DE102013017377A1

DE102013017377A1 - Messvorrichtung zur detektion der strahlung und/oder bestimmung der strahlungsleistung von mindestens einer quelle, die elektromagnetische strahlung emittiert, insbesondere für eine entkeimungs- oder desinfektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013017377A1
Application number: DE201310017377
Authority: DE
Inventors: Edgar Pawlowski; Volker Plapper; Jörg Blechschmidt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Detektion von Strahlung und/oder zur Bestimmung der Strahlungsleistung von ein oder mehreren Quellen, die elektromagnetische Strahlung emittieren, insbesondere für eine Vorrichtung zur Entkeimung bzw. Desinfektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten, umfassend einen Glasstab (10) oder eine Stufenindexfaser (11) aus Strahlungs-transparentem Glas, der/die eine Eingangsseite (10.1 oder 11.1) und eine Ausgangsseite (10.2 oder 11.2) aufweist, und als Lichtleiter fungiert, wobei die Ausgangsseite (10.2 oder 11.2) mit Mitteln (30, 40) verbunden ist, die zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der mindestens einen Quelle dienen. Ein einziger Sensor ermöglicht das Überwachen und Aufzeichnen der UV-Intensität sämtlicher vorhandener UV-Lichtquellen und der Fluoreszenzstrahlung von im zu entkeimenden/entkeimten Medium vorliegenden Mikroorganismen über die Zeit und/oder die Wellenlänge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Detektion von Strahlung und/oder Bestimmung der Strahlungsleistung von ein oder mehreren Quellen, die elektromagnetische Strahlung emittieren, insbesondere für eine Vorrichtung zur Entkeimung bzw. Desinfektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten. Die Meßvorrichtung zur Detektion von Strahlung und/oder Bestimmung der Strahlungsleistung wird kurz auch in dieser Anmeldung mit Sensor bezeichnet. Unter elektromagnetischer Strahlung im Sinne der Erfindung wird hier der Wellenlängenbereich verstanden, der zwischen dem UV-Licht bis zum fernen Infrarot-Spektrum (150 bis 10.000 nm) liegt. Es ist bereits bekannt, UV-Strahlung zur Behandlung, insbesondere zur Entkeimung oder Sterilisierung bzw. Desinfizierung, von Wasser, Luft oder Oberflächen einzusetzen. Relativ verbreitet ist bislang die Trinkwasseraufbereitung mit UV-Strahlung, wobei die Keimzahl in Wasser zuverlässig und in Abhängigkeit zur Dosis stark reduziert werden kann. Durch die UV-Strahlung werden Mikroorganismen, wie Krankheitserreger, insbesondere Bakterien, Viren oder auch Pilze, inaktiviert. Die keimreduzierende Wirkung der UV-Strahlung hängt hierbei von der Wellenlänge, der Strahlungsdichte und der Art der Mikroorganismen, die inaktiviert werden sollen, ab. Unter UV-Strahlung wird hier der Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung verstanden, der zwischen dem sichtbaren Licht und der Röntgenstrahlung liegt, d. h. etwa im Wellenlängenbereich von 150 bis 380 nm. Die keimtötende oder DNA-zerstörende Wirkung von Mikroorganismen durch UV-Strahlung wird im Wellenlängenbereich des UV-B (etwa 280 bis 315 nm) und insbesondere im UV-C (etwa 200 bis 280 nm) erzielt.
Weiterhin ist bekannt, dass Mikroorganismen, wie Bakterien, durch eine Anregung mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im UV-C-Spektralbereich, fluoreszieren. Die Intensität des Fluorezenzlichtes ist dabei abhängig von der Anzahl der vorhandenen Bakterien (siehe z. B. Applied Spectroscopy, Miryeong Sohn et al., 63, Nr. 11, 2009, S. 1251–1255, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird). Daher kann die Fluoreszenzstrahlung eingesetzt werden, um die Mikroorganismen und deren Konzentration zu bestimmen.
Bekanntermaßen produzieren Gasentladungslampen mit einem Quecksilberanteil in der Gasfüllung eine dominante Emissionslinie bei 254 nm, die nahe des Maximums der wellenlängenabhängigen Wirksamkeit von UV-Licht zur Entkeimung bzw. Desinfizierung von Mikroorganismen liegt. Kürzere Wellenlängen unterhalb 200 nm sind so kurzwellig, dass sie durch molekularen Sauerstoff absorbiert werden, wodurch der molekulare Sauerstoff in freie Sauerstoffradikale gespalten wird und mit weiteren Sauerstoffmolekülen zu Ozon weiterreagieren kann. In diesem Zusammenhang von Interesse ist, dass auch Ozon in Wasser eine entkeimende Wirkung aufweist. Derartige kurzwellige UV-Strahlung wird unter anderem zur Herstellung von hochreinem Wasser eingesetzt.
Bei der UV-Entkeimung werden daher üblicherweise Quecksilberdampflampen eingesetzt, welche Strahlung bei einer Wellenlänge von 254 nm, d. h. im UV-C-Bereich, emittieren. Um eine ausreichend keimtötende Wirkung zu erzielen, wird eine bestimmte Dosis der UV-Strahlung benötigt, wobei die Dosis durch die Strahlungsintensität der UV-Lichtquelle, multipliziert mit der Dauer bzw. Einwirkzeit der UV-Strahlung auf den Mikroorganismus bzw. das Pathogen bestimmt wird. So beträgt beispielsweise die UV-Dosis, um 99% von Bacillus subtilis spores abzutöten, 22.000 μWs/cm², so dass bei einer UV-Lichtquelle mit einer bekannten UV-Strahlungsintensität von 800 μW/cm² eine Zeitdauer von 27,5 sek. erforderlich ist, um eine erfolgreiche Entkeimung durchzuführen.
Die UV-Strahlungsintensität der Lichtquelle wird durch die Art der UV-Lichtquelle sowie die Eigenschaften des zu behandelnden Mediums bestimmt. Die Einwirkzeit bestimmt sich durch die Länge des Wegs, über den das Medium behandelt wird. Die Ausgabeleistung der UV-Lichtquelle nimmt jedoch im Laufe der Zeit ab. Beispielsweise degradieren CCL UV-C-Lampen innerhalb der ersten 100 bis 500 Arbeitsstunden um mehrere Prozent. Man bezeichnet dies auch als Alterung der UV-Lichtquelle. Weiterhin bestimmt auch die Lebensdauer der Lichtquelle das Niveau der Leistungsfähigkeit, da mit zunehmender Alterung die Leistung, insbesondere im UV-C-Bereich, umso stärker abfällt. Es kann ein Leistungsabfall auf z. B. bis zu 50% nach 10.000 h Betriebszeit erfolgen. Bei einem derartig hohen Leistungsabfall der UV-Lichtquelle ist unter Umständen keine ausreichende Entkeimung des Mediums mehr gewährleistet. Zusätzlich hängt die UV-C-Intensität der Lampen oder der LEDs oder Laser stark von der Umgebungstemperatur ab. Auch eine Trübung des zu bestrahlenden Mediums oder eine Reduktion der Reflektivität der inneren Wandung kann die Entkeimungswirkung reduzieren.
Um eine geeignete und ausreichende Funktionsweise einer Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung über die gesamte Einsatzzeit sicherzustellen, muss die UV-Leistung im Medium überwacht werden, denn wenn die Dosis der UV-Strahlung einen vordefinierten Wert unterschreitet, kann eine ausreichende Entkeimung bzw. Desinfizierung nicht mehr sichergestellt werden. Aus diesem Grund und zur notwendigen Kontrolle der UV-Leistung, müssen UV-Sensoren eingesetzt werden. Bestimmte Normen, wie die NSF55 (Ultraviolett-mikrobiologische Wasserbehandlungssysteme) und die W294 der DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches – Branchenverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft) schreiben die Kontrolle der UV-Leistung zum Teil vor.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Vorschläge, UV-Sensoren einzusetzen, bekannt geworden:
So betrifft die DE 10 2011 102 687 A1 eine Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Wasserdesinfektionsanlagen mit wenigstens einem in einem Kanal angeordneten Breitband-UV-Strahler, wobei die Vorrichtung wenigstens einen ersten UV-Sensor aufweist, der im Wasser in einem Abstand vom Breitband-UV-Strahler angeordnet ist, und wobei der erste UV-Sensor mit einer Regeleinheit verbunden ist, die zur Regelung der Leistung des Breitband-UV-Strahlers oder des Volumenstroms an Wasser durch den Kanal eingerichtet ist, wobei der erste UV-Sensor ein Empfindlichkeitsmaximum für UV-Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 240 nm aufweist. Optional kann ein zweiter UV-Sensor vorgesehen werden, der ein Empfindlichkeitsmaximum zwischen 240 nm und 300 nm aufweist.
Weiterhin offenbart die DE 199 57 997 A1 eine Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Strahlungsleistung von UV-Strahlern einer Wasserdesinfektionsanlage mit wenigstens einem im Betrieb den Strahlern benachbarten Sensorkopf sowie mit einer von den Strahlern entfernt angeordneten Steuerungs- oder Regelungseinheit, wobei der Sensorkopf in baulicher Einheit einen Sensor, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) und einen digital programmierbaren Kalibrierungsbaustein umfasst. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass der verwendete Sensorkopf unabhängig von der Steuerungs- und Regelungseinheit kalibriert werden kann, so dass zur Kalibrierung beispielsweise ein Referenzsensor eingesetzt werden kann.
Ferner beschreibt die EP 1 130 381 B1 ein Transmissionsmessgerät zur Messung des Transmissionsgrades einer Flüssigkeit, wobei das Messgerät eine zylindrische Analysekammer für den Durchlass der Flüssigkeit durch dieselbe sowie eine längliche elektromagnetische Quelle umfasst, wobei die Mittel für die Aufnahme der Quelle in der Kammer angeordnet sind, wobei das Messgerät außerdem drei Sensoren (D1, D2 und D3) umfasst, von denen jeder zum Messen der Ausgangsgröße von der Quelle konfiguriert und in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse der Kammer und um den Umfang der Kammer herum angeordnet ist, wobei die Quelle parallel zur mittigen Symmetrieachse der Kammer ausgerichtet und an einer Seite der mittigen Symmetrieachse der Kammer so angeordnet ist, dass jeder der drei Sensoren in einem verschiedenen Abstand von der Quelle angeordnet ist. In dieser Vorrichtung ist typischerweise ein UV-Sensor für jede UV-Quelle vorgesehen.
Schließlich beschreibt die EP 2 399 614 A1 eine Vorrichtung zur Desinfektion von Fluiden, in der das Fluid UV-Licht ausgesetzt wird, umfassend einen Fluidbehandlungsbereich, der angepasst ist, um Fluide zu enthalten und das Fluid durch die Vorrichtung führt; Mittel, die angepasst sind, um einen Fluss des Fluids durch den Fluidbehandlungsbereich zu verwirklichen, Mittel, die angepasst sind, um UV-Licht zum Fluidbehandlungsbereich zu emittieren, Mittel die angepasst sind, um die Betriebsparameter einer Fluiddesinfektionsbehandlung zu überwachen, die das Zuführen von Fluid zum Fluidbehandlungsbereich und den Betrieb sowohl der Fließverwirklichungsmittel als auch der Lichtemissionsmittel einbezieht, sowie Kontrollmittel zum Bestimmen einer optimalen Flussrate des Fluids durch den Fluidbehandlungsbereich und zur Kontrolle bzw. Steuerung der operativen Elemente der Vorrichtung, um die tatsächliche optimale Flussrate zu verwirklichen. In dieser Veröffentlichung steht der Fluss des zu behandelnden Fluids im Vordergrund. Die UV-Sensoren sind beispielsweise in den Wänden des Reaktors oder am Wassereinlass angeordnet.
Nachteilig an den genannten UV-Sensoreinrichtungen ist, dass die vorgesehenen UV-Sensoren nur punktuell die UV-Leistung messen. Damit sind die durch den Sensor ermittelten Werte auch nur örtlich begrenzt, und es müssten mehrere UV-Sensoren im UV-Entkeimungs- bzw. -Desinfektionssystem vorhanden sein, die miteinander koordiniert und aufeinander abgestimmt sind und in der Regel nur eine UV-Lichtquelle erfassen und überwachen können. Dies bedeutet zusätzlichen Wartungsaufwand, zusätzliche Überwachung von weiteren Einrichtungen, zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand sowie erhöhte Fehleranfälligkeit aufgrund zahlreicher zu überwachender weiterer Sensor-Einrichtungen.
Weiterhin sind bislang keine Sensoren bekannt, die zusätzlich ein wellenselektives Fluoreszenzspektrum detektieren können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung – kurz einen Sensor – bereitzustellen, der die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht zeigt. Insbesondere soll die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – für ein UV-Entkeimungssystem geeignet sein, um sicherzustellen, dass dieses stets sicher verwendet werden kann und in ausreichendem Maße desinfizierend bzw. entkeimend wirkt. Ein unwirksames Entkeimen soll ausgeschlossen werden; weiterhin soll das Entkeimungsverfahren in effizienter Weise durchgeführt werden. Insbesondere soll die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – so ausgestaltet sein, dass dieser die gesamte Leistung in dem mit UV-Strahlung zu behandelnden Bereich (UV-Reaktor) messen kann, aber auch andere Strahlung, beispielsweise von Mikroorganismen emittierte Fluoreszenzstrahlung, bevorzugt wellenselektiv, erfassen kann. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – eine kostengünstige und bevorzugt wellenlängenselektive Messung ermöglicht.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Meßvorrichtung – kurz einen Sensor – zur Detektion von Strahlung und/oder zur Bestimmung der Strahlungsleistung von mindestens einer Quelle, die elektromagnetische Strahlung emittiert, insbesondere für eine Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung, umfassend einen Glasstab oder eine Stufenindexfaser definierter Länge aus Glas, das für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, der/die eine Eingangsseite an einem Ende des Glasstabs oder der Stufenindexfaser und eine Ausgangsseite am entgegen gesetzten Ende des Glasstabs oder der Stufenindexfaser aufweist, wobei der Glasstab oder die Stufenindexfaser zur Einkoppelung von Licht dient und als Lichtleiter wirkt, und die Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser mit Mitteln verbunden ist, die zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der mindestens einen Quelle dienen.
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Quelle eine UV-Lichtquelle. Die UV-Lichtquelle emittiert im Betriebszustand überwiegend UV-Licht. Das Glas des Glasstabs oder der Stufenindexfaser ist dann ein UV-transparentes Glas. In diesem Fall ist der erfindungsgemäße Sensor ein UV-Sensor.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann auch das Licht eines Mikroorganismus, der optional einen Fluoreszenzmarker aufweist, aufgenommen bzw. detektiert werden. Die Lichtquelle stellt dann den Organismus selbst dar. Der Mikroorganismus oder die Mikroorganismen befinden sich im zu entkeimenden Medium der Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtung und emittieren nach Anregung Fluoreszenzstrahlung, die vom erfindungsgemäßen Sensor detektiert werden kann. In diesem Fall wird das Glas des Glasstabs oder der Stufenindexfaser derart ausgewählt, dass es für die im UV-Bereich, Infrarot- und/oder sichtbaren Bereich auftretende Fluoreszenzstrahlung transparent ist.
Erfindungsgemäß wird demnach eine Meßvorrichtung – kurz ein Sensor – bereitgestellt, der in einfacher und zuverlässiger Weise die Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung und/oder Strahlungsintensität von mindestens einer UV-Lichtquelle und/oder das Fluoreszenzlichtspektrum der vorhandenen Mikroorganismen in einer Entkeimungsvorrichtung ermöglicht.
Die Strahlungsintensität wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als der Anteil der gesamten Strahlungsleistung verstanden, der von mindestens einer UV-Lichtquelle oder mindestens einem angeregten Mikroorganismus in einer gegebenen Raumrichtung in ein Raumwinkelelement emittiert wird. Die Strahlungsleistung ist die Energiemenge, die pro Zeitspanne von elektromagnetischen Wellen transportiert wird.
Erfindungsgemäß werden ein Glasstab oder eine Stufenindexfaser eingesetzt. Eine Stufenindexfaser ist eine Lichtleitfaser, die aus einem Faserkern und einem Fasermantel aufgebaut ist, wobei der Brechungsindex zwischen Faserkern und Mantel stufenförmig verläuft. Die Stabform oder Oberfläche bewirkt eine besonders gute Einkopplung und Weiterleitung des Lichtes entlang des Stabes oder der stabförmig ausgebildeten Faser und wirkt als Lichtleiter. Der Stab oder die Stufenindexfaser weisen eine Eingangsseite an einem Ende auf, die sich vorzugsweise in das vorliegende Medium hinein erstreckt, und eine Ausgangsseite am anderen, entgegen gesetzten Ende des Glasstabs oder der Stufenindexfaser. Hierdurch gelangt das Licht vom Medium in den Glasstab oder die Stufenindexfaser und wird in diesem an die Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser geleitet bzw. geführt. Die Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser ist erfindungsgemäß optisch mit Mitteln verbunden, die zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der mindestens einen Quelle dienen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden die Mittel zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung und/oder Strahlungsleistung des Lichts an der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser in optimaler Weise mit Licht versorgt und die UV-Strahlungsintensität einer Entkeimungsvorrichtung und/oder das detektierte Floureszenzspektrum von im Medium vorliegenden Keimen, insbesondere Mikroorganismen, kann bestimmt werden.
Der Glasstab oder die Stufenindexfaser ist aus Glas aufgebaut, das für die von der Quelle emittierte elektromagnetische Strahlung transparent ist. Wenn die Quelle beispielsweise eine UV-Lichtquelle darstellt wird das Glas UV-transparent ausgewählt. Der Begriff „UV-transparent” bedeutet, dass das erfindungsgemäß eingesetzte Glas des Stabs oder der Faser eine hohe UV-Transmission aufweist, was bedeutet, dass eine UV-Transmission von mindestens 75% bei einer Wellenlänge von 254 nm und einer Schichtdicke des Glases von 1 mm vorliegt. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform zeigt das Glas eine Transmission bei einer Schichtdicke von 1 mm im UV-Bereich, die bei 200 nm < 0,5% liegt und bei 254 nm > 75% liegt. Noch bevorzugter wird eine Transmission bei einer Schichtdicke von 1 mm im UV-Bereich bei 200 nm < 0,3% und bei 254 nm > 80% erhalten.
Wenn die Quelle, die elektromagnetische Strahlung emittiert, ein angeregter Mikroorganismus ist, dann wird das Glas derart ausgewählt, dass es für die auftretende Fluoreszenzstrahlung, die im UV-Bereich, IR-Bereich und/oder sichtbaren Bereich liegen kann, eine möglichst hohe Transmission aufweist. Transmissionen von mindestens 75% sind dabei anzustreben. Dem Fachmann im Stand der Technik sind derartige Glasmaterialien bekannt.
Das verwendbare für die elektromagnetische Strahlung transparente Glas ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt. Es kann jedes dem Fachmann bekannte geeignete Glas zum Einsatz kommen, wobei selbstverständlich Gläser bevorzugt sind, die eine hohe Transmission aufweisen. Werden UV-transparente Gläser eingesetzt, so werden vorteilhafterweise Gläser verwendet, die eine hohe Transmission im UV-B- und UV-C-Bereich aufweisen. Besonders bevorzugt ist insbesondere ein UV-transparentes Glas, das eine entsprechend hohe Transmission bei der Wellenlänge von 254 nm, wie bereits erläutert, aufweist. Erfindungsgemäß bevorzugte UV-transparente Gläser sind beispielsweise Quarzgläser, Silicatgläser, besonders bevorzugt Borosilcatgläser oder Natrium-Kalium-Barium-Silicatgläser, ganz besonders bevorzugt Quarzgläser und Borosilicatgläser.
Bei den erfindungsgemäß verwendeten Gläsern ist neben der erwünscht hohen Strahlungs-Durchlässigkeit darauf zu achten, dass diese gegenüber dem verwendeten Medium eine ausreichende Stabilität aufweisen. Wenn beispielsweise Wasser entkeimt werden soll, wird vorzugsweise ein hydrolytisch ausreichend stabiles Glas eingesetzt. Nach DIN ISO 719 werden Gläser in 5 Wasserbeständigkeitsklassen eingeteilt. Wenn Wasser entkeimt werden soll, wird daher bevorzugt ein UV-transparentes Glas eingesetzt, das je nach gewählter Zusammensetzung, eine hydrolytische Beständigkeit der Klasse 1 bis 3 gemäß ISO 719 (auch bezeichnet als Wasserbeständigkeitsklasse oder WBK), besonders bevorzugt eine hydrolytische Beständigkeit der Klasse 1 gemäß ISO 719 aufweist.

