DE10084057B4

DE10084057B4 - Miniaturisiertes Spektrometer

Info

Publication number: DE10084057B4
Application number: DE10084057T
Authority: DE
Inventors: Martin Loicht; Andreas Weingartner; Wendelin Weingartner; Nikolaus Fleischmann; Thomas Zipper; Bernhard Weingartner
Original assignee: scan Messtechnik GmbH
Current assignee: scan Messtechnik GmbH
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: GB2376294B; JP2003518255A; ATA216899A; AU2328101A; GB2376294A; DE10084057D2; GB0216672D0; AT408488B; US20040017567A1; WO2001046656A1; US6956648B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Spektrometer, insbesondere in Form einer Sonde zur Bestimmung der Inhaltsstoffe eines gasförmigen oder flüssigen Fluides mit einer Lichtquelle (3) und einem Spektrometer (2), zumindest einem Meßstrahl und zumindest einem Referenzstrahl. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (3) gegebenenfalls aufgefächert und mittels zumindest einer optischen Linse (8) zu einem im wesentlichen parallelen Strahl gebündelt wird, daß zumindest ein Meßstrahl durch ein lichtdurchlässiges Fenster aus der Sonde in das zu untersuchende Fluid und durch eine weiteres lichtdurchlässiges Fenster wieder in die Sonde geführt wird, daß zumindest ein Referenzstrahl im Sondeninneren geführt wird, daß eine Sammeloptik (14), bestehend aus mindestens einer Linse, die Strahlen auf den Auftreffpunkt eines Lichtleiters (5) oder den Einlaß des Spektrometers (2) lenkt und daß ein Strahlselektor (7) im Bereich der Sammeloptik (14) vorgesehen ist, der jeweils einen der Teilstrahlen durchläßt und alle anderen unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Spektrometer, zur Bestimmung der Inhaltsstoffe eines gasförmigen oder flüssigen Fluides mit einer Lichtquelle und einem Spektrometer, mit zumindest einem Meßstrahl und zumindest einem Referenzstrahl, wobei das Licht der Lichtquelle gegebenenfalls aufgefächert und mittels zumindest einer optischen Linse zu einem im wesentlichen parallelen Strahl gebündelt wird, wobei das Spektrometer die Form einer Sonde hat, wobei zumindest ein Meßstrahl durch ein lichtdurchlässiges Fenster aus der Sonde in das zu untersuchende Fluid geführt wird, wobei ein Strahlseslektor vorgesehen ist, der jeweils einen der Teilstrahlen durchläßt und alle anderen unterbricht, wobei der Strahlselektor im Bereich der Sammeloptik angeordnet ist.
Derartige Spektrometer sind aus der DE 32 48 070 A und der DE 33 40 570 A bekannt.
Die erstgenannte Druckschrift betrifft einen Infrarot-Analysator mit einem Strahl, der geteilt und einerseits durch eine Meßküvette, andererseits durch eine Referenzküvette geführt wird. Für jeden der beiden Teilstrahlen ist ein eigener Detektor vorgesehen, wodurch Abstimmungsprobleme und, durch unterschiedliche Alters- und Temperaturabhängigkeiten, undefinierbare systematische Fehler auftreten.
Die zweitgenannte Druckschrift betrifft ein Spektralfotometer, bei dem der Strahl ebenfalls in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl geteilt wird, allerdings zeitversetzt durch einen Drehspiegel. Dabei ist ein gemeinsamer Detektor für beide Strahlen vorgesehen. Um sicherzustellen, daß beide Teilstrahlen die gleiche Wellenlänge aufweisen, wird die Frequenzverschiebung im Monochromator nur dann vorgenommen, wenn keine Messung erfolgt. Bei dieser Art der Strahlteilung kann nicht sichergestellt werden, daß Meßstrahl und Referenzstrahl tatsächlich miteinander übereinstimmen, und es kann, durch die verwendete Lochblende, die Teile des Strahls durchläßt, nicht einmal sichergestellt werden, daß aufeinanderfolgende Meßstrahlen (oder auch Referenzstrahlen) untereinander übereinstimmen.
Beide Vorrichtungen sind ”diskret” aufgebaut, d. h. aus mehreren Einheiten bestehend, die zwar ein gemeinsames Gehäuse aufweisen können, das es aber nicht erlaubt, die Apparatur als gesamtes in das zu messende Fluid einzutauchen, sondern es notwendig macht, gezogene Proben in entsprechenden Behältern wie Küvetten od. dergl. in die Apparatur einzubringen.
