DE102009010541A1

DE102009010541A1 - Sonde für die Infrarot-Spektroskopie

Info

Publication number: DE102009010541A1
Application number: DE102009010541A
Authority: DE
Inventors: Willi Hempelmann
Original assignee: MMT MICRO MECHATRONIC TECHNOLO; MMT MICRO MECHATRONIC TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: MMT MICRO MECHATRONIC TECHNOLO; MMT MICRO MECHATRONIC TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonde für die optische, insbesondere für die Infrarot-Spektroskopie, umfassend ein optisches Element (3) mit einer Anlagefläche (3.1) auf dem Außenumfang, an der eine Schicht (4) aus elastischem und/oder verformbarem Material vorgesehen ist, wobei das optische Element (3) durch eine radiale Anpresseinrichtung (5) quer zur Achse des Sondenkopfes (1) an diesem gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde für die optische Spektroskopie, die insbesondere für die Infrarot-Spektroskopie geeignet ist.
Aus DE 10 2007 013 607 ist eine Messvorrichtung für die optische Spektroskopie, insbesondere für die Infrarot-Spektroskopie bekannt, bei der am Ende eines stabförmigen Sensors eine giebelförmige Diamantspitze angeordnet ist, durch die längs des Sensorstabs eingeleitete Infrarotstrahlung an den in einem Winkel zueinander liegenden Flächen der Sondenspitze abgeschwächt totalreflektiert wird, wobei die abgeschwächt totalreflektierte Strahlung die für die Auswertung erforderlichen Messergebnisse liefert. Bei einer solchen Messvorrichtung wird die giebelförmige Diamantspitze durch Löten auf dem Sensorstab befestigt, der üblicherweise aus einem anderen Material als die Diamantspitze besteht, wobei die Montage wegen der geringen Abmessungen der Diamantspitze ein sorgfältiges Arbeiten verlangt und sehr zeitaufwändig ist.
Weiterhin ist aus WO 2007/051445 eine temperaturfeste IR-Messsonde mit einem Diamantprisma am Ende eines Beleuchtungs- und eines Detektionslichtleiters bekannt, wobei deren Enden in einem Sondenkopfgehäuse positioniert sind, auf dem das Diamantprisma als optisches Element aufgesetzt ist, gegen dessen Lichteinfallsfläche die Endflächen des Beleuchtungs- und des Detektionslichtleiters mit einer gewissen Vorspannung angepresst werden. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Befestigung des Diamantprismas auf der Stirnfläche des Sondenkopfgehäuses aufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausgestaltung der Sonde vorzusehen, die eine schnelle und zuverlässige Montage auf dem Sondenkopf ermöglicht.
Dies wird durch einen Aufbau der Sonde nach Anspruch 1 erreicht, wobei durch den radialen Klemmsitz des optischen Elementes eine schnelle und einfache Montage einerseits und ein zuverlässiger Sitz andererseits erreicht wird.
Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch den Sondenkopf,
2 eine perspektivische Ansicht des Sondenkopfes nach 1,
3 + 4 Ansichten entsprechend 1 und 2 mit einer anderen Anordnung des optischen Elementes,
5 + 6 entsprechend den Ansichten in 1 und 2 eine Anordnung mit Abdeckung des optischen Elementes,
7 + 8 in entsprechenden Ansichten ein Berührungsschutz bei der Anordnung nach 3 und 4, und
9 schematisch eine weitere Ausführungsform.
