DE2424549A1

DE2424549A1 - Stroemungsmittelanalysiergeraet

Info

Publication number: DE2424549A1
Application number: DE2424549A
Authority: DE
Inventors: John Michael Prof Thompson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1974-05-21
Publication date: 1974-12-12
Also published as: FR2230998B3; US3906241A; FR2230998A1

Description

Es ist bekannt, bei der Analyse von Strömungsmitteln eine Strömungsmittelprobe mit einem Lichtstrahl bekannter Wellenlänge, beispielsweise erzeugt von einem Laser, zu be- · leuchten, und das Streulicht des Strömungsmittels zu beobachten bzw. zu untersuchen. Das Streulicht weist zum grössten Teil dieselbe Wellenlänge auf wie das einfallende Licht und wird als Rayleigh-Licht bezeichnet. Ein Teil des Streulichtes weist jedoch eine vom einfallenden Licht verschiedene .Wellenlänge auf und wird als Eaman-Streulicht bezeichnet. Die Wellenlängen des Saman-Streulichtes sind für die chemische Konstitution der Strömungsmittelprobe charakteristisch. Durch Feststellung, ob Streulicht mit bestimmten Verbindungen zugeordneten Wellenlängen vorhanden ist, lässt sich'die Anwesenheit bzw. Abwesenheit dieser Verbindungen in der Probe ermitteln.

Im Laboratorium ist es üblich, einen Laser bezüglich eines die zu analysierende Strömungsmittelprobe .enthaltenden Gefässes fest anzuordnen und zur Untersuchung und Analyse des Eaman-Streulichtes ein Spektroskop zu verwenden.

403850/1066

Derartige Anordnungen sind zur Analyse von Strömungsmittelproben geeignet, welche in geschlossenen, transparenten Gefässen enthalten sind. Sie sind weniger geeignet zur Analyse von Proben, welche sich an anderen Stellen befinden, beispielsweise von Strömungsmitteln im Inneren lebender Organismen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Analyse von Strömungsmitteln auf der Basis des Baman-Effektes zu schaffen, welches vielseitig anwendbar ist und die Analyse von Strömungsmitteln an den verschiedensten Stellen sowie unter den unterschiedlichsten Bedingungen erlaubt, wie es bisher nicht möglich war.

Diese Aufgabe ist durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der.Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Beim erfindungsgemässen Gerät gelangt das zu analysierende Strömungsmittel, eine Flüssigkeit oder ein Gas, in den Hohlraum im Detektorkopf. Licht bekannter Wellenlänge bzw. -längen, beispielsweise herrührend von einem Laser, pflanzt sich in Längsrichtung des Körpers der Sonde entlang dem ersten faseroptischen Kanal fort. Das Licht wird den Hohlraum kreuzen gelassen und vom Kopf entlang des zweiten faseroptischen Kanals zurückgeleitet. Beim Durchqueren des Hohlraumes und Durchdringen des Strömungsmittels wird ein geringer Anteil des Lichtes gestreut, so dass sich ein Licht bzw. eine Strahlung mit Wellenlängen ergibt, welche von denen des einfallenden, den Hohlraum durchquerenden Lichtes bzw. dieser Strahlung verschieden sind.

Im vorliegenden Zusammenhang wird das Streulicht bzw. die Streustrahlung mit bezüglich des einfallenden Lichtes bzw. der einfallenden Strahlung unterschiedlichen Wellenlängen als

4Ö98SÖ/1Ög$

Raman-Streulicht bezeichnet. Man bezeichnet mit Raman-Streulicht manchmal lediglich. Streulicht oder Streustrahlung mit Wellenlängen, die grosser sind als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes oder der einfallenden Strahlung, auch Stokes-Licht oder -Strahlung genannt, während Streulicht oder Streustrahlung mit Wellenlängen, welche kürzer als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes oder der einfallenden Strahlung sind, als Anti-Stokes-Strahlung oder -Licht bezeichnet wird. Im vorliegenden Zusammenhang wird jedoch das Streulicht oder die Streustrahlung sowohl mit längeren als auch mit kürzeren Wellenlängen als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes bzw. der einfallenden Strahlung als Raman-Streulicht bezeichnet.

