DE102009050198A1

DE102009050198A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen flüssiger und gasförmiger Stoffe und zur Bestimmung der optischen Lampenleistung bei fest definierter Wellenlänge

Info

Publication number: DE102009050198A1
Application number: DE102009050198A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Reichmann; Gunther Dipl.-Ing. Wigand; Jens Dr.-Ing. Biedermann; Albrecht Dipl.-Ing. Hinkel
Original assignee: Medizin and Service GmbH
Current assignee: Medizin and Service GmbH
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von physikalischen Kenngrößen eines die Vorrichtung durchfließenden Gas- oder Flüssigkeitsgemisches, aus dem
• die Stoffkonzentrationen mit stoffspezifischer Absorption bei fest definierter Wellenlänge oder
• die optische Leistung von Lampen bei fest definierter Wellenlänge oder
• die Stoffkonzentrationen mit stoffspezifischer Absorption bei fest definierter Wellenlänge und die optische Leistung von Lampen bei fest definierter Wellenlänge bestimmt werden.
Die Messung der Konzentration von Stoffen erfolgt über die unterschiedlichen Abstände von zwei parametrisch gleichen Photoempfängern zum Quellenpunkt der Lampe. Zwischen Photoempfängern und Quellenpunkt befindet sich der zu messende Stoff. Die vom Quellenpunkt der Lampe emittierte elektromagnetische Strahlung wird in Abhängigkeit von der Stoffkonzentration und in Abhängigkeit der durchlaufenden Messstrecke absorbiert. Mittels Messung der restlichen Strahlungsintensität durch die Photoempfänger wird die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes bestimmt.
Im weiteren Schwerpunkt der Anmeldung wird mit der Vorrichtung die Lampenleistung einer optischen Quelle wellenlängenspezifisch ermittelt. Die Ermittlung der optischen Lampenleistung wird durch die Spülung des Messaufbaus mit einem flüssigen oder gasförmigen Referenzstoffes bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von physikalischen Kenngrößen eines die Vorrichtung durchfließenden Gas- oder Flüssigkeitsgemisches, aus dem

• die Stoffkonzentrationen mit stoffspezifischer Absorption bei fest definierter Wellenlänge oder
• die optische Leistung von Lampen bei fest definierter Wellenlänge oder
• die Stoffkonzentrationen mit stoffspezifischer Absorption bei fest definierter Wellenlänge und die optische Leistung von Lampen bei fest definierter Wellenlänge bestimmt werden.

