WO2007000297A1 - Photoakustischer freifelddetektor - Google Patents

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WO2007000297A1
WO2007000297A1 PCT/EP2006/006131 EP2006006131W WO2007000297A1 WO 2007000297 A1 WO2007000297 A1 WO 2007000297A1 EP 2006006131 W EP2006006131 W EP 2006006131W WO 2007000297 A1 WO2007000297 A1 WO 2007000297A1
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WO
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excitation light
acoustic
photoacoustic
detector according
photoacoustic detector
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PCT/EP2006/006131
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Breuer
Andrew H. Kung
Andras Miklos
Judit Angster
Klaus Sedlbauer
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
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    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • G—PHYSICS
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    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02809—Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change

Definitions

  • the invention relates to a photoacoustic free-field detector. With such a photoacoustic detector should also be detected in a simple manner, a small amount of trace gases without expensive sampling.
  • Photoacoustic detection takes place in that excitation light is absorbed by absorbing substances. This causes a warming.
  • the heating leads to expansion, especially when gases are heated.
  • the heating of the gases can also be effected indirectly, for example by heated solid particles which heat the surrounding gas. If the heating and the resulting expansion take place sufficiently fast, sound is created that can be detected with an acoustic sensor, such as a microphone.
  • the detected sound is thus a measure of the absorbed energy, which depends on the intensity of the excitation light and the type and concentration of the absorbing substances.
  • photoacoustic detectors which are formed of closed cells with transparent windows. In such detectors, the actual photoacoustic detection takes place in an acoustic
  • Elements usually mirrors, are arranged outside the measuring cell, so that the excitation light has to pass through two windows each time it passes through.
  • the excitation light is weakened and there is only a small signal amplification.
  • the Absorption in the windows can also have the disadvantage that an unwanted photoacoustic background signal is generated by the absorption, which is superimposed on the measurement signal and thus reduces the measurement sensitivity.
  • the inlet and outlet are open to the gas but closed to the generated sound waves.
  • the outlets and inlets closed for sound waves only allow a difficult supply of the air to be examined. Therefore, so-called acoustically open photoacoustic detectors have been developed. In such photoacoustic detectors, however, the sound pressure caused by the absorption on the microphone is already so weakened that the measuring sensitivity is undesirably reduced.
  • JP 62 272 1 53 A is a photoacoustic
  • Measuring arrangement with an open cell known.
  • a measuring cell and a reference cell are present, which are pressed onto the surface of a sample. This creates airtight areas.
  • a fiber introduces modulated light to illuminate the sample. This creates pressure waves that reach a microphone. The position of the microphone is adjustable.
  • an open photoacoustic measuring cell for assessing the skin, in particular human skin, using a fiber optic cable and a microphone is known.
  • This measuring cell is characterized in that an open, non-resonant photoacoustic measuring chamber is provided.
  • the measuring cell is housed in addition to the microphone and the associated amplifier.
  • two brackets are provided for the displacement-free mounting of the measuring cell on a body part.
  • One embodiment of the microphone is an electret microphone.
  • a portable measuring cell for measuring the photosynthetic activity of photosynthetically active tissue is known.
  • the measuring cell is housed in a housing which is open at one end.
  • an acoustic sensor is arranged.
  • the housing is attached to or above the photosynthetic active probe.
  • Both a modulated and a continuously radiating light source are provided, with means being provided for conducting both the modulated light and the continuous light to the sample.
  • a radially or azimuthally non-resonant photoacoustic flow cell which operates without windows. This turns off the background signal of the window.
  • the cell is designed as a long tube.
  • the length of the cell is 34 x 10 3 cm divided by the modulation frequency of the light source and is made of conductive material.
  • a measuring chamber for photoacoustic sensors for the continuous measurement of radiation-absorbing substances, in particular of radiation-absorbing particles in gaseous samples is known. It is provided with at least one inlet and at least one outlet for the samples. It has a longitudinally flowed through by the sample
  • Pipe section in which a microphone is arranged. Furthermore, at least one aligned with the pipe section entrance and exit point for the laser beam is present. The entry and exit point are spaced by a respective chamber from the measuring tube.
  • two inlets are provided at the opposite ends of the pipe section and at least one outlet at a position midway between the inlets.
