DE102011120845A1 - Device for contactless determination of e.g. oxygen content in multi-pane system during production of e.g. vacuum insulation panel, has luminescent substances provided in gas-filled or low pressurized component or composite element - Google Patents

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Abstract

The device has a detector (10) for measuring fluorescence. Independent, structurally separated luminescent substances are provided in a gas-filled or low pressurized component of a gas filled multi-pane glazing or a partial translucent gas-filled or low pressurized composite element. The substances are excited by light of specific wavelength for emission of radiation, where luminescence of the substances is reduced by gas that is introduced in an intermediate space (5) between panes (3). A mobile measurement unit is connected with a light source (11) e.g. laser and LED, and the detector.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gasgehaltes, insbesondere Sauerstoff- oder Edelgasgehaltes, in gasgefüllten oder mit Unterdruck arbeitenden Mehrscheibensystemen. Zur Bestimmung des Gasgehaltes, beispielsweise des Sauerstoffgehaltes, wird ein im Scheibenzwischenraum integrierter Farbstoff mit Licht bestrahlt, wodurch dieser zur Fluoreszenz angeregt wird. Entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Scheibenzwischenraum kommt es zur Löschung der Fluoreszenz im Farbstoff. Anhand der Abklingzeit und der Intensität der gelöschten Fluoreszenz kann der Sauerstoffgehalt detektiert werden. Da der Löschvorgang spezifisch für eine bestimmte Gas-Farbstoffkombination ist, kann die Gaszusammensetzung und – bei bekannter Gaszusammensetzung – der Druck der Atmosphäre in dem Verbundelement ermittelt werden.The invention relates to a device for determining the gas content, in particular oxygen or noble gas content, in gas-filled or vacuum-operated multi-plate systems. To determine the gas content, for example the oxygen content, a dye which is integrated in the space between the panes is irradiated with light, whereby it is excited to fluoresce. According to the oxygen concentration in the space between the panes, the fluorescence in the dye is quenched. Based on the cooldown and the intensity of the deleted fluorescence, the oxygen content can be detected. Since the quenching process is specific to a particular gas-dye combination, the gas composition and, with known gas composition, the pressure of the atmosphere in the composite element can be determined.

[Stand der Technik][State of the art]

In der europäischen Patentschrift EP 0 083 703 B1 wird eine medizinische Messvorrichtung beschrieben, die den Sauerstoffgehalt in biologischen Systemen mittels Fluoreszenzlöschung misst. Bei der Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in biologischen Systemen sind schnelle Einstellzeiten von weniger als 10 ms und ohne Totzeit vonnöten. Um dies zu gewährleisten werden sehr dünne Schichten des lumineszierenden Materials benötigt. Dazu wird hier ein Schichtaufbau von einlagig dichtgepackten Teilchen verwendet.In the European patent specification EP 0 083 703 B1 describes a medical measuring device which measures the oxygen content in biological systems by means of fluorescence quenching. When determining the oxygen content in biological systems, fast response times of less than 10 ms and no dead time are required. To ensure this, very thin layers of the luminescent material are needed. For this purpose, a layer structure of single-layer densely packed particles is used here.

Die Patentschrift DE 39 00 191 C2 erweitert die vorherige Patentschrift EP 0 083 703 B1 um eine Isolation des Anregungs- und Messsignals vor störendem Umgebungslicht. Die Messvorrichtung wird durch eine geschwärzte, vulkanisierte Schicht optisch vom Probenmedium entkoppelt, um eine ausreichend hohe Signalstärke der Fluoreszenzlöschung trotz geringer Farbstoffmenge sicher zu stellen. In der europäischen Patentschrift EP 1 001 128 B1 wird ein Verfahren zur Zustandsprüfung der Gasfüllung in Isolierglasscheiben beschrieben, bei dem ein nicht näher definiertes Sensormittel bei Überschreiten eines Grenzwertes mit einer Signalabgabe reagiert.The patent DE 39 00 191 C2 extends the previous patent specification EP 0 083 703 B1 to an isolation of the excitation and measurement signal from disturbing ambient light. The measuring device is optically decoupled from the sample medium by a blackened, vulcanized layer in order to ensure a sufficiently high fluorescence quenching signal strength, despite the small amount of dye. In the European patent specification EP 1 001 128 B1 describes a method for checking the state of the gas filling in insulating glass panes, in which an unspecified sensor means reacts when a limit value is exceeded with a signal output.

In der Patentschrift DE 34 209 47 C2 werden gleichzeitig verschiedene Stoffe mit beliebigen Fluoreszenzindikatoren und unterschiedlichen Stoffkonzentrationen mit Hilfe von Fluoreszenzindikatoren, welche nicht mehr notwendigerweise spezifisch für die zu untersuchenden Stoffe sein müssen, bestimmt. Hierzu werden die geminderten bzw. gelöschten Fluoreszenzintensitäten gemessen und mit den bekannten ungelöschten Intensitäten verglichen.In the patent DE 34 209 47 C2 At the same time, different substances with arbitrary fluorescence indicators and different substance concentrations are determined with the help of fluorescence indicators, which no longer necessarily have to be specific for the substances to be investigated. For this purpose, the diminished or deleted fluorescence intensities are measured and compared with the known undeleted intensities.

In der Patentanmeldung WO 002002056023 A1 ( DE 101 01 576 A1 ) werden die unterschiedlichen Zeiten der Lumineszenzantwort von einem Indikatormaterial und einem Referenzmaterial zur Bestimmung der Konzentration verschiedener Substanzen, wie z. B. Sauerstoff, Kohlendioxid, Natrium, oder anderer Parameter wie z. B. dem pH-Wert in beispielsweise Blut miteinander verglichen.In the patent application WO 002002056023 A1 ( DE 101 01 576 A1 ) are the different times of the luminescence response of an indicator material and a reference material for determining the concentration of various substances, such as. As oxygen, carbon dioxide, sodium, or other parameters such. B. compared to the pH in, for example, blood.

