DE4116431A1 - Optical measuring unit with optical receiver and first measuring cell - has light wave conductor with which optical transmitter and optical receiver form transmitting and receiving system for transmitting bidirectional signals - Google Patents

Optical measuring unit with optical receiver and first measuring cell - has light wave conductor with which optical transmitter and optical receiver form transmitting and receiving system for transmitting bidirectional signals

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Abstract

The light signals are bidirectionally transmittable between the transmitting and receiving unit (1) and the first measurement cell (3) over the light wave conductor (2), and are reflected at a metallised side wall (322) of the first measurement cell (3). The side wall (322) with the reflecting surface has a concave curvature. The optical measuring unit has at least one second measurement cell (4, 5, 6) at the light wave conductor, and this measurement cell with a reflecting side wall is connected across a light wave coupler (41, 51, 61). The method for operating the optical measuring unit transmits light signals from the optical transmitter (11) through the light wave conductor (2) in to the first measurement cell (3), and these signals are reflected back from the cell to the optical receiver (12). ADVANTAGE - Ensures simpler operation.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Betreiben der optischen Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The invention relates to an optical measuring device according to the Preamble of claim 1 and a method for Operating the optical measuring device according to the preamble of Claim 4.

Aus der Zeitschrift Photonics Spectra (Okt. 1990), S. 107-124 sind Fernspektroskopieverfahren bekannt, die beispielsweise bei der Herstellung von petrochemischen Produkten oder Medikamenten Anwendung finden. Zur Durchführung des Fernspektroskopieverfahrens ist eine optische Meßeinrichtung vorhanden, die einen optischen Sender, einen optischen Empfänger, eine Meßzelle und zwei Lichtwellenleiter aufweist.From Photonics Spectra (Oct. 1990), pp. 107-124 Remote spectroscopy method known, for example in the Manufacture of petrochemical products or medicines Find application. To carry out the remote spectroscopy method there is an optical measuring device which has an optical Transmitter, an optical receiver, a measuring cell and two Optical fiber has.

Die zu untersuchenden Substanzen werden durch die Meßzelle geleitet, die sich in einiger Entfernung von einem Spektrometer befindet. Von einer in der Nähe des Spektrometers angeordneten Lichtquelle führt ein erster Lichtwellenleiter zu der Meßzelle; über diesen Lichtwellenleiter werden Lichtsignale in die Meßzelle gesendet; anschließend werden die Lichtsignale in der Meßzelle durch die zu untersuchende Substanz verändert, insbesondere teilweise absorbiert. Durch Druck, Temperatur, akustische Wellen, Vibrationen der zu untersuchenden Substanz werden Änderungen in Phase, Intensität, Wellenlänge und in der Modenverteilung der Lichtsignale bewirkt. Über einen zweiten Lichtwellenleiter werden die Lichtsignale von der Meßzelle zu dem Spektrometer zurückgeführt. Die Lichtquelle dient als optischer Sender, das Spektrometer als optischer Empfänger. Die Meßzelle ist beispielsweise eine Flüssigkeits- oder eine Gaszelle, die von einer Flüssigkeit durchflossen bzw. von einem Gas durchströmt wird.The substances to be examined are passed through the measuring cell, which is some distance from a spectrometer. From a light source arranged in the vicinity of the spectrometer a first optical fiber to the measuring cell; about this Optical fibers are sent light signals into the measuring cell; then the light signals in the measuring cell are switched off investigating substance changed, especially partially absorbed. Through pressure, temperature, acoustic waves, vibrations of the investigating substance changes in phase, intensity,  Wavelength and in the mode distribution of the light signals. The light signals from the Measuring cell returned to the spectrometer. The light source serves as an optical transmitter, the spectrometer as an optical receiver. The Measuring cell is, for example, a liquid or a gas cell, through which a liquid or a gas flows is flowed through.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine optische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegenüber der bekannten einen einfacheren Aufbau aufweist.It is the object of the invention to provide an optical measuring device to create the type mentioned above compared to the known has a simpler structure.

Es ist außerdem die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das sich die Meßeinrichtung auf einfachere Weise betreiben läßt.It is also an object of the invention to provide a method of to create the kind mentioned above, by which the Measuring device can be operated in a simpler manner.