Im allgemeinen ist die" Intensität des Raman-Streulichtes mit erhöhter Wellenlänge grosser als die Intensität des Raman-Streulichtes mit kleinerer Wellenlänge, so dass in praxi es in der Regel zweckmässiger ist, lediglich das Streulicht grösserer Wellenlänge zu untersuchen. Ein Teil des Raman-Streulichtes pflanzt sich vom Kopf entlang des dritten faseroptischen Kanals fort und kann beim Austritt aus dem Kanal analysiert werden. Wie bereits erwähnt, ist das Verhältnis der Wellenlängen des Raman-Streulichtes zur Wellenlänge bzw. zu den Wellenlängen des einfallenden Lichtes charakteristisch, für die chemische Konstitution des Strömungsmittels im Hohlraum des Detektorkopfes.

Da die Intensität des Raman-Streulichtes im Vergleich zu derjenigen des einfallenden Lichtes verhältnismässig gering ist, ist es normalerweise wünschenswert, einfallendes Licht verhältnismässig hoher Intensität zu' verwenden. Häufig ist das Licht eines Lasers besonders geeignet. Würde das einfallende Licht im Kopf nach. Durchqueren des Hohlraumes nur

409850/106S

absorbiert werden, dann würde eine beträchtliche Wärme im Kopf erzeugt werden.· Das Gerät kann beispielsweise mit einem Laser verwendet werden, welcher Licht mit einer Leistung von 1 Watt erzeugt. Einer der Hauptgründe dafür, einen zweiten faseroptischen Kanal für die Rückleitung des einfallenden Lichtes vorzusehen, beruht darin, die besagte Schwierigkeit zu vermeiden. Da das Gerät normalerweise mit kohärentem Licht betrieben wird, wie es ein Laser liefert, würden sich weiterhin Schwierigkeiten mit stehenden Wellen ergeben, wenn das Licht entlang desselben faseroptischen Kanals rückgeleitet würde, der auch zur Übertragung des Lichtes zum Kopf hin dient. Dies ist ein weiterer Grund dafür, das vom Kopf kommende Licht entlang eines Kanals zu leiten, der nicht der Kanal für das einfallende Licht ist.

Der Körper der Sonde kann flexibel ausgebildet sein, so dass das Einführen an solche Stellen möglich ist, wo der Kopf sonst nur schwer hingebracht werden könnte. Weiterhin ermöglicht die besagte Flexibilität die Anordnung des Kopfes derart, dass er bezüglich der-jenigen Stelle, an welcher die Streulichtanalyse stattfindet, geringfügig beweglich ist. Solche Bewegungen resultieren beispielsweise aus Temperaturänderungen.

Die drei faseroptischen Kanäle des erfindungsgemässen Gerätes können jeweils aus mehreren Einzelfasern bestehen. Statt dessen können jedoch der erste und der zweite Kanal auch jeweils nur eine Einzelfaser aufweisen, vorzugsweise eine solche, welche als starre Faser bezeichnet wird.. Diese kann einen Durchmesser von 1,75 ^m aufweisen. Werden Mehrfachfasern je Kanal verwendet, dann kann der Körper gewöhnlich flexibler ausgebildet werden, als bei Verwendung sogenannter starrer Fasern. Jedoch kann auch im letzten Fall der Körper immer noch etwas flexibel ausgebildet werden.

409850/1066

Der Kopf soll wenigstens eine öffnung aufweisen, so dass Strömungsmittel, welches den Eopf umgibt, zur Analyse .in den Kopfhohlraum eintreten kann. Ist nur eine einzige Öffnung im Eopf vorgesehen, welche zum Hohlraum führt, dann kann das Strömungsmittel durch den Hohlraum diffundieren. Sind zwei Öffnungen im Eopf vorgesehen, zwischen denen der Hohlraum liegt, dann kann das Strömungsmittel durch den Hohlraum von einer öffnung zur anderen fliessen.

Die Sonde kann verhältnismässig schmal ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Kopf keinen grösseren oder einen nur geringfügig grösseren Querschnitt als der Körper der Sonde auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle in' einer Hülle angeordnet, welche mit einem Abschnitt die Kopfseitenwand bildet. Die Hülle kann aus jedem geeigneten Material bestehen*

Soll der Sondenkörper flexibel sein, dann kann die Hülle aus Polyvinylchlorid oder einem Silikonkautschuk bestehen, während eine weniger flexible Sonde eine Metallhülle aufweisen kann. Bildet ein Abschnitt der Hülle die Kopfseitenwand, dann, besteht zumindest dieser, die benachbarten Enden der faseroptischen Kanäle umschliessende Abschnitt zweckmässigerweise aus Metall. Die Wandstärke der Hülle kann beispielsweise bei 1 mm liegen.

