EP3126817A1 - Sensorkopf und dessen verwendung sowie unterwasserfahrzeug - Google Patents

Sensorkopf und dessen verwendung sowie unterwasserfahrzeug

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Publication number
EP3126817A1
EP3126817A1 EP15714397.5A EP15714397A EP3126817A1 EP 3126817 A1 EP3126817 A1 EP 3126817A1 EP 15714397 A EP15714397 A EP 15714397A EP 3126817 A1 EP3126817 A1 EP 3126817A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
sensor head
head according
underwater vehicle
spectrometer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15714397.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven-Christian Hesse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
Atlas Elektronik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Atlas Elektronik GmbH filed Critical Atlas Elektronik GmbH
Publication of EP3126817A1 publication Critical patent/EP3126817A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2201/02—Mechanical
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    • G01N2201/0218—Submersible, submarine
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water
    • G01N33/1886—Water using probes, e.g. submersible probes, buoys

Definitions

  • the invention relates to a sensor head for an underwater vehicle having a sample chamber with a light source associated with the sample chamber and a spectrometer associated with the sample chamber and associated optics, so that a spectrum, in particular Raman spectrum and / or IR spectrum of a sample in the sample space can be determined is, wherein the sample space has a feeder, as well as the use of a sensor head and an underwater vehicle.
  • a sensor head for an underwater vehicle with a sample chamber, with a light source associated with the sample chamber and a spectrometer associated with the sample chamber and associated optics, so that a spectrum, in particular Raman spectrum and / or IR spectrum, a Sample can be determined in the rehearsal room, wherein the sample chamber has a feed device, wherein the feed device has a sampling element and a sample feed line.
  • a sample can advantageously be drawn and analyzed underwater at the point of interest. It eliminates a sampling and a separate analysis in a laboratory. Also, many samples can be drawn and analyzed over a large area and quickly.
  • a "sensor head” is, in particular, a component which can be flange-mounted on and / or in an unmanned underwater vehicle and / or can be integrated, with data from the sensor head being able to be transmitted to the underwater vehicle or be transferred in reverse. Control and regulating signals can also be exchanged via such a line.
  • the sensor head may for example be attached to a linkage, which is guided to the location of sampling under water.
  • such a sensor head can also be installed in buoys, which then in particular for the purpose of
  • the sensor head may also include metal detectors or a sonar.
  • a camera system may be included to analyze the environment.
  • sample chamber is a transparent area in which the sample to be analyzed can be brought in.
  • optical analysis takes place in the sample chamber.
  • the "light source” associated with the sample chamber is in particular a monochromatic light source, such as a laser, when a Raman spectrum is to be determined
  • a tunable light source is selected which tunes a wavelength of 800 nm to 1100 nm can.
  • UV or visual spectroscopy can also be carried out, for example, in the form of absorption spectroscopy. Also in this type of spectroscopy, a tunable light source is used.
  • the monochromatic light source used for Raman spectroscopy a laser in the UV range at 266nm, in the optical range of 514, 5nm or in the IR range of 785nm can be used.
  • the light source may have an optical component for focusing the light source into the sample chamber.
  • the "spectrometer” with the associated “optics” is arranged so that a light signal in the sample chamber of the associated light source can be fed via the optics to the spectrometer.
  • the spectrometer determines in particular the light intensity as a function of the wavelength or wavenumber.
  • the spectrometer can be set to detect either the anti-Stokes or the Stokes side.
  • the spectrometer can be adjustable so that the entire spectrum is recorded around the excitation wavelength of the light source.
  • the use of the anti-Stokes signals is of particular advantage because it can neglect the fluorine essence of the water.
  • the Raman spectra can be determined in particular in a 90 ° geometry.
  • the light source can be divided into two light beams in a reference beam and a measuring beam and the light detector, which is then referred to as spectrometer, fed.
  • Vibration spectroscopy called. At this Spectroscopy, substances dissolved in water are either excited to vibrate or an existing vibration is de-energized so that, for example, scattering light has a slightly different frequency / wavelength / wavenumber. Because of the molecules involved, the Raman spectra vary widely, leaving each molecule with a unique fingerprint.
  • the sensor head can have a computer with a database in which corresponding pattern spectra have been stored in advance.
  • the measured spectra can be compared with the spectral database and thus certain substances can be detected on site. For example, the comparison can be made by a correlation.
  • the "feeding device” has a “sampling element” and a “sample feed line.”
  • the sampling element spills a sample, which is located outside the sensor head, into the sensor head
  • the sampling element may be a pump such as a suction pump
  • the sample supply line may be a tube or a tube through which the aspirated sample material is introduced into the sample chamber Have lattice that certain solids do not get into the sensor head.
  • the sensor head is designed essentially encapsulated, so that in the case that the sensor head is under water, the spectrometer is substantially dry.
  • the capsules can also be made only for the spectrometer itself or another separate capsule may be provided for the spectrometer.
  • the sensor head may have an adjusting device, which is assigned to the feed device, so that the sampling element and / or the sample supply line is changed locally.
  • the adjusting device is designed as a winch.
