DE102004033303A1

DE102004033303A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines in einem fluiden Prozessmedium enthaltenen Analyten

Info

Publication number: DE102004033303A1
Application number: DE102004033303A
Authority: DE
Inventors: Camiel Dr. Heffels; Johannes Dr. Reichert; Ralf Bernhard
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH; Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2005-11-03
Also published as: WO2005100957A1; EP1735609A1; US20080247906A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines in einem fluiden Prozessmedium enthaltenen Analyten (15) mit einem Sensor (1), der eine Prozessmembran (7) mit einer porösen Trägerstruktur (17) aufweist, wobei eine lumineszierende, mit dem Analyten (15) bzw. dem gasförmigen Prozessmedium in Kontakt kommende Substanz (16) in der Trägerstruktur (17) eingebettet ist, mit einer Sendeeinheit (3), deren Strahlung die lumineszierende Substanz (16) zum Aussenden von Lumineszenzstrahlung anregt, mit einer Empfangseinheit (4), die die Lumineszenzstrahlung detektiert, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand der Löschung (Quenching) der Lumineszenzstrahlung der lumineszierenden Substanz (16) die Konzentration bzw. den Partialdruck/Druck des Analyten (15) ermittelt. Erfindungsgemäß besteht die poröse Trägerstruktur (17) aus Kunststoff, Keramik, Metall oder Schaumstoff.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines in einem fluiden Prozessmedium enthaltenen Analyten mit einem Sensor, der eine Prozessmembran mit einer porösen Trägerstruktur aufweist, wobei eine luminiszierende, mit dem Analyten bzw. dem gasförmigen Prozessmedium in Kontakt kommende Substanz in der Trägerstruktur eingebettet ist, mit einer Sendeeinheit, deren Messstrahlung die luminiszierende Substanz zum Aussenden von Luminiszenzstrahlung anregt, mit einer Empfangseinheit, die die Luminiszenzstrahlung detektiert, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der Löschung (Quenching) der Luminiszenzstrahlung der luminiszierenden Substanz die Konzentration bzw. den Partialdruck/Druck des Analyten ermittelt.
Ein optisch-chemischer Analyten-Sensor, z.B. ein Sauerstoffsensor, beruht auf dem Prinzip der Analyt-induzierten Fluoreszenz- oder Luminiszenz-Löschung eines organischen Farbstoffs, welcher in eine Polymer-Matrix eingebracht ist. Üblicherweise wird das für einen vorgegebenen Analyten abgestimmte Polymer/Farbstoff-Gemisch als fester Film auf ein Substrat, z.B. auf ein Glasplättchen oder eine optische Faser aufgebracht.
In der US 2003/0068827 A1 ist ein optischer Sensor mit einem andersartigen Aufbau beschrieben. Während üblicherweise eine formstabile Trägerschicht mit einer luminiszierenden, eine Membran bildende Substanz verwendet wird, ist in der US-Anmeldung eine Lösung beschrieben, bei der eine Trägerstruktur in die für den Analyten durchlässige Polymer/Farbstoff-Matrix eingebettet ist. Durch diese Ausgestaltung lassen sich gegenüber der auf einen Träger aufgebrachten luminiszierenden Substanz zwei Vorteile erzielen: Einerseits bedingt die in die Membran eingebettete Matrix eine erhöhte Streuung der Messstrahlung in der Membran und somit eine erhöhte Luminiszenzstrahlung; andererseits wird die Stabilität der Membran durch die eingelagerte Trägerstruktur größer. Insbesondere handelt es sich bei der Matrix übrigens um Glasfaserfilter, welches mit der luminiszierenden Substanz getränkt ist. Als weitere Materialien für die Matrix werden in der US-Anmeldung Zellulose, Zellulose-Acetat und Nylon genannt. Die Trägerstruktur wird zwecks Herstellung der Membran in die luminiszierende Substanz eingetaucht die überschüssige luminiszierende Substanz wird nachfolgend so abgetrocknet, dass die luminiszierende Substanz die einzelnen Fasern jeweils wie eine Hülle ummantelt. Zwischen den einzelnen Fasern verbleiben freie Zwischenräume, in denen keine luminiszierende Substanz zu finden ist.
