DE102013218860A1

DE102013218860A1 - Sensor zum Bestimmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102013218860A1
Application number: DE201310218860
Authority: DE
Inventors: Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-19
Also published as: WO2015039815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) zum Bestimmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit wenigstens einem optischen Element (101), wenigstens einer Lichtquelle (102) und wenigstens einem Detektor. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das optische Element (101) wenigstens eine Grenzfläche (106) mit wenigstens einer Krümmung aufweist, um Strahlung eines von der Lichtquelle (102) in das optische Element (101) emittierten und dort geführten Strahlenbündels (107) aus dem optischen Element (101) in das angrenzende Medium (103) auszukoppeln, wobei der Detektor einen Transmissionsgrad des in dem optischen Element (101) zum Detektor geführten Strahlenbündels (107) als Maß für den Brechungsindex des Mediums (103) erfasst.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zum Bestimmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums und ferner von einem Messverfahren insbesondere zum Betreiben eines derartigen Sensors.
Stand der Technik
Derartige Sensoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um dort Flüssigkeiten wie z.B. Öl oder Gemische wie z.B. Ethanol-Benzin zu bestimmen. Dabei werden z.T. höchst unterschiedliche physikalische Messtechniken realisiert, die auf kapazitiver Messung, thermischer Impedanzmessung, Laufzeitmessungen von Schallwellen oder auch der Messung der Viskosität beruhen können. Auch optische bzw. spektroskopische Messtechniken kommen vereinzelt zum Einsatz. Unbefriedigend dabei ist, dass derartige Sensoren entweder aufwendig ausgebildet sind oder zwar preiswert sind, jedoch nicht den derzeitigen oder künftigen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügen.
Vorteile der Erfindung
Der Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das Zusammenspiel von nur wenigen preiswerten Komponenten ein kostengünstiger und zuverlässig arbeitender Sensor realisierbar ist. Indem dazu die Krümmung der Grenzfläche des optischen Elements, in welchem ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel geführt ist, aufgrund der Vielfalt von Einfallswinkeln den Übergang von Strahlen in das an das optische Element unmittelbar angrenzende Medium ermöglicht, ist die vom Detektor gemessene Transmission der durch das optische Element durchlaufenden Strahlung abhängig vom Verhältnis der innerhalb des optischen Elements totalreflektierten Strahlen zu der als gebrochene Strahlen in das angrenzende Medium übertretenden Strahlung, also mithin bei bekanntem Brechungsindex des optischen Elements abhängig vom Brechungsindex des angrenzenden Mediums.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, mit welcher ein relativ großer effektiver Messbereich erzielbar ist, kann darin bestehen, dass das optische Element wenigstens zwei Krümmungen aufweist, welche gegensinnig zueinander verlaufen.
Gemäß einer messtechnisch einfach zu realisierenden Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlenquelle an einem Ende des optischen Elements angeordnet, während der Detektor am entgegengesetzten Ende des optischen Elements angeordnet ist, wobei der Detektor die Intensität des im optischen Element geführten und am entgegengesetzten Ende austretenden Strahlenbündels erfasst. Der Transmissionsgrad wird dann als Quotient aus der vom Detektor erfassten Intensität des Strahlenbündels zur Intensität des Strahlenbündels am Ort der erzeugenden Lichtquelle bestimmt.