Obwohl der Kopf gewöhnlich an einem Ende des Sondenkörpers angeordnet sein wird, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Der Körper einer Sonde zur Analyse von Atemgasen, ^; welche in die Luftröhre eines Patienten eingesetzt wird, weist einen Durchmesser zwischen etwa 5 ¹^P-O. etwa 7 nmi auf.

Vorzugsweise erstrecken sich die drei faseroptischen Kanäle nebeneinander über die gesamte Länge des Körpers.

4098SÖ/1066

Vorteilhafterweise weisen der erste und zweite faseroptische Kanal jeweils einen kreisrunden Querschnitt auf, und sind diese Kanäle in den dritten faseroptischen Kanal eingebettet, dessen Durchmesser grosser als die Summe der Durchmesser des ersten und zweiten Kanals ist, und welcher den Raum zwischen dem ersten und zweiten Kanal füllt.

Vorzugsweise ist der Kopf mit Beflektoren versehen, welche Licht vom ersten zum zweiten Kanal übertragen. Beispielsweise kann das Licht den ersten Kanal in Sondenlängsrichtung verlassen,. um auf eine erste Eeflexionsfläche auf zutreffen, welche das Licht quer zum Kopf durch dessen Hohlraum und auf eine zweite Re flexions fläche lenkt, die das Licht entlang dem zweiten Kanal in Sondenlängsrichtung reflektiert.

Die beiden Re flexions flächen können in. einem Winkel von 45 Grad zur Längsachse des benachbarten Sondenabschnitts angeordnet sein. Sind sie jedoch bezüglich dieser Achse we-■niger steil geneigt, dann kann die Anordnung so getroffen sein, dass das Licht zwischen den Reflexionsflächen mehrmals hin- und herläuft, bevor es sich entlang dem zweiten Kanal fortpflanzt. Eine solche Anordnung steigert die Intensität des Raman-Streulichtes. Wenigstens eine zusätzliche Reflexionsfläche kann um den Hohlraum herum angeordnet sein, um einen •Teil des Raman-Streulichtes entlang dem dritten Kanal zu reflektieren, der sonst nicht entlang diesem Kanal gerichtet wäre.

Nachstehend sind Ausführungsformen des erfindungsgemässen Gerätes anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

409850/1066

Fig. 1 perspektivisch und teilweise aufgebrochen das kopfseitige Ende einer Sonde %

Fig. 2 und 3 jeweils den Querschnitt entlang der Linie 2-2 bzw. 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht des kopfseitigen Endes einer zweiten Ausführungsform der Sondej

Fig. 5 schematisch die Sonde gemäss Fig. 4- in kleinerem Maßstab in Verbindung mit einer Lichtquelle, einem Absorber für das reflektierte Licht und einen Streulichtanalysator;

Fig. 6 einecfe-a oberen !eil von Fig. 5 entsprechende Ansicht, wobei eine andere Ausführungsform des Streulichtanalysators veranschaulicht ist, und zwar in kleinerem Maßstab als die linke Hälfte von Fig.6;

Fig. 7 schematisch eine weitere Ausführungsform des Streulichtanalysators;

Fig. 8 und 9 jeweils eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht des kopfseitigen Endes einer dritten bzw. vierten Ausführungsform der Sonde, wobei der Kopf gegenüber der Ausführungsform gemäss Fig. 1 bis 3 bzw. 4- abgewandelt ist;und

Fig. 10 schematisch einen Längsschnitt durch eine mit einer Sonde gemäss Fig. 4- versehene Rohrleitung.

409850/1066

Gemäss Fig. 1 bis 3 weist das Gerät eine Sonde auf, welche aus einem länglichen Körper 1 und einem Kopf 2 an einem Ende desselben besteht. Die Sonde weist einen kreisrunden Querschnitt und eine rohrförmige Metallhülle 3 auf. Der Körper 1 schliesst drei faseroptische Kanäle 4, 5 und 6 ein.

