-
Einrichtung und Verfahren zum Fühlen organi-
-
scher Dämpfe Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren
zum Fühlen organischer Dämpfe.
-
In Aerospace Medicine vom Januar 1969 ist auf den Seiten 35 bis 39
eine Abhandlung über "Flüssige Kristalle" von Toliver, Roach, Roundy und Hoffman
erschienen; dort sind insbesondere Flüssigkristalle beschrieben, welche ihre Farbe
ändern, wenn sie organischen Dämpfen ausgesetzt werden.
-
Auch in einem technischen Bericht von EM Chemicals über "Flüss~igkristalle"
ist auf Seite 7 die Verwendung von Flüssigkristallen bei einer Gasanalyse von Dämpfen1
wie Azeton,
Benzol, Chloroform, Petroläther usw. bei Werten in der
Größenordnung von ippm ( 1 -Nilligrana je Liter) beschrieben.
-
In der US-PS 3 050 982 ist eine "Taupunkt-Meßeinrichtung" beschrieben,
bei welcher Feuchtigkeit auf einem langgestreckten Wellenleiter die Lichtdurchlässigkeit
des Wellenleiters ändert, was zu einer Taupunktanzeige verwendet ist. Hierbei sind
jedoch keine Flüssigkristalle vorgesehen.
-
In der US-PS 3 409 404 sind analytische Verfahren und Einrich-bzw.
cholesterinartige tungen beschrieben, bei wischen cholesterischetFlüs d gkristallmaterialien
verwendet sind, und welche ein qualitatives oder quantitatives Fühlen bzw. Bestimmen
und eine entsprechende Analyse von Stoffen, wie beispielsweise Gasen,betrifft. In
dieser Druckschrift ist ausgeführt, daß umkehrbare Einwirkungen auf die optischen
Verhältnisse von Flüssigkristallen bei gewöhnlichen organischen Lösungsmitteln,
Aminen, einfachen Alkoholen und organischen Säuren .... usw. festgestellt worden
sind.
-
In der US-PS 3 704 o60 ist eine "Elektrisch steuerbare lichtleitende
Einrichtung" beschrieben, wobei das Überzugsmaterial auf dem Wellenleiter eine Flüssigkristallauflage
sein kann.
-
In der US-PS 3 802 760 sind "Einrichtungen zum Ändern der Eigenschaften
von mit einer dünnen Schicht bzw. einem dünnen Film versehenen Wellenleitern"mittels
eines "Flüssigkristalls" beschrieben, welcher einen Teil des Wellenleiters bedeckt.
-
Gemäß der Erfindung sind bei einer Einrichtung zum Fühlen organischer
Dämpfe folgende Einrichtungen vorgesehen (a) ein langgestreckter Wellenleiter1 auf
dessen Oberfläche eine ausreichende Menge an Flüssigkristallmaterial aufgebracht
ist, welches bezüglich organischen Dämpfen empfindlich ist, so daß sich die Lichtdurchlässigkeit
des Wellenleiters meßbar ändert, wenn dieser mit dem Dampf in Berührung kommt, (b)
eine Lichtquelle1 die so angeordnet ist, daß Licht in Längarichtung über den Wellenleiter
übertragen wird, und (c) eine Einrichtung zum Messen des aus dem Wellenleiter austretenden
Lichtes. Gemäß der Erfindung ist diese Einrichtung bei einem Verfahren zum Messen
von organismen Dämpfen anwendbar, bei welchem (a) der Wellenleiter einem Gas ausgesetzt
wird, welches organische Dämpfe enthalten kann, bezüglich welcher die Flüssigkristalle
empfindlich sind, bei welchem dann (b) das Licht über den Wellenleiter übertragen
bzw. von diesem durchgelassen wird und schließlich (c) das übertragene bzw. durchgelassene
Licht als Maß für die organischen Dämpfe gefühlt und festgestellt wird.
