WO2008116659A1 - Zylindrischer photoakustischer detektor mit anregung der zweiten azimutalen resonanz - Google Patents

Zylindrischer photoakustischer detektor mit anregung der zweiten azimutalen resonanz Download PDF

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WO2008116659A1
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cylinder
mirror
excitation light
acoustic resonator
mirrors
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Andras Miklos
Judit Angster
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a photoacoustic detector which has a cylindrical construction and in which the second azimuthal resonance oscillation is used to increase the acoustic signal.
  • Photoacoustic measuring methods ie measuring methods in which the gas to be examined is irradiated with a light source and heated by absorption, are well suited for accurate measurements of the concentration of absorbing substances, in particular absorbing substances in gases.
  • the heating causes an expansion of the gas. If the heating and thus the expansion periodically, a sound wave, which can be measured by a sound pressure transducer.
  • photoacoustic spectroscopy has several advantages.
  • the photoacoustic signal is linear in a concentration range of about 5-6 orders of magnitude.
  • the sensitivity of the detector is independent of the wavelength of the excitation light. At comparable Sensitivity is a photoacoustic detector smaller and cheaper than a classical optical absorption spectroscopy detector.
  • a problem of the photoacoustic measurement is that the photoacoustic signal is proportional to the power of the incident light.
  • the performance of the commonly used diode laser or quantum cascade laser is not sufficient.
  • optical absorption spectroscopy to increase the sensitivity of the approach is pursued to extend the light path.
  • multipass detectors are used. In these detectors, the light is reflected several times through the measuring range. For this purpose, appropriately arranged mirror serve. After several reflections, the light beam is led out of the measuring cell and directed to a detector. To avoid interference in the measuring cell, the light beam is passed as a folded straight line between both windows from the entrance window to the exit window.
  • a multipass arrangement can be selected in which the excitation light is reflected several times through the measuring range.
  • Such approaches are described in A. Miklos, J. Ng, P. Hess, AH Kung "Application of a wavelength-amplitude double-modulation method in photoacoustic detection using a pulsed optical parametric oscillator” Journal de Physique IV, 125, 579-582, (2005) and A. Miklos, SC. Pei and AH Kung “Multipass acoustically open photoacoustic detector for trace gas measurements", Applied Optics 45, 2529-2534, (2006).
  • a problem here is that the alignment of the multipass arrangement must be relatively accurate. This has delayed the development of practical photoacoustic multipass detectors so far. From US 3,938,365 is a photoacoustic measuring device with an acoustic
  • Measuring cell known. There is an excitation with largely monochromatic radiation, which causes pressure fluctuations that lead to standing waves in the measuring cell. The intensity of the excitation light is modulated, the modulation frequency corresponding to one of the acoustic natural oscillations. It is disclosed that longitudinal, radial and azimuthal modes can be excited in the cylindrical measuring cell.
  • the object of the present invention is therefore to develop a photoacoustic detector with which a sensitive measurement is possible in a simple manner. Likewise, a corresponding measurement method should be provided. This object is solved by the independent claims.
  • the dependent claims show advantageous developments.
  • Multipass detector with high sensitivity can be provided.
  • Means are provided in this resonator for guiding the excitation light such that the sound wave which can be excited by absorption of the excitation light is the second azimuthal resonance of the cylinder oscillation.
  • the second azimuthal resonance can be excited. This results in a high gain of the photoacoustic signal.
  • the excitation light should be directed substantially perpendicular to the cylinder axis. This means that the excitation light can have a small component of motion parallel to the cylinder axis. Thus, an angle between the excitation light beam and the cylinder axis of 85 ° is sufficient. In general, the angle will be almost 90 °. It should be clarified that when the second azimuthal resonance is excited, the cylinder oscillation is not excluded, that other sound waves can be excited as well. Decisive for the invention that the device is designed to predominantly excite the second azimuthal resonance of the cylinder oscillation, while other sound waves are excited only by chance.
  • a suitable means for guiding the excitation light is realized by four mirrors, which are arranged in groups of two mirrors in the cylinder so opposite that the light is passed through the region of the central axis of the cylinder.
  • the second azimuthal resonance of the cylinder oscillation can be excited very effectively.
  • the mirrors are arranged so that the excitation light is conducted from a first mirror to an opposite second mirror.
  • the second mirror is arranged so that the light passes from there to an adjacent third mirror.
  • the third mirror the light is then on an opposite fourth Mirror reflected.
  • This fourth mirror is arranged adjacent to the first mirror so that the light coming from the third mirror is reflected onto the first mirror. This can be done in the circle segments, which lie between the mirrors, a suggestion. In the remaining area of the cylinder there is no heating, since these areas are not irradiated by light.
  • the mirrors In order to neatly excite this second azimuthal resonance of the cylinder oscillation, it is advantageous to arrange the mirrors so that the excitation light is conducted to intersect the center axis of the cylinder from the first mirror to the second mirror and / or from the third mirror to the fourth mirror. This avoids that a heating and a subsequent expansion in areas of the cylinder takes place, where this is not desirable. This ultimately avoids an out-of-phase excitation.
