DE19631423A1 - Verfahren und Vorrichtung zum ortsaufgelösten Substanznachweis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum ortsaufgelösten Substanznachweis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Ortung von schadhaften Stellen in Lichtleitern, z. B. bei Kabelbrüchen wird eine optische Meßtechnik angewendet, die auf dem Prinzip zeitaufgelöster Rückstreumessungen basiert (Optical Time Domain Reflectometry, OTDR). OTDR-Systeme zur räumlich aufgelösten Messung physikalischer Effekte wie z. B. von Temperatur- oder Druckänderungen im Fasermantel sind bekannt. In der DE 40 19 980 A1 ist eine solche "Temperatursensoranordnung, die über eine Faseroptik verteilt ist" beschrieben. Sie dient lediglich zur Ermittlung der Temperaturverteilung entlang der Sensorfaser, nicht zur Erfassung des Auftretens chemischer Substanzen. Eine klare Unterscheidung, ob eine Substanz in der Umgebung des Lichtleiters vorhanden ist, ist damit nicht möglich.

In der Publikation H. Wada, E. Okuda, T. Yamasaki; "Optical Guided-Wave Oil Leak Sensor", OFS-Konferenz, Tokyo 1986, S. 109 wird ein chemischer Sensor mit räumlicher Verteilung vorgestellt, der ebenfalls auf der OTDR-Technik beruht. Hier ist jedoch nicht die Faser selbst das sensitive Element sondern an die Faser angeschlossene, aufwendig gestaltete integriert-optische Sensoren. Wenn an der Oberfläche eines der punktartig verteilten, chemischen Sensoren Öl anwesend ist, wird allein durch Brechungsindexänderung eine Verminderung der Lichtreflexion an der Oberfläche des integriert-optischen Wellenleiters bewirkt, die als Intensitätsverlust detektiert werden kann. Es kann also nur eine Substanz in einem kleinen Areal von maximal 1 cm2 auf der Oberfläche des Sensorelementes erfaßt werden. Daraus resultiert einerseits nur eine punktartig verteilte (quasi­ kontinuierliche) Messung chemischer Substanzen. Die kontinuierliche, d. h. lückenlose Überwachung einer Meßstrecke ist jedoch so nicht möglich. Da nur eine Auswertewellenlänge verwendet wird, kann mit der beschriebenen Methode nicht klar unterschieden werden, ob es sich um eine Störung durch eine chemische Substanz oder einen sonstigen Effekt, wie z. B. einen Faserbruch oder eine Temperaturänderung in der Umgebung des sensitiven IO-Wellen­ leiters, handelt.

Aus H. Yoshikawa et al.; "Distributed Fluid Sensor Using Eccentrically Cladded Fibers", Electronics and Communications in Japan II, 71 (2), 1988, S. 89 ist zwar eine Glasfaser selbst als sensitives Element bekannt, jedoch werden die Analyte nicht in der Faser angereichert. Die Faser taucht nur in die Analytlösung ein. Um das evaneszente Feld des durch die Faser transportierten Lichtes mit den Analytmolekülen in der Lösung in Berührung bringen zu können, muß es sich um eine im Querschnitt unsymmetrische Glasfaser handeln (eccentric core). Es werden reine Brechzahleffekte auf das evaneszente Feld der exzentrischen Sensorfaser beschrieben. Es geht in diesem Text nur um die Gestaltung der Faser (z. B. Grad der Exzentrizität). Die bei den Untersuchungen verwendete Meßanordnung beruht nicht auf dem OTDR-Prinzip, sondern es wurde "in Transmission" gemessen. Die Möglichkeit, die Faser mit der OTDR-Technik zu kontinuierlich verteilten Messungen einzusetzen, wird zwar angesprochen aber nicht realisiert. Da ebenfalls nur eine Auswertewellenlänge verwendet wird, kann mit der beschriebenen Methode nicht klar unterschieden werden ob es sich um eine Störung durch eine chemische Substanz oder einen sonstigen Effekt wie einen Faserbruch oder eine Temperaturänderung in der Umgebung der Sensorfaser handelt.