Desweiteren ist es aus der US-PS 5,057,277 bekannt geworden, die luminiszierende Substanz in Silikon einzubetten. Hierzu wird das Silikon zwecks Stabilität mit einem Füllmaterial versetzt. Bei dem Füllmaterial handelt es sich z.B. um ein Silikat. Weiterhin wird eine luminiszierende Substanz in das Silikon eingebracht. Bei dieser Struktur handelt es sich also um eine Matrix bzw. eine Trägerstruktur aus Silikon und einem Silikat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Bestimmung des Anteils eines Analyten in einem Fluid anzugeben, der in der industriellen Messtechnik und in der Prozessautomatisierung einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die poröse Trägerstruktur aus Kunststoff, Keramik, Metall oder Schaumstoff besteht. Bevorzugt handelt es sich bei der Trägerstruktur für die Prozessmembran um eine offenporige Teflon-Membran.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber den bekannten Lösungen die folgenden Vorteile auf:

– Die Dicke der Teflon-Membran gibt die Dicke der resultierenden Prozessmembran vor, wodurch die Herstellung als solche vereinfacht wird. Dies wird bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch klarer herausgestellt.
– Die poröse und flexible Konsistenz der Teflon-Membran bleibt partiell erhalten, so dass die gefertigte Prozessmembran weiterhin flexibel ist.
– Die erfindungsgemäße Prozessmembran zeichnet sich durch eine verbesserte Ansprechzeit aus. Infolge der auch nach Einbringen und Trocknen der Farbstoff-Polymer-Mischung weiterhin bestehende poröse Konsistenz der Prozessmembran werden in der Gasphase Ansprechzeiten von ≤ 200 Millisekunden erhalten.
– Die ursprünglich weiße Teflon-Membran wird durch das Einbringen der Farbstoff Polymer-Mischung zwar eingefärbt, bleibt aber diffus streuend. Dadurch stellt sie einen fast idealen Reflektor dar. Die gemessenen Amplitudensignale sind im Vergleich zu transparenten Sensorschichten ähnlicher Dicke und Zusammensetzung etwa um einen Faktor 3–5 erhöht.
– Die Intensität der Messstrahlung lässt sich somit um diesen Faktor reduzieren, was unmittelbar eine entsprechende Verbesserung der Photostabilität der Prozessmembran zur Folge hat. Die guten Reflexionseigenschaften der Prozessmembran und ggf. noch eine darauf abgestimmte Sammeloptik führen bei konservativer Betrachtung zu einer Photostabilität von ca. drei Monaten.
– Die Auswertung erfolgt über das zeitliche Abklingverhalten eines Messpulses, d.h. die Bestimmung der Lebensdauer der Luminiszenzstrahlung in Abhängigkeit von der Konzentration des Analyten. Zusätzlich steht mit dem Signalparameter "Amplitude", d.h. Luminiszenzstrahlung unmittelbar nach dem Anregungspuls, ein Bewertungskriterium zur Verfügung, mit dem die Rest-Lebensdauer der Prozessmembran vorhersagbar wird.

Wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, handelt es sich bei der luminiszierenden Substanz um ein Gemisch aus einem in einem ersten Lösungsmittel gelösten Farbstoff und aus einem in einem zweiten Lösungsmittel gelösten Polymer. Prinzipiell unterliegen alle auf dem Prinzip der Fluoreszenz- bzw. Luminiszenz-Löschung beruhenden optischen Sensoren einer begrenzten Stabilität durch die Photodegradation des Farbstoffs. Die Photostabilität hängt sowohl von dem Farbstoff als auch von dem verwendeten Polymer ab. So ist die Farbstoffklasse der Ruthenium-Komplexe zwar nur als moderat sauerstoff-empfindlich anzusehen, allerdngs besitzt sie aber eine hohe Photostabilität. Bevorzugt wird in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Platin-Porphyrin-Komplex verwendet, der sich durch eine hohe Sensitivität und eine gute Photostabilität auszeichnet.
Zwecks Verbesserung der Photostabilität und damit der Lebensdauer des erfindungsgemäßen Sensors ist die Messanordnung so ausgestaltet, dass auf die mit dem Farbstoff versehene Schicht möglichst nur so wenig Messstrahlung appliziert wird, wie für ein Messsignal genügender Qualität erforderlich ist.