Des Weiteren ist aus der WO 99/40419 A1 eine Vorrichtung zur Nah-Infrarot-Analyse zum Bestimmen der prozentualen Konzentration von Bestandteilen in einem fließenden Strom bekannt. Die Probe wird dazu von einer Infrarotlichtquelle durch ein Fenster bestrahlt. Das von der Probe reflektierte Licht wird von einem faseroptischen Aufnehmer einem Detektor zugeführt und analysiert.
Allgemein gibt es zur Bestimmung von Inhaltsstoffen von Fluiden mehrere Möglichkeiten, auch wenn man sich auf die spektrometrischen Verfahren beschränkt. Einerseits ist es insbesondere im Rahmen von Industriebetrieben oder Labors üblich, dem Fluid Proben zu entnehmen und die Proben in speziellen, standardisierten und abgeglichenen, optisch durchlässigen Küvetten zu untersuchen. Um insbesondere bei fließenden Medien zu einer quasi-kontinuierlichen Meßreihe zu kommen, ist es bekannt, spezielle Vorrichtungen zur Probenentnahme in Rohrleitungen, Kesseln od. dgl. vorzusehen, mittels derer Proben entnommen und entsprechenden Meßstellen zugeführt werden. Es gibt auch optische Sonden, die in das Fluid getaucht werden und ”in situ” messen, diese arbeiten allerdings nicht spektrometrisch, sondern auf nur eine Wellenlänge oder das Integral eines Wellenlängenbereiches beschränkt und können daher nur die Trübung des Fluids oder die Konzentration eines einzelnen speziellen Inhaltsstoffes bestimmen.
Nun besteht seit längerem der Bedarf an der Überprüfung von Grundwasser, von stehenden oder fließenden Gewässern, von Flüssigkeiten in Rohrleitungen, von Industrieanlagen u. dgl. mittels der spektrometrischen Methode, wobei allerdings die verwendeten Sonden extrem miniaturisiert sein sollen und insbesondere zur Verwendung in geschlagenen Brunnen mit einem Durchmesser von 2 Zoll (50 mm) einsetzbar sein sollen. Zur Verwendung in Rohrleitungen sind oft noch kleinere Durchmesser erwünscht.
Einer derartigen Miniaturisierung widersetzen sich nun die Prinzpien der heute üblichen Praxis der Spektrometrie auf unterschiedliche Weise. Zum einen sind die bekannten Spektrometer bzw. Detektoren selbst so groß, daß ein Einbau in eine Sonde mit den genannten Außenabmessungen bislang nicht möglich war, zum anderen ist die zuverlässige Aufspaltung des Strahlenganges noch nicht realisiert. Die Strahlteilung über elektromechanisch betriebene Drehspiegel u. dgl. ist so voluminös und mechanisch empfindlich, daß die Schaffung von zumindest zwei Strahlenbündeln: einem Meßstrahl und einem Referenzstrahl, bisher nicht möglich war. Die Verwendung der spektrometrischen Methode ohne Referenzstrahl erschien aber den Fachleuten als zu wenig stabil, um auf dieser Basis eine langzeitstabile Prozesssonde zu bauen. Eine andere Möglichkeit, der Einbau fixer Strahlteiler, hat sich bei breitbandigen Spektren mit hohem UV-Anteil wegen der Komplexität der Anordnung und den verbundenen Kosten, aufgrund der hohen spektralen Sensibilität und wegen der raschen Alterung der Spiegel durch UV Bestrahlung nicht bewährt.
Die Erfindung hat nun das Ziel, ein miniaturisiertes Spektrometer der eingangs genannten Art, nämlich eine derartige hoch miniaturisierte, mechanisch stabile spektrometrische Sonde mit zumindest einem Meßstrahl und zumindest einem Referenzstrahl zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß zumindest ein Meßstrahl durch das zu untersuchende Fluid und zumindest ein Referenzstrahl am zu unterschuchenden Fluid vorbei geführt wird, daß eine Sammeloptik, bestehend aus mindestens einer Linse, die Strahlen auf den Auftreffpunkt eines Lichtleiters oder den Einlaß des Spektrometers lenkt, daß der Meßstrahl durch ein weiteres lichtdurchlässiges Fenster wieder in die Sonde geführt wird und daß zumindest ein Referenzstrahl im Sondeninneren geführt wird. Durch diesen Aufbau ist nun sowohl die Miniaturisierung als auch ein stabiler Betrieb über längere Zeiträume möglich, da die Teilstrahlen bis zur Sammeloptik ungestört und damit mit höchstmöglicher Intensität verlaufen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlselektor aus einer im wesentlichen um eine Achse parallel zur Strahlachse drehbare Lochblende mit jeweils einer Durchgangsöffnung für jeden der Teilstrahlen besteht, wobei die Lochblende in einer Ebene, die im wesentlichen normal zur Strahlachse liegt, beweglich, bevorzugt verdrehbar, ist. Damit wird ein Strahlselektor geschaffen, der wenig Platz und im Betrieb kaum Energie benötigt und dennoch über genau definierte und konstant bleibende Sektionseigenschaften verfügt.