-
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen
Einrichtung verwendeten Wellenleiter sind im einzelnen in den Unteransprüchen angegeben.
-
Der Wellenleiter kann mit Flüssigkristallmaterial beschichtet bzw.
mit Flüssigkristallmaterial getränkt sein, oder in einigen Fällen kann ein Hohlraum
in dem Wellenleiter mit Flüssigkristallmaterial vorgesehen sein, wobei das Flüssigkristallmaterial
bezüglich organischen Dämpfen empfindlich ist, vorausgesetzt,
daß
der Wellenleiter mit dem aufgebrachten bzw. zugesetztem Flüssigkristallmaterial
Licht entsprechend überträgt und durchläßt; in einigen Fällen kann das Flüssigkristallmaterial
reaktionsfähige Gruppen bilden, die auf dem Wellenleiter aufgebracht sind.
-
Im Falle eines beschichteten bzw. überzogenen Wellenleiters kann der
Wellenleiter entweder massiv oder hohl eein, beispielsweise ein Hohl- oder Massivzylinder,
und bei einem Hohlzylinder könnte dann der Überzug bzw. die Schicht auf der =nen-
oder Außenfläche oder auf beiden aufgebracht sein; normalerweise sind jedoch die
Enden der Massivstäbe abgesehen von der Umfangsfläche nicht beschichtet, außer in
einigen Fällen, wo das Licht durch die Schicht oder den Überzug an den Enden hindurchgehen
soll, um Licht einer bestimmten Wellenlänge aufzunehmen. Selbstverständlich muß
die Menge an Flüssigkristallmaterial auf dem Wellenleiter ausreichen, damit sich
eine meßbare Änderung der Lichtdurchlässigkeit über dem Konzentrationsbereich des
organischen Dampfes ergibt, den zu fühlen der Wellenleiter ausgelegt ist.
-
Hierbei können die Wellenleiter aus transparentem, lichtdurchlässigem
Materie, wie Saphir, Glas, Pyrex bzw. Jenaer Glas (eingetragenes Warenzeichen) oder
aus anderem transparentem, lichtdurchlässigem, anorganischem Material oder aus transparenten,
lichtdurchlässigen Kunstharzen, wie Polystyrol, Poly-« Methylstyrol, Polymethylmethakrylat
oder anderem transparentem
Kunstharzmaterial, hergestellt sein.
Die Wellenleiter können irgendeine herkömmliche Form und Größe aufweisen, wobei
sich jedoch die größte Empfindlichkeit normalerweise in Richtung des Lichtflusses
erstreckt. Normalerweise werden zylindrische Wellenleiter, manchmal auch sogenannte
optische Fasern verwendet; es können jedoch auch Fasern mit quadratischem, rechteckigem,
ovalem oder einem anders geformten Querschnitt verwendet werden.
-
In dem eingangs erwähnten Artikel aus Aerospace Medicine sind verschiedene
Flüssigkristalle und ihre Verwendbarkeit im Hinblick auf das Fühlen und Feststellen
organischer Dämpfe aufgeführt. Es wurden Mischungen von Flüssigkristallen, wie Cholesterylchlorid
und 60 /40 Oleyl Cholesterylkarbonat und Cholesterylnanonat, verwendet, um Chloroform,
Benzol und Cyclohexan zu fühlen. Auch wurde eine Mischung von Flüssigkristallen,
wie Cholesterylbutyrat,-nanonat und-erukat, zum Fühlen derselben organischen Dämpfe
verwendet.
-
Die Lichtquelle kann eine herkömmliche, handelsübliche Lichtquelle
sein, die im wesentlichen weißes Licht abgibt, oder sie kann gefärbt sein, oder
sie kann im wesentlichen einfarbiges bzw. monochromatisches Licht im infraroten,
ultravioletten, gelben, orangen, grünen, blauen oder einem andersfarbigen Bereich
abgeben; darüber hinaus können Filter verwendet werden, um gefärbtes Licht zu erhalten.