  • a winch is generally a device for raising and lowering and operates essentially on the principle of the wave wheel combined with a lever. Winch includes racks, winches, spindle winches, hydraulic jacks, loading winches or winches, which are also called winches.
  • the sampling element may be a controllable pump and / or the sample supply line may be an elastic and / or spiral tube. In particular, if the hose is arranged on the pump, by lowering the pump by means of the wind, a sample can also be drawn locally from the sensor head.
  • the sensor head has an optical waveguide, wherein in particular the optical waveguide also has the optics, and the optical waveguide is arranged such that a light signal from the sample chamber is conducted via the optical waveguide to the spectrometer.
  • the sample supply line can have a switchable opening.
  • the sensor head and the sampling element are designed such that the sampling element can close and open the sample feed line.
  • the sampling element is thus not only used to pull a sample or to bring a sample, but has a dual function in which it closes the sample feed line.
  • the opening can be done in particular by the operation of the winch.
  • the sample chamber can have a sample outlet, so that a sample can be brought out of the sample chamber.
  • this sample outlet may also be a tube which is guided outside the sensor head. Another tube or hollow body may form the sample outlet.
  • rinsing can take place in that the sensor head is moved out of the range of the measurement and the sampling element flushes "uncontaminated seawater" into the sample space, the uncontaminated seawater being discharged into the sample space being discharged via the sample outlet Sampling ensures that no contamination falsifies the measurement result.
  • the sensor head has a controllable or controllable drive, so that a stable sensor head position can be realized when taking a sample.
  • the sampling element is a pump
  • this may cause the pump to act as a drive.
  • This results in the sensor head being moved out of its sampling position.
  • the drive of the sensor head or a Underwater vehicle counteract this movement.
  • the sensor head for example, use sonar data, which determine the distance to the seabed or there may be position sensors, which detect any drift due to the pump operation. This drifting can be counteracted just by the controllable and / or controllable drive. In the case of rules, feedback is given in contrast to the control.
  • a metallic surface can be arranged in the sample space or the sample space can have metal particles, so that an SERS measurement can be realized.
  • SERS stands for Surface Enhanced Raman Spectroscopy.
  • metal tips in particular aluminum, gold or silver surface plasmons, which lead to an amplification of the Raman effect.
  • the focus of the light source is focused on a rough metal surface, since usable peaks form on rough surfaces for SERS. This achieves excellent results.
  • the sensor head is set up in such a way that after sampling and transferring the samples into the sample space, the sample space is rinsed.
  • the sample space is rinsed.
  • the sensor head can be removed from the sampling point and flushed with "clear sea or seawater.”
  • the sample feed line and the sample outlet can be used for rinsing through.
  • the object is achieved by an underwater vehicle which has a sensor head described above.
  • underwater vehicles can include AUV s 's (Autonomous Underwater Vehicles) or ROV' (Remotely Operated Vehicles) in particular.
  • AUV s 's Autonomous Underwater Vehicles
  • ROV' Remotely Operated Vehicles
  • unmanned underwater companions such as Glider or mobile devices that are operated by a diver or buoys and those that have their own drive, fall under the terminology underwater vehicle.
  • the underwater vehicle has a controllable and / or controllable drive, so that when taking a sample a stable
  • sensor head and underwater vehicle can share a common computer, via which both the adjustment of the spectra with the spectral database and any control and regulating mechanisms realized become.
  • multiple control devices with multiple computers can be distributed to the sensor head and underwater vehicle, in particular, the communication is via a bus system.
  • the object is achieved by the use of a previously described sensor head or by the use of a previously described vehicle for detecting toxic or hazardous substances, in particular explosives.
  • these substances are detected on the sediment or are dissolved in the water itself.
  • Figure 1 is a highly schematic representation of a
  • Figure 2 is a highly schematic representation of a
  • a sensor head 101 comprises a spectrometer 103, an associated optics 104 and an associated control computer 129.
  • the control computer 129 is a database with the Raman spectra of several dissolved toxic and hazardous substances deposited.
  • the optics 104 of the spectrometer 103 is directed into the interior of the transparent sample space 107.
  • the light source 105 is presently a narrow band diode laser with a wavelength of 785 nm.
  • the narrow-band diode laser 105 additionally has a focusing optics, which is directed through the transparent sample space 107 (also called sample container).
  • the optical focus of the diode laser 105 coincides with the focus of the optics 104 of the spectrometer 103.
  • a 90 ° measurement geometry is given.
  • a spiral inlet hose 109 is flanged.
  • the inlet hose 109 is designed spirally, so that the hose can be tracked accordingly with a change in length.
  • a submersible pump 115 At the end of the inlet hose 109, a submersible pump 115 is arranged. In a closed position, the submersible pump 115 closes an inlet opening 111. At the upper end of the submersible pump 115, a cable 121 and a cable drum 119 are arranged. The cable 121 and the cable drum 119 form the winch 117.
  • a direction of rotation 123 can be impressed. With a clockwise rotation, the cable 121 is extended and the submersible pump 115 is discharged in the open direction 125, so that the inlet opening 111 opens.