Indem das optische Element einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ergibt sich für die Anpassung des Sensors an unterschiedliche Anwendungsbereiche bzw. Messbereiche ein relativ einfach handhabbarer optischer Designparameter, der neben anderen Designparametern die Performance des Sensors mitbestimmt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, welche kostengünstig herzustellen ist, kann darin bestehen, dass das optische Element als gebogene Glasfaser ausgebildet ist.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
1 ein erfindungsgemäßer Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Schnittansicht, wobei der Sensor ein optisches Element aufweist, in welchem sich ein von einer Lichtquelle des Sensors emittiertes Strahlenbündel ausbreitet, wobei ein Teil des Strahlenbündels als gebrochene Strahlen in ein angrenzendes optisch dünneres Medium übertritt, das einen Brechungsindex von 1.0 aufweist,
2 der erfindungsgemäße Sensor gemäß der ersten Ausführungsform in einer Schnittansicht, wobei das angrenzende Medium einen Brechungsindex von 1.3 aufweist,
3 der erfindungsgemäße Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittansicht, wobei das optische Element des Sensors zwei aufeinanderfolgende bogenförmige Krümmungen aufweist, deren Krümmungsradien gegensinnig verlaufen, und das angrenzende Medium einen Brechungsindex von 1.0 aufweist,
4 der erfindungsgemäße Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform in einer Schnittansicht, wobei das angrenzende Medium einen Brechungsindex von 1.3 aufweist,
5 ein Transmissionsdiagramm mit Transmissionskurven des optischen Elements des erfindungsgemäßen Sensors gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die unterschiedlichen Transmissionskurven das jeweilige Transmissionsverhalten des optischen Elements für unterschiedliche Krümmungsradien in funktionaler Abhängigkeit vom Brechungsindex eines optisch dünneren Umgebungsmediums darstellen,
6 ein Transmissionsdiagramm mit Transmissionskurven des optischen Elements des erfindungsgemäßen Sensors gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die unterschiedlichen Transmissionskurven das jeweilige Transmissionsverhalten des optischen Elements für drei unterschiedliche Querschnittsdurchmesser in funktionaler Abhängigkeit vom Brechungsindex eines optisch dünneren Umgebungsmediums darstellen,
7 ein Transmissionsdiagramm mit Transmissionskurven des optischen Elements des erfindungsgemäßen Sensors gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die unterschiedlichen Transmissionskurven das jeweilige Transmissionsverhalten des optischen Elements für vier unterschiedliche Brechungsindizes in funktionaler Abhängigkeit vom Brechungsindex eines optisch dünneren Umgebungsmediums darstellen,
8 ein Transmissionsdiagramm mit Transmissionskurven des optischen Elements des erfindungsgemäßen Sensors, wobei unterschiedliche Transmissionskurven das jeweilige Transmissionsverhalten des optischen Elements bei verschiedenen Wellenlängen des eingestrahlten Lichts in funktionaler Abhängigkeit vom Brechungsindex des optisch dünneren Umgebungsmediums darstellen, sowie
9 ein Transmissionsdiagramm, das anhand von zwei Transmissionskurven das Transmissionsverhalten des optischen Elements für zwei unterschiedliche Formgeometrien gemäß der Ausführungsform von 1 und jener von 3 in Abhängigkeit vom Brechungsindex des optisch dünneren Umgebungsmediums zeigt.
Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher ein lichtführendes bzw. optisches Element 101, eine Lichtquelle 102 und einen – nicht dargestellten – Photodetektor aufweist und zur Bestimmung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums 103 dient. Dabei ist das lichtführende bzw. optische Element 101 des Sensors 100 durch einen vorbestimmten Brechungsindex n₁ charakterisiert. Das optische Element 101 ist bogenförmig gekrümmt ausgebildet und weist ein erstes Ende 104 und ein zweites Ende 105 auf, die jeweils plan ausgebildet sind, sowie eine sich dazwischen gekrümmt erstreckende mantelförmige Grenzfläche 106, wobei das optische Element 101 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Indem der Brechungsindex bzw. die Brechzahl n₁ des optischen Elements 101 größer bemessen ist als der Brechungsindex n₂ des umgebenden Mediums 103, d.h. n₁ > n₂, bildet das optische Element 101 gegenüber dem umgebenden Medium 103 ein optisch dichteres Medium.