Monochromatisches Licht in verschiedenen Farben kann mittels lichtemittierender
Dioden(LED's)
geschaffen werden. Eine besondere Farbe, wie beispielsweise
grün, kann in Abhängigkeit von der Farbe oder der Zusammensetzung der auf dem Wellenleiter
aufgebrachten Schicht besonders vorteilhaft sein.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 sehematische Darstellungen von lichtübertragenden bzw. -durchlassenden Wellenleitern
gemäß der Erfindung; Fig.2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß
der Erfindung; und Fig.3 eine schematische, ins einzelne gehende Ansicht der optischen
Einrichtungen der Erfindung.
-
Der beschichtete bzw. mit einem Überzug versehene Wellenleiter kann
so gewählt werden, daß ein Überzug vorgesehen ist, dessen Brechungsindex entweder
größer oder kleiner als der des Wellenleiters ist. Ein kleinerer Brechungsindex
wird normalerweise bei optischen Leitern verwendet und würde dann zu dem in Fig.
IA dargestellten Strahl enverl auf führen.
-
Bei Verwenden eines Uberzugs bzw. einer Schicht mit höherem
Brechungsindex
würde sich dann während des Betriebs der in Fig.iB wiedergegebene Strahlenverlauf
ergeben. Obwohl eine Näherung angewendet werden kann, würde sich doch bei einer
Anordnung gemäß Fig.lA eine geringere Empfindlichkeit ergeben, da gegenseitige Beeinflussungen
bzw. Wechselwirkungen bei wdämpfter Welle bzw. bei einem Wellenleiter mit herabgesetzter
kritischer Frequenz nur in dem Bereich der Stab-Beschichtungs-Grenzfläche auftreten.In
jeder der Anordnungen nach Fig.lBwird die Strahlung durch die ganze Schicht bzw.
-
den ganzen Überzug übertragen, und auf diese Weise können spektrophotometrische
Festkörpermessungen in der ursprünglichen Lage durchgeführt werden.
-
Um die Lichtdurchlässigkeit zu messen, wurde ein Instrument oder eine
Einrichtung entworfen und gebaut, um quantitative analytische Messungen durchführen
zu können. Diese spezielle Einrichtung weist Glasstäbe mit einem Durchmesser von
0,9mm bis 1,3mm auf, die entweder 10mm oder .20mm lang sind. Eine schematische Anordnung
der Grundbauteile ist in Fig.2 wiedergegeben. Hierbei sind folgende Teile vorgesehen:
Eine Lichtquelle 1 in Form einer Wolframfadenlampe, eine Kondensoranordnung 2, um
annähernd gebündeltes Licht zu erzeugen, ein Filter 3 zur Wellenlängnnauswahl, eine
ringförmige Öffnung 4 um in axialer Richtung verlaufenden Lichtstrahlen den Durchgang
zu versperren, einen Kondensor 5, um einen Lichtstrahlen-Hohlkegel zu schaffen,
eine Verbindung 6 von Halbkugeln und einer Öffnung, um unter großem Winkel einfallende
Strahlen
an den Stab anzukoppeln, eine Stabhalterung 7, um Stäbe
bezüglich der Öffnung bei einer minimalen Oberflächenberührung in einer genau vorgegebenen
Lage zu halten, einen Detektor 8 in Form einer Siliziumphotodiode, einen Operationsverstärker
9, welcher als "Strom-Spannungs"-Wandler arbeitet, und ein 3 1/2 Digit-Digitalvoltmeter
10 zur Anzeige der relativen Durchlässigkeit.
-
Ein schematisches optisches Diagramm ist in Fig.3 dargestellt, in
welcher die Stababmessungen übertrieben wiedergegeben sind, um die grundsätzliche
Arbeitsweise der Einrichtung zu zeigen.