Besonders bevorzugt eingesetzte UV-transparente Gläser umfassen eine der nachfolgenden Glaszusammensetzungen (in Gew.-% auf Oxidbasis) auf: Glaszusammensetzung 1:

SiO₂	75–85 Gew.-%
B₂O₃	8–15 Gew.-%
Al₂O₃	0,5–4 Gew.-%
Na₂O	1–6 Gew.-%
K₂O	0,1–2 Gew.-%
ZrO₂	< 0,005 Gew.-%

mit einem Gehalt an Fe₂O₃ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm,
einem Gehalt an TiO₂ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm
und einem Gehalt an Läutermittel;
oder Glaszusammensetzung 2:

SiO₂	65–75 Gew.-%
B₂O₃	15–22 Gew.-%
Al₂O₃	4,5–7 Gew.-%
Na₂O	1,5–4 Gew.-%
K₂O	0,5–3 Gew.-%
Li₂O	0,1–1,5 Gew.-%
BaO	0,5–4 Gew.-%
CaO	0,1–2 Gew.-%
MgO	< 0,01 Gew.-%

mit einem Gehalt an Fe₂O₃ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm,
einem Gehalt an TiO₂ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm
und einem Gehalt an Läutermittel;
oder Glaszusammensetzung 3:

SiO₂	65–78 Gew.-%
B₂O₃	0,5–4 Gew.-%
Al₂O₃	0,5–4 Gew.-%
Na₂O	5–10 Gew.-%
K₂O	8–14 Gew.-%
BaO	5–8 Gew.-%

mit einem Gehalt an Fe₂O₃ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm,
einem Gehalt an TiO₂ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm,
einem Gehalt an CaO < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm,
einem Gehalt an MgO < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm
und einem Gehalt an Läutermittel;
oder Glaszusammensetzung 4:

SiO₂	> 98 Gew.-%
TiO₂	< 0,1 Gew.-%
Al₂O₃	< 0,1 Gew.-%
Li₂O	< 0,1 Gew.-%
K₂O	< 0,1 Gew.-%
ZrO₂	< 0,1 Gew.-%,

Die Glaszusammensetzungen können neben den genannten Komponenten noch weitere Komponenten umfassen. In jedem Fall ergeben die unterschiedlichen Komponenten der Glaszusammensetzung zusammen immer 100 Gew.-%.
Die Gläser 1 und 4 sind beispielsweise für die Entkeimung von Wasser besonders bevorzugt, da diese eine hydrolytische Beständigkeit der Klasse 1 aufweisen. Die Gläser 2 und 3 werden auch bevorzugt für die Entkeimung von Gasen verwendet.
Der Glasstab oder die Stufenindexfaser können erfindungsgemäß von beliebiger Form und Größe sein. Es ist ein längliches und gerade verlaufendes starres Teil. Der Querschnitt des Glasstabs oder der Stufenindexfaser ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Der Querschnitt ist beliebig wählbar, beispielsweise kann ein runder oder ovaler Querschnitt vorliegen. Auch eckige Querschnitte sind möglich, aber nicht bevorzugt. Besonders bevorzugt ist ein runder Querschnitt. Ein beispielhafter Durchmesser des Glasstabs oder der Stufenindexfaser liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 10 mm.
Der Glasstab oder die Stufenindexfaser weist eine definierte Länge auf, die bevorzugt derart ausgewählt ist, dass die Länge des Glasstabs oder der Stufenindexfaser an die Länge des Reaktors oder der Bestrahlungskammer angepasst ist, d. h. der Glasstab oder die Stufenindexfaser erstreckt sich zumindest über die gesamte Länge des Reaktors oder der Bestrahlungskammer. Der Glasstab oder die Stufenindexfaser kann länger sein als der Reaktor, aber dieser sollte möglichst nicht kürzer sein als dieser, so dass die integrierte Leistung bzw. Gesamtleistung im Reaktor durch den erfindungsgemäßen Sensor bestimmt werden kann. Besonders bevorzugt wird daher über die komplette Länge der Vorrichtung, insbesondere die komplette Entkeimungs- bzw. Desinfektionslänge der Vorrichtung gemessen.
Der Reaktor oder die Bestrahlungskammer kann ein beliebiger Reaktor sein, d. h. eine Vorrichtung, in der durch Strahlung eine oder mehrere Reaktionen ausgelöst und/oder in der die Behandlung, insbesondere Entkeimung, eines Mediums unter Verwendung von Strahlung erfolgt. Bevorzugt ist die Vorrichtung eine Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung, wie diese im Stand der Technik bekannt sind. In diesem Fall ist der Reaktor ein UV-Reaktor. Unter „UV-Reaktor” wird erfindungsgemäß der Bereich verstanden, wo das zu behandelnde Medium durch Bestrahlung mit ein oder mehreren UV-Lichtquellen entkeimt bzw. desinfiziert wird. Hierbei kann es sich um eine oder mehrere abgeschlossene oder offene Einheiten in einem stationären oder Durchfluss-System in einer kleinen oder großen Anlage handeln, die kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitet. Beispielsweise kann der UV-Reaktor in Form eines Tanks, eines Kanals oder eines Rohrs vorliegen, das beispielsweise aus UV-transparentem Material besteht. Auch die Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung, in welcher der mindestens eine UV-Reaktor vorliegt, in dem der Sensor eingesetzt werden kann, ist hierbei erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Es sind sowohl Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtungen möglich, bei denen die ein oder mehreren Quellen in Form von UV-Lichtquellen vom zu entkeimenden Medium umspült werden, als auch Vorrichtungen, bei denen die UV-Lichtquellen außerhalb des zu entkeimenden Mediums angeordnet sind. Mögliche Ausführungsformen von Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtungen und darin verwendete verschiedene UV-Reaktoren sind beispielsweise aus dem oben geschilderten Stand der Technik bekannt. Für bevorzugt Ausführungsformen hinsichtlich des UV-Reaktors wird beispielsweise auf die DE 10 2011 112 994.8 und die DE 10 2012 022 326.9 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hier durch Bezug vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung mit aufgenommen sein soll.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird für einen Reaktor nur eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz Sensor – verwendet (1 Sensor pro Reaktor). Liegen mehrere Reaktoren in einer Vorrichtung vor, wird vorzugsweise für jeden Reaktor jeweils eine Meßvorrichtung – kurz Sensor – verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Glasstab oder die Stufenindexfaser bevorzugt mit gleichem Abstand zu sämtlichen Quellen in Form von UV-Lichtquellen in einem UV-Reaktor positioniert. Besonders bevorzugt wird der Glasstab oder die Stufenindexfaser derart angeordnet, dass sie sich mittig, vorzugsweise über die gesamte Länge des UV-Reaktors erstreckt.
Wenn sich der erfindungsgemäße Glasstab oder die Stufenindexfaser über die gesamte Länge des UV-Reaktors erstreckt, ist es möglich, sämtliche im UV-Reaktor vorhandene UV-Lichtquellen mit dem erfindungsgemäßen Sensor zu erfassen. Außerdem gelingt die Bestimmung der UV-Strahlungsintensität im gesamten zu entkeimenden Bereich, wodurch der unmittelbare Rückschluss auf die Entkeimungsleistung möglich ist. Damit kann mit nur einem Sensor festgestellt werden, ob die Entkeimungsvorrichtung insgesamt in geeigneter Weise arbeitet.
Der Glasstab oder die Stufenindexfaser ist erfindungsgemäß bevorzugt vollständig aus Strahlungs-transparentem Glasmaterial aufgebaut. Dies ist vorteilhaft, da aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex vom vorhandenen/zu behandelnden Medium, wie beispielsweise Wasser, mit einem Brechungsindex von etwa 1,33, und Glas mit einem Brechungsindex von etwa 1,5, es aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices gelingt, das Licht im Glasstab zu führen bzw. zu leiten.
Um die Einkopplung des Lichts in den Glasstab oder die Stufenindexfaser und dessen Weiterleitung an die Ausgangsseite möglichst optimal zu gestalten, kann der Glasstab oder die Stufenindexfaser erfindungsgemäß in vielfacher Art und Weise modifiziert werden:
Eine Ausführungsform des Glasstabs oder der Stufenindexfaser ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass auf bzw. an der Eingangsseite des erfindungsgemäßen Glasstabs oder der Stufenindexfaser ein Reflektor vorgesehen ist. Dieser wird aus einem geeigneten breitbandig reflektivem Material (UV, VIS), wie beispielsweise Aluminium, ausgewählt. Der Reflektor kann eine beliebige Form aufweisen, ist jedoch bevorzugt an die Form des Glasstabs oder der Stufenindexfaser angepasst; dieser ist vorzugsweise in Form einer Hülse, Beschichtung, Folie oder auch Endkappe ausgebildet. Hierdurch gelingt es, das nach außen abgestrahlte Licht wieder in den Stab bzw. die stabförmige Faser hinein zu reflektieren, so dass eine möglichst hohe Lichtintensität zur Ausgangsseite geleitet bzw. geführt wird, wo die Intensität des Lichts entweder direkt oder nach entsprechender Weiterleitung bestimmt wird.
Weitere Ausführungsformen des Glasstabs oder der Stufenindexfaser sind ausgewählt aus mindestens einer der nachfolgenden Modifikationen:

– Streuinklusionen auf der Glasoberfläche und/oder im Glas;
– Oberflächenrauhigkeit, bevorzugt durch Einbringen von Material in das Glas und/oder durch Aufbringen von Material auf die Glasoberfläche und/oder durch entsprechende Behandlung und/oder Bearbeitung des Glases, so dass die Oberfläche aufgerauht wird;
– eine oder mehrere refraktiven Strukturen, bevorzugt einer refraktiven Endfacette;
– eine oder mehrere diffraktiven Strukturen;
– eine Beschichtung, die wellenlängenselektiv wirkt;
– einem mikrostrukturierten Bereich

– einer Maskierung in Form einer reflektierenden Beschichtung.

