DE19631423B4 - Verfahren zum ortsaufgelösten Substanznachweis - Google Patents

Abstract

Verfahren zum ortsaufgelösten Nachweis einer Substanz entlang einer Lichtleitfaser,
a) die von einem hydrophoben Polymerfasermantel umgeben ist, der für die Substanz durchlässig ist und dessen Brechungsindex kleiner ist als der der Lichtleitfaser,
b) die transparent ist im Wellenlängenbereich, in dem die Substanz mindestens eine Absorptionsbande oder Fluoreszenzemission besitzt,
c) und in die ein kurzer Lichtpuls, dessen Wellenlänge im Bereich einer der Absorptionsbanden oder Fluoreszenzemissionen der Substanz liegt, über einen faseroptischen Strahlteiler eingekoppelt wird und alle durch diesen Lichtpuls verursachten Rückstreusignale in der Lichtleitfaser über den faseroptischen Strahlteiler ausgekoppelt und einem Photodetektor mit einer Auswerteeinheit, die die Rückstreusignale zeitaufgelöst speichert, zugeführt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
Faserdefekte in der Lichtleitfaser anhand der Signalform der Rückstreusignale unterschieden werden von Signalen, die durch die Substanz verursacht werden, indem
d) ein weiterer kurzer Lichtpuls, dessen Wellenlänge außerhalb der Absorptionsbanden und Fluoreszenzemissionen der Substanz liegt, über den faseroptischen Strahlteiler eingekoppelt...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum ortsaufgelösten Substanznachweis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Bei der Ortung von schadhaften Stellen in Lichtleitern, z. B. bei Kabelbrüchen wird eine optische Messtechnik angewendet, die auf dem Prinzip zeitaufgelöster Rückstreumessungen basiert (Optical Time Domain Reflectometry, OTDR).
• OTDR-Systeme zur räumlich aufgelösten Messung physikalischer Effekte wie z. B. von Temperatur- oder Druckänderungen im Fasermantel sind bekannt. In der DE 40 19 980 A1 ist eine solche Temperatursensoranordnung, die über eine Faseroptik verteilt ist beschrieben. Sie dient lediglich zur Ermittlung der Temperaturverteilung entlang der Sensorfaser, nicht zur Erfassung des Auftretens chemischer Substanzen. Eine klare Unterscheidung, ob eine Substanz in der Umgebung des Lichtleiters vorhanden ist, ist damit nicht möglich.
• In der Publikation H. Wada, E. Okuda, T. Yamasaki, Optical Guided-Wave Oil Leak Sensor, OFS-Konferenz, Tokyo 1986, S. 109, wird ein chemischer Sensor mit räumlicher Verteilung vorgestellt, der ebenfalls auf der OTDR-Technik beruht. Hier ist jedoch nicht die Faser selbst das sensitive Element sondern an die Faser angeschlossene, aufwendig gestaltete integriertoptische Sensoren. Wenn an der Oberfläche eines der punktartig verteilten, chemischen Sensoren Öl anwesend ist, wird allein durch Brechungsindexänderung eine Verminderung der Lichtreflexion an der Oberfläche des integriert-optischen Wellenleiters bewirkt, die als Intensitätsverlust detektiert werden kann. Es kann also nur eine Substanz in einem kleinen Areal von maximal 1 cm² auf der Oberfläche des Sensorelementes erfasst werden. Daraus resultiert einerseits nur eine punktartig verteilte (quasi-kontinuierliche) Messung chemischer Substanzen. Die kontinuierliche, d. h. lückenlose Über wachung einer Messstrecke ist jedoch so nicht möglich. Da nur eine Auswertewellenlänge verwendet wird, kann mit der beschriebenen Methode nicht klar unterschieden werden, ob es sich um eine Störung durch eine chemische Substanz oder einen sonstigen Effekt, wie z.B. einen Faserbruch oder eine Temperaturänderung in der Umgebung des sensitiven IO-Wellenleiters, handelt.