In 1 ist mit 1 ein etwa rohrförmiger Sondenkopf bezeichnet, durch dessen Hohlraum sich ein Beleuchtungslichtleiter 2a und ein Detektionslichtleiter 2b erstrecken, an deren freien Enden ein optisches Element 3 angeordnet ist, durch dessen Schrägflächen Licht- bzw. Infrarotstrahlung reflektiert wird, das bzw. die durch den Detektionslichtleiter 2b zurück zu einem nicht dargestellten Detektor geleitet wird. Das optische Element 3 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines Kegels und es ist auf dem Umfang mit einer ringförmigen Anlagefläche 3.1 versehen. An dieser radialen Anlagefläche 3.1 liegt ein Ring 4 aus einem elastischen oder verformbaren Material, vorzugsweise Teflon, an, durch den Ungleichmäßigkeiten auf der Anlagefläche 3.1 ausgeglichen werden, wenn in radialer Richtung eine Klemmkraft zur Halterung des optischen Elementes angreift. Das vordere Ende des Sondenkopfes 1 ist mit einem Ringansatz 1.1 bzw. mit einer diesen Ringansatz 1.1 bildenden Vertiefung versehen. Dieser Ringansatz 1.1 ist in radialer Richtung etwas elastisch verformbar. Auf dem Außenumfang des Ringansatzes 1.1 ist ein Anpressring 5 mit einem leicht konischen Innenumfang angeordnet, der beim Aufschieben in Achsrichtung den Ringansatz 1.1 des Sondenkopfes 1 gegen den Teflonring 4 drückt und damit diesen auf der radialen Anlagefläche 3.1 des optischen Elementes 3 verpresst.
Das optische Element 3 ist vorzugsweise ein Si-Kristall oder ein Diamant, der einen Durchmesser von beispielsweise 2,4 mm haben kann. Das optische Element 3 kann auch die Form eines Prismas haben, wobei die radiale Anlagefläche 3.1 ringförmig oder auch durch gegenüberliegende gerade Flächen eines Rechtecks oder Quadrats ausgebildet sein kann, gegen die eine Zwischenlage 4 aus elastischem oder verformbaren Material mit entsprechenden geraden Flächen eines dem Anpressring 5 entsprechenden Elementes angepresst wird.
Das optische Element 3 kann auch eine andere Formgebung haben, um als Strahlungsführungskörper die erwünschte Umlenkung und abgeschwächte Totalreflexion der eingeleiteten Strahlung zu erhalten. So kann z. B. ein Strahlungsführungskörper 3 mit einer kreisscheibenförmigen Grundform und zwei planparallelen Stirnflächen vorgesehen sein, an dessen Mantelfläche geneigte, Planare Facetten ausgebildet sind, die sich zwischen den beiden Stirnflächen erstrecken.
Anstelle von Teflon für den Ring 4 kann auch Gold oder ein anderes mit dem zu messenden Medium kompatibles, weiches Material verwendet werden, das beim radialen Verpressen Ungenauigkeiten auf dem Umfang des optischen Elementes 3 ausgleicht und Spannungsspitzen verhindert.
Es ist auch möglich, auf dem Umfang des optischen Elementes 3 anstelle eines gesonderten Ringes 4 eine Beschichtung auf die Anlagefläche 3.1 aufzubringen, die aus einem elastischen und/oder verformbaren Material wie z. B. Gold besteht, sodass kein gesonderter Ring als Zwischenlage 4 erforderlich ist, gegen den die Verpressung ausgehend von dem Anpressring 5 wirkt.
Anstelle der Anordnung des kegelförmigen optischen Elementes 3 mit nach außen gerichteter Spitze kann das optische Element auch so am Sondenkopf positioniert werden, dass die kegelförmige Spitze nach innen gerichtet ist, während die plane Fläche des Kegels außen liegt, wie dies 3 und 4 zeigen. Eine solche Anordnung des optischen Elementes eignet sich insbesondere für die Messung von beispielsweise pulverförmigem Material, gegen das der Sondenkopf 1 gepresst wird. Auch kann diese Anordnung des optischen Elementes für andere Messanordnungen von Vorteil sein.
9 zeigt schematisch einen Sondenkopf 1, bei dem als optisches Element ein etwa scheibenförmiges Transmissionselement 3' eingesetzt ist, das als ein leicht keilförmiges Fenster aus infrarottransparentem Material wie z. B. Diamant, Silizium oder ZnSe ausgebildet ist. Dieses Transmissionselement 3' schließt das Sondenrohr 1 ab und lässt gleichzeitig die aus dem Beleuchtungslichtleiter austretende Strahlung und von einem externen Probenkörper reflektierte Strahlung hindurch treten. Dieses Fenster 3' ist bevorzugt keilförmig, damit keine störenden spektralen Artefakte (Interferenzen) im Messsignal (IR-Spektrum) auftreten.