Die verschiedenen Modifikationen des Glasstabs können erfindungsgemäß bevorzugt jeweils teilweise über die Oberfläche verteilt oder vollständig über die gesamte Oberfläche (außenliegend) und/oder über Teile des Glasstabs oder der Stufenindexfaser und deren Volumen (innenliegend) vorliegen.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung kann der Glasstab oder die Stufenindexfaser aus Strahlungs-transparentem Glas mit Streuinklusionen auf der Glasoberfläche und/oder im Glas vorliegen, um die Lichteinkopplung zu verbessern. Derartige Streuinklusionen sind beispielsweise Blasen, Partikel aus einem oder mehreren Materialien, insbesondere bevorzugt Platinpartikel und dergleichen. Diese können gleichmäßig oder ungleichmäßig im Glasstab oder der Stufenindexfaser verteilt vorliegen.
Dem Glasstab oder der Stufenindexfaser kann auch eine Oberflächenrauhigkeit verliehen werden. Dies kann bevorzugt durch Einbringen von Material in das Glas und/oder durch Aufbringen von Material auf die Glasoberfläche und/oder durch entsprechende Behandlung und/oder Bearbeitung des Glases erfolgen. Beispiele hierfür sind das Auf- oder Einbringen einer Textur durch Behandlung und/oder Bearbeitung des Glasstabs oder der Stufenindexfaser; Beschichtung des Glasstabs oder der Stufenindexfaser, beispielsweise bevorzugt mit nanoporösem Material; Oberflächenbearbeitung der Glasoberfläche, beispielsweise durch Sandstrahlen.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Glasstab oder die Stufenindexfaser mit refraktiven Strukturen versehen sein. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Glasstab oder die Stufenindexfaser an seiner Eingangsseite eine refraktive Endfacette, besonders bevorzugt eine verspiegelte refraktive Endfacette auf, welche dazu beiträgt, dass das Licht leichter einkoppeln kann.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Variante kann der Glasstab oder die Stufenindexfaser mit diffraktiven Strukturen versehen werden. Diese können beispielsweise durch Laserstrukturierung, selektives Ätzen (reaktives Ionenätzen, RIE), Beschichtung unter Verwendung des Lift-off-Verfahrens, wie dieses aus der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik bekannt ist, und dergleichen erzeugt werden. Nicht nur die Glasoberfläche auch der Glasstab oder die Stufenindexfaser selbst, kann refraktive Strukturen aufweisen. Diese können beispielsweise durch Laserstrukturierung oder Ionenaustausch (IonX) erzeugt werden.
Um die Einkopplung des Lichts in den Glasstab oder die Stufenindexfaser zu verbessern, können auch spezielle Beschichtungen vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine Beschichtung aufgebracht werden, die wellenlängenselektiv wirkt, so dass nur Licht einer speziellen Wellenlänge überhaupt in den Glasstab oder die Stufenindexfaser einkoppeln kann. Hierdurch ist das Vorsehen zusätzlicher wellenlängenselektiver Komponenten ausgangsseitig des Glasstabs oder der Stufenindexfaser generell überflüssig.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Glasstab oder die Stufenindexfaser einen mikrostrukturierten Bereich auf, der vorzugsweise so angeordnet und ausgebildet ist, dass die Mittel zum Detektieren/Erfassen/Messen/Kontrollieren an der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser in besonders guter Weise mit Licht versorgt werden. Der mikrostrukturierte Bereich kann sich über die gesamte Außenfläche oder Teile der Außenfläche des Glasstabs oder der Stufenindexfaser erstrecken. Beispielsweise kann eine Vielzahl von mikrostrukturierten Bereichen vorgesehen sein.
Eine weitere Möglichkeit, den Glasstab oder die Stufenindexfaser zu modifizieren, ist beispielsweise diesen entsprechend zu maskieren. Hierzu kann beispielsweise eine entsprechende Beschichtung vorgesehen werden. Dies kann dann von Bedeutung sein, wenn viele verschiedene UV-Lichtquellen im UV-Reaktor vorhanden sind, die selektiv gemessen werden sollen. Dies kann auch dann von Bedeutung sein, wenn nur an einer bestimmten Stelle überprüft werden soll, ob die Leistungsfähigkeit der UV-Lichtquellen ausreichend ist. Die Begrenzung der Messung auf eine bestimmte Position kann beispielsweise dann von Belang sein, wenn im UV-Reaktor Engstellen vorliegen oder wenn beispielsweise eine Mischung von mehreren Medien vorliegt und nur eine ortsabhängige Messung vorgenommen werden soll.
Die beschriebenen Modifikationen, wie beispielsweise Vorsehen von Strukturierungen, Beschichtungen und dergleichen, sei es nur eines Teils oder der gesamten Oberfläche (außerhalb) und/oder eines Teils oder des gesamten Glasstabs oder der Stufenindexfaser (innerhalb), dienen in der Regel zur Veränderung des Brechungsindex in oberflächennahen Bereich des Glasstabs oder der Stufenindexfaser im Vergleich zum inneren Bereich des Glasstabs oder der Stufenindexfaser, wodurch ein unterschiedlicher Brechungsindex resultiert, der zu einer besseren Einkopplung des Lichts in den Glasstab führt. Verschiedene der beschriebenen Modifikationen können auch miteinander kombiniert werden. Die Modifikation(en) des Glasstabs oder der Stufenindexfaser kann (können) 0,1 bis 100% der Oberfläche und/oder des gesamten Glasstabs oder der Stufenindexfaser einnehmen.
Überraschenderweise funktioniert die Einkopplung und Führung des Lichts im erfindungsgemäßen Glasstab oder der Stufenindexfaser aber auch ohne die beschriebenen Modifikationen des Glasstabs oder der Stufenindexfaser. Es kann vorteilhaft sein, wenn der Glasstab oder der Stufenindexfaser keine der beschriebenen Modifikationen aufweist; in jedem Fall ist dies kostengünstig. Je nach Anwendungsfall kann es aber auch zweckmäßig und vorteilhaft sein, wenn der Glasstab oder der Stufenindexfaser eine oder mehrere der beschriebenen Modifikationen aufweist.
Das Licht, das von der mindestens einen UV-Lichtquelle oder von einem Fluoreszenzemitter, wie Mikroorganismen, in den Glasstab oder in die Stufenindexfaser einkoppelt, wird im Glasstab oder in der Stufenindexfaser zur Ausgangsseite geführt. Auf der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser sind erfindungsgemäß Mittel vorgesehen, welche die Detektion der Strahlung und/oder die Bestimmung der Strahlungsintensität und damit der Strahlungsleistung der einen oder mehreren UV-Lichtquellen der Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtung und/oder der Fluoreszenzemitter in Form von angeregten Mikroorganismen ermöglichen. Dies können beispielsweise Mittel zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der mindestens einen elektromagnetische Strahlung emittierenden Quelle sein oder auch eine Kombination, beispielsweise von Spektrometer und Detektor (Array), sein.
Die Mittel zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung können beispielsweise Mittel zur Detektion von Licht aufweisen, die dem Fachmann im Stand der Technik bekannt sind. Beispielhaft genannt seien Photodetektoren, wie Photozellen, Photodioden oder Photosensoren, welche die Detektion des Lichts ermöglichen.
Die Mittel zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung können auch Mittel zur Erfassung und/oder Messung von Licht umfassen, die der Fachmann im Stand der Technik ebenfalls kennt. Beispielsweise kann ein Spektrometer, wie ein Prismen- oder Gitterspektrometer, vorzugsweise in Kombination mit einem entsprechenden Bildsensor, eingesetzt werden, wodurch eine Erfassung und/oder Messung der Strahlungsleistung des Lichts erfolgen kann.
Die Mittel zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung der mindestens einen elektromagnetische Strahlung emittierenden Quelle können auch ein Kontrollgerät aufweisen, in welchem die gemessene Gesamt-Strahlungsleistung der mindestens einen Quelle der Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtung entsprechend kontrolliert und gesteuert wird. Dies kann beispielsweise anhand der Ermittlung eines Messwerts und Vergleich mit einem Sollwert erfolgen.
Mittel zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung bzw. Leistungsfähigkeit von UV-Lichtquellen oder von Fluoreszenzstrahlung sind im Stand der Technik bekannt; die verschiedenen Möglichkeiten der Detektion/Erfassung/Messung/Kontrolle sind dem betrauten Fachmann geläufig und müssen hier nicht im Einzelnen erläutert werden.
Vor und/oder zwischen den Mitteln zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung können weitere Mittel zur Weiterleitung des Lichts angeordnet sein. Derartige Mittel sind dem Fachmann ebenfalls bekannt; beispielsweise kann eine entsprechende Faser, insbesondere eine optische Faser, hierzu eingesetzt werden.
Optional können wellenlängenselektive Komponenten an der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser vorgesehen sein, die den Mitteln zur Detektion und/oder Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung vorgeschaltet sind. Diese sind beispielsweise Filter, wie UV-Filter, wellenlängenselektive Beschichtungen, wie dielektrische Dünnschichten, Gitter, Prismen und dergleichen, die dazu dienen, selektiv ein oder mehrere Wellenlängen zu blockieren oder durchzulassen. Hierdurch können beispielsweise nur eine oder mehrere interessierende Wellenlängen durchgelassen werden, wie beispielsweise die Wellenlänge von 254 nm. Wenn nur eine Wellenlänge überwacht werden soll, bezeichnet man dies auch als sogenannte „single line”-Kontrolle. Sollen mehrere Wellenlängen hinsichtlich der Intensität überprüft werden, so spricht man auch von „multiple line”-Kontrolle.
Die erfindungsgemäß eingesetzten UV-Lichtquellen sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls nicht besonders beschränkt, es kann jede Art an bekannten UV-Lichtquellen zum Einsatz kommen, wobei üblicherweise UV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 253,7 nm eingesetzt wird. Dies stellt die Hauptemissionswellenlänge von Niederdruck-UV-Lampen und ein wesentliches Strahlungsmaximum anderer UV-Lampen dar. Eingesetzt werden daher beispielsweise Mitteldruck-, Hochdruck- oder Niederdruck-UV-Lampen, bevorzugt Quecksilberdampf-Mitteldruck-, -Hochdruck- oder Niederdruck-Lampen, welche Strahlung bei einer Wellenlänge um 254 nm emittieren. Niederdruck-UV-Lampen, insbesondere Niederdruck-Quecksilberdampflampen sind besonders bevorzugt.
Bevorzugt werden auch Heißkathoden- und Kaltkathodenlampen verwendet. Bei den Heißkathodenlampen ist an den Enden jeweils ein Heizdraht aus Wolfram eingebaut, wobei eine geeignete besondere Beschichtung die Austrittsarbeit der Elektronen reduziert, damit der Heizdraht genügend Elektronen emittiert. Kaltkathodenlampen (CCL – Cold Cathode Lamp) sind prinzipiell ähnlich aufgebaut wie die Heißkathodenlampen, nur dass hier keine Heizdrähte vorhanden sind, wobei jedoch eine höhere Spannung zwischen Kathode und Anode vorliegen muss. Auch die Zündspannung ist höher. Die CCLs basieren auf der bewährten CCFL-Technologie (Cold Cathode Fluorescent Lamp), wobei auf die Fluoreszenz-Beschichtung verzichtet wurde, und können frei am Markt bezogen werden.
Erfindungsgemäß können auch UV-LEDs oder UV-Halbleiterlaser zum Einsatz kommen. Diese sind besonders vorteilhaft, weil sie kein Quecksilber enthalten. Es können beispielsweise UV-LEDs mit unterschiedlichen Emissionsmaxima, bei z. B. 270 nm und 280 nm, verwendet werden. Durch die Verwendung von UV-LEDs mit unterschiedlichen Spektrallagen der Emissionsmaxima kann eine gesteigerte Wirkung insbesondere bei unterschiedlichen Keimen, die sich in dem durch den Reaktor bzw. die Bestrahlungskammer vorhandenen bzw. strömenden Medium befinden, erzielt werden. Beim Einsatz von UV-LEDs oder UV-Laser kann auch eine höhere Wellenlänge im Bereich von 20 nm gewählt werden, bei der einerseits die Entkeimungswirkung größer ist und andererseits typische UV-transparente Gläser bei diesen Wellenlängen eine höhere Transmission aufweisen, was die Effizienz zusätzlich erhöht.