Eine alternative Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlselektor aus einer im wesentlichen um eine Achse normal zur Strahlachse drehbaren Walze mit jeweils einer Durchgangsöffnung für jeden der Teilstrahlen besteht, wobei die Durchgangsöffnungen in axialer und in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Diese alternative Bauform nimmt in jeder Lage den gleichen Platz ein, ist einfach und zuverläßig zu lagern und ermöglicht eine Vielzahl von Antriebsarten.
In jedem der genannten Fälle ist eine Ausgestaltung dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugsstrahl ausgebildet wird, der über eine Länge im Fluid geführt wird, die von der entsprechenden Länge des Meßstrahles unterschiedlich ist. Damit erhält man zum Meßstrahl und Referenzstrahl einen weiteren Strahl, den Bezugstrahl, der es ermöglicht, Beschädigungen bzw. Verunreinigungen im Strahlengang, insbesondere der durchlässigen Fenster, einfach und zuverläßig zu erkennen.
Eine Ausgestaltung jeder der genannten Varianten ist dadurch gekennzeichnet, daß der in Strahlrichtung gemessene Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Lichtleiters bzw. dem Einlaß des Spektrometers und der Strahlfokussierung durch Verschieben des Lichtleiters und/oder der Sammeloptik und/oder der Lampe und/oder der Optik veränderlich ist. Auf diese Weise erreicht man mittels einer kompakten und leicht zu betätigenden Konstruktion eine Fokussierung und, wenn notwendig oder gewünscht, eine Anpassung an in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge unterschiedliche Brechungsindizes oder auch an thermische Längenänderungen der Sonde.
Eine andere Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Optik eine auswechselbare oder verstellbare Blende, z. B. eine Irisblende mit veränderlichem Lochdurchmesser angeordnet ist, die zumindest einen der Teilstrahlen abblendet. Damit kann auch bei Lichtquellen mit altersbedingter Änderung der Lichtcharakteristik für eine konstante Lichtabgabe gesorgt werden, indem beispielsweise bei neuer Lampe eine Blende mit kleinerem Durchmesser eingesetzt bzw. eingestellt wird und nach einiger Brenndauer und damit verringerter Intensität eine Blende mit größerem Durchmesser. Dies ist wesentlich günstiger als ein Lampentausch.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
die 1 eine erste Variante der Erfindung, die insbesondere zur Verwendung in dünnen Bohrlöchern, aber auch zum Eintauchen in offene Gewässer oder Behälter vorgesehen und ausgebildet ist,
die 2 eine Variante der Erfindung, die insbesondere dazu bestimmt ist, ins Innere von Rohren oder geschlossenen Behältern ragend montiert und eingesetzt zu werden,
die 3 ein Detail und
die 4 zwei Varianten eines erfindungsgemäßen Strahlselektors.
Es werden in den Figuren analoge Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Beide Darstellungen stellen die Erfindung schematisch dar, sodaß insbesondere die Maßstäblichkeit der einzelnen Bauteile nicht gegeben sein muß. Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Sonde beschrieben, doch ist es selbstverständlich möglich, die erfindungsgemäßen Kennzeichen auch bei Industrie- bzw. Laborgeräten vorteilhaft zu verwenden.
In 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete, im wesentlichen zylindrische oder prismatische Sonde rein schematisch im Schnitt dargestellt. Die Sonde 1 ist über eine flexible Leitung 9 mit Energie versorgbar, die erhaltenen Daten werden ebenfalls über die Leitung 9 übermittelt (können aber auch in der Sonde zwischengespeichert werden), und schließlich dient diese Leitung noch zum Ablassen und Einholen der Sonde 1.
Die wesentlichste Abweichung von der zylindrischen oder prismatischen äusseren Form besteht im Meßbereich 10, in dem die Sonde 1 einen reduzierten Querschnitt, bevorzugt einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist, der vom Kreisbogen und einer Sehne begrenzt wird und bevorzugt 1/3 bis 2/3 der Sondenquerschnittsfläche umfaßt. Der Bereich innerhalb der Sonde beherbergt mindestens einen Teilstrahl, der als Referenzstrahl dient, sowie die elektrischen Verbindungsleitungen.
Der restliche Bereich wird während der Messung vom umgebenden Fluid erfüllt und im wesentlichen in Richtung der Sondenlängsachse von zumindest einem Meßstrahl durchquert. Spezielle Ausformungen dieses Bereichs, insbesondere die Übergänge zum vollen Querschnitt, sind in einer Weise abgeschrägt sodaß das anströmende Medium günstige Strömungsbedingungen vorfindet und Ablagerungen hintangehalten werden.