Bei der Herstellung von edelgasgefüllten Mehrscheibenverglasungen oder auch der Herstellung von Vakuum-Isolierglas stellt die ausreichende Befüllung mit Edelgas bzw. die Sicherstellung des notwendigen Unterdruckes einen kritischen Prozessschritt dar. Der Edelgasfüllgrad wird bei den Isolierglasherstellern, wenn überhaupt, nur stichprobenartig überprüft. Hierzu sind am Markt einige Messgeräte verfügbar, die unter gewissen Umständen eine Kontrolle des Gasfüllgrades im Scheibenzwischenraum von außen erlauben (z. B. Gasglass der Firma Sparklike). Allerdings sind diese Messgeräte nur sehr eingeschränkt anwendbar, da sich z. B. Schichten mit niedrigem Emissionsgrad, sogenannte low-e-Schichten, nicht zwischen Messgerät und zu prüfendem Gasvolumen befinden dürfen. Bei den immer häufiger verwendeten Dreifachisoliergläsern sind die Beschichtungen üblicherweise auf den Innenseiten der Außenscheiben angebracht, dadurch ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle des Gasfüllgrades in dieser Anordnung mit diesen Geräten nicht möglich. Einige Isolierglashersteller prüfen deshalb den Gasfüllgrad mittels Gasentnahme aus dem Scheibenzwischenraum. Dies ist jedoch sehr aufwendig und erfolgt nur stichprobenartig. Eine zufriedenstellende Möglichkeit zur Inline-Qualitätskontrolle jeder gefertigten Verglasung ist bislang nicht verfügbar.In the production of noble gas-filled multi-pane glazings or the production of vacuum insulating glass, sufficient filling with inert gas or ensuring the necessary underpressure is a critical process step. The level of noble gas is only checked randomly by the insulating glass manufacturers, if at all. To this end, some meters are available on the market, which allow under certain circumstances, a control of the degree of gas filling in the space between the panes from the outside (eg, gasglass Sparkly). However, these meters are only very limited applicability because z. B. layers with low emissivity, so-called low-e-layers, not allowed to be between the meter and gas volume to be tested. In the increasingly used triple insulating glasses, the coatings are usually mounted on the inner sides of the outer panes, thereby a reliable quality control of Gasfüllgrades in this arrangement is not possible with these devices. Some insulation glass manufacturers therefore check the degree of gas filling by means of gas extraction from the space between the panes. However, this is very expensive and takes place only randomly. A satisfactory option for inline quality control of every manufactured glazing is not yet available.

Die Ansprüche an eine solche Messvorrichtung sind kurze Messzeiten, die den Taktzeiten bei der Isolierglasherstellung von unter 60 Sekunden gerecht werden, sowie eine hinreichend genaue Erfassung des Gasfüllgrades im Scheibenzwischenraum. Weiterhin ist der Gasfüllgrad, neben dem Emissionsgrad der Beschichtung, einer der Haupteinflussfaktoren für den Wärmedurchgangswert (Ug-Wert) einer Verglasung. Der Emissionsgrad von Scheibenoberflächen kann von den Herstellern jedoch sehr verlässlich eingestellt und angegeben werden, so dass eine genaue Bestimmung des Gasfüllgrades bei der Isolierglasherstellung auch eine Qualitätskontrolle des Ug-Wertes sicherstellen würde.The requirements of such a measuring device are short measurement times, which meet the cycle times in the production of insulating glass of less than 60 seconds, as well as a sufficiently accurate detection of Gasfüllgrades in the space between the panes. Furthermore, the degree of gas filling, in addition to the emissivity of the coating, one of the main factors influencing the heat transfer value (U g value) of a glazing. However, the emissivity of disc surfaces can be set and reported very reliably by the manufacturers so that accurate determination of the degree of gas filling in the manufacture of insulating glass would also ensure quality control of the U g value.

Bei Verbundelementen, die mit Unterdruck arbeiten, um die Gaswärmeleitfähigkeit des Systems zu verringern (z. B. Vakuumisolationspaneele, bestimmte Aerogelverglasungen), besteht ebenfalls das Problem den Gasdruck im Innenraum von außen zu bestimmen. Hier kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil des Messgases im Verbundelement und somit bei bekannter Gaszusammensetzung der Gasdruck bestimmt werden. Bei opaken Systemen ist ein für die hierzu notwendigen Wellenlängen durchlässiger Bereich (z. B. Sichtfenster) an der gewünschten Messstelle nötig. Bei diesen Elementen kann mit der hier beschriebenen Erfindung eine Qualitätskontrolle erfolgen.In the case of composite elements that operate under reduced pressure to reduce the system's gas thermal conductivity (eg vacuum insulation panels, certain airgel glazings), there is also the problem of determining the gas pressure in the interior from the outside. Here, with the method according to the invention, the proportion of the measurement gas in the composite element and thus, in the case of a known gas composition, the gas pressure can be determined. With opaque Systems are required for the necessary wavelengths permeable area (eg viewing window) at the desired measuring point. These elements can be quality controlled with the invention described herein.

Diese schnelle und zuverlässige Methode zur Bestimmung der Gasfüllung im Scheibenzwischenraum wird im nachfolgenden am Beispiel der Messung des Sauerstoffgehalts mittels Fluoreszenzlöschung beschrieben.This fast and reliable method for determining the gas filling in the interpane space is described below using the example of measuring the oxygen content by means of fluorescence quenching.

