DE2605190A1

DE2605190A1 - Detection of organic vapours - by change in light transmitted by liq crystal coated wave guide subjected to vapour

Info

Publication number: DE2605190A1
Application number: DE19762605190
Authority: DE
Inventors: Donald Joseph David; Edgar Erwin Hardy
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1976-02-10
Filing date: 1976-02-10
Publication date: 1977-08-11

Abstract

A device for detecting organic vapours incorporates a wave-guide having a deposit on its surface consisting of a liquid crystal material, a source transmitting light along the wave guide and a means of measuring the light leaving the wave guide. The liquid crystal material is sensitive to organic vapour in that the organic vapour changes the power of transmission of the guide. The appts. gives a simple, flexible and rapid means of detecting and controlling organic vapours present in very small quantities in a gaseous medium, e.g. the atmosphere.

Description

Einrichtung und Verfahren zum Fühlen organi- Facility and method for feeling organ-

scher Dämpfe Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Fühlen organischer Dämpfe. shear vapors The invention relates to a device and a method for feeling organic vapors.

In Aerospace Medicine vom Januar 1969 ist auf den Seiten 35 bis 39 eine Abhandlung über "Flüssige Kristalle" von Toliver, Roach, Roundy und Hoffman erschienen; dort sind insbesondere Flüssigkristalle beschrieben, welche ihre Farbe ändern, wenn sie organischen Dämpfen ausgesetzt werden.In Aerospace Medicine, January 1969, is on pages 35-39 a treatise on "Liquid Crystals" by Toliver, Roach, Roundy, and Hoffman appeared; there in particular liquid crystals are described, which change their color change when exposed to organic vapors.

Auch in einem technischen Bericht von EM Chemicals über "Flüss~igkristalle" ist auf Seite 7 die Verwendung von Flüssigkristallen bei einer Gasanalyse von Dämpfen1 wie Azeton, Benzol, Chloroform, Petroläther usw. bei Werten in der Größenordnung von ippm ( 1 -Nilligrana je Liter) beschrieben.Also in a technical report by EM Chemicals on "Liquid Crystals" is on page 7 the use of liquid crystals in a gas analysis of vapors1 like acetone, Benzene, chloroform, petroleum ether etc. at values in the Described order of magnitude of ippm (1 -Nilligrana per liter).

In der US-PS 3 050 982 ist eine "Taupunkt-Meßeinrichtung" beschrieben, bei welcher Feuchtigkeit auf einem langgestreckten Wellenleiter die Lichtdurchlässigkeit des Wellenleiters ändert, was zu einer Taupunktanzeige verwendet ist. Hierbei sind jedoch keine Flüssigkristalle vorgesehen.In US-PS 3,050,982 a "dew point measuring device" is described, at what moisture on an elongated waveguide the light transmission of the waveguide changes what is used for a dew point indication. Here are however, no liquid crystals are provided.

In der US-PS 3 409 404 sind analytische Verfahren und Einrich-bzw. cholesterinartige tungen beschrieben, bei wischen cholesterischetFlüs d gkristallmaterialien verwendet sind, und welche ein qualitatives oder quantitatives Fühlen bzw. Bestimmen und eine entsprechende Analyse von Stoffen, wie beispielsweise Gasen,betrifft. In dieser Druckschrift ist ausgeführt, daß umkehrbare Einwirkungen auf die optischen Verhältnisse von Flüssigkristallen bei gewöhnlichen organischen Lösungsmitteln, Aminen, einfachen Alkoholen und organischen Säuren .... usw. festgestellt worden sind.In US-PS 3,409,404 analytical methods and Einrich- or. cholesterol-like properties are described in the case of cholesteric liquid crystal materials are used, and which have a qualitative or quantitative feeling or determining and a corresponding analysis of substances such as gases. In this document is stated that reversible effects on the optical Proportions of liquid crystals in common organic solvents, Amines, simple alcohols and organic acids .... etc. have been found are.

In der US-PS 3 704 o60 ist eine "Elektrisch steuerbare lichtleitende Einrichtung" beschrieben, wobei das Überzugsmaterial auf dem Wellenleiter eine Flüssigkristallauflage sein kann.In US Pat. No. 3,704,060 there is an "Electrically controllable light-conducting Device ", wherein the coating material is a liquid crystal overlay on the waveguide can be.

In der US-PS 3 802 760 sind "Einrichtungen zum Ändern der Eigenschaften von mit einer dünnen Schicht bzw. einem dünnen Film versehenen Wellenleitern"mittels eines "Flüssigkristalls" beschrieben, welcher einen Teil des Wellenleiters bedeckt.In U.S. Patent No. 3,802,760 there are "means for changing properties of waveguides provided with a thin layer or a thin film "by means of a "liquid crystal" covering part of the waveguide.