Die Aufgabe wird, wie in Patentanspruch 1 bzw. 4 angegeben, gelöst.The object is, as stated in claim 1 or 4, solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.Advantageous further developments result from the respective Subclaims.

Vorteilhaft an der optischen Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist, daß sie vielseitig einsetzbar ist. Dadurch, daß die Lichtsignale die Meßzelle in Hin- und Rückrichtung, d. h. zweifach, durchlaufen, ergibt sich gegenüber der bekannten Meßeinrichtung eine stärkere Beeinflussung der Lichtsignale durch die zu untersuchende Substanz. Besonders vorteilhaft ist, daß sich viele Meßzellen hintereinanderhalten lassen und nur mit einer einzigen Sende- und Empfangsstation in Verbindung stehen müssen.An advantage of the optical measuring device according to the invention is that it is versatile. Because the light signals the Measuring cell in the back and forth direction, d. H. double, go through, there is a stronger one than the known measuring device Influencing the light signals by the substance to be examined. It is particularly advantageous that there are many measuring cells Let hold in a row and only with a single broadcast and Receiving station must be connected.

Nachstehend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention is described in exemplary embodiments with reference to the Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 den Aufbau einer optischen Meßeinrichtung mit einer einzigen Meßzelle und Fig. 1 shows the structure of an optical measuring device with a single measuring cell and

Fig. 2 das Schema einer optischen Meßeinrichtung mit mehreren Meßzellen. Fig. 2 shows the diagram of an optical measuring device with several measuring cells.

Eine optische Meßeinrichtung weist, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Sende- und Empfangseinrichtung 1 auf, die sowohl einen optischen Sender 11 als auch einen optischen Empfänger 12 enthält. Der optische Empfänger 12 ist beispielsweise ein Spektrometer, an das ein Computer angeschlossen ist.As shown in FIG. 1, an optical measuring device has a transmitting and receiving device 1 which contains both an optical transmitter 11 and an optical receiver 12 . The optical receiver 12 is, for example, a spectrometer to which a computer is connected.

Der Sender 11 und der Empfänger 12 sind über je ein Lichtwellenleiterstück 13 bzw. 14 und einen die Lichtwellenleiterstücke 13, 14 verbindenden Lichtwellenleiterkoppler 15 mit einem Lichtwellenleiter 2 verbunden. Der Lichtwellenleiter 2 ist ein Lichtwellenleiter, der bidirektional betrieben wird.The transmitter 11 and the receiver 12 are each connected to an optical waveguide 2 via an optical waveguide piece 13 or 14 and an optical waveguide coupler 15 connecting the optical waveguide pieces 13 , 14 . The optical waveguide 2 is an optical waveguide that is operated bidirectionally.

Der Lichtwellenleiter 2 endet in einer Meßzelle 3. Die Meßzelle 3 wird entweder von einem Gas oder von einer Flüssigkeit durchströmt. Das Gas oder die Flüssigkeit gelangen über eine Eintrittsöffnung 31 in eine Kammer 32 und aus dieser durch eine Austrittsöffnung 33 wieder heraus. Die Kammer 32 weist eine lichtdurchlässige Seitenwand 321 und eine verspiegelte Seitenwand 322 auf. Die verspiegelte Seitenwand 322 ist in Bezug auf die Kammer 32 vorzugsweise konkav gekrümmt, z. B. parabolisch.The optical waveguide 2 ends in a measuring cell 3 . The measuring cell 3 is flowed through either by a gas or by a liquid. The gas or the liquid pass through an inlet opening 31 into a chamber 32 and out of this through an outlet opening 33 . The chamber 32 has a translucent side wall 321 and a mirrored side wall 322 . The mirrored side wall 322 is preferably concavely curved with respect to the chamber 32 , e.g. B. parabolic.

