DE102020101219A1 - Improved luminescence based oxygen sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen lumineszenzbasierten Sauerstoffsensor umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Gehäuseinnenraum (20) welcher ein Messvolumen bildet und mit einem Ein- (21) und einem Auslass (22), eine Lichtquelle (3), welches Anregungslicht in einem ersten Wellenlängenbereich aussenden kann, ein Fluorophor (4), welches ein sauerstoffsensitives fluoreszierenden Material enthält und in dem Messvolumen so angeordnet ist, dass das fluoreszierende Material in direktem Kontakt mit dem Fluid steht und mit dem von der Lichtquelle (3) ausgesendeten Anregungslicht beaufschlagt werden kann, wobei das Fluorophor (4) daraufhin mit einer Antwortverzögerung als Antwort auf das Anregungslicht Lumineszenzlicht in einem zweiten Wellenlängenbereich aussendet, ein Lichtdetektor (5), welcher zumindest Licht innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs detektieren kann und ein eine detektierte Lichtintensität repräsentierendes, insbesondere dazu proportionales, analoges Detektorsignal ausgibt, und eine Steuerung (6), welche die Lichtquelle (3) ansteuert und aus dem Detektorsignal ein den Sauerstoffgehalt des Fluides repräsentierendes analoges oder digitales Messsignal ableitet, wobei die Steuerung (6) dazu vorbereitet ist mittels der Lichtquelle (3) das Anregungslicht in Form eines kurzen Lichtpulses auszusenden, und das Messsignal ausschließlich aus der Antwortverzögerung abzuleiten.The invention relates to a luminescence-based oxygen sensor comprising a housing (2) with a housing interior (20) which forms a measurement volume and with an inlet (21) and an outlet (22), a light source (3) which emits excitation light in a first wavelength range can, a fluorophore (4) which contains an oxygen-sensitive fluorescent material and is arranged in the measurement volume so that the fluorescent material is in direct contact with the fluid and can be exposed to the excitation light emitted by the light source (3), wherein the Fluorophore (4) thereupon emits luminescent light in a second wavelength range with a response delay as a response to the excitation light, a light detector (5) which can detect at least light within the second wavelength range and outputs an analog detector signal representing a detected light intensity, in particular proportional thereto, and a e control (6), which controls the light source (3) and derives an analog or digital measurement signal representing the oxygen content of the fluid from the detector signal, the control (6) being prepared for this by means of the light source (3) the excitation light in the form of a short To emit light pulse, and to derive the measurement signal exclusively from the response delay.
Description
Vorliegende Erfindung betrifft einen lumineszenzbasierten optischen Sauerstoffsensor gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sauerstoffsensors.The present invention relates to a luminescence-based optical oxygen sensor according to the preamble of
Das Problem einer schnellen und zuverlässigen Messung des Sauerstoffsgehalts eines Fluides stellt sich in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft, Technik und Medizin, so etwa die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in der Atemluft, im Blut oder in der Abluft einer Verbrennungsmaschine. Auch bei Bioreaktoren ist eine Überwachung der Zu und/oder Abluft sehr wichtig um, die Prozess- bzw. Wachstumsparameter und die Stoffbilanz möglichst genau verfolgen und regeln zu können. Besonders bei dieser Anwendung sind neben einer ausreichend schnellen Ansprechzeit vor allem Kompaktheit und Zuverlässigkeit auch unter widrigen Bedingungen wir hochreaktiven Bestandteilen der Abluft wesentliche Kriterien für einen Sauerstoffsensor.The problem of a quick and reliable measurement of the oxygen content of a fluid arises in various areas of science, technology and medicine, for example the determination of the oxygen content in the breath, in the blood or in the exhaust air of an internal combustion engine. In the case of bioreactors, too, monitoring of the supply and / or exhaust air is very important in order to be able to follow and regulate the process or growth parameters and the material balance as precisely as possible. Particularly in this application, in addition to a sufficiently fast response time, compactness and reliability, even under adverse conditions, such as highly reactive components of the exhaust air, are essential criteria for an oxygen sensor.