• Aus H. Yoshikawa et al., Distributed Fluid Sensor Using Eccentrically Cladded Fibers, Electronics and Communications in Japan II, 71 (2), 1988, S. 89, ist zwar eine Glasfaser selbst als sensitives Element bekannt, jedoch werden die Analyte nicht in der Faser angereichert. Die Faser taucht nur in die Analytlösung ein. Um das evaneszente Feld des durch die Faser transportierten Lichtes mit den Analytmolekülen in der Lösung in Berührung bringen zu können, muss es sich um eine im Querschnitt unsymmetrische Glasfaser handeln (eccentric core). Es werden reine Brechzahleffekte auf das evaneszente Feld der exzentrischen Sensorfaser beschrieben. Es geht in diesem Text nur um die Gestaltung der Faser (z. B. Grad der Exzentrizität). Die bei den Untersuchungen verwendete Messanordnung beruht nicht auf dem OTDR-Prinzip, sondern es wurde in Transmission gemessen. Die Möglichkeit, die Faser mit der OTDR-Technik zu kontinuierlich verteilten Messungen einzusetzen, wird zwar angesprochen aber nicht realisiert. Da ebenfalls nur eine Auswertewellenlänge verwendet wird, kann mit der beschriebenen Methode nicht klar unterschieden werden ob es sich um eine Störung durch eine chemische Substanz oder einen sonstigen Effekt wie einen Faserbruch oder eine Temperaturänderung in der Umgebung der Sensorfaser handelt.
• In der EP 0 298 118 B1 wird das bei einer OTDR-Messung erhaltene Rückstreusignal genau beschrieben. Dabei wird zwar allgemein von Streueffekten gesprochen, doch dies bezieht sich nur auf die Lichtstreuung an mechanischen Inhomogenitäten in nerhalb der Faser, wie z. B. Spleiße oder Kopplungen. Nur das mechanische Testen von Glasfasern wird angesprochen.
• C. A. Browne, D. H. Tarrant, M. S. Olteanu, J. W. Mullens und E. L. Chronister, Intrinsic Sol-Gel Clad Fiber-Optic Sensors wich Time-Resolved Detection, Anal. Chem. Band 68, Seite 2289–2295, 1996, geben ein Verfahren unter Nutzung der OTDR zum ortsaufgelösten Nachweis chemischer Substanzen an, die sich entlang einer Lichtleitfaser befinden, die teilweise mit einer hydrophilen und zur Vergrößerung der Empfindlichkeit porösen Sol-Gel-Schicht als Sensor versehen ist. Die Lichtleitfaser ist aufgrund ihres Aufbaus mechanisch nicht stabil.
• Die DE 195 25 626 A1 offenbart ein zur OTDR analoges Verfahren zur Auswertung optisch rückgestreuter Signale zur Bestimmung eines streckenabhängigen Messprofils in Bezug auf Temperatur, Feuchte oder Kraft, bei dem im Gegensatz zur üblichen OTDR – bei der Laser im Pulsbetrieb verwendet werden – ein Dauerstrichlaser eingesetzt und linear durchgestimmt wird. Als Messgröße wird die Intensität des Rückstreulichts im spektralen Raman-Band verwendet, wofür die Anregungswellenlänge ausgefiltert werden muss.
