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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen fotoakustischen
Gassensor, mit einer Lichtquelle zum Abgeben eines Lichtkegels,
einer Interaktionszone, in der ein Stoffgemisch strömen kann,
so dass eine in dem Stoffgemisch enthaltene, zu detektierende Zielsubstanz
den Lichtkegel in Abhängigkeit
von einer Konzentration der Zielsubstanz absorbiert, und einem Detektor
zum Erfassen der von der Konzentration abhängigen Absorption des Lichtkegels,
wobei die Interaktionszone von einem Lichttrichter begrenzt wird.
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Derartige
Sensoren sind beispielsweise in Form von fotoakustischen Sensoren
bekannt. Es wird bei bekannten fotoakustischen Sensoren ein gebündelter
Lichtstrahl, beispielsweise aus einer Glasfaser, auf die Interaktionszone
gerichtet, die sich in der Regel zwischen dem Zinken einer Stimmgabel befindet.
Das Licht ist so gewählt,
dass es von der Zielsubstanz besonders wirksam absorbiert wird.
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Die
Lichtquelle wird nun so moduliert, dass die Modulationsfrequenz
der Eigenfrequenz der Quarz-Stimmgabel entspricht. Wenn die Zielsubstanz
in einer bestimmten Konzentration vorhanden ist, so absorbiert sie
Lichtenergie, erwärmt
sich und dehnt sich in einem mikroskopischen Volumen aus. Sinkt
die Lichtintensität
danach wieder, kühlt
sich das Gas zwischen den Zinken der Stimmgabel ab und zieht sich
zusammen. Es kommt daher zu einer Ausbildung einer Druckwelle in
der Modulationsfrequenz der Lichtquelle. Diese periodischen Druckschwankungen
werden von dem Detektor erfasst, so dass die Konzentration der Zielsubstanz
ermittelt werden kann.
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Weiter
ist insbesondere der Einsatz von preisgünstigen Leuchtdioden (LED)
als Strahlquelle wegen der eingeschränkten Möglichkeiten der Lichtfokussierung
nach Stand der Technik nicht möglich.
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Aus
der
DE 10 2006
048 839 A1 und der
DE 196 47 632 C1 sind fotoakustische Sensorvorrichtungen
bekannt, bei denen Licht der Lichtquelle durch einen Parabolspiegel
auf die Messzelle fokussiert wird. Das zu vermessende Gas strömt dabei
durch den Parabolspiegel. Nachteilig ist hieran, dass das zu untersuchende
Gas in den Parabolspiegel geleitet werden muss, was aufwändig ist.
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Aus
der
US 4,740,086 ist
ein fotoakustischer Sensor bekannt, bei dem ein Lichttrichter zum
Bündeln
des Lichts außerhalb
der Interaktionszone mit dem Gas angeordnet ist. Nachteilig ist
hier, das kleine Interaktionsvolumen.
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Aus
der
DE 100 51 691
A1 ist ein Zweikammer-Rauchdetektor bekannt, bei dem Licht
der Lichtquelle von einem Trichter geleitet wird. Nachteilig ist auch
hier, dass das zu untersuchende Gas aufwändig in den Trichter geleitet
werden muss.
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Aus
der
US 740,374 ist ein
Gasdetektor bekannt, bei dem zwei Lichtstrahlen auf Thermoelemente
geleitet werden, wobei einer der Lichtstrahlen durch eine zu untersuchende
Probe geschickt wird. Enthält
die Probe das zu detektierende Gas, so entsteht ein elektrischer
Strom, der das Substrat, auf dem die Thermoelemente befestigt sind,
in einem von außen
angelegten Magnetfeld dreht. Nachteilig hieran ist der komplexe
Aufbau.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor anzugeben, der
besonders leicht zu fertigen und mit dem zu untersuchenden Gas in
Kontakt zu bringen ist.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch einen gattungsgemäßen Sensor, bei dem der Lichttrichter ein
Vollkörper
ist, der die Interaktionszone nach innen begrenzt.