  • the excitation light receives a component of movement along the cylinder axis.
  • the mirrors along the entire cylinder length of interest, d. H. for example, to provide correspondingly long mirrors. If the exciting light beam is guided into the cylinder in such a way that it has a component in the direction along the cylinder axis during the first reflection, then this component is obtained with each reflection. The light thus propagates in the manner described above between the mirrors and also travels along the cylinder axis. This will eventually the entire
  • Cylinder area radiates. This provides a larger area in which the substances to be investigated can stay. To suppress the background signal are between the mirrors and the inner
  • the length of the tubes corresponds to a quarter of the acoustic wavelength that the sound has at a frequency corresponding to the second azimuthal resonance of the cylinder vibration.
  • the forming photoacoustic signal in the cylinder can best be detected if at least two sound pressure transducers are arranged such that when a second azimuthal resonance of the cylinder vibration is formed, a sound pressure transducer in the range of the maximum and a sound pressure transducer in the range of the minimum of the azimuthal cylinder vibration.
  • the sound pressure transducers are normally close to the wall or directly to the wall. With the measurement of the difference signal of the two sound pressure transducer can be a Doubling the sound signal can be achieved.
  • the gas to be examined can flow into and out of the cylinder. At the same time it prevents unwanted sound from entering the cylindrical acoustic resonator, which could falsify the measurement.
  • porous plates such as ceramic or sintered glass, can be attached, which allow passage of air and sound-insulating effect.
  • the axis of the cylindrical acoustic resonator is at least partially vertical and a heater is present, then it is achieved that a thermally induced convection for the flow through of the gas to be examined by the cylindrical acoustic resonator leads.
  • the heater in the upper adjoining cylinder part to arrange The heating is expediently mounted at the top and not at the bottom so that the gas to be examined is not heated before the measurement.
  • the microphones are not installed in the resonator wall on the hot, gas-facing side, but in the cooler area outside the resonator wall.
  • the sound signal can be coupled by means of suitable quarter-wavelength acoustic resonators to the Schalldruckaufnhemer.
  • Quarter wavelength resonators are small tubes whose length corresponds to the quarter wavelength of the sound.
  • quarter wavelength filters which are open at both ends, one end of the
  • the excitation light may be provided wavelength or intensity modulated.
  • a particularly high acoustic signal can be achieved if the frequency of the second azimuthal resonance is set as the modulation frequency.
  • a high photoacoustic signal can also be achieved by pulsed excitation light.
  • the pulse repetition frequency is chosen such that it is the frequency of the second azimuthal resonance.
  • Resonant frequency Although not the resonance amplification as in an excitation with a resonant frequency corresponding pulse repetition frequency. Since, however, the resonance frequency can change approximately with the temperature of the photoacoustic cell, the pulse repetition frequency would have to be adapted accordingly for resonant excitation. The associated effort is avoided by excitation with single pulses.
  • optical detectors preferably two photodiodes, which can detect scattered by particles excitation light. This is particularly useful when fine dust particles are to be examined.
  • solid particles can be distinguished from absorbing gases.
  • the measurement of the scattered light allows to determine the type of fine dust closer. For example, with strongly absorbing soot, the photoacoustic signal is higher in comparison to the scattered light signal than, for example, lighter sand. Since the composition of the particulate matter in terms of adverse health effects of importance, this additional statement is beneficial.
  • the size distribution of particles in particular fine dust particles, can be determined.
  • the different heat capacity of larger and smaller particulate matter particles is used. The larger a particle is, the greater its mass and heat capacity.
  • the heat capacity which is proportional to the mass, however, grows with the third power of the diameter, there is a smaller increase in temperature for larger particles.
  • the time difference between the duration of the stimulating pulse and the duration of the photoacoustic signal, at least the end of the photoacoustic signal is therefore larger for larger particles than for smaller particles , Increasing the pulse duration heats all particles more. From the comparison of several photoacoustic signals at different light pulse lengths can thus be concluded that a size distribution. This effect can be shown and determined by calculation. In practice, however, it is always advantageous to calibrate the respective detector by measuring reference samples.
  • the size distribution of the fine dust particles can also be determined by changing the pulse repetition frequency. As stated, the particles are heated at each pulse and then release their heat to the environment. It cools smaller particles between the individual excitation pulses stronger than larger particles.
  • the photoacoustic signal is larger if the heat absorbed between the individual excitation pulses as completely as possible is released to the environment. Increasing the pulse repetition frequency, the larger particles can not release their heat sufficiently between the individual excitation pulses in the ambient air and thus contribute less to the photoacoustic signal. From a comparison of the total photoacoustic signal at larger and smaller pulse repetition frequencies can thus be concluded that the size distribution of the detected particulate matter. This too can be shown by calculation. However, to obtain accurate measurement results, it is advantageous to calibrate the detector with known samples.
  • the invention is based on a
  • FIG. 1 shows a sectional view of the cylinder with the mirrors.