Es ist eine große Zahl von Verfahren der Detektion von Konzentrationen verschiedener Stoffe in Flüssigkeitsgemischen und Gasgemischen bekannt. Das können zum Beispiel sein: Indikatoren (fest, flüssig), Leitfähigkeitssensoren, Photometer, Photochemische Sensoren, Halbleiter. Bei gegenwärtig am Markt üblichen Verfahren erfolgt die Auswertung der Stoffkonzentration im Allgemeinen durch präparierte Küvetten oder mittels direkter Probenuntersuchung.
DE 199 24 083 C2 beschreibt ein solches Verfahren bei dem Stoffe in Abhängigkeit ihrer Konzentration eine Leitfähigskeitveränderung einer Substratschicht definieren. Das Schutzrecht beinhaltet verschiedene chemische Stoffverbindungen für die Substratschicht, welche selektiven Stoffen zuzuordnen sind. Leitfähigkeitssensoren werden mit einer elektrischen Heizung auf ihre Betriebstemperatur geheizt, damit die gassensitive Schicht ausreichend empfindlich ist.
Die Detektion von Konzentrationen mittels Photometer beruht auf der Grundlage des photometrischen Verfahrens. Das photometrische Verfahren geschieht üblicherweise so, dass der zu untersuchende Stoff in eine Küvette geleitet wird und dessen Absorptionsmaß bei fest definierten Volumen die Konzentration des Stoffes definiert. Das Verfahren ist ein quantitatives, eichunabhängiges Messverfahren. Grundlage des photometrischen Verfahrens bildet das Lambert-Beersche Gesetz: I = I₀·10^–ε·x·c (1)
Dabei ist I₀ die Ausgangsintensität der optischen Quelle, I die Intensität nach der Messstrecke x zwischen I₀ und I, ε der molare dekadische Extinktionskoeffizient (Maß für die Absorption eines speziellen Stoffes von elektromagnetischer Strahlung in Funktion der molaren Konzentration bei einer Durchtrittslänge von 1 cm und bei einer bestimmten Wellenlänge) und c die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes. DE 41 19 346 C2 beschreibt ein Verfahren und die Vorrichtung für die Messung von Stoffkonzentration in Gasgemischen. Das Schutzrecht beinhaltet als Grundlage das photometrische Messverfahren. Das Gasgemisch wird in eine Küvette geleitet und mittels optischer Quelle durchstrahlt. Die Messung wird mittels Referenz von Nullluft in einer zusätzlichen Küvette verglichen. Die Nullluft ist frei vom zu untersuchenden Stoff. Das Absorptionsmaß im Vergleich zur Nullluft definiert die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes. Die Messung erfolgt entweder durch abwechselndes Einbringen der Messküvetten in der Strahlengang oder durch abwechselnde Bewegung des Strahlenganges zwischen den beiden Messküvetten.
Die bekannten Verfahren haben viele Nachteile. So wird bei üblichen photometrischen Verfahren die Alterung der Photoempfänger und der optischen Quellen nicht berücksichtigt und die Nullluft nicht auf ihre Reinheit vom zu untersuchenden Stoff kontrolliert. Im Vergleich zur vorgestellten Erfindung wirken zu untersuchende, aggressive Stoffe durch den direkten Kontakt zwischen Stoff und Sensor nachteilig auf die Langzeitstabilität von Leitfähigkeitssensoren. Leitfähigkeitssensoren weisen eine hohe Querempfindlichkeit zu anderen Stoffen auf. Für die elektrische Heizung muss eine große Menge Energie bereitgestellt werden. Die Messaufbauten von bisher üblichen photometrischen Verfahren, welche eine große Anzahl von optischen Bauelementen für die Auswertung des Strahlenparameter besitzen, sind sehr komplex und erhöht die Gefahr von Fertigungstoleranzen. Durch ihre Komplexität sind Konzentrationsmessungen mit bisherigen photometrischem Messaufbau oft sehr kostenintensiv, welches sehr nachteilhaft für die praktische Anwendung ist. Diese Nachteile sind mit der Erfindung ausgeschaltet.
Um die Nachteile zu vermeiden ist die Aufgabe der Erfindung, die Konzentration von Stoffen mittels photometrischen Verfahrens mit mindestens zwei Photoempfängern zu ermitteln. Die Messung der Konzentration von Stoffen erfolgt über die unterschiedlichen Abstände von zwei gleichen Photoempfängern zum Quellenpunkt. Zwischen Photoempfängern und Quellenpunkt befindet sich der zu messende Stoff. Die von der optischen Quelle emittierte elektromagnetische Strahlung wird in Abhängigkeit von der Stoffkonzentration und in Abhängigkeit der durchlaufenden Messstrecke absorbiert. Mittels Messung der restlichen Strahlungsintensität durch die Photoempfänger wird die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes bestimmt.
Erfindungsgemäß ist die Messung der Stoffkonzentration mit zwei Photoempfängern unabhängig von der Lampenleistung der optischen Quelle und wird ohne Referenzmessung der Nullluft durchgeführt. Die Messung erfolgt kontinuierlich. Das Messverfahren ist im Aufbau anspruchslos und ist geringer empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen als Verfahren mit photometrischen Standardmessprinzipien.
Die vorgestellte Erfindung ermittelt die interessierenden Kenngrößen mittels optischer Quelle und wird im weiteren Kontext als Zwei-Dioden-Messsensorik bezeichnet. Das Medium wird von einer optischen Quelle durchstrahlt. Diese stellt im Messaufbau die Referenzquelle. Die Erfindung beruht auf der Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes: I = I₀·10^–ε·c·x (2)
I₀ definiert die optische Quelle (3) wie in Zeichnung 1 zu sehen. Die abgestrahlte Intensität I₀ wird vom zu untersuchenden Stoff (5) auf der Strecke x absorbiert. Die Intensitätsmessung I nach der Strecke x erfolgt mittels geeigneten Photoempfänger (1).
Mit dieser Vorrichtung wird das Verfahren zu Ermittlung der Stoffkonzentration ermöglicht. Das Lambert-Beersche Gesetz ist auch für einen zweiten hinzugefügten identischen Photoempfänger (2) zum Photoempfänger (1) und eventuell weiteren Photoempfängern anwendbar.
Die gemessenen Intensitäten der Photoempfänger werden mit den Indizes 1 bzw. 2 erläutert. Beide Photoempfänger unterliegen der gleichen optischen Quelle mit I₀. Der zweite Photoempfänger hat den Abstand x + s zur Quelle. I₁·10^ε·c·x = I₂·10^ε·c·(x+s) (3)
Durch vordefinierten Abstand s der Photoempfänger zueinander und dem bekannten molaren, dekadischen Extinktionskoeffizienten ε mit der spezifischen Absorptionswellenlänge des Stoffes ist die Berechnung der Konzentration (c) möglich. Die Intensitäten der Photoempfänger werden dabei durch Photoempfängerströme i₁ und i₂ gemessen. Durch das proportionale Verhalten zwischen dem Stromwert und der Intensität sind Skalargrößen, die zur Ermittlung des Zusammenhanges zwischen den Stromwert und der Intensität benötigt werden, unerheblich.