  • the inlet hose 109 remains fixed. If the pump has been lowered slightly, sediment or seawater can be pumped into the inlet opening 111 when the pump is running. By further actuating the pump 115, the inlet hose 109 is then filled so that a sample is brought into the sample space 107 becomes. After the sample space is filled, the winch 117 is again actuated, the cable drum 119 being driven counterclockwise by the motor. This shortens the cable 121 and the submersible pump 115 in turn closes the inlet opening 111.
  • the laser 105 is controlled and in the sample space 107, a laser focus is generated.
  • the resulting scattered light is conducted by means of the optics 104 in the spectrometer 103.
  • the CCD camera located in the spectrometer detects the intensity of the different wavelengths and the determined spectrum is matched in the control computer 129 with the stored in the database spectra, so as to defect dangerous substances.
  • the measurement for example the Raman measurement, takes place during the pumping process and thus during the passage of the sample water.
  • the present sensor head 101 is connected to an ROV 127.
  • the ROV is in turn connected via a fiber optic cable and a power cable to a surface vehicle and the data obtained is transmitted to the vessel.
  • the ROV 127 with the sensor head 101 is very close to the seabed or river bottom, it comes with sampling by means of the submersible pump 115 that moved due to the suction of the sensor head and thus the ROV against the open direction 125 becomes .
  • the ROV has a sonar and position sensors and thus detects the deviation due to the displacement.
  • the control computer 129 determines a control signal to the drive (not shown) of the ROV's transmitted, which thus counteracts the upward movement, so that the sensor head 101 is held substantially stable over the seabed based on the measured change in position.
  • the inlet hose is coupled to the submersible pump 115.
  • the spiral inlet hose 119 follows the submersible pump 115.
  • sediment or water can be brought directly into the inlet hose 109 via the submersible pump 115.
  • the spectrometer 203 may be arranged in a pressure vessel 251.
  • the spectrometer has a fiber optic cable 206, at the end of an optic 204 is arranged.
  • the fiber optic cable 206 is sealed through the pressure vessel 251.
  • the outlet 213 and the inlet via the submersible pump 215 are arranged on the underside of the sensor head 201. If, in turn, the submersible pump 215 sediment and water, which is brought into the sample space 207 via the inlet hose 209, then leads to an outflow at the outlet 213. This can be minimized interference that spend the sensor head 201 from its location.
  • this sensor head 201 may also include a winch 217 with a cable drum 219 and a cable 212. In turn, it is provided via the winch 217 to drain the submersible pump 215. Also in this case is realized by means of a laser 205, which is presently designed as a UV laser, which emits a narrowband monochromatic light signal at 266nm, in a 90 ° geometry.
  • a metal plate with individual applied metal tips is arranged in the sample space 207 at a 45 ° angle, so that scattered light is conducted into the optic 204.
  • a SERS measurement is realized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf für ein Unterwasserfahrzeug mit einer Probenkammer, mit einer der Probenkammer zugeordneten Lichtquelle und einem der Probenkammer zugeordnetem Spektrometer und einer zugeordneten Optik, sodass ein Spektrum, insbesondere Raman-Spektrum und/oder IR-Spektrum, einer Probe im Probenraum ermittelbar ist, wobei der Probenraum eine Zuführeinrichtung aufweist, wobei die Zuführeinrichtung ein Probennahmeelement und eine Probenzuleitung aufweist.

Description

Sensorkopf und dessen Verwendung sowie Unterwasserfahrzeug
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Sensorkopf für ein Unterwasserfahrzeug mit einer Probenkammer mit einer der Probenkammer zugeordneten Lichtquelle und einem der Probenkammer zugeordnetem Spektrometer und einer zugeordneten Optik, sodass ein Spektrum, insbesondere Raman-Spektrum und/oder IR-Spektrum einer Probe im Probenraum ermittelbar ist, wobei der Probenraum eine Zuführeinrichtung aufweist, sowie die Verwendung eines Sensorkopfes als auch ein Unterwasserfahrzeug.
[02] Insbesondere in Hafenböden befinden sich Gift- und Abfallstoffe. Auch sonst können im Wasser oder im Sediment Gefahrenstoffe wie beispielweise Sprengstoffe vorhanden sein, welche teilweise im Wasser gelöst sind.
[03] Um ein Gewässer oder Sediment zu untersuchen, werden im allgemeinen physische Proben an der jeweiligen Position oder am Gewässergrund genommen und werden beispielsweise auf ein Schiff verbracht, welches ein Labor aufweist, in dem die gezogene Probe analysiert wird. Derartige Verfahren sind äußerst aufwendig, da, um ein übersichtliches Bild gewinnen zu können, viele Proben gezogen werden müssen. Zudem kann eine derartige Probennahme auch gefährlich sein, da beispielsweise Sprengstoffe zur Explosion gebracht werden oder Gefahrenstoffe zu Kontamination führen können und damit einhergehend eine Gesundheitsgefährdung für Menschen darstellt. [04] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[05] Gelöst wird die Aufgabe durch einen Sensorkopf für ein Unterwasserfahrzeug mit einer Probenkammer, mit einer der Probenkammer zugeordneten Lichtquelle und einem der Probenkammer zugeordnetem Spektrometer und einer zugeordneten Optik, sodass ein Spektrum, insbesondere Raman-Spektrum und/oder IR-Spektrum, einer Probe im Proberaum ermittelbar ist, wobei der Probenraum eine Zuführeinrichtung aufweist, wobei die Zuführeinrichtung ein Probennahmeelement und eine Probenzuleitung aufweist.