  • the Light enters adjacent to the first mirror 3c, from where it crosses the central axis to the opposite second mirror 3a. There is a reflection to the adjacent third mirror 3b. This reflects the light intersecting the central axis back to the fourth mirror 3d and then to the adjacent first mirror 3c.
  • an X-shaped beam path 4 is formed. It is easy to imagine that the light, provided it initially receives a component of motion in the direction of the cylinder axis, retains this component of motion at each reflection on the mirrors.
  • the light in the cylinder travels along the cylinder axis.
  • the X-shaped beam path 4 is also given in each plane.
  • the illustrated quarter wavelength filters 5 are open tubes, through which the light can pass unhindered.
  • the length of the tubes corresponds to a quarter wavelength of the sound at the frequency of the second azimuthal resonance. These tubes cause that same wavelength or frequency of the sound is efficiently attenuated.
  • the mirrors 3a to 3d have a very good reflection - these are gold-coated mirrors 3a to 3d - a low absorption at the mirrors 3a to 3d is unavoidable. This absorption leads to heating and to a sound wave distorting the photoacoustic signal.
  • the quarter wavelength filters 5 accomplish that the sound hardly reaches the inside of the acoustic resonator at the frequency of interest for the photoacoustic signal.
  • Two microphones 6 are shown. One of the microphones 6 is located between the mirrors 3b and 3a. At the beginning of the excitation of the sound wave there is the area of highest sound pressure. On the wall of the cylinder 1 is a quarter turn further on another microphone 6. At the beginning of the excitation of a sound wave there is the lowest sound pressure. Thus, the microphones measure a high differential signal. This difference signal is measure of the photoacoustic signal indicative of the concentration of absorbing substances in the
  • the cylinder ring 1 is mounted on a base plate 2.

Abstract

Vorgestellt wird eine Vorrichtung zur photoakustischen Detektion mit einem zylindrischen akustischen Resonator (1), in dem Mittel (3a-d) vorhanden sind, das Anregungslicht derart zu leiten, dass die durch Absorption des Anregungslichts anregbare Schallwelle die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung ist.

Description

Patentanmeldung:
Zylindrischer photoakustischer Detektor mit Anregung der zweiten azimutalen
Resonanz
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Detektor, der zylinderförmig aufgebaut ist und in dem die zweite azimutale Resonanzschwingung zur Steigerung des akustischen Signals genutzt wird.
Stand der Technik
Photoakustische Messverfahren, also Messverfahren bei dem mit einer Lichtquelle das zu untersuchende Gas bestrahlt wird und durch Absorption erwärmt wird, eignen sich gut für genaue Messungen der Konzentration absorbierender Substanzen, insbesondere absorbierender Substanzen in Gasen. Durch die Erwärmung erfolgt eine Ausdehnung des Gases. Erfolgt die Erwärmung und damit die Ausdehnung periodisch, entsteht eine Schallwelle, welche von einem Schalldruckaufnehmer gemessen werden kann. Im Vergleich zur klassischen Absorptionsspektroskopie, bei der das durch die Probe gelangende Licht gemessen wird und aus der Differenz des eingestrahlten Lichts und durch die Probe gelangenden Lichts auf die Absorption geschlossen wird, hat die photoakustische Spektroskopie mehrere Vorteile. Das photoakustische Signal ist in einem Konzentrationsbereich von etwa 5-6 Größenordnungen linear. Die Empfindlichkeit des Detektors ist unabhängig von der Wellenlänge des Anregungslichts. Bei vergleichbarer Empfindlichkeit ist ein photoakustischer Detektor kleiner und billiger als ein klassischer optischer Absorptionsspektroskopiedetektor.
Ein Problem der photoakustischen Messung ist, dass das photoakustische Signal proportional zur Leistung des eingestrahlten Lichts ist. Zur empfindlichen Messung mancher Substanzen ist die Leistung der üblicherweise verwendeten Diodenlaser oder Quantenkaskadenlaser nicht ausreichend. Bei der optischen Absorptionsspektroskopie wird zur Steigerung der Empfindlichkeit der Ansatz verfolgt, den Lichtweg zu verlängern. Es kommen sogenannte Multipass-Detektoren zum Einsatz. In diesen Detektoren wird das Licht mehrfach durch den Messbereich reflektiert. Hierzu dienen entsprechend angeordnete Spiegel. Nach mehreren Reflexionen wird der Lichtstrahl aus der Messzelle herausgeleitet und auf einen Detektor gelenkt. Um Interferenzen in der Messzelle zu vermeiden wird der Lichtstrahl als eine zusammengefaltete Gerade zwischen beiden Fenstern vom Eintrittsfenster zum Austrittsfenster geleitet.