  • a photoacoustic measuring device for continuously determining the concentration of particles contained in a gas is known. It has two measuring cells, which are parallel to each other from the light of a laser be irradiated. The first measuring cell is fed gas without particles. In the optical path in front of each of the two measuring cells is a chopper. The first chopper is operated at a chopper frequency which corresponds to the resonant frequency of the first measuring cell, while the chopper frequency of the second chopper corresponds to the resonant frequency of the second measuring cell. With such a measuring device, for example, the particle content in exhaust gases, for. B. of vehicles.
  • Object of the present invention is now to provide an acoustically open photoacoustic free-field detector, in which a sufficient sound pressure at the acoustic sensor is present.
  • the object of the invention is also to provide a corresponding acoustic measuring method.
  • the solution to this problem is given in the independent claims. Advantageous developments can be found in subclaims.
  • a photoacoustic detector is provided with an acoustically open measuring range which is not completely enclosed by a housing. This is to be understood as meaning a measuring range in which the sound pressure generated by the absorption can escape at the relatively large inlets and outlets of the sample air.
  • This photoacoustic detector comprises means for introducing excitation light into the measurement area, so that the excitation light can be absorbed by the absorbents present in the measurement area to generate acoustic energy. Furthermore, at least one acoustic sensor is provided. The detector is characterized in that there are means for concentrating the acoustic energy. With these means, a local maximum of the sound pressure can be achieved at least one position. A local maximum of the sound pressure is to be understood as meaning a position at which the sound pressure is noticeably increased in comparison to the immediate environment. The at least one acoustic sensor is then arranged in the vicinity of the at least one position at which the local maximum of the generated sound pressure is present or can be generated. The concentration of the generated sound pressure makes it possible, even in an acoustically open measuring range with a sufficient
  • Sensitivity can be measured.
  • sample air is referred to above, since the main field of application is certainly the measurement of trace gases or particles in air or a gas mixture, it is conceivable to use a photoacoustic free field detector also for the measurement of liquids.
  • a photoacoustic free field detector also for the measurement of liquids.
  • the generation of a sufficiently high sound pressure is more difficult in liquids than in gases, but the photoacoustic measurement of absorbing substances in liquids is known and proven to be practicable.
  • a further increase in the photoacoustic signal obtained can be achieved if optically reflecting elements are arranged so that a multiple passage of the excitation light through the measuring range can take place. In this case, a higher energy is absorbed, which then leads to a corresponding higher sound production.
  • One way to concentrate the acoustic energy is to provide elements that influence the acoustic energy generated by the absorption of the excitation light such that at least one position with a local maximum of the sound pressure is achievable. Thus, the already generated sound is steered accordingly.
  • the concentration of the acoustic energy elements that allow such a distribution of the excitation light that the acoustic energy generated by the excitation light has a distribution such that a concentration of the acoustic energy can take place. Even so, at least one position with a local maximum of the sound pressure can be achieved.
  • the two methods ie concentrating the already generated sound and distributing the excitation light in such a way that the resulting sound due to the geometric arrangement itself tends to concentrate at certain positions, can be combined. Both variants allow a concentration of acoustic energy in an acoustically open measuring range.
  • acoustic mirrors are suitable. With these, the generated sound can be steered so that positions are achieved with a local maximum of the sound pressure.
  • optically reflective elements are suitable. Particularly suitable here are optical mirrors.
  • the photoacoustic detector so that the excitation light can be distributed in such a way that it is possible to generate acoustic energy in a circular and / or helical and / or polygonal subregion of the measuring region. With such a distribution of the excitation light, positions are formed at which a local maximum of the sound pressure occurs.
  • the present photoacoustic detector can also be operated with pulsed and / or modulated excitation light. It makes sense to tune the modulation frequency of the light pulses to a maximum sensitivity of the acoustic sensor.
  • diode lasers emitting infrared radiation can be modulated at a frequency of up to several hundred megahertz. Because of the limited diameter of the laser beams at these high frequencies, these can not be used in photoacoustics. The frequency range from 100 kHz to 500 kHz, however, is suitable for photoacoustic measurements. It is possible to modulate both the intensity and the wavelength of the excitation light.
  • Pulsed solid-state lasers that emit pulses with a duration of 10 to 50 ns are suitable for operating the detector with pulsed excitation light.
  • the temporal profile of the pulses is approximately Gaussian.
  • the absorption of the laser pulse by a gas leads to an acoustic pulse whose profile corresponds to the time change of the exciting light pulse.
  • a unipolar laser pulse thus produces a bipolar acoustic pulse of approximately the same duration.
  • Such bipolar acoustic pulses are caused throughout the irradiated area, as far as absorbing substances are present.
  • the total duration of the acoustic pulse outside the laser pulse is proportional to the time required for the acoustic pulse to travel through the laser pulse.