In 9 ist die Zwischenlage 4 aus weichem Material mit einem etwa quadratischen Querschnitt schematisch wiedergegeben. In der Praxis kann ein dünnwandiger Ring als Zwischenlage 4 eingesetzt werden, der beispielsweise nur einige Zehntel mm dick ist. Beispielsweise kann ein 2/10 mm dicker Teflonring 4 Verwendung finden. Diese dünne Wandstärke der Zwischenlage 4 ist ausreichend, um beim Verpressen Spannungsspitzen am optischen Element 3 zu vermeiden.
Durch das radiale Verpressen des weichen Materials der Zwischenlage 4 wird zugleich eine Dichtwirkung zwischen optischem Element 3 und Sondenkopf 1 erreicht, auf den die Spannfunktion zur Halterung durch den Anpressring 5 oder eine entsprechende Anpresseinrichtung ausgeübt wird. Der plastisch verformbare Bereich 1.1 des Sondenkopfes 1 kann beim radialen Verpressen in der Größenordnung von 1 bis 2/10 mm verformt werden.
Insgesamt ergibt sich ein etwa dreischichtiger Aufbau aus der weichen Zwischenlage 4, die direkt auf dem optischen Element 3 aufliegt, dem plastisch verformbaren Bereich 1.1 des Sondenkopfes und dem Anpresselement 5, dessen Geometrie an die zu erzeugenden Kräfte angepasst ist.
Als Anpresseinrichtung kann auch ein Schrumpfring vorgesehen werden, der bei einer vorgegebenen Temperatur aufgesetzt wird und sich nach dem Abkühlen mit einer definierten Radialkraft an der Zwischenlage 4 anlegt. Es ist auch möglich, ein Memory-Material für den Anpressring 5 zu verwenden, das sich bei einer vorgegebenen Temperatur zusammenzieht und die radiale Verpressung bewirkt.
Bei einer derartigen Ausgestaltung mit einer temperaturabhängigen Anpresseinrichtung ist es auch möglich, den Sondenkopf 1 selbst aus einem solchen Material zu fertigen, das bei einer vorgegebenen Temperaturänderung die radiale Verpressung der Zwischenlage 4 am optischen Element 3 ergibt.
Durch den beschriebenen Aufbau ergibt sich eine zuverlässige Halterung des optischen Elementes 3 auch bei Temperaturwechsel aufgrund der radialen Vorspannung, mit der das optische Element im Sondenkopf 1 gehalten wird. Zudem ist eine exakte Positionierung am Sondenkopf 1 relativ zum Lichtleiter 2a, 2b dadurch möglich, dass eine plane Auflagefläche für das optische Element 3 innerhalb des Ringansatzes 1.1 vorgesehen werden kann. Die Lichtleiter 2a, 2b werden in den Figuren von unten in dem Sondenkopf 1 eingeschoben.
5 bis 8 zeigen einen am Sondenkopf 1 angebrachten Berührungsschutz in Form von zwei sich diametral gegenüberliegenden, gekrümmten Wandabschnitten 6, zwischen denen das zu messende Medium hindurchströmen kann und die das optische Element 3 vor Berührung bei der Handhabung des Sondenkopfes schützen. Dieser Berührungsschutz 6 kann beispielsweise in den Sondenkopf 1 eingeschraubt oder in anderer Weise an diesem befestigt sein.
In 1 ist mit 7 ein Teflonring bezeichnet, der als Füll- oder Dichtring zwischen dem Sondenkopf 1 und dem Anpressring 5 dient, damit kein Medium in diesen Bereich eindringen kann.
Mit 8 ist am außen liegenden Ende des Sondenkopfes 1 ein im Durchmesser vergrößerter Hohlraum bezeichnet, in den ein Schutzrohr eingeschoben werden kann, das ein Abknicken des Lichtleiters 2a, 2b verhindert.
Mit 10 ist in 2 eine Schlüsselfläche zum Ansetzen eines Werkzeugs bezeichnet, das zum Aufschrauben eines nicht dargestellten Schutzrohres auf das Gewinde 9 am Sondenkopf 1 (1) dient.
