DE2134369A1

DE2134369A1 - Vorrichtung zur bestimmung von luftund wasserverunreinigungen

Info

Publication number: DE2134369A1
Application number: DE2134369A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Rer Nat Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-07-09
Filing date: 1971-07-09
Publication date: 1973-01-18
Also published as: FR2145926A5; NL7209195A; IT962429B; BE786004A; LU65681A1; GB1392466A

Description

Vorrichtung zur Bestimmung von Luft- und Wasserverunreinigungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Luft- und Wasserverunreinigungen, "bestehend aus einem Laserimpulssender und einem Empfänger, in dem die rückgestreuten Laserimpulse durch ein Spektrometer zerlegt und durch Ramanstreuung auf die Anwesenheit streuender Atome und Moleküle untersucht werden.

Ein Verfahren, Luftverunreinigungen mittels Laserstrahlen zu bestimmen, ist bekannt. Ein solches Verfahren beschreibt in dem Artikel "Laser-Raman-Radar for Air Pollution Probe" Takao Kobayasi and Humio Inaba (Proceedings of the IEEE, Vol. 58, No. 10. October 1970). Es wird hier eine Anordnung beschrieben, bei der als Sender ein Rubinlaser verwendet wird, dessen Strahlung von atmosphärischen Teilchen gestreut wird, und zwar zum Teil als Licht, das in der Frequenz nicht verschoben ist, zum Teil als Licht, das je nach der chemischen Beschaffenheit der streuenden Teilchen in seiner Frequenz verschoben ist (Raman-Linien). Der Empfänger enthält einen Monochromator, der die einzelnen Spektralanteile nacheinander an einen Doppelstrahloszillographen weiterleitet. Aus der Intensität des in der Frequenz nicht verschobenen Lichtes wird die Verteilung der Streuteilchen in der Entfernung, aus der Rückstreuung bei verschobenen Frequenzen auf die Art der Teilchen geschlossen.

Da durch die Verwendung des Monochromators nur ein sehr geringer Teil der rückgestreuten Energie in jedem Zeitpunkt ausgenutzt werden kann, ist die Reichweite der zu untersuchenden verunreinigenden Gase in der Atmosphäre sehr begrenzt.

VPA 9/712/101Oa WR/The

-2-

ORIGINAL INSPECTED 209883/0967

Ber Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der der Meßraum wesentlich erweitert werden kann.

Biese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das gesamte durch das Spektrometer zerlegte Spektrum der rückgestreuten Impulse einer Anordnung von Photodetektoren zugeführt wird, die nebeneinander gleichzeitig mehrere Spektralbereiche quantitativ auswetten. Zur Messung der Entfernung wird die Laufzeit der rückgestreuten Impulse aus der Summe aller von den Detektoren gemessenen Signale entnommen, Es \ wird dadurch eine wesentliche Erhöhung der Meßempfindlichkeit erreicht.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht u.a. darin, daß alle ßamanlinien des rückgestreuten Lichtes und daxait die Identifizierung der verunreinigenden Gase zur gleichen Zeit ver- " messen werden können, was neue Anwendungsmöglichkeiten bei • sich schnell ändernden zu vermessenden Partikeln erlaubt und bei zeitlicher Integration zu sehr viel günstigeren Signal-Rau schab stand en führt.

Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit sind vorteilhafterweise zwischen dem Spektralapparat und der Anordnung von Photo- W detektoren Lichtverstärker angeordnet. Dabei kann es sich entweder um reine Laserlichtverstärker handeln oder auch um Bildwandler mit wenigstens eindimensionaler räumlicher Auflösung.

Vorteilhaft ist es, wenn als Bildwandler ein Photoelektronenvervielfacher mit wenigstens eindimensionaler Abbildung der optischen Eingangsebene auf die elektronische Ausgangsebene verwendet wird.

VPA 9/712/101Oa -3-

209883/0967

21 3A369

Zur Messung der Laufzeit der Impulse vom Aussenden "bis zum Empfang der Signale werden insbesondere alle Photodetektoren gemeinsam einer Zeitmeßvorrichtung zugeführt.

Weitere Erläuterungen der Erfindung folgen anhand der !Figuren.
Pig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfinderischen Vor-

richtung,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für den in der Vorrichtung enthaltenen Empfänger.

In der Figur 1 ist ein Laserimpulssender 1 dargestellt, der in der Richtung 2 Impulse aussendet. Diese Strahlen treffen an den Orten 3 und 4 auf Streuteilchen in Gasen oder Flüssigkeiten und werden dort zu dem Empfänger 5 zurücJrgestreut. Der Empfänger 5 besteht aus einem Spektrometer 6, das Strahlungen aus verschiedenen Richtungen, z.B. den eingezeichneten Richtungen 7 und 8 aufnehmen kann. Die empfangene Strahlung enthält sowohl die Wellenlängen des ausgesandten Laserlichtes als auch verschobene. Das gesamte empfangene Strahlenspektrum wird durch das Spektrometer 6 zerlegt und räumlich aufgefächert, wobei einzelne Teilbereiche des Spektrums auf eine Reihe von Photodetektoren 9 fallen. Die . Meßwerte dieser Detektoren 9 werden mit einer entsprechenden Zahl von Leitungen 10 zu einer elektronischen Auswertevorrichtung 11 v/eitergeleitet. Hier werden die Frequenzen der Streustrahlung registriert und mit der Frequenz der ausgesandten Laseriiapulse verglichen. Dies geschieht für alle Ramanlinien der Streustrahlung von einem bestimmten Ort, z.B. dem Streuort 3 gleichzeitig. Weiter entfernt liegende Streuorte v/erden zu einem späteren Zeitpunkt vermessen. Die Auswertevorrichtung muß deshalb eine Schaltung zur Registrierung der Streuteilchen in-den einzelnen Entfernungen enthalten. Außerdem müssen hier Vorrichtungen zur Laufzeitmessung der Strahlung vom Aussenden eines Impulses bis zum