Besonders bevorzugt als UV-Lichtquellen sind daher CCLs und/oder LEDs und/oder Laser.
Insbesondere bei Niederdruck-UV-Lampen spielt die single line-Kontrolle eine Rolle, da diese ein sehr schmalbandiges Linienspektrum aufweisen und UV-Strahlung praktisch ausschließlich im UV-C-Bereich mit einer Wellenlänge von 254 nm emittieren. Andere UV-Lichtquellen, wie beispielsweise Mitteldruckstrahler, die auch andere Wellenlängen emittieren, spielen daher eine Rolle bei der multiple line-Kontrolle, bei der mehrere Wellenlängen gleichzeitig kontrolliert werden. Insbesondere können für die Entkeimung bzw. Desinfektion die Wellenlängen 184 nm, 254 nm, 313 nm und 365 nm von Bedeutung sein.
Die Auswahl der beschriebenen wellenlängenselektiven Komponente und die zu überwachende(n) Wellenlänge(n) kann(können) damit beispielsweise vom gewählten Lampentyp der Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtung abhängen.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz der Sensor – ermöglicht es weiterhin, die Strahlungsleistung einzelner UV-Lichtquellen zu überprüfen. Hierzu können die UV-Lichtquellen, die im UV-Reaktor vorhanden sind, beispielsweise im Pulsbetrieb betrieben werden. Hierdurch strahlen die Lichtquellen jeweils zeitversetzt in das zu behandelnde Medium, wodurch der UV-Sensor jede einzelne UV-Lichtquelle zeitabhängig vom jeweiligen Puls überprüfen kann. Daher kann durch frequenz- und zeitselektive Detektion im Pulsbetrieb eine Überprüfung einzelner UV-Lichtquellen erfolgen. Selbstverständlich können die einzelnen Lampen auch jeweils gesondert ein- und ausgeschaltet werden, um jeweils deren Einzelleistung zu überprüfen. Somit ist es nicht erforderlich, dass jeder UV-Lichtquelle jeweils ein Sensor zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein Sensor für alle vorhandenen UV-Lichtquellen bereits ausreichend. Der Sensor der vorliegenden Erfindung kann demnach frequenz- und/oder zeitselektiv messen.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ermöglicht die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – zu bestimmen, wie hoch die Belastung durch Keime im zu behandelnden Medium ist oder noch ist. Hierzu können beispielsweise Fluoreszenzmarker eingesetzt werden, die an den Keimen, insbesondere Bakterien, Viren oder dergleichen anhaften. Durch Messen der Fluoreszenz kann dann die Belastung und damit Konzentration der Keime im zu behandelnden Medium unmittelbar gemessen werden. Einige Keime fluoreszieren auch direkt ohne Fluoreszenzmarker. Diese Fluoreszenzstrahlung kann ebenfalls detektiert werden. Die Mikroorganismen werden dabei je nach Art der vorhandenen Mikroorganismen durch Strahlung entsprechender Wellenlänge angeregt und emittieren daraufhin Fluoreszenzstrahlung, die detektiert und/oder bestimmt werden kann. Die Intensität des Fluorezenzlichtes ist dabei abhängig von der Anzahl der vorhandenen Mikroorganismen. Wenn kontrolliert werden soll, ob und welche Konzentration die im zu entkeimenden oder entkeimten Medium vorhandenen Mikroorganismen haben, dann kommt die erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz der Sensor – zum Einsatz. Beispielsweise können in einer Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtung die bereits vorhandenen UV-Lichtquellen verwendet werden, um die im Medium vorhandenen Mikroorganismen anzuregen, damit diese Fluoreszenzstrahlung emittieren. Dies hängt vom jeweiligen Einzelfall, dem zu entkeimendem Medium, den verwendeten UV-Lichtquellen sowie den vorhandenen Mikroorganismen ab. Gegebenenfalls kann auch eine gesonderte Lichtquelle zum Einsatz kommen, welche die geeignete Anregungswellenlänge(en) abstrahlt und die Mikroorganismen anregt. In diesem Fall ist es zweckmäßig die vorhandenen UV-Lichtquellen auszuschalten, um die Floureszenzmessung nicht zu beeinträchtigen. Die von den Mikroorganismen emittierte Floureszenzstrahlung kann dann unter Verwendung des Sensors der vorliegenden Erfindung detektiert und gegebenenfalls die Stahlungsleistung bestimmt werden, um auf die Konzentration der Mikroorganismen rückschließen zu können.
Das vorhandene, bevorzugt zu entkeimende Medium ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls nicht besonders beschränkt. Es kann jede Flüssigkeit oder jedes Gas oder auch eine Mischung von mehreren Flüssigkeiten oder Gasen oder auch eine oder mehrere chemische Verbindungen in einer Vorrichtung, insbesondere bevorzugt eine Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung behandelt werden, in welcher der Sensor der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Ein bevorzugtes Medium ist Wasser. Wenn besonders aggressive Gase oder Flüssigkeiten entkeimt werden sollen, kann eine entsprechende Auswahl aus geeigneten Materialien getroffen werden.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz der Sensor – ermöglicht auch die Bestimmung der Strahlungsintensität von vorhandenen UV-Lichtquellen unter Berücksichtigung der Wasserqualität, beispielsweise Trübung, die in die ermittelten Daten eingeht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Glasstab oder die Stufenindexfaser auch von einem Schutzmantel, bevorzugt Schutzrohr, umgeben, vorzugsweise von diesem umhüllt oder umschlossen sein, das vorzugsweise aus Strahlungs-transparentem Glas besteht. Hierdurch kann der Glasstab oder die Stufenindexfaser zusätzlich vor dem vorhandenen/zu behandelnden Medium geschützt werden.
Wenn als UV-Reaktor ein Durchflussreaktor in der Entkeimungsvorrichtung vorliegt, wird der Glasstab oder die Stufenindexfaser bevorzugt parallel zur Strömungsrichtung des zu entkeimenden Mediums angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, da die ein oder mehreren UV-Lichtquellen in der Regel entlang des strömenden Mediums angeordnet sind, so dass die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – der sich vorzugsweise über die gesamte Länge des mit UV-Licht bestrahlten Bereichs, d. h. die gesamte Länge des UV-Reaktors, erstreckt, die Gesamt-Leistung der UV-Strahlung erfassen kann.
Dies ist auch für die Detektion von Mikroorganismen und/oder die Bestimmung deren Konzentration anhand der Fluoreszenzlichtintensität von Vorteil, da der gesamte Bereich erfasst wird.
Die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – kann problemlos in kleineren oder größeren Einheiten zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann diese in einer Entkeimungsvorrichtung mit fließendem Medium oder auch in ruhendem Medium, wie einem Tank oder dergleichen zum Einsatz kommen. Die Sensoreinrichtung kann stationär fest eingebaut als Teil eines größeren Systems oder flexibel handhabbar als mobiles Handgerät zum Einsatz kommen. Der Glasstab oder die Stufenindexfaser des Sensors ist dabei erfindungsgemäß direkt im UV-Reaktor vorgesehen und wird entweder direkt oder geschützt durch einen entsprechenden Schutzmantel, bevorzugt ein Schutzrohr, vom zu entkeimenden Medium umflossen.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung – kurz des Sensors – in einer Vorrichtung, in der chemische und/oder biochemische Reaktionen durch Strahlung induziert werden oder zur Behandlung, insbesondere Entkeimung oder Desinfektion, eines Mediums unter Verwendung von Strahlung.
Erfindungsgemäß weiterhin bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung – kurz des Sensors – in einem Reaktor oder einer Bestrahlungseinrichtung, in dem/in der chemische und/oder biochemischen Reaktionen durch Strahlung induziert werden. In einem solchen Rektor werden beispielsweise durch emittierte UV-Strahlung chemische und/oder biochemische Reaktionen induziert. Solche Reaktionen sind insbesondere photoinduzierte Reaktionen, wie beispielsweise die Vernetzung von Kunststoffen oder das Aufspalten von chemischen Bindungen.
Auch kann Strahlung in Form von UV-Licht beispielsweise dazu genutzt werden, um effizient Singulettsauerstoff, der auch als ”aktiver Sauerstoff” bekannt ist, zu erzeugen. Weil die direkte Anregung durch Absorption von Triplett-Grundzustandssauerstoff zu elektronisch angeregtem Singulettsauerstoff aufgrund der quantenmechanischen Auswahlregeln nur extrem ineffizient erfolgen kann, werden dazu Sensibilisatoren verwendet. Diese sind üblicherweise Singulett-Grundzustandsmoleküle, welche durch Absorption in einen elektronisch angeregten Singulett- und/oder Triplettzustand gebracht werden. Durch Kollisionen mit Grundzustandssauerstoff kann es zu einer Energieübertragung auf den Sauerstoff kommen, so dass elektronisch angeregter Singulettsauerstoff (¹Δ_g und ¹Σ_g ⁺) entstehen kann. Die effizientesten Sensibilisatoren erreichen dabei Quanteneffizienzen von nahezu 1, wie beispielsweise Phenalenon, Phenazin und Benzanthron. Der erfindungsgemäße Sensor kann für die Überwachung und Kontrolle derartiger Reaktionen eingesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung – kurz des Sensors – in einer Vorrichtung zur Entkeimung oder Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen in ruhendem oder strömendem Zustand, insbesondere zur Trinkwasseraufbereitung, -entkeimung oder -desinfektion, Entkeimung oder Desinfektion von Reinstwasser, Abwasser, Flüssigkeiten aus dem Bereich der Pharma-, Kosmetik-, Lebensmittel- und Halbleiterindustrie, zur Entkeimung oder Desinfektion von Gasen, wie Luft oder Industriegasen und dergleichen, sowie bei der Reinstwassererzeugung.
Eine weitere Verwendung der Meßvorrichtung – kurz des Sensors – der vorliegenden Erfindung ist die Qualitätskontrolle von Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtungen, die
anhand der Kontrolle der Gesamtstrahlungsleistung der vorhandenen UV-Lichtquellen und/oder
anhand der Kontrolle der Fluoreszenzstrahlung der im zu entkeimenden und/oder entkeimten Medium vorhandenen angeregten Mikroorganismen durchgeführt wird.
Die Vorteile der Erfindung sind außerordentlich vielschichtig:
So stellt die Erfindung erstmals eine Meßvorrichtung – kurz einen Sensor – zur Verfügung, der die integrierte (Gesamt-)Leistung mindestens einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Quelle, wie einer UV-Lichtquelle, in einem mit Strahlung zu behandelnden Bereich (z. B. UV-Reaktor) ermitteln kann. Es findet keine lokal begrenzte oder punktuelle Messung der Leistung einzelner Quellen statt, sondern die Gesamteffizienz, beispielsweise eines Entkeimungs- bzw. Desinfektionssystems kann überprüft werden.
Weiterhin ist es auch möglich, beispielsweise indem die UV-Lichtquellen im Pulsbetrieb arbeiten, für jede einzelne UV-Lichtquelle deren Intensität zu überprüfen, so dass diese gegebenenfalls rechtzeitig ausgetauscht werden kann, um die gewünschte Entkeimungsleistung aufrecht zu erhalten.
Durch eine Vielzahl gegebenenfalls miteinander kombinierbarer Modifikationen des Glasstabs oder der Stufenindexfaser, insbesondere dessen Oberfläche und/oder des gesamten Glasstabs oder der gesamten Stufenindexfaser, in Teilbereichen oder insgesamt, kann die Einkopplung des Lichts in den Glasstab oder die Stufenindexfaser verbessert werden. Jedoch werden auch hinreichend zufriedenstellende Ergebnisse ohne derartige Modifikationen des Glasstabs oder der Stufenindexfaser erhalten.
Zusätzlich kann an der Eingangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser ein Reflektor vorgesehen werden, so dass eine möglichst hohe Lichtintensität auf der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser zur Verfügung steht und entsprechend detektiert bzw. erfasst bzw. kontrolliert bzw. gemessen werden kann.