Aus dem gemessenen Sauerstoffgehalt XO2 kann direkt der Gasfüllgrad XEdelgas entsprechend nachfolgender Gleichung bestimmt werden, XEdelgas = (1 – XO2/RO2) wobei RO2 der Sauerstoffgehalt der umgebenden Atmosphäre ist.From the measured oxygen content X O2 , the gas filling degree X noble gas can be determined directly according to the following equation: X rare gas = (1 - X O2 / R O2 ) where R O2 is the oxygen content of the surrounding atmosphere.

Im Folgenden werden Fluoreszenz und Lumineszenz synonym verwendet. Fluoreszenz ist eine Form der Lumineszenz. Fluoreszenz ist die kurzzeitige, spontane Emission von Licht beim Übergang eines elektronisch angeregten Systems in einen Zustand niedrigerer Energie, wobei das emittierte Licht im Regelfall energieärmer ist als das vorher absorbierte. Im Gegensatz zur Phosphoreszenz sind Fluoreszenzübergänge spinerlaubt, d. h. sie gehorchen der Auswahlregel ΔS = 0, erfolgen also zwischen Zuständen gleichen Spins. Fluoreszenz ist dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Ende der Bestrahlung rasch (meist innerhalb einer Millionstel Sekunde) endet. Typische Fluorophore, also physikalische Systeme, bei denen Fluoreszenz auftritt, sind Atome, Moleküle, Ionen und Halbleiternanopartikel.In the following, fluorescence and luminescence are used synonymously. Fluorescence is a form of luminescence. Fluorescence is the transient, spontaneous emission of light during the transition of an electronically excited system into a state of lower energy, whereby the emitted light is as a rule less energy-consuming than that previously absorbed. In contrast to phosphorescence, fluorescence transitions are spin-allowed, i. H. they obey the selection rule ΔS = 0, that is, between states of the same spin. Fluorescence is characterized in that it ends rapidly (usually within one millionth of a second) after the end of the irradiation. Typical fluorophores, that is, physical systems in which fluorescence occurs, are atoms, molecules, ions, and semiconductor nanoparticles.

Zur Messung der dynamischen Lumineszenzlöschung wird ein geeigneter Farbstoff mit Licht entsprechender Wellenlänge bestrahlt und mit einem Detektor die Lumineszenzantwort aufgenommen. Ein geeigneter Messaufbau ist beispielsweise in Ausführungsbeispiel 9 und 10 beschrieben.To measure the dynamic luminescence quenching, a suitable dye is irradiated with light of appropriate wavelength and the luminescence response is recorded with a detector. A suitable measuring structure is described, for example, in exemplary embodiments 9 and 10.

Eine lumineszierende Substanz wird durch Licht geeigneter Wellenlänge zur Emission angeregt. Bei der lumineszierenden Substanz handelt es sich um beispielsweise metall-organische Komplexe, insbesondere Übergangsmetallkomplexe von Ru(II), Os(II) und Rh(II) oder phosphoreszierende, Pt(II) oder Pd(II) enthaltende Porphyrine, oder organische Fluoreszenzfarbstoffe, insbesondere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, sowie Mischungen dieser. Durch Kollision mit Molekülen, hier Sauerstoffmolekülen, kommt es zum Energieübertrag der angeregten Farbstoffmoleküle auf die Sauerstoffmoleküle, die angeregten Moleküle fallen ohne Photonen zu emittieren zurück in ihren Grundzustand und die Gesamtemission wird reduziert, d. h. die Lumineszenz gelöscht. Diesen Vorgang bezeichnet man als dynamische Fluoreszenzlöschung (Lumineszenzlöschung).A luminescent substance is excited by emission of light of suitable wavelength. The luminescent substance is, for example, metal-organic complexes, in particular transition metal complexes of Ru (II), Os (II) and Rh (II) or phosphorescent, Pt (II) or Pd (II) containing porphyrins, or organic fluorescent dyes, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons, and mixtures thereof. By colliding with molecules, in this case oxygen molecules, the energy transfer of the excited dye molecules to the oxygen molecules, which causes excited molecules to emit without emitting photons, returns to their ground state and the total emission is reduced, ie. H. the luminescence deleted. This process is called dynamic fluorescence quenching (luminescence quenching).

Die Abhängigkeit der Lumineszenzintensität des lumineszierenden Farbstoffes von der Sauerstoffkonzentration (der Stoffkonzentration des Löschers, hier Sauerstoff) wird durch die Stern-Volmer-Gleichung beschrieben:

Figure 00050001
mit Ia der Lumineszenzintensität bei Abwesenheit von Sauerstoff, I der Lumineszenzintensität in Anwesenheit des Löschers, also Sauerstoff, [O2] dem Sauerstoffgehalt und KSV der Stern-Volmer-Konstante. Eine wichtige Voraussetzung für die Gültigkeit der Stern-Volmer-Gleichung ist die gleiche Erreichbarkeit aller lumineszierenden Moleküle durch den löschenden Sauerstoff. Daher ist für eine erfindungsgemäße Anwendung eine Verwendung des lumineszierenden Farbstoffes in dünnen Schichten oder in hochporösen Materialien bzw. auf den inneren Oberflächen dieser unabdingbar, um so eine gleiche Erreichbarkeit aller Moleküle sicher zu stellen.The dependence of the luminescence intensity of the luminescent dye on the oxygen concentration (the substance concentration of the extinguisher, here oxygen) is described by the Stern-Volmer equation:
Figure 00050001
with Ia the luminescence intensity in the absence of oxygen, I the luminescence intensity in the presence of the quencher, ie oxygen, [O 2 ] the oxygen content and K SV of the Stern-Volmer constant. An important prerequisite for the validity of the Stern-Volmer equation is the equal accessibility of all luminescent molecules by the quenching oxygen. Therefore, for an application according to the invention, use of the luminescent dye in thin layers or in highly porous materials or on the inner surfaces thereof is essential in order to ensure equal accessibility of all molecules.

