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Die
Erfindung richtet sich auf einen Fluidkonzentrationsmesssensor mit
mindestens einen Messraum, und diesem zugeordnet mindestens einer Strahlungsquelle,
mindestens einer Reflektionsfläche
und mindestens einem Detektor.
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Sensoren
zur Messung einer Fluidkonzentration, insbesondere zur Messung einer
Gaskonzentration, werden hauptsächlich
in medizinischen und biologischen Anwendungsbereichen oder in der Branddetektion
eingesetzt. Eine derartige Detektion kann auf Basis elektrochemischer
Messungen, Messungen auf Indikatorbasis, Messungen unter Zuhilfenahme
von Halbleitertechnikbauelementen oder fotometrischen Messverfahren
durchgeführt
werden.
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Bei
den fotometrischen Messverfahren ist es weiterhin bekannt, Ein-
und Mehrstrahlsysteme sowohl dispersiver als auch nicht dispersiver
Natur einzusetzen. Fotometrische Messverfahren basieren in der Regel
auf dem Messprinzip, dass eine von einer Strahlungsquelle emittierten
Strahlung das zu detektierende Fluid, beispielsweise ein Gas, durchsetzt, mit
diesem zum Teil wechselwirkt und anschließend von einem Detektor detektiert
und in ein auswertbares Signal umgewandelt wird. Aufgrund einer
Absorption der Strahlung in spezifischen Wellenlängenbereichen durch die zu
detektierenden Liquidmoleküle/-atome,
kann eine Liquidskonzentrationsmessung durchgeführt werden.
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Für hohe Empfindlichkeiten
sind bei diesem Messprinzip lange Absorptionswege, d.h. primär lange
Lichtwege, also ein relativ großer
Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektor, vorteilhaft. Bei kürzeren Absorptionsstrecken
ist das Messsignal, insbesondere auch das Signal-Rausch-Verhältnis, unzureichend
gering. Um die Lichtwege zu vergrößern, können eine Vielzahl von Reflektoren,
wie beispielsweise Spiegel, angeordnet werden, die die von der Strahlungsquelle
ausgehende Strahlung reflektieren. Durch Verwendung derartiger einzelner
Reflektoren kann zwar zunächst
die Absorptionsstrecke verlängert
werden, es treten im Allgemeinen jedoch Mehrkosten durch die Vielzahl
von erforderlichen Reflektoren auf. Weiterhin ist eine optische
Justage, gegebenenfalls auch eine nachträgliche Korrektur der Anordnung
der Reflektoren zueinander, erforderlich. Zudem werden – je nach
Anzahl der Reflektoren – die Abmessungen
eines Fluidkonzentrationsmesssensors unhandlich groß und dieser
entsprechend schwer und unhandlich.
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In
der
DE 10 2004
010 757 A1 ist ein Gassensor zur Messung mindestens einer
Gaskonzentration durch Absorption infraroter Strahlung in einem Gas
bekannt. Dabei ist nur eine einzige elliptische Reflektionsfläche vorgesehen,
in deren Brennpunkten infrarot-Strahlungsquellen und –Detektoren
angeordnet sind. Durch eine derartige Ausbildung der Reflektionsfläche in einer
elliptischen Form wird der zwischen der Reflektionsfläche und
dem Substrat gebildete Messraum effektiv vergrößert. Konstruktionsbedingt
erlaubt eine derartige Reflektionsfläche pro Strahl nur eine einmalige
Reflektion an der Reflektionsfläche,
bevor dieser auf den Detektor gelangt. Eine hinreichend große Absorptionsstrecke
bei einer geringen Baugröße wird
daher nicht erzielt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu
schaffen, die es ermöglicht, einen
kompakten und effizienten Fluidkonzentrationsmesssensor bereitzustellen.
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Bei
einem Fluidkonzentrationsmesssensor der eingangs beschriebenen Art
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die mindestens eine Reflektionsfläche einen eine im wesentlichen spiralartige
Kurve beschreibenden Bereich aufweist.
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Ein
solcher Fluidkonzentrationsmesssensor mit mindestens einer Reflektionsfläche, die
in einer Querschnittsansicht einen eine im wesentlichen spiralartige
Kurve beschreibenden Bereich aufweist, ermöglicht eine Mehrzahl von Reflektionen
pro Strahl, bevor dieser auf den Detektor gelangt, so dass die Absorptionsstrecken
effektiv verlängert
werden, ohne die Bauform eines solchen Fluidkonzentrationsmesssensor
zu vergrößern. Damit
wird die Wahrscheinlichkeit erhöht,
dass Strahlung mit den in dem Messraum vorhandenen Liquidmolekülen/-atomen wechselwirkt.