Die Lichtquelle 101 ist unmittelbar vor dem unteren Ende 104 des optischen Elements 101 angeordnet und strahlt mit einer bestimmten Wellenlänge λ und mit einem relativ kleinen Öffnungswinkel ϕ ein Lichtstrahlenbündel 107 in das optische Element 101 über das eintrittsseitige Ende 104 ein, während der Photodetektor am entgegengesetzten oberen Ende 105 des bogenförmig verlaufenden Elements 101 angeordnet ist. Das Lichtstrahlenbündel 107 breitet sich innerhalb des lichtführenden Elements 101 durch Vielfachreflexionen an der gekrümmt verlaufenden Grenzfläche 106 aus. Ein Teil der Strahlen, die durch Totalreflexion an der Grenzfläche 106 zum austrittsseitigen Ende 105 des Elements 101 gelangen und dort ausgekoppelt werden, wird von dem dort positionierten Photodetektor erfasst. Ein anderer Teil der Strahlen, die auf die konvexe Seite 106´ der gekrümmt verlaufenden Grenzfläche 106 unter Einfallswinkeln θ_i auftreffen, welche kleiner als der vom Verhältnis der beiden Brechungsindizes n₁, n₂ abhängigen Grenzwinkel θ_G sind, d.h. θ_i < θ_G, werden gemäß dem Brechungsgesetz von Snellius (zum Brechungsgesetz vgl. z.B. Donald C. O´Shea, Elements of Modern Optical Design, John Wiley & Sons, 1985, Seiten 8 und 9) in das optisch dünnere Umgebungsmedium 103 ausgekoppelt und gehen somit als gebrochene Strahlen 108 in das Umgebungsmedium 103 über. Durch die bogenförmige Krümmung der Grenzfläche 106 sind Einfallswinkel für das Strahlenbündel 107 möglich, die unterhalb des Grenzwinkels θ_G liegen. Der erfindungsgemäße Sensor 100, der in ein Medium 103 oder Gemisch mit kleinerem Brechungsindex n₂ gebracht bzw. eingetaucht wird, bildet somit mit dem zu untersuchenden Medium 103 bzw. Gemisch ein Meßsystem.
Gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform des Sensors 100 besteht das Material des lichtführenden Elements 101 aus einem Spezial-Glas BK7 mit einem Brechungsindex n₁ = 1.52, während das umgebende Medium 103 Luft mit einem Brechungsindex n₂ = 1.0 gebildet ist, wobei der berechnete Verlauf des Strahlenbündels 107 in 1 aufgrund des Brechungsgesetzes erfolgt und auf diesen Parametern basiert. Die Lichtquelle 102 kann entweder als Leuchtdiode oder als Laser, vorzugsweise als VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Lichtquelle so ausgebildet, dass deren Ausgangsstrahlungsleistung am Ort der Lichtquelle bzw. am Ort des Eintritts in das optische Element mittels einer „on-chip“-Funktion des Leuchtdiodenelements bzw. Laserdiodenelements detektierbar ist. Die Wellenlänge λ der Lichtquelle 102 liegt im Wellenlängenbereich zwischen etwa 200 nm und etwa 11 μm und beträgt vorzugsweise 670 nm. Dabei ist der Durchmesser der Lichtquelle 102 so bemessen, dass dieser im Mikrometerbereich zwischen etwa 1 bis 100 μm liegt, damit die Lichtquelle 102 in Relation zu dem Querschnitt bzw. Durchmesser des optischen Elements 101 ein punktförmige Lichtquelle bildet. In Korrelation dazu beträgt der kreisförmige Durchmesser des optischen Elements 101 im Ausführungsbeispiel D = 1 mm und kann im Bereich zwischen etwa 0.1 mm bis 2 mm liegen. Ferner ist der Abstrahlwinkel bzw. Öffnungswinkel ϕ der Lichtquelle 102 so bemessen, dass dieser in einem Winkelbereich zwischen etwa 5° bis 50° liegt. Der Krümmungsradius R des optischen Elements 102 beträgt im Ausführungsbeispiel R = 5 mm und kann generell im Bereich zwischen etwa 1 mm bis 50 mm liegen, um eine Vielfalt von Einfallswinkeln für das Strahlenbündel unterhalb des Grenzwinkels θ_G zu erzeugen. Der Detektor ist vorzugsweise als Photodetektor, z.B. als Silizium-PIN-Diode zur Detektion des Lichtstrahlenbündels ausgebildet. Der Durchmesser D des optischen Elements 101 ist in Relation zur Position und zum Öffnungswinkel ϕ der Lichtquelle 101 so bemessen, dass das emittierte Strahlenbündel 107 an der konvexen Seite 106´ der Grenzfläche 106 reflektiert und gebrochen wird; die konkave Seite 106´´ trägt in diesem Fall nicht zur Strahlführung bei.