DE19957808A1

DE19957808A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit in Gasen, Aerosolen und Stäuben

Info

Publication number: DE19957808A1
Application number: DE1999157808
Authority: DE
Inventors: Volker Sturm; Adriane Brysch; Laszlo Peter; Reinhard Noll
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: DE19957808C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit in Gasen, Aerosolen und Stäuben. Das Verfahren nutzt die Technik der Laser-Emissionsspektrometrie, bei der ein Plasma im Gas erzeugt und aus der emittierten Plasmastrahlung Informationen über die Stoffkonzentrationen im Gas und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases gewonnen werden. Bei dem Verfahren wird nach einem ersten Laserpuls zum Erzeugen eines Plasmas an einem ersten Ort im Gas ein zweiter Laserpuls in zeitlichem Abstand zum ersten Laserpuls am gleichen oder einem in Strömungsrichtung beabstandet liegenden zweiten Ort in das Gas fokussiert, wobei der zweite Laserpuls eine ausreichende Intensität aufweist, um am zweiten Ort ein Plasma zu erzeugen. Die nach Einkopplung des zweiten Laserpulses emittierte Plasmastrahlung wird erfasst und ausgewertet, um die Stoffkonzentrationen und/oder die Strömungsgeschwindigkeit im Gas zu ermitteln. DOLLAR A Das vorliegende Verfahren ermöglicht die genaue Bestimmung geringer Stoffkonzentrationen in Gasen bei Überdruck sowie die nahezu gleichzeitige einfache Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Stoffkonzentratio nen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit in Gasen, Ae rosolen und Stäuben, bei dem mit einem Laserpuls lokal im Gas, Aerosol oder Staub ein Plasma erzeugt und die resultierende Plasmastrahlung ausgewertet wird.

Das vorliegende Verfahren eignet sich vor allem für die Bestimmung von Analytkonzentrationen und Strö mungsgeschwindigkeiten von Gasen, Aerosolen und Stäuben in Verbrennungsöfen oder Abgasrohren sowie zur Analyse von Prozessgasen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Detektion von Schadstoffen oder die Überwachung des Be triebszustandes eines Ofens, eines Prozessaggregats oder einer Prozessanlage. Bei den letztgenannten Anwen dungen spielt die Messung der Konzentration von Schad stoffen bzw. der Strömungsgeschwindigkeit der Gase eine wesentliche Rolle.

Stand der Technik

Das vorliegende Verfahren beruht auf dem Prinzip der lasergestützten Stoffanalyse, die seit den Anfängen der Lasertechnik bekannt ist. Der nachfolgend darge stellte Stand der Technik betrifft Verfahren, die in der Fachliteratur mit den Begriffen Laser-Emissions spektrometrie oder laser-induzierte Plasmaspektrometrie umschrieben werden. Bei diesen Verfahren wird ein in tensiver gepulster Laserstrahl durch eine Fokussierop tik gebündelt und in ein zu untersuchendes Gasvolumen fokussiert. Durch die hohe Intensität des Laserstrahls im Fokus wird ein Plasma im Gas erzeugt, das analytspe zifische Linienstrahlung und nicht-analytspezifische Untergrundstrahlung emittiert. Die analytspezifische Linienstrahlung ist bei geeigneter Detektion und Aus wertung ein Maß für die Konzentration der Stoffe bzw. Analyten im Gas.

Die Bestandteile des Gases, d. h. beispielsweise chemische Elemente, Verbindungen oder Aerosol- bzw. Staubkomponenten, werden durch das Plasma angeregt und emittieren für sie charakteristische Strahlung. Die emittierte Strahlung wird in einem Spektrometer spek tral zerlegt. Bei einer Messung werden nach den Laser pulsen zeitintegrierte Spektren aufgenommen und ausge wertet. Aus der Wellenlänge sowie den detektierten Kom binationen der Emissionslinien können die im Gas ent haltenen Stoffbestandteile identifiziert werden. Die Intensität einer Emissionslinie oder das Integral über eine Emissionslinie im Spektrum stellt hierbei ein Maß für die Konzentration des jeweiligen Stoffes im Gas dar.

Bei Anwendungen, bei denen die Untergrundstrahlung einen wesentlichen Anteil an der gesamten detektierten Strahlung darstellt, wird dieser Anteil separat be stimmt und durch Subtraktion bei der Auswertung berück sichtigt.

Zum Ausgleich nicht kontrollierbarer Schwankungen und Fluktuationen des eingesetzten Lasers, des erzeug ten Plasmas und der Detektionsanordnung wird in der Re gel die ermittelte Linienintensität oder das Linienin tegral des nachzuweisenden Stoffes auf die Linieninten sität oder das Linienintegral eines sich mit nahezu konstanter Konzentration in der Substanz befindlichen Stoffes (Referenzanalyt bzw. interner Standard) nor miert. Schwankungen, die sich in gleicher Weise auf beide Analytlinien auswirken, haben dann keine Auswir kung auf den Quotienten der beiden Größen. Dieser nor mierte bzw. referenzierte Wert stellt dann ein besseres Maß für die Analytkonzentration dar. Der Normierungs vorgang wird auch als Referenzierung oder Standardisie rung bezeichnet.

Ein Beispiel für den Einsatz eines derartigen Ver fahrens ist beispielsweise aus der US 5,715,053 be kannt, bei dem die Konzentration von atomaren Bestand teilen in Gasen und Festkörpern bestimmt wird. Bei die sem Verfahren wird der im Gas enthaltene Stickstoff als Referenzanalyt verwendet, da dieser bei den dort unter suchten Gasen in nahezu konstanter Konzentration im Gas vorliegt.

Für die Anregung des Plasmas im Gas wird in der Regel ein gepulst angeregter und gütegeschalteter Fest körperlaser, beispielsweise ein mit einer Blitzlampe gepumpter Nd:YAG-Laser, eingesetzt. Derartige gütege schaltete Festkörperlaser emittieren einen Laserpuls pro Pumppuls. Die Energie im Laserpuls beträgt typi scherweise zwischen 20 und 1200 mJ. Die Repetitionsrate der Pumppulse und damit der Laserpulse liegt bei diesen Laserenergien im Bereich von 1 bis 100 Hz, die Laser pulsdauer im Bereich von 5 bis 100 ns.