  • the duration of the acoustic pulse can be estimated at 3 ⁇ s.
  • the frequency spectrum of such an acoustic pulse is approximately Gaussian around a peak frequency of 300 kHz.
  • a suitable design of the condenser and / or electret microphone results when at a repetition frequency of the excitation light of 1 to 10khz can be measured at a harmonic.
  • a maximum sensitivity of the microphone can be achieved by tuning the repetition frequency of the excitation light.
  • an ultrasonic sensor as an acoustic sensor. It is quite conceivable not to use a broadband tuned ultrasonic sensor. For example, it lends itself to use an ultrasonic sensor, the on
  • Frequency values such as 40 kHz and / or 80 kHz and / or 120 kHz is tuned. Such ultrasonic sensors are available at low cost.
  • the described photoacoustic detector and a method in which absorbing substances are detected with the photoacoustic detector are well suited for monitoring indoor air quality, in particular for monitoring the air taken in indoor ventilation systems. This is due to the fact that photoacoustic detection can cover a broad measuring range for a wide variety of absorbing substances that can be irritating indoors. For aeration facilities, it is also necessary that a costly sampling is unnecessary, since a rapid adaptation of the ventilation to the detected pollutant concentrations is desired.
  • Figures 1 and 2 show an exemplary photoacoustic detector.
  • the exciting light beam 1 of a laser enters the measuring range. Due to the two optical mirrors 2, which have a diameter of about 50 mm, the light is reflected several times. The reflected light rays are in one plane (FIG. 3).
  • the first acoustic mirror 3 is a square-shaped flat mirror having a thickness of 8 mm and a side length of 100 mm. He has in the middle of a recess for the microphone 5.
  • the opposite second acoustic mirror 4 is cuboid with a side length of 100 mm. In the outer region of the second acoustic mirror 4 has a thickness of 30 mm.
  • the second acoustic mirror In an inner area having a diameter of 80 mm, the second acoustic mirror is concave toward the measuring area.
  • the microphone 5 is located on the axis of symmetry of the acoustic mirrors.
  • the microphone 5 has a distance of 25 mm from the second acoustic mirror 4.
  • FIG. 3 shows a structure in which the exciting light beam 1 passes through the measuring area several times. Each passage absorbs a certain amount of absorbent material. The reflection of the light beam 1 takes place at the mirrors 2, which are formed as optical mirrors.
  • FIG. 4 shows a detailed view of the second acoustic mirror 4. Thereafter, the maximum depression is 16 mm.
  • the radial distance from the center of the second acoustic mirror 4 is denoted by X; the depth of the depression with z.

Abstract

Vorgestellt wird ein photoakustischer Detektor mit einem nicht vollständig von einem Gehäuse umschlossenen, akustisch offenem Messbereich. Dieser Detektor umfasst Mittel zum Einbringen von Anregungslicht in den Messbereich, so dass das Anregungslicht von im Messbereich befindlichen absorbierenden Stoffen zur Erzeugung akustischer Energie absorbiert werden kann. Ferner weist der Detektor mindestens einen akustischen Sensor (5) auf und zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel zur Konzentration (2, 3, 4) der akustischen Energie vorhanden sind, um an mindestens einer Position ein lokales Maximum des Schalldrucks zu erreichen, wobei der mindestens eine akustische Sensor (5) in der Nähe der mindestens einen Position, an der das lokale Maximum des erzeugten Schalldrucks vorliegt oder erzeugbar ist, angeordnet ist. Ferner ist ein zugehöriges Verfahren gezeigt.

Description

Photoakustischer Freifelddetektor
Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Freifelddetektor. Mit einem derartigen Photoakustischen Detektor soll auf einfache Weise auch eine geringe Menge an Spurengasen ohne aufwendige Probennahme detektiert werden.
Stand der Technik
Photoakustische Detektion erfolgt dadurch, dass Anregungslicht von absorbierenden Stoffen absorbiert wird. Dadurch erfolgt eine Erwärmung. Die Erwärmung führt zu einer Ausdehnung, insbesondere wenn Gase erwärmt werden. Dabei kann die Erwärmung der Gase auch indirekt erfolgen, beispielsweise durch erwärmte Feststoffpartikel, die das umgebende Gas erwärmen. Erfolgt die Erwärmung und die daraus resultierende Ausdehnung hinreichend schnell, entsteht Schall, der mit einem akustischen Sensor, etwa einem Mikrophon, erfasst werden kann. Der erfasste Schall ist somit ein Maß für die absorbierte Energie, die von der Intensität des Anregungslichts sowie der Art und Konzentration der absorbierenden Stoffe abhängen.
