DE102005035932A1 - Optical sensor for in-situ measurements - Google Patents

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Abstract

Ein optischer Sensor (1) umfasst: eine Messkammer (3), die mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist; ein Sensorgehäuse (2), mindestens eine Lichtquelle (21); mindestens einen Photodetektor (22), wobei die Lichtquelle und der Photodetektor in dem Sensorgehäuse (2) angeordnet sind, ein Messpfad von der Lichtquelle durch die Messkammer (3) zu dem Photodetektor verläuft und der Messpfad über mindestens ein erstes Fenster (6, 7) in einer Oberfläche des Sensorgehäuses (2) in die Messkammer (3) eintritt und aus der Messkammer austritt; wobei ferner der optische Sensor ferner einen Filter (11) aufweist, durch welchen der Zufluss bzw. Abfluss des Messmediums zur Messkammer erfolgt. Der optische Sensor (1) kann weiterhin eine Druckleitung (9), die in Fließverbindung mit der Messkammer (3) steht, umfassen, um das Messmedium durch den Filter (11) in die Messkammer zu saugen oder aus der Messkammer zu blasen.An optical sensor (1) comprises: a measuring chamber (3) which can be filled with a medium to be analyzed; a sensor housing (2), at least one light source (21); at least one photodetector (22), the light source and the photodetector being arranged in the sensor housing (2), a measuring path from the light source through the measuring chamber (3) to the photodetector and the measuring path via at least a first window (6, 7) enters the measuring chamber (3) in a surface of the sensor housing (2) and exits the measuring chamber; the optical sensor further comprising a filter (11) through which the measurement medium flows into and out of the measurement chamber. The optical sensor (1) can further comprise a pressure line (9) which is in flow connection with the measuring chamber (3) in order to suck the measuring medium through the filter (11) into the measuring chamber or to blow it out of the measuring chamber.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor für in-situ Messungen, insbesondere für in-situ Messungen in Medien, die neben dem eigentlichen Analyten Verunreinigungen enthalten, die der Messung des Analyten entgegenstehen. Derartige optische Sensoren sind beispielsweise spektrometrische Sensoren oder photometrische Sensoren, wie Nitratsensoren, die auf einer UV-Absorptionsmessung beruhen, oder Sensoren die einen spektralen Absorptionskoeffizienten oder einen anderen Summenparameter bestimmen.The The present invention relates to an optical sensor for in-situ Measurements, especially for in-situ measurements in media, in addition to the actual analyte Contain impurities that interfere with the measurement of the analyte. Such optical sensors are for example spectrometric Sensors or photometric sensors, such as nitrate sensors, on based on a UV absorption measurement, or sensors that have a spectral Determine absorption coefficients or another sum parameter.

Optische Sensoren für in-situ Messungen weisen gewöhnlich ein Sensorgehäuse auf, in dessen Innenraum mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Photodetektor vorhanden ist, wobei ein Messpfad von der Lichtquelle durch eine Messkammer zu dem Photodetektor verläuft, wobei die Messkammer mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist, und der Messpfad über mindestens ein Fenster in einer Oberfläche des Gehäuses in die Messkammer eintritt und aus der Messkammer austritt Häufig enthält das zu analysierende Messmedium, beispielsweise Abwasser, neben den eigentlichen Analyten Verunreinigungen wie Belebtschlammpartikel, welche durch Streuung oder andere Absorptionsprozesse die eigentliche Messung beeinträchtigen und zudem die Fenster im Messpfad verschmutzen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor für in-situ Messung bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.optical Sensors for In situ measurements usually show a sensor housing in whose interior at least one light source and at least a photodetector is provided, wherein a measuring path from the light source through a measuring chamber to the photodetector, wherein the measuring chamber with a medium to be analyzed is filled, and the measuring path over at least a window in a surface of the housing enters the measuring chamber and exits the measuring chamber analyzing measuring medium, for example wastewater, in addition to the actual analytes Impurities such as activated sludge particles, which by scattering or other absorption processes affect the actual measurement and also pollute the windows in the measurement path. It is therefore the task of the present invention, an optical sensor for in-situ To provide measurement, the described disadvantages of the prior Technology overcomes.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den optischen Sensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.The The object is achieved by the optical sensor according to the independent claim 1.

Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst eine Messkammer und ein Sensorgehäuse, in dessen Innenraum mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Photodetektor vorhanden ist, wobei ein Messpfad von der Lichtquelle durch die Messkammer zu dem Fotodetektor verläuft, wobei die Messkammer mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist, und der Messpfad über mindestens ein Fenster in einer Oberfläche des Gehäuses in die Messkammer eintritt und aus der Messkammer austritt; wobei der optische Sensors ferner einen Filter aufweist, durch welchen der Zufluss bzw. Abfluss des Messmediums zur Messkammer erfolgt.Of the according to the invention optical Sensor comprises a measuring chamber and a sensor housing, in the interior at least a light source and at least one photodetector is present, wherein a measuring path from the light source through the measuring chamber to the Photodetector runs, wherein the measuring chamber can be filled with a medium to be analyzed, and the measuring path over at least one window in a surface of the housing enters the measuring chamber and exits the measuring chamber; wherein the optical sensor further has a filter through which the inflow or outflow of the measuring medium takes place to the measuring chamber.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße optische Sensor eine Druckleitung, die in Fließverbindung mit der Messkammer steht, um das Messmedium durch den Filter in die Messkammer zu saugen oder aus der Messkammer zu blasen. Die Druckleitung kann beispielsweise durch das Gehäuse des optischen Sensors geführt werden und in einer Öffnung im Bereich der Messkammer münden.In a development of the invention comprises the inventive optical Sensor a pressure line, which is in flow communication with the measuring chamber, to suck the medium through the filter into the measuring chamber or to blow out of the measuring chamber. The pressure line can, for example, by the housing be guided of the optical sensor and in an opening in the area of the measuring chamber.

Insoweit als die optischen Sensoren für in-situ Messungen gewöhnlich in einer Wassertiefe von etwa einem Meter eingesetzt werden sind die Druckanforderungen an die Druckleitung verhältnismäßig gering, eine Evakuierung auf etwa 0,3 bar reicht ohne weiteres aus, um mit der resultierenden Druckdifferenz ein wässriges Medium durch den Filter in die Messkammer zu saugen, und ein Überdruck von beispielsweise 1 bar ist geeignet um die Messkammer wieder auszublasen. Die genannten Druckwerte ergeben lediglich Größenordnungen an, und sind selbstverständlich in Abhängigkeit der Porengröße der Filter sowie der Einsatztiefe der optischen Sensoren im Rahmen des fachmännischen Könnens anzupassen.in this respect as the optical sensors for in-situ measurements usually be used in a depth of about one meter the pressure requirements to the pressure line relatively low, an evacuation to about 0.3 bar is readily enough to deal with the resulting pressure difference an aqueous one Suction medium through the filter into the measuring chamber, and an overpressure of For example, 1 bar is suitable for blowing out the measuring chamber again. The mentioned pressure values are only orders of magnitude, and are of course in dependence the pore size of the filters as well as the depth of use of the optical sensors in the context of the expert Can adapt.

Das Filterelement kann beispielsweise hülsenförmig gestaltet sein, um auf ein zylindrisches Sensorgehäuse aufgeschoben zu werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Messkammer als schlitzförmige Küvette in der Mantelfläche eines zylindrischen Sensorgehäuses ausgebildet ist. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung hat das Sensorgehäuse einen Durchmesser von etwa 40mm und das hülsenförmige Filterelement einen Durchmesser von etwa 50mm, wobei im wesentlichen die Mantelfläche des hülsenförmigen Filterelementes als Filter aktiv ist. Das Filterelement hat eine axiale Ausdehnung von etwa 20 bis 30mm bei einer axialen Dimension der Messkammer vom nicht mehr als 5mm. Als Filtermaterial sind verschiedene poröse Materialien geeignet, beispielsweise Polyamid, Polyethylen oder PVDF, sowie andere Kunststoffe mit einer Porengröße zwischen etwa 10 μm und etwa 30 μm. Gleichermaßen sind metallische Filter, beispielsweise Spaltfilter aus Stahl etwa 10 μm bis 50 μm Porengröße geeignet.The Filter element may be designed, for example, sleeve-shaped to on a cylindrical sensor housing to be deferred. This can be the case, for example, if the measuring chamber as a slot-shaped cuvette in the lateral surface a cylindrical sensor housing is trained. In a presently preferred embodiment, the sensor housing a diameter of about 40mm and the sleeve-shaped filter element has a diameter of about 50mm, wherein substantially the lateral surface of sleeve-shaped filter element as filter is active. The filter element has an axial extent from about 20 to 30mm with an axial dimension of the measuring chamber from not more than 5mm. As a filter material are various porous materials suitable, for example polyamide, polyethylene or PVDF, and other plastics with a pore size between about 10 microns and about 30 μm. Equally are Metallic filters, such as steel slit filter about 10 microns to 50 microns pore size suitable.