Auch zur Steigerung der Messempfindlichkeit photoakustischer Reflektoren kann eine Multipass-Anordnung gewählt werden, in der das Anregungslicht mehrfach durch den Messbereich reflektiert wird. Derartige Ansätze werden in A. Miklos, J. Ng, P. Hess, A. H. Kung "Application of a wavelength-amplitude double-modulation method in photoacoustic detection using a pulsed optical parametric oscillator" Journal de Physique IV, 125, 579-582, (2005) und A. Miklos, S-C. Pei and A.H. Kung " Multipass acoustically open photoacoustic detector for trace gas measurements", Applied Optics 45, 2529- 2534, (2006) beschrieben. Ein Problem hierbei ist, dass die Ausrichtung der Multipass- Anordnung relativ exakt sein muss. Dies hat die Entwicklung praxistauglicher photoakustischer Multipass-Detektoren bislang verzögert. Aus der US 3,938,365 ist eine photoakustische Messanordnung mit einer akustischen
Messzelle bekannt. Dort erfolgt eine Anregung mit weitgehend monochromatischer Strahlung, welche Druckschwankungen hervorruft, die zu stehenden Wellen in der Messzelle führen. Die Intensität des Anregungslichts wird dabei moduliert, wobei die Modulationsfrequenz einer der akustischen Eigenschwingungen entspricht. Es wird offenbart, dass longitudinale, radiale und azimutale Moden in der zylindrischen Messzelle angeregt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen photoakustischen Detektor zu entwickeln, mit dem auf einfache Weise eine empfindliche Messung möglich ist. Ebenso soll ein entsprechendes Messverfahren bereitgestellt werden. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterentwicklungen.
Darstellung der Erfindung
Es wurde erkannt, dass durch eine Vorrichtung zur photoakustischen Detektion mit einem zylindrischen akustischen Resonator auf einfache Weise ein photoakustischer
Multipass-Detektor mit hoher Messempfindlichkeit bereitgestellt werden kann. In diesem Resonator sind Mittel vorhanden, das Anregungslicht derart zu leiten, dass die durch Absorption des Anregungslichts anregbare Schallwelle die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung ist. Um sich dies klar zu machen, betrachte man einen Zylinder im Querschnitt. Wenn man durch geeignete Anregung erreicht, dass in gegenüberliegenden Quartalen des Kreises, der den Zylinderquerschnitt darstellt, Ausdehnungen erfolgen, während in den den gegenüberliegenden Quartalen benachbarten Quartalen, die sich selbst wieder gegenüber liegen, keine Ausdehnung erfolgt, erzielt man eine entsprechende Schallwelle. Durch die Anregung bilden sich somit Kreissegmente mit einem durch die Ausdehnung erhöhten Druck. Die benachbarten Kreissegmente, welche größer sind, weisen keinen erhöhten Druck, sondern normalen Druck auf. Durch diese Druckdifferenzen kann sich eine im Zylinder umlaufende Schallwelle ausbilden. Bei geeigneter Wahl der Anregungsfrequenz, also der Wiederholfrequenz oder
Modulationsfrequenz der Lichtquelle kann die zweite azimutale Resonanz angeregt werden. Dadurch erfolgt eine hohe Verstärkung des photoakustischen Signals. Das Anregungslicht soll im wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse geleitet werden. Das bedeutet, dass das Anregungslicht eine kleine Bewegungskomponente parallel zur Zylinderachse aufweisen kann. So genügt ein Winkel zwischen dem Anregungslichtstrahl und der Zylinderachse von 85° In der Regel wird der Winkel fast 90° betragen. Klarzustellen ist, dass bei Anregung der zweiten azimutalen Resonanz der Zylinderschwingung nicht ausgeschlossen ist, dass auch andere Schallwellen angeregt werden können. Entscheidend für die Erfindung, dass die Vorrichtung so ausgebildet ist, überwiegend die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung anzuregen, während andere Schallwellen nur zufällig angeregt werden.
Ein geeignetes Mittel zur Leitung des Anregungslichts wird durch vier Spiegel realisiert, welche in Gruppen von jeweils zwei Spiegeln im Zylinder so gegenüber angeordnet sind, dass das Licht durch den Bereich der Mittelachse des Zylinders geleitet wird. Damit kann die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung sehr effektiv angeregt werden.
Bevorzugt werden die Spiegel so angeordnet, dass das Anregungslicht von einem ersten Spiegel auf einen gegenüberliegenden zweiten Spiegel geleitet wird. Der zweite Spiegel ist so angeordnet, dass das Licht von dort auf einen benachbarten dritten Spiegel gelangt. Vom dritten Spiegel wird das Licht dann auf einen gegenüberliegenden vierten Spiegel reflektiert. Dieser vierte Spiegel ist benachbart zum ersten Spiegel so angeordnet, dass das vom dritten Spiegel kommende Licht auf den ersten Spiegel reflektiert wird. Damit kann in den Kreissegmenten, welche zwischen den Spiegeln liegen, eine Anregung erfolgen. Im übrigen Bereich des Zylinders erfolgt keine Erwärmung, da diese Bereiche nicht von Licht durchstrahlt werden.
