DE3688349T2 - System zur chemischen Fernanalyse. - Google Patents

System zur chemischen Fernanalyse.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur chemischen Fernanalyse einer Probensubstanz, die sich an einer vom Analysenort entfernten Stelle befindet, und ist sowohl auf ein System als auch auf ein Verfahren zur chemischen Fernanalyse gerichtet. Im besonderen ermöglicht die Erfindung die Anwendung eines akusto-optischen Festkörperbausteins in Kombination mit der faseroptischen Technik, um ein System zur chemischen Fernanalyse eines interessierenden Bestandteils zu schaffen.
  • Die herkömmliche Praxis in der petrolchemischen Industrie ist die Anwendung von "In-line"-Sensoren zur Ausführung der chemischen Analyse. Bei solchen Konfigurationen stellt je doch die Gegenwart elektrischer oder chemischer Sensoren eine erhebliche Bedrohung für die Sicherheit des Bereichs durch Explosionen oder chemische Kontaminierung dar. Infolgedessen müssen solche "In-line"-Sensoren in zugelassenen explosionsgeschützten Gehäusen untergebracht werden. Diese Gehäuse erfordern einen offenbar erheblichen Kostenaufwand für die petrolchemische Industrie.
  • Von G. Schmidtke u. a., VDI-Berichte 509, 293 (1984) ist offenbart worden, daß ein faseroptisches System für die Ausführung einer chemischen Fernanalyse eingesetzt werden kann. Dieses bekannte System verwendet ein Beugungsgitter und ein Detektorfeld an einer vom Probenahmebereich entfernten Stelle. Ein weiteres Beispiel eines Systems, das mit Faseroptik- und Filtereinrichtungen arbeitet, wird in "Spektroskopische Gas- und Flüssigkeitsmeßtechnik" von W. Schäfer u. a., Technisches Messen TM, Bd. 52, Nr. 6, 6. Juni 1985, S. 233-241, offenbart.
  • Abstimmbare akusto-optische Filter (AOTF) wurden früher in der Spektralanalyse als wirksame Einrichtungen zur Messung verdünnter Gasgemische eingesetzt. Ein Beispiel für ein automatisch arbeitendes AOTF-Infrarotanalysesystem, das in einer Vielzahl industrieller und kommerzieller Anwendungsfälle für Kontrollzwecke einsetzbar ist, wird in der US-PS-4 490 845 offenbart.
  • Konzentrierte Gemische von Gasen und besonders von Flüssigkeiten weisen häufig starke, nahezu totale Absorptionsbanden auf. Zur Analyse dieser Mischungen müssen die schwächeren Obertonabsorptionen genutzt werden. Diese Obertonbanden liegen im nahen bis mittleren Infrarot, wo die Dämpfung der Quarz-Faseroptik für den Einsatz solcher Fasern nicht zu stark ist. Die Anwendung optischer Fasern beseitigt eine der Beschränkungen bei den gegenwärtigen Detektionssystemen.
  • Die Erfindung betrifft ein Spektralanalysesystem, das eine Lichtquelleneinrichtung zur Beleuchtung, eine Probenzelle zur Aufnahme der chemischen Probe eines interessierenden Bestandteils mit bekannten Lichtabsorptionseigenschaften und zur Lichtdurchstrahlung, eine Lichtdetektoreinrichtung für den Empfang des Lichts und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das in Abhängigkeit vom empfangenen Licht variiert, optische Übertragungseinrichtungen zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle zur Probenzelle und von dieser weiter zur Lichtdetektoreinrichtung aufweist, wobei die optische Übertragungseinrichtung eine optische Filtereinrichtung für die Auswahl eines gefilterten Lichtanteils einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Filtereinrichtung ein akusto-optisches Dispersionsfilter (AODLF) und die Lichtdetektoreinrichtung ein Feld von Detektorelementen aufweisen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System zur chemischen Fernanalyse mit optischen Fasern für die Lichtübertragung von einer Infrarotlichtquelle zur Probe und weiter von der Probe zu einem Detektorfeld zu schaffen. Diese Konfiguration würde den Einsatz eines solchen Systems zur chemischen Fernanalyse in Anwendungsfällen gestatten, wo die Gegenwart elektrischer oder chemischer Sensoren eine erhebliche Bedrohung darstellt, z. B. durch Explosionen oder durch chemische Kontamination.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes chemisches Analysegerät mit einem automatischen akusto-optischen Infrarotanalysesystem zu schaffen, das vom Ort der Probenahme entfernt angeordnet ist.
