppelte Licht vor dem Auskoppeln vielfach diffus reflektiert wird.Method for detecting a substance to be detected ( 10 ) in a medium ( 12 ) with the following process steps: - coupling of radiation into the medium ( 12 ), - decoupling radiation from the medium ( 12 ), - detecting the intensity of the coupled-out radiation and determining an absorption spectrum ( 18 . 19 ) and - comparison of the detected absorption spectrum ( 18 . 19 ) with the known absorption spectrum ( 28 ) of the substance to be detected ( 10 ), characterized in that the coupled-in light is reflected many times diffusely before decoupling. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur vielfach diffusen Reflexion ein Reflexionselement (20) mit einem Hohlraum (22) und mit mindestens einer Öffnung (24) verwendet wird, wobei die Innenseite des Hohlraums (22) zumindest teilweise diffus reflektiert.A method according to claim 11, characterized in that for multiple diffuse reflection, a reflection element ( 20 ) with a cavity ( 22 ) and at least one opening ( 24 ) is used, wherein the inside of the cavity ( 22 ) at least partially diffusely reflected. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur vielfach diffusen Reflexion eine Ulbricht-Kugel verwendet wird.Method according to claim 11 or 12, characterized that for multi-diffuse reflection uses an Ulbricht sphere becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (14) in Relation zum Detektor (16) derart angeordnet wird, dass keine von der Strahlungsquelle (14) emittierte Strahlung direkt auf den Detektor (16) trifft.Method according to one of claims 11 to 13, characterized in that the radiation source ( 14 ) in relation to the detector ( 16 ) is arranged such that none of the radiation source ( 14 ) emitted radiation directly to the detector ( 16 ) meets. Verwendung eines Reflexionselementes (20) zur vielfachen Reflexion ohne Vorzugsrichtung zur Detektion einer nachzuweisenden Substanz (10) in einem Medium (12).Use of a reflection element ( 20 ) for multiple reflection without preferential direction for the detection of a substance to be detected ( 10 ) in a medium ( 12 ).
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