In der EP 0 298 118 B1 wird das bei einer OTDR-Messung erhaltene Rückstreusignal genau beschrieben. Dabei wird zwar allgemein von Streueffekten gesprochen, doch dies bezieht sich nur auf die Lichtstreuung an mechanischen Inhomogenitäten innerhalb der Faser, wie z. B. Spleiße oder Kopplungen. Nur das mechanische Testen von Glasfasern wird angesprochen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren zur zeitaufgelösten Rückstreumessung so auszugestalten, daß damit auch ein spezifischer Substanznachweis möglich wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die übrigen Ansprüche beschreiben Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens oder benennen deren vorteilhafte Verwendung.

Eine Vielzahl technischer Anlagen bzw. Objekte, in denen umweltgefährdende chemische Substanzen transportiert, verarbeitet oder aber auch nur sicher eingeschlossen werden, erfordern eine Umgebungsüberwachung, um den Austritt der Substanzen möglichst frühzeitig erkennen zu können. Hierdurch wird das mit diesen Anlagen verbundene Umwelt­ gefährdungs-potential minimiert. Beispiele für relevante An­ lagen sind Rohrleitungen, Tanklager, Reaktionsbehälter in Chemieanlagen aber auch Deponien, in denen umweltgefährdende Substanzen (z. B. Kohlenwasserstoffe) gelagert werden. Auf­ grund der häufig anzutreffenden, großen räumlichen Ausdehnung solcher Anlagen ist es erforderlich, eine kontinuierliche, räumlich ausgedehnte Überwachungsmeßtechnik zur Verfügung zu haben, die es erlaubt, das Austreten chemischer Substanzen möglichst schnell und örtlich aufgelöst zu erfassen. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise ermöglicht.

Durch das angegebene Verfahren der OTDR-Messung bei zwei Wellenlängen (Absorptions- bzw. Fluoreszenz-Wellenlänge und Wellenlänge bei der keiner dieser Effekte auftritt) ist es möglich, das durch eine Substanz erzeugte Rücksignal in einer chemisch sensitiven Lichtleiterfaser einerseits örtlich auf­ zulösen und andererseits klar zu unterscheiden von Signalen, die durch andere Effekte wie z. B. Spleiße, Faserbrüche oder Temperatureinwirkungen verursacht werden. Da die verwendete Faser über ihre ganze Länge selbst das sensitive Element dar­ stellt, wird eine lückenlose, räumliche aufgelöste und quan­ titative Messung von Chemikalien ermöglicht. Es wird eine örtliche Auflösung eines chemisch erzeugten Störstellen­ signales im Meterbereich erreicht, wobei die Länge der Meß­ strecke prinzipiell einige hundert Meter bis zu einigen Kilo­ metern betragen kann (der Dämpfungswert der verwendeten Faser liegt im Vis-Bereich bei ca. 10 dB/km). Es können alle Sub­ stanzen gemessen werden, die sich im Fasermantel anreichern, wie z. B. (chlorierte) Kohlenwasserstoffe oder andere unpolare organische Spezies. Eine weitere Voraussetzung ist, daß die Substanzen in dem für das Lichtleitermaterial transparenten Wellenlängenbereich eine Absorptionsbande oder Fluoreszenz­ emission aufweisen. Als Sensorfaser kann z. B. jede kommer­ ziell erhältliche Quarzglasfaser mit Polymercladding einge­ setzt werden. Diese muß keiner aufwendigen Prozedur unter­ zogen werden, um sie für relevante Substanzen wie z. B. Kohlenwasserstoffe chemisch sensitiv zu machen. Ein eventuell vorhandener äußerer mechanischer Nylonschutzmantel kann z. B. bei 165°C mit Propylenglykol abgelöst werden, um den Sili­ conmantel freizulegen. Um die nach dem Ablösen der äußeren Nylonummantelung mechanisch labilere Faser trotzdem gegen Bruch zu schützen, wird die Faser vor dem Ablösen beispiels­ weise in eine offen gewickelte Flachdrahtwendel aus Edelstahl eingezogen. Als mechanische Schutzhülle kann auch ein per­ forierter Viton-Schlauch verwendet werden. Die Messungen wurden beispielhaft im sichtbaren Wellenlängenbereich ge­ zeigt, doch ist dies natürlich auch auf andere Wellenlängen­ bereiche übertragbar, je nachdem wo Absorption oder Fluor­ eszenzemission bei der in Frage kommenden Substanz auftritt. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich für die Absorptions­ wellenlängen ist z. B. der Nahinfrarot (NIR)-Bereich, wo Ober­ ton- und Kombinationsbanden organischer Substanzen auftreten. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen mit Hilfe der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt die Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen Beispiele für zeitaufgelöste Detektorsignale. Die Fig. 6 zeigt eine Eichkurve, die Fig. 7 eine Übersicht über verschiedene Signale im Zeitspektrum und die Fig. 8 Absorptions- und Fluoreszenzspektren von Kohlen­ wasserstoffen (Rohöl).

