DE4225395A1

DE4225395A1 - Anordnung zur photoakustischen Spektroskopie

Info

Publication number: DE4225395A1
Application number: DE19924225395
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Hinze; Claus Dr Ing Peschel; Guenter Dr Ing Thiede; Michael Dipl Phys Weihert
Original assignee: JOHANNISTHALER FORSCHUNGSTECHN
Current assignee: FORMAT JOHANNISTHAL GMBH FORSCHUNGS-, MESS- UND AN
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1994-02-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur photoakustischen Spektroskopie, die zur Analyse von Stoffen in der Technik, Biologie u. a. Gebieten einsetzbar ist.

In der photoakustischen Spektroskopie werden spektrometri sche und kalorimetrische Phänomene ausgenutzt. Eine typi sche Anordnung in der photoakustischen Spektroskopie hat eine gasdichte Zelle, in der sich ein Mikrophon und die Probe befinden. Die Probe wird mit periodisch moduliertem Licht der Wellenlänge λ bestrahlt. Wenn die Probe Licht dieser Wellenlänge absorbiert, werden Elektronen in höhere Energiezustände angeregt. Nach kurzer Zeit kehren die angeregten Elektronen über Strahlungsprozesse und/oder strahlungslose Desaktivierung in den Grundzustand zurück. Der photoakustische Effekt beruht allein auf diesen strah lungslosen Vorgängen. In den Bereichen, in denen die Probe Licht absorbiert, erzeugen die strahlungslosen Prozesse eine periodische Erwärmung mit der Modulationsfrequenz, die sich innerhalb der Probe in alle Richtungen ausbreitet. Der Teil der Wärme, der an die Probenoberfläche gelangt, gibt seine thermische Energie an die umgebende Luft ab. Eine sehr dünne Luft-Grenzschicht (<0,5 mm) reagiert durch periodisches Expandieren und Kontrahieren auf den mit der Modulationsfrequenz erfolgenden Erwärmungs- und Abkühlungs vorgang. Diese dünne Luftschicht erzeugt wie ein akusti scher Kolben in der angrenzenden Luftsäule Druckschwankun gen, die z. B. von einem Mikrophon als photoakustisches Signal aufgenommen werden. Wird das Licht der Wellenlänge λ nicht absorbiert, tritt kein photoakustisches Signal auf. Dieses Signal korreliert also mit dem optischen Spektrum, d. h. eine Aufzeichnung des Mikrophonsignals über der Wellenlänge ergibt das Absorptionsspektrum der Probe.

(A. Rosencwaig, A. Gersho, Theory of the photoacoustic effect with solids J. Appl. Phys. 47(1976)1, 64-69

L. C. Aamodt, J. c. Murphy, J. G. Parker Size considerations in the design of cells for photoacou stic spectroscopy J. Appl. Phys. 48(1977)3, 927-933)

Der Nachteil der bisherigen Anordnungen für die photoakusti sche Spektroskopie besteht darin, daß die Untersuchungen an Gasen, Flüssigkeiten, Stäuben, Aerosolen usw. nur direkt in der gasdichten Zelle oder bei Flüssigkeiten in einer darin angeordneten Küvette durchgeführt werden können, wobei sich das Mikrofon bzw. ein anderer Drucksensor unmittelbar neben der Probe befindet. Bei diesen Anordnungen liegen also der Ort der Probenanordnung und die Meßstelle - in den meisten Fällen ein Mikrophon - möglichst dicht beieinander.

In der Mehrzahl der Fälle muß die Probe manuell in die Meßkammer eingegeben werden. Der Einsatz der photoakusti schen Spektroskopie in Prozessen ist deshalb nicht ohne weiteres möglich. Das ist sicher ein Grund dafür, daß die photoakustische Spektroskopie bisher weitgehend nur in der Grundlagenforschung angewendet wird.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß in den bisherigen Meßkammern keine aggressiven Medien untersucht werden können, da hierbei die hochempfindlichen Drucksensoren beschädigt werden. Ähnliches gilt für toxische Stoffe bzw. sehr heiße Prozesse.

Weiterhin ist eine photoakustische Anordnung bekannt, bei der der Ort der Anregung der Probe durch das modulierte Licht und der Ort der Messung der Druckschwankung durch eine resonante gasgefüllte Druckübertragungsstrecke mitein ander verbunden sind (Can. J. Phys. Vol. 64, 1986, S. 11409). Dadurch ergibt sich zwangsläufig ein etwas größerer Abstand (einige 10 mm) zwischen dem Ort der Anregung der Probe durch das modulierte Licht und dem Ort der Messung der Druckschwankung. Die genannten Nachteile werden dadurch aber nicht beseitigt. Zusätzlich besteht der Nachteil, daß die Druckübertragungsstrecke nur für die Übertragung einer Resonanzfrequenz geeignet ist und damit eine erhebliche Einschränkung beim Messen besteht. Damit verbunden ist auch die genaue Einhaltung bestimmter Abmessungen der Drucküber tragungsstrecke, wie Länge und Volumen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die photoakusti sche Spektroskopie für die Prozeßmeßtechnik insbesondere auch in sterilen Prozessen einsetzbar zu machen und die Untersuchung aggressiver Medien zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird das bei einer photoakustischen Anord nung dadurch erreicht, daß der Ort der Anregung der Probe durch das modulierte Licht und der Ort der Messung der Druckschwankungen örtlich getrennt voneinander liegen, und daß beide durch eine nichtresonante Druckübertragungsstrecke miteinander verbunden sind. Als Druckübertragungsstrecke kann z. B. eine Hydraulikstrecke oder ein Flüssigkristall angeordnet sein.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß am Proben ort eine Probenkammer zwischen einem Einkoppelfenster für das anregende Licht und einer Membran angeordnet ist und daß diese und der Drucksensor über die Druckübertragungs strecke miteinander verbunden sind.