Zwar nimmt I₀ durch Alterung und Verschmutzung mit zunehmenden Betriebsstunden undefiniert ab, aber die Messung der Konzentration ist von I₀ unabhängig.
Mit zusätzlich gemessener Temperatur (T) und Druck (p) der Messstrecke wird die gemessene Konzentration hinsichtlich den Normalbedingungen (T₀ = 273 K und p₀ = 101,325 kPa) korrigiert.
Erfindungsgemäß kann mit der Vorrichtung auch die Lampenleistung einer optischen Quelle wellenlängenspezifisch ermittelt werden. Die Ermittlung der optischen Lampenleistung P wird durch die Spülung des Messaufbaus mit einem Stoff mit bekannter Konzentration c berechnet. Die Absorptionswellenlänge des zu untersuchenden Stoffes entspricht der Emissionswellenlänge der zu untersuchenden Lampe. Die Messung erfolgt mit einem Photoempfänger bei bekannter Konzentration des zur Spülung eingesetzten Stoffes.
Der imaginäre Photoempfängerstrom i₀, welcher theoretisch bei c = 0 gemessen werden würde, wird wie folgt berechnet. i₀ = i₁·10^c·ε·x (6)
Die Intensitätsdichte des imaginären Photoempfängers (S_D) wird durch die Photoempfängersensibilität (S_{Photoempfänger}), des imaginären Photoempfängerstroms i₀ und der Sensorenfläche des Photoempfängers (A_Sensor) in Gleichung 7 ermittelt.
V ergibt sich aus dem Verhältnis aus Abstand des Photoempfängers (1) zur optischen Quelle und der Dimensionierung der Lampe. Mit der Intensitätsdichte des imaginären Photoempfängers und Korrektur durch das quadratische Abstandsgesetz V² (die Intensitätsdichte nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab) wird in Gleichung 8 die Intensitätsdichte der Lampe S_L berechnet. S_L = S_D·V² (8)
Die abstrahlende Oberfläche der optischen Quelle A_L wird nach der Geometrie der Lampe berechnet. Durch Multiplikation der abstrahlenden Fläche der Lampe und der Intensitätsdichte der Lampe (Gleichung 8) ist die optische Leistung der Lampe P in Gleichung (9) berechenbar P_L = S_L·A_L (9)
Bei nicht bekannter Konzentration des zur Spülung verwendeten Stoffes wird zunächst die Konzentration erfindungsgemäß gemessen, um danach die Lampenleistung zu messen. Somit kann die Erfindung zur quantitativen Bestimmung von physikalischen Kenngrößen zur Bestimmung der Stoffkonzentration mit anschließender Bestimmung der Lampenleistung in einem Messaufbau angewendet werden.
Die optische Quelle 3 (siehe Zeichnung 1) wird mittels Blende 4 für beide Photoempfänger identisch. Ein senkrechter Blick der Photoempfänger auf die Quelle wird durch den Einsatz der Blende verhindert. Der Einfluss verschiedener Abstrahlcharakteristiken der Lampe zu den Photoempfängern wird durch die Blende unterdrückt. Nur Streulicht und Beugungslicht werden von den Photoempfängern erfasst.
Das vorgestellte Messverfahren weist keine relevanten Querempfindlichkeiten zu anderen im Gasgemisch eventuell vorhandenen Stoffen auf, da das Absorptionsspektrum stoffspezifisch ist. Der Prozessablauf ist anspruchsloser als standardisierte photometrische Messprinzipien an die Fertigungsgenauigkeit. Erfindungsgemäß wird keine Nullluft zur Ermittlung der physikalischen Kenngrößen benötigt. Die Sensorik der Photoempfänger ist durch ein Quarzglas vor aggressiven Stoffen geschützt und erhöht die Langzeitstabilität des Photoempfängers gegenüber Leitfähigkeitssensoren. Die Messung der Stoffkonzentration mit zwei Photoempfängern ist unabhängig von der unbekannten Lampenleistung der optischen Quelle.
Die Erfindung sei im folgenden Ausführungsbeispiel detailliert erläutert. Der Einsatz der Zwei-Dioden-Messsensorik kann unter anderem in der Bestimmung der Konzentration von chemischen Desinfektionsstoffen verwendet werden. Die Desinfektion von Oberflächen kann mittels Ozon als Desinfektionsmittel erfolgen. Wie in Zeichnung 1 dargestellt, besteht die Vorrichtung für die Anwendung aus der ersten Photodiode (1) als erster Photoempfänger, einer zweiten Photodiode (2) als zweiter Photoempfänger, einer UV-C Lampe mit den Emissionswellenlängen 185 nm und 254 nm (3) als optische Quelle, einer Blende (4) und dem Ozonluftgemisch (5) als Messgas. Durch Bestrahlung des in der Luft befindlichen Sauerstoffs mit ultravioletter Strahlung bei der Wellenlänge von 185 nm entsteht Ozon in einem separaten Modul. Die Konzentration ist von der optischen Lampenleistung der UV-C Lampe (3) abhängig. Ozon hat sein Absorptionsmaximum bei 254 nm. Andere in der Luft befindlichen Gase haben eine viel geringere oder keine Absorption der Wellenlänge 254 nm. Der molare dekadische Extinktionskoeffizient von Ozon (5) bei der Wellenlänge 254 nm beträgt 3024 l / mol·cm . Das im Modul erzeugte Ozon wird in die Messstrecke der Zwei-Dioden-Sensorik geleitet. Mit dem unterschiedlichen Abstand s der Photodioden zur optischen Quelle und der Messung der Stromstärken i₁, i₂ der Photodioden als Maß für die vorhandenen Intensitäten wird die Ozonkonzentration c berechnet. Bei der Ozonherstellung mit UV-C Lampen nimmt der Transmissionsgrad des Glaskörpers der Lampe durch Verschmutzung an unterschiedlichen Stellen undefiniert ab. Mittels eingebrachter Blende (4) in den Strahlengang ist der Einfluss der Verschmutzung auf die Messung unerheblich. Die Messung durch die Photoempfänger (1, 2) wird durch die Blende auf einen Quellenpunkt bezogen. I₀ ist für beide Photodioden identisch. Die Aufgabenstellung der Konzentrationsmessung ist damit für dieses Anwendungsfeld gelöst.
Weiterhin besteht die Möglichkeit mit der Zwei-Dioden-Messsensorik die Zerfallsprodukte von Ozon in seine Radikale qualitativ zu ermitteln. Bei einer Bestrahlung mit 254 nm zerfällt Ozon in seine Zerfallsradikale. Die starken Oxydationsmittel Ozon und die Zerfallsradikale werden in der Desinfektion eingesetzt. Mit der Messung der Ozonkonzentration (5) ist die optische Lampenleistung bei 254 nm berechenbar. Mit bekannter Lampenleistung bei 254 nm und dem bestrahlten Volumen kann qualitativ das Verhältnis aus Ozon und der Zerfallsradikale ermittelt werden
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19924083 C2 [0003]
DE 4119346 C2 [0005]