In diesem Fall ergibt sich für die Stern-Volmer-Konstante KSV folgender Zusammenhang mit der Lebensdauer des angeregten Zustandes des Lumineszenzfarbstoffes τ0 und der Lebensdauer τ bei entsprechender Sauerstoffkonzentration:

Figure 00050002
In this case, the following relationship is established for the star volmer constant K SV with the lifetime of the excited state of the luminescent dye τ 0 and the lifetime τ given a corresponding oxygen concentration:
Figure 00050002

Für die dynamische Lumineszenzlöschung ist die Abnahme der Lebensdauer τ des angeregten Zustandes in der Anwesenheit des Löschers (hier Sauerstoff) charakteristisch. Je langlebiger der angeregte Zustand ist, desto wahrscheinlicher wird eine Kollision zwischen dem Löscher (Sauerstoff) und dem angeregten Molekülen des Farbstoffes und damit auch dessen Löschung. Für die dynamische Lumineszenzlöschung gilt daher folgendes Verhältnis:

Figure 00060001
For dynamic luminescence quenching, the decrease in the lifetime τ of the excited state in the presence of the quencher (here oxygen) is characteristic. The more durable the excited state is, the more likely it is to collide between the quencher (oxygen) and the excited molecules of the dye, and thus also its quenching. For dynamic luminescence quenching, therefore, the following relationship applies:
Figure 00060001

Für die gleiche Konzentration des Löschers (Sauerstoff) wird bei steigender Temperatur der Wert für KSV bei dynamischer Lumineszenzlöschung prinzipiell größer, d. h. der Löscher löscht bei höherer Temperatur stärker als bei niedrigerer Temperatur. Die Diffusionsgeschwindigkeit des Löschers nimmt bei steigender Temperatur zu, wodurch die Anzahl der Stöße mit den angeregten Molekülen, und damit die Anzahl der Löschvorgänge, ebenfalls zunimmt.For the same concentration of the extinguisher (oxygen), the value for K SV increases in principle with increasing luminescence in the case of dynamic luminescence quenching, ie the extinguisher extinguishes more intensely at a higher temperature than at a lower temperature. The rate of diffusion of the quencher increases with increasing temperature, whereby the number of collisions with the excited molecules, and thus the number of erasures, also increases.

Weiterhin ist dieser Vorgang indirekt von der Luftfeuchtigkeit abhängig, da die Sauerstoffkonzentration einer Gasmischung von der Summe der Konzentrationen aller Teilnehmenden Gase abhängt und somit auch von der Wasserdampfkonzentration. Für das erfindungsgemäße Anwendungsgebiet kann diese Abhängigkeit vernachlässigt werden, da es sich bei gasgefüllten oder evakuierten Systemen, um Systeme mit einer Luftfeuchtigkeit deutlich kleiner als 0,05% rF (Taupunkt bei –60°C = 1,08 Pa) handelt. Furthermore, this process is indirectly dependent on the humidity, since the oxygen concentration of a gas mixture depends on the sum of the concentrations of all participating gases and thus also on the water vapor concentration. For the field of application according to the invention, this dependence can be neglected, as it is in systems filled with gas or evacuated to systems with a humidity significantly less than 0.05% RH (dew point at -60 ° C = 1.08 Pa).

[Aufgabe der Erfindung]OBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde bei der Produktion von gasgefüllten oder mit Unterdruck arbeitend Mehrscheibenverglasungen oder Verbundelementen ein schnelles Messverfahren hoher Genauigkeit zur Bestimmung des Gasgemisches bzw. Gasdruckes im Scheibeninnenraum zu ermöglichen.The invention is based on the object in the production of gas-filled or working with negative pressure multi-pane glazing or composite elements to enable a rapid measurement method of high accuracy for determining the gas mixture or gas pressure in the interior of the pane.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich innerhalb der Taktzeiten von 60 Sekunden bei der Herstellung der gasgefüllten Verglasungen mit einer Genauigkeit von ±1% das Gasgemisch im Scheibenzwischenraum bestimmen.With the method according to the invention can be within the cycle times of 60 seconds in the production of gas-filled glazings with an accuracy of ± 1% determine the gas mixture in the space between the panes.

Grundsätzlich sind für eine entsprechend hohe Messgenauigkeit einige Faktoren zu berücksichtigen. Da wie oben beschrieben die Intensität der Löschung temperaturabhängig ist, muss die Temperatur mit erfasst werden. Bei der erfindungsgemäßen Messung im Herstellungsprozess ist dies weitestgehend unproblematisch, da in der Produktionshalle wohl definierte Temperaturen herrschen und zwischen Außen- und Innenseite der Verglasung keine Temperaturdifferenz herrscht, somit sich im Scheibeninnenraum keine Temperaturgradienten einstellen und die Temperatur an der Messstelle leicht erfasst werden kann. Weiterhin berücksichtigt die erfindungsgemäße Vorrichtung die low-e-Beschichtungen der Scheiben und die dadurch bedingten Korrekturen der gemessenen Fluoreszenzintensität, die durch die Scheibenbeschichtungen bei entsprechender Fluoreszenzwellenlänge reduziert sein kann.In principle, a number of factors must be taken into account for a correspondingly high measuring accuracy. Since, as described above, the intensity of the erasure is temperature-dependent, the temperature must be recorded as well. In the measurement according to the invention in the manufacturing process, this is largely unproblematic, since well-defined temperatures prevail in the production hall and there is no temperature difference between the outside and inside of the glazing, thus no temperature gradients can be established in the pane interior and the temperature at the measuring point can be easily detected. Furthermore, the device according to the invention takes into account the low-e coatings of the discs and the consequent corrections of the measured fluorescence intensity, which can be reduced by the disc coatings at a corresponding fluorescence wavelength.