Ein Beispiel für eine derartige Laseranordnung zur Emissionspektroskopie an Gasen und Aerosolen ist in D. K. Ottesen et al., "Real-Time Laser Spark Spectroscopy of Particulates in Combustion Environments", Applied Spectroscopy, Vol. 43, No. 6 (1989) 967-976 angege ben. Bei dieser Anordnung wird die Laserstrahlung durch einen Nd:YAG-Laser mit Güteschaltung erzeugt und mit einer Fokussierlinse auf das Messvolumen im Gas gebün delt. Die anschließend emittierte Plasmastrahlung wird direkt oder über eine optische Faser zum Spektrometer geführt, das die Daten für die anschließende Auswertung bereitstellt. Das Messvolumen ist fest und ergibt sich aus dem Fokusbereich der Linse und den Laserstrahlpara metern. Eine besondere Strahlführung des Laserstrahls ist bei dieser Standardanordnung nicht erforderlich.

Ein Nachteil der bekannten Verfahren tritt vor al lem bei der Messung an Gasen im Überdruckbereich auf. Die vom Plasma emittierte Linienstrahlung und damit die auswertbare Signalintensität nimmt mit zunehmendem Druck des Gases ab. Im Überdruckbereich, das heißt bei einem größeren Druck als Atmosphärendruck, wird die auswertbare Signalintensität beim Einsatz der bekannten Verfahren in vielen Fällen zu gering, um niedrige Ana lytkonzentrationen im Gas noch messen zu können. Die vorgestellten Standardanordnungen sind zwar grundsätz lich in der Lage, eine Messung der Stoffkonzentration auch bei einem höheren Druck durchzuführen, die Nach weisgrenze steigt jedoch deutlich an.

Gerade bei den eingangs genannten Anwendungsgebie ten in Verbrennungsöfen oder Abgasrohren liegen jedoch mitunter hohe Drücke vor. Andererseits kommt es bei diesen Anwendungen auf die Messung selbst geringer Kon zentrationen von Schadstoffen oder prozessrelevanten Begleitstoffen an, deren Nachweis mit den vorgestellten Standardverfahren nicht mehr möglich ist.

Auch die spektrale Breite der Emissionslinien nimmt mit steigendem Druck im Gas zu. Dies kann dazu führen, dass sich benachbarte Emissionslinien überla gern und nicht mehr spektral aufgelöst werden können. Eine analytspezifische Messung ist dann nicht mehr ohne weiteres zuverlässig möglich. Ein weiterer Nachteil ist das abnehmende Signal-zu-Untergrund-Verhältnis.

Auf einem anderen Anwendungsgebiet, der Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Flüssigkeiten, ist aus der US 4,925,307 ein Verfahren bekannt, bei dem zwei zeit lich voneinander beabstandete Laserpulse ein Plasma in der Flüssigkeit erzeugen, das zur Stoffanalyse ausge wertet wird. Dabei weist der erste Laserpuls eine ge ringere Energie (35-70 mJ) als der zweite Laserpuls (125 mJ) auf. Mit dieser Technik lassen sich gegenüber einer Einzelpulstechnik höhere Nachweisempfindlichkei ten in der Flüssigkeit erreichen, die im Messvolumen einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durch läuft. Die höhere Nachweisempfindlichkeit wird darauf zurückgeführt, daß ein großer Anteil der Energie des ersten Laserpulses für die Verdampfung der Flüssigkeit, d. h. zum Aufbringen der Verdampfungswärme, verbraucht wird und nicht mehr zur Plasmaanregung aller im anzure genden Volumen enthaltenen Elemente zur Verfügung steht. Erst mit dem zweiten Laserpuls wird die nahezu vollständige Anregung dieser Elemente erreicht.

Derartige Verhältnisse bei der Untersuchung von Flüssigkeiten liegen jedoch beim vorliegenden Anwen dungsgebiet der Untersuchung von Gasen nicht vor, so daß diese Veröffentlichung keine Anregung zur Verbesse rung der Messungen an Gasen gibt. Die Schrift gibt auch keinen Hinweis für die Vorgehensweise bei der Messung an einem schnell strömenden Medium.

Ein weiterer Störfaktor bei der Messung der Stoff konzentrationen mit dem Verfahren der Laser-Emissions spektrometrie liegt in der Strömung des Gases während der Messung. Die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst die Bestimmung der Stoffkonzentration, kann jedoch mit den Standardanordnungen nicht oder nur mit erheblichem Zusatzaufwand erfasst und berücksichtigt werden. Eine Vernachlässigung der Strömungsgeschwindigkeit führt zu unerwünschten Messunggenauigkeiten.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ver fahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten be kannt.

Eine Möglichkeit der Messung von Strömungsge schwindigkeiten mit Laserstrahlung besteht im Einbrin gen von speziellen Tracer-Partikeln in den Gasstrom und dem Beleuchten dieser Partikel mit Laserstrahlung. Eine elektronische Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, zeichnet das rückgestreute Laserlicht auf. Durch minde stens zwei Belichtungen wird eine Bildsequenz erstellt, in der die vom Laser beleuchteten Tracer-Partikel ver folgt und das Strömungsfeld ermittelt werden können. Ein derartiges Verfahren, das auch unter der Bezeich nung PIV (Particle Image Velocimetry) bekannt ist, hat jedoch in erster Linie zum Ziel, Strömungsfelder zu vermessen. Das Verfahren ist relativ aufwendig, da zu sätzliche Partikel in den Gasstrom eingebracht werden müssen. Zusätzlich können die eingebrachten Partikel die Strömungsverhältnisse verändern. Weiterhin führt die Auswertung der Bildsequenzen zu einem erhöhten rechnerischen Aufwand.