[06] Somit kann vorteilhafterweise unter Wasser am Ort des Interesses eine Probe gezogen und analysiert werden. Es entfällt eine Probenentnahme und eine separate Analyse in einem Labor. Auch können somit großflächig und schnell viele Proben gezogen und analysiert werden.
[07] Weiterhin besteht auch keine Gefahr durch etwa gehobenes Probenmaterial, dass Personen oder andere Gerätschaften in Mitleidenschaft gezogen werden. Zudem werden somit nicht Gifte an die Oberfläche geholt, welche beispielsweise auf dem Weg sich großflächig verteilen und die Umwelt belasten.
[08] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[09] Ein „Sensorkopf" ist insbesondere ein Bauteil, welches an und/oder in ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug anflanschbar und/oder integrierbar ist. Dabei können Daten aus dem Sensorkopf an das Unterwasserfahrzeug oder umgekehrt transferiert werden. Auch Steuer- und Regelsignale können über eine derartige Leitung ausgetauscht werden. Auch kann der Sensorkopf beispielsweise an einem Gestänge befestigt sein, welches zu dem Ort der Probennahme unter Wasser geführt wird. Zudem kann ein solcher Sensorkopf auch in Bojen verbaut werden, welche dann insbesondere zum Zweck eines
Längs zeitmonitorings eingesetzt werden. Zusätzlich kann der Sensorkopf auch Metalldetektoren oder auch ein Sonar aufweisen. Auch kann ein Kamerasystem umfasst sein, um die Umgebung zu analysieren.
[10] Die „Probenkammer" ist insbesondere ein transparenter Bereich, in dem die zu analysierende Probe verbracht werden kann. Im Allgemeinen erfolgt die optische Analyse in der Probenkammer .
[11] Die der Probenkammer zugeordnete „Lichtquelle" ist insbesondere eine monochromatische Lichtquelle, wie beispielsweise ein Laser, wenn ein Raman-Spektrum ermittelt werden soll. Für ein IR-Spektrum wird insbesondere eine durchstimmbare Lichtquelle gewählt, welche eine Wellenlänge von 800nm bis llOOnm durchstimmen kann.
[12] Auch kann eine UV- oder visuelle Spektroskopie beispielsweise in Form einer Absorptionsspektroskopie durchgeführt werden. Auch bei dieser Art von Spektroskopie wird eine durchstimmbare Lichtquelle verwendet.
[13] Die monochromatische Lichtquelle, welche für die Raman-Spektroskopie eingesetzt wird, kann beispielsweise ein Laser im UV-Bereich bei 266nm, im optischen Bereich von 514, 5nm oder im IR-Bereich von 785nm verwendet werden.
[14] Zudem kann die Lichtquelle ein optisches Bauteil zum Fokussieren der Lichtquelle in die Probenkammer hinein aufweisen .
[15] Das „Spektrometer" mit der zugeordneten „Optik" ist so angeordnet, dass ein Lichtsignal in der Probenkammer der zugeordneten Lichtquelle über die Optik dem Spektrometer zugeführt werden kann. Das Spektrometer bestimmt dabei insbesondere die LichtIntensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder Wellenzahl. Für das Bestimmen der Raman- Spektren kann das Spektrometer so eingestellt werden, dass entweder die Anti-Stokes- oder die Stokes-Seite ermittelt wird. Auch kann das Spektrometer einstellbar sein, sodass das gesamte Spektrum um die Anregungswellenlänge der Lichtquelle herum aufgezeichnet wird.
[16] Das Verwenden der Anti-Stokes-Signale ist von besonderem Vorteil, da dadurch die Fluoressenz des Wassers vernachlässigt werden kann. Die Raman-Spektren können insbesondere in einer 90° Geometrie ermittelt werden. Bei der IR- sowie UV- und visuellen Spektroskopie kann die Lichtquelle in zwei Lichtstrahlen in einen Referenz strahl und einen Messstrahl aufgeteilt sein und dem Lichtdetektor, der dann im folgenden Spektrometer genannt wird, zugeführt werden .
[17] Sowohl die Raman-Spektroskopie als auch die IR- Spektroskopie werden insbesondere als
Schwingungsspektroskopie bezeichnet. Bei dieser Spektroskopie werden in Wasser gelöste Stoffe entweder zum Schwingen angeregt oder eine vorhandene Schwingung abgeregt, sodass beispielsweise streuendes Licht eine geringfügig andere Frequenz /Wellenlänge/Wellenzahl aufweist. Aufgrund der beteiligten Moleküle variieren die Raman-Spektren stark, sodass jedes Molekül einen einzigartigen Fingerprint hinterlässt.