Um diese zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung sauber anzuregen, ist es vorteilhaft, die Spiegel so anzuordnen, dass das Anregungslicht vom ersten Spiegel zum zweiten Spiegel und/oder vom dritten Spiegel zum vierten Spiegel die Mittelachse des Zylinders schneidend geleitet wird. Damit wird vermieden, dass eine Erwärmung und eine nachfolgende Ausdehnung in Bereichen des Zylinders erfolgt, wo dies nicht erwünscht ist. Dies vermeidet letztlich eine gegenphasige Anregung.
Um nicht nur in einer Ebene des Zylinders, sondern über die ganze Länge des Zylinders die Anregung durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Anregungslicht eine Bewegungskomponente längs der Zylinderachse erhält. Hierzu ist es möglich, die Spiegel längs der gesamten interessierenden Zylinderlänge anzuordnen, d. h. beispielsweise entsprechend lange Spiegel bereitzustellen. Wird der anregende Lichtstrahl so in den Zylinder geleitet, dass er bei der ersten Reflexion eine Komponente in Richtung längs der Zylinderachse aufweist, so wird diese Komponente bei jeder Reflexion erhalten. Das Licht breitet sich also in der eingangs beschriebenen Weise zwischen den Spiegeln aus und wandert zusätzlich längs der Zylinderachse. Damit wird letztendlich der gesamte
Zylinderbereich durchstrahlt. Damit steht ein größerer Bereich zur Verfügung, in dem sich die zu untersuchenden Stoffe aufhalten können. Zur Unterdrückung des Hintergrundsignals sind zwischen den Spiegeln und dem inneren
Bereich des akustischen zylindrischen Resonators akustische Viertelwellenlängenfilter angeordnet. Trotz der guten Reflektion an den Spiegeln wird ein Teil des auf die Spiegel treffenden Lichts nicht reflektiert sondern absorbiert. Diese Absorption führt zu einer Erwärmung der Umgebung und damit zu einem unerwünschten Signal. Um zu verhindern, dass Schallwellen, deren Frequenz mit der Frequenz der zweiten azimutalen Resonanz der Zylinderschwingung übereinstimmt, in das Innere des Zylinders und damit zu den Schalldruckaufnehmern gelangen, werden zwischen den Spiegeln und den inneren Bereichen des akustischen zylindrischen Resonators Viertelwellenlängenfilter angeordnet. Diese Viertelwellenlängenfilter sind eigentlich an beiden Enden offene Röhrchen, durch die das Licht ungehindert gelangen kann. Die Länge der Röhrchen entspricht einem Viertel der akustischen Wellenlänge, die der Schall bei einer Frequenz, die der zweiten azimutalen Resonanz der Zylinderschwingung entspricht, aufweist. Durch diese akustischen Filter erfolgt eine weitgehende Dämpfung des Schalls bei dieser Wellenlänge bzw. Frequenz. Zur näheren Erläuterung wird auf die einschlägige akustische Fachliteratur verwiesen.
Das sich ausbildende photoakustische Signal im Zylinder kann am besten erfasst werden, wenn mindestens zwei Schalldruckaufnehmer so angeordnet sind, dass bei Ausbildung einer zweiten azimutalen Resonanz der Zylinderschwingung sich ein Schalldruckaufnehmer im Bereich des Maximums und ein Schalldruckaufnehmer im Bereich des Minimums der azimutalen Zylinderschwingung befindet. Die Schalldruckaufnehmer befinden sich normal in der Nähe der Wand oder direkt an der Wand. Mit der Messung des Differenzsignals der zwei Schalldruckaufnehmer kann eine Verdopplung des Schallsignals erreicht werden. Üblicherweise werden als
Schalldruckaufnehmer Mikrofone verwendet.
Schließt man am oberen und/oder unteren Ende den zylindrischen, akustischen Resonator mit Platten ab, welche als Viertelwellenlängenfilter dienende Löcher aufweisen, so kann das zu untersuchende Gas in den Zylinder ein- und ausströmen. Zugleich wird verhindert, dass unerwünschter Schall in den zylindrischen akustischen Resonator eindringt, der die Messung verfälschen könnte.
Alternativ können am ersten und/oder zweiten Ende des zylindrischen, akustischen Resonators poröse Platten, etwa aus Keramik oder Sinterglas, angebracht werden, welche Durchlass von Luft ermöglichen und schallisolierend wirken.
Wenn sich an den zylindrischen, akustischen Resonator am ersten und/oder zweiten Ende ein Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 60 - 80% des Durchmessers des zylindrischen akustischen Resonators anschließt, so wird eine Ausbreitung des Schalls vom zylindrischen akustischen Resonator in die anschließenden Zylinder unterbunden und der Schall im Resonator gleichsam eingefangen.
Es bietet sich an, stets an beiden Enden dieselbe Maßnahme vorzusehen, also etwa an beiden Enden mit Löchern versehene Platten oder an beiden Enden poröse Platten. Es ist aber auch möglich an einem Ende eine Maßnahme und am anderen Ende eine andere Maßnahme vorzusehen.