Aus dem Stand der Technik sind Photoakustische Detektoren bekannt, die aus geschlossenen Zellen mit transparenten Fenstern ausgebildet sind. In derartigen Detektoren erfolgt die eigentliche Photoakustische Detektion in einem akustischen
Resonator. Die Luft oder das Gas, in dem die zu detektierenden absorbierenden Stoffe - in der Regel handelt es sich um Spurengase - vorhanden sind, fließt durch die Zelle. Dies erfolgt normalerweise mit einer Pumpe. Dabei sind auch so genannte Multipassanordnungen bekannt, bei denen das Anregungslicht die Photoakustische Messzelle mehrfach durchstrahlt. Die dazu erforderlichen optisch reflektierenden
Elemente, in der Regel Spiegel, sind außerhalb der Messzelle angeordnet, so dass das Anregungslicht bei jedem Durchgang durch zwei Fenster durchgehen muss. Damit wird das Anregungslicht geschwächt und es entsteht nur eine geringe Signalverstärkung. Die Absorption in den Fenstern kann auch den Nachteil haben, dass durch die Absorption ein unerwünschtes Photoakustisches Hintergrundsignal erzeugt wird, welches dem Messsignal überlagert ist und somit die Messempfindlichkeit herabsetzt.
Bei alternativen Anordnungen, bei denen die zu untersuchende Luft oder das zu untersuchende Gas durch die Messzelle strömt, sind der Einlass und der Auslass für das Gas offen, für die erzeugten Schallwellen aber geschlossen, ausgebildet. Mit einer derartigen Messanordnung ist es jedoch nicht möglich, Freifeldmessungen durchzuführen, die ein besseres Abbild für die reale Belastung der Luft mit den absorbierenden Stoffen gibt. Dies liegt daran, dass die für Schallwellen geschlossenen Auslässe und Einlasse nur eine erschwerte Zuführung der zu untersuchenden Luft gestatten. Daher wurden auch so genannte akustisch offene photoakustische Detektoren entwickelt. Bei derartigen photoakustischen Detektoren ist aber der durch die Absorption hervorgerufene Schalldruck am Mikrofon bereits so geschwächt, dass die Messempfindlichkeit in unerwünschter Weise reduziert ist.
Aus der Zusammenfassung der JP 62 272 1 53 A ist eine photoakustische
Messanordnung mit einer offenen Zelle bekannt. Dabei sind eine Messzelle und eine Referenzzelle vorhanden, die auf die Oberfläche einer Probe gedrückt werden. Damit entstehen luftdichte Bereiche. Durch eine Faser wird moduliertes Licht zur Beleuchtung der Probe eingeführt. Dadurch entstehen Druckwellen, welche zu einem Mikrofon gelangen. Die Lage des Mikrofons ist verstellbar.
Aus der Zusammenfassung der JP 05 196 448 A ist eine weitere offene photoakustische Messzelle bekannt. Moduliertes Licht eines Argon-Ionenlasers wird durch ein Quarzfenster auf eine zu vermessende Oberfläche geführt. Die Taktfrequenz des Lasers stimmt mit der Frequenz natürlicher Schwingungen der Messsäule überein. Dies gestattet eine Messung mit hoher Empfindlichkeit.
Auch aus der Zusammenfassung der JP 05 026 627 A ist eine offene photoakustische Messzelle bekannt.
Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 296 17 790 111 ist eine offene photoakustische Messzelle zur Beurteilung der Haut, insbesondere menschlicher Haut, unter Verwendung eines Lichtleitkabels und eines Mikrofons bekannt. Diese Messzelle zeichnet sich dadurch aus, dass eine offene, nicht resonante photoakustische Messkammer vorgesehen ist. In der Messzelle ist neben dem Mikrofon auch der zugehörige Verstärker untergebracht. Für die verschiebungsfreie Halterung der Messzelle an einem Körperteil sind zwei Haltebügel vorgesehen. Eine Ausführungsform für das Mikrofon ist ein Elektretmikrofon.