Die Wechselwirkung hat eine Absorption in einem bestimmten Wellenlängenbereich
der emittierten Strahlung zur Folge, welche von dem Detektor detektiert
wird. Das von dem Detektor ausgehende Signal kann anschließend ausge wertet
und eine Konzentration des zu messenden Fluids kann bestimmt werden.
Durch die verlängerte
Absorptionsstrecke steigt im Mittel die Wechselwirkung zwischen
Strahlung und der zu detektierenden Moleküle/Atome an, so dass das Messignal
verbessert und zudem eine geringe Konzentration nachgewiesen wird.
Somit wird die Effektivität
des Fluidkonzentrationsmesssensors erhöht, da die Messgenauigkeit
zunimmt und der Messbereich insbesondere in Richtung geringer Konzentration
erweitert wird.
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Die
Geometrie der mindestens einen in der einen Querschnittsansicht
einen eine spiralartige Kurve beschreibenden Bereich aufweisenden
Reflektionsfläche
ermöglicht
erfindungsgemäß bereits eine
geringe Selbstabsorption der von der mindestens einen Strahlungsquelle
emittierten Strahlung durch die mindestens eine Strahlungsquelle.
Sie kann dahingehend weiter optimiert werden, dass die Strahlengänge bei
einer Reflektion an der mindestens einen Reflektionsfläche zumindest
nahezu vollständig
an der mindestens einen Strahlungsquelle vorbeigeführt werden,
was eine Selbstabsorption weiter verringert oder gar verhindert.
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Die
Anzahl der Windungen der in der einen Querschnittsansicht im wesentlichen
spiralartigen Kurve ist beliebig und kann auch nicht-ganze Windungszahlen
aufweisen. Als besonders effektiv auch im Hinblick auf die Abmessungen
hat sich eine spiralartige Geometrie herausgestellt, die im Wesentlichen nur
eine Windung aufweist.
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Weiterhin
ist die Größe, Position
und Ausgestaltung des mindestens einen Messraums, der mindestens
einen Strahlungsquelle und/oder des mindestens einen Detektors frei
wählbar,
wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen dieser und weiterer Bauteile,
Elemente und Vorrichtungen aus den Unteransprüchen ergeben.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die mindestens eine Reflektionsfläche als
mindestens ein kontinuierliches Reflektionsflächenelement und/oder als eine
Mehrzahl von einzelnen Reflektionsflächenelementen ausgebildet.
Bei einer kontinuierlich, bevorzugterweise einstückig ausgebildeten Reflektionsfläche wird
eine Dejustage, wie ein Verschieben oder Verdrehen mehrerer, einzelner
Reflektoren im Wesentlichen vermieden. Sofern notwendig, kann ein
oder können
mehrere Bereiche – unabhängig ob
dieser Bereich oder diese Bereich die im wesentlichen spiralartige
Kurve beschreiben – der
Reflektionsfläche
beispielsweise zur Optimierung der Reflektionswege mit zusätzlichen,
einzelnen Flächenelementen
ausgebildet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die mindestens eine Strahlungsquelle, vorzugsweise
zentral, innerhalb eines von der Reflektionsfläche umgebenen Bereichs angeordnet. Mittels
einer solchen Anordnung wird beispielsweise nahezu die gesamte von
der beispielsweise mindestens einen Strahlungsquelle emittierte
Strahlung an der Reflektionsfläche
reflektiert und gelangt schließlich
unter weitest gehender Vermeidung von Strahlungsverlusten zu dem
mindestens einen Detektor. Ferner ist es bei einer solchen Anordnung
ohne großen
Aufwand möglich,
eine Selbstabsorption durch ein optimiertes Ausbilden der erfindungsgemäßen Reflektionsfläche zu reduzieren
oder gar zu verhindern.