Gemäß der Erfindung sind bei einer Einrichtung zum Fühlen organischer Dämpfe folgende Einrichtungen vorgesehen (a) ein langgestreckter Wellenleiter1 auf dessen Oberfläche eine ausreichende Menge an Flüssigkristallmaterial aufgebracht ist, welches bezüglich organischen Dämpfen empfindlich ist, so daß sich die Lichtdurchlässigkeit des Wellenleiters meßbar ändert, wenn dieser mit dem Dampf in Berührung kommt, (b) eine Lichtquelle1 die so angeordnet ist, daß Licht in Längarichtung über den Wellenleiter übertragen wird, und (c) eine Einrichtung zum Messen des aus dem Wellenleiter austretenden Lichtes. Gemäß der Erfindung ist diese Einrichtung bei einem Verfahren zum Messen von organismen Dämpfen anwendbar, bei welchem (a) der Wellenleiter einem Gas ausgesetzt wird, welches organische Dämpfe enthalten kann, bezüglich welcher die Flüssigkristalle empfindlich sind, bei welchem dann (b) das Licht über den Wellenleiter übertragen bzw. von diesem durchgelassen wird und schließlich (c) das übertragene bzw. durchgelassene Licht als Maß für die organischen Dämpfe gefühlt und festgestellt wird.According to the invention, a device for feeling is more organic Vapor the following devices are provided (a) an elongated waveguide1 the surface of which is applied a sufficient amount of liquid crystal material is which is sensitive to organic vapors, so that the light transmittance of the waveguide changes measurably when it comes into contact with the steam, (b) a light source 1 which is arranged so that light in the longitudinal direction across the waveguide is transmitted, and (c) means for measuring the exiting from the waveguide Light. According to the invention, this device is in a method of measuring Vapors from organisms can be used, in which (a) the waveguide is exposed to a gas which may contain organic vapors, with respect to which the liquid crystals are sensitive, in which then (b) the light is transmitted via the waveguide or is let through by this and finally (c) the transmitted or let through Light is felt and determined as a measure of the organic vapors.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Wellenleiter sind im einzelnen in den Unteransprüchen angegeben.The in the method according to the invention and the invention The waveguides used are specified in detail in the subclaims.

Der Wellenleiter kann mit Flüssigkristallmaterial beschichtet bzw. mit Flüssigkristallmaterial getränkt sein, oder in einigen Fällen kann ein Hohlraum in dem Wellenleiter mit Flüssigkristallmaterial vorgesehen sein, wobei das Flüssigkristallmaterial bezüglich organischen Dämpfen empfindlich ist, vorausgesetzt, daß der Wellenleiter mit dem aufgebrachten bzw. zugesetztem Flüssigkristallmaterial Licht entsprechend überträgt und durchläßt; in einigen Fällen kann das Flüssigkristallmaterial reaktionsfähige Gruppen bilden, die auf dem Wellenleiter aufgebracht sind.The waveguide can be coated or coated with liquid crystal material. may be impregnated with liquid crystal material, or in some cases a cavity be provided in the waveguide with liquid crystal material, the liquid crystal material is sensitive to organic vapors provided that the waveguide with the applied or added liquid crystal material Transmits and transmits light accordingly; in some cases the liquid crystal material form reactive groups that are applied to the waveguide.

Im Falle eines beschichteten bzw. überzogenen Wellenleiters kann der Wellenleiter entweder massiv oder hohl eein, beispielsweise ein Hohl- oder Massivzylinder, und bei einem Hohlzylinder könnte dann der Überzug bzw. die Schicht auf der =nen- oder Außenfläche oder auf beiden aufgebracht sein; normalerweise sind jedoch die Enden der Massivstäbe abgesehen von der Umfangsfläche nicht beschichtet, außer in einigen Fällen, wo das Licht durch die Schicht oder den Überzug an den Enden hindurchgehen soll, um Licht einer bestimmten Wellenlänge aufzunehmen. Selbstverständlich muß die Menge an Flüssigkristallmaterial auf dem Wellenleiter ausreichen, damit sich eine meßbare Änderung der Lichtdurchlässigkeit über dem Konzentrationsbereich des organischen Dampfes ergibt, den zu fühlen der Wellenleiter ausgelegt ist.In the case of a coated or coated waveguide, the Waveguide either solid or hollow, for example a hollow or solid cylinder, and in the case of a hollow cylinder, the coating or the layer on the nominal or outer surface or both; however, usually they are Ends of the solid rods are not coated apart from the circumferential surface, except in some cases where the light will pass through the layer or coating at the ends supposed to pick up light of a certain wavelength. Of course you have to the amount of liquid crystal material on the waveguide is sufficient to cause it to a measurable change in light transmission over the concentration range of the organic vapor which the waveguide is designed to feel.