Falls kleinere Kontaminanten auszufiltern sind, kommen auch Membranfilter mit einer Porengröße zwischen etwa 0,2 μm und 0,45 μm in Betracht.If smaller contaminants are to be filtered out, also membrane filters come with a pore size between about 0.2 μm and 0.45 μm into consideration.

Der erfindungsgemäße optische Sensor ist beispielsweise ein spektrometrischer Sensor oder photometrischer Sensor, insbesondere ein Nitratsensor, der auf einer UV-Absorptionsmessung beruht, oder ein Sensor die einen spektralen Absorptionskoeffizienten oder einen anderen Summenparameter bestimmt.Of the according to the invention optical Sensor is for example a spectrometric sensor or photometric Sensor, in particular a nitrate sensor, based on a UV absorption measurement or a sensor which has a spectral absorption coefficient or another sum parameter.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt:Further details of the invention will be apparent from the in 1 illustrated embodiment. It shows:

1: einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäßen photometrischen Sensor für in-situ Messungen. 1 FIG. 2: a detail of a longitudinal section through a photometric sensor according to the invention for in-situ measurements.

Der photometrische Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches einen wesentlichen zylindrischen Aufbau aufweist.The photometric sensor 1 includes a housing 2 which has a substantial cylindrical structure.

In der Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses ist eine schlitzförmige Messkammer 3 ausgebildet. Das Gehäuse 2 weist im Bereich der Messkammer 3 Öffnungen auf, die in einer ersten Messkammerwand 4, einer der ersten Messkammerwand 4 gegenüberliegenden zweiten Messkammerwand 5 und in dem Boden 8 der Messkammer 3 vorgesehen sind. In der Öffnung im Boden 8 der Messkammer mündet eine Druckleitung, über die mittels einer (hier nicht dargestellten) Pumpe wahlweise ein Unterdruck oder Überdruck angelegt werden kann.In the lateral surface of the cylindrical housing is a slit-shaped measuring chamber 3 educated. The housing 2 points in the area of the measuring chamber 3 Openings in a first measuring chamber wall 4 , one of the first measuring chamber wall 4 opposite second measuring chamber wall 5 and in the ground 8th the measuring chamber 3 are provided. In the opening in the ground 8th The measuring chamber opens a pressure line, via which by means of a (not shown here) pump either a negative pressure or overpressure can be applied.

Die Öffnung in der ersten und zweiten Messkammerwand 4, 5, sind durch ein erstes bzw. zweites Quarzfenster 6, 7 mediendicht verschlossen. Das Licht des Messpfads wird durch das erste bzw. das zweite Fenster 6, 7 in die Messkammer ein- bzw. in die Messkammer ausgekoppelt. Im Falle eines Nitratsensors kann beispielsweise eine Xenonblitzlampe als Lichtquelle 21 vorgesehen sein, deren Licht entlang des Messpfads zu einem Detektor 22 in dem Gehäuse 2 geführt wird. Einzelheiten zur optischen Messung von Analyten sind dem Fachmann geläufig und brauchen hier nicht weiter erläutert zu werden.The opening in the first and second measuring chamber wall 4 . 5 , are through a first and second quartz window 6 . 7 Media-tightly closed. The light of the measuring path is through the first and the second window 6 . 7 into the measuring chamber or coupled into the measuring chamber. In the case of a nitrate sensor, for example, a xenon flash lamp as a light source 21 be provided, whose light along the measuring path to a detector 22 in the case 2 to be led. Details of the optical measurement of analytes are familiar to the person skilled in the art and need not be further explained here.

