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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines Systems zur chemischen Fernanalyse;
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Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Systems
zur chemischen Fernanalyse, wobei auf der Quellenseite der
Probenzelle ein abstimmbares akusto-optisches Filter
angeordnet ist;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung des
Detektionssystems eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit eingebautem
akusto-optischem Dispersionsfilter (AODLF);
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Fig. 4 eine umfassende Darstellung der Konstruktion
eines abstimmbaren akusto-optischen Filters;
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Fig. 5A, B, C und D Darstellungen der Konstruktion des
akusto-optischen Bausteins mit den in der vorliegenden
Erfindung verwendeten Filteroptik-Eingängen;
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Fig. 6 ein Diagramm, das die prozentuale
Lichtdurchlässigkeit für verschiedene Konzentrationen von Äthanol in Wasser
darstellt;
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Fig. 7 ein Diagramm, das eine Eichkurve darstellt, die
mit einem erfindungsgemäßen System ermittelt wurden; und
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Fig. 8 ein Diagramm, das die Eichkurve für
Äthanolkonzentrationen oberhalb 75% darstellt.
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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.
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Daher wird auf diesen Abschnitt verwiesen, der zusätzliche
Informationen über Aufbau und Arbeitsweise des abstimmbaren
akusto-optischen Filters (AOTF) enthält.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.