Ebenfalls werden in der Erfindung die Änderungen der gemessenen Fluoreszenzintensität durch Reflektion und Absorption an den zwischen Farbstoff und Detektor befindlichen Schichten (z. B. Glasscheiben beim Isolierglas) berücksichtigt. Diese sind abhängig vom Einfallswinkel und müssen entsprechend korrigiert werden.The invention also takes into account the changes in the measured fluorescence intensity due to reflection and absorption at the layers located between the dye and the detector (eg glass panes in the insulating glass). These are dependent on the angle of incidence and must be corrected accordingly.

Zum anderen sichert eine entsprechende Ausführungsform des Messkopfes eine wohldefinierte Messposition mit bekanntem Abstand und Winkel zwischen Messoberfläche und Detektor.On the other hand, a corresponding embodiment of the measuring head ensures a well-defined measuring position with a known distance and angle between the measuring surface and the detector.

Um eine bessere optische Ankopplung des Detektors an die Scheibe sicher zu stellen, empfiehlt es sich eine Flüssigkeit mit geeignetem Brechungsindex, beispielsweise ein in der Mikroskopie gebräuchliches Immersionsöl, zwischen Scheibe und Detektor aufzubringen. Eine andere Möglichkeit der Anpassung des Brechungsindex besteht in der Applizierung einer dünnen, porösen SiO2-Aerogelschicht mit angepasstem Dichtegradient zwischen Detektor und Scheibe. Dies hat den Vorteil, dass bei teilevakuierten Verglasungen die Restgasatmosphäre nicht durch den bei Flüssigkeiten auftretenden Restgasdruck belastet wird.In order to ensure a better optical coupling of the detector to the disk, it is advisable to apply a liquid with a suitable refractive index, for example an immersion oil customary in microscopy, between the disk and the detector. Another possibility of adjusting the refractive index consists in the application of a thin, porous SiO 2 -Aerogelschicht with adjusted density gradient between the detector and the disc. This has the advantage that in parts-evacuated glazings the residual gas atmosphere is not burdened by the residual gas pressure occurring in liquids.

[Ausführungsbeispiel 1][Embodiment 1]

Dieses Ausführungsbeispiel sieht mindestens zwei verschiedene Farbstofffelder 1 im Scheibenzwischenraum 5 vor, siehe .

  • i. Ein Feld besteht aus einem schnell reagierenden, aber eventuell dafür kurzlebigen Farbstoff, um eine Qualitätskontrolle während der Inline-Produktion sicher zustellen. Das andere Feld besteht aus einem langlebigen, aber eventuell langsamer reagierenden Farbstoff, um eine Qualitätskontrolle nach Jahren zu gewährleisten.
  • ii. Im Scheibenzwischenraum befinden sich mehrere Farbstofffelder an unterschiedlichen Orten, um eine Bestimmung des durchschnittlichen Gasgemisches zu ermöglichen. Auch ein Farbstoffstreifen über die gesamte Scheibenhöhe oder mindestens einen Teil von dieser ist eine sinnvolle Ausführungsform.
  • iii. Es befinden sich mehrere Felder im Scheibenzwischenraum mit verschiedenen Farbstoffen, die auf unterschiedliche Gase reagieren. So ist beispielsweise ein Feld mit einem Farbstoff, dessen Lumineszenz durch Argon gelöscht wird, besetzt und ein weiteres Feld mit einem Farbstoff, dessen Lumineszenz durch Sauerstoff gelöscht wird.
  • iv. Es befinden sich mehrere Felder im Scheibenzwischenraum mit verschiedenen Farbstoffen, die in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen eine entsprechend hohe Auflösung ermöglichen. Beispielsweise wird für eine Bestimmung des Sauerstoffgehaltes unterhalb von 5% ein Feld mit einem Pt(II) oder Pd(II) enthaltenden Porphyrin besetzt und ein weiteres Feld wird mit einem metall-organischen Komplex, insbesondere einem Übergangsmetallkomplex von Ru(II) für die Bestimmung höherer Sauerstoffkonzentrationen belegt.
This embodiment sees at least two different dye fields 1 in the space between the panes 5 before, see ,
  • i. A field consists of a fast-reacting but possibly short-lived dye to ensure quality control during inline production. The other field consists of a durable, but possibly slower, dye to ensure years of quality control.
  • ii. In the space between the panes there are several color fields at different locations to enable a determination of the average gas mixture. A dye strip over the entire slice height or at least a part of this is a useful embodiment.
  • iii. There are several fields in the space between the panes with different dyes that react to different gases. For example, one field is occupied by a dye whose luminescence is quenched by argon and another field is occupied by a dye whose luminescence is quenched by oxygen.
  • iv. There are several fields in the space between the panes with different dyes, which enable a correspondingly high resolution in different concentration ranges. For example, for a determination of the oxygen content below 5%, one field is occupied by a porphyrin containing Pt (II) or Pd (II) and another field is occupied with a metal-organic complex, in particular a transition metal complex of Ru (II) for the determination occupied higher oxygen concentrations.

[Ausführungsbeispiel 2][Embodiment 2]

Für ortsauflösende Messungen ist eine mit Farbstoff beschichtete Kugel 8 im Scheibenzwischenraum eingebracht.For spatially resolving measurements is a dye coated ball 8th introduced in the space between the panes.