Die Erfassung und örtliche Lokalisation chemischer Substanzen entlang eines Lichtleiters mit der OTDR-Methode bedingt, daß die optische Faser einen hydrophoben Polymerfasermantel be­ sitzt (z. B. Silicon). Dieser Polymermantel bewirkt einerseits als optisch dünneres Medium den Transport des Meßlichtes in der optischen Faser. Weiterhin dient er als mechanischer Schutz des Quarzglasfaserkerns, ohne den die Faser sehr spröde und in der Praxis kaum zu handhaben ist. Drittens wirkt er als hydrophobe Sensorschicht, in der sich relevante Substanzen anreichern lassen. Demnach ist der Lichtleiter mit seinem Polymercladding selbst das sensitive Element. Durch die Anordnung einer solchen Faser in der Nähe einer poten­ tiellen Kontaminationsquelle können sich die bei einer Leckage austretenden organischen Substanzen im Fasermantel selbständig durch Diffusion anreichern. Aufgrund der Wechsel­ wirkung der eindiffundierten Substanzen mit dem im Faser­ mantel vorhandenen evaneszenten Lichtfeld z. B. aufgrund von Lichtstreuung, Absorption oder Emission kann die Schad­ stoffanreicherungsstelle unter Anwendung der OTDR-Technik de­ tektiert und lokalisiert werden. Die angereicherte Substanz im Fasermantel stellt für die in die Faser eingekoppelten kurzen Lichtpulse eine "Störstelle" dar. Aus der zeitlichen Differenz zwischen Anregungspuls und einem durch die Störung erzeugten zum Faseranfang zurücktransportierten Signal läßt sich über die Lichtgeschwindigkeit in der Faser die Position der Anreicherungsstelle entlang der Faser ermitteln. Falls ein die Faser durchlaufender Anregungspuls im evaneszenten Feld auf eine solche Störstelle einer im Faser­ mantel angereicherten Substanz trifft, können verschiedene Fälle unterschieden werden:

• 1.) Die Absorptionsbande der angereicherten Substanz liegt nicht im Bereich der Wellenlänge der gepulsten Laserlicht­ quelle:
• a) Die Substanz hat eine höhere Brechzahl als der Polymer­ fasermantel:
• - das Licht im evaneszenten Feld wird aufgrund der Brechzahlerhöhung vermehrt gestreut und ein Teil des Streulichtes wird von der Faser wieder aufgenommen und zurück zum Faseranfang transportiert. Es tritt an der Anreicherungsstelle eine erhöhte Intensität des zurück­ gestreuten Lichtes auf.
• b) Die Substanz hat eine geringere Brechzahl als der Poly­ merfasermantel:
• - an der Anreicherungsstelle findet eine Erniedrigung der Brechzahl statt, und das Licht wird im Lichtleiter sogar besser geführt. Es tritt kein zusätzliches Streu­ licht auf. An der Anreicherungsstelle bleibt das Rück­ streusignal unverändert.
• 2.) Die Absorptionsbande der angereicherten Substanz liegt im Bereich der Wellenlänge der gepulsten Lichtquelle:
• - das Licht im evaneszenten Feld wird aufgrund der Eigen­ absorption der Substanz an der Anreicherungsstelle ge­ schwächt. Die von der Faser aufgenommene und zum Faseran­ fang zurücktransportierte Streulichtintensität wird durch diese Eigenabsorption an der Anreicherungsstelle sprung­ artig erniedrigt.
• 3.) Die Absorptionsbande der angereicherten Substanz liegt im Bereich der Wellenlänge der gepulsten Lichtquelle und zu­ sätzlich wird die Substanz zur Fluoreszenzemisson ange­ regt:
• - das Licht im evaneszenten Feld wird aufgrund der Eigen­ absorption der Substanz an der Anreicherungsstelle ge­ schwächt, aber gleichzeitig regt es die Substanz zur Emission von längerwelligem Fluoreszenzlicht an. Die von der Faser aufgenommene und zum Faseranfang zurücktranspor­ tierte Streulichtintensität wird zwar durch die Eigenab­ sorption an der Anreicherungsstelle erniedrigt, die Emission des Fluoreszenzlichtes überlagert aber diesen Effekt, und insgesamt erhöht sich die Intensität des Rück­ streusignales an der Anreicherungsstelle.