  • Eine Probenzelle ist zweckmäßigerweise so eingerichtet, daß sie eine interessierende, zu analysierende Substanz mit vorgegebenen Infrarotabsorptionseigenschaften aufnehmen kann. An einander gegenüberliegenden Seiten der Probenzelle sind Fenstereinrichtungen für den Durchgang von Licht durch die Zelle vorgesehen. Eine Infrarotlichtquelle ist mit einer ersten optischen Faser gekoppelt, die ihrerseits mit einem Fenster der Probenzelle gekoppelt ist. Außerdem weist das System Einrichtungen auf, welche das Licht aus der Infrarotlichtquelle auf die erste optische Faser fokussieren bzw. das durch die erste optische Faser übertragene Licht durch die Probenzelle lenken. Diese Einrichtungen weisen typischerweise Linsen auf. Eine zweite optische Faser ist zwischen der Probenzelle und einem Analysesystem mit abstimmbarem akusto-optischem Filter angeordnet. Es sind Einrichtungen vorhanden, welche die Infrarotstrahlung nach der Modifikation durch die Absorptionseigenschaften in der Probenzelle auf die zweite optische Faser fokussieren, welche die so modifizierte Infrarotstrahlung zu dem akusto-optischen Baustein überträgt. Ein Infrarotdetektor zur Messung der Intensität des gebeugten Lichts und ein Mikroprozessor zum Ankoppeln der Unterstützungselektronik an den akusto-optischen Baustein und den Detektor sind ebenfalls vorgesehen. Dieser Mikroprozessor ermöglicht auch die Speicherung und Untersuchung der erhaltenen Daten.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Der bequemeren Beschreibung halber wird in einigen der in den Zeichnungen dargestellten Systeme ein abstimmbares akusto-optisches Filter (AOTF) verwendet; für die Zwecke des vorliegenden europäischen Patents sollte jedoch vorausgesetzt werden, daß Erfindung den Einsatz eines akusto-optischen Dispersionsfilters (AODLF) erfordert. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems zur chemischen Fernanalyse;
  • Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Systems zur chemischen Fernanalyse, wobei auf der Quellenseite der Probenzelle ein abstimmbares akusto-optisches Filter angeordnet ist;
  • Fig. 3 eine schematische Darstellung des Detektionssystems eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit eingebautem akusto-optischem Dispersionsfilter (AODLF);
  • Fig. 4 eine umfassende Darstellung der Konstruktion eines abstimmbaren akusto-optischen Filters;
  • Fig. 5A, B, C und D Darstellungen der Konstruktion des akusto-optischen Bausteins mit den in der vorliegenden Erfindung verwendeten Filteroptik-Eingängen;
  • Fig. 6 ein Diagramm, das die prozentuale Lichtdurchlässigkeit für verschiedene Konzentrationen von Äthanol in Wasser darstellt;
  • Fig. 7 ein Diagramm, das eine Eichkurve darstellt, die mit einem erfindungsgemäßen System ermittelt wurden; und
  • Fig. 8 ein Diagramm, das die Eichkurve für Äthanolkonzentrationen oberhalb 75% darstellt.
  • Die Erfindung liefert ein System zur chemischen Fernanalyse. Blockschaltbilder verschiedener Ausführungsbeispiele dieses Systems sind in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt. Das in Fig. 1 gezeigte System wurde als Modell angefertigt, um die Durchführbarkeit dieser Konzeption zu testen. Das in Fig. 2 als Blockschaltbild gezeigte System stellt ein Beispiel mit einem abstimmbarem akusto-optischem Filter (AOTF) für den kommerziellen Einsatz dar. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem akusto-optischen Dispersionsfilter und einem Detektorfeld. Man wird erkennen, daß jedes Ausführungsbeispiel ein äußerst brauchbares verbessertes System für die chemische Fernanalyse liefert. Das im System eingebaute abstimmbare akusto-optische Filter wird nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 4 ausführlich beschrieben.
  • Daher wird auf diesen Abschnitt verwiesen, der zusätzliche Informationen über Aufbau und Arbeitsweise des abstimmbaren akusto-optischen Filters (AOTF) enthält.
  • Fig. 1 zeigt zunächst ein Blockschaltbild des erweiterten Systems 11 zur chemischen Fernanalyse. Zur Erleichterung der Diskussion ist dieses System in drei Abschnitten abgebildet. Der erste Abschnitt enthält eine Infrarotlichtquelle 13 und die Optik 15 zum Einkoppeln des Lichts in eine erste optische Faser 17. Der zweite Abschnitt besteht aus dem ersten Faseroptik-Abschnitt 17 und einem zweiten Faseroptik-Abschnitt 19 sowie einer entfernt angeordneten Probenzelle, die allgemein bei 21 angedeutet ist. Beim Testen dieses Systems wurde zwar eine Probenzelle verwendet, es ist aber einzusehen, daß die Faseroptik-Abschnitte 17 und 19 in eine Rohrleitungseinrichtung eingebaut werden können, durch die ein Prozeßstrom geleitet wird. Dementsprechend ist der Begriff "Probenzelleneinrichtung" so zu verstehen, daß er die beiden oben beschriebenen Begriffe beinhaltet. Diese Probenzelleneinrichtung ist über die optischen Fasern mit der Infrarotlichtquelle und der Infrarot-Detektoreinrichtung verbunden. Der dritte Abschnitt enthält den Infrarotanalysator mit dem abstimmbaren akusto-optischen Filter 23, das direkt mit der optischen Faser 19 gekoppelt ist, welche die durch die Absorptionseigenschaften der Probensubstanz modifizierte Infrarotstrahlung weiterleitet. Die bei 25 angedeutete Optik ist zwischen dem abstimmbaren akusto-optischen Filter 23 und einer Infrarot-Detektoreinrichtung 27 angeordnet, um das aus dem abstimmbaren akusto-optischen Filter austretende Licht auf den Detektor zu fokussieren. Mit dem Detektor und dem abstimmbaren akusto-optischen Filter ist eine Unterstützungselektronik gekoppelt. Diese Elektronik weist einen Mikroprozessor 29, eine Prozeßdaten-Speichereinrichtung 31, einen Frequenzsynthetisator 33 und einen HF-Verstärker 35 auf, der mit dem Wandler 37 gekoppelt ist, welcher seinerseits an den abstimmbaren akustooptischen Filter 23 gebondet ist. Eine ausführlichere Beschreibung des Elektronikpakets, das in Kombination mit einem abstimmbaren akusto-optischen Filter und einem Infrarotdetektor eingesetzt werden kann, ist in der US-PS-4 490 845 mit dem Titel "Automatisches akusto-optisches Infrarot-Analysesystem" zu finden.