Claims

Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoffgemisch (5) sich zwischen mindestens einer optischen Quelle (3) und mindestens zwei identischen Photoempfängern (1, 2) befindet, dass sich die Photoempfänger (1, 2) in variablen Abständen zur optischen Quelle (3) befinden, dass der Abstand der Photoempfänger zur optischen Quelle unterschiedlich ist.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Quelle (4) eine UV-C Lampe mit 185 nm und 254 nm Strahlung emittiert und damit die Ozonkonzentration im Gasgemisch ermittelt wird.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Lampenleistung einer Lampe durch Spülung der Messstrecke x + s mit bekanntem Gas mittels Photoempfänger (1, 2) berechnet wird.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Lampenleistung einer Lampe durch Spülung der Messstrecke x mit bekannter Gaskonzentration mittels Photoempfänger (1) berechnet wird.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Lampenleistung einer UV-C Lampe bei 254 nm durch Spülung der Messstrecke x + s mit Ozon mit mindestens zwei Photoempfänger (1, 2) berechnet wird.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Lampenleistung einer UV-C Lampe bei 254 nm durch Spülung der Messstrecke x mit bekannter Ozonkonzentration mittels Photoempfänger (1) berechnet wird.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbringen mindestens einer Blende (4), zwischen optischer Quelle (3) und Photoempfängern (1, 2), die Photoempfänger (1, 2) nur Streu- und Beugungsstrahlung registrieren.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren und die Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen mit der Messung der optischen Leistung von Lampen miteinander kombinierbar sind.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren und die Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen mit der Messung der optischen Leistung von Lampen zur qualitativen Ermittlung des notwendigen Verhältnis aus Ozon und der Zerfallsradikale ermittelt wird.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung der zu untersuchenden gasförmigen und flüssigen Stoffe zur Konzentrationsbestimmung die Messstrecke homogen mit dem Stoff füllt.
Verfahren und Anordnung zur Konzentrationsmessung von gasförmigen und flüssigen Stoffen und Messung der optischer Leistung von Lampen auf Grundlage des Lambert-Beerschen Gesetzes nach Patentanspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Stoffes zur Lampenleistungsbestimmung die Messstrecke homogen mit dem Stoff füllt.