Die beiden Kanäle 4 und 5 weisen jeweils einen kreisrunden Querschnitt und einen Durchmesser auf, welcher etwa einem Drittel des Sondenaussendurchmessers entspricht. Die beiden Kanäle 4 und 5 sind in der Sonde so weit als möglich voneinander entfernt angeordnet, so dass sie aussen die Hülle 3 berühren. Der dritte Kanal 6 füllt den übrigen Innenraum der Hülle 3 aus und weist somit einen Querschnitt mit kreisrundem Umriss auf, wobei zwei kleinere, runde Abschnitte von den beiden kleineren Kanälen 4 und 5 besetzt" sind.

Die Enden der drei Kanäle 4, 5 und 6 liegen in einer gemeinsamen Ebene, welche senkrecht zur Zylinderachse des Kopfes 2 verläuft. Das andere Ende des Kopfes 2 ist durch einen Einsatz 7» beispielsweise aus einem Metall, wie Messing, Platin oder Weissgold, teilweise verschlossen. Der Einsatz 7 weist eine mittige, kreisrunde öffnung 8 auf, deren Durchmesser wesentlich geringer als ein Drittel des Durchmessers vom Kopf 2 ist, und welche den Eintritt von Strömungsmittel in den Kopf 2 ermöglicht.

Gegenüber den Enden des ersten und zweiten Kanals 4 und 5 sind an der Innenseite des Einsatzes 7 ebene !lachen 9 und 10 ausgebildet, welche (jeweils um 45 Grad gegenüber der Kopfachse geneigt sind. Die !lachen 9 und 10 können mit Gold oder Eodium plattiert sein und bilden Spiegel. Die Anordnung ist so getroffen, dass Licht aus dem ersten Kanal 4 auf die benachbarte Fläche 9 fällt, den Kopfinnenraum rechtwinklig zur Achse durchquert, auf die andere Fläche 10 fällt und zum

409850/1066

benachbarten Ende des zweiten Kanals 5 reflektiert wird. Der dreiteilige Raum, durch welchen das Licht sich zwischen den Kanälen 4 und 5 fortpflanzt, bildet den oben erwähnten Hohlraum im Kopf 2.

Im Kopf 2 sind zwei zusätzliche, reflektierende !Flächen 11 vorgesehen, ähnlich den Flächen 9 und 10. Die Ebenen der Reflexionsflächen 9, 10 und 11 bilden die Seitenflächen einer vierseitigen, symmetrischen, zum Kopf 2 koaxialen Pyramide mit einem Spitzen- winkel von 45 Grad. Eaman-Streulicht des jeweils untersuchten, im Kopf hohlraum befindlichen Strömungsmittels pflanzt sich vom Hohlraum in alle Richtungen fort. Ein Teil gelangt unmittelbar in den dritten faseroptischen Kanal 6, und ein Teil wird in diesen von den Reflexionsflächen 11 reflektiert.

Zwischen dem Einsatz 7 und dem benachbarten Ende des Körpers 1 ist die Hülle 3 mit mehreren Öffnungen 12 versehen. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform fehlen diese Öffnungen 12.

Bei der Ausführungsform gemäss 3Fig. 4 ist die Hülle 3 so gestaltet, dass sie einen Kopf I3 bildet. Der Kopf I3 weist einen zylindrischen Abschnitt 14 mit öffnungen I5 und einen· halbkugeligen Abschnitt 16 mit einer mittleren, axialen öff- . nung 17 auf. Die Innenfläche des,halbkugeligen Abschnitts 16 ist reflektierend, so dass Licht vom Kanal 4 von demjenigen Teil der Innenfläche reflektiert wird, auf welchen das Licht fällt. Ein Teil des reflektierten Lichtes durchquert den Kopfinnenraum und gelangt nach einer zweiten Reflexion zum Kanal 5. Andere Strahlen werden mehrfach reflektiert,- bevor sie in den Kanal 5" gelangen. Noch andere Strahlen können sich durch den Kanal 6 fortpflanzen. Jedoch sind die relativen Intensitäten des sich durch den Kanal 6 fortpflanzenden Raman-

409850/1066

. Streulichtes und des sich durch den Kanal 6 fortpflanzenden reflektierten lichtes so, dass das Eaman-Streulicht durch das reflektierte licht nicht überschwemmt wird und leicht analysiert werden kann.