Der Meßaufbau eines für die ortsaufgelöste Lokalisierung und quantitative Bestimmung chemischer Substanzen ge­ eigneten OTDR-Systems ist in Fig. 1 dargestellt. Es werden zwei kurz gepulste Lichtquellen (Z.B. Laserdioden oder ein NdYAG- Laser) mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen eingesetzt (Laserlichtquelle 1 bzw. 2). Die Pulsbreiten sollten hierbei im Bereich weniger Nanosekunden liegen, um eine örtliche Auflösung im Meterbereich zu erhalten. Das Licht dieser kurz gepulsten Lichtquellen wird jeweils über eine Gradientenindexlinse (9) (GRIN-Linse) auf einen Zweig eines 3 : 1 - Faserverzweigers fokussiert. Über den ablei­ tenden Zweig des Faserverzweigers werden die Lichtpulse in die oben angeführte Sensorfaser für chemische Substanzen geleitet. Die Anregungspulse durchlaufen die Sensorfaser und verlassen sie am anderen Ende, wo ein Teil der Lichtintensität reflektiert wird (Fresnel-Reflexion) und auf diese Weise wieder zum Faseranfang gelangt. Falls je­ doch in der Faser eine Störstelle von im Fasermantel ange­ reicherten Chemikalien vorhanden ist, wird bereits bei dieser Störstelle ein Teil der Lichtintensität der An­ regungspulse aufgrund der bereits beschriebenen Wechsel­ wirkungen zwischen angereicherten Stoffen und evaneszentem Feld zum Faseranfang zurücktransportiert. Das zurückge­ führte Signal weist hierbei eine geringere Verzögerungs­ zeit auf als der Fresnelreflex vom Faserende. Das an den Faseranfang zurücktransportierte Licht wird über den dritten Zweig des Faserverzweigers aufgenommen. Das Licht wird anschließend durch Bandpassfilter (7) geleitet, um die gewünschte Wellenlänge zu selektieren. Es werden zwei Bandpassfilter verwendet, die alternierend in den Strah­ lengang gebracht werden. Der eine Filter selektiert Licht im Bereich der Emissionswellenlänge der ersten Laserlicht­ quelle (1), während der zweite Bandpassfilter auf die Emissionswellenlänge der zweiten Laserlichtquelle (2) ab­ gestimmt ist. Das durch den jeweiligen Filter selektierte Meßlicht wird über eine GRIN-Linse auf einen schnell registrierenden, empfindlichen Detektor (5) (z. B. eine Silizium-Avalanche-Photodiode) fokussiert und detektiert. Die Detektorsignale werden nach entsprechender Verstärkung zu einer schnellen Auswerteeinheit (6) wie zum Beispiel einem Speicheroszilloskop übermittelt und nach A/D-Wand­ lung der zeitliche Verlauf der dort ankommenden Rück­ signale registriert. Das Oszilloskop sollte eine Band­ breite von etwa 1 GHz besitzen, um die hohen Pulsge­ schwindigkeiten verarbeiten zu können. Über die zeitliche Verzögerung der registrierten Rückstreusignale kann mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit auf die Position der Stör­ stelle zurückgeschlossen werden. Die in der Auswerteein­ heit gespeicherten Detektorsignale können zu einer ge­ naueren Auswertung auch einem Rechner zugeführt werden.