Aus der US 4,533,252 ist eine tragbare Messzelle zur Messung der Photosyntheseaktivität von photosynthetisch aktivem Gewebe bekannt. Die Messzelle ist in einem Gehäuse untergebracht, welches an einem Ende offen ist. In diesem Gehäuse ist ein akustischer Messfühler angeordnet. Das Gehäuse ist an oder über der photosynthetisch aktiven Probe angebracht. Es ist sowohl eine modulierte als auch eine kontinuierlich strahlende Lichtquelle vorgesehen, wobei Mittel vorhanden sind, sowohl das modulierte Licht als auch das kontinuierliche Licht auf die Probe zu leiten.
Aus der US 4,688,942 ist eine radial oder azimuthal nicht resonante photoakustische Durchflussmesszelle bekannt, welche ohne Fenster arbeitet. Damit wird das Hintergrundsignal des Fensters ausgeschaltet. Die Zelle ist als langes Rohr ausgebildet. Die Länge der Zelle ist 34 x 103 cm geteilt durch die Modulationsfrequenz der Lichtquelle und besteht aus leitendem Material.
Aus der Gebrauchsmusterschrift AT 006 894 U2 ist eine Messkammer für photoakustische Sensoren zur kontinuierlichen Messung von Strahlungsabsorbierenden Substanzen, insbesondere von Strahlungsabsorbierenden Partikeln in gasförmigen Proben bekannt. Sie ist versehen mit zumindest einem Einlass und zumindest einem Auslass für die Proben. Sie weist einen von der Probe in Längsrichtung durchströmbaren
Rohrabschnitt auf, in dem ein Mikrofon angeordnet ist. Ferner ist mindestens eine mit dem Rohrabschnitt fluchtende Eintritts- und Austrittsstelle für den Laserstrahl vorhanden. Die Eintritts- und Austrittsstelle sind durch jeweils eine Kammer vom Messrohr beabstandet. Um die Verschmutzung der Fenster als Eintrittsstelle der Strahlung zu vermindern und die Ablagerung der Partikel des Messaerosols darauf zu verlangsamen sind zwei Einlasse an den einander gegenüberliegenden Enden des Rohrabschnitts und zumindest ein Auslass an einer Stelle mittig zwischen den Einlassen vorgesehen. Damit ist der Betrieb der Messzelle mit hoher Empfindlichkeit über lange Zeit möglich.
Aus der DE 33 22 8870 A1 ist eine photoakustische Messvorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Konzentration von in einem Gas enthaltenen Partikeln bekannt. Sie weist zwei Messzellen auf, die parallel zu einander vom Licht eines Lasers durchstrahlt werden. Der ersten Messzelle wird Gas ohne Teilchen zugeführt. Im optischen Weg vor jeder der beiden Messzellen befindet sich ein Chopper. Der erste Chopper wird dabei mit einer Zerhackerfrequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz der ersten Messzelle entspricht, während die Zerhackerfrequenz des zweiten Choppers der Resonanzfrequenz der zweiten Messzelle entspricht. Mit einer derartigen Messvorrichtung lässt sich beispielsweise der Partikelanteil in Abgasen, z. B. von Fahrzeugen bestimmen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun einen akustisch offenen Photoakustischen Freifelddetektor zu schaffen, bei dem ein ausreichender Schalldruck am akustischen Sensor vorhanden ist. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein entsprechendes akustisches Messverfahren bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe wird in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Vorteilhafte Weiterentwicklungen finden sich in Unteransprüchen.
Es wird ein Photoakustischer Detektor mit einem nicht vollständig von einem Gehäuse umschlossenen akustisch offenen Messbereich bereitgestellt. Darunter ist ein Messbereich zu verstehen, in dem der durch die Absorption erzeugte Schalldruck an den relativ groß ausgeführten Einlassen und Auslässen der Probenluft entweichen kann.
Dieser Photoakustische Detektor umfasst Mittel zum einbringen von Anregungslicht in den Messbereich, so dass das Anregungslicht von den im Messbereich befindlichen absorbierenden Stoffen zur Erzeugung akustischer Energie absorbiert werden kann. Ferner ist mindestens ein akustischer Sensor vorgesehen. Der Detektor zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel zur Konzentration der akustischen Energie vorhanden sind. Mit diesen Mitteln kann an mindestens einer Position ein lokales Maximum des Schalldrucks erreicht werden. Unter einem lokalen Maximum des Schalldrucks ist dabei eine Position zu verstehen, an der der Schalldruck im Vergleich zur unmittelbaren Umgebung spürbar erhöht ist. Der mindestens eine akustische Sensor wird dann in der Nähe der mindestens einen Position, an der das lokale Maximum des erzeugten Schalldrucks vorliegt oder erzeugbar ist angeordnet. Die Konzentration des erzeugten Schalldrucks ermöglicht es, dass auch in einem akustisch offenen Messbereich mit einer hinreichenden
Empfindlichkeit gemessen werden kann. Damit werden die oben geschilderten Vorteile von photoakustischen Detektoren mit akustisch offenem Messbereich erzielt, ohne jedoch eine unerwünschte Reduktion des Schalldrucks am akustischen Sensor hinnehmen zu müssen.