Bei einer weiteren, nicht dargestellten und derjenigen nach Fig. 1 bis 3 sehr ähnlichen Ausführungsform sind die Eeflexionsflachen weniger steil als 45 Grad gegenüber der Kopfachse geneigt. Das Licht vom Kanal 4 muss also mehrfach zwischen den Beflexionsflächen 9 "und 10 hin- und herlaufen, bevor es durch den Kanal 5 entweichen kann. Dadurch wird die wirksame, mittlere Länge des Kopfhohlraumes vergrössert, somit auch die Intensität des Eaman-Streulichtes erhöht. Eine ähnliche Wirkung, jedoch in geringerem Ausmaß, zeigt sich bei dem Kopf 13 gemäss Fig. 4.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, laufen die faseroptischen Kanäle 4, 5 "und 6 an dem dem Kopf 13 abgewandten Ende auseinander. Der Kanal 4 ist so angeordnet, dass er Licht von einem Laser 18 empfängt, der an eine Energiequelle 19 angeschlossen ist. Der Kanal 5 führt zu einem geschlossenen Kasten 20, dessen Innenfläche mit einer das Licht aus dem Kanal 5 absorbierenden Beschichtung versehen ist. Der Kasten 20 weist Aussenrippen 21 zur Kühlung auf, d.h. zur Abgabe derjenigen Wärmeenergie, welche von der Absorbtion des reflektierten Lichtes herrührt. Eine solche Anordnung ist nicht immer unbedingt erforderlich, insbesondere dann nicht, wenn der Laser 18 nur eine verhältnismässig geringe Leistung abgibt.

Der dritte faseroptische Kanal 6 führt zu einem Analysator. Vorzugsweise ist derjenige Abschnitt des Kanals 6 mit einem Querschnitt verhältnismässig einfacher Gestalt, beispielsweise mit einem kreisrunden oder rechteckigen Querschnitt,, versehen, welcher sich von den Kanälen 4 und 5 weg

409850/1066

erstreckt, in den diese Kanäle 4 und 5 also nicht mehr eingebettet sind· Der in Fig. 5 schematisch wiedergegebene Analysator weist ein Filter 22, beispielsweise ein Interferenzfilter, auf. Dieses lässt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines engen Wellenlängenbandes durch. Ferner weist der Analysator einen Detektor 23 auf, weicher auf dieses Licht anspricht. Die vom Detektor 23 abgegebenen Signale werden durch eine Einrichtung 24 verstärkt, welche auch die Intensität der Signale anzeigen und/oder registrieren kann.

Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Gallium-Arsenid-Dioden-Laser oder ein Gallium-Aluminium-Arsenid-Dioden-Laser verwendet, wobei die Energiequelle 19 Energieimpulse liefert. Gewünschtenfalls kann als Lichtquelle auch ein kontinuierlich betriebener Laser Verwendet werden. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Gallium-Arsenid- oder einen Gallium-Aluminium-Arsenid-Laser handeln, wie vorgenannt, einen Gas-Laser, beispielsweise einen Helium-Neon-Laser, einen Ionen-Laser, beispielsweise einen Argon-Ionen-Laser, oder einen Metalldampf-Laser, beispielsweise einen. Helium-Cadmium-Laser oder einen Helium-Selen-Laser. Wird ein kontinuierlich betriebener Laser verwendet, dann kann das abgegebene Licht durch einen mechanischen oder optisch-elektronischen Unterbrecher hindurchlaufen, so dass dem Kanal 4- ein diskontinuierliches, intermittierendes Signal aufgegeben wird.

Der Detektor 23 kann von beliebiger Art sein. Beispielsweise kann er eine Silizium-Photodiode, eine ebene, diffundierte, p-i-n-Silizium-Photodiode, eine Schottky-Sperre-Silizium-Photodiode, einen Rio to elektronen- Vervielfacher mit einer Photokathode vom S 1-Typ, d.h. mit einer Silber-Sauerstoff-Caesium-Kathode, einen Photoelektronen-Vervielfacher mit einer Vielfachalkaliphotokathode mit erweiterter Botgrenze.