• O. S. Wolfbeis, Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, Band I, Boca Raton, Kap. 5 und S. 330–336, 1991 offenbart Verfahren, darunter OTDR, zum ortsaufgelösten Nachweis chemischer Substanzen an, die sich entlang einer Lichtleitfaser befinden, die von einem hydrophoben Polymerfasermantel umgeben ist, der für die Substanz durchlässig ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren zur zeitaufgelösten Rückstreumessung so auszugestalten, dass damit sowohl ein spezifischer Substanznachweis als auch ein Nachweis eines Faserdefekts (Faserbruch, Spleiß) möglich wird.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Eine Vielzahl technischer Anlagen bzw. Objekte, in denen umweltgefährdende chemische Substanzen transportiert, verarbeitet oder aber auch nur sicher eingeschlossen werden, erfordern eine Umgebungsüberwachung, um den Austritt der Substanzen möglichst frühzeitig erkennen zu können. Hierdurch wird das mit diesen Anlagen verbundene Umweltgefährdungspotential minimiert. Beispiele für relevante Anlagen sind Rohrleitungen, Tanklager, Reaktionsbehälter in Chemieanlagen aber auch Deponien, in denen umweltgefährdende Substanzen (z.B. Kohlenwasserstoffe) gelagert werden. Aufgrund der häufig anzutreffenden, großen räumlichen Ausdehnung solcher Anlagen ist es erforderlich, eine kontinuierliche, räumlich ausgedehnte Überwachungs-Messtechnik zur Verfügung zu haben, die es erlaubt, das Austreten chemischer Substanzen möglichst schnell und örtlich aufgelöst zu erfassen. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise ermöglicht.
• Durch das angegebene Verfahren der OTDR-Messung bei zwei Wellenlängen (Absorptions- bzw. Fluoreszenz-Wellenlänge und Wellenlänge bei der keiner dieser Effekte auftritt) ist es möglich, das durch eine Substanz erzeugte Rücksignal in einer chemisch sensitiven Lichtleiterfaser einerseits örtlich aufzulösen und andererseits klar zu unterscheiden von Signalen, die durch andere Effekte wie z.B. Spleiße, Faserbrüche oder Temperatureinwirkungen verursacht werden. Da die verwendete Faser über ihre ganze Länge selbst das sensitive Element darstellt, wird eine lückenlose, räumliche aufgelöste und quantitative Messung von Chemikalien ermöglicht. Es wird eine örtliche Auflösung eines chemisch erzeugten Störstellensignales im Meterbereich erreicht, wobei die Länge der Meßstrecke prinzipiell einige hundert Meter bis zu einigen Kilometern betragen kann (der Dämpfungswert der verwendeten Faser liegt im Vis-Bereich bei ca. 10 dB/km). Es können alle Substanzen gemessen werden, die sich im Fasermantel anreichern, wie z.B. (chlorierte) Kohlenwasserstoffe oder andere unpolare organische Spezies. Eine weitere Voraussetzung ist, daß die Substanzen in dem für das Lichtleitermaterial transparenten Wellenlängenbereich eine Absorptionsbande oder Fluoreszenzemission aufweisen. Als Sensorfaser kann z.B. jede kommerziell erhältliche Quarzglasfaser mit Polymercladding eingesetzt werden. Diese muß keiner aufwendigen Prozedur unterzogen werden, um sie für relevante Substanzen wie z.B. Kohlenwasserstoffe chemisch sensitiv zu machen. Ein eventuell vorhandener äußerer mechanischer Nylonschutzmantel kann z.B. bei 165 °C mit Propylenglykol abgelöst werden, um den Siliconmantel freizulegen. Um die nach dem Ablösen der äußeren Nylonummantelung mechanisch labilere Faser trotzdem gegen Bruch zu schützen, wird die Faser vor dem Ablösen beispielsweise in eine offen gewickelte Flachdrahtwendel aus Edelstahl eingezogen. Als mechanische Schutzhülle kann auch ein perforierter Viton-Schlauch verwendet werden. Die Messungen wurden beispielhaft im sichtbaren Wellenlängenbereich gezeigt, doch ist dies natürlich auch auf andere-Wellenlängenbereiche übertragbar, je nachdem wo Absorption oder Fluoreszenzemission bei der in Frage kommenden Substanz auftritt. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich für die Absorptionswellenlängen ist z.B. der Nahinfrarot (NIR)-Bereich, wo Oberton- und Kombinationsbanden organischer Substanzen auftreten.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren näher erläutert.