Durch die lichtdurchlässige Seitenwand 321 gelangen die Lichtsignale aus dem Lichtwellenleiter 2 in die Kammer 32, wo sie von dem Gas oder der Flüssigkeit teilweise absorbiert werden. Das Ende des Lichtwellenleiters 2, aus dem die Lichtsignale in die Meßzelle 3 gestrahlt werden, ist vorzugsweise entspiegelt. Es weist beispielsweise eine Schmelzlinse auf, um den Strahl der Lichtsignale aufzuweiten. Anschließend werden sie an der verspiegelten Seitenwand reflektiert und gelangen über den Lichtwellenleiter 2, den Lichtwellenleiterkoppler 15 und das Lichtwellenleiterstück 14 in den Empfänger 12, wo sie ausgewertet werden. Through the translucent side wall 321 , the light signals from the optical waveguide 2 enter the chamber 32 , where they are partially absorbed by the gas or the liquid. The end of the optical waveguide 2 , from which the light signals are radiated into the measuring cell 3 , is preferably non-reflective. For example, it has a fused lens to widen the beam of light signals. Then they are reflected on the mirrored side wall and reach the receiver 12 via the optical fiber 2 , the optical fiber coupler 15 and the optical fiber piece 14 , where they are evaluated.

Die Lichtsignale haben beispielsweise eine feste Wellenlänge; diese Wellenlänge ist darum vorzugsweise die, bei der ein bekannter, zu untersuchender Stoff seine stärkste Absorption aufweist. Lichtsignale können auch Wellenlängenmultiplexsignale sein, um größere Teile des Absorptionsspektrums des Stoffes oder der Stoffe zu untersuchen.The light signals have a fixed wavelength, for example; these Wavelength is therefore preferably the one at which a known one is too investigating substance has its strongest absorption. Light signals can also be wavelength division multiplexed to larger parts of the absorption spectrum of the substance or substances to investigate.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Wellenlänge der Lichtsignale über einen größeren Wellenlängenbereich kontinuierlich zu ändern, um empfangsseitig die Absorption des Stoffes oder eines Stoffgemisches als Funktion der Wellenlänge bestimmen zu können.There is also the possibility of changing the wavelength of the light signals to change continuously over a larger wavelength range the absorption of the substance or a mixture of substances at the receiving end to be able to determine as a function of the wavelength.

1n einem anderen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 nur schematisch dargestellt ist, sind außer der Sende- und Empfangseinrichtung 1, dem Lichtwellenleiter 2 und der Meßzelle 3 weitere Meßzellen 4, 5 und 6 vorhanden, die jeweils über einen Lichtwellenleiterkoppler 41, 51 und 61 sowie über jeweils ein Lichtwellenleiterstück 42, 52 und 62 mit dem Lichtwellenleiter 2 verbunden sind.In another exemplary embodiment, which is only shown schematically in FIG. 2, in addition to the transmitting and receiving device 1 , the optical waveguide 2 and the measuring cell 3 there are further measuring cells 4 , 5 and 6 , each via an optical waveguide coupler 41 , 51 and 61 and are each connected to the optical waveguide 2 via an optical waveguide piece 42 , 52 and 62 .

Verwendet man bei dieser Meßeinrichtung pulsförmige Signale, dann ist es möglich, den in dem Empfänger 12 empfangenen Pulsen aufgrund ihrer Laufzeit zwischen dem Sender 11, der jeweiligen Meßzelle 3-6 und dem Empfänger 12 jeweils eine bestimmte Meßzelle 3-6 zuzuordnen. Es ergibt sich also eine Ortsauflösung für jede einzelne Meßzelle 3, 4, 5, 6 bei der Auswertung der zurückreflektierten Lichtsignale.If pulse-shaped signals are used in this measuring device, then it is possible to assign a specific measuring cell 3-6 to the pulses received in the receiver 12 based on their transit time between the transmitter 11 , the respective measuring cell 3-6 and the receiver 12 . This results in a spatial resolution for each individual measuring cell 3 , 4 , 5 , 6 when evaluating the light signals reflected back.

Es muß nur noch berücksichtigt werden, daß sich die Lichtsignale auch aufgrund der unterschiedlichen Absorption unterscheiden, die sie entsprechend der Länge ihres Weges in dem Lichtwellenleiter 2 und zusätzlich in dem jeweiligen Lichtwellenleiterkoppler 41, 51, 61 und dem jeweiligen Lichtwellenleiterstück 42, 52, 62 erhalten.It only has to be taken into account that the light signals also differ due to the different absorption which they receive according to the length of their path in the optical waveguide 2 and additionally in the respective optical waveguide coupler 41 , 51 , 61 and the respective optical waveguide piece 42 , 52 , 62 .