Eine weitere bekannte Technik zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Gasen wird in der US 5,708,495 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Sau erstoffatome im Gas mit einem Laserstrahl angeregt und deren Fluoreszenz erfasst, um die Geschwindigkeit im Gas zu bestimmen. Diese Technik erfordert jedoch zum einen spezielle Gasbestandteile, die eine ausreichende Fluoreszenzausbeute aufweisen. Zum anderen sind für un terschiedliche Gase jeweils unterschiedliche spezielle Laser erforderlich, deren Laserwellenlänge auf die An regung der Fluoreszenz der vorliegenden Gase abgestimmt sein müssen.

Schließlich zeigt auch die oben angeführte Veröf fentlichung von D. K. Ottesen et al. ein Verfahren zur Messung der Partikelgeschwindigkeit mittels einer Zwei farben-Lichtstreuung. Hierbei wird die mittlere Parti kelgeschwindigkeit durch Mie-Streuung an den Partikeln über die Breite des detektierten Streusignals ermit telt. Das Verfahren erfordert zwei Laser mit unter schiedlicher Wellenlänge und ist somit ebenfalls sehr aufwendig. Außerdem setzt die Auswertung des Mie- Streusignals Kenntnisse der Partikelgrösse voraus, die in der praktischen Anwendung in der Regel nicht bekannt sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Be stimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strö mungsgeschwindigkeit in Gasen anzugeben, das eine Mes sung auch geringer Stoffkonzentrationen bei Überdruck sowie eine einfache Messung der Strömungsgeschwindig keit ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und den Vorrichtungen nach Anspruch 13 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsge schwindigkeit in Gasen, Aerosolen und Stäuben wird zu einem ersten Zeitpunkt mit einem ersten Laserpuls an einem ersten Ort im Gas, Aerosol oder Staub (im folgen den allgemein als Gas bezeichnet) in bekannter Weise ein Plasma erzeugt. In geringem zeitlichen Abstand von weniger als 1 ms zum ersten Zeitpunkt wird zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweiter Laserpuls am ersten und/oder einem von diesem in einer Strömungsrichtung des Gases (stromabwärts) beabstandet liegenden zweiten Ort in das Gas fokussiert, wobei die Intensität des zweiten Laserpulses am ersten und/oder zweiten Ort die Erzeugung eines Plasmas im Gas ermöglicht. Die nach dem zweiten Zeitpunkt vom ersten und/oder zweiten Ort emit tierte Plasmastrahlung wird spektral- und zeitaufgelöst erfasst und zur Bestimmung der Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet. Die Auswertung der Stoffkonzentrationen erfolgt hierbei in üblicher Weise, wie dies bereits in Zusammenhang mit dem einleitend genannten Stand der Technik erläutert wurde.

Die Bestimmung der Stoffkonzentrationen beruht da her auf dem gleichen Prinzip, bei dem in einem Messvo lumen durch einen intensiven Laserstrahl ein Plasma er zeugt wird, das analytspezifische Linienstrahlung und nicht-analytspezifische Untergrundstrahlung emittiert. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird die Laser energie zur Erzeugung des Plasmas im Gas in Form eines Doppel- bzw. Mehrfachpulses eingebracht. Als Doppelpul se sind hierbei Laserpulse zu verstehen, die mit einem zur Repetitionsdauer (ca. 10 ms bis 1 s) vergleichswei se kurzen zeitlichen Abstand Δt_L aufeinanderfolgen. Statt dieser Doppelpulse können auch mehr als zwei auf einanderfolgende Laserpulse eingesetzt werden. Der zeitliche Abstand der zwei oder mehreren aufeinander folgenden Laserpulse liegt vorzugsweise im Bereich un terhalb von etwa 30 µs. Dieser zeitliche Abstand hängt von der Dauer des durch den ersten Laserpuls gezündeten Plasmas und der Strömungsgeschwindigkeit ab.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass entgegen dem bisher bei der Messung an Gasen verfolgten Ziel, mög lichst viel Energie in den (einzigen) Laserpuls zur An regung des Plasmas zu bringen, der Einsatz von Doppel pulsen bei Gasen erhebliche Vorteile bringt, die bei Gasen nicht zu erwarten waren. Bisher wurde zudem davon ausgegangen, dass bei Verwendung von Doppelpulsen die Energie des einzelnen Laserpulses derart herabgesetzt wird, dass entweder die Laserintensität unter die Plas mazündschwelle im Gas absinken könnte oder eine zu ge ringe Anregung des Gases erfolgt. Mit den im Ausfüh rungsbeispiel angegebenen Vorrichtungen lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch problemlos durchfüh ren und eine gegenüber bekannten Verfahren deutlich hö here Nachweisempfindlichkeit und Genauigkeit bei der Messung im Überdruckbereich erreichen.

Das Verfahren und die angeführten Vorrichtungen ermöglichen insbesondere die Messung an schnell strö menden Gasen mit Doppelpulsen unter Vermeidung von strömungsbedingten Messunggenauigkeiten. Diese rühren u. a. davon, daß die Substanz im Messvolumen in Abhän gigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit teilweise oder vollständig ausgetauscht wird. Ein Einsatz von zwei La serpulsen bei einem schnell strömenden Medium ist mit den bekannten Vorrichtungen, z. B. der US 4,925,307, nicht möglich, da die Strömung die Substanz, die vom ersten Laserpuls angeregt wird, weiter transportiert und der zweite Laserpuls dann auf nicht-angeregte Sub stanz trifft. Durch eine Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens, bei der der erste und zweite Ort voneinander in Strömungsrichtung beabstandet sind, lassen sich diese Nachteile vermeiden. Bei dieser Aus führungsform wird der zweite Ort in dem Bereich ge wählt, in den sich das angeregte Volumen in der Zwi schenzeit bewegt hat.