[18] Um ein gemessenes Spektrum direkt vor Ort auszuwerten, kann der Sensorkopf einen Rechner mit einer Datenbank aufweisen, in der entsprechende Muster-Spektren vorab hinterlegt wurden. Die gemessenen Spektren können mit der Spektrendatenbank verglichen werden und somit bestimmte Stoffe vor Ort detektiert werden. Beispielsweise kann der Vergleich durch eine Korrelation erfolgen.
[19] Die „Zuführeinrichtung" weist ein „Probennahmeelement" und eine „Probenzuleitung" auf. Das Probennahmeelement verbringt eine Probe, welche sich außerhalb des Sensorkopfes befindet, in den Sensorkopf hinein. Die Probenzuleitung kann derart ausgestaltet sein, sodass die in den Sensorkopf eingeführte Probe in die Probenkammer verbracht wird. Dabei kann das Probennahmeelement beispielsweise eine Pumpe wie beispielsweise eine Saugpumpe und die Probenzuleitung ein Schlauch oder eine Röhre sein, durch welche das angesaugte Probenmaterial in den Probenraum verbracht wird. Auch kann die Probenzuleitung oder das Probennahmeelement einen Filter oder ein Gitter aufweisen, dass bestimmte Feststoffe nicht in den Sensorkopf gelangen. [20] In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorkopf im Wesentlichen gekapselt ausgeführt, sodass im Fall, dass der Sensorkopf unter Wasser ist, das Spektrometer im Wesentlichen trocken ist.
[21] Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein hochempfindliches Spektrometer vor Beschädigung durch eindringendes Wasser geschützt ist. Zudem kann das Kapseln auch lediglich für das Spektrometer selbst erfolgen oder eine weitere gesonderte Kapsel für das Spektrometer vorgesehen sein.
[22] Trocken im vorliegenden Sinne sei so zu verstehen, dass kein Wasser von außen eindringen kann.
[23] Um aus unterschiedlichen Tiefen Proben ziehen zu können oder von einem oberhalb eines Sediments angeordneten Sensorkopfs eine Probe aus dem Sediment zu entnehmen, kann der Sensorkopf eine Versteileinrichtung aufweisen, welche der Zuführeinrichtung zugeordnet ist, sodass beim Betätigen der Versteileinrichtung das Probennahmeelement und/oder die Probenzuleitung örtlich verändert werden.
[24] In einer diesbezüglichen Ausgestaltung ist die Versteileinrichtung als Winde ausgestaltet. Eine Winde ist allgemein eine Vorrichtung zum Heben und Senken und arbeitet im Wesentlichen nach dem Prinzip des Wellenrades kombiniert mit einem Hebel. Winde umfasst sowohl Zahnstangen, Winden, Spindelwinden, Hydraulikheber, Ladewinden oder auch Seilwinden, welche seemännisch auch Winsch genannt werden. [25] Um auch die Probenzuleitung in der Länge oder im Durchfluss verändern zu können, kann das Probennahmeelement eine steuerbare Pumpe und/oder die Probenzuleitung ein elastischer und/oder spiralförmiger Schlauch sein. Insbesondere wenn der Schlauch an der Pumpe angeordnet ist, kann durch ein Herablassen der Pumpe mittels der Winde auch örtlich vom Sensorkopf entfernt eine Probe gezogen werden.
[26] In einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf einen Lichtwellenleiter auf, wobei insbesondere der Lichtwellenleiter auch die Optik aufweist, und der Lichtwellenleiter derart angeordnet ist, dass ein Lichtsignal aus der Probenkammer über den Lichtwellenleiter zum Spektrometer geleitet wird.
[27] Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da derartige Bauteile und Spektrometer im Handel erhältlich sind und somit kein gesonderter Aufwand betrieben werden muss. Zudem können derartige Bauformen sehr klein ausgestaltet werden, sodass kleine Bauformen des Sensorkopfes ermöglicht werden.
[28] Um eine Probe im Probenraum zu stabilisieren und dort für eine Messung konstant zu halten, kann die Probenzuleitung eine schaltbare Öffnung aufweisen.
[29] In einer diesbezüglichen Ausprägungsform sind der Sensorkopf und das Probennahmeelement derart ausgestaltet, dass das Probennahmeelement die Probenzuleitung verschließen und öffnen kann. [30] Somit wird also das Probennahmeelement nicht nur zum Ziehen einer Probe beziehungsweise zum Verbringen einer Probe verwendet, sondern hat eine Doppelfunktion, bei der sie die Probezuleitung verschließt. Das Öffnen kann insbesondere durch das Betätigen der Winde erfolgen.
[31] Um ein effektives Spülen des Probenraums zu gewährleisten, kann der Probenraum einen Probenauslass aufweisen, sodass eine Probe aus dem Probenraum verbringbar ist. Dieser Probenauslass kann beispielsweise ebenfalls ein Schlauch sein, welcher außerhalb des Sensorkopfs geführt wird. Auch eine sonstige Röhre oder Hohlkörper kann den Probenauslass bilden. Insbesondere kann ein Spülen dadurch erfolgen, dass der Sensorkopf aus dem Bereich der Messung verfahren wird und das Probennahmeelement „nicht kontaminiertes Meerwasser" in den Probenraum spült, wobei das in den Probenraum verbrachte nicht kontaminierte Meerwasser über den Probenauslass abgeführt wird. Somit wird bei einer erneuten Probennahme gewährleistet, dass keine Verunreinigungen das Messergebnis verfälschen.