Es sind verschiedene Arten von Sauerstoffsensor bekannt, welche auf unterschiedlichen physikalischen Prozessen basieren wie etwa sauerstoffabhängige elektrische Leitfähigkeit, elektro-galvanische Prozesse oder optische Prozesse. Unter den auf optischen Prozessen basierenden Sauerstoffsensoren sind besonders die lumineszenz- bzw. fluoreszenzbasierten Sensoren von Interesse.Various types of oxygen sensors are known which are based on different physical processes such as oxygen-dependent electrical conductivity, electro-galvanic processes or optical processes. Among the oxygen sensors based on optical processes, the luminescence or fluorescence-based sensors are of particular interest.
Lumineszenz und Fluoreszenz werden im Folgenden im Wesentlichen synonym verwendet, auch wenn Lumineszenz eigentlich ein weiter Oberbegriff ist, der neben der unter den weiter eingeschränkten Begriff Photolumineszenz fallenden Fluoreszenz auch weitere Effekte mit spontaner Photonenemission durch ein angeregtes Medium umfasst, bei denen die Anregung nicht durch Photonen sondern auf anderem Wege erfolgte, etwa mechanisch (Mechanolumineszenz), chemisch (Chemolumineszenz) oder elektrisch (Elektrolumineszenz).Luminescence and fluorescence are essentially used synonymously in the following, even if luminescence is actually a broad generic term which, in addition to the fluorescence falling under the more restricted term photoluminescence, also includes other effects with spontaneous photon emission by an excited medium, in which the excitation is not by photons but took place in other ways, for example mechanically (mechanoluminescence), chemically (chemiluminescence) or electrically (electroluminescence).
Lumineszenz- bzw. fluoreszenzbasierte Sauerstoffsensoren setzen sauerstoffsensitive fluoreszierende Materialien ein, um die Sauerstoffkonzentration eines zu untersuchenden Fluides, also eines Gasgemisches oder einer Flüssigkeit, zu messen. Ein fluoreszierendes Material sendet durch spontane Emission von Photonen nach Anregung seiner Moleküle durch Anregungslicht einer ersten Wellenlänge bzw. eines ersten Wellenlängenbereiches Lumineszenzlicht einer zweiten, üblicherweise höheren (also niederenergetischeren) Wellenlänge aus. Diese spontane Emission erfolgt mit einer gewissen Verzögerung, welcher der Lebensdauer der durch das Anregungslicht besetzten angeregten Zustände entspricht. Sowohl Intensität als auch die Verzögerung der spontanen Emission, also des Lumineszenzlichtes können von Umgebungsparametern abhängen. Bei einem sauerstoffsensitiven fluoreszierenden Material sind Intensität und Verzögerung vom Sauerstoffgehalt des Materials abhängig. Sauerstoff kann aus der Umgebung in das Material hinein- oder umgekehrt aus dem Material in die Umgebung hinausdiffundieren. Intensität und Verzögerung können also ein Maß für den Sauerstoffgehalt der Umgebung des Materials sein.Luminescence or fluorescence-based oxygen sensors use oxygen-sensitive fluorescent materials to measure the oxygen concentration of a fluid to be examined, i.e. a gas mixture or a liquid. A fluorescent material emits luminescent light of a second, usually higher (ie lower-energy) wavelength through spontaneous emission of photons after its molecules have been excited by excitation light of a first wavelength or a first wavelength range. This spontaneous emission takes place with a certain delay, which corresponds to the lifetime of the excited states occupied by the excitation light. Both the intensity and the delay of the spontaneous emission, i.e. of the luminescent light, can depend on environmental parameters. In the case of an oxygen-sensitive fluorescent material, the intensity and delay are dependent on the oxygen content of the material. Oxygen can diffuse into the material from the environment or, conversely, diffuse out of the material into the environment. Intensity and delay can therefore be a measure of the oxygen content in the vicinity of the material.
Die internationale Offenlegungsschrift
Ähnliche Nachteile hat die Veröffentlichung
Die Offenlegungsschrift
Eine Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Verbesserung der bekannten lumineszenzbasierten Sauerstoffsensoren dahingehend, dass eine erhöhte Zuverlässigkeit und Genauigkeit erreicht wird. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine vereinfachte und kompaktere Konstruktion zu finden.One object of the present invention is therefore to improve the known luminescence-based oxygen sensors in such a way that increased reliability and accuracy are achieved. Another task is to find a simplified and more compact construction.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1-9, welche nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 10 - 13 betrieben wird.This object is achieved by a device according to claims 1-9, which is operated according to the method according to claims 10-13.