Unter Stoffen bzw. Analyten werden in der vorlie genden Patentanmeldung die zu bestimmenden stofflichen Komponenten von Gasen, Aerosolen oder Stäuben bezeich net. Dies sind chemische Elemente, Verbindungen oder andere Aerosol- oder Staubkomponenten. Aerosole sind eine Suspension von festen und/oder flüssigen Partikeln in Gasen. Die Partikelgrößen liegen im Bereich von we nigen Nanometern bis etwa 25 µm. Mit dem vorliegenden Verfahren können auch Stoffe mit Partikelgrößen ober halb von 25 µm nachgewiesen werden, die auch eine ande re Dynamik als Aerosole aufweisen können. Prinzipiell lassen sich mit dem Verfahren alle Stoffe oder Partikel in Gasen nachweisen, sofern sie ausreichend im Laser plasma angeregt werden und über entsprechende Emissi onslinien detektierbar sind.

Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt beim vorliegenden Verfahren durch die Erzeugung zweier Plasmen, die durch geeignete Laserstrahlführung in ei nem räumlichen Abstand in Strömungsrichtung gezündet werden. Das in Strömungsrichtung erste Plasma - am er sten Ort - erzeugt im Gas bzw. Aerosol/Staub ein Volu men mit freien Elektronen und angeregten Atomen oder Molekülen, das mit der Strömung in den Bereich des zweiten Plasmas - am zweiten Ort - transportiert wird. An diesem zweiten Ort wird daher nach einem entspre chenden Zeitintervall eine Änderung des Plasmaemissi onssignals detektiert. Aus dem bekannten räumlichen Ab stand der Plasmen bzw. Orte und dem Zeitintervall zwi schen der, Zündung des ersten Plasmas und der Änderung des Plasmaemissionssignals wird die Strömungsgeschwin digkeit berechnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die sehr genaue Bestimmung von Analytkonzentrationen sowie die Messung der Geschwindigkeit von strömenden Gasen, Aero solen und Stäuben. Der Verringerung der emittierten Li nienstrahlung mit zunehmendem Druck des zu messenden Gases wird ebenso wie der mit dem Druck zunehmenden Li nienbreite durch die Einstrahlung von Doppelpulsen ent gegengewirkt. Dadurch ermöglicht das vorliegende Ver fahren den Nachweis von Analyten mit geringeren Konzen trationen als dies mit bekannten Anordnungen der Laser- Emissionsspektrometrie möglich ist. Mit dem Verfahren lassen sich weiterhin benachbarte Emissionslinien bes ser auflösen, als im Falle der Messung mit Einzel- Laserpulsen.

Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfordert keine speziellen Laseranordnungen oder Gase und lässt sich mit der gleichen Vorrichtung wie die Messung der Stoffkonzentrationen durchführen. Gerade diese Kombina tion ermöglicht in vorteilhafter und einfacher Weise die Korrektur der gemessenen Konzentrationswerte durch die ermittelte Strömungsgeschwindigkeit, so dass die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der mit dem Verfahren bestimmten Konzentrationswerte erhöht wird.

Als Anwendungsgebiete kommen beispielsweise die Bestimmung von Analytkonzentrationen und Strömungsge schwindigkeiten von Gasen und Aerosolen oder Stäuben in Verbrennungsöfen oder Abgasrohren sowie die Bestimmung von Analytkonzentrationen und Strömungsgeschwindigkei ten in Prozessgasen oder Prozessaerosolen bzw. -stäuben in Betracht, um den Betriebszustand des Ofens, des Pro zessaggregats oder der Prozessanlage anhand der Analyt konzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeiten überwachen zu können. Weiterhin können in vorteilhafter Weise Schadstoffe, d. h. Stoffe, die den Prozessablauf stören können oder die bei der Emission in bestimmten Konzentrationen als umweltschädlich einzuordnen sind, detektiert werden.

Der optische Zugang zu dem zu analysierenden Gas ermöglicht eine berührungsfreie Messung. So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise der Nachweis von Blei, Kohlenstoff oder Alkalimetallen im Abgas von Öfen mit Kohleverbrennung in Verbindung mit der Messung der Trägergaskomponenten wie zum Beispiel N₂, CO₂ oder H₂ durchgeführt werden. Ein weiteres Bei spiel betrifft die Messung an Kohlestaub zur schnellen Vorort-Beurteilung der Zusammensetzung und damit der Kohlequalität beim Abbau von Kohle. Ein weiteres Bei spiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Messung an Zementstaub während der Produktion im Zementwerk. Alle diese beispielhaft genannten Anwen dungen lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den zugehörigen Vorrichtungen in sehr vorteilhafter Weise durchführen.

Das berührungsfreie Messverfahren ermöglicht die Messung auch in Gasen oder Aerosolen bzw. Stäuben, die einer anderen Messung nicht oder nur schwer zugänglich sind, beispielsweise aufgrund hoher Temperaturen in Verbrennungsöfen oder Abgasrohren. Zur Messung wird hierbei ein optisch transparenter Zugang, z. B. ein Fe ster aus optischem Glas, in einer Öffnung des Ofens, des Abgasrohres oder der Prozesskammer angebracht. Je nach Geometrie und Anordnung kann auch ein Zugang über eine einbringbare rohrförmige Sonde hergestellt werden. Die Laserstrahlung in Form von Laserpulsen wird durch den optischen Zugang eingestrahlt, so dass im Gas das bzw. die entsprechenden Plasmen gezündet werden. Die emittierte Plasmastrahlung wird über den optischen Zu gang zum Spektrometer oder einer anderen geeigneten De tektionsanordnung geführt und hinsichtlich der Stoff konzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Referenztarget an den Ort der Plasmaerzeugung gebracht. Dies bewirkt die Zündung des Plasmas an der Oberfläche des Referenztargets, beispielsweise einer Metallplatte. Das Referenztarget sollte möglichst aus einem reinen Material mit nur wenigen Analytkomponenten bestehen. Ein Beispiel ist die Verwendung eines Al₂O₃-Targets. Das Gas oder Aerosol/Staub stellt dann das Umgebungsgas für das auf dem Referenztarget gezündete Plasma dar und wird mit diesem angeregt. Es werden sowohl Emissionsli nien des Gases oder Aerosols/Staubes als auch Emissi onslinien des Targetmaterials beobachtet. Die Emissi onslinien des Targetmaterials werden zur Referenzierung benutzt, falls keine Komponente des Gases oder Aero sols/Staubes hinreichende Konstanz in seiner Konzentra tion aufweist, um als Referenzanalyt zu dienen. Zusätz lich wird durch dieses Referenztarget der Plasmaort im Gas festgelegt, so dass keine Schwankungen des Plas maortes entlang der optischen Achse, das heißt der Ach se des einfallenden Laserstrahls, auftreten können. Hierdurch wird vermieden, dass der Ort des Plasmas nicht genau im Fokus liegt, sondern innerhalb eines mehr oder weniger großen Bereichs um den Brennpunkt herum entlang der optischen Achse unregelmäßig schwankt. Eine derartige Schwankung kann einerseits für die Detektionsanordnung ungünstig sein, beispielsweise wenn das Plasma aus dem Beobachtungsraumwinkel heraus tritt, und andererseits die Messung der Strömungsge schwindigkeit ungünstig beeinflussen. Die vorgestellte Ausführungsform mit dem Referenztarget, das im Gas ge zielt positioniert wird, vermeidet diese Nachteile.

