DE4243418A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anregen und Empfangen der Photolumineszenz von Stoffen in Rohrleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anregen und Empfangen der Photolumineszenz von Stoffen in Rohrleitungen, insbesondere zur Qualitätskontrolle industrieller Prozesse sowie zur Gewässer- und Abwässerkontrolle. Verfahren sowie radiometrische Meßgeräte an Rohrleitungen zum Erfassen der Dichte und der Fördermengen, magnetisch-induktive Durchflußmesser und radiometrische Meßgeräte zum Bestimmen von einzelnen Elementen, d. h. bevorzugt von Schwermetallen, sind allgemein bekannt. Mit diesen Geräten und Verfahren bzw. der angewandten Meßtechnik können viele Aufgaben der Qualitätskontrolle nicht gelöst werden, besonders, wenn es um den Nachweis geringer Spuren von Substanzen, z. B. in Lösungen, geht.

Die Photolumineszenz ist eine physikalische Eigenschaft, die bei fast allen Stoffen auftritt. Mit Photolumineszenz wird das Leuchten von Stoffen während oder nach der Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen aus dem Bereich des UV- und des sichtbaren Lichtes bezeichnet, wobei generell die Emission langwelliger ist als die Anregung. Die Photolumineszenz läßt sich durch folgende meßbare Größen beschreiben:

• - das Anregungsspektrum,
• - die Strahlungs-, Licht- oder Quantenausbeute,
• - das Emissionsspektrum und
• - das Abklingverhalten bzw. die Lebensdauer der Lumineszenz.

Bei einer vorgegebenen Anregungswellenlänge sind die wesentlichen Parameter der Photolumineszenz für die Identifizierung von Stoffen:

• - das Emissionsspektrum und
• - die Lebensdauer der Lumineszenz.

Die Intensität eines Signals ist stoffspezifisch und kann in Verbindung mit dem Emissionsspektrum und der Lebensdauer zur Ermittlung der relativen Konzentration eines Stoffes in einem Stoffgemisch oder in Lösung ausgewertet werden. Die Ermittlung der oft sehr kurzen Lebensdauer (Mikro- bis Nanosekunden) erfordert eine gepulste Anregung mit extrem kurzer Dauer (wenige Nanosekunden oder Picosekunden). Die Anregung von Lumineszenz mit sehr hoher Energiedichte, wie z. B. mit Hochleistungslasern, führt auch bei Stoffen mit niedriger Quantenausbeute zu meßbaren Signalen. Bei Anregung mit einer Wellenlänge von 193 nm oder auch 248 nm kann Lumineszenz im mittleren und oberen UV-Bereich erzeugt und gemessen werden.

Die Lumineszenzspektroskopie wird seit vielen Jahren für Untersuchungen von Lösungen erfolgreich eingesetzt. Durchflußfluorometer sind aus der Literatur bekannt, wobei es sich grundsätzlich um Laborgeräte handelt.

Ein in beschränktem Rahmen auch im Echtzeitbetrieb arbeitendes Durchfluorometer wird in der DE-PS 30 27 317 beschrieben.

Dieses Durchflußfluorometer weist einen Meßprobendurchfluß durch einen Anregungs- und einen Lumineszenznachweisteil auf, wobei durch Lichtfallen Anregungslicht und/oder Streulicht aus dem Nachweisteil ferngehalten werden. Das Gerät arbeitet mit einem relativ kleinen Materialstrom. Dieser wird vom Hauptstrom abgeleitet und über die Meßprobenleitung der Meßeinrichtung zugeführt und über eine Meßprobenaustrittsleitung zu dem Hauptstrom zurückgeführt.

Die Strömung von Medien in Rohrleitungen ist abhängig von den jeweiligen Stoffeigenschaften und der Geschwindigkeit laminar oder turbulent. In beiden Fällen kann in Suspensionen eine Sortierung stattfinden, so daß an verschiedenen Positionen innerhalb des Rohrquerschnittes unterschiedliche Stoffe vorliegen.

Werden in einer Lösung oder Feinstkornsuspension gröbere Materialstücke, so. z. B. Salzkristalle in Salzlösungen im Salzbergbau oder Waschberge in Flotationsbergen im Kohlebergbau, transportiert, dann ist das Abtrennen einer repräsentativen Probe aus der Rohrleitung für Echtzeitmessungen kompliziert und bei sehr groben Körnungen gar nicht möglich.