Die Länge des mediumgefüllten Messbereiches gemessen entlang der optischen Achse entspricht der Länge des Messstrahls; sie kann in Abhängigkeit von den Absorptionseigenschaften der zu messenden Substanzen sowie von der erforderlichen Meßgenauigkeit unterschiedlich gewählt werden, wobei ein universelles Mass 30 mm ist, und der Bereich typischerweise von 2 mm (für stark absorbierende Substanzen) bis 100 mm (für gering absorbierende Substanzen) reicht. Auch Ausbildungen bis 1000 mm sind in ähnlicher Bauweise möglich. Die Wahl der Länge des Messstrahls kann entweder durch Austausch des Messbereiches selbst erfolgen, oder es wird ein Einsatzstück gegen die achsparallele Fläche des Messbereichs geschraubt, welches über eine achsparallele Bohrung zur Durchleitung des Meszstrahles verfügt, sowie mittels Dichtungen gegen die Messstrecke und mittels eines Glas-Fensters gegen das Medium abgedichtet wird. Bei Ausführungen mit mehreren Meßwegen kann die Wahl der Messweglänge durch Betätigung des unten beschriebenen Strahlselektors erfolgen.
Durch die Wahl der Größenverhältnisse der oben beschriebenen Blenden zueinander, welche aus dem Gesamt-Strahlbündel die Teilstrahlen herausschneiden, lassen sich die optischen Bedingungen den äußeren Bedingungen anpassen, wobei der Meßstrahl typischerweise eine mehrfache Lichtenergie aufweist wie der Referenzstrahl, wobei der Flächenverhältnisfaktor je nach Medium meist 2 bis 10 beträgt. Durch eine z. B. iris- oder schieberartige verstellbare Blende im Hauptweg, wie sie weiter unten beschrieben ist, läßt sich das dynamische Verhältnis der Lichtenergien feinjustieren.
Der innere Aufbau der Sonde, rein schematisch und ohne Verbindungskabel etc. dargestellt, ist folgender. Im Bereich der Einmündung des Versorgungskabels 9 befindet sich der eigentliche Detektor 2, in dem die spektrometrische Untersuchung erfolgt. Der Aufbau dieses Teils ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung und wird daher hier nicht weiter erläutert.
Der Detektor 2 ist mit einer rein schematisch angedeuteten Auswerteelektronik 6 verbanden und, im dargestellten Ausführungsbeispiel, mit einem Lichtleiter 5, durch den die Lichtstrahlen (zumindest Meßstrahl und Referenzstrahl) dem Detektor 2 zugeführt werden. Die Lichtstrahlen können aber auch ohne besondere Führung zugeleitet werden. Die Führung in Lichtleitern wird bevorzugt, da dadurch eventuelle Bewegungen des Sondenkörpers, hervorgerufen z. B. durch mechanische Belastungen, die Genauigkeit der Übertragung des gemessenen Bildes Von der Linsenebene 14 auf den entfernten Detektor 2 nicht beeinflussen können.
Am freien Ende der Sonde 1 befindet sich eine Lampe 3 mit ihrer Steuerelektronik 4 und dient der Erzeugung des Lichtes, das schließlich im Detektor 2 untersucht wird. Es kann die Lichtquelle 3 kontinuierlich Licht abgeben oder aber, was bevorzugt wird, einzelne Lichtblitze. Der Grund für die Bevorzugung der Lichtblitze ist, daß damit Energie gespart werden kann und daß damit auch die Probleme mit der Erwärmung der Sonde bzw. des unteren Sondenteils vermieden werden können. Die Lampe sendet das Licht direkt oder ebenfalls über Lichtleiter in die Messvorrichtung.
Das Licht der Lampe 3 wird entweder entsprechend dem sich aus der Lampenapertur ergebenden Strahlkegel oder mittels optischer Linsen aufgefächert und anschließend über eine nur schematisch angedeutete Optik 8 zu einem relativ großen Strahl gebündelt, aus dem im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Teilstrahlen weitergeleitet werden:

– Ein erster Teilstrahl, der eigentliche Messstrahl, der durch eine durchsichtige Öffnung, bevorzugt aus Quarzglas, in der unteren Stirnwand 11 des Meßbereiches 10 austritt, über die gesamte axiale Länge des Meßbereiches 10 durch das zu untersuchende Medium eilt und durch eine durchsichtige Öffnung in der oberen Stirnwand 12 des Meßbereiches 10 wieder in das Innere der Sonde 1 eintritt.