Hierbei können die Wellenleiter aus transparentem, lichtdurchlässigem Materie, wie Saphir, Glas, Pyrex bzw. Jenaer Glas (eingetragenes Warenzeichen) oder aus anderem transparentem, lichtdurchlässigem, anorganischem Material oder aus transparenten, lichtdurchlässigen Kunstharzen, wie Polystyrol, Poly-« Methylstyrol, Polymethylmethakrylat oder anderem transparentem Kunstharzmaterial, hergestellt sein. Die Wellenleiter können irgendeine herkömmliche Form und Größe aufweisen, wobei sich jedoch die größte Empfindlichkeit normalerweise in Richtung des Lichtflusses erstreckt. Normalerweise werden zylindrische Wellenleiter, manchmal auch sogenannte optische Fasern verwendet; es können jedoch auch Fasern mit quadratischem, rechteckigem, ovalem oder einem anders geformten Querschnitt verwendet werden.Here, the waveguides can be made of transparent, translucent Matter such as sapphire, glass, Pyrex or Jenaer Glas (registered trademark) or made of other transparent, translucent, inorganic material or of transparent, translucent synthetic resins such as polystyrene, poly- «methylstyrene, polymethyl methacrylate or other transparent Synthetic resin material. The waveguides can be of any conventional shape and size, including however, the greatest sensitivity is usually in the direction of the flow of light extends. Usually cylindrical waveguides, sometimes called uses optical fibers; however, fibers with square, rectangular, oval or a differently shaped cross-section can be used.

In dem eingangs erwähnten Artikel aus Aerospace Medicine sind verschiedene Flüssigkristalle und ihre Verwendbarkeit im Hinblick auf das Fühlen und Feststellen organischer Dämpfe aufgeführt. Es wurden Mischungen von Flüssigkristallen, wie Cholesterylchlorid und 60 /40 Oleyl Cholesterylkarbonat und Cholesterylnanonat, verwendet, um Chloroform, Benzol und Cyclohexan zu fühlen. Auch wurde eine Mischung von Flüssigkristallen, wie Cholesterylbutyrat,-nanonat und-erukat, zum Fühlen derselben organischen Dämpfe verwendet.In the article from Aerospace Medicine mentioned at the beginning there are several Liquid crystals and their usability with regard to feeling and sensing organic vapors listed. There were mixtures of liquid crystals such as cholesteryl chloride and 60/40 oleyl cholesteryl carbonate and cholesteryl nanonate, used to make chloroform, Feel benzene and cyclohexane. A mixture of liquid crystals was also like cholesteryl butyrate, nanonate and erucate, for feeling the same organic vapors used.

Die Lichtquelle kann eine herkömmliche, handelsübliche Lichtquelle sein, die im wesentlichen weißes Licht abgibt, oder sie kann gefärbt sein, oder sie kann im wesentlichen einfarbiges bzw. monochromatisches Licht im infraroten, ultravioletten, gelben, orangen, grünen, blauen oder einem andersfarbigen Bereich abgeben; darüber hinaus können Filter verwendet werden, um gefärbtes Licht zu erhalten. Monochromatisches Licht in verschiedenen Farben kann mittels lichtemittierender Dioden(LED's) geschaffen werden. Eine besondere Farbe, wie beispielsweise grün, kann in Abhängigkeit von der Farbe oder der Zusammensetzung der auf dem Wellenleiter aufgebrachten Schicht besonders vorteilhaft sein.The light source can be a conventional, commercially available light source which emits essentially white light, or it can be colored, or it can essentially produce monochromatic or monochromatic light in the infrared, ultraviolet, yellow, orange, green, blue or any other colored area hand over; in addition, filters can be used to obtain colored light. Monochromatic light in different colors can be produced by means of light-emitting Diodes (LEDs) be created. A special color, such as green, may vary depending on the color or composition of the waveguide applied layer be particularly advantageous.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen: Fig.1 sehematische Darstellungen von lichtübertragenden bzw. -durchlassenden Wellenleitern gemäß der Erfindung; Fig.2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung; und Fig.3 eine schematische, ins einzelne gehende Ansicht der optischen Einrichtungen der Erfindung.The invention is described below on the basis of preferred exemplary embodiments described in detail with reference to the accompanying drawings. Show it: Fig. 1 schematic representations of light-transmitting or light-transmitting waveguides according to the invention; 2 shows a schematic representation of a device according to the invention; and FIG. 3 is a schematic, detailed view of the optical Devices of the invention.

Der beschichtete bzw. mit einem Überzug versehene Wellenleiter kann so gewählt werden, daß ein Überzug vorgesehen ist, dessen Brechungsindex entweder größer oder kleiner als der des Wellenleiters ist. Ein kleinerer Brechungsindex wird normalerweise bei optischen Leitern verwendet und würde dann zu dem in Fig. IA dargestellten Strahl enverl auf führen.The coated or provided with a coating waveguide can be chosen so that a coating is provided whose index of refraction is either is larger or smaller than that of the waveguide. A smaller index of refraction is normally used with optical conductors and would then be converted to that shown in Fig. IA shown beam enverl lead.