  • Wie aus Fig. 2 erkennbar, kann als Alternative zu der oben beschriebenen Grundkonfiguration das abstimmbare akustooptische Filter auf der Quellenseite der Probenzelle eingebaut werden. In dieser Konfiguration ist das abstimmbare akusto-optische Filter 23' zwischen einer Fokussierungseinrichtung 15 für die Infrarotstrahlungsquelle 13 und der optischen Faser 17 angeordnet. Folglich ist das einzige durch die optische Faser 17 übertragene Licht das Impulslicht der gewünschten Frequenz, wie weiter unten dargelegt wird. Diese Konfiguration würde zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses beitragen und wäre die erwünschte Anordnung für ein Produktionsmodell mit abstimmbarem akusto-optischem Filter. In allen anderen Punkten bezeichnen gleiche Bezugszeichen in Fig. 1 und 2 die gleichen Bauelemente. Zur Erläuterung stellt das in Fig. 1 abgebildete Ausführungsbeispiel eine konkrete Anordnung dar, die zur Erprobung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet wurde und als Versuchsanordnung besser geeignet ist, da die Optik leichter ausgerichtet werden kann. In Fig. 2 sind außerdem wahlfreie Polarisatoren "P" enthalten, die auf beiden Seiten des abstimmbaren akusto-optischen Filters angeordnet und durch gestrichelte Linien dargestellt sind.
  • In einem Arbeitsmodell der vorliegenden Erfindung war die Infrarotlichtquelle 13 eine 2,8 V/0,8 A - Quarz-Halogen- Blitzlampe, die in einem Parabolreflektor montiert war. Diese Quelle erwies sich als leicht handhabbar und stabil und erzeugte einen gut kollimierten Parallelstrahl. Das Emissionsspektrum der Lampe überstreicht hinreichend den für die Realisierung der Erfindung notwendigen Bereich. Das Licht des Parallelstrahls wurde mit Hilfe einer Kalziumfluoridlinse 15 von 5,08 cm (2 Zoll) Durchmesser auf das Ende einer optischen Faser fokussiert. Die optischen Fasern und die Probenzelle bilden den oben beschriebenen zweiten Abschnitt. Die in dem Demonstrationsmodell verwendeten Fasern waren zwei 45,7 cm (18 Zoll) lange Abschnitte einer handelsüblichen, 1 mm starken Quarzfaser. Die verwendete Faser war lang genug, um die Möglichkeiten dieser Konzeption zu demonstrieren, aber so kurz, daß die Faserdämpfung eine geringe oder gar keine Auswirkung auf die Empfindlichkeit des Gesamtsystems hatte. Zwischen diesen beiden Fasern 17 und 19 wurde eine Probenzelle eingekoppelt. Zum Kollimieren (auch: Parallelrichten) des aus einer Faser einfallenden Lichts und zum erneuten Fokussieren auf die andere Faser wurden Kalziumfluoridlinsen verwendet. Diese Linsen werden allgemein durch die Bezugszeichen 39 bzw. 41 bezeichnet. Innerhalb dieses Parallelstrahlbereichs befand sich eine Zelle 21 zur Aufnahme der Probensubstanz. Die Zelle bestand aus zwei 4 mm dicken Saphirfenstern, die durch einen 2 mm starken Neopren-O-Ring getrennt wurden, in dessen Oberseite eine Öffnung angebracht war, um mit einer Spritze Flüssigkeit in die Zelle 21 einfüllen und daraus entnehmen zu können. Die belichtete Zellenfläche betrug annähernd 10 cm², so daß sich ein untersuchtes Gesamtvolumen von etwa 2 cm³ ergab. In weiteren Tests dieser Konzeption wurde die Linseneinheit mit den Linsen 39 und 41 durch zwei plankonvexe Linsen ersetzt, welche direkt an den Saphirfenstern der Zelle 21 angebracht wurden. Durch diese Anordnung werden die Ausrichtungsschwierigkeiten minimiert. Das durch die Absorptionseigenschaften des Zelleninhalts modifizierte Licht wird mit Hilfe der Quarzfaser 19 von der Zelle 21 zu dem Analysesystem zurückgeleitet, das aus dem abstimmbaren akusto-optischen Filter, der Detektoreinrichtung usw. besteht. In dem Arbeitsmodell dieses chemischen Fernanalysators wurde ein Apple 11 Mikrocomputer eingesetzt, um das abstimmbare akusto-optische TAS-Filter an die Unterstützungselektronik anzukoppeln und die von der Infrarot-Detektoreinrichtung 27 gelieferten Daten über einen Analog-Digital-Wandler erfassen und speichern zu können. Die hier erwähnte und in der zitierten US-PS ausführlich beschriebene Unterstützungselektronik dient zur Erzeugung von HF-Steuerimpulsen für das abstimmbare akusto-optische Filter 23 und besteht aus einem Frequenzsynthetisator niedriger Leistung, der ein HF- Ausgangssignal von bis zu 150 MHz erzeugen kann, einem elektronischen Gatter zur Auslösung der Signalimpulse zum Verstärker und einem HF-Hochleistungsverstärker.