[32] In einer weiteren Ausführungsform weist der Sensorkopf einen steuerbaren oder regelbaren Antrieb auf, sodass bei einem Probenaufnehmen eine stabile Sensorkopfposition realisierbar ist.
[33] Für den Fall, dass das Probennahmeelement eine Pumpe ist kann dies dazu führen, dass die Pumpe wie ein Antrieb wirkt. Dies führt dazu, dass der Sensorkopf aus seiner Probennahmenposition verschoben wird. Um dies zu verhindern, kann der Antrieb des Sensorkopfes oder eines Unterwassesrfahrzeugs dieser Bewegung entgegen wirken. Dazu kann der Sensorkopf beispielsweise Sonardaten verwenden, welche den Abstand zum Meeresboden bestimmen oder es können Lagesensoren vorhanden sein, welche ein etwaiges Abdriften aufgrund des Pumpenbetriebes erkennen. Diesem Abdriften kann eben durch den steuerbaren und/oder regelbaren Antrieb entgegengewirkt werden. Beim Regeln ist im Gegensatz zum Steuern eine Rückkopplung gegeben.
[34] Um auch kleinste Konzentrationen an Stoffen in Meerwasser oder im aufgenommenen Sediment zu detektieren, kann in den Probenraum eine metallische Oberfläche angeordnet sein oder kann der Probenraum Metallpartikel aufweisen, sodass eine SERS-Messung realisierbar ist.
[35] SERS steht für Surface Enhanced Raman Spectroscopy . Dabei werden in Metallspitzen insbesondere aus Aluminium, Gold oder Silber Oberflächenplasmonen verschoben, welche zu einer Verstärkung des Raman-Effekts führen. Dadurch können eine niedrigere Konzentrationen an Stoffen als bei üblichen Raman-Messungen detektiert werden. Insbesondere ist dabei der Fokus der Lichtquelle auf eine raue Metalloberfläche fokussiert, da sich auf rauen Oberflächen für SERS nutzbare Spitzen bilden. Dadurch werden hervorragende Ergebnisse erreicht .
[36] In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorkopf derart eingerichtet, dass nach einer Probennahme und Verbringen der Proben in den Probenraum, der Probenraum gespült wird. Somit kann jeweils gewährleistet werden, dass die Messung korrekte Ergebnisse liefert und eine Kontamination durch vorhergehende Messungen vermieden wird.
[37] Insbesondere kann dabei der Sensorkopf von der Probennahmenstelle entfernt werden und mit „klarem Seeoder Meerwasser" die Spülung erfolgen. Für das Spülen kann insbesondere das Probennahmeelement , die Probenzuleitung und die Probenableitung zum Durchspülen verwendet werden.
[38] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Unterwasserfahrzeug, welches einen zuvor beschriebenen Sensorkopf aufweist. Derartige Unterwasserfahrzeuge können insbesondere AUV's (autonomous underwater vehicles) oder ROV's (remotely operated vehicles) umfassen. Auch unbemannte Unterwassergefährte wie Glider oder mobile Geräte, welche durch einen Taucher bedient werden oder Bojen sowie jene, die über einen eigenen Antrieb verfügen, fallen unter die Begrifflichkeit Unterwasserfahrzeug .
[39] In einer Ausführungsform weist das Unterwasserfahrzeug einen steuerbaren und/oder regelbaren Antrieb auf, sodass bei einem Probennehmen eine stabile
Unterwasserfahrzeugposition realisierbar ist. Hierzu wird zu den obigen Ausführungen verwiesen, bei denen der Sensorkopf über einen eigenen steuerbaren und regelbaren Antrieb verfügt.
[40] Insbesondere können Sensorkopf und Unterwasserfahrzeug sich einen gemeinsamen Rechner teilen, über welchen sowohl der Abgleich der Spektren mit der Spektraldatenbank als auch etwaige Steuer- und Regelmechanismen realisiert werden. Auch mehrere Steuergeräte mit mehreren Rechnern können auf Sensorkopf und Unterwasserfahrzeug verteilt sein, wobei insbesondere die Kommunikation über ein Bus- System erfolgt.
[41] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines zuvor beschriebenen Sensorkopfes oder durch die Verwendung eines zuvor beschriebenen Fahrzeugs zum Detektieren von giftigen oder gefährlichen Stoffen, insbesondere von Sprengstoffen.
[42] Insbesondere werden diese Stoffe am Sediment detektiert oder sind in dem Wasser selbst gelöst.
[43] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines
Sensorkopfs in einer Schnittdarstellung und
Figur 2 eine stark schematische Darstellung eines
Sensorkopfs in einer Schnittdarstellung mit gekapseltem Spektrometer.