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Sensor 100 gemäß der ersten Ausführungsform in einem Umgebungsmedium 103, das im Unterschied zu 1 einen Brechungsindex n₂ = 1.3 aufweist. Übereinstimmend mit der Ausführungsform von 1 ist das optische Element 102 des erfindungsgemäßen Sensors 100 aus dem optischen Material BK7 mit dem Brechungsindex n₁ = 1.52 gebildet. Aufgrund des gegenüber 1 geänderten Grenzwinkels θ_G = n₁/n₂ wird – wie der gemäß dem Brechungsgesetz berechnete Verlauf des Strahlenbündels 107 in 2 zeigt – ein größerer Anteil des Strahlenbündels 107 an der Grenzfläche 106 durch Brechung ausgekoppelt. Vorteilhaft kann dadurch im Vergleich zur Ausführungsform von 1 ein höherer Anteil der Gesamtstrahlung in das optisch dünnere Umgebungsmedium 103 als gebrochene Strahlen 108 übergehen. Durch die Wahl des Krümmungsradius R und des Durchmessers D des optischen Elements 101 trägt die Innenseite bzw. konkave Seite 106´´ des optischen Elements 101 nicht zur Strahlführung bei. Zweckmäßigerweise erfolgt aus diesem Grund der Einbau des Sensors 100 in ein Behältnis für das zu bestimmende Medium 103 beispielsweise bezüglich einer möglichen Strömungsrichtung des Mediums so, dass lediglich die konkave Seite 106´´ einer möglichen Verschmutzung durch unerwünschte Fremdpartikel ausgesetzt ist, während die konvexe Seite 106´, an der die Reflexion stattfindet, „sauber“ bleibt.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 100, welche sich von der ersten Ausführungsform darin unterscheidet, dass das optische Element 101 des Sensors 100 anstatt einer einzigen kreisbogenförmigen Krümmung zwei aufeinanderfolgende Krümmungen 110, 111 aufweist, die gegensinnig zueinander verlaufen. Dabei ist die vom eintrittsseitigen Ende 104 ausgehende erste Krümmung 110 konkav zur Lichtquelle 102 hin ausgebildet und die sich daran anschließende zweite Krümmung 111 konvex zur Lichtquelle 102 hin ausgebildet. Um eine möglichst große Vielfalt von Einfallswinkeln für das ankommende Strahlenbündel zu erzeugen, ist jede Krümmung 110, 111 als 90°-Kreisbogen ausgebildet. Insgesamt ergibt sich dadurch ein annähernd S-förmiger Verlauf des optischen Elements. Der Brechungsindex des optischen Elements 101 beträgt n₁ = 1.52 (BK7) und jener des Umgebungsmediums beträgt n₂ = 1.0 (Luft). Aufgrund des höheren Anteils von über die Grenzflächen der beiden Krümmungen ausgekoppelter Strahlung im Vergleich zur ersten Ausführungsform weist diese Ausführungsform den Vorteil eines breiteren Messbereichs auf, da sowohl an der ersten wie auch an der zweiten Krümmung Strahlen in das angrenzende Medium 103 durch Brechung übertreten können.
4 zeigt den erfindungsgemäßen Sensor 100 gemäß der zweiten Ausführungsform, der sich im Unterschied zu 3 in einem Umgebungsmedium 103 befindet, dessen Brechungsindex n₂ = 1.3 beträgt, während der Brechungsindex n₁ des optischen Elements 101 n₁ = 1.52 beträgt. Aufgrund des dadurch – gegenüber 3 – geringeren Brechzahlunterschieds zwischen n₁ und n₂ und mithin geänderten Grenzwinkels θ_G ergibt sich im Vergleich zu 3 ein höherer Anteil der gebrochenen Strahlen 108 im Umgebungsmedium 103.
Die in 1 bis 4 dargestellten Strahlverläufe des Strahlenbündels 107 in dem optischen Element 101 und dem angrenzenden Medium 103 beruhen jeweils auf Strahlrechnungen gemäß dem Brechungsgesetz von Snellius und zeigen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine zweidimensionale Ansicht des jeweiligen Strahlenbündels in der Schnittebene des optischen Elements.
5 bis 9 zeigen verschiedene Transmissionskurven für den erfindungsgemäßen Sensor 100, welche zur Optimierung des optischen Designs des Sensors im Hinblick auf unterschiedliche Sensoranwendungen dienen, um eine Anpassung des Sensors an Messbereiche vornehmen zu können, in denen ein zu bestimmendes Medium 103 liegt.