Wenn die Achse des zylindrischen, akustischen Resonators zumindest teilweise vertikal liegt und eine Heizung vorhanden ist, so wird erreicht, dass eine thermisch induzierte Konvektion zur Durchströmung des zu untersuchenden Gases durch den zylindrischen akustischen Resonator führt. Insbesondere bietet es sich an die Heizung im oberen anschließenden Zylinderteil anzuordnen. Die Heizung ist sinnvollerweise oben und nicht unten angebracht damit nicht das zu untersuchende Gas vor der Messung erwärmt wird.
Um die Schalldruckaufnehmer und die Spiegel vor eventuellen zu hohen Temperaturen zu schützen, ist es sinnvoll, um den zylindrischen akustischen Resonator herum eine Kühlung auszubilden. Damit wird die Grenztemperatur der Schalldruckaufnehmer, die in die Resonatorwand eingebaut sind, in der Regel nicht überschritten Dies gestattet die Messung auch im heißen Gas bei vertretbarem Kühlungsaufwand.
Eine andere Möglichkeit ist, dass die Mikrofone nicht auf der heißen, dem Gas zugewandten Seite in die Resonatorwand eingebaut werden, sondern in den kühleren Bereich außerhalb der Resonatorwand. In diesem Fall kann das Schallsignal mittels geeigneter akustischer Viertelwellenlängenesonatoren an die Schalldruckaufnhemer gekoppelt werden. Viertelwellenlängenresonatoren sind kleine Röhrchen, deren Länge der viertelten Wellenlänge des Schalls entspricht. Im Gegensatz zu Viertelwellenlängenfiltern, die an beiden Enden offen sind, ist ein Ende des
Viertelwellenlängenresonators geschlossen. An diesem geschlossenen Ende befinden sich hier die Schalldruckaufnehmer.
Das Anregungslicht kann Wellenlängen- oder intensitätsmoduliert bereitgestellt werden. Ein besonders hohes akustisches Signal ist erreichbar, wenn als Modulationsfrequenz die Frequenz der zweiten azimutalen Resonanz eingestellt wird. Ein hohes photoakustisches Signal lässt sich auch durch gepulstes Anregungslicht erreichen. Bevorzugt wird die Pulswiederholfrequenz so gewählt, dass es sich um die Frequenz der zweiten azimutalen Resonanz handelt.
Es ist auch möglich die zweite azimutale Resonanz mit Einzelpulsen anzuregen. Bei der Anregung mit Einzelpulsen stellt sich automatisch eine Schwingung mit der
Resonanzfrequenz ein. Damit erfolgt zwar nicht die Resonanzverstärkung wie bei einer Anregung mit einer der Resonanzfrequenz entsprechenden Pulswiederholfrequenz. Da sich aber die Resonanzfrequenz etwa mit der Temperatur der photoakustischen Zelle ändern kann, müsste zur resonanten Anregung die Pulswiederholfrequenz entsprechend angepasst werden. Der damit verbundene Aufwand wird durch eine Anregung mit Einzelpulsen vermieden.
Es können optische Detektoren, vorzugsweise zwei Photodioden, angeordnet sein, welche von Partikeln gestreutes Anregungslicht detektieren können. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn Feinstaubpartikel untersucht werden sollen. Durch Vergleich des Streulichtsignals mit dem photoakustischen Signal können Feststoffpartikel von absorbierenden Gasen unterschieden werden. Ferner ermöglicht die Messung des Streulichts die Art des Feinstaubs näher zu bestimmen. So ist beim stark absorbierenden Russ das photoakustische Signal im Vergleich zum Streulichtsignal höher als etwa bei hellerem Sand. Da die Zusammensetzung des Feinstaubs hinsichtlich der gesundheitsschädigenden Wirkungen von Bedeutung ist, ist diese zusätzliche Aussage von Vorteil.
Durch eine Veränderung durch Pulslänge und/oder Pulswiederholfrequenz kann die Größenverteilung von Partikeln, insbesondere Feinstaubpartikeln, bestimmt werden. Dabei wird die unterschiedliche Wärmekapazität größerer und kleinerer Feinstaubpartikel genutzt. Je größer ein Partikel ist, desto größer sind auch seine Masse und seine Wärmekapazität. Bei einer Anregung mit einem Lichtpuls - in der Regel handelt es sich um Laserpulse - werden zunächst die Partikel durch Absorption von Licht erwärmt. Anschließend geben die Partikel Wärme an die Umgebung ab. Die Erwärmung des umgebenden Gases führt sodann zu einer Ausdehnung, welche eine Druckwelle hervorruft, die als Schall messbar ist. Wegen des Querschnitts und damit der größeren Absorptionsfläche wird in den größeren Partikeln mehr Licht absorbiert und damit mehr Wärme aufgenommen. Da die wirksam absorbierende Fläche etwa mit dem Quadrat des Durchmessers wächst, die Wärmekapazität, welche proportional zur Masse ist, hingegen mit der dritten Potenz des Durchmessers wächst, erfolgt bei größeren Partikeln eine geringere Temperaturerhöhung. Insgesamt ist aber wie dargelegt mehr Wärme in den größeren Partikeln gespeichert. Es dauert länger als bei kleineren Partikeln, bis diese Wärme an die Umgebung abgegeben wird, die zeitliche Differenz zwischen der Dauer des anregenden Pulses und der Dauer des photoakustischen Signals, zumindest dem Ende des photoakustischen Signals, ist also bei größeren Partikeln größer als bei kleineren Partikeln. Bei einer Erhöhung der Pulsdauer werden alle Partikel stärker erwärmt. Aus dem Vergleich mehrerer photoakustischer Signale bei unterschiedlichen Lichtpulslängen kann somit auf eine Größenverteilung geschlossen werden. Dieser Effekt kann rechnerisch gezeigt und ermittelt werden. In der Praxis ist es jedoch stets vorteilhaft, durch Messung von Referenzproben den jeweiligen Detektor zu kalibrieren.