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Zur
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Detektor
im wesentlichen an einem nach außen auslaufenden Endbereich
der Reflektionsfläche
angeordnet. Eine Anordnung mindestens eines Detektors in einem derartigen,
nach außen
auslaufenden Endbereich der Reflektionsfläche erlaubt besonders einfach
eine nahezu vollständige Detektion
der von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgehenden und an
der Reflektionsfläche
reflektierten Strahlung. Zudem wird der Detektor vor der nicht-reflektierten,
also der direkt von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung abgeschirmt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die Reflektionsfläche in der einen Querschnittsansicht
einen im wesentlichen mindestens zwei parallel zueinander verlaufende
Geraden beschreibenden Bereich auf. Eine solche Weiterbildung, die
sich bevorzugt an dem nach außen
auslaufenden Arm einer in der Querschnittsansicht einen eine im
wesentlichen spiralartige Kurve beschreibenden Bereich aufweisenden
Reflektionsfläche
anschließt
oder eine solchen Arm zumindest teilweise ersetzt oder erweitert,
kann bevorzugt als ein die von der mindestens einen Strahlungsquelle
ausgehende und an der Reflektionsfläche reflektierte Strahlung leitender
Bereich dienen.
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Bevorzugt
ist die Erfindung derart ausgestaltet, dass der Endbereich von dem
in der einen Querschnittsansicht im wesentlichen mindestens zwei
parallel zueinander verlaufenden Geraden beschreibenden Bereich
gebildet ist. Durch eine derartige Ausbildung des Endbereichs kann
die emittierte, reflektierte und teilweise absorbierte Strahlung
effektiv auf den Detektor geleitet werden. Ein an einem derartig
ausgebildeten Endbereich angeordneter Detektor ist vor der nicht-reflektierten
Strahlung effektiv abgeschirmt. So kann verhindert werden, dass
zumindest ein Teil der nicht-reflektierten Strahlung – die eine
geringe Absorptionsstrecke aufweist – nicht auf den Detektor gelangt.
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Weiterhin
sind gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung mindestens zwei Strahlungsquellen nebeneinander
angeordnet. Dabei können
Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen angeordnet werden,
welche für
bestimmte, zu detektierende Fluide geeignet sind. Aber auch Strahlungsquellen
mit gleichen Wellenlängenbereichen
können
nebeneinander angeordnet werden, wobei dadurch die Gesamtintensität der Strahlung erhöht wird.
Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei Strahlungsquellen entlang
einer Symmetrieachse des Messraums bzw. der mindestens einen Reflektionsfläche nebeneinander
angeordnet.
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Zur
weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Detektoren
nebeneinander angeordnet. Entsprechend der verwendeten mindestens
einen Strahlungsquelle können
jeweils zu den Wellenbereichen der mindestens einen Strahlungsquelle
passende Detektoren verwendet werden. Somit können Konzentrationen von unterschiedlichen Fluiden
gemessen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Fluidkonzentrationsmesssensor ein, vorzugsweise
mehrteiliges Gehäuse
auf. Damit ist es möglich,
den Fluidkonzentrationsmesssensor gegen Einwirkungen von außen zu schützen und gleichzeitig
für Wartungen
beispielsweise an der mindestens einen Strahlungsquelle oder dem
mindestens einen Detektor zu öffnen
und wiederzuverschließen.
Das Gehäuse
besteht bevorzugt aus drei Elementen, nämlich einem Deckel-, einem
Mittel- und einem Bodenelement, so dass der Fluidkonzentrationsmesssensor
in einem kompakten Gehäuse
untergebracht werden kann.
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Weiterhin
bevorzugt bildet gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ein Teil des Gehäuses die mindestens einen Reflektionsfläche aus
und/oder umfasst die mindestens eine Reflektionsfläche. Damit
kann eine integrale Einheit zwischen dem die mindestens eine Strahlungsquelle
und/oder den mindestens einen Detektor aufweisenden Gehäuse und der
mindestens einen Reflektionsfläche
ausgebildet werden, womit die Notwendigkeit einer Justage der in dem
Fluidkonzentrationsmesssensor angeordneten Bauelemente weiter verringert
wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Gehäuse
mindestens einen mit dem Messraum in fluiführender Verbindung stehenden Fluidein- und/oder -auslass
auf. Über
den mindestens einen Ein- und/oder Auslass kann ein Fluid in den
Messraum einströmen
und/oder eindiffundieren, so dass dessen Konzentration detektiert
werden kann.
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Schließlich weist
das Gehäuse
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung mindestens eine Aufnahmerichtung für die mindestens eine Strahlungsquelle
und/oder mindestens eine Aufnahmeeinrichtung für den mindestens einen Detektor auf.
Somit ist es möglich,
die Position der mindestens einen Strahlungsquelle und/oder des
mindestens einen Detektors genau und permanent festzulegen. Zudem
kann bei Bedarf eine Auswechslung der mindestens einen Strahlungsquelle
und/oder des mindestens einen Detektors durchgeführt werden, ohne dass diese
anschließend
neu ausgerichtet werden müssen.