Der erfindungsgemäße Sensor umfasst weiterhin eine Filtereinheit 10, die eine im wesentlichen zylindrische Hülse 11 aufweist. Die Hülse 11 kann beispielsweise auf das Sensorgehäuse aufschiebbar gestaltet sein, wobei die Hülse 11 erste und zweite ringförmige Stirnflächenscheiben 12, 13 aufweist, an deren Innenrand jeweils eine Dichtung 14, 15 zur Abdichtung des Ringspalts zur Mantelfläche des Sensorgehäuses 2 vorgesehen ist, so dass zwischen den Stirnflächen und der Mantelfläche des Sensors kein Medium in die Messzelle gelangen kann. Im Ausführungsbeispiel ist jeweils eine umlaufende Silikondichtung vorgesehen, es kommen aber gleichermaßen O-Ring-Dichtungen, Formdichtungen oder Flachdichtungen in Frage, wobei vorzugsweise für die gewählten Dichtungen entsprechende Einspannflächen an den Stirnflächenscheiben bzw. an der Mantelfläche des Sensorgehäuses 2 vorgesehen werden.The sensor according to the invention further comprises a filter unit 10 which is a substantially cylindrical sleeve 11 having. The sleeve 11 For example, be designed to be pushed onto the sensor housing, wherein the sleeve 11 first and second annular face washers 12 . 13 has, at the inner edge of each a seal 14 . 15 for sealing the annular gap to the lateral surface of the sensor housing 2 is provided so that no medium can get into the measuring cell between the end faces and the lateral surface of the sensor. In the exemplary embodiment, a circumferential silicone gasket is provided in each case, but there are equally O-ring seals, molded gaskets or flat gaskets in question, preferably for the selected seals corresponding clamping surfaces on the end face disks or on the lateral surface of the sensor housing 2 be provided.

Die Hülse 11 kann beispielsweise einfach im Klemmsitz auf der Mantelfläche des Sensorgehäuses gehalten werden, oder gegebenenfalls durch weitere Sicherungsmaßnahmen, beispielsweise durch komplementäre Gewinde oder Rastmittel.The sleeve 11 For example, can be easily held in a press fit on the lateral surface of the sensor housing, or optionally by further security measures, for example by complementary threads or locking means.

Die Mantelfläche 16 der Hülse 11 umfasst ein Spaltfilter mit etwa 20 μm Porengröße.The lateral surface 16 the sleeve 11 includes a gap filter with about 20 micron pore size.

Zum Füllen der Messkammer mit einer zu untersuchenden Probe wird das von der Filtereinheit eingeschlossene Volumen mittels einer Druckleitung 9 evakuiert, bis das Messmedium durch die Mantelfläche 11 der Filtereinheit 10 in die Messkammer hineingesogen wird. Dabei kann auch eine gewisse menge des Messmediums in die Druckleitung 9 gelange, dies ist jedoch unschädlich, da die Druckleitung und die Messkammer 3 nach erfolgter Messung durch Anlegen von Überdruck an die Druckleitung ausgeblasen wird, wodurch sämtliches Medium wieder aus dem von der Filtereinheit umschlossenen Volumens herausgedrückt wird.To fill the measuring chamber with a sample to be examined, the volume enclosed by the filter unit is conveyed by means of a pressure line 9 evacuated until the medium through the lateral surface 11 the filter unit 10 is sucked into the measuring chamber. In this case, a certain amount of the medium to be measured in the pressure line 9 However, this is harmless, since the pressure line and the measuring chamber 3 is blown out after the measurement by applying pressure to the pressure line, whereby all the medium is pushed out again from the volume enclosed by the filter unit volume.