Die wesentliche Neuerung gegenüber den bekannten lumineszensbasierten Sauerstoffsensoren ist die Ableitung des Messsignals ausschließlich aus der Antwortverzögerung, also der Zeit zwischen der Aussendung des Anregungslichts durch die Lichtquelle und der Detektion des Lumineszenzlichts, welches das Fluorophor als Antwort aussendet. Hierbei wird von vorliegender Erfindung vorteilhaft die Erkenntnis ausgenutzt, dass dies die Antwortverzögerung auch vom Sauerstoffgehalt des Fluides abhängig ist, jedoch im Wesentlichen nicht durch die Intensität des Anregungslichts beeinflusst wird. Hierdurch werden die zu Messfehlern führenden Schwankungen der Intensität des Lumineszenzlichts mit Schwankungen in der Intensität des vom Fluorophor empfangenen Anregungslichts, welche beispielsweise auf Schwankungen der Versorgungsspannung oder der Temperatur der Lichtquelle oder auch auf Schwankungen der Transmissivität des Mediums aufgrund von Schwebstoffen oder gelösten Gasen zurückzuführen sein kann, vorteilhaft vermieden.The main innovation compared to the known luminescence-based oxygen sensors is the derivation of the measurement signal exclusively from the response delay, i.e. the time between the emission of the excitation light by the light source and the detection of the luminescence light that the fluorophore sends out as a response. The present invention advantageously uses the knowledge that the response delay is also dependent on the oxygen content of the fluid, but is essentially not influenced by the intensity of the excitation light. As a result, the fluctuations in the intensity of the luminescent light that lead to measurement errors are accompanied by fluctuations in the intensity of the excitation light received by the fluorophore, which can be attributed, for example, to fluctuations in the supply voltage or the temperature of the light source or to fluctuations in the transmissivity of the medium due to suspended matter or dissolved gases , advantageously avoided.
Die gemessene Antwortverzögerung beinhaltet hierbei neben der eigentlichen, materialabhängigen Antwortverzögerung des fluoreszierenden Materials auch die Laufzeit des Lichtes von der Lichtquelle zum Fluorophor und von diesem zum Lichtdetektor. Aufgrund der großen baulichen Nähe der Komponenten - die Abstände liegen im Bereich von Millimetern bis höchstens einigen Zentimetern - liegt diese Laufzeitverzögerung jedoch selbst bei der Sauerstoffmessung in flüssigen Medien, in welchen aufgrund des Brechungsindexes >1 die Lichtgeschwindigkeit gegenüber ihrem Wert im Vakuum deutlich reduziert sein kann, im Bereich von höchstens einigen hundert Picosekunden und ist daher im Rahmen der Messgenauigkeit vernachlässigbar.In addition to the actual, material-dependent response delay of the fluorescent material, the measured response delay also includes the transit time of the light from the light source to the fluorophore and from this to the light detector. Due to the close structural proximity of the components - the distances are in the range from millimeters to a few centimeters at most - this transit time delay is even when measuring oxygen in liquid media, in which, due to the refractive index> 1, the speed of light can be significantly reduced compared to its value in a vacuum , in the range of at most a few hundred picoseconds and is therefore negligible in terms of measurement accuracy.