Insbesondere die Stabform des erfindungsgemäß vorliegenden Glasstabs oder der Stufenindexfaser bewirkt eine besonders gute Einkopplung und Weiterleitung des Lichts entlang des Stabs oder der Stufenindexfaser und wirkt als Lichtleiter. Der Glasstab oder die Stufenindexfaser erstreckt sich in das vorhandene, bevorzugt zu entkeimende, Medium hinein, wodurch das Licht vom vorhandenen, insbesondere zu behandelnden, Medium in den Glasstab oder in die Stufenindexfaser gelangt und in diesem an die Ausgangsseite geleitet bzw. geführt werden kann. Mittel auf der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser ermöglichen in einfacher Weise das Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der vorhandenen mindestens einen elektromagnetische Strahlung emittierenden Quelle. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung bewirkt, dass die Mittel zur Detektion/Bestimmung der Strahlung/Strahlungsleistung des Lichts an der Ausgangsseite des Glasstabs oder der Stufenindexfaser in optimaler Weise mit Licht versorgt werden.
Der Glasstab oder die Stufenindexfaser ist erfindungsgemäß bevorzugt vollständig aus Glasmaterial, das für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, aufgebaut, so dass es aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex von Glas und zu behandelndem Medium leichter gelingt, das Licht im Glasstab oder der Stufenindexfaser zu führen bzw. zu leiten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Glasstab oder die Stufenindexfaser zumindest über die gesamte Länge des mit Licht zu behandelnden Bereichs, insbesondere über die gesamte Länge des Reaktors, bevorzugt UV-Reaktors, so dass der Sensor insbesondere über die komplette Entkeimungs- bzw. Desinfektionslänge des UV-Reaktors misst.
Bevorzugt ist der Glasstab oder die Stufenindexfaser des Sensors beabstandet von der mindestens einen UV-Lichtquelle im UV-Reaktor vorgesehen, besonders bevorzugt mit gleichem Abstand zu sämtlichen im UV-Reaktor vorhandenen UV-Lichtquellen. Insbesondere bevorzugt wird der Glasstab oder die Stufenindexfaser derart angeordnet, dass er sich mittig, vorzugsweise über die gesamte Länge des UV-Reaktors erstreckt und bevorzugt parallel zur Strömungsrichtung des zu entkeimenden Mediums ausgerichtet ist.
Abhängig vom Lampentyp kann durch Verwendung von wellenlängenselektiven Komponenten an der Ausgangsseite des Glasstabs mit dem Sensor der Erfindung nur die interessierende Wellenlänge überwacht werden („single line”-Kontrolle). Alternativ können auch mehrere Wellenlängen hinsichtlich der Intensität überprüft werden („multiple line”-Kontrolle).
Die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – der vorliegenden Erfindung kann sowohl frequenz- bzw. wellenlängenselektiv und/oder zeitselektiv arbeiten. Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht daher das Aufzeichnen und Überwachen der Lichtintensität über die Zeit und/oder die Wellenlänge, ist kostengünstig herstellbar und in einfacher Weise verwendbar.
Unter Verwendung von Fluoreszenzmarkern, die sich an Bakterien, Viren und dergleichen anlagern, oder z. T. auch ohne Fluoreszenzmarker, kann der Sensor zusätzlich die Höhe der Belastung der Keime im zu behandelnden Medium anhand der ermittelten Fluoreszenz bestimmen.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz der Sensor – arbeitet in zuverlässiger Weise unabhängig von der Qualität des zu behandelnden Mediums; es kann sogar die Qualität des Mediums, wie beispielsweise eine Trübung des Mediums in den ermittelten Daten Berücksichtigung finden.
Als zusätzlichen Schutz kann der Glasstab oder der Stufenindexfaser von einem Schutzmantel, wie beispielsweise einem Schutzrohr, umgeben sein, der den Glasstab vorzugsweise vollständig umhüllt oder umschließt. Der Schutzmantel besteht vorzugsweise aus Strahlungs-transparentem Glas.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz der Sensor – kann in jeder Vorrichtung, in der Strahlung verwendet wird, zum Einsatz kommen. Bevorzugt sind bekannte Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtungen. Unabhängig von der eingesetzten Vorrichtung kann der erfindungsgemäße Sensor fest installiert oder herausnehmbar angeordnet sein. Der erfindungsgemäße Sensor kann auch in Anlagen oder Systemen für spezielle Anforderungen eingesetzt werden, beispielsweise für die Herstellung von hochreinem Wasser, das insbesondere im Bereich der Pharma-, Kosmetik-, Lebensmittel- und Halbleiterindustrie benötigt wird. Die Verwendung ist unabhängig davon, ob ein kleines System oder eine große Anlage zur Entkeimung bzw. Desinfektion eingesetzt wird.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors wird gewährleistet, dass ein UV-Entkeimungs- bzw. Desinfektionssystem stets sicher verwendet werden kann und dieses in ausreichendem Maße desinfizierend bzw. entkeimend wirkt. Ein unwirksames oder unvollständiges Entkeimen oder Desinfizieren wird vermieden, da die Effizienz des Entkeimungs- oder Desinfektionsverfahrens mit dem erfindungsgemäßen UV-Sensor überwacht wird.
Andere Verwendungen des Sensors der vorliegenden Erfindung sind ebenfalls möglich.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, welche die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen:
1a bis 1c jeweils eine schematische Ansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Glasstabs der Meßvorrichtung – kurz des Sensors – der Erfindung aus Strahlungs-transparentem Glas;
1d eine schematische Ansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Stufenindexfaser der Meßvorrichtung – kurz des Sensors – der Erfindung aus Strahlungs-transparentem Glas;
2 einen schematischen Aufbau eines Ausschnitts einer beispielhaften Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Meßvorrichtung – kurz Sensors –;
3 einen weiteren schematischen Aufbau eines Teils einer Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung im Schnitt mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Meßvorrichtung – kurz eines Sensors –;
4 die Transmissionskurve eines UV-Filters als beispielhafte wellenlängenselektive Komponente;
5 eine zeitaufgelöste Messungen der Intensität des UV-Lichts durch eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung – kurz eines Sensors – bei verschiedenen Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtungen, wobei entweder ein UV-Reaktor mit ein, zwei oder drei UV-Lichtquellen verwendet wird;
6 zwei von der Meßvorrichtung – kurz dem Sensor – gemessene Frequenzspektren;
7 eine graphische Darstellung, bei der die Transmission gegen die Wellenlänge (Transmissionsverlauf) für sechs verschiedene Gläser aufgetragen ist;
8a bis 8c jeweils schematische beispielhafte Ausführungsformen von möglichen UV-Reaktoren in der Draufsicht zusammen mit dem Glasstab der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung – kurz des Sensors –; und
9 ein schematischer Ausschnitt aus einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer UV-Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung in dreidimensionaler Ansicht.
Die verschiedenen in der Zeichnung dargestellten Elemente sind nur repräsentativ und nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet. Bestimmte Abschnitte hiervon können übertrieben sein, während andere minimiert sein können. Die Zeichnungen sollen beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulichen, die vom Fachmann im Stand der Technik verstanden und geeigneterweise ausgeführt werden können, ohne die Erfindung zu beschränken. In den Figuren werden gleiche Bauteile und Elemente mit gleichen Bezugszeichen und Symbolen bezeichnet.
Die 1a bis 1c zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Glasstabs 10 aus Strahlungs-transparentem Glas, der Teil einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung – kurz eines Sensors – ist. Der Glasstab 10 weist eine Eingangsseite 10.1 sowie eine Ausgangsseite 10.2 auf, wobei die Ausgangsseite 10.2 mit Mitteln verbunden ist, die zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung/Strahlungsleistung des Lichts 100 der mindestens einen Quelle in einem Reaktor dienen.
In 1a ist auf der Eingangsseite 10.1 des Glasstabs 10 ein Reflektor 25 vorgesehen, der im gezeigten Beispiel in Form einer Endkappe aufgebracht ist. Selbstverständlich ist auch eine andere Ausgestaltung als die gezeigte Form für den Reflektor 25 möglich. Ein geeignetes reflektierendes Material für den Reflektor 25 ist beispielsweise Aluminium. Andere Materialien sind dem Fachmann bekannt. Der Reflektor 25 kann eine beliebige Form und Größe aufweisen, sofern er die durchzuführende Messung der Lichtintensität nicht nachteilig beeinflusst. Beispielsweise kann der Reflektor 25 auch in Form einer Hülse, Beschichtung, Folie oder dergleichen ausgebildet sein.
Der Glasstab 10 kann auch sogenannten Streuinklusionen aufweisen (nicht gezeigt), d. h. es liegen im Glasstab Partikel aus einem oder mehreren Materialien verteilt vor. Diese können sich über einen Teil oder den gesamten Glasstab 10, gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilen. Beispielsweise liegen gleichmäßig über den gesamten Glasstab 10 (über dessen gesamtes Volumen) Platinpartikel vor. Diese bewirken eine bessere Einkopplung des Lichts 100 in den Glasstab 10.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäße Ausführungsform einer Modifikation des Glasstabs 10 kann dieser durch eine entsprechende Behandlung über eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit verfügen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung, beispielsweise mit nanoporösem Material, oder durch entsprechende Behandlung, beispielsweise durch Sandstrahlen, erhalten werden. Die Oberflächenrauhigkeit kann sich über Teile der Oberfläche des Glasstabs oder über die gesamte Oberfläche des Glasstabs erstrecken. Der Bereich mit erhöhter Oberflächenrauhigkeit kann 0,1 bis 100% der Oberfläche sein.
In 1b ist der erfindungsgemäße Strahlungs-transparente Glasstab 10 mit einer refraktiven Struktur versehen, die im gezeigten Beispielfall eine Facette 35 darstellt. Diese liegt vorzugsweise auf der Eingangsseite 10.1 des Glasstabs 10 vor, und ist vorzugsweise eine verspiegelte refraktive Endfacette 35.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt 1c einen Glasstab 10 aus Strahlungs-transparentem Glas mit refraktiven Strukturen. Diese können sich auf der Oberfläche des Glasstabs 10 befinden, wie auf der linken Seite von 1c gezeigt, oder diese können sich im Inneren des Glasstabs 10 befinden, wie auf der rechten Seite der 1c gezeigt. Diffraktive Strukturen an der Oberfläche des Glasstabs 10 können beispielsweise durch Laserstrukturierung, selektives Ätzen (reaktives Ionenätzen, RIE) und Beschichtung (z. B. Lift-off-Verfahren, wie aus der Halbleitertechnologie bekannt) erzielt werden. Im Inneren des Glasstabs 10 vorgesehene diffraktive Strukturen können beispielsweise durch Laserstrukturierung oder Ionenaustausch erzielt werden.
In 1d ist eine Stufenindexfaser 11 mit einem Faserkern und einem Fasermantel exemplarisch dargestellt. In 1d ist auf der Eingangsseite 11.1 der Stufenindexfaser 11 ein Reflektor 25 vorgesehen, der im gezeigten Beispiel in Form einer Endkappe aufgebracht ist. Selbstverständlich ist auch eine andere Ausgestaltung als die gezeigte Form für den Reflektor 25 möglich. Ein geeignetes reflektierendes Material für den Reflektor 25 ist beispielsweise Aluminium. Andere Materialien sind dem Fachmann bekannt. Der Reflektor 25 kann eine beliebige Form und Größe aufweisen, sofern er die durchzuführende Messung der Lichtintensität nicht nachteilig beeinflusst. Beispielsweise kann der Reflektor 25 auch in Form einer Hülse, Beschichtung, Folie oder dergleichen ausgebildet sein. Die Ausgangsseite 11.2 ist mit Mitteln verbunden, die zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung/Strahlungsleistung des Lichts 100 der mindestens einen Quelle in einem Reaktor dienen.