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Vorteilhaft
an dem erfindungsgemäßen Sensor
ist, dass er einfach herstellbar ist. So können Lichttrichter in Massenverfahren
hergestellt werden, was sie entsprechend kostengünstig macht.
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Es
ist ein weiterer wesentlicher Vorteil, dass durch die Licht bündelnde
Wirkung des Lichttrichters eine Leuchtdiode als Lichtquelle ausreichend
ist. Derartige Leuchtdioden haben zwar eine bevorzugte Abstrahlrichtung,
der Strahl ist aber zur Verwendung in herkömmlichen fotoakustischen Sensoren
zu divergent und muss bei Sensoren nach dem Stand der Technik beispielsweise
durch ein Linsensystem fokussiert werden. Das erhöht den Fertigungsaufwand, andererseits
lassen sich die notwendigen Fokusdurchmesser praktisch nur unzulänglich erreichen. Das
wird durch die Erfindung vermieden.
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Es
ist ein weiterer Vorteil, dass dadurch, dass die Interaktionszone
von dem Lichttrichter begrenzt wird, ein im Vergleich zu herkömmlichen
fotoakustischen Sensoren großes
Volumen bzw. eine große
Fläche
für die
Interaktion zwischen dem Stoffgemisch und dem Lichtkegel zur Verfügung steht.
Die Größe der Interaktionszone
führt dazu,
dass beispielsweise Gas mit geringem Aufwand in die Interaktionszone
gebracht werden kann. Der Gasstrom hängt nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille
in vierter Potenz vom Radius der entsprechenden Zuleitung ab. Durch
die Größe der Interaktionszone
sinkt die Druckdifferenz, die notwendig ist, um einen vorgegebenen
Gasstrom durch die Interaktionszone zu leiten.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass das Licht von der Lichtquelle auf seinem Weg zum
Detektor in aller Regel zumindest einmal an einer Grenzfläche des
Lichttrichters reflektiert wird. Es ist damit möglich, die Begrenzungsfläche des
Lichttrichters so auszubilden, dass sie ihre Licht reflektierenden
Eigenschaft in Abhängigkeit
von der Konzentration der Zielsubstanz ändert. Auf diese Weise kann
ein weiterer physikalischer Effekt für die Detektion der Zielsubstanz
verwendet werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Lichtquelle
insbesondere eine Festkörper-Lichtquelle
verstanden. Es kann sich dabei um eine Halbleiterdiode handeln.
Denkbar ist zudem, als Lichtquelle eine organische Leuchtdiode (OLED) zu
wählen,
die auf eine Stirnfläche
des Lichttrichters aufgebracht wird. So ergibt sich eine besonders
kompakte und robuste Bauweise.
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Unter
einem Lichttrichter wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden,
die so gestaltet ist, dass ein divergenter Lichtstrahl durch geometrische
Abbildung auf einen Fokusbereich gebündelt wird. Es ist aber nicht
notwendig, dass es sich um einen Fokus im engen Sinne handelt, in
dem sich alle Teil-Lichtstrahl vereinigen. Maßgeblich ist lediglich, dass
im Wesentlichen alle, also beispielsweise 90%, der Teil-Lichtstrahlen, die
von der Lichtquelle ausgehen, durch den Fokusbereich laufen, wenn
diese Lichtstrahlen die Lichtquelle unter einem Winkel zu einer Hauptstrahlrichtung
verlassen, der kleiner ist als ein vorgegebener Wert. Dieser Wert
kann beispielsweise 15° betragen.
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Insbesondere
werden unter einem derartigen Lichttrichter Winston Cones verstanden,
die beispielsweise die Form eines Off-axis-Rotationsparaboloids
haben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Stoffgemisch ein Gasgemisch. Eine Hauptanwendung ist, dass
das Gasgemisch Luft ist und die Zielsubstanz ein Schadgas, beispielsweise
Ozon, ein Stickoxid, Schwefeldioxid oder Ähnliches. Es ist aber auch
möglich,
dass die Zielsubstanz als Aerosol oder als Rauchpartikel vorliegt.