Es sind verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Bauweise möglich. So kann beispielsweise der Ringansatz 1.1 am Sondenkopf 1 über den Umfang verteilt mit Schlitzen versehen sein, damit die Elemente des Ringansatzes 1.1 durch den Anpressring 5 leichter radial an der Zwischenlage 4 angepresst werden können.
Weiterhin kann die Anlagefläche 3.1 leicht konisch bzw. schräg gestaltet sein, um beispielsweise bei der radialen Verpressung eine Kraftkomponente in Längsrichtung nach unten in 1 am optischen Element 3 zu erhalten. Dies kann auch bei geraden, einander gegenüberliegenden Anlageflächen des optischen Elementes 3 der Fall sein, insbesondere, wenn die Beleuchtungs- und Detektionslichtleiter 2a, 2b mit einer axialen Vorspannung gegen das optische Element 3 drücken, wie dies bei der eingangs genannten WO 2007/051445 der Fall ist.
Um eine verstärkte axiale Haltekraft am optischen Element 3 zu erhalten, ist es auch möglich, auf der Anlagefläche 3.1 eine bestimmte Struktur wie beispielsweise eine Umfangsnut vorzusehen, in die das weiche Material der Zwischenlage 4 beim Verpressen eingreift und dadurch eine zusätzliche Halterung in Achsrichtung ergibt. Eine solche Ausgestaltung ist auch möglich, wenn die Zwischenlage 4 als Beschichtung an der Anlagefläche 3.1 des optischen Elementes 3 aufgebracht wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann der in 1 wiedergegebene Ringansatz 1.1 am Sondenkopf 1 auch entfallen und das optische Element 3 durch den Anspressring 5 direkt am Sondenkopf gehalten werden, wobei die Zwischenlage 4 aus verformbarem Material zwischen Innenumfangsfläche des Anpressrings 5 und der Anlagefläche 3.1 des optischen Elementes 3 angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007013607 [0002]
- WO 2007/051445 [0003, 0031]

Claims

Sonde für die optische, insbesondere für die Infrarot-Spektroskopie, umfassend ein optisches Element (3) mit einer Anlagefläche (3.1) auf dem Außenumfang, an der eine Schicht (4) aus elastischem und/oder verformbarem Material vorgesehen ist, wobei das optische Element (3) durch eine radiale Anpresseinrichtung (5) quer zur Achse des Sondenkopfes (1) an diesem gehalten wird.
Sonde nach Anspruch 1, wobei am Sondenkopf (1) auf dem Umfang ein Ansatz (1.1) ausgebildet ist, der durch die Anpresseinrichtung (5) radial nach innen gegen die Zwischenlage (4) verpresst wird.
Sonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element (3) als kegelförmiger Si-Kristall oder Diamant ausgebildet ist, der eine ringförmige Anlagefläche (3.1) aufweist.
Sonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element (3) Prismenflächen und gegenüberliegende gerade Anlageflächen (3.1) aufweist.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenlage (4) aus einem elastischen und/oder verformbaren Material wie Teflon oder Gold als gesondertes Element ausgebildet ist, das an der Anlagefläche (3.1) angeordnet ist.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf der radialen Anlagefläche (3.1) eine elastische und/oder verformbare Beschichtung als Zwischenlage (4) am optischen Element (3) aufgebracht ist.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlagefläche (3.1) am optischen Element (3) konisch bzw. schräg zur Achse des Sondenkopfes verläuft, damit beim Verpressen in radialer Richtung eine axiale Kraftkomponente am optischen Element (3) auftritt.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf diametral gegenüberliegenden Seiten des optischen Elements (3) vom Sondenkopf (1) abstehende Schutzelemente (6) vorstehen, die das optische Element (3) gegen Berührung schützen.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenlage (4) dünnwandig ausgebildet ist.
Sonde nach Anspruch 9, wobei die Zwischenlage (4) eine Wandstärke von 0,1 bis 1,0 mm aufweist.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlagefläche (3.1) am optischen Element (3) mit einer Struktur versehen ist, in die das weiche Material der Zwischenlage (4) in radialer Richtung eingreift.
Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale Anpresseinrichtung (5) als ein bei Temperatureinwirkung sich verformendes Material ausgebildet ist.