5 zeigt ein Transmissionsdiagramm, bei dem auf der Ordinate die prozentuale Transmission T für das optische Element 101 des Sensors 100 und auf der Abszisse die Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 aufgetragen sind. Dargestellt sind in dem Transmissionsdiagramm Transmissionskurven für drei Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Elements 101 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei bei gleichem Durchmesser D = 1 mm des optischen Elements 101 unterschiedliche Krümmungsradien R von 4 mm, 5 mm, und 6 mm dargestellt sind. Das Transmissionsdiagramm zeigt die Abhängigkeit des Transmissionsverhaltens als Funktion der jeweiligen Brechzahl n₂ eines Umgebungsmediums 103 und des jeweiligen Krümmungsradius R des optischen Elements 101, welches aus Borosilikat-Kronglas BK7 gebildet ist; die Wellenlänge der Lichtquelle beträgt 670 nm. Erkennbar ist bei größeren Krümmungsradien R ein zu höheren Brechzahlen n₂ hin verschobener Abfall der Transmission T gegenüber der aufgetragenen Brechzahl. Die prozentuale Transmission T wird in Relation zur Intensität bzw. Ausgangsleistung I₀ des Strahlenbündels 107 am Ort der Lichtquelle bestimmt, indem I₀ „on-chip“ gemessen wird. Um nun den erfindungsgemäßen Sensor 100 zur Messung eines Mediums 103 mit bekanntem Brechungsindex einsetzen zu können, ist der Messbereich des Sensors so auszubilden, dass der Brechungsindex des zu bestimmenden Mediums innerhalb dieses Messbereichs liegt. Da im Vergleich zur mittleren Transmissionskurve mit R = 5 mm die linke Transmissionskurve mit R = 4 mm einen steilen Kurvenverlauf bei niedrigen Brechzahlen hat, während die rechte Transmissionskurve mit R = 6 mm einen steilen Kurvenverlauf bei höheren Brechzahlen aufweist, wird zweckmäßigerweise zum Messen von Medien, die eine niedrige Brechzahl n₂ wie z.B. Methanol mit n₂ = 1.329 oder Ethanol mit n₂ = 1.36 aufweisen, ein optisches Element 101 mit kleinerem Krümmungsradius R eingesetzt, wohingegen zum Messen von Medien mit höherer Brechzahl wie z.B. Diesel (n₂ = 1.457) oder Benzin (n₂ = 1.466) ein optisches Element mit größerem Krümmungsradius R zum Einsatz kommt. Dazu bestimmt sich der erforderliche Messbereich durch den steilen Verlauf der jeweiligen Transmissionskurve, um einem gemessenen Transmissionswert einen entsprechenden Brechzahlwert bzw. Brechungsindex n₂ mit genügend großer Messauflösung zuordnen und daraus das mit dem Brechungsindex n₂ korrelierte Medium 103 bestimmen zu können.
6 zeigt ein Transmissionsdiagramm, bei dem anhand von drei Transmissionskurven die prozentuale Transmission T für das optische Element 101 gegenüber der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 aufgetragen ist für; dabei ist der Krümmungsradius R des optischen Elements 103 konstant und beträgt R = 5 mm, während der Durchmesser D jeweils 1 mm, 0.8 mm und 1.2 mm beträgt. Das Transmissionsdiagramm zeigt die Abhängigkeit des Transmissionsverhaltens als Funktion der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 und des jeweiligen Durchmessers D des optischen Elements 101 gemäß der ersten Ausführungsform, welches aus Borosilikat-Kronglas BK7 mit n = 1.52 gebildet ist; die Wellenlänge der Lichtquelle liegt im sichtbaren Spektralbereich und beträgt 670 nm. Erkennbar ist bei kleineren Durchmessern D ein zu höheren Brechzahlen n verschobener Abfall der Transmission T über der Brechzahl. Da im Vergleich zur mittleren Transmissionskurve mit D = 1 mm die linke Transmissionskurve mit D = 1.2 mm einen steilen Kurvenverlauf bei niedrigen Brechzahlen hat, während die rechte Transmissionskurve mit D = 0.8 mm einen steilen Kurvenverlauf bei höheren Brechzahlen aufweist, wird zweckmäßigerweise zum Messen von Medien mit niedriger Brechzahl n₂ ein optisches Element 101 mit größerem Durchmesser D verwendet, wohingegen zum Messen von Medien mit höherer Brechzahl ein optisches Element mit kleinerem Durchmesser D zum Einsatz kommt. 6 veranschaulicht somit den Einfluß des Designparameters D auf den Messbereich des Sensors.