Durch geeignete Ausrichtung der Austrittsöffnung der Druckleitung kann beim Ausblasen eine Reinigung der Quarzfenster erfolgen. Um eine optimale Reinigung von Quarzfenstern in größeren Abstand zueinander zu erzielen sind gegebenenfalls zwei Austrittsöffnungen vorzusehen, von denen eine erste Austrittsöffnung auf das erste Quarzfenster ausgerichtet ist und eine zweite Austrittsöffnung auf das zweite Quarzfenster.By suitable orientation of the outlet opening of the pressure line can When blowing out, clean the quartz windows. To one optimal cleaning of quartz windows at a greater distance from each other If necessary, two outlet openings are to be provided, of which a first exit opening is aligned with the first quartz window and a second exit opening on the second quartz window.

Claims (10)

Optischer Sensor (1), umfassend: eine Messkammer (3), die mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist; ein Sensorgehäuse (2), mindestens eine Lichtquelle (21); mindestens ein Photodetektor (22), wobei die Lichtquelle und der Photodetektor in dem Sensorgehäuse (2) angeordnet ist, ein Messpfad von der Lichtquelle durch die Messkammer (3) zu dem Photodetektor verläuft, und der Messpfad über mindestens ein erstes Fenster (6, 7) in einer Oberfläche des Sensorgehäuses (2) in die Messkammer (3) eintritt und aus der Messkammer austritt; dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor ferner einen Filter (11) aufweist, durch welchen der Zufluss bzw. Abfluss des Messmediums zur Messkammer erfolgt.Optical sensor ( 1 ), comprising: a measuring chamber ( 3 ) which can be filled with a medium to be analyzed; a sensor housing ( 2 ), at least one light source ( 21 ); at least one photodetector ( 22 ), wherein the light source and the photodetector in the sensor housing ( 2 ), a measuring path from the light source through the measuring chamber ( 3 ) to the photodetector, and the measuring path over at least a first window ( 6 . 7 ) in a surface of the sensor housing ( 2 ) into the measuring chamber ( 3 ) enters and exits the measuring chamber; characterized in that the optical sensor further comprises a filter ( 11 ), through which the inflow or outflow of the measuring medium to the measuring chamber takes place. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Druckleitung (9), die in Fließverbindung mit der Messkammer (3) steht, um das Messmedium durch den Filter (11) in die Messkammer zu saugen oder aus der Messkammer zu blasen.Optical sensor ( 1 ) according to claim 1, further comprising a pressure line ( 9 ) in fluid communication with the measuring chamber ( 3 ) to pass the medium through the filter ( 11 ) to suck into the measuring chamber or to blow out of the measuring chamber. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 2, wobei die Druckleitung durch das Gehäuse des optischen Sensors geführt ist.Optical sensor ( 1 ) according to claim 2, wherein the pressure line is guided through the housing of the optical sensor. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Filter (11) als hülsenförmiges Filterelement (10) gestaltet ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the filter ( 11 ) as a sleeve-shaped filter element ( 10 ) is designed. Optischer Sensor nach Anspruch 4, wobei das Sensorgehäuse 5, einem im wesentlichen zylindrischen Aufbau aufweist.An optical sensor according to claim 4, wherein the sensor housing 5, a having a substantially cylindrical structure. Optischer Sensor nach Anspruch 5, wobei die Messkammer (3) als schlitzförmige Küvette in der Mantelfläche eines zylindrischen Sensorgehäuses (2) ausgebildet ist.An optical sensor according to claim 5, wherein the measuring chamber ( 3 ) as a slot-shaped cuvette in the lateral surface of a cylindrical sensor housing ( 2 ) is trained. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Filter (11) Polyamid, Polyethylen oder PVDF, oder andere Kunststoffe aufweist.Optical sensor according to one of the preceding claims, wherein the filter ( 11 ) Polyamide, polyethylene or PVDF, or other plastics. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Filter (11) einen metallischen Werkstoff aufweist.Optical sensor according to one of claims 1 to 6, wherein the filter ( 11 ) comprises a metallic material. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Filter eine Porengröße zwischen etwa 0,2 μm und etwa 30 μm aufweist.Optical sensor according to one of the preceding claims wherein the filter has a pore size between about 0.2 μm and about 30 μm having. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor ein spektrometrischer Sensoren oder photometrischer Sensor ist.Optical sensor according to one of the preceding claims, wherein the sensor is a spectrometric sensor or photometric sensor is.
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