Um zu verhindern, dass die Messung durch einen Lichteinfall von außen gestört wird, ist eine erste Schutzschicht vorgesehen, die die Prozessmembran zum Prozess hin lichtdicht abdichtet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der lichtdichten ersten Schutzschicht um eine schwarze Farbe, die auf die dem Prozess zugewandte Oberfläche der Prozessmembran aufgebracht ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die lichtdichte erste Schutzschicht als erste Schutzmembran ausgebildet ist. Diese erste Schutzmembran wird gleichfalls aus einer zweiten Trägerstruktur gebildet, in die eine lichtabsorbierende Substanz eingebettet ist. Diese erste Schutzmembran ist vor der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Prozessmembran angeordnet.
Der Schutz der Prozessmembran durch eine weitere Schutzmembran ist für den Einsatz des Sensors in abrasiven Medien (z.B. in einer Kläranlage) von großer Bedeutung. Die Schutzmembran zeichnet sich einerseits durch eine gute Permeabilität für den Analyten aus. Dies ist erforderlich, damit die Ansprechzeit für den Sensor sich nicht gravierend ändert; andererseits muss die Schutzschicht lichtundurchlässig sein, damit die Prozessmembran vor dem Umgebungslicht ebenso geschützt ist (zwecks Photostabilität) wie die Empfangseinheit. Bei der Empfangseinheit handelt es sich bevorzugt um einen Photodetektor, welcher einen relativ hohen Verstärkungsfaktor für die Luminiszenzstrahlung aufweist.
Alternativ oder zusätzlich ist darüber eine zweite Schutzschicht in Richtung des Prozessmediums vor der ersten Schutzschicht positioniert ist, wobei diese zweite Schutzschicht so ausgestaltet ist, dass sie den Analyten passieren lässt und das flüssige Prozessmedium abblockt. Vorzugsweise wird diese zweite Schutzschicht dann verwendet, wenn die Sterilisierbarkeit des Sensors gefordert ist. Von Interesse ist in diesem Zusammenhang, dass Polystyrol eine Vielzahl von Sterilisierzyklen problemlos übersteht. Weitere geeignete Materialien sind in der US-PS 6,432,363 genannt.
Um den uneingeschränkten Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors auch unter extremen Prozessbedingungen, insbesondere im Hochdruckbereich, zu gewährleisten, ist zusätzlich auf der dem Prozessmedium abgewandten Seite der Prozessmembran ein formbeständiger, für die Messstrahlung der Sendeeinheit und für die von der Empfangseinheit detektierte Luminiszenzstrahlung durchlässiger Träger vorgesehen. Der Träger ist bevorzugt fest mit der Prozessmembran verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Lichtleitstab oder ein Lichtfaserbündel vorgesehen, an bzw. in dessen erstem vom Prozess abgewandten Endbereich die Sendeeinheit und die Empfangseinheit angeordnet sind und an dessen zweitem Endbereich die Prozessmembran mit der eingebetteten luminiszierenden Substanz angeordnet ist. Zu erwähnen ist, dass diese Ausgestaltung mit einer in einem Endbereich des Lichtleitstabes oder des Lichtfasterbündels angeordneten Sende- und Empfangseinheit selbstverständlich nicht auf die in dieser Patentanmeldung beschriebene Prozessmembran mit integrierter Trägerstruktur beschränkt ist. Natürlich ist es auch möglich, diese erfindungsgemäße Anordnung zur verlustfreien Führung der Mess- und Luminiszenzstrahlung auch in Verbindung mit herkömmlichen Prozessmembranen zu verwenden. Insbesondere sei in diesem Zusammenhang die Ausgestaltung erwähnt, dass die luminiszierende Substanz direkt oder indirekt auf einen entsprechenden Träger aufgebracht ist.
Um sicherzustellen, dass beispielsweise nur die Luminiszenzstrahlung auf die Empfangseinheit fällt, ist zumindest ein Filter im Strahlengang der Empfangseinheit angeordnet. Bei Bedarf ist auch zumindest ein weiteres Filter im Strahlengang der Sendeeinheit zu finden.