[44] In einer ersten Alternative weist ein Sensorkopf 101 ein Spektrometer 103, eine zugehörige Optik 104 und einen zugeordneten Steuerrechner 129 auf. In dem Steuerrechner 129 ist eine Datenbank mit den Raman-Spektren mehrerer gelöster Gift- und Gefahrenstoffe hinterlegt. Die Optik 104 des Spektrometers 103 ist in den Innenraum des transparenten Probenraums 107 gerichtet. Die Lichtquelle 105 ist vorliegend ein schmalbandiger Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 785nm. Der schmalbandige Diodenlaser 105 weist zusätzlich eine Fokussierungsoptik auf, welche durch den transparenten Probenraum 107 (auch Probenbehälter genannt) gerichtet ist. Der optische Fokus des Diodenlasers 105 fällt mit dem Fokus der Optik 104 des Spektrometers 103 zusammen. Mithin ist eine 90° Mess-Geometrie gegeben. An dem transparenten Probenraum 107 ist ein spiralförmiger Zulaufschlauch 109 angeflanscht. Der Zulaufschlauch 109 ist spiralförmig ausgelegt, damit bei einer Längenveränderung der Schlauch entsprechend nachgeführt werden kann.
[45] Am Ende des Zulaufschlauchs 109 ist eine Tauchpumpe 115 angeordnet. In einer Schließstellung verschließt die Tauchpumpe 115 eine ZulaufÖffnung 111. Am oberen Ende der Tauchpumpe 115 sind ein Seil 121 und eine Seiltrommel 119 angeordnet. Das Seil 121 und die Seiltrommel 119 bilden die Winde 117.
[46] Durch einen Motor (nicht dargestellt) kann der Seiltrommel 119 eine Drehrichtung 123 aufgeprägt werden. Bei einer Drehung im Uhrzeigersinn verlängert sich das Seil 121 und die Tauchpumpe 115 wird in Offenrichtung 125 abgelassen, sodass sich die ZulaufÖffnung 111 öffnet.
[47] In einer ersten Alternative bleibt der Zulaufschlauch 109 fest verortet. Bei leicht herabgelassener Pumpe kann Sediment oder Seewasser bei betriebener Pumpe in die ZulaufÖffnung 111 verbracht werden. Durch weiteres Betätigen der Pumpe 115 wird dann der Zulaufschlauch 109 gefüllt, sodass eine Probe in den Probenraum 107 verbracht wird. Nachdem der Probenraum gefüllt ist, wird die Winde 117 wiederrum betätigt, wobei die Seiltrommel 119 entgegen dem Uhrzeigersinn durch den Motor angetrieben wird. Dadurch verkürzt sich das Seil 121 und die Tauchpumpe 115 verschließt wiederrum die ZulaufÖffnung 111.
[48] Anschließend wird der Laser 105 angesteuert und in den Probenraum 107 wird ein Laserfokus erzeugt. Das sich ergebene Streulicht wird mittels der Optik 104 in das Spektrometer 103 geleitet. Die in dem Spektrometer befindliche CCD Kamera detektiert die Intensität der unterschiedlichen Wellenlängen und das ermittelte Spektrum wird im Steuerrechner 129 mit dem in der Datenbank hinterlegten Spektren abgeglichen, um so Gefahrstoffe zu defektieren .
[49] Alternativ erfolgt die Messung, beispielsweise die Raman-Messung, während des Pumpvorgangs und somit während des Durchlaufs des Probenwassers.
[50] Vorliegender Sensorkopf 101 ist an ein ROV 127 angeschlossen. Das ROV ist wiederrum über ein Glasfaserkabel und über ein Stromkabel mit einem Überwasserfahrzeug verbunden und die ermittelten Daten werden an das Wasserfahrzeug übermittelt.
[51] Insbesondere für den Fall, dass sich das ROV 127 mit dem Sensorkopf 101 sehr nahe am Meeresboden oder Flussboden befindet, kommt es beim Probenziehen mittels der Tauchpumpe 115 dazu, dass aufgrund des Ansaugens der Sensorkopf und somit das ROV entgegen der Offenrichtung 125 verschoben wird . [52] Das ROV weist ein Sonar und Lagesensoren auf und detektiert mithin die Abweichung aufgrund der Verschiebung. Der Steuerrechner 129 ermittelt aufgrund der gemessenen Lageänderung ein Stellsignal, welches an den Antrieb (nicht dargestellt) des ROV 's übermittelt wird, welcher somit der Aufwärtsbewegung entgegenwirkt, sodass der Sensorkopf 101 im Wesentlichen stabil über den Meeresboden gehalten wird.
[53] In einer weiteren Alternative ist der Zulaufschlauch an die Tauchpumpe 115 gekoppelt. Sobald die Tauchpumpe in Richtung 125 mittels der Winde 117 abgelassen wird, folgt der spiralförmige Zulaufschlauch 119 der Tauchpumpe 115. Somit kann Sediment oder Wasser direkt über die Tauchpumpe 115 in den Zulaufschlauch 109 verbracht werden.