Durchflußfluorometer werden bevorzugt in den Bereichen der Chemie und Biologie zur Untersuchung von transparenten Lösungen verwendet. Bei flurometrischen Messungen an optisch dichtem Material in Suspensionen, wie z. B. Kohleschlämme oder Erzschlämme in Aufbereitungsanlagen, kann der Materialstrom bzw. die Materialprobe nicht durchstrahlt werden, sondern die Oberfläche des optisch dichten Materials muß an einer Stelle sowohl angestrahlt als auch betrachtet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anregen und Empfangen der Photolumineszenz von Stoffen während des Transports in Rohrleitungen zu entwickeln, welche ohne Probenahme oder Abtrennung eines Teilstromes vom Hauptstrom in der Rohrleitung eine Qualitätsänderung des Stoffes oder einen Wechsel in der Zusammensetzung eines Stoffgemisches auch bei optisch dichten Stoffen meßbar macht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stoffe direkt in der Rohrleitung während des Transportes durch mindestens einen transparenten Bereich und die in der Rohrleitungswand angebrachten Einrichtungen zum Anregen angestrahlt und zum Empfangen eines Lumineszenssignales betrachtet werden.

Zum Anregen und Empfangen der Lumineszenz von optisch dichten Stoffen sind die optischen Komponenten nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung auf dieselbe Stelle in der Grenzfläche des Stoffes gerichtet.

Nach einem besonders bevorzugten Merkmal der Erfindung ist direkt in der Wand der Rohrleitung mindestens ein transparenter Bereich in Verbindung mit einer Anregungs­ und/oder Empfangseinrichtung angeordnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat im Gegensatz zu allen bekannten Fluorometern und Lumineszenzspektrometern keine Probenkammer, Küvette oder Durchflußküvette. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Stoff oder Stoffgemisch direkt in der Rohrleitung im Echtzeitbetrieb während des normalen Fließens untersucht werden.

Bei dem direkt in der Wand der Rohrleitung angeordneten transparenten Bereich kann es sich um ein oder mehrere in die Wand der Rohrleitung eingelassene Fenster oder einen transparenten Ring in der Art eines lichtdurchlässigen Stückes Rohrleitung, welches den gleichen Durchmesser wie die Rohrleitung hat, handeln. Diese sogenannten transparenten Bereiche müssen druckbeständig eingebaut werden und selbst druckbeständig sein. Sie müssen verschleißfest sein in Abhängigkeit vom zu betrachtenden Material sowie optisch durchlässig für das Anregungslicht und die Lumineszenz. Der transparente Bereich sollte so gestaltet sein, daß so wenig Grenzflächen wie möglich auftreten.

Die wesentlichen Baugruppen eines Fluorometers sind die Lichtquelle zum Anregen, Mittel zum Selektieren der Wellenlänge zum Anregen und zum Fokussieren des Lichtes auf das Objekt, Mittel zum Betrachten des Objektes, zum Selektieren von Wellenlängen für die Erfassung und der Photodetektor zur Erfassung der Lumineszenz. Als Lichtquelle kommen kontinuierlich strahlende oder gepulste Lampen, Laserdioden oder aber Laser in Abhängigkeit von der für einen bestimmten Anwendungsfall benötigten Wellenlänge, Energie und Dauer der Anregung zum Einsatz. Die optischen Einrichtungen zum Leiten und Lenken des Anregungslichtes von der Lichtquelle bis zur Rohrleitung sind Linse, Spiegel, Lichtwellenleiter und ggf. Filter. Ebenso sind die optischen Komponenten zum Leiten und Lenken der erfaßten Lumineszenz von der Rohrleitung bis zum Detektor dem Stand der Technik entsprechend. Als Detektoren kommen Photomultiplier oder Dioden und Diodenarrays zum Einsatz. In der Signalanalyse werden schnelle A/D-Wandler und Speicher verwendet, um eine hohe zeitliche Auflösung der Signale (z. B. von mindestens 10 nsec) zu erreichen.

Bei der Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende Punkte von Bedeutung:

• - optische Eigenschaften des Mediums (transparent, trüb, optisch dicht)
• - Homogenität des Mediums
• - Lebensdauer der Lumineszenz.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Anregungseinrichtung und Empfangseinrichtung sich direkt gegenüberliegend in der Wand der Rohrleitung angeordnet. Durch diese Anordnung können transparente und homogene Stoffe untersucht werden.

Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist in die Wand der Rohrleitung ein Fenster eingelassen, vor dem sich eine Anregungseinrichtung und eine Empfangseinrichtung in einem Neigungswinkel zueinander so angeordnet befinden, daß durch das Fenster dieselbe Stelle der Grenzschicht des Stoffes in der Rohrleitung angestrahlt und betrachtet wird. Diese Anordnung ermöglicht eine Bemusterung von trüben und homogenen Medien mit kurzer Lebensdauer der Lumineszenz und laminarer Strömung.

Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß um den Umfang der Rohrleitung herum mehrere Fenster mit je einer Anregungseinrichtung und einer Empfangseinrichtung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bei inhomogenen Stoffgemischen angebracht sind. Dadurch wird es möglich, inhomogene Stoffgemische bzw. während des Rohrleitungstransportes zu Entmischungen neigende oder turbulent strömende Medien zu bemustern.

Soll die Lebensdauer der angeregten Lumineszenz zum Nachweis von Stoffen in dem Medium oder zur Messung der Konzentration von Stoffen in dem Medium verwendet werden und ist die Lebensdauer relativ lang und die Fließgeschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung relativ hoch, dann sind in Abhängigkeit von zeitlicher Länge des Meßintervalls und der während dieser Zeit vom Medium durchflossenen Strecke die Einrichtungen zum Empfang eines Lumineszenzsignals in doppelter oder mehrfacher Ausführung mit entsprechenden Abständen in Fließrichtung in der Rohrleitung anzubringen.

Ein besonders bevorzugtes Merkmal der Vorrichtung besteht deshalb darin, daß die Empfangseinrichtung in mehrfacher Ausführung im definierten Abstand zueinander in Fließrichtung des Mediums in die Wand der Rohrleitung eingelassen ist. Durch diese Anordnung wird das Bemustern eines optisch transparenten und homogenen Mediums mit langer Lebensdauer bei laminarem Fließen möglich.

Ein anderes bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß über den ganzen Umfang des lichten Querschnittes der Rohrleitung ein transparenter ringförmiger Bereich angeordnet ist, und Lichtquelle, Lichtwellenleiter-Endstück und Lichtdetektor über Lichtwellenleiter verbunden sind. Der transparente Ring soll dabei den gleichen Durchmesser wie die Rohrleitung haben. Durch diesen transparenten Ring wird der Stoff im Inneren der Rohrleitung zur Anregung von Photolumineszenz bestrahlt und die bestrahlten Bereiche betrachtet.

Die Bestrahlung des Stoffes in der Rohrleitung durch den transparenten Ring erfolgt dabei unter Verwendung von Lichtwellenleitern von einer Lichtquelle aus über den ganzen Rohrleitungsumfang. Desgleichen wird das Lumineszenzsignal durch den transparenten Ring und über Lichtwellenleiter zu einem Photodetektor geführt.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß außerhalb des transparenten Ringes Kombinationen von Laserdioden als Lichtquellen mit Photodioden als Empfänger um den Umfang der Rohrleitung herum angeordnet sind.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, die selbstverständlich nicht die ganze Breite der Erfindung darstellen können. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Anordnung der Vorrichtung zum Bestrahlen und Betrachten derselben Stelle der Grenzfläche Stoffgemisch/Rohrleitungsfenster für homogene Stoffgemische mit kurzer Lebensdauer der Fluoreszenz,

Fig. 2 Anordnung der Vorrichtung wie in Fig. 1 mit mehrfacher Ausführung der Meßelemente für inhomogene Stoffgemische,

Fig. 3 bis 6 Ausführung der Vorrichtung mit gleichmäßig in der Rohrleitungswand verteilten Lichtwellenleitern zum Bestrahlen und Betrachten des Stoffgemisches durch einen transparenten Ring hindurch für inhomogene Stoffgemische,

Fig. 7 Anordnung der Vorrichtung zum Bestrahlen und Betrachten eines Stoffgemisches durch ein Fenster oder einen transparenten Ring in der Rohrleitungswand mit einer Kombination von Laserdioden und Photodioden,

Fig. 8 Anordnung zum Bestrahlen und Betrachten des Stoffes in der Rohrleitung bei transparenten Stoffen.

Ein typisches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt und ist bevorzugt bei homogenen und optisch dichten Stoffen oder Stoffgemischen mit kurzer Lebensdauer der Fluoreszenz einsetzbar.