Um Strahlungsverluste zu vermeiden, ist die Seitenfläche des Lichtleitstabs oder des Lichtfaserbündels zumindest teilweise mit einer Reflektorschicht bedeckt. Vorzugsweise ist die Reflektorschicht rohrförmig ausgebildet und an der Oberfläche des Lichtleiterstabs bzw. des Lichtfaserbündels befestigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung steuert die Regel-/Auswerteeinheit die Sendeeinheit intermittierend an, so dass die Messstrahlung in Form von Pulsen ausgesendet wird. Bevorzugt ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit die Konzentration bzw. den Partialdruck/Druck des Analyten in dem fluiden Prozessmedium über eine Vielzahl von Pulsen. Der gepulste Betrieb dient insbesondere der Erhöhung der Lebensdauer des Sensors, da die auf die Prozessmembran auftreffende Messstrahlung geringer ist als bei einer Dauerbestrahlung. Die Intensität der Messstrahlung ist darüber hinaus so bemessen, dass die Intensität der Luminiszenzstrahlung für ein qualitativ gutes Messergebnis ausreicht.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Prozessmembran bzw. zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzmembran umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

– auf die poröse Trägerstruktur wird ein flüssiges Medium aufgebracht, wobei dem es sich bei dem Medium um ein Gemisch aus einem in einem ersten Lösungsmittel gelösten Polymer und um eine in einem zweiten Lösungsmittel gelöste luminiszierende Substanz handelt; im Falle der Fertigung der Schutzmembran handelt es sich bei dem flüssigen Medium um eine in einem Polymer gelöste lichtabsorbierende Substanz;
– die poröse Trägerstruktur wird dem flüssigen Medium durchtränkt;
– die poröse Trägerstruktur wird für eine vorgegebene Zeit bei einer vorgegebenen Wärmezufuhr getrocknet.

Im Detail ist gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die poröse Trägerstruktur in einen Rahmen eingespannt wird, dass das flüssige Medium auf die nach oben weisende Oberfläche der Trägerstruktur aufgebracht wird und dass nach einer vorgegebenen Einwirkzeit überschüssiges flüssiges Medium abgenommen wird.
Zwecks Herstellung einer Vielzahl von Prozess- bzw. Schutzmembranen, die in ihren Eigenschaften sehr ähnlich sind, werden gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der getrockneten, mit dem Medium durchsetzten porösen Trägerstruktur einzelne Prozessmembranen/Schutzmembranen ausgestanzt oder ausgeschnitten.
Anschließend wird auf die dem Prozessmedium zugewandte Oberfläche der Prozessmembran eine lichtdichte Schicht aufgebracht.
Als besonders vorteilhaft hat sich das folgende alternative Verfahren zur Fertigung einer Prozessmembran herausgestellt: die vom Prozess abgewandte Seitenfläche der Prozessmembran wird im feuchten Zustand mit einem formbeständigen, für die Strahlung und die Luminiszenzstrahlung durchlässigen Träger in Kontakt gebracht wird. Hierdurch wird die der Prozessmembran zugewandte Oberfläche des Trägers durch die Substanz angelöst; anschließend werden die Prozessmembran und der Träger getrocknet, so dass die Prozessmembran und der Träger durch den Trocknungsprozess fest miteinander verbunden werden.
Als weitere Alternative kann die Prozessmembran auch durch Kleben mit dem formbeständigen Träger fest verbunden werden; nach der Trocknung des Klebers wird dann beispielsweise die lichtdichte Schutzschicht auf die Prozessmembran aufgestrichen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors,
2: einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung der Membrane 2 und
3: eine vergrößerte Ansicht der als Trägerstruktur verwendeten Teflon-Membran.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1. Insbesondere handelt es sich bei dem Sensor 1 um einen Sauerstoffsensor, jedoch ist die Erfindung keineswegs auf die Sauerstoffmessung beschränkt. Beispielhaft seien als weitere gasförmige Analyten Wasserdampf, Chlor, Stickstoff, Schwefeldioxid und dampfförmige Amine genannt. Als in Flüssigkeiten gelöste Analyte sind z.B. Halogenide, Metall- und Übergangsmetall-Ionen, Aminosäuren, Nitroaromate, Zucker, Wasser (in Ölen oder in Benzin) zu nennen.
Eine wesentliche Komponente des erfindungsgemäßen Sensors 1 ist die Prozessmembran 7 bzw. die aufeinanderfolgende Anordnung von Membrane 2, wie sie in 2 gezeigt ist. Erfindungsgemäß weist die Prozessmembran 7 als Stützgerüst eine poröse Trägerstruktur 17 aus Kunststoff, Keramik, Metall oder Schaumstoff auf. Bevorzugt handelt es sich bei der Trägerstruktur 17 um eine Teflon-Membran. Eine entsprechende Teflon-Membran ist in der 3 vergrößert dargestellt. Die Teflon-Membran ist – wie bereits mehrfach erwähnt – auch bestens als Trägerstruktur 17 für die erste Schutzmembran 12 geeignet.