• Dabei zeigt die 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Die 2 bis 5 zeigen Beispiele für zeitaufgelöste Detektorsignale. Die 6 zeigt eine Eichkurve, die 7 eine Übersicht über verschiedene Signale im Zeitspektrum und die 8 Absorptions- und Fluoreszenzspektren von Kohlenwasserstoffen (Rohöl).
• Die Erfassung und örtliche Lokalisation chemischer Substanzen entlang eines Lichtleiters mit der OTDR-Methode bedingt, daß die optische Faser einen hydrophoben Polymerfasermantel besitzt (z.B. Silicon). Dieser Polymermantel bewirkt einerseits als optisch dünneres Medium den Transport des Meßlichtes in der optischen Faser. Weiterhin dient er als mechanischer Schutz des Quarzglasfaserkerns, ohne den die Faser sehr spröde und in der Praxis kaum zu handhaben ist. Drittens wirkt er als hydrophobe Sensorschicht, in der sich relevante Substanzen anreichern lassen. Demnach ist der Lichtleiter mit seinem Polymercladding selbst das sensitive Element. Durch die Anordnung einer solchen Faser in der Nähe einer potentiellen Kontaminationsquelle können sich die bei einer Leckage austretenden organischen Substanzen im Fasermantel selbständig durch Diffusion anreichern. Aufgrund der Wechselwirkung der eindiffundierten Substanzen mit dem im Fasermantel vorhandenen evaneszenten Lichtfeld z.B. aufgrund von Lichtstreuung, Absorption oder Emission kann die Schadstoffanreicherungsstelle unter Anwendung der OTDR-Technik detektiert und lokalisiert werden. Die angereicherte Substanz im Fasermantel stellt für die in die Faser eingekoppelten kurzen Lichtpulse eine "Störstelle" dar. Aus der zeitlichen Differenz zwischen Anregungspuls und einem durch die Störung erzeugten zum Faseranfang zurücktransportierten Signal läßt sich über die Lichtgeschwindigkeit in der Faser die Position der Anreicherungsstelle entlang der Faser ermitteln.
• Falls ein die Faser durchlaufender Anregungspuls im evaneszenten Feld auf eine solche Störstelle einer im Fasermantel angereicherten Substanz trifft, können verschiedene Fälle unterschieden werden:
• 1.) Die Absorptionsbande der angereicherten Substanz liegt nicht im Bereich der Wellenlänge der gepulsten Laserlichtquelle: a) Die Substanz hat eine höhere Brechzahl als der Polymerfasermantel: – das Licht im evaneszenten Feld wird aufgrund der Brechzahlerhöhung vermehrt gestreut und ein Teil des Streulichtes wird von der Faser wieder aufgenommen und zurück zum Faseranfang transportiert. Es tritt an der Anreicherungsstelle eine erhöhte Intensität des zurückgestreuten Lichtes auf. b) Die Substanz hat eine geringere Brechzahl als der Polymerfasermantel: – an der Anreicherungsstelle findet eine Erniedrigung der Brechzahl statt, und das Licht wird im Lichtleiter sogar besser geführt. Es tritt kein zusätzliches Streulicht auf. An der Anreicherungsstelle bleibt das Rückstreusignal unverändert.
• 2.) Die Absorptionsbande der angereicherten Substanz liegt im Bereich der Wellenlänge der gepulsten Lichtquelle: – das Licht im evaneszenten Feld wird aufgrund der Eigenabsorption der Substanz an der Anreicherungsstelle geschwächt. Die von der Faser aufgenommene und zum Faseranfang zurücktransportierte Streulichtintensität wird durch diese Eigenabsorption an der Anreicherungsstelle sprungartig erniedrigt.
• 3.) Die Absorptionsbande der angereicherten Substanz liegt im Bereich der Wellenlänge der gepulsten Lichtquelle und zusätzlich wird die Substanz zur Fluoreszenzemisson angeregt: – das Licht im evaneszenten Feld wird aufgrund der Eigenabsorption der Substanz an der Anreicherungsstelle geschwächt, aber gleichzeitig regt es die Substanz zur Emission von längerwelligem Fluoreszenzlicht an. Die von der Faser aufgenommene und zum Faseranfang zurücktransportierte Streulichtintensität wird zwar durch die Eigenabsorption an der Anreicherungsstelle erniedrigt, die Emission des Fluoreszenzlichtes überlagert aber diesen Effekt, und insgesamt erhöht sich die Intensität des Rückstreusignales an der Anreicherungsstelle.