Die Einwirkung chemischer Substanzen auf den Polymerfaser­ mantel eines Lichtleiters führt zu den weiter oben ange­ führten Effekten, die sich folgendermaßen zur Ortung und Quantifizierung der Substanz entlang der Sensorfaser nutzen lassen:

Fig. 2 zeigt das OTDR-Meßergebnis mit dem angeführten Meß­ aufbau, wenn sich eine Substanz im Fasermantel anreichert, welche im Bereich der Wellenlänge einer der gepulsten Laserlichtquellen absorbiert (z. B. bei Laserwellenlänge 1, o.a. Fall 2.). Die im Fasermantel angereicherte Substanz (8) tritt an der Anreicherungsstelle mit dem einge­ strahlten Licht durch Absorption in Wechselwirkung, und in diesem Fall zeigt sich im Rückstreusignal/Zeit-Diagramm an der Anreicherungsstelle eine "Absorptionsstufe" (deut­ licher sprungartiger Rückgang der zurückgestreuten Lichtintensität). Hier werden Lichtanteile, die in jedem Punkt der Faser zurückgestreut werden, durch die Ab­ sorption "schlagartig weggeschluckt". Die Stufenhöhe hängt ab von der Konzentration der absorbierenden Substanz in der Lösung und von ihrem Absorptionsvermögen (molarer Extinktionskoeffizient) bei der eingestrahlten Wellen­ länge. Neben dieser Absorptionsstufe sind noch der Reflex des Startpulses, das Rückstreusignal vom 3 : 1-Faserver­ zweiger (4) und das Rückstreusignal vom Faserende (Fresnelreflex bei ca. 680 ns, Länge der Sensorfaser ca. 70 m) zu erkennen. Letzteres kann als Referenzsignal dienen.

Fig. 3 zeigt das OTDR-Meßergebnis für eine Substanz die bei der Laserwellenlänge 2 nicht absorbiert und eine höhere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt (Fall 1.a). Hier tritt an der Anreicherungsstelle (bei ca. 540 ns) eine Erhöhung (Peak) der rückgestreuten Lichtin­ tensität auf. Dieser Rückstreupeak wird allein durch die Brechzahlerhöhung im Fasermantel bewirkt, welche beim Ein­ dringen der Substanz erzeugt wird. Die Brechzahlerhöhung stellt eine Störung in der homogenen Fasermantelstruktur dar, wodurch eine erhöhte Lichtstreuung hervorgerufen wird. Der Reflex vom Faserende (Fresnelreflex bei 680 ns) ist je nach Brechzahl der angereicherten Substanz deutlich geschwächt oder gar nicht mehr vorhanden, weil ein zu­ nehmender Teil des geführten Lichtes bereits an der An­ reicherungsstelle gestreut und ausgekoppelt wird. Das Streusignal ist bereits nach wenigen Sekunden An­ reicherungszeit zu erkennen, wobei die Höhe des Signals abhängig ist von der Brechzahl der angereicherten Substanz, von ihrer Konzentration und ihrer Sorptionsge­ schwindigkeit.

Fig. 4 zeigt das OTDR-Meßergebnis für eine Substanz, die bei der Laserwellenlänge 2 nicht absorbiert und eine niedrigere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt (Fall 1.b). Hier ist ebenfalls keine Absorptionsstufe vor­ handen, da das Licht des Anregungspulses nicht von der im Fasermantel angereicherten Substanz geschwächt wird. Weil die angereicherte Substanz jedoch eine niedrigere Brech­ zahl als der Fasermantel hat, tritt an der Anreicherungs­ stelle bei einer Verzögerungszeit von ca. 540 ns kein Rückstreusignal auf. Es sind nur die Reflexe des Start­ pulses und das Rückstreusignal vom Faserende zu erkennen.

Durch die zeitaufgelöste Erfassung der OTDR-Rückstreu­ signale einer chemisch sensitiven Lichtleiterfaser bei einer Meßwellenlänge, die im Absorptionsbereich der Substanz liegt und bei einer Meßwellenlänge die außerhalb dieses Absorptionsbereiches liegt, kann nicht nur ein­ deutig der Ort der Substanzanreicherung aufgelöst werden, sondern es ist anhand der unterschiedlichen Signal formen der beiden Messungen auch möglich, die chemische Stör­ stelle klar von sonstigen Störstellen zu unterscheiden. An der Anreicherungsstelle einer Substanz tritt im Rückstreu­ signal/Zeit-Diagramm der Sensorfaser im Bereich der Ab­ sorptionswellenlänge eine Absorptionsstufe auf, während bei der nicht absorbierenden Wellenlänge entweder ein Rückstreupeak (Fall 1a) oder kein Signal (Fall 1b) auf­ tritt.