Eine besonders vorteilhafte Wirkung hat der erfindungsgemäße Sensor,
wenn die Zielsubstanz ein Gefahrstoff ist, beispielsweise ein chemischer
Gefahrstoff oder ein Sprengstoff. Dadurch, dass die Interaktionszone
von dem Lichttrichter begrenzt wird, ist die Nachweisquelle für die Zielsubstanz
besonders gering und auch kleinste Mengen der Zielsubstanz, beispielsweise
von CO2, können nachgewiesen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der Sensor ein fotoakustischer Sensor. In anderen Worten umfasst
der Detektor dann ein schwingungsfähiges Element und die Lichtquelle
ist eingerichtet zum Abgeben eines mit einer Pulsfrequenz gepulsten
Lichtkegels, wobei die Pulsfrequenz auf eine Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Elements
abgestimmt ist. Bei dem schwingungsfähigen Element handelt es sich
beispielsweise um eine Quarz-Gabel, die eine besonders hohe mechanische
Güte hat
und daher besonders wenig gedämpft
ist und gleichzeitig eine Piezospannung erzeugt, die in eine Kennzahl gewandelt
wird.
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Bevorzugt
ist der Lichttrichter angeordnet zum Bündeln des Lichts auf einen
Fokusbereich neben dem schwingungsfähigen Element, so dass es zum
Schwingen anregbar ist. Der Detektor ist dann ein fotoakustischer
Sensor, bei dem sich beispielsweise ein Gas wie umgebende Luft neben
dem schwingungsfähigen
Element periodisch erwärmt und
abkühlt,
dadurch in Schwingung gerät,
so dass das schwingungsfähige
Element angeregt und ein Messsignal produziert werden kann.
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Es
ist aber auch möglich,
dass der Detektor die Lichtstärke
direkt misst, beispielsweise indem er ein Halbleiterdetektor ist.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ist
der Lichttrichter angeordnet zum Bündeln des Lichts auf einen
Fokusbereich auf dem schwingungsfähigen Element, so dass das
schwingungsfähige Element
durch Lichtdruck zum Schwingen anregbar ist. Bei dem Lichtdruck
handelt es sich um ein Phänomen,
wonach die Photonen des Lichts einen Impuls übertragen. Wenn das Photon
vom schwingungsfähigen
Element absorbiert oder reflektiert wird, wird dieser Impuls auf
das schwingungsfähige
Element übertragen
und zur Schwingung angeregt. Dieser Effekt ist außerordentlich
klein, es ist aber möglich,
schwingungsfähige
Elemente herzustellen, die eine so hohe Güte aufweisen, dass Schwankungen
des Lichtdrucks zum Schwingen des Elements führen.
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Bevorzugt
ist die Lichtquelle eine Leuchtdiode, die benachbart zur Interaktionszone
angeordnet ist. Beispielsweise ist die Leuchtdiode mit dem Lichttrichter
fest verbunden, so dass der Sensor gegen Vibrationen stabil ist.
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Der
Lichttrichter ist als Vollkörper
ausgebildet, der die Interaktionszone nach innen begrenzt. Die Interaktionszone
ist die Oberfläche
des Lichttrichters.
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Bevorzugt
ist der Lichttrichter als ein Vollkörper ausgebildet, der aus einem
Material aufgebaut ist, das für
Licht des Lichtkegels transparent ist, wobei der Vollkörper so
geformt und relativ zur Lichtquelle angeordnet ist, dass der Lichtkegel
durch Totalreflexion im Lichttrichter gefangen ist. Hierunter ist zu
verstehen, dass die bündelnde
Wirkung des Lichttrichters auf Totalreflexion der Lichtstrahlen
beruht. Selbstverständlich
ist nur notwendig, dass das Material, aus dem der Lichttrichter
aufgebaut ist, für
Licht derjenigen Wellenlänge
transparent ist, die für
die Detektion der Zielsubstanz notwendig ist. Beispielsweise ist
das Material so gewählt,
dass die Absorptionsverluste kleiner sind als 10%.