Wenngleich oben von Probenluft gesprochen wird, da der Hauptanwendungsbereich sicherlich die Messung von Spurengasen oder Partikeln in Luft oder einem Gasgemisch ist, ist es denkbar einen photoakustischen Freifelddetektor auch für die Vermessung von Flüssigkeiten einzusetzen. Die Erzeugung eines hinreichend hohen Schalldrucks ist zwar in Flüssigkeiten schwieriger als in Gasen, dennoch ist die photoakustische Vermessung von absorbierenden Substanzen in Flüssigkeiten bekannt und als praxistauglich erprobt.
Eine weitere Erhöhung des erhaltenen Photoakustischen Signals kann erreicht werden, wenn optisch reflektierende Elemente so angeordnet sind dass ein mehrfacher Durchgang des Anregungslichtes durch den Messbereich erfolgen kann. In diesem Fall wird eine höhere Energie absorbiert, die dann zu einer entsprechenden höheren Schallerzeugung führt.
Eine Möglichkeit zur Konzentration der akustischen Energie besteht darin, Elemente vorzusehen, welche die durch die Absorption des Anregungslichtes erzeugte akustische Energie derartig beeinflussen, dass mindestens eine Position mit einem lokalen Maximum des Schalldrucks erreichbar ist. Damit wird der bereits erzeugte Schall entsprechend gelenkt.
Es ist aber auch möglich zur Konzentration der akustischen Energie Elemente vorzusehen, die eine derartige Verteilung des Anregungslichts gestatten, dass die vom Anregungslicht erzeugte akustische Energie eine derartige Verteilung aufweist, dass eine Konzentration der akustischen Energie erfolgen kann. Auch so ist mindestens eine Position mit einem lokalen Maximum des Schalldrucks erreichbar. Selbstverständlich können die beiden Methoden, also Konzentrieren des bereits erzeugten Schalls und Verteilen des Anregungslichtes in einer Weise, dass der entstehende Schall aufgrund der geometrischen Anordnung selbst zur Konzentration an bestimmten Positionen neigt, kombiniert werden. Beide Varianten gestatten eine Konzentration akustischer Energie in einem akustisch offenen Messbereich. Zur Konzentration der akustischen Energie eignen sich akustische Spiegel. Mit diesen kann der erzeugte Schall so gelenkt werden, dass Positionen mit einem lokalen Maximum des Schalldrucks erreicht werden.
Dies gelingt in besonders günstiger Weise, wenn die akustischen Spiegel als parabolische Spiegel ausgelegt sind.
Um das Anregungslicht zu verteilen eignen sich optisch reflektierende Elemente. Besonders geeignet sind hierbei optische Spiegel.
Es hat sich als günstig erwiesen den Photoakustischen Detektor so auszulegen, dass das Anregungslicht so verteilbar ist, dass in einem Kreisförmigen- und/oder Schraubenförmigen- und/oder Polygonen Teilbereich des Messbereichs eine Erzeugung akustischer Energie hervorrufbar ist. Bei einer derartigen Verteilung des Anregungslichtes bilden sich Positionen heraus, an denen ein lokales Maximum des Schalldrucks auftritt.
Wie in der Photoakustik üblich, kann auch der vorliegende Photoakustische Detektor mit gepulstem und/oder moduliertem Anregungslicht betrieben werden. Sinnvollerweise ist dabei die Modulationsfrequenz der Lichtpulse auf eine maximale Empfindlichkeit des akustischen Sensors abstimmbar. Zwar lassen sich Diodenlaser, die Infrarotstrahlung emittieren, mit einer Frequenz bis zu mehreren 100 Megahertz modulieren. Wegen des begrenzten Durchmessers der Laserstrahlen bei diesen hohen Frequenzen können diese bei der Photoakustik nicht eingesetzt werden. Der Frequenzbereich von 100 kHz bis 500 kHz ist indes für photoakustische Messungen geeignet. Es ist möglich sowohl die Intensität als auch die Wellenlänge des Anregungslichts zu modulieren.