Bei Verwenden eines Uberzugs bzw. einer Schicht mit höherem Brechungsindex würde sich dann während des Betriebs der in Fig.iB wiedergegebene Strahlenverlauf ergeben. Obwohl eine Näherung angewendet werden kann, würde sich doch bei einer Anordnung gemäß Fig.lA eine geringere Empfindlichkeit ergeben, da gegenseitige Beeinflussungen bzw. Wechselwirkungen bei wdämpfter Welle bzw. bei einem Wellenleiter mit herabgesetzter kritischer Frequenz nur in dem Bereich der Stab-Beschichtungs-Grenzfläche auftreten.In jeder der Anordnungen nach Fig.lBwird die Strahlung durch die ganze Schicht bzw.When using a coating or a layer with a higher Refractive index The beam path shown in Fig.iB would then change during operation result. While an approximation can be used, a Arrangement according to Fig.lA result in a lower sensitivity, since mutual influences or interactions with damped waves or with a waveguide with a reduced wave critical frequency only occur in the area of the rod-coating interface In each of the arrangements according to FIG. 1B, the radiation is transmitted through the entire layer or

den ganzen Überzug übertragen, und auf diese Weise können spektrophotometrische Festkörpermessungen in der ursprünglichen Lage durchgeführt werden.the whole coating is transferred, and in this way can be spectrophotometric Solid-state measurements can be carried out in the original position.

Um die Lichtdurchlässigkeit zu messen, wurde ein Instrument oder eine Einrichtung entworfen und gebaut, um quantitative analytische Messungen durchführen zu können. Diese spezielle Einrichtung weist Glasstäbe mit einem Durchmesser von 0,9mm bis 1,3mm auf, die entweder 10mm oder .20mm lang sind. Eine schematische Anordnung der Grundbauteile ist in Fig.2 wiedergegeben. Hierbei sind folgende Teile vorgesehen: Eine Lichtquelle 1 in Form einer Wolframfadenlampe, eine Kondensoranordnung 2, um annähernd gebündeltes Licht zu erzeugen, ein Filter 3 zur Wellenlängnnauswahl, eine ringförmige Öffnung 4 um in axialer Richtung verlaufenden Lichtstrahlen den Durchgang zu versperren, einen Kondensor 5, um einen Lichtstrahlen-Hohlkegel zu schaffen, eine Verbindung 6 von Halbkugeln und einer Öffnung, um unter großem Winkel einfallende Strahlen an den Stab anzukoppeln, eine Stabhalterung 7, um Stäbe bezüglich der Öffnung bei einer minimalen Oberflächenberührung in einer genau vorgegebenen Lage zu halten, einen Detektor 8 in Form einer Siliziumphotodiode, einen Operationsverstärker 9, welcher als "Strom-Spannungs"-Wandler arbeitet, und ein 3 1/2 Digit-Digitalvoltmeter 10 zur Anzeige der relativen Durchlässigkeit.To measure the transmittance of light, an instrument or a Facility designed and built to perform quantitative analytical measurements to be able to. This particular device has glass rods with a diameter of 0.9mm to 1.3mm that are either 10mm or .20mm long. A schematic arrangement the basic components are shown in Fig.2. The following parts are provided: A light source 1 in the form of a tungsten filament lamp, a condenser assembly 2 to to generate approximately bundled light, a filter 3 for wavelength selection, a annular opening 4 to the passage in the axial direction of light rays to block a condenser 5 to create a hollow cone of light rays, a connection 6 of hemispheres and an opening to be incident at a large angle Rays to couple to the rod, a rod holder 7 to rods with respect to the opening with a minimal surface contact in an exactly predetermined one To keep a detector 8 in the form of a silicon photodiode, an operational amplifier 9, which works as a "current-voltage" converter, and a 3 1/2 digit digital voltmeter 10 to display the relative permeability.

Ein schematisches optisches Diagramm ist in Fig.3 dargestellt, in welcher die Stababmessungen übertrieben wiedergegeben sind, um die grundsätzliche Arbeitsweise der Einrichtung zu zeigen.A schematic optical diagram is shown in Figure 3, in which the rod dimensions are exaggerated to the basic To show how the facility works.