• Der Meßaufbau eines für die ortsaufgelöste Lokalisierung und quantitative Bestimmung chemischer Substanzen geeigneten OTDR-Systems ist in 1 dargestellt. Es werden zwei kurz gepulste Lichtquellen (z.B. Laserdioden oder ein NdYAG-Laser) mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen eingesetzt (Laserlichtquelle 1 bzw. 2). Die Pulsbreiten sollten hierbei im Bereich weniger Nanosekunden liegen, um eine örtliche Auflösung im Meterbereich zu erhalten. Das Licht dieser kurz gepulsten Lichtquellen wird jeweils über eine Gradientenindexlinse (9) (GRIN-Linse) auf einen Zweig eines 3:1-Faserverzweigers fokussiert. Über den ablei tenden Zweig des Faserverzweigers werden die Lichtpulse in die oben angeführte Sensorfaser für chemische Substanzen geleitet. Die Anregungspulse durchlaufen die Sensorfaser und verlassen sie am anderen Ende, wo ein Teil der Lichtintensität reflektiert wird (Fresnel-Reflexion) und auf diese Weise wieder zum Faseranfang gelangt. Falls jedoch in der Faser eine Störstelle von im Fasermantel angereicherten Chemikalien vorhanden ist, wird bereits bei dieser Störstelle ein Teil der Lichtintensität der Anregungspulse aufgrund der bereits beschriebenen Wechselwirkungen zwischen angereicherten Stoffen und evaneszentem Feld zum Faseranfang zurücktransportiert. Das zurückgeführte Signal weist hierbei eine geringere Verzögerungszeit auf als der Fresnelreflex vom Faserende. Das an den Faseranfang zurücktransportierte Licht wird über den dritten Zweig des Faserverzweigers aufgenommen. Das Licht wird anschließend durch Bandpassfilter (7) geleitet, um die gewünschte Wellenlänge zu selektieren. Es werden zwei Bandpassfilter verwendet, die alternierend in den Strahlengang gebracht werden. Der eine Filter selektiert Licht im Bereich der Emissionswellenlänge der ersten Laserlichtquelle (1), während der zweite Bandpassfilter auf die Emissionswellenlänge der zweiten Laserlichtquelle (2) abgestimmt ist. Das durch den jeweiligen Filter selektierte Meßlicht wird über eine GRIN-Linse auf einen schnell registrierenden, empfindlichen Detektor (5) (z. B. eine Silizium-Avalanche-Photodiode) fokussiert und detektiert. Die Detektorsignale werden nach entsprechender Verstärkung zu einer schnellen Auswerteeinheit (6) wie zum Beispiel einem Speicheroszilloskop übermittelt und nach A/D-Wandlung der zeitliche Verlauf der dort ankommenden Rücksignale registriert. Das Oszilloskop sollte eine Bandbreite von etwa 1 GHz besitzen, um die hohen Pulsgeschwindigkeiten verarbeiten zu können. Über die zeitliche Verzögerung der registrierten Rückstreusignale kann mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit auf die Position der Störstelle zurückgeschlossen werden. Die in der Auswerteeinheit gespeicherten Detektorsignale können zu einer genaueren Auswertung auch einem Rechner zugeführt werden.