Bei einem glatten Bruch der Sensorfaser zeigt sich hin­ gegen bei beiden Wellenlängen ein Peak in der Rückstreu­ intensität. Diese Peaks gleichen jeweils dem am Faserende auftretenden Fresnelreflex (vgl. Abb. 2, 3, 4).

Bei der angegebenen Meßmethode wirken sich andere Störungen (z. B. Faserbrüche, Spleiße oder Temperatur­ änderungen im Fasermantel) immer bei beiden Wellenlängen gleich aus, so daß sich die erhaltenen Signale in ihrem "Muster" ähneln. Dies ist in Fig. 7a dargestellt: Bruch und Spleiß führen bei beiden Wellenlängen jeweils zu den gleichen Signalen. Störungen, welche durch die in den Fasermantel eindringenden Substanzen hervorgerufen werden, ergeben jedoch deutliche Unterschiede im Signal bei der Absorptionswellenlänge und bei einer Wellenlänge, bei der keine Absorption auftritt (Fig. 7b).

Fig. 5 zeigt, daß die angegebene Meßmethode prinzipiell auch anwendbar ist für den Fall, daß sich eine Substanz im Fasermantel anreichert, die mit einer eingestrahlten Laserwellenlänge 1 zur Fluoreszenzemission angeregt wird.

Auch hier wird ein Teil des Fluoreszenzlichtes zum Faser­ anfang zurücktransportiert und kann durch Auswahl eines geeigneten Bandpaßfilters detektiert werden. An der An­ reicherungsstelle (hier bei ca. 125 ns) tritt eine erhöhte Signalintensität auf und durch das für die jeweilige Substanz typische Fluoreszenzabklingverhalten wird eine unsymmetrische Peakform erhalten. Neben diesem Peak sind noch der Reflex des Startpulses, das Rückstreusignal vom 3 : 1-Faserverzweiger und das Rückstreusignal vom Faserende zu erkennen (die Sensorfaser war in diesem Falle nur ca. 23 m lang). Hierdurch unterscheidet sich das Rücksignal deutlich von den anderen bisher diskutierten Rücksignalen. Die Signalhöhe des durch die Fluoreszenzemission bewirkten Rücksignales hängt u. a. von der Konzentration der Substanz ab, wie Fig. 6 verdeutlicht. Somit ist auch eine quantitative Erfassung der Substanzkonzentration möglich.

Auch die Anreicherung einer fluoreszierenden Substanz führt bei absorbierender und nicht absorbierender Laser­ wellenlänge zu unterschiedlichen Signalen (Fig. 7c). Bei der Absorptionswellenlänge erhält man das charakteristische Fluoreszenzsignal, während bei der nicht absorbierenden Wellenlänge je nach Brechungsindex der an­ gereicherten Substanz entweder kein Signal oder ein Rück­ streusignal erhalten wird. Auf diese Weise kann eine solche Störstelle klar von einer sonstigen Störstelle unterschieden werden, bei der bei beiden Wellenlängen das gleiche Rücksignal erhalten wird (Fig. 7a).

Eine fluoreszierende Substanz ist jedoch auch eindeutig erkennbar, wenn nur mit einer Laserwellenlänge gearbeitet wird, weil sich die charakteristische, exponentiell ab­ fallende Peakflanke von den anderen Signalen unter­ scheidet. Durch den Einsatz eines Kantenfilters kann zu­ sätzlich die Anregungswellenlänge ausgeblendet werden, so daß nur das längerwellige Fluoreszenzlicht durchgelassen wird. Auf diese Weise wird speziell die sich anreichernde fluoreszierende Substanz nachgewiesen. Bei einer mechanischen Störung in der Faser wird kein Signal sicht­ bar, weil die kürzere; Anregungswellenlänge vom Kanten­ filter abgefangen wird.