  • Bei der Erprobung wurde das abstimmbare akusto-optische Filter durch einen 10 us-Impuls bei einem Tastverhältnis von 1% angesteuert. Die Endspannung am Kristall betrug annähernd 30 Volt Spitze-Spitze. Die maximale Intensität des gebeugten Lichts erreichte den Detektor 5 us nach Beendigung des Impulses, und zu diesem Zeitpunkt registrierte der Computer die vom Detektor gelieferten Daten. Der Frequenzsynthetisator tastete den Bereich von 80 MHz bis 130 MHz in Schritten von 200 kHz ab. Bei jedem Schritt wurden 255 Werte vom Detektor abgefragt und es wurde ein Mittelwert genommen, um das Systemrauschen zu minimieren. Die Daten für die gesamte Abtastung wurden dann in einer Plattendatei gespeichert und konnten mit dem Plotter als spektrale Verteilungskurve des Systems und der Probe ausgegeben werden.
  • Das in Fig. 1 und 2 dargestellte System verwendet ein nichtkollineares abstimmbares akusto-optisches Thalliumarsenselenid-Filter (Tl&sub3;AsSe&sub3;- oder TAS-Filter) für die Durchführung der Spektralanalyse sowie einen Bleiarsenid-Detektor, die beide mit dem weiter oben beschriebenen Mikrocomputer gekoppelt sind. Für das abstimmbare akusto-optische Filter kann auch ein TeO&sub2;-Kristall verwendet werden. Unter der Mikrocomputer-Steuerung erfaßte und interpretierte diese Anlage die Durchstrahlungsspektren. Die Mikrocomputer-Schnittstelle ermöglichte einen schnellen Direktzugriff zu der Hochfrequenz zum Ansteuern des abstimmbaren akusto-optischen Filters, mit der die untersuchte Lichtwellenlänge ausgewählt wurde, und stellte außerdem Routinen zur Mittelung über die Stichproben und zum Vergleich mit verschiedenen Bezugsspektren bereit. Die Zahl der organischen sowie anorganischen Flüssigkeiten und Gase mit Oberton-Absorptionen im nahen und mittleren Infrarot gestattet einen breiten Anwendungsbereich dieser Einrichtung. Die Abstimmbarkeit des abstimmbaren akusto-optischen Filters ermöglicht die Implementierung relativ einfacher oder möglicherweise komplexer Algorithmen für die Spektralanalyse. Außerdem ist es möglich, bei höheren Konzentrationen schnell auf einen anderen Absorptionsbereich umzuschalten, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen.
  • Ein kleiner TAS-Kristall wurde zur Verwendung als abstimmbares akusto-optisches Filter in diesem System geschnitten und poliert. Fig. 4 zeigt eine stark schematisierte Darstellung dieses TAS-Kristalls. Der TAS-Kristall wurde wegen seiner guten Durchlässigkeit im infraroten Bereich von 1,3 um bis 17,0 um und wegen seiner relativ hohen "Gütezahl" zur Verwendung ausgewählt. Das Filter ist so konstruiert, daß es im nichtkollinearen Betrieb arbeitet, in dem sich das einfallende Licht unter einem bestimmten Winkel zur akustischen Wellenfront im Kristall ausbreitet. Obwohl nichtkollineare abstimmbare akusto-optische Filter im allgemeinen ein geringeres Auflösungsvermögen haben als kollineare Filter, sind die Spektren konzentrierter Gase und Flüssigkeiten hinreichend breit, so daß das geringere Auflösungsvermögen im nichtkollinearen Modus noch akzeptierbar ist. Das nichtkollineare abstimmbare akustooptische Filter sorgt außerdem für eine räumliche Trennung zwischen dem durch die akustischen Wellen gebeugten Lichtstrahl und dem direkt durchgelassenen Licht, wodurch die Erfassung der Lichtdurchlässigkeitsdaten vereinfacht wird. Der verwendete kleine Kristall besitzt einen großen Öffnungswinkel für das einfallende Licht und könnte das Licht einfangen, das von einer direkt am Kristall angebrachten Faser zugeführt wird, ohne eine dazwischengeschaltete Optik zu benötigen.