409850/1066

einen Photoelektronen-Vervielfacher mit einer Galliuin-Arsenid-Photokathode oder einen Photoelektronen-Vervielfacher mit einer Gallium-Indium-Arsenid-Photokathode aufweisen. Wird der Laser kontinuierlich betrieben, -and handelt es sich nicht um einen Galliuia-Arsenid- oder Gellium-Aluminiiun-Arsenid-Laser, dann kann der Detektor 2J die ^escliilcerte Ausgestaltung oder aber einen Photoelektronen-Tervielfacher mit einer Photokathode anderer Zusammensetzung aufweisen, beispielsweise nit einer Gelliiua-Arsenid-Phcsphid-, Bialkali-, Hultialkali-, Silterwisiivthsauerstoffcaesiuni- oder Caesitun-Antinon-Pho tokatiiode.

Kit den Gerät geiaäss S¹IC* 5 kann die Anwesenheit einer bestimmten Substanz oder die Konzentration einer bestimmten-Substanz festgestellt werden. Die Intensität des Eainan-Streulichtes ist der Konzentration derjenigen Substanz proportional, welche das jeweilige Streulicht hervorruft.

Zur Peststellung der Konzentrationen mehrerer unterschiedlicher Substanzen wird ein modifiziertes Geräte verwendet, beispielsweise das Gerät nach Jig. 6.

Dabei wird das Licht vom Eanal 6 auf ein Interferenzfilter 25 mit engem Band gerichtet, welches mit einem Winkel von 4-5 Grad zum einfallenden Licht angeordnet ist. Licht mit der für das !Filter 25 charakteristischen Wellenlänge passiert das Filter 25 und fällt auf einen Detektor 26, der dem Detektor 23 ähnlich ist und mit einer Einrichtung 27 ähnlich der Einrichtung 24- verbunden ist. Das übrige Licht wird auf ein zxtfeites, dem Filter 25 ähnliches Filter 28 gerichtet, das jedoch Licht anderer Wellenlänge durchlässt. Das durchgelassene Licht fällt auf einen Detektor 29, ähnlich dem Detektor 26, welcher ebenfalls an die Einrichtung 27 angeschlossen ist.

409850/1066

Das restliche Licht wird dann entlang einer zick-zack-förmigen Bahn zwischen einer Reihe weiterer Filter 30 reflektiert, Vielehe jeweils Licht anderer Wellenlänge durchlassen, und denen jeweils ein Detektor 31 zugeordnet ist, der an die Einrichtung 27 angeschlossen ist. Es sind so viele Filter 30 und Detektoren 31 vorgesehen, wie erforderlich bzw. gewünscht. -

Zur besseren Veranschaulichung ist jedes Filter mit einer Neigung von 4-5 Grad dargestellt. In praxi sind die Filter jedoch gewöhnlich so geneigt, dass das Licht auf sie in einem kleineren Winkel zur Normalen, beispielsweise zwischen 10 und 15 Grad, fällt.

Es kann dafür Vorsorge getroffen sein, dass der Detektor 23 bzw. jeder Detektor 26 bzw. 29 bzw. 31 lediglich dann ein Signal liefert, wenn die Intensität des Lichtes, auf welches er anspricht, einen bestimmten Wert erreicht. Dies entspricht einer einfachen Form der Analyse. Statt dessen kann die Anordnung auch so getroffen sein, dass der Detektor 23 bzw. jeder Detektor 26 bzw. 29 bzw. 31 ein Signal liefert, das sich entsprechend den Eonzentrationsvariationen der zugehörigen Substanz im. Kopfhohlraum ändert. Das Ausgangssignal des Detektors 23 bzw..jedes Detektors 26 bzw. 29 bzw.

31 kann aufgezeichnet werden.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform darge- . stellt. Dabei fällt der vom Kanal 6 kommende Lichtstaahl

32 auf ein Prisma 33 ·> welches das Licht auf einen Detektor 34 zerlegt. Dieser weist ein Netz an photοempfindlichen Elementen, beispielsweise Silizium-Photodioden, auf. Licht unterschiedlicher Wellenlänge fällt auf verschiedene Elemente des Detektors 34-» "und die Elemente können periodisch abgetastet oder der Reihe nach abgefragt werden, um festzustellen, ob Licht bzw. Strahlung des jeweils zugehxigen,

409850/1066

engen Wellenlängenbandes vorliegt, und zutreffendenfalls dessen Intensität zu ermitteln. Die Elemente des Detektors 34 können nach Ladung oder nach Spannung abgefragt werden.