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Die
vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden
Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form,
Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen
Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten
Auswahlkriterien uneingeschränkt
Anwendung finden können.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung,
in der – beispielhaft – ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Fluidkonzentrationsmesssensors mit
einem möglichen
Strahlengang;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Fluidkonzentrationsmesssensors mit
abgehobenem Deckel;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Fluidkonzentrationsmesssensors mit
abgehobenem Deckel und
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4 eine
Draufsicht auf ein Boden-, Mittel-, und Deckelelement eines erfindungsgemäßen Fluidkonzentrationsmesssensors.
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Bei
der Ausführungsform
nach 1 umfasst der Fluidkonzentrationsmesssensor 100 ein Gehäuse 120,
eine Strahlungsquellenaufnahme 132 mit einer in dieser
angeordneten Strahlungsquelle 140, eine Detektoraufnahme 134 mit
einem in dieser angeordneten Detektor 180 sowie eine Reflektionsfläche 160 mit
einem in dieser Querschnittsansicht eine im Wesentlichen spiralartige
Kurve beschreibenden Bereich. Von der Reflektionsfläche sowie
von dem Gehäuse
eingeschlossen ist ein Messraum 162, in welchem das zu
detektierende Fluid einströmt
oder eindiffundiert. Ausgehend von der Strahlungsquelle 140,
welche beispielsweise eine Infrarot LED sein kann und welche in
diesem Fall infrarote Strahlung in Form von Kugelwellen emittiert – von denen
ein beliebiger, in der Querschnittsebene verlaufender Strahlengang 142 dargestellt
ist – wird
die emittierte Strahlung mehrfach an der Reflektionsfläche 160 reflektiert.
Durch eine derartige Mehrfachreflektion wird der effektive Absorptionsweg
in Bezug auf die Abmessungen des Fluidkonzentrationsmesssensors 100 um
ein Vielfaches vergrößert. Damit
steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil der emittierten Strahlung
auf ein zu detektierendes Fluidmolekül/-atom trifft und mit diesem
wechselwirkt. Ein solches Fluidmolekül/-atom kann beispielsweise
ein Kohlenmonoxidmolekül
eines zu detektierenden Kohlenmonoxidgases sein. Trifft zumindest
ein Teil der Strahlung auf ein solches Molekül und wechselwirkt diese mit
diesem, so wird ein bestimmter Wellenlängenbereich der Strahlung von
den zu detektierenden Atomen/Molekülen absorbiert. Eine solche Veränderung
im Wellenlängenbereich
kann von dem Detektor 180 detektiert und anschließend in
ein auswertbares Signal umgewandelt werden. Aus dem Ver hältnis der
von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung und der durch den
Detektor nachweisbaren Absorption kann eine Konzentrationsmessung von
beispielsweise einem Kohlenmonoxidgas durchgeführt werden.
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Durch
die Verlängerung
des Absorptionsweges können
auch geringe Mengen des zu messendes Fluids nachgewiesen werden.
Zudem ist die Messgenauigkeit und die Effektivität des Fluidkonzentrationsmesssensors 100 besonders
hoch. Außerdem
ist eine Justage bzw. Rekalibrierung der Reflektionsflächen zueinander
nicht notwendig, wenn – wie
in 1 dargestellt – die Reflektionsfläche im Wesentlichen
einstückig
ist. Um die Strahlung zu leiten, so dass diese möglichst vollständig auf
den mindestens einen Detektor 180 geleitet wird, ist in
der gezeigten bevorzugten Ausführungsform
in der dargestellten Querschnittsansicht ein im Wesentlichen zwei
parallel zueinander verlaufende Geraden beschreibender Bereich 190 vorhanden,
der sich im Wesentlichen an dem nach außen auslaufenden Arm der Spiral
anschließt.
Die Detektoraufnahme 134 ist mitsamt des Detektors 180 an
den nach außen
auslaufenden Endbereich 190 der Reflektionsfläche 160 angeordnet,
so dass die emittierte Strahlung nach der Reflexion an den Reflektionsflächen 160 auf
den Detektor gelangt.
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Die
Reflektion findet an den Reflektionsflächen 160 statt, ohne
dass eine brechende Optik eingesetzt werden müsste. Damit ist es möglich, auch den
Wellenlängenbereich,
der vom Glas oder anderen Materialien absorbiert wird, analytisch
zu nutzen.