Bei der Trägerstruktur 17 handelt es sich bevorzugt um ein offenporiges Material, da ein solches offenporiges Material die luminiszierende Substanz 16, bestehend aus einem in ein Polymer eingelagerten Farbstoff, ungehindert eindringen lässt. Bevorzugt handelt es sich bei dem für die Prozessmembran 7 verwendeten Material um ein offenporiges Material, z.B. Teflon, mit einer Porosität von 50%–90%, wobei der Porendurchmesser bevorzugt bei 0.1–10 μm liegt.
In dem Gehäuse 10 sind die optischen, die elektrischen/elektronischen und die funktionellen Komponenten des Sensors 1 angeordnet. Bei den optischen Komponenten handelt es sich um die Sendeeinheit 3, die Empfangseinheit 4, das Filter 5 und den Lichtleitstab 6. Bei der Sendeeinheit 3 handelt es sich beispielsweise um eine LED; als Empfangseinheit 4 wird bevorzugt eine Photodiode (oder ein Spektrometer) eingesetzt. Der Photodetektor 4 weist vorteilhafter Weise einen relativ hohen Verstärkungsfaktor für die Luminiszenzstrahlung auf.
Die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 sind in dem erstem vom Prozess abgewandten Endbereich des Lichtleitstabes 6 zu finden. Der Lichtleitstab 6 ist bevorzugt aus PMMA gefertigt. Im zweiten Endbereich des Lichtleitstabs 6 befindet sich die Prozessmembran 7 mit der in die Träger struktur 17 eingebetteten luminiszierenden Substanz 16. Die Prozessmembran 7 ist von dem Lichtleitstab 6 durch einen Luftspalt 18 getrennt. Durch diese Anordnung der optischen Komponenten zeigt der erfindungsgemäße Sensor 1 einen kompakten Aufbau.
Um sicherzustellen, dass nur die durch den Analyten 15 beeinflusste Luminiszenzstrahlung auf die Empfangseinheit 4 fällt, ist zumindest ein Filter 5 im Strahlengang der Empfangseinheit 4 angeordnet. Bei Bedarf ist auch zumindest ein weiteres Filter im Strahlengang der Sendeeinheit 3 zu finden.
Um Strahlungsverluste zu vermeiden, ist die Seitenfläche des Lichtleitstabs 6 oder des Lichtfaserbündels zumindest teilweise mit einer Reflektorschicht 11 bedeckt. Vorzugsweise ist die Reflektorschicht 11 rohrförmig ausgebildet und an der Außenfläche des Lichtleiterstabs 6 bzw. des Lichtfaserbündels befestigt ist.
Über das Befestigungsteil 19 ist die Prozessmembran 7 bzw. sind die Membrane 2 mit dem Gehäuse 10 des Sensors 1 verbunden. In dem Innenraum des Gehäuses 10 sind die elektrischen/elektronischen Komponenten des Sensors 1, insbesondere die Regel-/Auswerteeinheit 9 angeordnet. Die Regel-/Auswerteeinheit 9 triggert u.a. den Pulsbetrieb der Sendeeinheit 3 und wertet die Luminiszenzstrahlung der Empfangseinheit 4 aus. Die Bestimmung der Konzentration bzw. des Drucks/Partialdrucks des Analyten 15 erfolgt über die bekannten Verfahren. Insbesondere erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Sensor 1 die Auswertung über die Bestimmung und Auswertung der Abklingzeit eines Sendepulses. Möglich ist es jedoch auch – alternativ oder in Kombination – die detektierte Luminiszenzstrahlung hinsichtlich der Amplitude und/oder der Phase auszuwerten. Wie bereits gesagt, kann beispielsweise aus der Amplitudeninformation im Falle einer Auswertung der Abklingzeit eines Messpulses Information über die verbleibende Lebensdauer des Sensors gewonnen werden.
In 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Membrane 2 im Querschnitt dargestellt. Die Membrane 2 setzt sich aus vier Teilkomponenten zusammen, die in Prozessrichtung (→) aufeinanderfolgend angeordnet sind: ein formstabiler, für die Mess- und Luminiszenzstrahlung durchlässiger Träger 14, die Prozessmembran 7, die aus einer porösen Trägerstruktur 17 besteht, deren Poren zumindest teilweise mit der luminiszierenden Substanz 16 ausgefüllt sind, einer ersten Schutzschicht 12 und einer zweiten Schutzschicht 13.