Bei einer anderen üusführungsform sind die Elemente des Detektors 34 durch eine Dissectorröhre mit Photoelektronen-Vervielfacher oder durch eine Vidikonröhre nit Silizium-Speicherplatte ersetzt. Wird.der Detektor 34 häufig abgetastet, beispielsweise 100 mal pro Sekunde, dann kann die vom Detektor 34 erhaltene Information dazu verwendet werden, eine Aufzeichnung zu erhalten, die vorübergehende Änderungen hinsichtlich Konzentration oder Zusammensetzung des analysierten Strömungsmittels wiedergibt.

Es kann auch jede andere Anordnung zur Bestimmung bzw. Analyse des Raman-Streulichtes Anwendung finden. Beispielsweise kann das Streulicht mit Hilfe eines konventionellen Spektrometers aaalysiert werden, welches entweder ein Prisma oder ein Beugungsgitter aufweist.

Unabhängig von der gewählten Anordnung kann die Intensität des Raman-Streulichtes kontinuierlich oder intermittierend mit der Intensität des Rayleigh-Lichtes verglichen werden, welche ihrerseits der Intensität des vom Laser kommenden, einfallenden Lichtes im Kopfhohlraum proportional ist, so dass ein geeigneter Bezug gegeben ist. Statt dessen kann auch das Licht des zweiten faseroptischen Kanals als Bezug gewählt werden.

Das Gerät ist für viele, unterschiedliche Zwecke geeignet. B ei spiel sv/ei se kann es zur Analyse von Atemgaseii v&rwondet werden. Dazu kann die Sonde in die Lunge des jeweiligen Patientens eingesetzt und die relative oder absolute Konzentration solcher Gase, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd und Wasserdampf, gemessen bzw.

409850/1066

überwacht xverden.' Atuet der Patient ein anäs theti seiles Gas, wie Stickstoffoxyd, ein, dann kann auch dessen Konzentration gemessen bzw. überwacht werden. Desgleichen können auch die Gase im Hund des Patienten analysiert werden.

Da das Gerät sehr schnell auf Veränderungen anspricht, kann es sogar zur Feststellung von Veränderungen verwendet werden, welche während eines einzigen Atemholens stattfinden.

Auch kann das Gerät in der Chromatographie Anwendung finden, wobei der Strömungsmittelträger, entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, durch den Iiopf 2 bzw. 13 hindurchgeleitet wird. Auch dabei wirkt sich das schnelle Ansprechen vorteilhaft aus und macht das Gerät insbesondere zxir Verwendung in Verbindung mit einem Gaschromat-ographen geeignet.

Obwohl der Kopf 2 bzw. 13 thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sein und sich aufgrund von Temperaturänderungen geringfügig verschieben kann, ermöglichen die robuste Konstruktion des Kopfes und die Flexibilität des Körpers der Sonde die Benutzung des Gerätes ohne Schwierigkeit.

Die in Fig. 8 und 9 wiedergegebenen Köpfe 2 und 13 sind für die Verwendung in Verbindung mit Gaschromatographen gedacht und rmterscheiden sich von denen gemäss Fig. 1 bzw. 4- lediglich dadurch, dass am Ende des Kopfes 2 bzw. 13 ein axialer Gaseinlass 35 mit Aussengewinde zum gasdichten Anschluss an den Auslass eines Gaschromatographen sowie ein ähnlicher Gasauslass 36 vorgesehen sind.

Σία Betrieb -fciritt bei den Sonden gemäss Fig. 1 "und das zu analysierende Strömungsmittel durch die öffnung 8 bzw. 17 ein und durch die Öffnungen 12 bzw. 15 aus, wie

409850/1066

durch die Pfeile angedeutet. In Fig. 10 ist die Anordnung einer Sonde gemäss 3Fig. 4 in einer Rohrleitung 37 veranschaulicht, wobei der Kopf 13 koaxial zur Rohrleitung 37 liegt. Die !flüssigkeit in der Rohrleitung 37 strömt in Richtung der eingezeichneten Pfeile. Die an den Öffnungen 15 vorbeiflies sende !Flüssigkeit bewirkt eine Druckminderung innerhalb des Kopfes 13? welche ein Durchfliessen der Flüssigkeit durch den Kopf 13 hindurch unterstützt.