Die gezeigten Modifikationen sind selbstverständlich nur beispielhafte Ausführungsformen. Dem Fachmann im Stand der Technik sind andere Modifikationen des Glasstabs 10 oder der Stufenindexfaser 11 ohne weiteres ersichtlich. Ziel der beschriebenen Modifikationen ist stets eine bessere Einkopplung des vorhandenen Lichts 100 in den Glasstab 10 oder die Stufenindexfaser 11 zu erreichen, um die mit der Ausgangsseite 10.2 des Glasstabs 10 oder der Ausgangsseite 11.2 der Stufenindexfaser 11 verbundenen Mittel zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren mit der höchstmöglichen Lichtintensität, die zur Verfügung steht, zu versorgen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit verschiedene Modifikationen des Glasstabs 10 oder der Stufenindexfaser 11 miteinander zu kombinieren; dies kann je nach Einzelfall entsprechend erfolgen.
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ausschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung, zusammen mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform des Sensors, der hier ein UV-Sensor ist. Im gezeigten Beispielfall ist ein UV-Reaktor oder UV-Modul 20 gezeigt, durch den das zu behandelnde Medium hindurchfließt und durch UV-Strahlung desinfiziert oder entkeimt wird. Der erfindungsgemäße Glasstab 10 aus UV-transparentem Glas ist im UV-Reaktor 20 angeordnet. Dieser weist eine Eingangsseite 10.1 sowie eine Ausgangsseite 10.2 auf. Im gezeigten Beispielfall ist der Glasstab 10 länger als die Gesamtlänge des UV-Reaktors 20. Andere Ausführungsformen sind möglich, jedoch ist es bevorzugt, dass der Glasstab 10 sich über die gesamte Länge des UV-Reaktors erstreckt, um die Gesamtleistung der vorhandenen UV-Lichtquellen zu ermitteln. Ausgangsseitig 10.2 des Glasstabs 10 befinden sich Mittel 30, 40 zur Detektion und/oder zum Bestimmen der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der im UV-Reaktor 20 vorhandenen UV-Lichtquellen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Detektor, wie einen Photosensor oder eine Photodiode oder dergleichen, handeln. Alternativ kann zur Bestimmung der UV-Strahlungsintensität beispielsweise auch ein Spektrometer eingesetzt werden. Im gezeigten Beispielfall wird beispielsweise ein Gitterspektrometer 40 eingesetzt, umfassend einen Eingangsschlitz 40a, einen Kollimator 40b, ein Reflexionsgitter 40c, einen Fokusspiegel 40d und einen Bildsensor 40e. Andere Ausführungsformen sind möglich.
Vor und/oder zwischen den Mitteln 30, 40 zur Detektion/zum Bestimmen der Strahlung/Strahlungsleistung können Mittel 33 zum Weiterbefördern des in den Glasstab 10 eingekoppelten UV-Lichts angeordnet sein, vorzugsweise in Form einer Faser, insbesondere einer optischen Faser.
Auf der Eingangsseite 10.1 des Glasstabs 10 kann auch ein UV-Reflektor vorgesehen werden, wie dieser beispielsweise in 1a, Bezugszeichen 25, gezeigt ist.
Die Meßvorrichtung – kurz der Sensor – kann auch derart gestaltet sein, dass dieser die Fluoreszenzstrahlung von Mikroorganismen detektieren und gegebenenfalls auch die Intensität der Strahlung misst, um auf die Konzentration der Mikroorganismen zurückzuschließen. Dies kann vor, während und/oder nach dem Entkeimen durchgeführt werden.
In 3 ist ein weiterer schematischer Aufbau eines Teils einer beispielhaften Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung im Schnitt mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Sensors gezeigt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Wasserentkeimungssystem, wobei ein Durchflussreaktor in Form eines UV-Reaktors 20 im Schnitt dargestellt ist. Der erfindungsgemäße Glasstab 10 aus UV-transparentem Glas erstreckt sich über die gesamte Länge des UV-Reaktors 20 und darüber hinaus. Dieser kann im Einzelfall an die vorhandene Geometrie und Bauweise angepasst werden. Der UV-Reaktor 20 ist im gezeigten Fall ein Glasrohr aus UV-transparentem Material, wobei von oben UV-Licht 100 durch die UV-Lichtquelle 22 durch eine UV-transparente Außenwand des UV-Reaktors 20 hindurch zum zu entkeimenden Medium Wasser gestrahlt wird. Die UV-Lichtquelle 22 ist relativ beliebig wählbar und kann beispielsweise eine CCL- oder LED-Lampe sein. Selbstverständlich sind auch andere Bauweisen und Gestaltungen eines UV-Reaktors 20 möglich; es können auch mehrere UV-Lichtquellen 22 im UV-Reaktor 20 vorgesehen sein.
Der Glasstab 10 aus UV-transparentem Glas befindet sich im gezeigten Beispielfall in einem Schutzmantel 15, der im UV-Reaktor 20 über dessen gesamte Länge angeordnet ist und ebenfalls aus UV-transparentem Material, vorzugsweise Glas, besteht. Dieser Schutzmantel 15 ist im gezeigten Fall ein Schutzrohr und dient dazu, den Glasstab 10 vor dem zu entkeimenden Medium zu schützen, wobei es sich beispielsweise um ein aggressives oder extrem verschmutztes Medium handeln kann. Der Schutzmantel 15 kann aber auch wegelassen werden. Dies hängt vom Einzelfall ab.
Auf der Ausgangsseite 10.2 des Glasstabs 10 sind Mittel 30, 40 zur Detektion und/oder zum Bestimmen der UV-Strahlung und/oder UV-Strahlungsleistung der UV-Lichtquelle 22 vorgesehen. Beispielsweise kann auch eine optische Faser vorgesehen werden, die das UV-Licht befördert. Vor den Mitteln 30 kann gegebenenfalls eine wellenlängenselektive Komponente 28, wie beispielsweise ein UV-Filter, eine wellenlängenselektive Beschichtung, Gitter, Prisma oder dergleichen vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise bei einer single line-Kontrolle von Bedeutung sein, wenn nur eine Wellenlänge, d. h. beispielsweise 254 nm, gemessen werden soll.
In 4 ist eine Transmissionskurve eines beispielhaften UV-Filters als einer möglichen wellenlängenselektiven Komponente 28 gezeigt, wobei hauptsächlich nur die Wellenlänge von 254 nm durch das Filter selektiert wird.
5 zeigt die zeitaufgelösten Messungen der Intensität des UV-Lichts eines erfindungsgemäßen Sensors bei verschiedenen Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtungen, wobei entweder ein UV-Reaktor 20 mit ein, zwei oder drei UV-Lichtquellen verwendet wurde. Die unterste Kurve zeigt einen UV-Reaktor mit einer UV-Lichtquelle (1 Lampenmodul), die mittlere Kurve zeigt einen UV-Reaktor mit zwei UV-Lichtquellen (2 Lampenmodul) und die oberste Kurve zeigt einen UV-Reaktor mit drei UV-Lichtquellen (3 Lampenmodul). Je mehr UV-Lichtquellen ein Reaktor aufweist, umso höher ist verständlicherweise die Intensität des UV-Lichts der Wellenlänge bei 254 nm. Jedoch zeigt sich, dass im UV-Reaktor mit drei UV-Lichtquellen die Intensität des UV-Lichts bei 254 nm zwar höher ist, jedoch im Laufe der Zeit auch stärker abfällt und sich auf einem bestimmten Intensitätsniveau einpegelt. Dieses Intensitätsniveau kann als Sollwert herangezogen werden, um einen weiteren Intensitätsabfall aufgrund der Alterung von einzelnen UV-Lichtquellen festzustellen und diese dann gegebenenfalls zu ersetzen. Die Intensität wird in der Figur in relativen Größen (arbitrary units/a. u.) dargestellt.
In 6 sind zwei verschiedene Frequenzspektren, die mit einem erfindungsgemäßen Sensor gemessen wurden, dargestellt. Das linke mit dem erfindungsgemäßen Sensor gemessene Frequenzspektrum zeigt eine UV-Lichtquelle, wie beispielsweise eine Niederdrucklampe, die im Wesentlichen bei einer Wellenlänge, d. h. bei 254 nm, UV-Licht emittiert. In diesem Fall könnte eine single line-Kontrolle der UV-Lichtintensität durchgeführt werden. Das rechte Frequenzspektrum zeigt demgegenüber eine UV-Lichtquelle, die eine Reihe an verschiedenen Lichtwellenlängen emittiert, so dass sich hierfür eine multiple line-Kontrolle anbieten würde.
Das verwendete UV-transparente Glas des Glasstabs 10 ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt.
In 7 ist der Transmissionsverlauf in einer graphischen Darstellung für einige Gläser gezeigt. Hierbei wurde die Transmission (in %) gegen die Wellenlänge (in nm) für die betrachteten Gläser (d ist die Dicke des Glases) aufgetragen. Die Gläser 1, 2 und 3 zeigen eine Transmission, die im UV-C-Bereich, insbesondere um die 254 nm-Linie, besonders hoch ist. Dies sind erfindungsgemäß besonders bevorzugt verwendete UV-transparente Gläser. Die weiteren gezeigten drei Glaszusammensetzungen Glas 4, 5 und 6 sind nicht geeignet, da sie keine Transmission im gewünschten UV-C-Bereich, insbesondere um 254 nm zeigen.
In den 8a bis 8c sind jeweils schematische beispielhafte Ausführungsformen von möglichen UV-Reaktoren in der Draufsicht zusammen mit dem Glasstab des erfindungsgemäßen Sensors gezeigt.
So zeigt 8a einen runden UV-Reaktor 20, der aus einem UV-transparenten Glasrohr 60 aufgebaut ist, wobei sich im Glasrohr 60 Aussparungen 50a, 50b und 50c befinden, in denen sich jeweils eine UV-Lichtquelle 22.1, 22.2 und 22.3 befindet. Um den gesamten UV-Reaktor ist ein Reflektor 70 angeordnet.
Das zu entkeimende Medium fließt senkrecht zur Zeichenebene im Inneren oder Hohlraum des UV-Reaktors 20. In dessen Zentrum befindet sich im gezeigten Ausführungsbeispiel der Glasstab 10 des Sensors, der von einem Schutzrohr 15 umgeben ist.
In einer weiteren Variante einer Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung zeigt 8b eine andere Form eines UV-Reaktors 20. Hierbei sind 5 UV-Lichtquellen 22.1 bis 22.5 jeweils in Aussparungen 50a, 50b, 50c, 50d und 50e eines UV-transparenten Glasrohrs 60 vorgesehen, wobei jeder UV-Lichtquelle 22.1, 22.2, 22.3, 22.4 und 22.5 ein eigener Reflektor 23.1, 23.2, 23.3, 23.4 und 23.5 zugeordnet ist. Im Inneren des UV-Reaktors 20 befindet sich der Glasstab 10 des Sensors, der wieder von einem Schutzrohr 15 umgeben ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform einer Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung zeigt 8c noch eine andere Form eines UV-Reaktors 20 in der Draufsicht.
Es handelt sich um einen UV-Reaktor 20 wie dieser gemäß der DE 10 2011 112 994.8 offenbart wird. Hierbei befinden sich drei UV-Lichtquellen 22.1 bis 22.3 jeweils in Einbuchtungen 24.1, 24.2 und 24.3. Im Inneren, vorzugsweise mittig im Glasrohr 60 und sich über die gesamte Länge des UV-Reaktors 20 erstreckend, befindet sich der UV-transparente Glasstab 10, der von einem Schutzmantel 15 in Form eines Rohres umgeben ist.
In 9 ist ein schematischer Ausschnitt aus einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer UV-Entkeimungs- bzw. Desinfektionsvorrichtung in dreidimensionaler Ansicht dargestellt. Hierbei befindet sich eine UV-Lichtquelle 22 getrennt durch ein UV-transparentes Fenster 90 außerhalb des zu entkeimenden Mediums, das im vorliegenden Beispielfall Wasser ist. Der UV-transparente Glasstab 10 erstreckt sich über die gesamte Länge L des UV-Reaktors 20 und sogar noch darüber hinaus. Der Glasstab 10 weist eine Eingangsseite 10.1 und eine Ausgangsseite 10.2 auf. Auf der Ausgangsseite 10.2 sind Mittel 30, 40 zum Bestimmen der UV-Strahlungsintensität der UV-Lichtquelle 22 vorgesehen.
Die 1 bis 9 verdeutlichen nur beispielhaft mögliche Ausgestaltungen. Diese sind nicht beschränkend zu verstehen, sondern stellen lediglich Beispiele möglicher Ausführungsformen dar. Andere Möglichkeiten zur Ausführung sind denkbar.
Bezugszeichenliste