– Ein zweiter Teilstrahl (Bezugstrahl), der durch eine durchsichtige Öffnung 13, die in axialer Richtung Abstand zur unteren Stirnwand 11 aufweist, in den Meßbereich 10 eintritt und ebenfalls durch eine durchsichtige Öffnung in der oberen Stirnwand 12 wieder aus dem Meßbereich 10 in die Sonde 1 gelangt.
– Schließlich ein dritter Teilstrahl, der Referenzstrahl, der den gesamten Weg zwischen der Optik 8 und der hinter (oberhalb) des Meßbereiches 10 liegenden Optik 14 im Inneren der Sonde 1 zurücklegt.

Die Längen der sich ergebenden Messwege sind stark unterschiedlich und können typischerweise zwischen 2 und 100 mm betragen, und sind nur in seltenen Fällen länger. Die Optik 14 ist so ausgebildet, daß sie jeden der drei Teilstrahlen auf die Einfallsöffnung des Lichtleiters 5 lenkt, sodaß die Strahlen schließlich in den Detektor 2 gelangen.
Zwischen der Optik 14 und der Einfallsöffnung des Lichtleiters 5 befindet sich ein Strahlselektor 7, der bei der in 1 dargestellten Ausführungsform aus einer Scheibe mit drei Löchern 20 (4) besteht, die im wesentlichen in einer Ebene normal zur Sondenlängsachse liegt und passend in dieser Ebene bewegt, bevorzugt verdreht, werden kann, sodaß jeweils nur einer der drei Strahlen durchgelassen wird, während die beiden anderen Strahlen durch diese Scheibe unterbrochen werden. Der Stellantrieb 17 des Strahlselektors 7 ist an ihn angeflanscht und in 1 rein schematisch eingetragen. Die Betätigung dieser Vorrichtung erfolgt in den Ausführungsbeispielen auf elektromechanischem Weg, z. B. durch einen Schrittmotor.
Die Arbeitsweise der dargestellten Vorrichtung ist nun folgende: Durch die Dreiteilung des Teststrahles und die Auswahl eines der drei Teilstrahlen ist es möglich, durch rasch aufeinanderfolgende Blitze und Auswertungen innerhalb einer Zeitspanne, in der die Zusammensetzung des Fluids im Meßbereich 10 als konstant angesehen werden kann, sowohl die spektrographischen Eigenschaften des Referenzstrahles als auch die Eigenschaften des Meßstrahles und des den Meßbereich 10 nur über einen Teil seiner Länge durchquerenden Bezugsstrahles zu messen. Aus dem Vergleich der optischen Spektren der Meßstrahlen und des Referenzstrahles können sämtliche Änderungen im Meßsystem außer solchen Änderungen, welche zwischen Ebene 8 und Ebene 14 vor sich gehen, festgestellt und mittels entsprechender elektronische Regeleinrichtungen kompensiert werden, wie z. B. ein alterungsbedingtes oder temperaturbedingtes Absinken der Leistung der Lampe 3 oder alterungsbedingte Dämpfung der Glasfaser 5. Die Berechnungsmuster entsprechen der üblichen Praxis in der Spektrometrie.
Der Einfluß eventueller Trübungen der durchlässigen Fenster (Bewuchs, etc.) an den Stirnwänden 11, 12 kann aus dem Vergleich des Spektrums des Meßstrahls mit demjenigen des Bezugsstrahl ermittelt und die sich daraus als notwendig erweisende Korrektur automatisch vorgenommen werden. Die verwendete Beziehung, welche für jede der gemessenen Wellenlängen angesetzt werden kann, lautet: E1 = L1·Espez + C E2 = L2·Espez + C, wobei

E1: gemessene Extinktion im Weg 1
E2: gemessene Extinktion im Weg 2
L1: Messweglänge [m]
L2: Bezugsweglänge [m]
Espez: spezifischer Gesamt-Extinktionsmodul des Mediums [l/m]
C: Extinktion durch Fenstertrübung und Bewuchs [–]

Daraus ergibt sich, daß das Residuum der Extinktionen, welches sich nicht dem Verhältnis der Weglängen entsprechend verhält, dem Einfluß eines Fensterbewuchses bzw. der Fenstertrübung entspricht. Die Lösung des Problems erfolgt mit den üblichen mathematischen Methoden.
Aufgrund der Kompensation all dieser Einflüsse sind die eigentlichen Meßaufgaben, welche z. B. die Trübe des Fluids und dessen Inhaltsstoffe sowie deren Konzentration beschreiben, wesentlich genauer und stabiler als mit herkömmlichen Methoden zu lösen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorgangsweise gegenüber herkömmlichen Methoden ist weiters, daß der Einbau einer vom Medium berührten mechanischen Reinigungsvorrichtung (wie z. B. Scheibenwischer) nicht erforderlich ist, und daß die Standzeit der Sonde auf ein Vielfaches der Standzeit ohne Kompensationseinrichtungen erhöht wird.