7 zeigt ein Transmissionsdiagramm, bei dem anhand von vier Transmissionskurven die prozentuale Transmission T für das optische Element 101 gegenüber der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 aufgetragen ist; dabei bezeichnen die Transmissionskurven unterschiedliche optische Materialien des optischen Elements 101, nämlich Borosilikat-Kronglas BK7 mit einem Brechungsindex n₁ ~ 1.52, BAK 1 mit einem Brechungsindex n₁ ~ 1.57, SF5 mit einem Brechungsindex n₁ ~ 1.67 und N-SF6 mit einem Brechungsindex n₁ ~ 1.8. Der Krümmungsradius R des optischen Elements 101 beträgt R = 5 mm, der Durchmesser D = 1mm, während die Wellenlänge der Lichtquelle 102 λ = 670 nm beträgt. Das Transmissionsdiagramm zeigt die Abhängigkeit des Transmissionsverhaltens als Funktion der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 und der materialspezifischen Brechzahl n₁ des optischen Elements 101. Erkennbar ist bei höheren Brechzahlen n₁ des optischen Elements 101 ein zu höheren Brechzahlen n₂ des Umgebungsmediums 103 verschobener Abfall der Transmission T gegenüber der aufgetragenen Brechzahl n₁ des jeweiligen optischen Elements 101. Um den erfindungsgemäßen Sensor 100 auf der Basis der vorgegebenen Designparameter (R = 5 mm, D = 1mm, λ = 670 nm) zum Messen von Medien mit niedrigem Brechungsindex n₂ z.B. zur Ethanol-Messung (n_Ethanol = 1.36) einsetzen zu können, ist mithin aufgrund der Lage des Steilheitsverlaufs der dargestellten Transmissionskurven ein Material für das optische Element 101 des Sensors zu wählen, das die niedrigste Brechzahl aufweist. 7 veranschaulicht somit den Einfluß des Designparameters n₁ auf den Messbereich des Sensors.
8 zeigt ein Transmissionsdiagramm, bei dem die prozentuale Transmission T für das optische Element 101 gegenüber der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 anhand von vier Transmissionskurven aufgetragen ist, welche unterschiedliche Einstrahlwellenlängen der Lichtquelle 102 darstellen. Dabei ist das optische Element 101 aus BK7 gebildet; der Krümmungsradius R des optischen Elements beträgt R = 5 mm und der Durchmesser D = 1 mm. Das Transmissionsdiagramm zeigt die Abhängigkeit des Transmissionsverhaltens als Funktion der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 und der jeweiligen Wellenlänge λ der Lichtquelle 102. Erkennbar ist bei kürzeren Wellenlängen der Lichtquelle 102 ein zu höheren Brechzahlen n₂ des Umgebungsmediums 103 verschobener Abfall der Transmission T über der Brechzahl. Zum Messen von Medien mit niedrigem Brechungsindex sind gemäß den dargestellten Transmissionskurven Messwellenlängen im infraroten Spektralbereich geeignet, während für Medien mit höherem Brechungsindex Messwellenlängen geeignet sind, die im sichtbaren Spektralbereich liegen. 8 veranschaulicht somit den Einfluß des Designparameters λ auf den Messbereich des Sensors.
9 zeigt in einem Transmissionsdiagramm die Abhängigkeit des Transmissionsverhaltens als Funktion der Form des optischen Elements 101 anhand von zwei Transmissionskurven. Dabei zeigt die durchgezogene Transmissionskurve das Transmissionsverhalten der ersten Ausführungsform mit lediglich einer Krümmung, während die gestrichelt eingezeichnete Transmissionskurve das Transmissionsverhalten der zweiten Ausführungsform mit zwei aufeinanderfolgenden gegensinnigen Krümmungen darstellt. Dazu weist das optische Element 101 einen Krümmungsradius R = 5 mm und einen Durchmesser D = 1mm auf und ist aus BK7 (n₁ = 1.52) gebildet, während die Wellenlänge λ der Lichtquelle 102 λ = 670 nm beträgt. Erkennbar ist, dass bei der zweiten Ausführungsform der Gradient des Abfalls der Transmission T geringer als bei der ersten Ausführungsform ist und sich somit der sensitive Messbereich über einen größeren Abschnitt der Brechzahl n₂ des Umgebungsmediums 103 erstreckt. Durch die im Wesentlichen S-förmige Ausbildung des optischen Elements eröffnet sich für den erfindungsgemäßen Sensor ein größerer Messbereich im Vergleich zu der ersten Ausführungsform, die durch einen Einzelbogen definiert ist. 9 veranschaulicht somit den Einfluß des durch einen Formfaktor bestimmten Designparameters auf den Messbereich des Sensors.