Beispielhafte Vorrichtungen zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens setzen sich entweder aus einem Laser mit einer Einrichtung zur Aufspaltung des austre tenden Strahles in zwei Teilstrahlen sowie einer Güte schaltung im Laserresonator zur Erzeugung der Doppel pulse oder aus zwei Lasern mit einer Einrichtung zur geeigneten Einkopplung der beiden Laserstrahlen in das Gas zusammen. Bei beiden Vorrichtungen ist eine Auswer te- und Steuerelektronik vorgesehen, die im Falle des Einsatzes von zwei Lasern den zeitlichen Versatz der beiden Laserpulse steuert. Weiterhin umfassen beide Vorrichtungen eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Laserpulse auf den ersten bzw. zweiten Ort im Gas. Die Doppelpulse können durch die optische Überlagerung der Laserpulse der beiden Laseroszillatoren, die um Δt_L zeitlich verzögert angesteuert werden, oder mit dem einzelnen Laseroszillator durch entsprechende Steuerung der Güteschaltung erzeugt werden. Die Repetitionsrate der Doppelpulse liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 Hz. Die Energieverteilung zwischen den beiden Pul sen wird vorzugsweise derart eingestellt, dass der er ste Laserpuls der Doppelpulse eine höhere Energie auf weist als der nachfolgende Laserpuls. Die geringere La serenergie des zweiten Pulses muss jedoch ausreichen, um im Gas ein Plasma zu zünden. Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit werden mit dem gleichen Aufbau durch geeignete Laserstrahlführung zwei Plasmen in ei nem festen Abstand zueinander erzeugt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform für eine Vorrich tung zur Durchführung des vorliegenden Ver fahrens;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform für eine Vorrich tung zur Durchführung des vorliegenden Ver fahrens; und

Fig. 3 ein Beispiel für den Zeitverlauf der Laser leistung P_L (a) im Orts-Zeit-Diagramm der mit den Vorrichtungen (b) der Fig. 1 und (c) der Fig. 2 erzeugten Plasmen (schwarze Punkte).

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrich tung für das vorliegende Verfahren, bei dem die Doppel pulse mit zwei getrennt vorgesehenen Laseroszillatoren 1, 2 erzeugt werden. Die Erzeugung von einzelnen Laser pulsen mit den jeweiligen Laseroszillatoren erfolgt mit einer Güteschaltung, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Im Beispiel der Fig. 1 können die Strah lenbündel 3, 4 der beiden Laseroszillatoren 1, 2 unter einem fest einstellbaren Winkel 7 und/oder mit einem Parallelversatz 8 überlagert werden. Die Überlagerung erfolgt hierbei durch einen polarisierenden Strahltei ler 6 und den Umlenkspiegel 5. Der Teilstrahl 4 ist in einer zu dem Teilstrahl 3 senkrechten Richtung polari siert, um den Einsatz des Strahlteilers 6 zu ermögli chen. Die Polarisation der Teilstrahlen kann durch un terschiedliche Maßnahmen herbeigeführt werden. Zum ei nen kann der Laser 2 bereits Laserstrahlung mit der korrekten Polarisationsrichtung emittieren. Ist dies nicht der Fall, so kann die erforderliche Polarisati onsrichtung beispielsweise durch eine zusätzliche 90°- Drehung der Polarisationsrichtung mit einer λ/2-Optik, die vor dem Laser 2 positioniert wird, herbeigeführt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die er forderliche Polarisation durch eine entsprechende Be schichtung auf dem Umlenkspiegel 5 zu bewirken. Die mit dem Strahlteiler 6 überlagerten bzw. teilüberlagerten Teilbündel 3', 4' werden durch die Linse 9 in das Gas fokussiert. Wie aus der Fig. 1 zu erkennen ist, liegen aufgrund des Versatzes bzw. des durch die beiden Teil strahlen eingeschlossenen Winkels zwei Fokalbereiche mit einem Abstand 12 (a = y₁-y₂) vor. Die Energie der beiden mit den Laseroszillatoren 1, 2 erzeugten Laser pulse wird hierbei derart gewählt, dass in den Fokalbe reichen Plasmen 10, 11 im Gas erzeugt werden.

Der erforderliche Zeitabstand zwischen den beiden den Doppelpuls bildenden Laserpulsen wird durch geeig nete zeitversetzte Ansteuerung der Güteschaltungen der. Laseroszillatoren 1, 2 eingestellt. Der erste Laserpuls der Doppelpulse erzeugt das erste Plasma 10, der zweite Laserpuls das zweite Plasma 11 in einem Abstand 12 da von.