10: Glasstab
10.1: Eingangsseite Glasstab
10.2: Ausgangsseite Glasstab
11: Stufenindexfaser
11.1: Eingangsseite Stufenindexfaser
11.2: Ausgangsseite Stufenindexfaser
15: Schutzmantel
20: Reaktor
22, 22.1, 22.2., 22.3, 22.4, 22.5: UV-Lichtquelle
23.1, 23.2, 23.3, 23.4, 23.5: Reflektor
24.1, 24.2, 24.3: Einbuchtungen
25: Reflektor
28: wellenlängenselektive Komponente
30: Mittel zum Detektieren der Strahlung und/oder Bestimmen der Strahlungsleistung
33: Mittel zur Weiterbeförderung des Lichts
35: refraktive Endfacette
40: Mittel zum Detektieren der Strahlung und/oder Bestimmen der Strahlungsleistung
50a, 50b, 50c, 50d, 50e: Aussparungen
60: Glasrohr
70: Reflektor
90: UV-transparentes Fenster
100: Licht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011102687 A1 [0007]
DE 19957997 A1 [0008]
EP 1130381 B1 [0009]
EP 2399614 A1 [0010]
DE 102011112994 [0029, 0125]
DE 102012022326 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Applied Spectroscopy, Miryeong Sohn et al., 63, Nr. 11, 2009, S. 1251–1255 [0002]
DIN ISO 719 [0023]