Es wird mit den geschilderten Maßnahmen tatsächlich möglich, den Außendurchmesser der Sonde 1, sei sie nun kreiszylindrisch oder polygonal aufgebaut, so klein zu halten, daß sie in ein 2 Zoll-Bohrloch (50 mm) abgesenkt und dort verwendet werden kann.
In der dargestellten Prinzipsskizze wurde darauf verzichtet, die einzelnen Versorgungs-, Steuer- bzw. Datenleitungen einzutragen, diese laufen bevorzugt nahe der inneren Gehäusewand der Sonde 1 und sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip der Strahlteilung ist es möglich, Sonden mit noch geringerem Durchmesser im Meßbereich zu bauen als in 1 dargestellt. Eine solche, teilweise nach weiter miniaturisierte Ausführungsform ist für den Einsatz in Rohren. und Behältern vorteilhaft, da dadurch die Strömungsverhältnisse bzw. andere Einbauten in diesen Rohren und Behältern nicht gestört werden.
Es gibt im Stand der Technik Sonden, die allerdings nicht auf dem spektrometrischen Meßprinzip beruhen und daher nur einen Bruchteil der Daten einer spektrometrischen Messung erfassen können, die für den Einsatz in Rohren und Behältern ausgelegt sind und dabei als Halterung und Durchtritt durch die Rohr- bzw. Behälterwand ein zwar nicht genormtes, aber in der Praxis durchgesetztes l-Zollgewinde benutzen.
2 stellt eine Variante der Erfindung zur Verwendung mit einem solchen Gewinde dar, wobei natürlich statt dieses häufig vorkommenden Gewindes auch jedes andere Gewinde verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Ausbildung für diesen Anwendungsfall zeichnet sich dadurch aus, daß die Lampe 3 samt ihrer Versorgungselektronik 4 ebenso wie der Detektor 2 mit seiner Auswerteelektronik 6, in dem Teil der Sonde untergebracht ist, der sich außerhalb des Rohres oder Behälters befindet und daß nur der Sondenteil, der den Meßbereich 10 und Teile der Optik und des Strahlsselektors enthält, in den Behälter ragt, was den Vorteil mit sich bringt, daß auch in explosionsgefährdeten sowie chemisch oder thermisch aggressiven Medien gemessen werden kann und nur der in das Rohr oder den Behälter ragende Sondenteil 1'' aus entsprechend widerstandsfähigem Material gefertigt werden muß
Wie aus 2 ersichtlich, besteht die Einbau-Sonde aus einem äußeren Abschnitt 1' und einem inneren Abschnitt 1'', wobei letzterer ins Innere des Rohres oder Behälters 18 ragt und an der entsprechenden Wand (eigentlich dem daran vorgesehenen Gewinde) 15 mittels einer Überwurfmutter 16 befestigt ist. Außer dieser Befestigungsart ist noch eine Vielzahl von Befestigungsarten möglich, welche in der industriellen Praxis eingesetzt werden, wie z. B. Flanschen, By-Pass-Konstruktionen oder ähnliche.
Der äußere Sondenteil 1 ist ähnlich dem oberen Sondenteil der 1 aufgebaut: Eine Versorgungs- und Datenleitung 9 führt zum äußeren Ende der Sonde, in deren Bereich auch der Detektor 2 mit seiner Auswerteelektronik 6 untergebracht ist. Anschließend an die Auswerteelektronik 6 ist die Lampenelektronik 4 und die zum inneren Sondenteil 1'' gerichtete Lampe 3 montiert. Eine Optik 8 erfüllt eine ähnliche Aufgabe wie die Optik 8 bei der Ausbildungsform gemäß 1, wobei nun auf die größere notwendige axiale Erstreckung in diesem Bereich Bedacht zu nehmen ist, um sicherzustellen, daß der Meßbereich 10 zur Gänze im Inneren des Rohres oder Behälters 18 angeordnet ist und bevorzugt noch einen gewissen Abstand zur Wand 15 aufweist, um eine repräsentative Zusammensetzung des im Meßbereich 10 vorhandenen Mediums sicherzustellen.
Die Strahlaufteilung erfolgt so, wie an Hand der 1 beschrieben und aus 3 detailliert ersichtlich, in drei Strahlen: einen Referenzstrahl, der zur Gänze im Sondeninneren verläuft, einen Bezugsstrahl, der nur über einen Teil der axialen Erstreckung im Meßbereich im Medium verläuft und den eigentlichen Meßstrahl, der über die gesamte axiale Erstreckung des Meßbereiches 10 im Medium verläuft.