Claims (8)

1. Eine einen optischen Sender (11), einen optischen Empfänger (12), eine erste Meßzelle (3) und einen Lichtwellenleiter (2) aufweisende optische Meßeinrichtung, bei der der optische Sender (11) und der optische Empfänger (12) eine Sende- und Empfangseinrichtung (1) bilden, die Lichtsignale zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung (1) und der ersten Meßzelle (3) über den Lichtwellenleiter (2) bidirektional übertragbar und an einer verspiegelten Seitenwand (322) der ersten Meßzelle (3) reflektierbar sind.1. An optical transmitter ( 11 ), an optical receiver ( 12 ), a first measuring cell ( 3 ) and an optical waveguide ( 2 ) having optical measuring device in which the optical transmitter ( 11 ) and the optical receiver ( 12 ) have a transmission - Form and receive device ( 1 ), the light signals between the transmitting and receiving device ( 1 ) and the first measuring cell ( 3 ) via the optical fiber ( 2 ) can be transmitted bidirectionally and reflected on a mirrored side wall ( 322 ) of the first measuring cell ( 3 ) . 2. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die verspiegelte Seitenwand (322) eine konkave Wölbung hat.2. Optical measuring device according to claim 1, wherein the mirrored side wall ( 322 ) has a concave curvature. 3. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der an dem Lichtwellenleiter mindestens eine zweite Meßzelle (4, 5, 6) mit einer verspiegelten Seitenwand über einen Lichtwellenleiterkoppler (41, 51, 61) angeschlossen ist.3. Optical measuring device according to claim 1 or 2, in which at least one second measuring cell ( 4 , 5 , 6 ) with a mirrored side wall via an optical fiber coupler ( 41 , 51 , 61 ) is connected to the optical waveguide. 4. Verfahren zum Betreiben der optischen Meßeinrichtung nach Anspruch 1, bei dem aus dem optischen Sender (11) Lichtsignale durch den Lichtwellenleiter (2) in die erste Meßzelle (3) gesendet und von ihr zu dem optischen Empfänger (12) zurückreflektiert werden. 4. A method for operating the optical measuring device according to claim 1, in which from the optical transmitter ( 11 ) light signals are transmitted through the optical waveguide ( 2 ) into the first measuring cell ( 3 ) and are reflected back by it to the optical receiver ( 12 ). 5. Verfahren zum Betreiben der optischen Meßeinrichtung nach Anspruch 3, bei dem aus dem optischen Sender (11) Lichtsignale durch den Lichtwellenleiter (2) in die erste Meßzelle (3) und in die mindestens zweite Meßzelle (4-6) gesendet und von diesen (3-6) jeweils zu dem optischen Empfänger (12) zurückreflektiert werden.5. A method for operating the optical measuring device according to claim 3, in which from the optical transmitter ( 11 ) light signals through the optical waveguide ( 2 ) in the first measuring cell ( 3 ) and in the at least second measuring cell ( 4-6 ) and sent by them ( 3-6 ) are each reflected back to the optical receiver ( 12 ). 6. Verfahren zum Betreiben der optischen Meßeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Lichtsignale in Pulsen gesendet und reflektiert werden.6. Method for operating the optical measuring device according to Claim 4 or 5, wherein the light signals are sent in pulses and be reflected. 7. Verfahren zum Betreiben der optischen Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Lichtsignale eine Wellenlänge haben, bei der ein in der Meßzelle (3) zu untersuchender Stoff seine stärkste Absorption aufweist.7. A method for operating the optical measuring device according to one of claims 4 to 6, in which the light signals have a wavelength at which a substance to be examined in the measuring cell ( 3 ) has its strongest absorption. 8. Verfahren zum Betreiben der optischen Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Wellenlänge der Lichtsignale geändert wird, um die Absorption eines in der Meßzelle (3) zu untersuchenden Stoffes als Funktion der Wellenlänge zu bestimmen.8. A method for operating the optical measuring device according to one of claims 4 to 6, in which the wavelength of the light signals is changed in order to determine the absorption of a substance to be examined in the measuring cell ( 3 ) as a function of the wavelength.
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