In Fig. 8 sind Absorptions- und Fluoreszenzspektren von Rohöl dargestellt. Für die Leckageüberwachung einer rohöl­ führenden Pipeline empfiehlt sich eine Anregungswellen­ länge zwischen 300 und 350 nm. Bei Anregung in diesem Wellenlängenbereich wird eine ausreichende Fluoreszenz­ intensität erhalten, die trotz der erhöhten Dämpfung der Lichtleitfaser im UV-Bereich auch bei längeren Faser­ strecken noch detektiert werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zum ortsaufgelösten Substanznachweis, wobei ein kurzer Lichtpuls über einen faseroptischen Strahlteiler in eine der Messung dienende Lichtleitfaser eingekoppelt wird, wonach alle durch diesen Lichtpuls verursachten Signale in der Lichtleitfaser über den faseroptischen Strahlteiler ausgekoppelt und einem Photodetektor mit Auswerteeinheit zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Lichtleitfaser (3) verwendet wird, die von einem Medium umgeben ist, welches für die zu detektierende Substanz (8) permeabel ist, und dessen Brechungsindex kleiner als der der Lichtleitfaser ist,
• b) ein Lichtpuls verwendet wird, dessen Wellenlänge im Bereich einer Absorptionsbande einer zu detektierenden Substanz (8) liegt,
• c) alle in der Lichtleitfaser (3) verursachten Signale in der Auswerteeinheit (6) zeitaufgelöst gespeichert werden,
• d) der zeitliche Verlauf der gespeicherten Signale zwischen Anregungspuls und Reflex vom Faserende auf zusätzliche Signale abgesucht wird und
• e) zusätzlich gefundene Signale mit einer Kontrollmessung oder einer Signalformanalyse als durch die Substanz (8) verursacht erkannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrollmessung ein Lichtpuls verwendet wird, dessen Wellenlänge in einem Bereich liegt, in dem die zu detektierende Substanz (8) nicht absorbiert, wobei ein von der Substanz verursachtes Signal anhand seiner Form erkannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrollmessung bei fluoreszierenden Substanzen (8) ein optischer Filter (7) vor den Detektor (5) gebracht wird, der die Anregungswellenlänge ausblendet, wobei bei einem Faserdefekt (z. B. Spleiß oder Bruch) kein zusätzliches Signal auftritt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2. bestehend aus mindestens einer pulsbaren Lichtquelle, einer Lichtleitfaser, in die die Lichtpulse eingekoppelbar sind, einem faseroptischen Strahlteiler, einem Photodetektor und einer Auswerteeinheit zur Erfassung der aus der Lichtleitfaser kommenden Rückstreusignale der pulsbaren Lichtquelle in der Zeitdomäne, gekennzeichnet durch:
zwei Laser (1, 2) als gepulste Lichtquellen, wobei die Wellenlänge des einen Lasers (1) im Bereich einer Absorptionsbande einer zu detektierenden Substanz (8) liegt, und die Wellenlänge des zweiten Lasers (2) in einem Bereich liegt, in dem die zu detektierende Substanz (8) nicht absorbiert,
ein die Lichtleitfaser (3) umgebendes Medium, welches für die zu detektierende Substanz (8) permeabel und dessen Brechungsindex kleiner als der der Lichtleitfaser ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1. oder 3. bestehend aus mindestens einer pulsbaren Lichtquelle, einer Lichtleitfaser, in die die Lichtpulse eingekoppelbar sind, einem faseroptischen Strahlteiler, einem Photodetektor und einer Auswerteeinheit zur Erfassung der aus der Lichtleitfaser kommenden Rückstreusignale der pulsbaren Lichtquelle in der Zeitdomäne, gekennzeichnet durch:
einen Laser (1) als gepulste Lichtquelle, wobei die Wellenlänge im Bereich einer Absorptionsbande einer zu detektierenden Substanz (8) liegt,
ein die Lichtleitfaser (3) umgebendes Medium, welches für die zu detektierende Substanz (8) permeabel und dessen Brechungsindex kleiner als der der Lichtleitfaser ist und einen optischen Filter (7), der vor dem Photodetektor (5) einschwenkbar angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4. gekennzeichnet durch einen Bandpassfilter (7).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4. bis 6., dadurch gekennzeichnet, daß das die Lichtleitfaser (3) umgebende Medium Silicon oder Teflon ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4. bis 7. gekennzeichnet durch eine für die Substanz (8) durchlässige, mechanisch stabilisierende Schutzhülle für die Lichtleitfaser (3).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4. bis 8., dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierende Schutzhülle eine Flachdrahtwendel aus Edelstahl ist.

10. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4. bis 9. zur Lokalisierung von Leckagen in einem räumlich ausgedehnten, die Substanz (8) enthaltenden Behälter.

11. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4. bis 9. zum Nachweis und Lokalisieren vom umweltschädlichen Substanzen bei Mülldeponien.