-
Das Licht von der Wolframfadenlampe wird mit Hilfe eines Spiegels
und mit Hilfe von Kondensorlinsen gebündelt. Das Licht geht dann durch ein wärmeaufnehmendes
Glasfilter und ein zur Farbauswahl veränderliches Filter hindurch. Durch eine Vorderfläche
des Spiegels wird das Licht um 90° in vertikaler Richtung abgelenkt. Durch die ringförmige
Öffnung werden in axialer Richtung verlaufende Lichtstrahlen unterbunden und es
wird der Kegelwinkelbereich für Lichtstrahlen festgelegt, welche sich in Quarzstäben
ausbreiten. Ein Durchlichtkondensor wandelt den gebündelten Strahl in einen stark
konvergierenden Licht-Hohlkegel um. Durch die Halbkugellinse und die kreisformige
Öffnung wird dann das Licht an den Stab gekoppelt.
-
Nach mehrfachen Reflexionen in dem Stab tritt das Licht a der oberen
Fläche aus und wird durch einen sT pf-sor geg'9teut u wobei ein Teil des Lichte
nn den c in osm einer Siliziumphotodiode
gelangt. Die Photodiode
wird in Sperrschichtbetrieb betrieben, wobei der Operationsverstärker als Stromsenke
wirkt, um die Spannung an der Diode auf ein Minimum herabzusetzen. Der Verstärkerausgang
stellt eine Spannung mit niedriger Impedanz dar, welche dem Eingangsstrom über einen
Bereich von 10 A bis 10 3A proportional ist. Eine Ausgangsspannung für ein digitales
Meßgerät mit 200-MV bzw. mV Vollausschlag wird mittels eines Dekadenbereichschalters
gewählt.
-
Während des Betriebs wird das über den Stab durchgelassene Lidit nach
einem Auftrag bzw. einer Beschichtung, aber bevor es (dem organischen Dampf) ausgesetzt
wird, zuerst mittels der Einrichtung aufgenommen und aufgezeichnet. Wenn dann die
Schicht bzw. die Auflage einem organischen Dampf, der analytisch von Interesse ist,
ausgesetzt wird, ergeben sich physikalische Änderungen in der Schicht oder Auflage,
und die Lichtdurchlässigkeit durch den Wellenleiter ändert sich proportional zu
der Konzentration des organischen Dampfes.
-
Diese Erscheinung wird durch die allgemein bekannten Wellenleitertheorien
gesteuert, welche von N.S. Kapany in "Fiber Optics" in Academic Press, New York,
1967 beschrieben worden sind.Der wesentliche Faktor hierbei ist, daß der kritische
Winkel, über welchen hinaus eintretende Lichtstrahlen nicht mehr länger über den
Stab übertragen werden, durch 0 = n1 c n0 gegeben bzw. festgelegt ist, wobei der
Brechungsindex n0 des Kerns bzw. des Stabs größer ist als der Brechungsindex n1
der
Schicht bzw. der Auflage. Infolgedessen wirkt der beschichtete
Wellenleiter als ein lichtempfindlicher Verstärker, dessen elektrisches Analogon
ein mit Röhren oder Transistoren bestückter Verstärker ist, wobei eine kleine Änderung
an der Außenfläche des Stabs eine große Änderung in dem über den Stab übertragenen
Licht steuert.