  • Wie aus Fig. 4 erkennbar, ist der Querschnitt des Kristalls 25 ein verzerrtes Parallelogramm. Die Schräge des Kristalls bewirkt die richtige Ausrichtung der Eintrittsfläche 43 und der Austrittsfläche 45 des Kristalls auf den Lichtweg 47 und gestattet das Austreten des akustischen Strahlenbündels. Die Eintrittsfläche 43 wurde senkrecht zu dem aus der Faser einfallenden Licht, d. h. senkrecht zu 47 gelegt, und die Austrittsfläche wurde so gelegt, daß das gebeugte Licht parallel zum einfallenden Licht, aber um etwa 1 mm versetzt austritt. Das abgelenkte Signal ist bei 49 angedeutet, während das von der akustischen Wechselwirkung unbeeinflußte Licht durch die gestrichelte Linie 51 angedeutet ist.
  • Eine um 300 gedrehte, X-geschnittene Lithiumniobat-Kristallplatte wurde mit Indium unter Druck auf die Oberfläche des Kristalls gebondet, um als Wandler 37 zu dienen. Auf diese Platte wurde bei 53 eine Goldelektrode aufgebracht, und der Wandler wurde über Golddrahtbondstellen mit einem geeigneten Stecker verbunden. Das Auflösungsvermögen des Filters wird unter anderen Parametern durch die Wechselwirkungslänge zwischen dem Licht und dem Schallweg bestimmt. In dem dargestellten Kristall ist diese Länge annähernd gleich der Länge des Kristalls, die 5 mm beträgt.
  • Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält anstelle des weiter oben beschriebenen abstimmbaren akusto-optischen Filters und des dazugehörigen Detektors, die in Fig. 1 abgebildet sind, ein akusto-optisches Dispersionsfilter und ein Detektorfeld. Das akusto-optische Dispersionsfilter 61 ist ein elektronisch einstellbarer spektroskopischer Baustein, der mit einer festen Steuerfrequenz viele Wellenlängen verzögerungsfrei überwachen kann. Das akusto-optische Dispersionsfilter ist ein optisch doppelbrechender Kristall mit einer zum einfallenden Licht senkrechten optischen Eintrittsfläche und einer optischen Austrittsfläche, aus der Licht emittiert werden kann. An eine HF-Energiequelle mit veränderlicher Frequenz ist ein akustischer Wandler angekoppelt, der außerdem an eine Seite des Kristalls akustisch angekoppelt ist, um akustische Wellen mit einer durch die HF-Quelle bestimmten Frequenz in den Kristall einzukoppeln. Als Ergebnis weist das vom Kristall emittierte Licht mehrere nach Wellenlängen aufgelöste Bestandteile (auch: Wellenlängen-Auflösungselemente) auf, die unter verschiedenen Beugungswinkeln aus der Austrittsfläche austreten. In dieser Anordnung wird für eine feste akustische Frequenz der Winkel der optischen Eintrittsfläche so gewählt, daß der Braggsche Reflexionswinkel (auch: Glanzwinkel) bei Frequenzänderungen zu einem Minimum wird, während der Braggsche Reflexionswinkel des gebeugten Lichts linear mit der HF-Frequenz zunimmt. Das akusto-optische Dispersionsfilter ist funktionell einem feststehenden Beugungsgitter sehr ähnlich, aber es bestehen einige wichtige Unterschiede, die hier von Vorteil sind. Die beiden Hauptunterschiede sind die Abstimmbarkeit des akusto-optischen Dispersionsfilters und seine doppelbrechende Wirkung. Das akusto-optische Dispersionsfilter ist insofern einzigartig, als es die elektronische Abstimmung der Gitterkonstante zuläßt, wodurch eine flexible Handhabung ermöglicht wird, wie z. B. große Änderungen des Spektralbereichs. Die elektronische Abstimmbarkeit gestattet auch ohne weiteres die Frequenzmodulation des optischen Signals zur Ausführung einer Differentialspektroskopie, die das Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber dem Wert bei konstantem Signal verbessern kann. Die in Fig. 3 (in Kombination mit Fig. 1) gezeigte schematische Darstellung des Spektralanalysators mit akusto-optischem Dispersionsfilter weist die Eingangs- und Ausgangspolarisatoren 63 bzw. 65, eine Fokussierlinse 67 und ein Lichtdetektorfeld 69 zur Messung der spektralen Informationen auf. Das Feld 69 mißt die aus der Austrittsfläche des akusto-optischen Dispersionsfilters austretenden, nach Wellenlängen aufgelösten Elemente und erzeugt ein Ausgangssignal als Funktion von den gemessenen, nach Wellenlängen aufgelösten Elementen. Vorzugsweise empfängt der Mikrocomputer 29 das von dem Feld erzeugte Ausgangssignal und bestimmt die in der Probenzelle enthaltene Substanz. Der Computer betätigt die HF-Energiequelle, um die Frequenz der an den akustischen Wandler angelegten HF-Energie einzustellen, wodurch er den Beugungs-Austrittswinkel jedes der nach Wellenlängen aufgelösten Elemente festlegt. Ein akusto-optisches Thalliumarsenselenid-Dispersionsfilter wird in der anhängigen US-PA-666 416, eingereicht am 30. Oktober 1984, veröffentlicht als EP-A-0 180 449, beschrieben.