Auch durch die Änderung der Pulswiederholfrequenz kann die Größenverteilung der Feinstaubpartikel bestimmt werden. Wie dargelegt werden die Partikel bei jedem Puls erwärmt und geben anschließend ihre Wärme an die Umgebung ab. Dabei kühlen sich kleinere Partikel zwischen den einzelnen Anregungspulsen stärker ab als größere Partikel.
Da nur die jeweilige Temperaturänderung der Umgebungsluft zum photoakustischen Signal beiträgt, ist das photoakustische Signal größer, wenn die aufgenommene Wärme zwischen den einzelnen Anregungspulsen möglichst vollständig an die Umgebung abgegeben wird. Steigert man die Pulswiederholfrequenz, so können die größeren Partikel ihre Wärme zwischen den einzelnen Anregungspulsen nicht ausreichend an die Umgebungsluft abgeben und tragen somit weniger zum photoakustischen Signal bei. Aus einem Vergleich des gesamten photoakustischen Signals bei größeren und kleineren Pulswiederholfrequenzen kann somit auf die Größenverteilung der detektierten Feinstaubpartikel geschlossen werden. Auch dies kann rechnerisch gezeigt werden. Zur Erzielung genauer Messergebnisse ist es jedoch vorteilhaft, den Detektor mit bekannten Proben zu kalibrieren.
Damit kann auf relativ einfache Weise der Aussagewert von Feinstaubpartikelmessungen erhöht werden, da nun neben einer Aussage zur Konzentration eine Angabe zur Größenverteilung der Partikel enthalten ist. Dies ist von Vorteil, da die gesundheitsschädigenden Wirkungen der Feinstaubpartikel von ihrer Größe abhängen. Ferner können unterschiedliche Partikelgrößen auch Aufschluss über die Quelle oder die Ursache der Feinstaubbelastung geben.
Ausführungsbeispiel
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Zylinders mit den Spiegeln. Es sind vier Spiegel 3a - 3d angeordnet. Diese Spiegel sind in zwei Gruppen benachbarter Spiegel angeordnet. Das Licht tritt neben dem ersten Spiegel 3c ein, wandert von dort die Mittelachse schneidend zu dem gegenüberliegenden zweiten Spiegel 3a. Dort erfolgt eine Reflexion zum benachbarten dritten Spiegel 3b. Dieser reflektiert das Licht die Mittelachse schneidend zurück zum vierten Spiegel 3d und dann zum benachbarten ersten Spiegel 3c. Dadurch bildet sich ein X-förmiger Strahlverlauf 4 aus. Man kann sich leicht vorstellen, dass das Licht, sofern es zu Beginn eine Bewegungskomponente in Richtung längs der Zylinderachse erhält, bei jeder Reflexion an den Spiegeln diese Bewegungskomponente beibehält. Somit wandert das Licht im Zylinder längs der Zylinderachse weiter. Der X- förmige Strahlverlauf 4 ist in jeder Ebene ebenfalls gegeben. Die dargestellten Viertelwellenlängenfilter 5 sind offene Rohre, durch die das Licht ungehindert treten kann. Die Länge der Rohre entspricht einer viertel Wellenlänge des Schalls bei der Frequenz der zweiten azimutalen Resonanz. Diese Rohre bewirken, dass eben jene Wellenlänge bzw. Frequenz des Schalls effizient gedämpft wird. Wiewohl die Spiegel 3a bis 3d eine sehr gute Reflexion aufweisen - es handelt sich um Gold beschichtete Spiegel 3a bis 3d - ist eine geringe Absorption an den Spiegeln 3a bis 3d unvermeidlich. Diese Absorption führt zu einer Erwärmung und zu einer das photoakustische Signal verfälschenden Schallwelle. Die Viertelwellenlängenfilter 5 bewerkstelligen, dass der Schall bei der für das photoakustische Signal interessierenden Frequenz praktisch kaum in das Innere des akustischen Resonators gelangt. Es sind zwei Mikrofone 6 gezeigt. Eines der Mikrofone 6 befindet sich zwischen den Spiegeln 3b und 3a. Zu Beginn der Anregung der Schallwelle befindet sich dort der Bereich höchsten Schalldrucks. An der Wand des Zylinders 1 befindet sich eine viertel Umdrehung weiter ein weiteres Mikrofon 6. Zu Beginn der Anregung einer Schallwelle ist dort der niedrigste Schalldruck. Somit messen die Mikrofone ein hohes Differenzsignal. Dieses Differenzsignal ist Maß für das photoakustische Signal, welches von der Konzentration absorbierender Stoffe im vom
Licht durchstrahlten Bereich ist. Der Zylinderring 1 ist auf einer Grundplatte 2 montiert.