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Eine
besonders hohe Empfindlichkeit ergibt sich, wenn der Lichttrichter
auf seiner Außenfläche eine
Beschichtung aufweist, die so ausgebildet ist, dass eine sich ändernde
Konzentration der Zielsubstanz mit dem evaneszenten Anteil des Lichtkegels verändert und
sich dadurch die Transmission des Lichtkegels ändert. Beispielsweise kann
die Beschichtung einen Stoff enthalten, der mit der Zielsubstanz
unter einer Verschiebung der Absorptionslinie wechselwirkt. Das
sei an dem Beispiel erläutert,
dass der Sensor ein TNT-Sensor ist, der TNT (Trinitrotoluol) in
der Luft nachweist. Im Normalfall ist die Luft in sehr guter Näherung vollständig TNT-frei.
Wird ein TNT-haltiges
Objekt in die Nähe
des Gassensors gebracht, so erhöht
sich die Konzentration an TNT dramatisch, wenngleich auf ein sehr
niedriges Niveau. Gelangt das TNT in Kontakt mit der Beschichtung,
so findet eine chemische Reaktion statt und es bildet sich ein Molekül, das bei
der Lichtwellenlänge
der Lichtquelle sehr stark absorbiert. Von dem Detektor wird dann
eine deutliche Abschwächung
der Lichtintensität
detektiert und es kann Alarm geschlagen werden.
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Es
hat sich herausgestellt, dass eine besonders effiziente Wechselwirkung
erreicht wird, wenn die Beschichtung überwiegend aus Nanostrukturen besteht
und/oder eine Nanostruktur umfasst. Hierunter ist insbesondere zu
verstehen, dass die Beschichtung zumindest 10 Gew.-% an Partikeln
mit einer Partikelgröße von unter
700 nm aufweist, wobei die Partikelgröße gemäß dem entsprechenden DIN-Verfahren
gemessen wird. Unter einer Nanostruktur wird eine Struktur verstanden,
die in zumindest einer, bevorzugt aber in zwei Dimensionen Abmessungen
von unter 1 μm
hat. Die Länge
kann deutlich mehr als 1 μm
betragen. Die Nanostrukturen können
ihrerseits beschichtet sein.
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Bevorzugt
ist die Beschichtung ein Molekülfilm,
insbesondere ein Molekülfilm
mit einer für
den Analyten zielsubstanzspezifischen Oberfläche.
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Ein
erfindungsgemäßes Sensorsystem
wird erhalten, wenn der mindestens eine Sensor mit einer elektrischen
Erfassungseinheit verbunden wird, die eingerichtet ist zum Erfassen
von Messdaten von dem mindestens einem Sensor, zum Vergleichen der Messdaten
mit vorgegebenen Solldaten und zum Ausgeben eines Signals, wenn
die Messdaten von den vorgegebenen Solldaten abweichen.
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Die
Lichtquelle kann monochromatisch sein oder eine Vielzahl von Frequenzen
umfassen. In letzterem Fall kann der Detektor eingerichtet sein
zum frequenzselektiven Messen der von der Konzentration abhängigen Absorption
von Licht des Lichtkegels.
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Die
Lichtquelle ist insbesondere eine Infrarot-Lichtquelle, insbesondere
mit einer Wellenlänge von
mehr als 2 μm,
insbesondere höchstens
10 μm.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem
erfindungsgemäßen Sensor
und
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensorsystems
mit einem erfindungsgemäßen Sensor.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sensor 10 in
Form eines Gassensors für
Ozon oder Rauchgase. Der Sensor 10 umfasst eine Lichtquelle 12 in
Form einer LED, eine Interaktionszone 14, die bei Betrieb
des Sensors 10 von Licht erfüllt ist und durch einen Lichttrichter 15 nach
außen
begrenzt ist, und einen Detektor 16 in Form eines Halbleiter-Fotodetektors.