[54] Eine weitere Alternative ist in der Figur 2 dargestellt. Dabei kann das Spektrometer 203 in einem Druckbehälter 251 angeordnet sein. Das Spektrometer weist ein Glasfaserkabel 206 auf, an dessen Ende eine Optik 204 angeordnet ist. Das Glasfaserkabel 206 wird abgedichtet durch den Druckbehälter 251 geführt.
[55] Vorliegend sind Ablauf 213 und der Zulauf über die Tauchpumpe 215 an der Unterseite des Sensorkopfs 201 angeordnet. Saugt nun wiederrum die Tauchpumpe 215 Sediment und Wasser an, welches über den Zulaufschlauch 209 in den Probenraum 207 verbracht wird, führt dies dazu, dass ein Abfluss am Ablauf 213 entsteht. Dadurch können Störeinflüsse, welche den Sensorkopf 201 aus seiner Lage verbringen, minimiert werden. [56] Zusätzlich kann ebenfalls dieser Sensorkopf 201 eine Winde 217 mit einer Seiltrommel 219 und einem Seil 212 aufweisen. Wiederrum ist es vorgesehen über die Seilwinde 217 die Tauchpumpe 215 abzulassen. Auch in diesem Fall ist mittels eines Lasers 205, welcher vorliegend als UV-Laser ausgestaltet ist, welcher ein schmalbandiges monochromatisches Lichtsignal bei 266nm aussendet, in einer 90° Geometrie realisiert.
[57] Vorliegend ist eine Metallplatte mit einzelnen aufgebrachten Metallspitzen im Probenraum 207 in einem 45°- Winkel angeordnet, sodass Streulicht in die Optik 204 geleitet wird. Somit ist eine SERS-Messung realisiert.
Bezugs zeichenliste
101 Sonarkopf
103 Spektrometer
104 Optik
105 Laser
107 Probenraum
109 Zulaufschlauch
111 ZulaufÖffnung
113 Ablauf
115 Tauchpumpe
117 Winde
119 Seiltrommel
121 Seil
123 Drehrichtung Trommel
125 Offenrichtung Tauchpumpe
127 ROV
129 Steuerrechner
201 Sonarkopf
203 Spektrometer 204 Optik
205 Laser
206 Lichtwellenleiter mit Ausgangsoptik
207 Probenraum
209 Zulaufschlauch
213 Ablauf
215 Tauchpumpe
217 Winde
219 Seiltrommel
221 Seil
251 Druckbehälter

Claims

Patentansprüche :
1. Sensorkopf (101, 201) für ein Unterwasserfahrzeug (127) mit einer Probenkammer (107, 207), mit einer der Probenkammer zugeordneten Lichtquelle (105, 205) und einem der Probenkammer zugeordnetem Spektrometer (103, 203) und einer zugeordneten Optik (104, 204), sodass ein Spektrum, insbesondere Raman-Spektrum und/oder IR- Spektrum, einer Probe im Probenraum ermittelbar ist, wobei der Probenraum eine Zuführeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung ein Probennahmeelement (115, 215) und eine Probenzuleitung (109, 209) aufweist.
2. Sensorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf im Wesentlichen gekapselt ausgeführt ist, sodass im Fall, dass der Sensorkopf unter Wasser ist, das Spektrometer im Wesentlichen trocken ist.
3. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Versteileinrichtung (117, 217), welche der Zuführeinrichtung zugeordnet ist, sodass bei betätigter Versteileinrichtung das Probennahmeelement und/oder die Probenzuleitung örtlich verstellt werden.
4. Sensorkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteileinrichtung als Winde ausgestaltet ist.
5. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Probennahmeelement eine Pumpe und/oder die Probenzuleitung ein elastischer und/oder spiralförmiger Schlauch ist oder sind.
6. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtwellenleiter (206), wobei insbesondere der Lichtwellenleiter die Optik aufweist, und der Lichtwellenleiter derart angeordnet ist, dass ein Lichtsignal aus der Probenkammer über den
Lichtwellenleiter zum Spektrometer geleitet wird.
7. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenzuleitung eine schaltbare Öffnung (111) aufweist.
8. Sensorkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Probennahmeelement die Probenzuleitung verschließt.
9. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenraum einen Probenauslass (113, 213) aufweist, sodass eine Probe aus dem Probenraum verbringbar ist.
10. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen steuerbaren oder regelbaren Antrieb, sodass bei einem Probenaufnehmen eine stabile Sensorkopfposition realisierbar ist.
11. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenraum eine metallische Oberfläche oder Metallpartikel aufweist, sodass eine SERS-Messung realisierbar ist.
12. Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, welcher derart eingerichtet ist, dass nach einer Probennahme und Verbringen der Probe in den Probenraum der Probenraum gespült wird.
13. Unterwasserfahrzeug (127), welches einen Sensorkopf nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
14. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen steuerbaren oder regelbaren Antrieb, sodass bei einem Probenaufnehmen eine stabile
Unterwasserfahrzeugposition realisierbar ist. Verwendung eines Sensorkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eines Wasserfahrzeugs nach einem der Ansprüche 13 oder 14 zum Detektieren von giftigen oder gefährlichen Stoffen, insbesondere von Sprengstoffen.
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