-
Die Zusammensetzung des Flüssigkristallmateriala, das auf einem Wellenleiter
aufgebracht oder in einen Wellenleiter eingabracht ist, wird geändert, um verschiedene
organische Dämpfe und/oder sich ändernde bzw. unterschiedliche Mengen von organischen
Dämpfen zu fühlen und festzustellen. Infolgedessen kann aus einer Reihe von Wellenleitern
mit Auflagen bzw. Beschichtungen, welche bezüglich verschiedener organischer Dämpfe
oder unterschiedlicher Mengen organischer Dämpfe empfindlich sind, ein Wellenleiter
für die Einrichtung gemäß der Erfindung ausgewählt werden, welche den geforderten
Dampf oder eine zu fühlende Menge innerhalb der Grenzen der verfügbaren Flüssigkristallmaterialien
einschließt oder welche entsprechend ausgebildet werden kann. In den meisten Fällen
macht das Flüssigkristallmaterial auf dem Wellenleiter Farbänderungen durch, wenn
es dem organischen Dampf ausgesetzt wird, und es werden hohe Empfindlichkeiten durch
die Farbänderungen geschaffen; mit der Einrichtung gemäß der Erfindung werden irgendwelche
optischen Anderungen gemessen, welche die LichtdurchlXazigkeit beeinflussen und
welche auf Änderungen in dem Flüssigkristallma terial zurückzuführen sind, nämlich
physikalische Anderungen
bei einer Einwirkung von organischen Dämpfen,
wobei Anderungen im Brechungsindex, in der Absorption und/oder im Streuverhalten
gefühlt werden. Der lichtfühlende Teil der Einrichtung kann natürlich abgewandelt
werden, um eine Farbänderung selbst bei Einwirkung von organischem Dampf zu fühlen.
Wenn der Dampf dann nicht mehr auf den Wellenleiter einwirkt bzw. dieser dem Dampf
nicht mehr ausgesetzt ist, bildet sich die Farbe wieder in ihre ursprüngliche Farbe
zurück, welche vor der Dampfeinwirkung farblos gewesen sein kann.
-
Häufig soll auch die Konzentration von organischen Dämpfen in der
Atmosphäre gemessen werden. Dies ist insbesondere in den Fällen von Bedeutung, wo
es fraglich ist, ob die sicheren, ungefährlichen Grenzwerte, welche von der OSHA
gesetzt worden sind, überschritten werden oder nicht.
-
Zur Zeit gibt es eine Anzahl Verfahren, die angewendet werden können,
wie beispielsmise die Gas-Chromatographie, ein Infrarotverfahren usw. Alle diese
Verfahren erfordern jedoch komplizierte und aufwendige Anlagen für eine Realzeitüberwachung.
Bei anderen Verfahren werden die Dämpfe in einer Substanz, wie beispielsweise Aktivkohle,
eingefangen, der "Behälter" bzw. der Träger mit den eingeschlossenen Dämpfen wird
dann in ein Labor überführt und anschließend wird mit entsprechenden Verfahren eine
Analyse durchgeführt. Obwohl dieses Verfahren, die Dämpfe einzufangen, einfacher
und weniger kostspielig ist, schafft es nur einen zeitlichen Durchschnittswert und
keine Realzeitanalyse.
-
Es wurde jedoch festgestellt, daß das Vorhandensein von organischen
Dämpfen in Luft mit Hilfe eines Wellenleiters gefühlt und festgestellt werden kann,
welcher mit einer Flüssigkristallmischung beschichtet bzw. überzogen ist. Gemäß
der Erfindung werden daher optische Wellenleiter verwendet, welche mit Flüssigkristallen
und/oder entsprechenden Mischungen beschichtet sind, welche bezüglich organischer
Dämpfe empfindlich sind.
-
Hierbei liegt dem Verfahren das folgeril e Prinzip zugrunde: Ein cholesterisches
Material und/oder eine Mischung aus cholesterischen Materialien, welche sich bei
der geforderten Betriebstemperatur färben, werden auf einen Glasstab bestimmter
optischer Qualität bzw. Beschaffenheit aufgebracht, welcher die Aufgabe eines Wellenleiters
erfüllt. Die Lichtmenge, welche übertragen wird, bevor er Luft ausgesetzt wird,
welche mit Kohlenwaaaerstoff oder anderen Materialien verunreinigt ist, ist verhältnismäßig
konstant, so daß das Signal von einem Detektor, wie beispielsweise einer Photodiode,
welche in dem sogenannten photovoltaischen Betrieb bzw. in Sperrschichtbetrieb betrieben
wird, ebenfalls verhältnismäßig konstant ist. Das Einleiten von Luft, welche organische
Dämpfe enthält, bewirkt, daß das schraubenlinien- bzw. helixartig gewendelte, cholesterische
Flüssigkristallmaterial seine Lichtdurchlässigkeit und seine Farbeigenschaften bzw.