  • In Fig. 5 ist das Schlüsselelement zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen verbesserten System zur chemischen Fernanalyse in mehreren Ausführungsformen dargestellt. Der kombinierte akusto-optische Baustein mit Faseroptik-Steckverbindern ist in der mit dem Bezugszeichen 71 gekennzeichneten Struktur dargestellt. Die Struktur 71 weist ein Gehäuse 73 auf, in dem der akusto-optische Baustein 23 montiert ist. Wie zu erkennen ist, wird der Wandler 37 über einen HF-Steckverbinder 75 an der Außenseite des Gehäuses 73 mit der HF-Ansteuereinrichtung gekoppelt. An entgegengesetzten Seiten des Gehäuses 73 sind die Faseroptik-Koppler 77 und 79 so angeordnet, daß sie mit der Eintritts- bzw. der Austrittsfläche des akusto-optischen Bausteins 23 in direkter Verbindung stehen. Die Faseroptik- Steckverbinder 77 und 79 sind im Handel erhältlich. Wie in den schematischen Darstellungen von Fig. 5A, 5B, 5C und 5D erkennbar, sind mehrere interne Konfigurationen dieses Bausteins möglich.
  • In Fig. 5A sind sowohl das Eingangs- als auch das Ausgangs-Faseroptikelement 84 an die Kristalleintritts- bzw. Kristallaustrittsfläche angefügt. Zum Anfügen der optischen Fasern an den Kristall kann auch infrarotdurchlässiger Kitt verwendet werden. In Fig. 5B ist das Faseroptikelement 85 in einem bestimmten Abstand von dem akusto-optischen Baustein 23 angeordnet. Typischerweise ist zu erwarten, daß das aus dem Faseroptikelement austretende Licht einen Strahlöffnungswinkel von annähernd 200 aufweist. Dieser Strahlöffnungswinkel hat jedoch keinen nachteiligen Einfluß auf das Auflösungsvermögen des akusto-optischen Bausteins. Eine Linse 81 ist in der Nachbarschaft der Austrittsfläche des Kristalls 23 angeordnet, um den Auffangwinkel des Faseroptikelements 83 an das aus dem akusto-optischen Baustein 23 austretende Licht anzupassen. So wird das gebeugte Licht auf die am Faseroptikelement 83 definierte Brennebene fokussiert. Das aus dem akusto-optischen Baustein 23 austretende ungebeugte Licht ist von dieser Brennebene räumlich getrennt. In der in Fig. 5C dargestellten Konfiguration dient die erste, mit 87 bezeichnete Linse zur Kollimation des aus der Faser 89 austretenden Lichts, während eine zweite Linse 91 in der Nähe der Austrittsfläche des Kristalls 23 zum Fokussieren des gebeugten Lichts auf das Kabel 93 dient. In Fig. 5D können schließlich anstelle der herkömmlicheren Linsen, die oben in Verbindung mit Fig. 5B und 5C beschrieben wurden, die Linsen 95 und 97 mit abgestuften Brechungsindizes verwendet werden, die für den Einsatz bei Faseroptiken bemessen und unter dem Warenzeichen SELFOC von Nippon Glass erhältlich sind. Dementsprechend ist einzusehen, daß bei den in Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsbeispielen der akustooptische Baustein 23 und die dazugehörigen Linsen für die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung repräsentativ sind. So können die verschiedenen Kombinationen sowohl der Linsen mit abgestuften Brechungsindizes als auch der mehr herkömmlichen Linsen mit Faseroptiken in dieser Vorrichtung eingesetzt werden, um das erwünschte Ergebnis zu erzielen.