In der Rohrleitung 1 fließt das Stoffgemisch 2 an dem transparenten Fenster 3 vorbei. Die Einrichtungen 4 zum Anregen der Photolumineszenz beinhalten eine gepulste Lichtquelle 5, die durch das vorgeschaltete Filter 6 und das Fenster 3 das Stoffgemisch 2 bestrahlt. Die Einrichtungen 7 zum Empfangen der Lumineszenz beinhalten einen Lichtdetektor 8, der durch das Filter 9 und das Fenster 3 das Stoffgemisch 2 in der angestrahlten Stelle betrachtet, ein Lumineszenzsignal empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein Taktgeber 10 steuert die Stromversorgung 11 für die Lichtquelle 5 und die Stromversorgung 12 für den Lichtdetektor 8, so daß die gepulste Anregung der Photolumineszenz und das Empfangen des Signals zeitlich gesteuert werden. Die elektronische Signalauswertung 13 bereitet die elektrischen Signale auf und stellt sie einer Datenverarbeitung 14 oder Meßwertanzeigern 15 zur Verfügung.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Meßsystemen, die zum genauen Untersuchen von inhomogenen Stoffgemischen in mehrfacher Ausführung in die Rohrleitung eingebaut sind.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung, die mit Mitteln der Lichtwellenleitertechnik von der Lichtquelle 5 ausgehend über Lichtwellenleiter 18 das Licht bis in den Ring 17 leitet und durch den transparenten Ring 16 hindurch den Stoff bzw. das Stoffgemisch 2 bestrahlt. Eine Lumineszenz im Stoffgemisch 2 strahlt durch den transparenten Ring 16 in die im Ring 17 eingegossenen Lichtwellenleiter 19 bis hin zum Lichtdetektor 8.

Fig. 4 zeigt den transparenten Ring 16, der von dem Ring 17 mit den eingegossenen Lichtwellenleitern 18 und 19 umschlossen ist, in Draufsicht, Fig. 5 in Seitenansicht.

In Fig. 6 wird ein Rohrstück gezeigt, in das die Ringe 16 und 17 eingebaut sind.

Fig. 7 zeigt ein Rohrstück, in das die Vorrichtungen zum Bestrahlen des Stoffgemisches 2 durch den transparenten Ring 16 als Kombination von Laserdioden 5 als Lichtquelle und Lichtdioden 8 als Detektoren eingebaut sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Untersuchen von transparenten Stoffen bzw. Stoffgemischen ist in Fig. 8 gezeigt. Der transparente Stoff 2 fließt in der Rohrleitung 1, in der an zwei gegenüberliegenden Punkten in der Rohrleitungswand auf der einen Seite die Einrichtungen 4 zum Anregen von Photolumineszenz und auf der anderen Seite die Einrichtungen 7 zum Empfangen der Lumineszenz angebracht sind.

Die Lichtquelle 5 strahlt durch Filter 6 und Fenster 3 in den Rohrinnenraum und den Stoff 2. Der Photodetektor 8 empfängt ein Lichtsignal durch Fenster 3 und Filter 9. Mittel 10 bis 15 steuern die Vorrichtung und analysieren die Signale.

Claims (9)

1. Verfahren zum Anregen und Empfangen der Photolumineszenz von Stoffen in Rohrleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe direkt in der Rohrleitung während des Transportes durch mindestens einen transparenten Bereich und die in der Rohrleitungswand angebrachten Einrichtungen zum Anregen angestrahlt und zum Empfangen eines Lumineszenzsignals betrachtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtungen und Empfangseinrichtungen durch einen transparenten Bereich in der Wand der Rohrleitung dieselbe Stelle der Grenzfläche von Stoff und Fenster bestrahlen und betrachten.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Anregungseinrichtung, einer Empfangseinrichtung, einem Lichtdetektor und einer elektronischen Einrichtung zur Signalanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß direkt in der Wand der Rohrleitung (1) mindestens ein transparenter Bereich (3, 16) in Verbindung mit einer Anregungs- und/oder Empfangseinrichtung angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung (4) aus einer Lichtquelle zum Anregen der Photolumineszenz und einer optischen Einrichtung zum Leiten und Lenken des Anregungslichtes auf oder in das zu bemusternde Medium (2) besteht und die Empfangseinrichtung (7) sich aus einer optischen Einrichtung zum Empfangen eines angeregten Photolumineszenzsignals und zum Leiten und Lenken des Signals zu einem Lichtdetektor (8) zusammensetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung (4) und die Empfangseinrichtung (7) sich direkt gegenüberliegend in der Wand der Rohrleitung (1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung (4) und die Empfangseinrichtung (7) nebeneinander mit einem Neigungswinkel zueinander in der Wand der Rohrleitung (1) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Anregungseinrichtung (4) und mehr als eine Empfangseinrichtung (7) über den Rohrumfang verteilt direkt in die Rohrwand der Rohrleitung (1) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (7) in mehrfacher Ausführung im definierten Abstand zueinander in Fließrichtung des Mediums (2) in der Wand der Rohrleitung (1) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über den ganzen Umfang des lichten Querschnittes der Rohrleitung (1) mindestens ein transparenter ringförmiger Bereich (16) angeordnet ist und Lichtquelle (5), Lichtwellenleiter-Endstück (17) und Lichtdetektor (8) über Lichtwellenleiter (18, 19) verbunden sind.