Die Verbindungsachse zwischen den Plasmen 10 und 11 liegt im einfachsten Fall parallel zur Strömungs richtung 13 des Gases. Dieser Fall ist der übersichtli cheren Darstellung wegen jeweils in den Fig. 1 und 2 skizziert. Im allgemeineren Fall ist der Abstand a = y₁-y₂ durch den Abstand a' = [(x₁-x₂)² + (y₁-y₂)² + (z₁-z₂)²]^1/2 zu ersetzen, wobei (x₁-x₂), (y₁-y₂) oder (z₁-z₂) jeweils die Projektionen des Abstandes 12 der Plasmen auf die x-, y- und z-Koordinatenachsen sind. Die z-Achse liegt hierbei in den Fig. 1 und 2 senkrecht zur Zeichenebene.

Die Detektion der emittierten Plasmastrahlung er folgt in diesem Beispiel über eine optische Faser oder ein Faserbündel 14, die bzw. das die Strahlung zum Spektrometer 15 führt. Bei Bedarf können auch mehrere Fasern oder Faserbündel, zum Beispiel ringförmig, ange ordnet werden. Das eine Ende der optischen Faser(n) ist dabei entweder seitlich neben der Linse 9 positioniert oder alternativ hinter der Linse 9 neben den Teilstrah len 3', 4' bzw. 19, 20 auf der dem Laser zugewandten Seite der Linse. Im zweiten Fall bewirkt die Linse 9 eine Ablenkung der Plasmastrahlung in eine Achse paral lel zur Laserstrahlachse. Die Auswertung der Signale erfolgt in der Steuer- und Auswerteeinheit 16, die auch die zusätzliche zeitliche Steuerung der beiden Laser 1, 2 zur Erzeugung der Doppelpulse übernimmt.

Diese zweite Alternative der Anordnung der opti schen Faser(n) 14 hat den Vorteil, dass die optische(n) Faser(n) nahezu parallel zu den Laserstrahlbündeln 3', 4' bzw. 19, 20 verlaufen kann bzw. können. Eine derar tige Anordnung ist sehr platzsparend und ermöglicht das Heranführen der Anordnung über eine schmale rohrförmige Sonde an den Messort, wie sie insbesondere bei der Mes sung an schwer zugänglichen Messorten, wie z. B. in ei nem Ofen, Abgasrohr oder einer Prozesskammer, erforder lich sein kann. In diesem Fall müssen neben der Linse 9 keine weiteren Elemente gegenüber dem Messort abgedich tet werden. Weiterhin erfasst die optische Faser 14 bei nahezu paralleler Anordnung zu den Laserstrahlbündeln 3', 4' bzw. 19, 20 den Ort des Fokus aufgrund der Linse ohne zusätzliche Justierung.

Der zeitliche Ablauf ist in Fig. 3 in den Teilab schnitten (a) und (b) in einem Orts-Zeit-Diagramm dar gestellt. Die eingezeichneten Punkte markieren dabei die Orts-Zeit-Koordinaten der erzeugten Plasmen. Zum Zeitpunkt t₁ erzeugt der Laserpuls 22 ein Plasma am Ort 10 bzw. y₁, zum Zeitpunkt t₂ erzeugt der Laserpuls 23 ein Plasma am Ort 11 bzw. y₂. Durch die Strömung des Gases wird das angeregte Plasmavolumen vom Ort y₁ zum Ort y₂ transportiert.

Der Ort des Plasmas, das durch den Laserpuls 23 erzeugt wird, kann entsprechend der gewünschten Mess geometrie durch Einstellung der Lage und Neigung des Teilstrahls 4' eingestellt werden. Dies kann durch Ju stierung der Umlenkoptiken 5 und 6 erfolgen, oder durch ein weiteres in den Teilstrahl 4' eingebrachtes opti sches Element 9', das diese Einstellung ermöglicht.

Die Darstellung der Fig. 1 zeigt die Vorrichtung bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit. Zur Mes sung der Stoff- bzw. Analytkonzentrationen werden die beiden Teilstrahlen 3' und 4' auf einen gemeinsamen Punkt im Gas fokussiert. Dies kann in einfacher Weise durch geeignete Einstellung der Ablenkelemente 5, 9' und 6 erfolgen. Vorzugsweise werden hierbei die beiden Teilstrahlen 3' und 4' am Strahlteiler 6 vollständig überlagert.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfah rens. Bei dieser Ausführungsform wird nur ein Laseros zillator 1 eingesetzt, dessen emittiertes Strahlenbün del 17 in zwei Teilstrahlenbündel 19, 20 aufgespalten wird. Die Aufspaltung erfolgt durch ein Prisma 18, das das Strahlenbündel 17 in die beiden Teilstrahlenbündel 19, 20 unter einem Winkel 7 teilt. Die beiden Teil strahlenbündel 19, 20 werden anschließend durch die Linse 9 in das Gasvolumen fokussiert. Aufgrund der vor liegenden Aufspaltung liegen dann zwei Fokalbereiche 10, 11 mit einem festen Abstand 12 im Gasvolumen vor, in denen je ein Plasma gezündet wird. Im Gasvolumen liegen hier die gleichen Verhältnisse vor wie sie be reits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden. Die Erzeugung der Doppelpulse erfolgt in diesem Fall durch geeignete Ansteuerung der Gütesteuerung im La seroszillator, so dass dieser zwei Laserpulse kurzzei tig hintereinander emittiert. Der zeitliche Abstand der beiden Laserpulse kann über die Steuer- und Auswerteeinheit 21 eingestellt werden. Im Unterschied zu der Ausführungsform der Fig. 1 erzeugt bei diesem Beispiel jeder der beiden Laserpulse des Doppelpulses zwei Plas men. Dies ist aus dem Orts-Zeit-Diagramm der Fig. 3, Teilabschnitt (c), durch die schwarz eingezeichneten Punkte zu erkennen.