Dahinter angeordnet ist ein Strahlselektor 7 (in 3 nur schematisch durch eine strichpunktierte Linie angedeutet), der bevorzugt Walzenform hat und mehrere blendenartige Lichtbohrungen aufweist, dessen Antrieb 17 aber nicht direkt an ihn angeflanscht ist, sondern sich im äußeren Sondenteil 1' befindet und die Bewegung des Strahlselektors 7 über ein Gestänge (beispielsweise Zahnstange 21 in 4), eine Spindel od. dgl. vornimmt.
Eine an die gewählten Dimensionen angepaßte Sammeloptik 14 richtet die Strahlen wieder auf den Einfallspunkt eines Lichtleiters 5, der das Licht des jeweils auf Durchgang geschaltenen Strahles dem Detektor 2 zuführt. Die erforderliche Umlenkung kann durch Spiegel, Prismen, oder eine Glasfaserumlenkung erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt und variiert werden. So ist es möglich, auf den Bezugsstrahl zu verzichten, wenn die Sonde in Umgebungen eingesetzt wird, wo sie periodisch aus dem Fluid entnommen und gereinigt bzw. kontrolliert oder in einer Vergleichslösung nachjustiert werden kann. Dadurch können die einzelnen Bauteile und somit die Sonde insgesamt weiter kompaktiert werden.
Es ist auch möglich, in den Bereich der Optik 8 bzw. 8' eine Art Irisblende entweder für den gesamten Strahl oder nur für den Meßstrahl einzufügen, um zu Zwecken der Verlängerung der Lebensdauer bzw. der Verbesserung des Ausgleiches einer Alterung oder auch um einen größeren Meßbereich abdecken zu können, das Licht einer sehr starken Lampe 3 durch die Verwendung dieser Blende abdämpfen zu können.
Eine andere Ausgestaltung betrifft die in 3 durch den Doppelpfeil 19 angedeutete Möglichkeit, die Lage der Strahlfokussierung zum Auftreffpunkt auf den Lichtleiter 5 (bzw. zum Einlaß des Spektrometers 2) so zu ändern, daß, unter Ausnutzung der chromatischen Aberration, unterschiedliche Frequenzbereiche, speziell die Frequenzbereiche im absorptionsanfälligen kurzwelligen UV-Bereich, auf den Auftreffpunkt des Lichtleiters (bzw. den Einlaß des Spektrometers) konzentriert werden. Dazu kann der Lichtleiter 5 und/oder die Optik 14 und/oder die Lampe 3 und/oder die Optik 8 verschoben werden.
Wenn auch verschiedene Modifikationen möglich sind, ist es doch in den meisten Anwendungsfällen wesentlich, daß die Lichtquelle 3 im wesentlichen direkt in der Nachbarschaft des Meßbereiches 10 angeordnet ist und sich dazwischen außer dem jedenfalls notwendigen durchsichtigen Fenster nur die notwendige Optik 8 bzw. 8' (gegebenenfalls mit einer Irisblende) befindet, da so, insbesondere aber durch den Verzicht auf einen Lichtleiter im Abschnitt zwischen Lampe 3 und Meßbereich 10 der Intensitätsverlust, insbesondere im UV-Bereich des Spektrums der Lampe, klein gehalten werden kann. Bei Messungen in Spektralbereichen, in denen die Absorption in einem Lichtleiter nur eine geringe Rolle spielt, braucht darauf selbverständlich keine Rücksicht genommen werden.
Die Verwendung eines Lichtleiters 5 nach dem Verlassen des Meßbereiches 10 ist wegen der dann bereits erfolgten spektralen Absorption bei weitem nicht so kritisch wie die Verwendung eines derartigen Lichtleiters vor der Meßstelle.
In der dargestellten Ausgestaltung sind die Öffnungen 20, 20' im Strahlselektor 7, 7' so ausgebildet, daß sie den jeweils durchgehenden Strahl nicht tangieren, d. h. einen deutlich größeren Querschnitt haben als es dem Querschnitt des Teilstrahls entspricht, um hier keine zusätzlichen Änderungen des jeweiligen Teilstrahles zu bewirken. Damit wird eine fast völlige Unempfindlichkeit gegenüber Positionierungenauigkeiten, insbesondere Winkelfehlern, z. B. eines Schrittmotors oder eines Anschlags, gewonnen, und eine Feinjustierung erübrigt sich, was den Montageaufwand gegenüber verstellbaren Strahlumlenkern erheblich erleichtert und damit die Produktionskosten vermindert.