• Die Einwirkung chemischer Substanzen auf den Polymerfasermantel eines Lichtleiters führt zu den weiter oben angeführten Effekten, die sich folgendermaßen zur Ortung und Quantifizierung der Substanz entlang der Sensorfaser nutzen lassen:
• 2 zeigt das OTDR-Meßergebnis mit dem angeführten Meßaufbau, wenn sich eine Substanz im Fasermantel anreichert, welche im Bereich der Wellenlänge einer der gepulsten Laserlichtquellen absorbiert (z.B. bei Laserwellenlänge 1, o.a. Fall 2.). Die im Fasermantel angereicherte Substanz (8) tritt an der Anreicherungsstelle mit dem eingestrahlten Licht durch Absorption in Wechselwirkung, und in diesem Fall zeigt sich im Rückstreusignal/Zeit-Diagramm an der Anreicherungsstelle eine "Absorptionsstufe" (deutlicher sprungartiger Rückgang der zurückgestreuten Lichtintensität). Hier werden Lichtanteile, die in jedem Punkt der Faser zurückgestreut werden, durch die Absorption "schlagartig weggeschluckt". Die Stufenhöhe hängt ab von der Konzentration der absorbierenden Substanz in der Lösung und von ihrem Absorptionsvermögen (molarer Extinktionskoeffizient) bei der eingestrahlten Wellenlänge. Neben dieser Absorptionsstufe sind noch der Reflex des Startpulses, das Rückstreusignal vom 3:1-Faserverzweiger (4) und das Rückstreusignal vom Faserende (Fresnelreflex bei ca. 680 ns, Länge der Sensorfaser ca. 70 m) zu erkennen. Letzteres kann als Referenzsignal dienen.
• 3 zeigt das OTDR-Meßergebnis für eine Substanz die bei der Laserwellenlänge 2 nicht absorbiert und eine höhere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt (Fall 1.a). Hier tritt an der Anreicherungsstelle- (bei ca. 540 ns) eine Erhöhung (Peak) der rückgestreuten Lichtintensität auf. Dieser Rückstreupeak wird allein durch die Brechzahlerhöhung im Fasermantel bewirkt, welche beim Eindringen der Substanz erzeugt wird. Die Brechzahlerhöhung stellt eine Störung in der homogenen Fasermantelstruktur dar, wodurch eine erhöhte Lichtstreuung hervorgerufen wird. Der Reflex vom Faserende (Fresnelreflex bei 680 ns) ist je nach Brechzahl der angereicherten Substanz deutlich geschwächt oder gar nicht mehr vorhanden, weil ein zunehmender Teil des geführten Lichtes bereits an der Anreicherungsstelle gestreut und ausgekoppelt wird. Das Streusignal ist bereits nach wenigen Sekunden Anreicherungszeit zu erkennen, wobei die Höhe des Signals abhängig ist von der Brechzahl der angereicherten Substanz, von ihrer Konzentration und ihrer Sorptionsgeschwindigkeit.
• 4 zeigt das OTDR-Meßergebnis für eine Substanz, die bei der Laserwellenlänge 2 nicht absorbiert und eine niedrigere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt (Fall 1.b). Hier ist ebenfalls keine Absorptionsstufe vorhanden, da das Licht des Anregungspulses nicht von der im Fasermantel angereicherten Substanz geschwächt wird. Weil die angereicherte Substanz jedoch eine niedrigere Brechzahl als der Fasermantel hat, tritt an der Anreicherungsstelle bei einer Verzögerungszeit von ca. 540 ns kein Rückstreusignal auf. Es sind nur die Reflexe des Startpulses und das Rückstreusignal vom Faserende zu erkennen.
• Durch die zeitaufgelöste Erfassung der OTDR-Rückstreusignale einer chemisch sensitiven Lichtleiterfaser bei einer Meßwellenlänge, die im Absorptionsbereich der Substanz liegt und bei einer Meßwellenlänge die außerhalb dieses Absorptionsbereiches liegt, kann nicht nur eindeutig der Ort der Substanzanreicherung aufgelöst werden, sondern es ist anhand der unterschiedlichen Signalformen der beiden Messungen auch möglich, die chemische Störstelle klar von sonstigen Störstellen zu unterscheiden. An der Anreicherungsstelle einer Substanz tritt im Rückstreusignal/Zeit-Diagramm der Sensorfaser im Bereich der Absorptionswellenlänge eine Absorptionsstufe auf, während bei der nicht absorbierenden Wellenlänge entweder ein Rückstreupeak (Fall 1a) oder kein Signal (Fall 1b) auftritt.