Das Licht von der Wolframfadenlampe wird mit Hilfe eines Spiegels und mit Hilfe von Kondensorlinsen gebündelt. Das Licht geht dann durch ein wärmeaufnehmendes Glasfilter und ein zur Farbauswahl veränderliches Filter hindurch. Durch eine Vorderfläche des Spiegels wird das Licht um 90° in vertikaler Richtung abgelenkt. Durch die ringförmige Öffnung werden in axialer Richtung verlaufende Lichtstrahlen unterbunden und es wird der Kegelwinkelbereich für Lichtstrahlen festgelegt, welche sich in Quarzstäben ausbreiten. Ein Durchlichtkondensor wandelt den gebündelten Strahl in einen stark konvergierenden Licht-Hohlkegel um. Durch die Halbkugellinse und die kreisformige Öffnung wird dann das Licht an den Stab gekoppelt.The light from the tungsten filament lamp is with the help of a mirror and bundled with the help of condenser lenses. The light then goes through a heat-absorbing one Glass filter and a filter that can be changed for color selection. Through a front face of the mirror, the light is deflected by 90 ° in the vertical direction. Through the annular Opening, light rays running in the axial direction are prevented and it the cone angle range is determined for light rays, which are in quartz rods spread. A transmitted light condenser converts the bundled beam into a strong one converging hollow cone of light. Through the hemispherical lens and the circular one Opening then the light is coupled to the rod.

Nach mehrfachen Reflexionen in dem Stab tritt das Licht a der oberen Fläche aus und wird durch einen sT pf-sor geg'9teut u wobei ein Teil des Lichte nn den c in osm einer Siliziumphotodiode gelangt. Die Photodiode wird in Sperrschichtbetrieb betrieben, wobei der Operationsverstärker als Stromsenke wirkt, um die Spannung an der Diode auf ein Minimum herabzusetzen. Der Verstärkerausgang stellt eine Spannung mit niedriger Impedanz dar, welche dem Eingangsstrom über einen Bereich von 10 A bis 10 3A proportional ist. Eine Ausgangsspannung für ein digitales Meßgerät mit 200-MV bzw. mV Vollausschlag wird mittels eines Dekadenbereichschalters gewählt.After multiple reflections in the rod, the light a enters the upper one Area and is counteracted by a sT pf-sor and with part of the light nn den c in osm of a silicon photodiode got. The photodiode is operated in junction mode, with the operational amplifier as a current sink acts to reduce the voltage across the diode to a minimum. The amplifier output represents a low-impedance voltage that matches the input current through a Range from 10 A to 10 3A is proportional. An output voltage for a digital one Measuring device with 200-MV or mV full scale is activated by means of a decade range switch chosen.

Während des Betriebs wird das über den Stab durchgelassene Lidit nach einem Auftrag bzw. einer Beschichtung, aber bevor es (dem organischen Dampf) ausgesetzt wird, zuerst mittels der Einrichtung aufgenommen und aufgezeichnet. Wenn dann die Schicht bzw. die Auflage einem organischen Dampf, der analytisch von Interesse ist, ausgesetzt wird, ergeben sich physikalische Änderungen in der Schicht oder Auflage, und die Lichtdurchlässigkeit durch den Wellenleiter ändert sich proportional zu der Konzentration des organischen Dampfes.During operation, the lidite that has passed through the rod is reduced an application or a coating, but before it is exposed (to the organic vapor) is first picked up and recorded by the device. If then the Layer or the application of an organic vapor, which is of analytical interest, is exposed, there are physical changes in the layer or layer, and the transmittance of light through the waveguide changes proportionally to the concentration of the organic vapor.

Diese Erscheinung wird durch die allgemein bekannten Wellenleitertheorien gesteuert, welche von N.S. Kapany in "Fiber Optics" in Academic Press, New York, 1967 beschrieben worden sind.Der wesentliche Faktor hierbei ist, daß der kritische Winkel, über welchen hinaus eintretende Lichtstrahlen nicht mehr länger über den Stab übertragen werden, durch 0 = n1 c n0 gegeben bzw. festgelegt ist, wobei der Brechungsindex n0 des Kerns bzw. des Stabs größer ist als der Brechungsindex n1 der Schicht bzw. der Auflage. Infolgedessen wirkt der beschichtete Wellenleiter als ein lichtempfindlicher Verstärker, dessen elektrisches Analogon ein mit Röhren oder Transistoren bestückter Verstärker ist, wobei eine kleine Änderung an der Außenfläche des Stabs eine große Änderung in dem über den Stab übertragenen Licht steuert.This phenomenon is caused by the well-known waveguide theories controlled by N.S. Kapany in "Fiber Optics" in Academic Press, New York, 1967 have been described. The essential factor here is that the critical Angle beyond which incoming light rays are no longer over the Rod are transferred, given or fixed by 0 = n1 c n0, where the Refractive index n0 of the core or of the rod is greater than the refractive index n1 the Layer or the edition. As a result, the coated one works Waveguide as a light-sensitive amplifier, its electrical analogue is an amplifier equipped with tubes or transistors, with a small change on the outer surface of the rod, a large change in that transmitted through the rod Light controls.