Mit dieser Anordnung lassen sich somit sowohl die Konzentrationen als auch die Strömungsgeschwindigkeiten ohne Neujustierung bzw. Änderung der Konfiguration be stimmen. So reicht es zur Bestimmung der Stoffkonzen tration aus, die am Ort y₂ erzeugte Plasmastrahlung zu erfassen und auszuwerten. Das gleiche gilt für die Be stimmung der Strömungsgeschwindigkeit, so dass mit nur einer Messung beide Bestimmungen vorgenommen werden können. Vorzugsweise wird bei der Auswertung der Stoff konzentrationen die gemessene Strömungsgeschwindigkeit als Korrekturfaktor berücksichtigt.

Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt die Detek tion der emittierten Plasmastrahlung über eine optische Faser 14, die die Strahlung zum Spektrometer 15 leitet. Bei beiden Ausführungsformen kann jedoch auch eine di rekte Einkopplung in ein Spektrometer erfolgen. Weiter hin kann anstelle des Spektrometers auch eine andere geeignete Anordnung zur spektralaufgelösten Detektion verwendet werden. Ein Beispiel für eine derartige wei tere Anordnung ist eine Kombination aus mehreren opti schen Filtern, die auf die Emissionslinien der zu mes senden Stoffe bzw. Analyte abgestimmt sind, mit nach folgenden Fotodetektoren.

Die Auswertung der emittierten Linienstrahlung er folgt in einer Weise, wie dies aus dem Stand der Tech nik bekannt ist. Die Auswertung der Signale wird durch die Steuer- und Auswerteeinheit 16 bzw. 21 durchge führt. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird der Abstand 12 entweder direkt gemessen oder über den bekannten Winkel 7 und/oder Abstand 8 und die Parameter Fokussieroptik 9 rechnerisch bestimmt. Zur Bestimmung der Zeitdifferenz Δt_B, in der das durch das Plasma an geregte Volumen mit freien Elektronen und angeregten Atomen oder Molekülen den Abstand 12 durchläuft, wird die Zeitverzögerung zwischen den Laserpulsen Δt_L = t₂-t₁ variiert und das Signal, d. h. die Intensität, der emittierten Plasmastrahlung beobachtet. Das Signal weist in einem Bereich der Zeitverzögerung Δt_L = Δt_B eine deutliche Änderung, vornehmlich eine Erhöhung, auf. Der Schwerpunkt dieses Zeitbereichs bezogen auf die Zeit t₁, dem Triggerzeitpunkt des ersten Laserpul ses 22, entspricht der Zeitdifferenz der Plasmabewegung vom Ort 10 zum Ort 11, das heißt Δt_B. Die Strömungsge schwindigkeit bestimmt sich dann aus v = a/Δt_B = (y₁-y₂)/Δt_B. Im allgemeinen Fall ist der Abstand a durch a' zu ersetzen, wie dies vorangehend erläutert wurde.

Der zeitliche Abstand Δt_L der Laserpulse des Dop pelpulses hängt von der Dauer der Plasmaanregung im je weiligen Gassystem ab. Der notwendige Fokusdurchmesser zur Erzeugung eines Plasmas im Gas ist ebenfalls von den jeweiligen Gaseigenschaften, insbesondere von der Zündschwelle für das Plasma, abhängig. Für die Laserin tensität im Fokusbereich werden hierbei in der Regel Werte von etwa 10-1000 GW/cm² benötigt. Der Abstand a der beiden Fokusorte im Gas liegt vorzugsweise im Be reich von etwa 0,1-10 mm.

Das vorliegende Verfahren lässt sich auch im dyna mischen Fall anwenden, bei dem sich die Strömungsge schwindigkeit am Ort der Messung zeitlich ändert, so fern die Änderungsgeschwindigkeit hinreichend gering ist, um die Bestimmung der Zeitdifferenz Δt_B zu ermög lichen. Bei turbulenten Strömungen können durch eine geeignete statistische Auswertung zeitlich gemittelte Werte und Standardabweichungen für die Strömungsge schwindigkeit bestimmt werden.

Für den Fall, dass das Plasma beim zu untersuchen den System entlang der optischen Achse (x-Richtung in den Fig. 1, 2) in unterschiedlichen Abständen zur Linse zündet, wird ein festes Referenztarget in der Nä he des Linsenbrennpunkts in das Gas eingebracht. Dieses Referenztarget bewirkt, dass die Zündung des Plasmas an dessen Oberfläche erfolgt und nicht an einer anderen Stelle im Gasvolumen. Hierdurch wird die x-Position des Plasmas durch die Oberfläche des Referenztargets ein deutig und reproduzierbar festgelegt. Das Referenztar get sollte aus einem möglichst reinen Material mit nur wenigen der zu detektierenden Analyt- bzw. Stoffkompo nenten bestehen. Ein Beispiel für ein geeignetes Tar getmaterial ist Al₂O₃. Das Gas stellt dann das Umge bungsgas für das auf dem Referenztarget gezündete Plas ma dar und wird mit diesem angeregt. Es werden sowohl Emissionslinien des Gases als auch Emissionslinien des Targetmaterials durch das Spektrometer beobachtet. Die Emissionslinien des Targetmaterials können zur Referen zierung benutzt werden, falls keine Komponente des Ga ses eine hinreichende Konstanz in seiner Konzentration aufweist, um als Referenzanalyt zu dienen. Das Refe renztarget ist in den Figuren nicht eingezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Be stimmung von Analytkonzentrationen durch Laser- Emissionsspektrometrie in Gasen und Aerosolen oder Stäuben bei einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks (p < 1013.10² Pa), bei dem mit bekannten Standardauf bauten der Laser-Emissionsspektrometrie die Intensität der emittierten Linienstrahlung zu gering wird, um niedrige Analytkonzentrationen noch nachweisen zu kön nen, oder eine Messung mit Doppelpulsen am strömenden Gas nicht möglich ist. Mit der gleichen Anordnung bzw. dem gleichen Aufbau kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder Aerosols bzw. Staubes bestimmt werden. Dies kann nahezu gleichzeitig mit der Bestimmung der Konzentration erfolgen und für eine genauere Bestimmung der Konzentrationen verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