-kennwerte ändert. Dies hat dann eine Änderung des Brechungsindex zur Folge, wodurch
die Lichtmewg geändert wird, welche aus dem Wellenleiter austritt. Infolgedessen
wird mit einer kleinen Menge organischen
Dampfs eine große Änderung
in dem von dem Stab durchgelassenen Licht gesteuert bzw. hervorgerufen.
-
Es ist eine Anzahl Mischungen von Flüssigkristallen gefunden worden,
so daß mit verschiedenen Mischungen gearbeitet werden kann, welche unterschiedliche
Farben erzeugen. Eine Mischung, mit welcher beinahe die besten Ergebnisse erzielt
wurden, ist eine handelsübliche Mischung (Licrystal 9183), welche von der Firma
E. Merck in Darmstadt hergestellt whi und welche als Temperaturindikator 17/24 Licristal
beschrieben ist, wobei 10% in 1,1,2-Trichlortrifluoräthan gelöst ist und welcher
bei 170C rot, bei 210C grün und bei 240C blau wird und in 50 ml-Normalpackungen
in den Handel kommt. Die Wellenleiter werden dann in die Licristal-Lösung eingetaucht
und das Lösungsmittel verdampft, und läßt eine Schicht bzw. einen Überzug aus dem
Flüssigkristallmaterial zurück, oder die Lösung kann aufgebürstet oder aufgesprüht
werden. Wellenleiter, welche mit einem dünnen Überzug dieser Mischung beschichtet
waren, wurden dann mehreren unterschiedlichen Dämpfen ausgesetzt. Zyklopentan sprach
nicht an, während Methylendichlorid und Äthanol ansprachen.
-
Die beiden letzterwähnten Dämpfe wurden in einfacher Weise dadurch
erhalten, daß Luft über diese zwei Flüssigkeiten bei Raumtemperatur geleitet wurde.
Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.
-
Verhalten von Methylenchlorid bei 22,5 0C MV MV Filter Änderung in
% CH2CLz Luft 74,1 68,6 keinen 8,0 57,2 55,7 rot 2,7 109,3 75,8 orange/gelb 40,2
212,0 123,7 grün 71,4 Äthanol bei 24,00C MV MV Filter Änderung in , C 2H5OH Luft
71,0 69,5 keine 0,72 54,8 55,2 rot -0,72 105,4 92,3 orange/gelb 14,2 212,5 139,1
grün 60,0 Die beschriebene Temperaturüberwachungs- und Anzeigeeinrichtung hat folgende
Vorteile: 1. Sie stellt eine schnelle und einfache Möglichkeit dar, das Vorhandensein
von organischen Dämpfen und von anderen Materialien zu überwachen, welche eine Farbänderung
in den Flüssigkristallmischungen zur Folge haben, mit welchen der Wellenleiter beschichtet
ist.
-
2. Sie erlaubt ein Fühlen und Feststellen von kleinen Materialmengen
in
einem gasförmigen Medium, welches an sich mit dem beschichteten Wellenleiter nicht
reagiert.
-
3. Sie kann ohne weiteres dazu verwendet werden, um von dem Signalausgang
her unmittelbar einen Ein- und Ausschaltvorgang zu steuern.
-
4. Die Empfindlichkeit kann durch Ändern der Stablänge oder durch
Ändern des Winkels eingestellt werden, unter welchem Licht in den Stab eintritt.
-
5. Die Einrichtung kann als eine tragbare Überwachungseinrich tung
verwendet werden.
-
Patentansprüche