Zum Betreiben des erfindungsgemäßen Sensors 100 dient in verfahrenstechnischer Hinsicht ein Messverfahren mit den Verfahrensschritten des Erzeugens eines Strahlenbündels 107 zum Führen in dem optischen Element 101, des Auskoppelns zumindest eines Teils der Strahlung des Strahlenbündels 107 mittels der Krümmung der Grenzfläche 106 des optischen Elements 101 in ein unmittelbar an die Grenzfläche 106 angrenzendes Medium 103, des Messens der Transmission des in dem optischen Element 101 durch Totalreflexion geführten Strahlenbündels 107 mittels des Detektors, des Ermittelns des Transmissionsgrads als Maß für den Brechungsindex n₂ des Mediums 103 und des Bestimmens des Mediums 103 auf der Basis einer Zuordnung des materialspezifischen Brechungsindex.
Der erfindungsgemäße Sensor 100 weist eine – in den Figuren nicht dargestellte – Auswerteeinrichtung auf, in dessen Speicher das Messverfahren implementiert ist. Ferner sind in dem Speicher – vorab gemessene – Transmissionskurven als Wertepaare (T(i); n(i)) abgespeichert, mit denen praktisch eine Kalibrierung des Sensors erfolgt, wobei T den jeweiligen Transmissionswert, n den jeweils zugeordneten Brechungsindex und der Laufindex i die Anzahl der Wertepaare bezeichnet. Die Auswerteeinrichtung erfasst Messwerte des Sensors 100, d.h. die Messsignale des Detektors und die am Ort der Lichtquelle gemessene Ausgangsintensität I₀ des Strahlenbündels 107, bildet daraus den Transmissionsgrad und wertet auf dieser Basis anhand von gespeicherten Transmissionskurven einen Brechungsindex aus, um das Medium 103 zu bestimmen.
Der erfindungsgemäße Sensor 100 eignet sich zur Bestimmung von Medien wie Ethanol, Methanol, Benzin, Diesel und Gemischen wie z.B. „AdBlue“ (wässrige Harnstofflösung) und „FlexFuel“ (Ethanol-Benzin-Gemisch). Ferner kann unter bestimmten Voraussetzungen auch die Zusammensetzung von Gemischen bestimmt werden, so dass der Sensor auch zur Messung der Alterung eines Öls und mithin zum Überwachen der Qualität eines Mediums einsetzbar ist, indem der Sensor 100 laufend oder zyklisch einen Abgleich mit einem abgespeicherten Referenzwert vornimmt.
Prinzipiell kann mit dem erfindungsgemäßen Sensor 100 auch die Absorption einer in das angrenzende Medium 103 eindringenden evaneszenten Welle gemessen werden. Da deren Amplitude innerhalb weniger Wellenlängen nach dem Eindringen in das angrenzende Medium abklingt, ist bei einer entsprechenden Transmissionsmessung gemäß einer weiterentwickelten Ausführungsform des Sensors ein Detektor mit einer hohen Nachweisempfindlichkeit erforderlich.