• Bei einem glatten Bruch der Sensorfaser zeigt sich hingegen bei beiden Wellenlängen ein Peak in der Rückstreuintensität. Diese Peaks gleichen jeweils dem am Faserende auftretenden Fresnelreflex (vgl. 2, 3, 4).
• Bei der angegebenen Meßmethode wirken sich andere Störungen (z.B. Faserbrüche, Spleiße oder Temperaturänderungen im Fasermantel) immer bei beiden Wellenlängen gleich aus, so daß sich die erhaltenen Signale in ihrem "Muster" ähneln. Dies ist in 7a dargestellt: Bruch und Spleiß führen bei beiden Wellenlängen jeweils zu den gleichen Signalen. Störungen, welche durch die in den Fasermantel eindringenden Substanzen hervorgerufen werden, ergeben jedoch deutliche Unterschiede im Signal bei der Absorptionswellenlänge und bei einer Wellenlänge, bei der keine Absorption auftritt (7b).
• 5 zeigt, daß die angegebene Meßmethode prinzipiell auch anwendbar ist für den Fall, daß sich eine Substanz im Fasermantel anreichert, die mit einer eingestrahlten Laserwellenlänge 1 zur Fluoreszenzemission angeregt wird.
• Auch hier wird ein Teil des Fluoreszenzlichtes zum Faseranfang zurücktransportiert und kann durch Auswahl eines geeigneten Bandpassfilters detektiert werden. An der Anreicherungsstelle (hier bei ca. 125 ns) tritt eine erhöhte Signalintensität auf und durch das für die jeweilige Substanz typische Fluoreszenzabklingverhalten wird eine unsymmetrische Peakform erhalten. Neben diesem Peak sind noch der Reflex des Startpulses, das Rückstreusignal vom 3:1-Faserverzweiger und das Rückstreusignal vom Faserende zu erkennen (die Sensorfaser war in diesem Falle nur ca. 23 m lang). Hierdurch unterscheidet sich das Rücksignal deutlich von den anderen bisher diskutierten Rücksignalen. Die Signalhöhe des durch die Fluoreszenzemission bewirkten Rücksignales hängt u.a. von der Konzentration der Substanz ab, wie 6 verdeutlicht. Somit ist auch eine quantitative Erfassung der Substanzkonzentration möglich.
• Auch die Anreicherung einer fluoreszierenden Substanz führt bei absorbierender und nicht absorbierender Laserwellenlänge zu unterschiedlichen Signalen (7c). Bei der Absorptionswellenlänge erhält man das charakteristische Fluoreszenzsignal, während bei der nicht absorbierenden Wellenlänge je nach Brechungsindex der angereicherten Substanz entweder kein Signal oder ein Rückstreusignal erhalten wird. Auf diese Weise kann eine solche Störstelle klar von einer sonstigen Störstelle unterschieden werden, bei der bei beiden Wellenlängen das gleiche Rücksignal erhalten wird (7a).
• Eine fluoreszierende Substanz ist jedoch auch eindeutig erkennbar, wenn nur mit einer Laserwellenlänge gearbeitet wird, weil sich die charakteristische, exponentiell abfallende Peakflanke von den anderen Signalen unterscheidet. Durch den Einsatz eines Kantenfilters kann zusätzlich die Anregungswellenlänge ausgeblendet werden, so daß nur das längerwellige Fluoreszenzlicht durchgelassen wird. Auf diese Weise wird speziell die sich anreichernde fluoreszierende Substanz nachgewiesen. Bei einer mechanischen Störung in der Faser wird kein-Signal sichtbar, weil die kürzere Anregungswellenlänge vom Kantenfilter abgefangen wird.
