DE102008059390B3 - Sensor - Google Patents

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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer Lichtquelle (12) zum Abgeben eines Lichtkegels (18), einer Interaktionszone (14), in der ein Stoffgemisch (30) strömen kann, so dass eine in dem Stoffgemisch enthaltene, zu detektierende Zielsubstanz Licht des Lichtkegels (18) in Abhängigkeit von einer Konzentration der Zielsubstanz absorbiert, und einem Detektor (16) zum Erfassen der von der Konzentration abhängigen Absorption des Lichtkegels (18). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Interaktionszone (14) von einem Lichttrichter (15) begrenzt wird.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weiter ist insbesondere der Einsatz von preisgünstigen Leuchtdioden (LED) als Strahlquelle wegen der eingeschränkten Möglichkeiten der Lichtfokussierung nach Stand der Technik nicht möglich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Sensor, bei dem der Lichttrichter ein Vollkörper ist, der die Interaktionszone nach innen begrenzt.
  • Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Sensor ist, dass er einfach herstellbar ist. So können Lichttrichter in Massenverfahren hergestellt werden, was sie entsprechend kostengünstig macht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Insbesondere werden unter einem derartigen Lichttrichter Winston Cones verstanden, die beispielsweise die Form eines Off-axis-Rotationsparaboloids haben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist aber auch möglich, dass der Detektor die Lichtstärke direkt misst, beispielsweise indem er ein Halbleiterdetektor ist.
  • 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.
  • 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.
  • Der Lichttrichter ist als Vollkörper ausgebildet, der die Interaktionszone nach innen begrenzt. Die Interaktionszone ist die Oberfläche des Lichttrichters.
  • 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%.
  • 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.
  • 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.
  • Bevorzugt ist die Beschichtung ein Molekülfilm, insbesondere ein Molekülfilm mit einer für den Analyten zielsubstanzspezifischen Oberfläche.
  • 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.
  • 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.
  • Die Lichtquelle ist insbesondere eine Infrarot-Lichtquelle, insbesondere mit einer Wellenlänge von mehr als 2 μm, insbesondere höchstens 10 μm.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem erfindungsgemäßen Sensor und
  • 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem erfindungsgemäßen Sensor.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (10)

  1. Sensor mit (a) einer Lichtquelle (12) zum Abgeben eines Lichtkegels (18), (b) einer Interaktionszone (14), in der ein Stoffgemisch (30) strömen kann, so dass eine in dem Stoffgemisch enthaltene, zu detektierende Zielsubstanz Licht des Lichtkegels (18) in Abhängigkeit von einer Konzentration der Zielsubstanz absorbiert, und (c) einem Detektor (16) zum Erfassen der von der Konzentration abhängigen Absorption des Lichtkegels (18), (d) wobei die Interaktionszone (14) von einem Lichttrichter (15) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass (e) der Lichttrichter (15) ein Vollkörper ist, der die Interaktionszone (14) nach innen begrenzt.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Stoffgemisch ein Gasgemisch und die Zielsubstanz ein Gas oder Gasgemisch ist.
  3. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Detektor (16) ein schwingungsfähiges Element umfasst und – die Lichtquelle eingerichtet ist zum Abgeben eines mit einer Pulsfrequenz (f) gepulsten Lichtkegels (18), – wobei die Pulsfrequenz (f) auf eine Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Elements abgestimmt ist.
  4. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) eine Leuchtdiode umfasst, die benachbart zur Interaktionszone (14) angeordnet ist.
  5. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollkörper – aus einem Material aufgebaut ist, das für Licht des Lichtkegels transparent ist und – so geformt und relativ zur Lichtquelle (12) angeordnet ist, dass der Lichtkegel (18) durch Totalreflexion im Lichttrichter (15) gefangen ist.
  6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Lichttrichter (15) auf einer Außenfläche (34) eine Beschichtung (36) aufweist, – wobei die Beschichtung (36) so ausgebildet ist, dass eine sich ändernde Konzentration der Zielsubstanz ein evaneszentes Lichtfeld des Lichtkegels verändert und sich die Absorption und/oder Transmission des Lichtkegels ändert.
  7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (36) überwiegend aus Nanopartikeln besteht und/oder nanostrukturiert ist.
  8. Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (36) für die Zielsubstanz spezifisch ist.
  9. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Molekülfilm ist.
  10. Sensorsystem mit (a) mindestens einem Sensor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und (b) einer elektrischen Erfassungseinheit (32), die eingerichtet ist zum – Erfassen von Messdaten des mindestens einen Sensors (10), – Vergleichen der Messdaten mit vorgegebenen Solldaten und – Ausgeben eines Signals, wenn die Messdaten von den vorgegebenen Solldaten abweichen.
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