erster Laseroszillator

2

zweiter Laseroszillator

3

,

3

' emittiertes Laserstrahlbündel

4

,

4

' emittiertes Laserstrahlbündel

5

Umlenkelement

6

polarisierender Strahlteiler

7

Winkel zwischen zwei Teilstrahlen

8

Parallelversatz zwischen zwei Teilstrahlen

9

Fokussierelement bzw. Linse

9

' Justierelement

10

erster Fokus bzw. erstes Plasma

11

zweiter Fokus bzw. zweites Plasma

12

Abstand der beiden Foki

13

Strömungsrichtung des Gases

14

optische Faser

15

Spektrometer

16

Steuer- und Auswerteeinheit

17

emittiertes Laserstrahlbündel

18

Prisma

19

erstes Teilbündel

20

zweites Teilbündel

21

Steuer- und Auswerteeinheit

22

erster Laserpuls

23

zweiter Laserpuls

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit in einem Gas, Ae rosol oder Staub, bei dem mit einem ersten Laserpuls (22) zu einem ersten Zeitpunkt an einem ersten Ort (10) im Gas, Aerosol oder Staub ein Plasma erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zu einem zweiten Zeitpunkt in einem zeitlichen Ab stand von weniger als 1 ms zum ersten Zeitpunkt ein zweiter Laserpuls (23) am ersten und/oder einem von diesem in einer Strömungsrichtung des Gases, Aerosols oder Staubs beabstandet liegenden zweiten Ort (11) in das Gas, das Aerosol oder den Staub fokussiert wird,
wobei die Intensität des zweiten Laserpulses (23) am ersten (10) und/oder zweiten Ort (11) die Erzeugung ei nes Plasmas im Gas, Aerosol oder Staub ermöglicht, und die nach dem zweiten Zeitpunkt vom ersten (10) und/oder zweiten Ort (11) emittierte Strahlung erfasst und zur Bestimmung der Stoffkonzentrationen und/oder der Strö mungsgeschwindigkeit ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laserpuls (22) eine höhere Energie auf weist als der zweite Laserpuls (23).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem zweiten Zeitpunkt emittierte Strahlung mit einem Spektrometer (15) erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität und/oder das Integral über die spek trale Intensität und/oder die spektrale Position von Emissionslinien bei der Auswertung berücksichtigt wer den.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung eine Subtraktion von gesondert erfasster Untergrundstrahlung und/oder eine Normierung auf ein Referenzmaterial erfolgt, das im Gas, Aerosol oder Staub enthalten ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ort (11) in einem Abstand von 0,1 bis 10 mm zum ersten Ort (10) gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit aus dem räumlichen Ab stand zwischen erstem (10) und zweitem Ort (11) und dem zeitlichen Abstand zwischen einem Zeitpunkt einer sprunghaften Änderung der Intensität der erfassten Strahlung und dem ersten Zeitpunkt bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit weitere Laserpulse zu weiteren Zeitpunkten in unterschiedlichen zeitlichen Abständen zum ersten Zeitpunkt am zweiten Ort (11) in das Gas, das Aerosol oder den Staub fokus siert werden, deren Intensität am zweiten Ort (11) die Erzeugung eines Plasmas im Gas, Aerosol oder Staub er möglicht, wobei die nach den jeweiligen weiteren Zeit punkten emittierte Strahlung erfasst und ausgewertet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Auswertung bestimmte Strömungsgeschwin digkeit als Korrekturgrösse bei der Bestimmung der Stoffkonzentrationen eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenztarget am ersten (10) und/oder zweiten Ort (11) positioniert wird, an dessen Oberfläche die Zündung der Plasmen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenztarget aus einem Reinmaterial einge setzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinmaterial als Referenzmaterial bei der Be stimmung der Stoffkonzentrationen im Gas, Aerosol oder Staub herangezogen wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit

- einem Laseroszillator (1) mit einer Güteschaltung zur Emission zweier aufeinanderfolgender Laserpulse in ei nem zeitlichen Abstand < 1 ms;
- einer optischen Anordnung (18) zur Aufspaltung eines vom Laseroszillator (1) emittierten Laserstrahlbündels (17) in zwei Teilbündel (19, 20), die unter einem Win kel (7) oder in einem Abstand (8) parallel zueinander verlaufen;
- einem Fokussierelement (9), das die beiden Teilbündel (19, 20) auf zwei voneinander beabstandete Orte (10, 11) fokussiert;
- einer Detektionseinrichtung (14, 15) zur Erfassung von zumindest einem der beiden Orte (10, 11) emittier ter Strahlung; und
- einer Steuer- und Auswerteeinheit (21) zur Ansteue rung der Güteschaltung zur Emission der Laserpulse und zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit aus der erfassten Strahlung.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit

- zwei Laseroszillatoren (1, 2) mit einer Güteschaltung zur Emission von Laserpulsen;
- einer optischen Anordnung (5, 6) zur Führung von zwei Laserstrahlbündeln (3, 3', 4, 4'), die von den beiden Laseroszillatoren (1, 2) emittiert werden, unter einem gegenseitigen Winkel (7) oder in einem Abstand (8) par allel zueinander auf ein Fokussierelement (9), das die beiden Laserstrahlbündel (3', 4') auf zwei voneinander beabstandete Orte (10, 11) fokussiert;
- einer Detektionseinrichtung (14, 15) zur Erfassung von zumindest einem der beiden Orte (10, 11) emittier ter Strahlung; und
- einer Steuer- und Auswerteeinheit (21) zur Ansteue rung der Güteschaltung der Laseroszillatoren (1, 2), um gegeneinander um < 1 ms zeitversetzte Laserpulse zu emittieren, und zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit aus der erfass ten Strahlung.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung (14, 15) eine optische Faser (14) umfasst, die derart laserseitig hinter dem Fokussierelement (9) angeordnet ist, daß sie die vom ersten und/oder zweiten Ort (10, 11) emittierte Strah lung durch das Fokussierelement (9) hindurch erfasst.