  • Experimentelle Anwendung
  • Das in Verbindung mit Fig. 1 und 4 diskutierte System wurde durch Bestimmung der Äthanolkonzentration in einem Äthanol-Wasser-Gemisch getestet. Zunächst wurden durch Testen des Systems ohne Probe in der Probenzelle ein Vergleichsspektrum für die Normierung aller weiteren Spektren sowie ein Verhältnis ermittelt. Nach der Bestimmung der Systemcharakteristik wurden Proben mit verschiedenen Äthanolkonzentrationen in Wasser analysiert. Ihre Spektren wurden im Verhältnis umgerechnet und gespeichert. Es wurde ein einfacher Algorithmus entwickelt, um den prozentualen Äthanolgehalt in den Mischungen anzugeben und gleichzeitig einige Auswirkungen auf die von dem System gelieferten Daten auszugleichen. Zu diesen Effekten gehört ein Abfall bei größeren Wellenlängen, der sich auf die geringere Lichtausbeute der Halogenlampe und zu einem geringen Teil auf die Lichtschwächung in den Quarzfasern zurückführen läßt. Es dürfte offensichtlich sein, daß zum Ausgleich dieser Faktoren ein zusätzlicher Algorithmus angewendet werden kann. In jedem Fall wurde bei der Erprobung die spektrale Durchlässigkeit für ein Äthanol-Wasser-Gemisch ermittelt und dann anhand des Vergleichsspektrums im Verhältnis umgerechnet. Daraus ergab sich die prozentuale Lichtdurchlässigkeit über den gesamten gemessenen Wellenlängenbereich, bezogen auf eine leere Zelle. Die Durchlässigkeitsgrade in Prozent für reines Äthanol, für ein 50%iges Äthanolgemisch und für reines Wasser sind in Fig. 6 dargestellt. Aus diesen Spektren ist ersichtlich, daß die Durchlässigkeit bei 105 MHz mit zunehmendem Äthanolgehalt gleichmäßig anstieg, während die Durchlässigkeit bei 113 MHz leicht abfiel. Der Algorithmus beinhaltete die Bestimmung des Verhältnisses der Durchlässigkeitsgrade bei diesen beiden Frequenzen und die Bestimmung des Äthanolgehalts unter Anwendung dieses Verhältnisses. Es wurden Daten über einen breiten Konzentrationsbereich aufgenommen, und die resultierende Eichkurve ist in Fig. 7 dargestellt. In den Spektren war außerdem erkennbar, daß bei Äthanolkonzentrationen von mehr als 75% die Beobachtung des Verhältnisses zwischen 95 MHz und 113 MHz genauer war. Bei 95 MHz zeigte sich ein steiler Anstieg der Durchlässigkeit mit zunehmender Verdünnung der Wassermischung, der auf eine sehr starke Absorption durch Wasser bei der entsprechenden Lichtwellenlänge zurückzuführen ist. Die Eichkurve für Äthanolkonzentrationen über 75% ist in Fig. 8 dargestellt. Es wäre denkbar, das System so zu programmieren, daß es auf dieses genauere Verhältnis umschaltet, wenn es nach dem ersten Verfahren Konzentrationen oberhalb einer Mindestgrenze feststellt.
  • Zur Erprobung des Algorithmus wurden mehrere Proben aus einer Hausbar zur Analyse entnommen. Die ausgewählten Mischungen waren relativ klar und überstrichen einen Bereich von 12 bis 47 Vol. -% Äthanol. Die Spektren dieser Proben wurden aufgenommen und wie oben analysiert, und auf der Grundlage einer Anpassung der Eichdaten an eine Exponentialkurve nach der Methode der kleinsten Quadrate wurden die Auflösungsverhältnisse zur Abschätzung des prozentualen Alkoholgehalts der Mischung verwendet. Die Ergebnisse der Bestimmung der Unbekannten und die geschätzten Konzentrationen in Prozent sind in Tabelle I angegeben u Tabelle I Bestimmung der Unbekannten Eichformel: % Äthanol - 85,8 · ln 1,76 · (Verhältnis 105/113 MHz) Unbekannte Ermittelte Durchlässigkeitsverh. bei Vorausgesagter Äthanolgehalt lt. Etikett Gordons's Gin Bacardi Rum Heublein Gin M & R Vermouth Keknyelu Weißwein
  • Die berechneten prozentualen Gehalte dieser Proben waren etwas höher als die aufgeführten, auf den Etiketts angegebenen Konzentrationen, was von mehreren Faktoren herrühren könnte. Erstens waren die untersuchten Proben keine reinen Äthanol-Wasser-Gemische, obwohl Proben verwendet wurden, die diesen Mischungen so nahe wie möglich kamen. Die deutlichste Verschiebung in den Daten trat bei den niedrigeren Konzentrationen auf. Diese Proben waren Weißweine, die mehr Verunreinigungen aufweisen und deren Alkoholgehalt weniger genau gemessen wird als bei Getränken mit höherem Äthanolgehalt. Leider waren keine Proben mit mehr als 50% Äthanol ohne weiteres verfügbar; wir erwarten allerdings, daß Ergebnisse von solchen Mischungen eine höhere Genauigkeit aufweisen.