Um zu verhindern, dass die Messergebnisse durch von außen einfallende Störstrahlung gestört werden, ist die erste Schutzschicht 12 vorgesehen, die die Prozessmembran 7 zum Prozess hin lichtdicht abdichtet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der lichtdichten ersten Schutzschicht 12 um eine schwarze Farbschicht, die auf die dem Prozess zugewandte Oberfläche der Prozessmembran 7 aufgebracht ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die lichtdichte erste Schutzschicht 12 als erste Schutzmembran ausgebildet ist. Diese erste Schutzmembran 12 wird gleichfalls aus einer Trägerstruktur 17 (beispielsweise Teflon) gebildet, in die eine lichtabsorbierende Substanz eingebettet ist. Diese erste Schutzmembran 12 ist vor der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Prozessmembran 7 angeordnet.
Der Schutz der Prozessmembran 7 durch eine erste Schutzmembran 12 ist für den Einsatz des Sensors 1 in abrasiven Medien (z.B. in einer Kläranlage) von großer Bedeutung. Die Schutzmembran 12 zeichnet sich einerseits durch eine gute Permeabilität für den Analyten 15 aus. Dies ist erforderlich, damit die Ansprechzeit für den Sensor 1 sich nicht gravierend ändert; andererseits muss die Schutzschicht 12 lichtundurchlässig sein, damit die Prozessmembran 7 vor dem Umgebungslicht ebenso geschützt ist (zwecks Photostabilität) wie die Empfangseinheit 4.
Alternativ oder zusätzlich ist darüber hinaus eine zweite Schutzschicht 13 in Richtung des Prozessmediums vor der ersten Schutzschicht 12 positioniert ist, wobei diese zweite Schutzschicht 13 so ausgestaltet ist, dass sie den Analyten 15 passieren lässt und das flüssige Prozessmedium abblockt. Vorzugsweise wird diese zweite Schutzschicht 13 dann verwendet, wenn die Sterilisierbarkeit des Sensors 1 gefordert ist. Von Interesse ist in diesem Zusammenhang, dass Polystyrol eine Vielzahl von Sterilisierzyklen problemlos übersteht und somit als Material für die zweite Schutzmembran bestens geeignet ist. Weitere geeignete Materialien sind in der US-PS 6,432,363 genannt.
Um den uneingeschränkten Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors 1 auch unter extremen Prozessbedingungen, insbesondere im Hochdruckbereich, gewährleisten zu können, ist zusätzlich auf der dem Prozessmedium abgewandten Seite der Prozessmembran 7 ein formbeständiger, für die Messstrahlung der Sendeeinheit 3 und für die von der Empfangseinheit 4 detektierte Luminiszenzstrahlung durchlässiger Träger 14 vorgesehen. Der Träger 14 ist bevorzugt fest mit der Prozessmembran 7 verbunden.

1: Sensor
2: Membran
3: Sendeeinheit/LED
4: Empfangseinheit/Photodiode
5: Filter
6: Lichtleitstab
7: Prozessmembran
8: Schutzkorb
9: Regel-/Auswerteeinheit
10: Gehäuse
11: Reflektorschicht
12: Erste Schutzmembran/Schutzschicht/Farbschicht
13: Zweite Schutzmembran
14: Formstabiler Träger
15: Analyt
16: Luminiszierende Substanz
17: Trägerstruktur
18: Befestigungsteil
19: Luftspalt

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines in einem fluiden Prozessmedium enthaltenen Analyten (15) mit einem Sensor (1), der eine Prozessmembran (7) mit einer porösen Trägerstruktur aufweist, wobei eine luminiszierende, mit dem Analyten (15) bzw. dem gasförmigen Prozessmedium in Kontakt kommende Substanz (16) in der Trägerstruktur (17) eingebettet ist, mit einer Sendeeinheit (3), deren Strahlung die luminiszierende Substanz (16) zum Aussenden von Luminiszenzstrahlung anregt, mit einer Empfangseinheit (4), die die Luminiszenzstrahlung detektiert, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand der Löschung (Quenching) der Luminiszenzstrahlung der luminiszierenden Substanz (16) die Konzentration bzw. den Partialdruck/Druck des Analyten (15) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerstruktur (17) aus Kunststoff, Keramik, Metall oder Schaumstoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der als poröse Trägerstruktur (17) ausgebildeten Prozessmembran (7) um eine poröse Teflon-Membran handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der luminiszierenden Substanz (16) um ein Gemisch aus einem in einem ersten Lösungsmittel gelösten Farbstoff und aus einem in einem zweiten Lösungsmittel gelöstes Polymer handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schutzschicht (12) vorgesehen ist, die die Prozessmembran (7) zum Prozess hin lichtdicht abdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lichtdichten ersten Schutzschicht (12) um eine schwarze Farbe handelt, die auf die dem Prozess zugewandte Oberfläche der Prozessmembran (7) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lichtdichten ersten Schutzschicht (12) um eine erste Schutzmembran (12) handelt, die aus einer zweiten Trägerstruktur (17) gebildet ist, in die eine lichtabsorbierende Substanz eingebettet ist, und dass die erste Schutzmembran (12) vor der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Prozessmembran (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schutzschicht (13) vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass sie den Analyten (15) passieren lässt und das flüssige Prozessmedium abblockt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein formbeständiger, für die Strahlung der Sendeeinheit (3) und die von der Empfangseinheit (4) detektierte Luminiszenzstrahlung durchlässiger Träger (14) vorgesehen ist, auf dem die Prozessmembran (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleitstab (6) oder ein Lichtfaserbündel vorgesehen ist, an/in dessen erstem vom Prozess abgewandten Endbereich die Sendeeinheit (3) und die Empfangseinheit (4) angeordnet sind und an dessen zweitem Endbereich die Prozessmembran (7) mit der eingebetteten luminiszierenden Substanz (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Filter (5) vorgesehen ist, das im Strahlengang der Sendeeinheit (3) und/oder im Strahlengang der Empfangseinheit (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche des Lichtleitstabs (6) oder des Lichtfaserbündels zumindest teilweise mit einer Reflektorschicht (11) bedeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht (11) rohrförmig ausgebildet ist und an der Außenfläche des Lichtleiterstabs (6) bzw. des Lichtfaserbündels befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (9) die Sendeeinheit (3) intermittierend ansteuert, so dass die Sendestrahlung in Form von Pulsen abgestrahlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (9) die Konzentration bzw. den Partialdruck/Druck des Analyten (15) in dem fluiden Prozessmedium über eine Vielzahl von Pulsen ermittelt.
Verfahren zur Herstellung einer Prozessmembran, wie sie in den Ansprüchen 1–5 beschrieben ist, oder zur Herstellung einer Schutzmembran nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die poröse Trägerstruktur (17) eine flüssiges Medium (16) aufgebracht wird, wobei dem es sich bei dem Medium (16) um ein Gemisch aus einem in einem ersten Lösungsmittel gelösten Polymer und um eine in einem zweiten Lösungsmittel gelöste luminiszierende Substanz handelt, oder dass es sich bei dem flüssigen Medium um eine in einem Polymer gelöste lichtabsorbierende Substanz handelt, dass die poröse Trägerstruktur (17) mit dem flüssigen Medium (16) durchtränkt wird, dass die poröse Trägerstruktur (17) für eine vorgegebene Zeit bei einer vorgegebenen Wärmezufuhr getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerstruktur (17) in einen Rahmen eingespannt wird, dass das flüssige Medium (16) auf die nach oben weisende Oberfläche der Trägerstruktur (17) aufgebracht wird, dass nach einer vorgegebenen Einwirkzeit überschüssiges flüssiges Medium (16) abgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus der getrockneten mit dem Medium (16) durchsetzten porösen Trägerstruktur (17) einzelne Prozessmembranen (7) ausgestanzt oder ausgeschnitten werden.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Seite der mit der luminiszierenden Substanz durchsetzten porösen Trägerstruktur (17) eine lichtdichte Schicht (12) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Prozess abgewandte Seitenfläche der Prozessmembran (7) im feuchten Zustand mit einem formbeständigen, für die Strahlung und die Luminiszenzstrahlung durchlässigen Träger (14) in Kontakt gebracht wird, dass die der Prozessmembran (7) zugewandte Seitenfläche des Trägers (14) durch die Substanz (16) angelöst wird, dass die Prozessmembran (7) und der Träger (14) getrocknet werden, so dass die Prozessmembran (7) und der Träger (14) durch den Trocknungsprozess fest miteinander verbunden werden.