Zum Betrieb des Detektors mit gepulstem Anregungslicht eignen sich gepulste Festkörperlaser, die Pulse mit einer Dauer von 10 bis 50 ns emittieren. Das zeitliche Profil der Pulse ist annähernd gaußförmig. Die Absorption des Laserpulses durch ein Gas führt zu einem akustischen Puls, dessen Profil mit der zeitlichen Änderung des anregenden Lichtpulses korrespondiert. Ein unipolarer Laserpuls ruft so einen bipolaren akustischen Puls mit etwa derselben Dauer hervor. Derartige bipolare akustische Pulse werden im gesamten durchstrahlten Bereich hervorgerufen, soweit absorbierende Stoffe vorhanden sind. Die gesamte Dauer des akustischen Pulses außerhalb des Laserpulses ist proportional zur Zeit, die der akustische Puls zum Durchwandern des Laserpulses benötigt. Bei einem angenommenen Strahldurchmesser des anregenden Laserpulses von 1 mm kann die Dauer des akustischen Pulses auf 3 μs geschätzt werden. Das Frequenzspektrum eines derartigen akustischen Pulses ist näherungsweise gaußförmig um eine Peakfrequenz von 300 kHz.
Da beim erfindungsgemäßen photoakustischen Detektor kein Resonator vorgesehen ist, ist es nicht zweckmäßig die Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse und/oder Modulationsfrequenz auf eine Resonanzfrequenz des Resonators abzustimmen . Vielmehr ist es sinnvoll die Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse und/oder die Modulationsfrequenz der Lichtquelle auf eine maximale Empfindlichkeit des verwendeten akustischen Sensors abzustimmen.
Als geeigneter und empfindlicher akustischer Sensor haben sich ein
Kondensatormikrofon und/oder ein Elektretmikrofon mit einer oberen Frequenzgrenze im Bereich von 50 bis 100 kHz erwiesen.
Eine geeignete Auslegung des Kondensator- und/oder Elektretmikrofones ergibt sich wenn bei einer Wiederholungsfrequenz des Anregungslichts von 1 bis 10khz bei einer Oberschwingung gemessen werden kann. Bei einem derartig ausgelegten Mikrofon kann durch eine Abstimmung der Wiederholungsfrequenz des Anregungslichts eine maximale Empfindlichkeit des Mikrofons erreicht werden.
Es ist auch möglich als akustischen Sensor einen Ultraschallsensor einzusetzen. Hierbei ist es durchaus denkbar keinen breitbandig abgestimmten Ultraschallsensor zu verwenden. Beispielsweise bietet es sich an einen Ultraschallsensor einzusetzen, der auf
Frequenzwerte wie 40 kHz und/oder 80 kHz und/oder 120 kHz abgestimmt ist. Derartige Ultraschalssensoren sind preisgünstig erhältlich.
Der geschilderte Photoakustische Detektor und ein Verfahren, bei dem mit dem Photoakustischem Detektor absorbierende Stoffe detektiert werden, eignet sich gut zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen, insbesondere zur Überwachung der in Belüftungsanlagen für Innenräume angesaugten Luft. Dies liegt daran, dass mit der Photoakustischen Detektion ein weiter Messbereich für verschiedenste absorbierende Substanzen, die in Innenräumen störend sein können, abgedeckt werden kann. Bei Belüftungseinrichtungen ist es zudem erforderlich, dass eine aufwendige Probenahme entbehrlich ist, da eine schnelle Anpassung der Belüftung an die detektierten Schadstoffkonzentrationen gewünscht ist. Ausführungsbeispiel
Anhand der Figuren 1 bis 3 wird nachfolgend ein Weg zur Realisierung der Erfindung beschrieben.
Figuren 1 und 2 zeigen einen beispielhaften photoakustischen Detektor. Der anregende Lichtstrahl 1 eines nicht dargestellten Lasers tritt in den Messbereich. Durch die zwei optischen Spiegel 2, die einen Durchmesser von etwa 50 mm haben, wird das Licht mehrfach reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen befinden sich in einer Ebene (Fig. 3). Es sind zwei akustische Spiegel 3, 4 vorhanden. Der erste akustische Spiegel 3 ist ein quadratförmiger flacher Spiegel, mit einer Dicke von 8 mm und einer Seitenlänge von 100 mm. Er hat in der Mitte eine Aussparung für das Mikrofon 5. Der gegenüberliegende zweite akustische Spiegel 4 ist quaderförmig mit einer Seitenlänge von 100 mm. Im äußeren Bereich hat der zweite akustische Spiegel 4 eine Dicke von 30 mm. In einem inneren Bereich, der einen Durchmesser von 80 mm aufweist, ist der zweite akustische Spiegel zum Messbereich hin konkav ausgebildet. Das Mikrophon 5 befindet sich auf der Symmetrieachse der akustischen Spiegel. Das Mikrophon 5 hat dabei einen Abstand von 25 mm von dem zweiten akustischen Spiegel 4.