Die Lichtquelle 10 gibt einen Lichtkegel 18 ab,
der als eine Vielzahl von Teil-Lichtstrahlen 20.1, 20.2,
... gedacht werden kann, die in einen Winkel um eine Hauptstrahlrichtung
F abgegeben werden. Die Teil-Lichtstrahlen 20.1, 20.2 werden
an einer Innenfläche 22 reflektiert,
so dass sie in einem Fokusbereich 24 dicht benachbart zueinander
verlaufen. Der Lichttrichter 15 ist als Winston Cone ausgebildet (Off-Axis
Rotationsparaboloid).
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Über einen
Einlass 26 und einen Auslass 28 kann ein Stoffgemisch 30 in
Form eines Gases in die Interaktionszone 14 einströmen bzw.
ausströmen. Die
Lichtquelle 12 strahlt Licht mit einer Wellenlänge ab,
die auf eine Absorptionslinie einer Zielsubstanz abgestimmt ist,
die möglicherweise
in dem Stoffgemisch 30 enthalten sein kann. Ist dies der
Fall, so ergibt sich im Fokusbereich 24 eine geringere
Lichtintensität,
die vom Detektor 16 erfasst wird.
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Der
Detektor 16 ist mit einer Erfassungseinheit 32 verbunden,
die den vom Detektor 16 gelieferten Messwert mit vorgegebenen
Solldaten vergleicht und einen Alarm ausgibt, wenn die Messdaten
von den vorgegebenen Solldaten abweichen.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors 10,
bei der der Lichttrichter 15 durch einen Vollkörper aus
transparentem Material gebildet ist. Beispielsweise ist das Material
Polymethylmethacrylat. Die Lichtquelle 12 ist fest mit
dem Lichttrichter 15 verbunden und die Teillichtstrahlen 20.1, 20.2 werden
durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Lichttrichter 15 und
der umgebenden Luft total reflektiert und auf den Fokusbereich 24 außerhalb
des Lichttrichters 15 gebündelt.
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Auf
seiner äußeren Oberfläche 34 besitzt
der Lichttrichter 15 eine Beschichtung 36 (eventuell
nanostrukturiert), die in der Vergrößerung schematisch gezeigt
ist. Diese Beschichtung enthält
eine chemische Substanz, die mit der Zielsubstanz reagiert. Das Stoffgemisch 30 umspült den Lichttrichter 15.
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Unmittelbar
jenseits der Oberfläche 34 bildet sich
ein evaneszentes Lichtfeld 38. Die Zone, in der dieses
evaneszente Lichtfeld 38 eine signifikante Stärke hat,
stellt bei dieser Ausführungsform
die Interaktionszone 14 dar.
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Ist
in dem Stoffgemisch 30 die Zielsubstanz enthalten, so agiert
diese mit der Beschichtung 36 und die Absorption im evaneszenten
Feld 38 an der Oberfläche 34 ändert sich,
was vom Detektor 16 erfasst wird.
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Es
ist möglich,
dass die Lichtquelle 12 zwei Teil-Lichtquellen aufweist,
die bei unterschiedlichen Frequenzen f1,
f2 Licht abgeben. Die beiden Frequenzen
f1, f2 können dann
so gewählt
werden, dass eine Reaktion der Zielsubstanz mit der Beschichtung 36 die
Absorption des Lichts der einen Frequenz f1 vergrößert und
die der anderen Wellenlänge
f2 vermindert. Werden die Teil-Lichtquellen
dann gegenphasig betrieben, so kann aus dem vom Detektor 16 generierten
Signal anhand der unterschiedlichen Maxima besonders präzise auf
das Vorhandensein der Zielsubstanz geschlossen werden.
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- 10
- Sensor
- 12
- Lichtquelle
- 14
- Interaktionszone
- 15
- Lichttrichter
- 16
- Detektor
- 18
- Lichtkegel
- 20
- Teil-Lichtstrahl
- 22
- Innenfläche
- 24
- Fokusbereich
- 26
- Einlass
- 28
- Auslass
- 30
- Stoffgemisch
- 32
- Erfassungseinheit
- 34
- Oberfläche
- 36
- Beschichtung
- 38
- evaneszentes
Lichtfeld
- f
- Pulsfrequenz
- f1,2
- Lichtfrequenz
- R
- Hauptstrahlrichtung