Zusammenfassend ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor 100 vorgesehen, dass das optische Element 101 wenigstens eine Grenzfläche 106 mit wenigstens einer Krümmung aufweist, um Strahlung eines von der Lichtquelle 102 in das optische Element 101 emittierten und dort geführten Strahlenbündels 107 aus dem optischen Element 101 in das angrenzende Medium 103 auszukoppeln, wobei der Detektor einen Transmissionsgrad des in dem optischen Element 101 zum Detektor geführten Strahlenbündels 107 als Maß für den Brechungsindex des zu bestimmenden Mediums 103 erfasst. Durch die Auskopplung von Strahlen des Strahlenbündels 107 an der Krümmung der Grenzfläche 106 des optischen Elements 101 in das angrenzende und zu bestimmende Medium 103 mittels Brechung erfolgt eine Wechselwirkung des Strahlenbündels 107 mit diesem Medium 103, wobei die Wechselwirkung durch den Transmissionsgrad des durch das optische Element 101 auf dessen Gesamtlänge transmittierten Strahlenbündels erfasst wird. Der Sensor 100 ist je nach zu bestimmendem Medium 103 über verschiedene Designparameter, zu denen der Durchmesser D, der Krümmungsradius R, die Wellenlänge λ der Lichtquelle und der Brechungsindex n des Materials des optischen Elements 101 zählen, an die jeweilige Anwendung anpassbar. Um mit dem Sensor 100 eine hinreichend genaue Messung im gewünschten Messbereich zu erzielen, ist als Messbereich jener Abschnitt eines Transmissionskurve zu wählen, in welchem der Gradient des Abfalls der Transmission steil ausgebildet ist. Das Glasmaterial des optischen Elements wird so gewählt, dass dessen Brechzahl bzw. Brechungsindex n₁ um einen Betrag von maximal 0.5 höher liegt als die Brechzahl n₂ des zu bestimmenden Mediums 103. Eine Ausführungsvariante des Sensors, mit welcher der Messbereich erweiterbar bzw. vergrößerbar ist, kann darin bestehen, dass das optische Element 101 wenigstens zwei Krümmungen aufweist, die gegensinnig zueinander verlaufen. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante ist der Messbereich des Sensors 100 ohne Verschlechterung der Messgenauigkeit erweiterbar, indem mehrere optische Elemente 101 mit jeweils eigens zugeordneter Lichtquelle und jeweils eigenem Detektor für den Sensor vorgesehen sind, wobei deren Messsignale der Auswerteeinrichtung zur gemeinsamen Signalverarbeitung zugeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Donald C. O´Shea, Elements of Modern Optical Design, John Wiley & Sons, 1985, Seiten 8 und 9 [0020]

Claims

Sensor (100) zum Bestimmen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums mit wenigstens einem optischen Element, wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (101) wenigstens eine Grenzfläche (106) mit wenigstens einer Krümmung aufweist, um Strahlung eines von der Lichtquelle (102) in das optische Element (101) emittierten und dort geführten Strahlenbündels (107) aus dem optischen Element (101) in das angrenzende Medium (103) auszukoppeln, wobei der Detektor einen Transmissionsgrad des in dem optischen Element (101) zum Detektor geführten Strahlenbündels (107) als Maß für den Brechungsindex des Mediums (103) erfasst.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (102) an einem Ende (104) des optischen Elements (101) angeordnet ist, während der Detektor am entgegengesetzten Ende (105) des optischen Elements (101) angeordnet ist, wobei der Detektor die Intensität des im optischen Element (101) geführten und am entgegengesetzten Ende (105) austretenden Strahlenbündels (107) erfasst.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Grenzfläche (106) des optischen Elements (101) derart ausgebildet ist, dass wenigstens für einen Teil der Strahlung des Strahlenbündels (107) beim Auftreffen auf die Krümmung der Grenzfläche (106) Einfallswinkel unterhalb des Grenzwinkels für die Totalreflexion existieren.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (101) wenigstens zwei Krümmungen (110, 111) aufweist, welche gegensinnig zueinander verlaufen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Krümmung bogenförmig ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Krümmung als 90°-Kreisbogen ausgebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (101) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transmissionsgrad als Quotient aus der vom Detektor erfassten Intensität des Strahlenbündels (107) zur Intensität des Strahlenbündels (107) am Ort der erzeugenden Lichtquelle (102) bestimmt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (101) als gebogene Glasfaser ausgebildet ist.
Messverfahren insbesondere zum Betreiben des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Erzeugen eines Strahlenbündels (107) zum Führen in dem optischen Element (101), – Auskoppeln zumindest eines Teils der Strahlung des Strahlenbündels (107) mittels der Krümmung der Grenzfläche (106) des optischen Elements (101) in ein unmittelbar an die Grenzfläche (106) angrenzendes und zu bestimmendes Medium (103), – Messen der Transmission des in dem optischen Element (101) durch Totalreflexion geführten Strahlenbündels (107) mittels wenigstens eines Detektors als Maß für den Brechungsindex des zu bestimmenden Mediums (103), und – Bestimmen des Mediums (103) auf der Basis einer Zuordnung des materialspezifischen Brechungsindex.