Obwohl das Strömungsmittel im allgemeinen entsprechend den Pfeilen in Fig. 1, 4 und 10 strömen gelassen wird, kann es jedoch auch in umgekehrter Richtung durch den Kopf 2 bzw. 13 flieosen gelassen werden. Bei anderen Anwendungen können die öffnungen 12 bzw. 15 vollständig fehlen, wobei das Strömungsmittel durch die Öffnung 8 bzw. 17 in den Kopfhohlraum hinein diffundieren gelassen wird.

Jeder der dargestellten bzw. beschriebenen Köpfe kann in Verbindung mit jedem dargestellten bzw. beschriebenen Analysator verwendet werden. Die jeweilige Kombination hängt von der Art des zu analysierenden Strönungsnittels und der gewünschten Information ab.

Besteht die Gefahr, dass das Reflexionsvermögen der Reflexionsflächen durch Kondensation vermindert wird, dann kann der Kopf 2 bzw. 13 zur Verhinderung von Kondensationen beheizbar ausgebildet werden. Beispielsweise kann im Kopf 2 bzw. 13 ein elektrischer Heizer vorgesehen sein, dessen elektrische Leitungen sich in Längsrichtung des Sondenkörpers 2 erstrecken.

Die Erfindung vermittelt ein verhältnismässig einfaches und robustes Gerät zur Analyse von Strömungsmitteln

409850/1066

an Stellen, die nicht immer leicht zugänglich sind, wobei der Raman-Effekt ausgenutzt wird.

409850/1066

Claims

Ansprüche

J Gerät zur Analyse von Strömungsmitteln durch Bestrahlung mit Licht bekannter Wellenlänge bzw. -längen und Untersuchung des Raman-Streulichtes, gekennzeichnet durch eine Sonde mit einem einen Hohlraum aufweisenden Detektorkopf (2} I3) und einem sich vom Detektorkopf (2j I3) weg erstreckenden, länglichen Körper (i), welcher einen ersten, zweiten und dritten faseroptischen Kanal (4 bzw. 5 bzw. 6) zur Lichtleitung zum Kopf (2; 13) bzw. zur Rückleitung des Lichtes nach dem Passieren durch das Strömungsmittel im Kopf hohlraum bzw. zur Ableitung des Raman-Streulichtes vom Kopf (2; I3) weg zu einen Analysator, aufweist.
2. Gerät nach Ansprtc h 1, gekennzeichnet durch Reflektoren bzw. Reflexionsflächen (9 und 10) im Kopf (2;.13) zur Lichtübertragung von ersten zum zweiten Kanal (4 bzw. 5)·
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine zusätzliche-Reflexionsfläche (11) zur Reflexion von Raman-Streulicht vom Kopf (2j 13) entlang des dritten Kanals (6).
-4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (2; I3) wenigstens eine Öffnung (8, 12| 17j15) zum Strömungsmittelein- und -austritt aufweist.
5- Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (4} 5} 6) in einer Hülle (3) angeordnet sind, welche mit einem Abschnitt die Kopfseitenwand bildet.

409850/1066
6. Gerät nach einen der vorstehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kanal (4 bzw. 5) jeweils einen kreisrunden Querschnitt aufifeisen imö. im dritten Kanal (6) eingebettet sind, dessen Durchmesser grosser als die Summe der Durchmesser des ersten und zweiten. Kanals (4 bzw. 5) ist, und welcher den Raum zwischen dem ersten und zweiten Kanal (4 bzw. 5) füllt.
7. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kanal (6) mehrere Fasern auf-Xfeist, während für den ersten und zweiten Kanal (4 bzw. 5) jeweils eine Einzelfaser oder mehrere Fasern vorgesehen sind.
8. Gerät nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator mindestens ein Interferenzfilter (22} 25, 28, 30), welches Eaman-Streulicht bekannter Wellenlänge durchlässt, und einen vom durchgelassenen Streulicht beaufschlagten photoelektrischen Detektor (23} 26, 29, 31) aufweist.
9. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator ein das Streulicht in ein Spektrum zerlegendes Prisma (33) und einen Detektor (34) mit mehreren photoelektrischen Elementen zur Aufnahme des Spektrums derart aufweist, dass Streulicht verschiedener Wellenlänge zu verschiedenen Elementen gelangt, welche periodisch nacheinander abtastbar sind.

409850/1066

iff

Leerseite