  • i. Die Kugel ist magnetisch und kann durch einen Magneten 9 von außen durch die Scheibe im gesamten Scheibenzwischenraum oder mindestens in einem Teilbereich bewegt werden. Weiterhin können sowohl der Detektor zur Messung der Fluoreszenzintensität 10 und die anregende Lichtquelle 11 in den Magneten integriert sein bzw. einen kombinierten Messkopf 12 ergeben. i. The ball is magnetic and can be activated by a magnet 9 be moved from the outside through the disc in the entire space between the panes or at least in a partial area. Furthermore, both the detector for measuring the fluorescence intensity 10 and the stimulating light source 11 be integrated in the magnet or a combined measuring head 12 result.
  • ii. Die Kugel wird mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch entlang einer Schiene bzw. eines offenen Röhrchens durch die verschiedenen Scheibenhöhen bewegt.ii. The ball is moved mechanically, pneumatically, hydraulically or electrically along a rail or open tube through the different pulley heights.

Weiterhin kann bei einem kurzlebigen Farbstoff ein lichtdicht verschließbares Kästchen 7 in den Randverbund oder den Scheibenzwischenraum integriert werden, um die Lebensdauer des Farbstoffes zu verlängern, siehe .Furthermore, with a short-lived dye, a light-tight sealable box 7 be integrated into the edge bond or the disc space to extend the life of the dye, see ,

[Ausführungsbeispiel 3][Embodiment 3]

Hier wird der Farbstoff auf einen Transponder (elektronisches Bauteil zur Speicherung und berührungslosen Auslesung von Daten) aufgebracht, der im Scheibenzwischenraum 5 angeordnet ist. Der Transponder speichert alle relevanten Daten der Verglasung (Aufbau, Kennwerte, Hersteller, Datum, etc.). Über den Farbstoff 1 kann zusätzlich der Gasfüllgrad bestimmt werden. Somit können alle wichtigen Kenngrößen der Verglasung auch im eingebauten Zustand von außen abgerufen werden.Here, the dye is applied to a transponder (electronic component for storage and non-contact reading of data), which is in the space between the panes 5 is arranged. The transponder stores all relevant data of the glazing (structure, characteristic values, manufacturer, date, etc.). About the dye 1 In addition, the degree of gas filling can be determined. Thus, all important parameters of the glazing can be retrieved from the outside, even when installed.

[Ausführungsbeispiel 4][Embodiment 4]

Bei Dreischeibenisolierverglasungen (vgl. ) werden mindestens zwei Farbstofffelder 1 benötigt. Da hier zwei separate Scheibenzwischenräume 5 vorliegen, muss der Farbstoff in jede einzelne Kammer eingebracht werden. Die Messung erfolgt durch die in der Regel beschichtete Außenscheibe hindurch. Low-e-Schichten verringern die Intensität des Messsignals, was bei der Auswertung berücksichtigt werden sollte und bei zu niedriger Signalstärke beispielsweise durch eine Fokusierung (vgl. ) auf das Farbstofffeld ausgeglichen werden kann. Die Detektion des Messsignals kann sowohl von beiden Seiten erfolgen (siehe ) als auch von einer Seite. Im letzteren Fall wird ein Farbstofffeld durch zwei Scheiben hindurch detektiert, hier ist ebenso auf eine ausreichende Signalstärke zu achten und es sind entsprechende Korrekturfaktoren aufgrund von Mehrfachreflektion und variierenden Brechungsindizes einzubeziehen. Bei der Messung durch eine Scheibe können diese Korrekturfaktoren ebenfalls relevant werden, wenn das Farbstofffeld sich z. B. auf dem Spacer 4 befindet oder nicht ausreichend an die Außenscheibe angekoppelt ist.For three-pane insulating glazings (cf. ) become at least two dye fields 1 needed. There are two separate spaces between the panes 5 present, the dye must be introduced into each individual chamber. The measurement is carried out through the usually coated outer pane. Low-e layers reduce the intensity of the measurement signal, which should be taken into account in the evaluation and, for example, if the signal strength is too low, due to focusing (cf. ) can be compensated for the dye field. The detection of the measurement signal can be done from both sides (see ) as well as from one side. In the latter case, a dye field is detected through two slices, here too attention must be paid to a sufficient signal strength and corresponding correction factors due to multiple reflection and varying refractive indices must be included. When measured through a disk, these correction factors may also become relevant when the dye field is z. B. on the spacer 4 is or is not sufficiently coupled to the outer pane.

[Ausführungsbeispiel 5][Embodiment 5]

Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gasfüllgrades bei der Isolierglasherstellung (Inline-Qualitätskontrolle) oder der Verbundelementherstellung umfasst mindestens einen Messkopf 12 und mindestens ein Farbstofffeld 1 (vgl. ). Der Messkopf umfasst dabei jeweils eine Anregungseinheit 11 zur Bestrahlung des Farbstofffeldes mit Licht entsprechender Wellenlänge für die Anregung der Fluoreszenz des verwendeten Farbstoffes, sowie eine Detektionseinheit 10 zur quantitativen Bestimmung des emittierten Fluoreszenzlichtes (vgl. ). Mit einer zusätzlichen Optik 13, bestehend aus mindestens zwei Sammellinsen kann des Anregungs- und das Messsignal bei Bedarf verstärkt werden (vgl. ). Das Farbstofffeld wird vor dem Zusammenbau der Isoliergläser auf der Innenseite der Scheibe oder auf dem Spacer 4 angebracht. Anschließend fahren die Einzelteile mit Farbstofffeld in die Gasfüllanlage. Dort wird das Edelgas eingefüllt und die Einzelteile zum Isolierglas zusammengefügt. Nach Verlassen der Gasfüllanlage passiert das – jetzt im Inneren der gasgefüllten Kammern befindliche – Farbstofffeld den Messkopf. Die Anregungseinheit bestrahlt von außen das Farbstofffeld, die Detektionseinheit erfasst die Intensität der emittierten Strahlung und ermittelt so den Gasfüllgrad. Beim Zweischeibenisolierglas ist ein Messkopf ausreichend. Beim Dreischeibenisolierglas werden entweder zwei Messköpfe verwendet die beidseitig simultan den Gasfüllgrad ermitteln, oder es wird ein Messkopf verwendet, der nacheinander entweder von beiden Seiten misst oder die zweite Kammer durch zwei Scheiben hindurch misst. Alternativ kann der Messkopf schon vor der Befüllung in der Gasfüllanlage an der geeigneten Messposition arretiert sein. Der Vorteil hierbei ist, dass der Gasfüllgrad des zu befüllenden Elements vor und nach der Befüllung erfasst werden kann. Auf diese Weise kann man anhand der Differenz der beiden Messwerte den Füllgrad ermitteln, wobei zugleich Störfaktoren, hervorgerufen beispielsweise durch Temperaturabweichungen oder Intensitätsvermindernde Beschichtungen, eliminiert werden.A device for determining the degree of gas filling in the manufacture of insulating glass (inline quality control) or the production of composite elements comprises at least one measuring head 12 and at least one dye field 1 (see. ). The measuring head in each case comprises an excitation unit 11 for irradiation of the dye field with light of appropriate wavelength for the excitation of the fluorescence of the dye used, as well as a detection unit 10 for the quantitative determination of the emitted fluorescent light (cf. ). With an additional look 13 consisting of at least two converging lenses, the excitation and the measurement signal can be amplified if necessary (see. ). The dye field is before the assembly of the insulating glass on the inside of the disc or on the spacer 4 appropriate. Subsequently, the individual parts drive with dye field into the gas filling plant. There the noble gas is filled in and the individual parts are joined together to form the insulating glass. After leaving the gas filling plant, the dye field - now inside the gas-filled chambers - passes the measuring head. The excitation unit irradiates the dye field from the outside, the detection unit detects the intensity of the emitted radiation and thus determines the degree of gas filling. For double-pane insulating glass, one measuring head is sufficient. The three-disc insulating glass uses either two probes that simultaneously detect the degree of gas filling on both sides, or uses a measuring head that either measures from either side in succession or measures the second chamber through two disks. Alternatively, the measuring head can already be locked in the gas filling system at the suitable measuring position before it is filled. The advantage here is that the degree of gas filling of the element to be filled can be detected before and after filling. In this way it is possible to determine the degree of filling on the basis of the difference between the two measured values, at the same time eliminating disturbing factors caused, for example, by temperature deviations or intensity-reducing coatings.

Außerdem ist es möglich einen Messkopf mit mehreren Anregungs- und Detektionseinheiten auszustatten. Dieser kann zum einen zur gleichzeitigen Messung beider Kammern bei Dreischeibenverglasungen von einer Seite verwendet werden. Zum anderen ist eine Ausführungsform für verschiedene Farbstoffe und somit für verschiedene Auslegungsbereiche der Anregungs- und Detektionseinheit möglich. Hiermit kann in nur einer Messung die genaue Gasmischung bestimmt werden, wenn beispielsweise drei unterschiedliche Farbstoffe, deren Fluoreszenz von drei unterschiedlichen Gasen (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Argon) gelöscht wird, verwendet werden.It is also possible to equip a measuring head with several excitation and detection units. This can be used on the one hand for the simultaneous measurement of both chambers in three-pane glazing from one side. On the other hand, an embodiment for different dyes and thus for different design ranges of the excitation and detection unit is possible. Hereby, the exact gas mixture can be determined in only one measurement, for example if three different dyes whose fluorescence is quenched by three different gases (eg oxygen, nitrogen, argon) are used.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Farbstoff-/MessfeldDye / measurement field
33
Scheibedisc
44
Spacerspacer
55
gasgefüllter oder evakuierter Zwischenraumgas-filled or evacuated space
66
Polarisationsfilter bzw. schaltbare BeschichtungPolarizing filter or switchable coating
77
LichtschutzvorrichtungLight Fender
88th
Farbstoff beschichtete KugelDye coated ball
99
Magnetmagnet
1010
Detektor zur Messung der FluoreszenzintensitätDetector for measuring fluorescence intensity
1111
Lichtquelle, anregender WellenlängeLight source, stimulating wavelength
1212
Messkopfaufsatz mit wohl definierter Geometrie zum MessfeldMeasuring head attachment with well-defined geometry to the measuring field
1313
Optikoptics

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (13)