Bezυgszeichenliste
1 Zylinderring
2 Grundplatte
3a 2. Spiegel
3b 3. Spiegel
3c 1 . Spiegel
3d 4. Spiegel
4 X-förmiger Strahlverlauf
5 Viertelwellenlängenfilter
6 Mikrofone

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur photoakustischen Detektion mit einem zylindrischen akustischen Resonator, in dem Mittel (3a-d) vorhanden sind, das Anregungslicht im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse derart zu leiten, dass durch Absorption des Anregungslichts die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung anregbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Leitung des Anregungslichts vier Spiegel (3a-d) vorhanden sind, welche in Gruppen von jeweils zwei Spiegeln (3a-b, 3c-d) im Zylinder so gegenüber angeordnet sind, dass das Licht durch den Bereich der Mittelachse des Zylinders geleitet werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (3a-d) so angeordnet sind, das Anregungslicht von einem ersten Spiegel (3c) auf einen gegenüberliegenden zweiten Spiegel (3a) zu leiten, vom zweiten Spiegel (3a) auf einen benachbarten dritten Spiegel (3b), vom dritten Spiegel (3b) auf einen gegenüberliegenden vierten Spiegel (3d) und vom vierten Spiegel (3d) wieder zum benachbarten ersten Spiegel (3c) zu leiten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (3a-d) so angeordnet sind, dass das Anregungslicht vom ersten Spiegel (3c) zum zweiten Spiegel (3a) und/oder vom dritten Spiegel (3b) zum vierten Spiegel (3d) die
Mittelachse des Zylinders schneidend geleitet werden kann.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (3a-d) so angeordnet sind, dass das Anregungslicht eine Bewegungskomponente längs der Zylinderachse erhalten kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spiegeln (3a-d) und dem inneren Bereich des akustischen zylindrischen Resonators akustische Viertelwellenlängenfilter (5) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des photoakustischen Signals im Zylinder mindestens zwei Schalldruckaufnehmer (6) so angeordnet sind, dass bei Ausbildung einer zweiten azimutalen Resonanz der Zylinderschwingung sich ein
Schalldruckaufnehmer (6) im Bereich des Maximums und ein Schalldruckaufnehmer (6) im Bereich des Minimums der azimutalen Zylinderschwingung befindet.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische akustische Resonator (1) an seinem oberen und/oder unteren Ende mit Platten verschlossen ist, welche als Viertelwellenlängenfilter dienende Löcher aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische akustische Resonator an seinem ersten und/oder zweiten Ende mit porösen Platten akustisch verschlossen ist, welche
Durchlass von Luft ermöglichen und schallisolierend wirken.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den zylindrischen akustischen Resonator am ersten und/oder zweiten Ende ein Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 60% bis 80% des Durchmessers des zylindrischen akustischen Resonators anschließt.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des zylindrischen akustischen Resonators zumindest teilweise vertikal liegt und eine Heizung, insbesondere im oben anschließenden Zylinderteil, vorhanden ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um den zylindrischen akustischen Resonator herum eine
Kühlung vorhanden ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalldruckaufnehmer so positioniert sind, dass durch eine Kühlung der Wand auch bei Messungen im heißen Gas eine Grenztemperatur der Mikrofone (6) nicht überschritten wird.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass akustische Viertelwellenlängenresonatoren (5) zur akustischen Kopplung des inneren Bereichs des zylindrischen akustischen Resonators mit den im gekühlten Bereich angeordneten Schalldruckaufnehmern (6) vorhanden sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht Wellenlängen- oder intensitätsmoduliert bereitgestellt werden kann, wobei als Modulationsfrequenz insbesondere die Frequenz der zweiten azimutalen Resonanz einstellbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht gepulst bereitstellbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Detektoren, vorzugsweise zwei Photodioden angeordnet sind, welche von Partikeln, die sich im zylindrischen akustischen Resonator befinden, gestreutes Anregungslicht detektieren können
18. Vorrichtung, nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Veränderung von Pulslänge und/oder Pulswiederholfrequenz eine
Größenverteilung von im Gas befindlichen Partikeln, insbesondere Feinstaubpartikeln, bestimmt werden kann.
19. Verfahren zur photoakustischen Detektion, insbesondere in einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungslicht derart in einem zylindrischen akustischen Resonator geleitet wird, dass als Schallwelle die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung angeregt wird.
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