• In 8 sind Absorptions- und Fluoreszenzspektren von Rohöl dargestellt. Für die Leckageüberwachung einer rohölführenden Pipeline empfiehlt sich eine Anregungswellenlänge zwischen 300 und 350 nm. Bei Anregung in diesem Wellenlängenbereich wird eine ausreichende Fluoreszenzintensität erhalten, die trotz der erhöhten Dämpfung der Lichtleitfaser im UV-Bereich auch bei längeren Faserstrecken noch detektiert werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum ortsaufgelösten Nachweis einer Substanz entlang einer Lichtleitfaser, a) die von einem hydrophoben Polymerfasermantel umgeben ist, der für die Substanz durchlässig ist und dessen Brechungsindex kleiner ist als der der Lichtleitfaser, b) die transparent ist im Wellenlängenbereich, in dem die Substanz mindestens eine Absorptionsbande oder Fluoreszenzemission besitzt, c) und in die ein kurzer Lichtpuls, dessen Wellenlänge im Bereich einer der Absorptionsbanden oder Fluoreszenzemissionen der Substanz liegt, über einen faseroptischen Strahlteiler eingekoppelt wird und alle durch diesen Lichtpuls verursachten Rückstreusignale in der Lichtleitfaser über den faseroptischen Strahlteiler ausgekoppelt und einem Photodetektor mit einer Auswerteeinheit, die die Rückstreusignale zeitaufgelöst speichert, zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Faserdefekte in der Lichtleitfaser anhand der Signalform der Rückstreusignale unterschieden werden von Signalen, die durch die Substanz verursacht werden, indem d) ein weiterer kurzer Lichtpuls, dessen Wellenlänge außerhalb der Absorptionsbanden und Fluoreszenzemissionen der Substanz liegt, über den faseroptischen Strahlteiler eingekoppelt wird und alle durch diesen weiteren Lichtpuls verursachten Rückstreusignale in der Lichtleitfaser über den faseroptischen Strahlteiler ausgekoppelt und dem Photodetektor mit Auswerteeinheit zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstreusignal für den Wellenlängenbereich, in dem die Substanz mindestens eine Absorptionsbande besitzt, eine Absorptionsstufe aufweist, und für die Wellenlänge außerhalb der Absorptionsbanden der Substanz im Fall, dass die Substanz eine höhere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt, eine erhöhte Intensität aufweist, und im Fall, dass die Substanz eine geringere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt, kein Signal aufweist, während das Rückstreusignal beim Auftreten eines Faserdefekts in der Lichtleitfaser für beide Wellenlängen im Fall, dass als Faserdefekt ein Faserbruch vorliegt, eine erhöhte Intensität aufweist, und im Fall, dass als Faserdefekt ein Spleiß vorliegt, eine Absorptionsstufe aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstreusignal für den Wellenlängenbereich, in dem die Substanz mindestens eine Fluoreszenzemission besitzt, ein unsymmetrisches Fluoreszenzsignal aufweist, und für die Wellenlänge außerhalb der Fluoreszenzemissionen der Substanz im Fall, dass die Substanz eine höhere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt, eine erhöhte Intensität aufweist, und im Fall, dass die Substanz eine geringere Brechzahl als der Polymerfasermantel besitzt, kein Signal aufweist, während das Rückstreusignal beim Auftreten eines Faserdefekts in der Lichtleitfaser für beide Wellenlängen im Fall, dass als Faserdefekt ein Faserbruch vorliegt, eine erhöhte Intensität aufweist, und im Fall, dass als Faserdefekt ein Spleiß vorliegt, eine Absorptionsstufe aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerfasermantel aus Silicon oder Teflon besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine für die Substanz durchlässige, mechanisch stabilisierende Schutzhülle für die Lichtleitfaser.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle eine Flachdrahtwendel aus Edelstahl ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Lokalisierung von Leckagen in einem räumlich ausgedehnten Behälter, der die Substanz enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Nachweis und zur Lokalisierung von umweltschädlichen Substanzen bei Mülldeponien.