  • Es wurde ein Spektralanalysegerät mit einer akusto-optischem Filtereinrichtung beschrieben, der durch Faseroptiken mit einem separaten "In-line"-Sensor verbunden ist und zur Konzentrationsmessung von Flüssigkeitsmischungen mit Oberton- Absorptionen im nahen bis mittleren Infrarot eingesetzt wird. Es sind zwar Modifikationen und Verbesserungen dieses Systems geplant; die Ausführbarkeit eines solchen Systems ist aber nachgewiesen worden. Die Zusammensetzung flüssiger oder konzentrierter Gasproben kann in einer Probenzelle untersucht werden, die mit Hilfe von Faseroptiken in sicherer Entfernung vom elektrischen System angeordnet wird. Durch das Fehlen von Elektrizität in der Nähe der Meßzelle entfällt die Notwendigkeit aufwendiger Kapselungen für den Sensor, wodurch diese Einrichtung in hohem Maße für Industriezweige wie z. B. die Erdölverarbeitung geeignet ist. Außerdem verringert sich durch die Festkörperbauweise die Wahrscheinlichkeit einer falschen Ausrichtung sowie einer Abnutzung der Bauelemente.

Claims (6)

1. Spektralanalysesystem mit einer Lichtquelleneinrichtung (13) zum Bereitstellen von Licht, einer Probenzelle-Einrichtung (21) zur Aufnahme einer chemischen Probe, die einen interessierenden Bestandteil mit bekannten Lichtabsorptionseigenschaften aufweist, und zum Durchleiten von Licht, einer Lichtdetektoreinrichtung (27) zum Empfangen von Licht und zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das als Funktion des empfangenen Lichts variiert, einer optischen Transmissionseinrichtung (17, 19) zum Leiten von Licht von der Lichtquelleneinrichtung (13) zu der Probenzelle-Einrichtung (21) und weiterhin zum Leiten von Licht von der Probenzelle-Einrichtung (21) zu der Lichtdetektoreinrichtung (27), wobei die optische Transmissionseinrichtung eine optische Filtereinrichtung zum Auswählen eines gefilterten Lichtanteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Filtereinrichtung ein akusto-optisches Dispersionslichtfilter (AODLF) (61) aufweist, und die Lichtdetektoreinrichtung ein Feld mit Detektorelementen (69) aufweist.
2. Spektralanalysesystem nach Anspruch 1, wobei das akustooptische Dispersionslichtfilter (61) einen optischen doppelbrechenden Kristall mit einer optischen Eingangsfläche und einer optischen Ausgangsfläche aufweist, wobei die optische Eingangsfläche in einem bestimmten Winkel angeordnet ist, der senkrecht zu dem einfallenden Licht liegt, wobei eine akustische Wandeleinrichtung (37) mit einer Radiofrequenz-Energiequelle (33) mit variabler Frequenz verbunden ist und mit einer Seite des Kristalls akustisch verbunden ist, zum Einleiten von akustischen Wellen mit einer bestimmten festen Frequenz in den Kristall, bei der jedes Wellenlängen-Auflösungselement von der optischen Ausgangsfläche in einem unterschiedlichen Beugungswinkel austritt, und daß der bestimmte Winkel der optischen Eingangsfläche so ausgewählt ist, daß für die feste akustische Frequenz ein Minimum des Bragg-Winkels mit der Frequenz vorliegt, während der gebeugte Bragg-Winkel linear mit der Frequenz größer wird, und das Feld mit Detektorelementen Wellenlängen-Auflösungselemente detektiert, die von dem akusto-optischen Dispersionslichtfilter austreten, und das Ausgangssignal als eine Funktion der detektierten Wellenlängen-Auflösungselemente erzeugt.
3. Spektralanalysesystem nach Anspruch 2, wobei eine Computereinrichtung (29) das Ausgangssignal empfängt, so daß die Konzentration des interessierenden Bestandteils bestimmt wird, wobei die Computereinrichtung die Radiofrequenz-Energiequelle (33) betreibt, so daß die Frequenz der an die akustische Wandeleinrichtung (37) angelegten Radiofrequenzenergie bestimmt wird, um so den Austritts- Beugungswinkel jedes Wellenlängen-Auflösungselements zu bestimmen.
4. Spektralanalysesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Licht Infrarotstrahlung ist.
5. Spektralanalysesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die optische Transmissionseinrichtung optische Fasereinrichtungen zum Leiten von Licht aufweist.
6. Spektralanalysesystem nach Anspruch 5, wobei ein Modul ein Gehäuse (73) aufweist, das akusto-optische Dispersionslichtfilter in dem Gehäuse angeordnet ist, optische Faseraufnahmeeinrichtungen (77, 79) an einer Seite des Gehäuses benachbart entweder zu der Eingangsfläche oder der Ausgangsfläche des akustooptischen Dispersionslichtfilters angeordnet sind, wobei die optische Faseraufnahmeeinrichtungen die optischen Fasereinrichtungen lösbar aufnehmen, und Radiofrequenz- Verbindung-einrichtungen (75) an dem Gehäuse (73) angeordnet sind und in elektrischer Verbindung mit der akustischen Wandeleinrichtung (37) stehen.
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