Der Strahlselektor kann, wie in 4 dargestellt, alternativ zur Scheibe 7 die Form einer Walze 7' haben, deren Achse im wesentlichen normal zur Sondenachse verläuft, und ist sodann um diese Achse 7' drehbar ausgebildet. Die Walze 7' weist mehrere Bohrungen 20' (es können auch Ausnehmungen sein) auf, die axial so angeordnet sind, daß sie mit den einzelnen Strahlen fluchten können, sie sind dabei in Umfangsrichtung um einen solchen Umfangswinkel versetzt, daß sie sich nicht berühren und nicht zwei Strahlen oder Teile davon gleichzeitig durchgelassen werden. Die Bewegung der Walze kann mit einem Betätigungsorgan, beispielsweise nach Art einer Zahnstange 21, die mit einem Zahnkranz am Umfang der Walze 7' kämmt, platzsparend bewirkt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn im Strahlengang, bevorzugt (wenn vorhanden) knapp an der Brennweite, ein optischer Diffuser angeordnet ist, durch den sichergestellt wird, daß die optische Abberation der Sendeoptik ausgeschaltet bzw. vergleichmäßigt wird, sodaß für alle Teilstrahlen eine bestmögliche, vor allem aber eine untereinander gleichmäßige Wellenlängenverteilung erreicht wird. Als optischer Diffusor können alle im Stand der Technik bekannten Diffusoren, beispielsweise Mattscheiben oder andere den Lichtstrahl homogenisierende Elemente, verwendet werden, wobei natürlich geometrisch kompakte Bauteile bevorzugt sind.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß unter dem Begriff Sonde in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen jedwedes im wesentlichen zylindrische, insbesondere kreiszylindrische oder prismatische Meßgerät verstanden wird, das die oben im Detail angeführten geometrischen und funktionalen Bedingungen erfüllt und insbesondere dazu geeignet ist, in seiner Gesamtheit in das zu untersuchende Fluid eingebracht, insbesondere eingetaucht zu werden.

Claims

Miniaturisiertes Spektrometer, zur Bestimmung der Inhaltsstoffe eines gasförmigen oder flüssigen Fluides mit einer Lichtquelle (3) und einem Spektrometer (2), mit zumindest einem Meßstrahl und zumindest einem Referenzstrahl, wobei das Licht der Lichtquelle (3) gegebenenfalls aufgefächert und mittels zumindest einer optischen Linse (8) zu einem im wesentlichen parallelen Strahl gebündelt wird, wobei das Spektrometer die Form einer Sonde hat, wobei zumindest ein Meßstrahl durch ein lichtdurchlässiges Fenster aus der Sonde in das zu untersuchende Fluid geführt wird, wobei ein Strahlselektor (7, 7') vorgesehen ist, der jeweils einen der Teilstrahlen durchläßt und alle anderen unterbricht, wobei der Strahlselektor (7, 7') im Bereich der Sammeloptik (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Meßstrahl durch das zu untersuchende Fluid und zumindest ein Referenzstrahl am zu untersuchenden Fluid vorbei geführt wird, daß eine Sammeloptik (14), bestehend aus mindestens einer Linse, die Strahlen auf den Auftreffpunkt eines Lichtleiters (5) oder den Einlaß des Spektrometers (2) lenkt, daß der Meßstrahl durch ein weiteres lichtdurchlässiges Fenster wieder in die Sonde geführt wird und daß zumindest ein Referenzstrahl im Sondeninneren geführt wird.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlselektor (7) aus einer im wesentlichen um eine Achse parallel zur Strahlachse drehbare Lochblende mit jeweils einer Durchgangsöffnung (20) für jeden der Teilstrahlen besteht, wobei die Lochblende in einer Ebene, die im wesentlichen normal zur Strahlachse liegt, beweglich, bevorzugt verdrehbar, ist.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlselektor (7') aus einer im wesentlichen um eine Achse normal zur Strahlachse drehbaren Walze mit jeweils einer Durchgangsöffnung (20) für jeden der Teilstrahlen besteht, wobei die Durchgangsöffnungen (20') in axialer und in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugsstrahl ausgebildet wird, der über eine Länge im Fluid geführt wird, die von der entsprechenden Länge des Meßstrahles unterschiedlich ist.
Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strahlrichtung gemessene Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Lichtleiters (5) bzw. dem Einlaß des Spektrometers (2) und der Strahlfokussierung durch Verschieben des Lichtleiters (5) und/oder der Sammeloptik (14) und/oder der Lampe (3) und/oder der Optik (8) veränderlich ist.
Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Optik (8) eine auswechselbare oder verstellbare Blende, z. B. eine Irisblende mit veränderlichem Lochdurchmesser, angeordnet ist, die zumindest einen der Teilstrahlen abblendet.
Spektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang, bevorzugt knapp an der Brennweite der Lichtquelle, ein optischer Diffusor angeordnet ist.