Die Zusammensetzung des Flüssigkristallmateriala, das auf einem Wellenleiter aufgebracht oder in einen Wellenleiter eingabracht ist, wird geändert, um verschiedene organische Dämpfe und/oder sich ändernde bzw. unterschiedliche Mengen von organischen Dämpfen zu fühlen und festzustellen. Infolgedessen kann aus einer Reihe von Wellenleitern mit Auflagen bzw. Beschichtungen, welche bezüglich verschiedener organischer Dämpfe oder unterschiedlicher Mengen organischer Dämpfe empfindlich sind, ein Wellenleiter für die Einrichtung gemäß der Erfindung ausgewählt werden, welche den geforderten Dampf oder eine zu fühlende Menge innerhalb der Grenzen der verfügbaren Flüssigkristallmaterialien einschließt oder welche entsprechend ausgebildet werden kann. In den meisten Fällen macht das Flüssigkristallmaterial auf dem Wellenleiter Farbänderungen durch, wenn es dem organischen Dampf ausgesetzt wird, und es werden hohe Empfindlichkeiten durch die Farbänderungen geschaffen; mit der Einrichtung gemäß der Erfindung werden irgendwelche optischen Anderungen gemessen, welche die LichtdurchlXazigkeit beeinflussen und welche auf Änderungen in dem Flüssigkristallma terial zurückzuführen sind, nämlich physikalische Anderungen bei einer Einwirkung von organischen Dämpfen, wobei Anderungen im Brechungsindex, in der Absorption und/oder im Streuverhalten gefühlt werden. Der lichtfühlende Teil der Einrichtung kann natürlich abgewandelt werden, um eine Farbänderung selbst bei Einwirkung von organischem Dampf zu fühlen. Wenn der Dampf dann nicht mehr auf den Wellenleiter einwirkt bzw. dieser dem Dampf nicht mehr ausgesetzt ist, bildet sich die Farbe wieder in ihre ursprüngliche Farbe zurück, welche vor der Dampfeinwirkung farblos gewesen sein kann.The composition of the liquid crystal material deposited on a waveguide applied or incorporated into a waveguide is changed to different organic vapors and / or changing or varying amounts of organic To feel and determine dampening. As a result, it can consist of a number of waveguides with conditions or coatings that relate to various organic vapors or are sensitive to different amounts of organic vapors, a waveguide for the device according to the invention are selected which meet the requirements Vapor or an amount to be sensed within the limits of the available liquid crystal materials includes or which can be designed accordingly. In most cases the liquid crystal material on the waveguide undergoes color changes when it is exposed to the organic vapor, and there are high sensitivities due to it the color changes created; with the device according to the invention any optical changes are measured, which affect the light transmission and which are due to changes in the liquid crystal ma material, namely physical changes when exposed to organic vapors, where changes in the refractive index, in the absorption and / or in the scattering behavior be felt. The light-sensing part of the facility can of course be modified to feel a color change even when exposed to organic vapor. When the steam then no longer acts on the waveguide or this the steam is no longer exposed, the paint will return to its original color back, which may have been colorless before the action of steam.

Häufig soll auch die Konzentration von organischen Dämpfen in der Atmosphäre gemessen werden. Dies ist insbesondere in den Fällen von Bedeutung, wo es fraglich ist, ob die sicheren, ungefährlichen Grenzwerte, welche von der OSHA gesetzt worden sind, überschritten werden oder nicht.Often the concentration of organic vapors in the Atmosphere can be measured. This is particularly important in cases where It is questionable whether the safe, harmless limits set by the OSHA have been set, exceeded or not.

Zur Zeit gibt es eine Anzahl Verfahren, die angewendet werden können, wie beispielsmise die Gas-Chromatographie, ein Infrarotverfahren usw. Alle diese Verfahren erfordern jedoch komplizierte und aufwendige Anlagen für eine Realzeitüberwachung. Bei anderen Verfahren werden die Dämpfe in einer Substanz, wie beispielsweise Aktivkohle, eingefangen, der "Behälter" bzw. der Träger mit den eingeschlossenen Dämpfen wird dann in ein Labor überführt und anschließend wird mit entsprechenden Verfahren eine Analyse durchgeführt. Obwohl dieses Verfahren, die Dämpfe einzufangen, einfacher und weniger kostspielig ist, schafft es nur einen zeitlichen Durchschnittswert und keine Realzeitanalyse.There are currently a number of methods that can be used such as gas chromatography, an infrared method, etc. All of these However, methods require complex and expensive systems for real-time monitoring. In other processes, the vapors are contained in a substance such as activated carbon, is captured, the "container" or the carrier with the trapped vapors then transferred to a laboratory and then a Analysis carried out. Although this method of trapping the fumes is easier and is less costly, it just creates a time average and no real-time analysis.