VPA 9/712/101Oa -4-

209RR3 ΓΠ96 7

Empfang vorgesehen werden. Für diese Messungen wird die gesamte Intensität der rückgestreuten Strahlung der Ausgangssignale sämtlicher Photoempfänger 9 ausgenutzt. Durch die Ausnutzung .der gesamten Intensität der rückgestreuten Strahlung wird somit die Meßempfindlichkeit erhöht und es können bei zeitlicher Integration Messungen in größeren Entfernungen durchgeführt werden.

Eine weitere Erhöhung der Meßempfindlichkeit wird dadurch erreipht, daß zwischen dem Spektralapparat 6 und den Photodetektoren 9 Lichtverstärker 12 angeordnet werden. Dies ist

P in der Figur 2 dargestellt. In dem hier gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Lichtverstärker 12 Laserlichtverstärker, die das eingestrahlte Licht mit der gleichen Frequenz verstärkt an die Photodetektoren 9 weitergeben.. Dadurchjkö'nnen auch noch intensitätsschwache Streustrahlen vermessen werden. Die Meßwerte werden wieder über die Leitungen 10 der Auswertevorrichtung 11 zugeführt und durch eine oszillographißche Anzeigevorrichtung 13 sichtbar gemacht, die durch eine Leitung 16 mit dem Lasersender 1 verbunden ist. Die Zuleitungen 10 sind mit der oszil3.ographischen Anzeigevorrichtung 13 30 geschaltet, daß die Intensitäten für verschiedene Spektralbereiche des ausgesandten Laserlichts (Raman-Streuung) untereinander abgelesen werden können. Dabei be-

P deutet die gestrichelte Linie 14 den Zeitpunkt der ausgesandten Laserlichtimpulse, die Impulse 15 die Intensitäten der rückgestreuten in der Frequenz verschobenen Impulse für die einzelnen Spektralbereiche der aufgefächerten Streustrahlung.

Gleichzeitig mit der Vermessung der Art der Streuteilchen können dem Oszillogramm die Entfernungen der Streuteilchen entnommen werden. Das Oszillogramm zeigt nämlich den Zeitpunkt des Empfangs des Laserimpulses und damit die Entfernung der Streuteilchen durch den seitlichen Abstand der Im-

VPA 9/712/101Oa -5-

209883/0987

pulse 15 von der Linie 14 an. Zur Vereinfachung des Oszillogramms sind hier drei feste Entfernungen von Streuteilchen angenommen worden. Durch die Verwendung der gesamten Intensität der rückgestreuten Strahlung wird es möglich, daß auch noch eine Strahlung von sehr weit entlegenen Rückstreupartikeln vermessen werden können.

Anstelle der Laserlichtverstärker können auch Bildwandler, z.B. Photoelektronenvervielfacher verwendet werden, bei denen eine wenigstens eindimensionale räumliche Auflösung in der Ausgangsebene vorgesehen ist.

2 Figuren

6 Patentansprüche

/Π.'/Ι'Ί¹·. -6-

:>i ί H ?. ι t nop 7

Claims

7134369

4-

Patentansprüche

(1. /Vorrichtung zur Bestimmung von Luft- und Vfesserverunreini gungen, bestehend aus einem Laserimpulssender und einem Empfänger, in dem die rückgestreuten Laserimpulse durch ein Spektrometer zerlegt und auf die Anwesenheit streuender Atome und Moleküle untersucht werden, dadurch ge kennzeichnet , daß das gesamte durch das Spektrometer zerlegte Spektrum der rückgestreuten Impulse einer Anordnung von Photodetektoren zugeführt wird, die w nebeneinander gleichzeitig mehrere Spektralbereiche quantitativ auswerten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zwischen dem Spektralapparat und der Detektoranordnung Lichtverstärker angeordnet aind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k g η ή zeichnet , daß als Lichtvorstärker Laserliehtver stärknr verv/endet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k s η η

k zeichnet , daß als Licht\ oi-r,U'rlcer ο in Bildwandl mit wenigstes üindimensionnlGi' räumlicher Auf Löoimr; vor ,vend ot wird»

5. Vorrichtung nach Anspruch A₃ dadurch g e k e η η zeichnet , d i3 als Bildwandler ein Fho r.>) ,-Ick ί r- : vervielfacher mit wenigstens eindimensionaler Abbildung der Eingingsebene auf die Ausgangsebene verwsnrlet

6. Vorrichtung nach einem oder nehreren der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , d-:ß zur Messung der Laufzeit der Impulse ^-i Aussenden bis Jänpfang der Signale alle Phoiodetekto "-sn gemeinsam e Liier Eeitmeßvorrichtung zugeleitet Wferitß.

/I¹A 9/ Π ¹Z