Die Membran kann aus unterschiedlichen Materialien beste hen, z. B. aus solchen, die gegen aggressive Medien korro sionsbeständig sind oder aus Materialien, die in sterilen Prozessen einsetzbar sind. Einsetzbar ist z. B. PTFE.

Die Probenkammer kann sowohl als Durchflußkammer, die für die Zeitdauer der Messung verschlossen wird, als auch als einmalig beschickbare Kammer ausgestaltet sein.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Vorteile der photoakustischen Spektroskopie auf neue Anwendungsgebiete auszudehnen. So wird es möglich, die Meßkammer so auszuge stalten, daß aggressive und toxische Medien analysiert werden können und daß die Meßkammer in Prozeßstrecken eingefügt werden kann, so daß Änderungen im Prozeß gemessen und zur Prozeßsteuerung genutzt werden können. Die Meßkam mer kann auch so gestaltet werden, daß sie in sterilen Prozessen einsetzbar ist. Dabei ist der Einsatz in einem breiten Spektralbereich möglich, da dieser durch die Druck übertragungstrecke nicht beschränkt wird.

Sofern eine Flüssigkeit zu analysieren ist, kann in der Hydraulikstrecke diese Flüssigkeit verwendet werden, d. h. in diesem Fall ist keine gesonderte hydraulische Flüssig keit erforderlich.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt den Querschnitt durch ein Abgasrohr mit einer erfindungsgemäßen Meßanordnung.

An ein Abgasrohr 1, z B. an einen Schornstein, der auf die Entstehung von schädlichen Stoffen überwacht werden soll, ist eine Probenkammer 2 angekoppelt. Sie hat ein Einkoppel fenster 3 für das Licht einer Lichtquelle 4 zur Anregung der Probe und eine Membran 5 zur Druckübertragung. Weiter hin ist vor der Probenkammer ein Umlenkspiegel 6 für das einzukoppelnde Licht vorhanden. Die Ventilkammer hat ein Ventil 7 für den Probeneinlaß aus dem Abgasrohr.

An die Membran 5 schließt sich eine Hydraulikstrecke 8 an, die auf der anderen Seite durch ein Mikrophon 9 abgeschlos sen wird.

Im vorliegenden Fall wird eine Probe aus dem Schornstein zur Analyse über das Ventil 7 in die Probenkammer 2 einge leitet. Danach wird das Ventil geschlossen, so daß sich in der Probenkammer eine Probe in einem zeitlich stationären Zustand befindet. Durch die Lichtquelle 4 wird die Gasprobe mit periodisch moduliertem Licht bestrahlt. Die dadurch hervorgerufene periodische Erwärmung der Probe und das sich daraus ergebende periodische Expandieren und Kontrahieren der gasförmigen Probe wird über die Membran 5 und die Hydraulikstrecke 8 auf das Luftpolster 10 vor dem Mikrophon 9 übertragen und von diesem registriert. Die Auswertung der im Mikrophon erzeugten Meßsignale erfolgt in bekannter Weise. Wenn anstelle des Mikrophons 9 ein piezoelektrischer Drucksensor verwendet wird, kann das Luftpolster 10 entfal len, d. h. die Hydraulikflüssigkeit kann dann mit dem Sensor direkt im Kontakt stehen.

Claims

1. Anordnung zur photoakustischen Spektroskopie mit einer Probenkammer, mit einer Lichtquelle zur periodischen Be strahlung der Probe mit moduliertem Licht und mit einem Drucksensor zur Erfassung der durch die Bestrahlung her vorgerufenen Druckschwankungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Anregung der Probe durch das modulierte Licht und der Ort der Messung der Druckschwankungen örtlich getrennt voneinander liegen, und daß beide durch eine nichtresonante Druckübertragungsstrecke miteinander verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsstrecke eine Hydraulikstrecke (8) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsstrecke ein Flüssigkeitskristall angeordnet ist.

4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Probenort eine Probenkam mer (2) zwischen einem Einkoppelfenster (3) für das anregende Licht und einer Membran (5) angeordnet ist und daß diese und der Drucksensor (9) über die Druckübertra gungsstrecke (8) miteinander verbunden sind.

5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenkammer (2) durch ein Ventil (7) verschließbar ist.

6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenkammer so ausgebil det ist, daß in ihr ein von der Umgebung abweichender Druck einstellbar ist.

7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem korro sionsbeständigen, elastischen Material besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) aus PTFE besteht.