Es wurde jedoch festgestellt, daß das Vorhandensein von organischen Dämpfen in Luft mit Hilfe eines Wellenleiters gefühlt und festgestellt werden kann, welcher mit einer Flüssigkristallmischung beschichtet bzw. überzogen ist. Gemäß der Erfindung werden daher optische Wellenleiter verwendet, welche mit Flüssigkristallen und/oder entsprechenden Mischungen beschichtet sind, welche bezüglich organischer Dämpfe empfindlich sind.However, it was found that the presence of organic Vapors in air can be felt and determined with the help of a waveguide, which is coated with a liquid crystal mixture. According to of the invention, therefore, optical waveguides are used which are made with liquid crystals and / or corresponding mixtures are coated, which with respect to organic Are sensitive to vapors.

Hierbei liegt dem Verfahren das folgeril e Prinzip zugrunde: Ein cholesterisches Material und/oder eine Mischung aus cholesterischen Materialien, welche sich bei der geforderten Betriebstemperatur färben, werden auf einen Glasstab bestimmter optischer Qualität bzw. Beschaffenheit aufgebracht, welcher die Aufgabe eines Wellenleiters erfüllt. Die Lichtmenge, welche übertragen wird, bevor er Luft ausgesetzt wird, welche mit Kohlenwaaaerstoff oder anderen Materialien verunreinigt ist, ist verhältnismäßig konstant, so daß das Signal von einem Detektor, wie beispielsweise einer Photodiode, welche in dem sogenannten photovoltaischen Betrieb bzw. in Sperrschichtbetrieb betrieben wird, ebenfalls verhältnismäßig konstant ist. Das Einleiten von Luft, welche organische Dämpfe enthält, bewirkt, daß das schraubenlinien- bzw. helixartig gewendelte, cholesterische Flüssigkristallmaterial seine Lichtdurchlässigkeit und seine Farbeigenschaften bzw. -kennwerte ändert. Dies hat dann eine Änderung des Brechungsindex zur Folge, wodurch die Lichtmewg geändert wird, welche aus dem Wellenleiter austritt. Infolgedessen wird mit einer kleinen Menge organischen Dampfs eine große Änderung in dem von dem Stab durchgelassenen Licht gesteuert bzw. hervorgerufen.The process is based on the following principle: a cholesteric one Material and / or a mixture of cholesteric materials, which are in Color the required operating temperature, are determined on a glass rod optical quality or texture applied, which the task of a waveguide Fulfills. The amount of light transmitted before exposure to air which is contaminated with carbon dioxide or other materials is proportionate constant, so that the signal from a detector, such as a photodiode, which operated in the so-called photovoltaic operation or in junction operation is, is also relatively constant. The introduction of air, which organic Contains vapors, causes the helically or helically coiled, cholesteric Liquid crystal material its light transmission and its color properties or parameters changes. This then results in a change in the refractive index, as a result of which changing the light weight emerging from the waveguide. Consequently comes with a small amount of organic Steam a big change controlled in the light transmitted by the rod.

Es ist eine Anzahl Mischungen von Flüssigkristallen gefunden worden, so daß mit verschiedenen Mischungen gearbeitet werden kann, welche unterschiedliche Farben erzeugen. Eine Mischung, mit welcher beinahe die besten Ergebnisse erzielt wurden, ist eine handelsübliche Mischung (Licrystal 9183), welche von der Firma E. Merck in Darmstadt hergestellt whi und welche als Temperaturindikator 17/24 Licristal beschrieben ist, wobei 10% in 1,1,2-Trichlortrifluoräthan gelöst ist und welcher bei 170C rot, bei 210C grün und bei 240C blau wird und in 50 ml-Normalpackungen in den Handel kommt. Die Wellenleiter werden dann in die Licristal-Lösung eingetaucht und das Lösungsmittel verdampft, und läßt eine Schicht bzw. einen Überzug aus dem Flüssigkristallmaterial zurück, oder die Lösung kann aufgebürstet oder aufgesprüht werden. Wellenleiter, welche mit einem dünnen Überzug dieser Mischung beschichtet waren, wurden dann mehreren unterschiedlichen Dämpfen ausgesetzt. Zyklopentan sprach nicht an, während Methylendichlorid und Äthanol ansprachen.A number of mixtures of liquid crystals have been found so that you can work with different mixtures, which are different Create colors. A mixture with which almost the best results can be achieved is a commercially available mixture (Licrystal 9183), which is available from the company E. Merck in Darmstadt manufactured whi and which as temperature indicator 17/24 Licristal is described, where 10% is dissolved in 1,1,2-trichlorotrifluoroethane and which turns red at 170C, green at 210C and blue at 240C and in 50 ml normal packs goes on sale. The waveguides are then immersed in the Licristal solution and the solvent evaporates, leaving a layer or coating of the Liquid crystal material back, or the solution can be brushed or sprayed on will. Waveguide coated with a thin coating of this mixture were then exposed to several different vapors. Cyclopentane spoke not on, while methylene dichloride and ethanol responded.