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Wie
in der 1 dargestellt trifft der dargestellte Strahlengang 142 nicht
auf die Strahlungsquelle 140, so dass eine Selbstabsorption
weitgehend verhindert und andererseits nahezu die gesamte Strahlung
auf den Detektor geleitet werden. Eine solche Selbstabsorption kann
im Wesentlichen bereits dadurch verhindert werden, dass die Flächennormalen
der Reflektionsfläche 160 nicht
auf die Strahlungsquelle 140 gerichtet sind. Im einfachsten Fall
kann dies bereits durch eine bestimmte Position der Strahlungsquelle 140 erreicht
werden. Weitergehende Optimierungen in diese Richtung berücksichtigen
darüber
hinaus noch die Krümmung
der Reflektionsfläche 160.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Fluidkonzentrationsmesssensors 100.
Dieser Fluidkonzentrationsmesssensor 100 ist im Wesentlichen
dreiteilig und weist ein Bodenelement 122, ein Mittelelement 124 sowie
ein Deckelelement 126 auf. Das Mittelelement 124 bildet
auch die Reflektionsfläche 160,
die aus dem als eine massive Platte ausgelegten Mittelelement 124 herausgearbeitet
ist. Um eine hohe Reflektivität
der Reflektionsfläche 160 zu erreichen,
werden diese nach dem Herausarbeiten vorzugsweise vergütet. Als
Vergütung
kommen insbesondere das Goldsputter-Verfahren oder auch ein Polieren
der Oberflächen
in Betracht. Das Bodenelement 122, das Mittelelement 124 sowie
das Deckelelement 126 können
miteinander verbunden werden (wie beispielsweise mittels Verschrauben,
Verkleben, etc.) und bilden zusammen das Gehäuse 120.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des
Fluidkonzentrationsmesssensors in perspektivischer Ansicht dargestellt.
Hierbei wird das Gehäuse 120 wiederum
aus einem Bodenelement 122 sowie einem Deckelement 126 und
einem zwischen dem Bodenelement 122 und dem Deckelelement 126 angeordneten
Mittelelement 124 gebildet. Das Mittelelement 124 besteht
im Wesentlichen aus einer bezüglich
des Boden- und Deckelelements vertikal aufgestellten Fläche, welche
die Reflektionsfläche 160 bildet.
Die vertikal aufgestellte Fläche
kann auf beliebige Art und Weise mit dem Bodenelement 122 bzw. dem
Deckelelement 126 verbunden werden. Ein Verschrauben oder
Verkleben bietet sich dabei an.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf ein Bodenelement 122, ein Mittelelement 124 und
ein Deckelelement 126. Das Mittelelement 124 stellt
wiederum die Reflektionsfläche 160 bereit,
die beispielsweise aus dem Mittelelement 124 herausgearbeitet
werden kann. Bodenelement 122, Mittelelement 124 und
Deckelelement 126 weisen in der bevorzugten dargestellten
Ausführungsform
Bohrlöcher 136 für Befestigungsmittel,
wie beispielsweise Schrauben, auf, mit welchen das Bodenelement 122,
das Mittelelement 124 und das Deckelelement 126 beispielsweise
zusammengeschraubt werden können.
Des weiteren kann in dem Bodenelement 122 und/oder in dem
Deckelelement 126 ein Loch für einen oder mehrere Strahlungsquellen 140 vorgesehen
sein. Daneben sind im Deckelelement 126 Löcher für den Liquideinlass 128 bzw.
den Liquidauslass 130 angeordnet, so dass das zu detektierende
Fluid, wie beispielsweise ein Kohlenmonoxidgas, in den Messraum
ein strömen und/oder
eindiffundieren kann. Dieses wechselwirkt dann mit der emittierten
Strahlung, welche anschließend
detektiert wird. Auf diese Weise ist eine Fluidkonzentrationsmessung
möglich.
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- 100
- Fluidkonzentrationsmesssensor
- 120
- Gehäuse
- 122
- Bodenelement
- 124
- Mittelelement
- 126
- Deckelelement
- 128
- Liquideinlass
- 130
- Liquidauslass
- 132
- Strahlungquellenaufnahme
- 134
- Detektoraufnahme
- 136
- Bohrlöcher
- 140
- Strahlungsquelle
- 142
- Strahlengang
eines Strahls
- 160
- Reflektionsfläche
- 162
- Messraum
- 180
- Detektor
- 190
- auslaufender
Endbereich