Claims

Meßvorrichtung zur Detektion der Strahlung und/oder Bestimmung der Strahlungsleistung von mindestens einer Quelle, die elektromagnetische Strahlung emittiert, insbesondere für eine Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtung, umfassend einen Glasstab (10) oder eine Stufenindexfaser (11) aus Glas, das für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, der/die eine Eingangsseite (10.1 oder 11.1) und eine Ausgangsseite (10.2 oder 11.2) aufweist, und als Lichtleiter fungiert, wobei die Ausgangsseite (10.2 oder 11.2) mit Mitteln (30, 40) verbunden ist, die zum Detektieren und/oder Erfassen und/oder Messen und/oder Kontrollieren der Strahlung und/oder Strahlungsleistung der mindestens einen Quelle dienen.
Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle eine UV-Lichtquelle (22, 22.1, 22.2, 22.3, 22.4, 22.5) ist und das Glas des Glasstabs oder der Stufenindexfaser UV-transparent ist.
Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasstab (10) oder die Stufenindexfaser (11) mindestens eine der nachfolgenden Modifikationen aufweist: – Streuinklusionen auf der Glasoberfläche und/oder im Glas; – Oberflächenrauhigkeit, bevorzugt durch Einbringen von Material in das Glas und/oder durch Aufbringen von Material auf die Glasoberfläche und/oder durch Behandlung und/oder Bearbeitung des Glases; – eine oder mehrere refraktive Strukturen, bevorzugt eine refraktive Endfacette; – eine oder mehrere diffraktive Strukturen; – eine Beschichtung, die wellenlängenselektiv wirkt; – einen mikrostrukturierten Bereich und/oder – eine Maskierung als reflektierende Beschichtung, wobei die Modifikationen teilweise oder vollständig über die Oberfläche des Glasstabs oder der Stufenindexfaser und/oder über Teile oder im gesamten Glasstabs (10) und/oder über Teile oder in der gesamten Stufenindexfaser (11) vorliegen.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasstab (10) oder die Stufenindexfaser (11) an der Eingangsseite (10.1 oder 11.1) einen Reflektor aufweist, der bevorzugt in Form einer Hülse, Beschichtung, Folie oder Endkappe ausgebildet ist.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das UV-transparente Glas ausgewählt ist aus Quarzglas, Silicatglas, bevorzugt Borosilicatglas, Natrium-Kalium-Barium-Silicatglas, ganz besonders bevorzugt Quarzglas oder Borosilicatglas, bevorzugt umfasst das Glas eine Zusammensetzung (in Gew.-%), die ausgewählt ist aus Glaszusammensetzung 1: SiO₂ 75–85 Gew.-% B₂O₃ 8–15 Gew.-% Al₂O₃ 0,5–4 Gew.-% Na₂O 1–6 Gew.-% K₂O 0,1–2 Gew.-% ZrO₂ < 0,005 Gew.-%

mit einem Gehalt an Fe₂O₃ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm, einem Gehalt an TiO₂ < 100 ppm bevorzugt < 10 ppm und einem Gehalt an Läutermittel; oder Glaszusammensetzung 2: SiO₂ 65–75 Gew.-% B₂O₃ 15–22 Gew.-% Al₂O₃ 4,5–7 Gew.-% Na₂O 1,5–4 Gew.-% K₂O 0,5–3 Gew.-% Li₂O 0,1–1,5 Gew.-% BaO 0,5–4 Gew.-% CaO 0,1–2 Gew.-% MgO < 0,01 Gew.-%

mit einem Gehalt an Fe₂O₃ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm, einem Gehalt an TiO₂ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm und einem Gehalt an Läutermittel; oder Glaszusammensetzung 3: SiO₂ 65–78 Gew.-% B₂O₃ 0,5–4 Gew.-% Al₂O₃ 0,5–4 Gew.-% Na₂O 5–10 Gew.-% K₂O 8–14 Gew.-% BaO 5–8 Gew.-%

mit einem Gehalt an Fe₂O₃ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm, einem Gehalt an TiO₂ < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm, einem Gehalt an CaO < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm, einem Gehalt an MgO < 100 ppm, bevorzugt < 10 ppm und einem Gehalt an Läutermittel; oder Glaszusammensetzung 4: SiO₂ > 98 Gew.-% TiO₂ < 0,1 Gew.-% Al₂O₃ < 0,1 Gew.-% Li₂O < 0,1 Gew.-% K₂O < 0,1 Gew.-% ZrO₂ < 0,1 Gew.-%,
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (30, 40) aufweisen: – einen Detektor, vorzugsweise ausgewählt aus Photodetektoren, wie Photozellen, Photodioden oder Photosensoren, und/oder – ein Spektrometer oder einen Farbfilter und/oder – ein Kontrollgerät, ausgelegt um die gemessene Gesamt-Strahlungsleistung der mindestens einen Quelle zu kontrollieren und gegebenenfalls zu steuern.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder zwischen den Mitteln (30, 40) weitere Mittel (33) zum Weiterbefördern der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, vorzugsweise in Form einer Faser, insbesondere einer optischen Faser.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Mitteln (30, 40) wellenlängenselektive Komponenten (15) vorgeschaltet sind, die vorzugsweise ausgewählt sind aus einem oder mehreren Filtern, wie UV-Filter, wellenlängenselektiven Beschichtungen, Gittern, Prismen und dergleichen.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasstab (10) oder die Stufenindexfaser (11) von einem Schutzmantel (15), bevorzugt Schutzrohr, umgeben ist, der/das vorzugsweise aus Glas, das für die elektromagnetische Strahlung transparent ist, besteht.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1, bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasstab (10) oder die Stufenindexfaser (11) mit gleichem Abstand zu sämtlichen UV-Lichtquellen (22, 22.1, 22.2, 22.3, 22.4, 22.5) positioniert ist.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Glasstab (10) oder die Stufenindexfaser (11) mittig in einem Reaktor (20) erstreckt.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Glasstab (10) oder die Stufenindexfaser (11) über die gesamte Länge (L) eines Reaktors (20) erstreckt und vorzugsweise parallel zur Strömungsrichtung des zu behandelnden Mediums angeordnet ist.
Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12 in einer Vorrichtung, in der chemische und/oder biochemischen Reaktionen durch Strahlung induziert werden oder zur Behandlung, insbesondere Entkeimung oder Desinfektion, eines Mediums unter Verwendung von Strahlung.
Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12 in einer Vorrichtung zur Entkeimung oder Desinfektion von Flüssigkeiten und/oder Gasen – wie Luft oder Industriegasen – in ruhendem oder strömendem Zustand, insbesondere zur Trinkwasseraufbereitung, -entkeimung oder -desinfektion, Entkeimung oder Desinfektion von Reinstwasser, Abwasser, Flüssigkeiten aus dem Bereich der Pharma-, Kosmetik-, Lebensmittel- und Halbleiterindustrie.
Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12 zur Qualitätskontrolle von Entkeimungs- oder Desinfektionsvorrichtungen anhand der Kontrolle der Gesamtstrahlungsleistung der vorhandenen UV-Lichtquellen und/oder anhand der Kontrolle der Fluoreszenzstrahlung der im zu entkeimenden und/oder entkeimten Medium vorhandenen angeregten Mikroorganismen.