Die beiden letzterwähnten Dämpfe wurden in einfacher Weise dadurch erhalten, daß Luft über diese zwei Flüssigkeiten bei Raumtemperatur geleitet wurde. Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.The last two vapors mentioned were thereby easily removed obtained by bubbling air over these two liquids at room temperature. As a result, the following results were obtained.

Verhalten von Methylenchlorid bei 22,5 0C MV MV Filter Änderung in % CH2CLz Luft 74,1 68,6 keinen 8,0 57,2 55,7 rot 2,7 109,3 75,8 orange/gelb 40,2 212,0 123,7 grün 71,4 Äthanol bei 24,00C MV MV Filter Änderung in , C 2H5OH Luft 71,0 69,5 keine 0,72 54,8 55,2 rot -0,72 105,4 92,3 orange/gelb 14,2 212,5 139,1 grün 60,0 Die beschriebene Temperaturüberwachungs- und Anzeigeeinrichtung hat folgende Vorteile: 1. Sie stellt eine schnelle und einfache Möglichkeit dar, das Vorhandensein von organischen Dämpfen und von anderen Materialien zu überwachen, welche eine Farbänderung in den Flüssigkristallmischungen zur Folge haben, mit welchen der Wellenleiter beschichtet ist. Behavior of methylene chloride at 22.5 ° C MV MV filter change in % CH2CLz air 74.1 68.6 none 8.0 57.2 55.7 red 2.7 109.3 75.8 orange / yellow 40.2 212.0 123.7 green 71.4 ethanol at 24.00C MV MV filter change in, C 2H5OH air 71.0 69.5 none 0.72 54.8 55.2 red -0.72 105.4 92.3 orange / yellow 14.2 212.5 139.1 green 60.0 The temperature monitoring and display device described has the following Advantages: 1. It is a quick and easy way of identifying the presence from organic vapors and from other materials to monitor which a color change in the liquid crystal mixtures with which the waveguide is coated is.

2. Sie erlaubt ein Fühlen und Feststellen von kleinen Materialmengen in einem gasförmigen Medium, welches an sich mit dem beschichteten Wellenleiter nicht reagiert.2. It allows small amounts of material to be felt and detected in a gaseous medium, which in itself does not interfere with the coated waveguide reacted.

3. Sie kann ohne weiteres dazu verwendet werden, um von dem Signalausgang her unmittelbar einen Ein- und Ausschaltvorgang zu steuern.3. It can easily be used to read from the signal output to control a switch-on and switch-off process immediately.

4. Die Empfindlichkeit kann durch Ändern der Stablänge oder durch Ändern des Winkels eingestellt werden, unter welchem Licht in den Stab eintritt.4. The sensitivity can be changed by changing the rod length or by Changing the angle at which light enters the rod can be set.

5. Die Einrichtung kann als eine tragbare Überwachungseinrich tung verwendet werden.5. The device can be used as a portable monitoring device be used.

PatentansprücheClaims

Claims

Claims device for sensing organic vapors, g e k e n n -z e i c h n e t by (a) an elongated waveguide on which A corresponding amount of a liquid crystal material is applied to the surface, which is sensitive to organic vapors, thereby reducing light transmission of the waveguide measurably when exposed to the vapor, (b) a Light source (1), which is arranged in a certain position, to light in the longitudinal direction through the waveguide, and (c) means (10) for measuring the light emerging from the waveguide.

2. Device according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t that the waveguide is supported by the liquid crystals on its circumferential surface having.

3. Method for sensing organic vapors, thereby g e -k e n n z e i h n e t that (a) a waveguide, on the surface of which a corresponding Amount of liquid crystal material applied that is related to organic vapors is sensitive in order to measure the light transmission of the waveguide change when on the Waveguides that act on vapors, a gas is exposed, which may contain an organic vapor on which the Liquid crystals respond, (b) light is transmitted over the waveguide after exposed to a gas containing an organic vapor, and (c) the light transmitted by the waveguide as a measure of the organic vapor is felt.

4. The method according to claim 3, characterized in that g e k e n n z e i c hn e t, that the waveguide is supported by the liquid crystals on its circumferential surface having.

5. Waveguide, which in the device according to claim 1 and in the method according to claim 3 can be used, thereby g e k e n n n z e i c h n e t that a corresponding amount of liquid crystal material is applied to its surface which is sensitive to and responsive to organic vapors to thereby measurably changing the light transmission of the waveguide when upon it the steam acts.

6. Waveguide according to claim 5, characterized in that that on the circumferential surface of the waveguide a support made of the liquid crystal material is upset.