Vorrichtung zur berührungsfreien Bestimmung des Gasgehaltes in hermetisch abgeschlossenen Systemen, insbesondere in gasgefüllten oder mit Unterdruck arbeitenden Mehrscheibensystemen oder Verbundelementen dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus mindestens i. einer Lichtquelle einer bestimmten Wellenlänge, insbesondere einem Laser oder einer LED, ii. einem Detektor zur Messung der Fluoreszenz iii. und einer von beiden unabhängigen, baulich getrennten lumineszierenden Substanz in einem gasgefüllten oder mit Unterdruck arbeitenden Bauelement, insbesondere einer gasgefüllten Mehrscheibenverglasung oder einem mindestens teilweise transluzenten, gasgefüllten oder mit Unterdruck arbeitenden Verbundelement besteht.Device for non-contact determination of the gas content in hermetically sealed systems, in particular in gas-filled or vacuum-operated multi-plate systems or composite elements, characterized in that the device consists of at least i. a light source of a particular wavelength, in particular a laser or an LED, ii. a detector for measuring fluorescence iii. and one of two independent, structurally separate luminescent substance in a gas-filled or vacuum-operated component, in particular a gas-filled multi-pane glazing or an at least partially translucent, gas-filled or working with negative pressure composite element. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass i. mindestens eine lumineszierende Substanz, deren Lumineszenz durch ein entsprechendes Gas, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff oder ein Edelgas, reduziert wird (Fluoreszenzlöschung), im Scheibenzwischenraum eingebracht ist, ii. diese Substanz durch Licht einer bestimmten Wellenlänge zur Emission von Strahlung angeregt wird, iii. die Intensität der emittierten Strahlung gemessen wird, iv. die Messzeit zur Bestimmung des Gasgehaltes weniger als 60 Sekunden, insbesondere weniger als 30 Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden, beträgt, v. die Messgenauigkeit bezüglich des Sauerstoffgehaltes bei gasgefüllten Scheiben mit weniger als 10% Luft bei 0,6%, insbesondere bei 0,2%, beziehungsweise bei Verbundelementen oder Mehrscheibensystemen mit Unterdruck die Messgenauigkeit bezüglich des Sauerstoffgehaltes bei mindestens 1% liegt.Apparatus according to claim 1, characterized in that i. at least one luminescent substance whose luminescence is reduced by a corresponding gas, in particular oxygen, nitrogen or a noble gas (fluorescence quenching), is introduced in the space between the panes, ii. this substance is excited by light of a certain wavelength to emit radiation, iii. the intensity of the emitted radiation is measured, iv. the measuring time for determining the gas content is less than 60 seconds, in particular less than 30 seconds, in particular less than 10 seconds, v. the accuracy of measurement with respect to the oxygen content in gas-filled discs with less than 10% air at 0.6%, in particular at 0.2%, or in composite elements or multi-disc systems with negative pressure measurement accuracy with respect to the oxygen content is at least 1%. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz direkt auf eine der Glasscheiben, den Randverbund oder das Dichtungsmaterial einer Mehrscheibenverglasung aufgetragen ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the luminescent substance is applied directly to one of the glass panes, the edge seal or the sealing material of a multi-pane glazing. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz auf einem flachen Trägermaterial aufgetragen ist, das im Scheibenzwischenraum, insbesondere auf der Glasscheibe oder dem Spacer, befestigt ist oder im Scheibenzwischenraum beweglich ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the luminescent substance is applied to a flat substrate, which is fixed in the space between the panes, in particular on the glass or the spacer, or is movable in the space between the panes. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz auf eifern Transponder teilweise oder ganz aufgetragen ist und dieser im Scheibenzwischenraum, insbesondere auf der Glasscheibe oder dem Spacer befestigt ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the luminescent substance on eifern transponder is partially or completely applied and this is fixed in the space between the panes, in particular on the glass or the spacer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz auf einem dreidimensionalen Körper, insbesondere einer Kugel, aufgetragen ist, der sich im Scheibenzwischenraum befindet, insbesondere dort beweglich ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the luminescent substance on a three-dimensional body, in particular a ball, is applied, which is located in the space between the panes, in particular there is movable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz in Teilen des Scheibenzwischenraumes oder dem gesamten Scheibenzwischenraum für eine ortsabhängige Messung mechanisch, beispielsweise durch eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Vorrichtung, bewegt werden kann.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the substance in parts of the space between the panes or the entire space between panes for a location-dependent measurement mechanically, for example by an electric, pneumatic or hydraulic device, can be moved. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz in Teilen des Scheibenzwischenraumes oder dem gesamten Scheibenzwischenraum für eine ortsabhängige Messung magnetisch, insbesondere durch ein magnetisches Trägermaterial oder einen magnetischen Körper, bewegt werden kann.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the substance in parts of the space between the panes or the entire space between panes can be moved magnetically for a location-dependent measurement, in particular by a magnetic carrier material or a magnetic body. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des emittierten Lichtes bei der Messung durch mechanische oder optische Regler oder durch Variation der Intensität des anregenden Lichtes bei verschiedenen Scheibensystemen auf einen gleichen Wert oder durch eine Referenzsubstanz außerhalb des Scheibensystems normiert wird.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the intensity of the emitted light is normalized in the measurement by mechanical or optical controller or by varying the intensity of the exciting light in different disc systems to an equal value or by a reference substance outside the disc system. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz in mit Unterdruck arbeitenden Scheibensystemen oder Verbundelementen als Getter fungiert.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the luminescent substance acts as a getter in working with vacuum disc systems or composite elements. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 100 dadurch gekennzeichnet, dass eine Substanz, vorzugsweise eine Flüssigkeit oder ein Gel, mit einem Brechungsindex nahe dem von Glas, vorzugsweise zwischen 1,3 und 1,6, die Ankopplung zwischen Scheibe und Messkopf verbessert.Device according to one of claims 1 to 100, characterized in that a substance, preferably a liquid or a gel, with a refractive index close to that of glass, preferably between 1.3 and 1.6, improves the coupling between the disk and the measuring head. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass eine mobile Messeinheit durch eine Optik, insbesondere eine optische Faser, mit der Lichtquelle und dem Detektor verbunden ist.Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a mobile measuring unit is connected by an optical system, in particular an optical fiber, with the light source and the detector. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit mindestens eine Transponderleseeinheit enthält, insbesondere zusätzlich eine Transponderschreibeinheit. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the measuring unit contains at least one transponder reading unit, in particular additionally a transponder writing unit.
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