Figur 3 zeigt einen Aufbau bei dem der anregende Lichtstrahl 1 mehrfach durch den Messbereich gelangt. Bei jedem Durchgang wird ein gewisser Anteil absorbiert, soweit absorbierende Stoffe vorhanden sind. Die Reflexion des Lichtstrahls 1 erfolgt an den Spiegeln 2, die als optische Spiegel ausgebildet sind.
Figur 4 zeigt eine Detailansicht des zweiten akustischen Spiegels 4. Danach beträgt die maximale Vertiefung16 mm. Der radiale Abstand vom Mittelpunkt des zweiten, akustischen Spiegels 4 werde mit X bezeichnet; die Tiefe der Vertiefung mit z. Die Form der Vertiefung wird dann durch folgende Formel X = sqrt(100 * (16-z)) beschrieben.

Claims

Patentansprüche
1 . Photoakustischer Detektor mit einem nicht vollständig von einem Gehäuse umschlossenen, akustisch offenem Messbereich, umfassend:
• Mittel zum Einbringen von Anregungslicht in den Messbereich, so dass das Anregungslicht von im Messbereich befindlichen absorbierenden Stoffen zur
Erzeugung akustischer Energie absorbiert werden kann
• mindestens einen akustischen Sensor
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (2, 3, 4) vorhanden sind, um an mindestens einer Position ein lokales Maximum des Schalldrucks zu erreichen, wobei der mindestens eine akustische
Sensor (5) in der Nähe der mindestens einen Position, an der das lokale Maximum des erzeugten Schalldrucks vorliegt oder erzeugbar ist, angeordnet ist
2. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optisch reflektierende Elemente (2) so angeordnet sind, dass ein mehrfacher Durchgang des Anregungslichts durch den Messbereich erfolgen kann.
3. Photoakustischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Elemente (3,4) vorgesehen sind, welche die durch die Absorption des Anregungslichts erzeugte akustische Energie so beeinflussen können, dass mindestens eine Position mit einem lokalen Maximum des Schalldrucks erreichbar ist
4. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konzentration der akustischen Energie Elemente (2) vorgesehen sind, die eine derartige Verteilung des Anregungslichts gestatten, dass die vom Anregungslicht erzeugte akustische Energie eine derartige Verteilung aufweist, dass eine Konzentration der akustischen Energie so erfolgen kann, dass mindestens eine Position mit einem lokalen Maximum des Schalldrucks erreichbar ist
5. Photoakustischer Detektor nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beeinflussung der akustischen Energie vorgesehenen Elemente akustische Spiegel (3, 4) sind
6. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Spiegel (3, 4) parabolische Spiegel sind
7. Photoakustischer Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elemente zur Verteilung des Anregungslichts optisch reflektierende Elemente (2), insbesondere Spiegel, vorgesehen sind.
8. Photoakustischer Detektor nach einem der Ansprüche 4 bis I1 dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht so verteilbar ist, dass in einem kreisförmigen und/oder schraubenförmigen und/oder polygonen Teilbereich des Messbereichs akustische Energie erzeugbar ist.
9. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht gepulst und/oder moduliert einbringbar ist, wobei die Wiederholungsfrequenz der Lichpulse und/oder die
Modulationsfrequenz auf eine maximale Empfindlichkeit des akustischen Sensors (5) abstimmbar ist.
10. Photoakustischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als akustischer Sensor ein Kondensatormikrophon (5) und/oder ein Elektretmikrophon (5) mit einer oberen Frequenzgrenze im Bereich von
50 bis 100 kHz vorhanden ist.
1 1. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensaotor- und/oder Elektretmikrophon (5) ausgelegt ist, bei einer Wiederholungsfrequenz des Anregungslichts von 1 bis 10 kHz bei einer Oberschwingung zu messen.
12. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als akustischer Sensor (5) ein Ultraschallsensor vorhanden ist.
13. Verfahren zur photoakustischen Detektion von absorbierdenden Stoffen, bei dem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingesetzt wird:
14. Verwendung des Detektors und des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen, insbesondere zur Überwachung der in Belüftungsanlagen für Innenräume angesaugten Luft
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