Nicht vernachlässigbar sind hingegen die Effekte der endlichen Anstiegszeiten von Lichtquelle und Lichtdetektor, also der Tatsache, dass sich, im Falle der Lichtquelle die Intensität des Anregungslichtpulses und im Falle des Lichtdetektors das Detektorsignal, erst mit endlicher Verzögerung aufbaut. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Antwortzeit zwischen einander entsprechenden Intensitätsmaxima in Anregungs- und Lumineszenzantwortlichtpuls zu messen. Hierbei werden lediglich die Maxima des Lumineszenzantwortlichtpulses durch tatsächlich Detektion des Lichtpulses ermittelt. Die Maxima des Anregungspulses werden hingegen aus der Steuerspannung und den bekannten Charakteristiken der Lichtquelle abgeleitet. Hierdurch lassen sich indirekte Intensitätseffekte vermeiden, wie sie beispielsweise bei einer Antwortzeitmessung zwischen zwei definierten Intensitätsschwellen die Folge wären. Um der Steuerung die Zuordnung zu erleichtern, sollte der Anregungspuls lediglich ein einziges Maximum aufweisen. Gleiches folgt dann in der Regel automatisch auch für den Lumineszenzlichtpuls, sofern nicht zwei (oder mehr) unterschiedliche fluoreszierende Materialien mit deutlich voneinander abweichenden materialabhängigen Antwortzeiten eingesetzt werden.In contrast, the effects of the finite rise times of the light source and light detector are not negligible, i.e. the fact that, in the case of the light source, the intensity of the excitation light pulse and in the case of the light detector the detector signal builds up only with a finite delay. In preferred embodiments of the invention it is therefore proposed to measure the response time between corresponding intensity maxima in excitation and luminescence response light pulses. In this case, only the maxima of the luminescence response light pulse are determined by actually detecting the light pulse. The maxima of the excitation pulse, on the other hand, are derived from the control voltage and the known characteristics of the light source. In this way, indirect intensity effects can be avoided, as would be the result, for example, with a response time measurement between two defined intensity thresholds. In order to make the assignment easier for the controller, the excitation pulse should only have a single maximum. The same then usually follows automatically for the luminescent light pulse, unless two (or more) different fluorescent materials are used with material-dependent response times that differ significantly from one another.
Im Gegensatz zu bekannten Sauerstoffsensoren, welche mit der Erfassung der Sauerstoffkonzentrationsabhängigen Lumineszenzintensität arbeiten, ob bei oder gelöschter Lumineszenz, bietet vorliegende Erfindung den Vorteil einer grundsätzlich zuverlässigeren Sauerstoffgehaltsmessung. Neben der Unabhängigkeit von unkontrollierbaren Intensitätsschwankungen Die Lichtquellen und Umgebungsparameter müssen nicht so exakt und reproduzierbar kontrolliert werden, wie bei bekannten, intensitätsbasierten optischen Sauerstoffsensoren. Darüber hinaus kann auch die Steuerungselektronik einfacher gestaltet werden, da zur Ansteuerung von Lichtquelle und Lichtdetektor keine hochwertigen Verstärker mit einem weiten linearen Bereich eingesetzt werden müssen. Hierdurch kann der Sensor kompakter, mit geringeren Toleranzen und günstigeren Komponenten und somit insgesamt kostengünstiger hergestellt werden.In contrast to known oxygen sensors, which work with the detection of the oxygen concentration-dependent luminescence intensity, whether with or when the luminescence is extinguished, the present invention offers the advantage of a fundamentally more reliable oxygen content measurement. In addition to being independent of uncontrollable fluctuations in intensity, the light sources and environmental parameters do not have to be controlled as precisely and reproducibly as with known, intensity-based optical oxygen sensors. In addition, the control electronics can also be made simpler, since no high-quality amplifiers with a wide linear range have to be used to control the light source and light detector. As a result, the sensor can be made more compact, with lower tolerances and cheaper components, and thus more cost-effectively overall.
Vorteilhafte Weiterbildung vorliegender Erfindung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sofern sie sich nicht gegenseitig offensichtlich ausschließen, sollen nachfolgend kurz vorgestellt werden.Advantageous further developments of the present invention, which can be implemented individually or in combination, provided that they are not obviously mutually exclusive, will be briefly presented below.
Das im Messvolumen angeordnete Fluorophor ist bevorzugt plattenförmig und zumindest auf der der Lichtquelle und dem Lichtdetektor zugewandten Seite mit einem fluoreszierenden Material beschichtet. Alternativ kann auch die gesamte Fluorophorplatte aus dem fluoreszierenden Material gefertigt sein. Sie ist zudem bevorzugt an einer das Messvolumen begrenzenden Gehäuseinnenwand befestigt.The fluorophore arranged in the measuring volume is preferably plate-shaped and coated with a fluorescent material at least on the side facing the light source and the light detector. Alternatively, the entire fluorophore plate can also be made from the fluorescent material. It is also preferably attached to an inner wall of the housing that delimits the measurement volume.
Es wird vorgeschlagen, als fluoreszierendes Material des Fluorophors ein einen Rutheniumkomplex enthaltendes Material einzusetzen, denn hier liegen sowohl Anregungs- als auch Fluoreszenzwellenlänge im sichtbaren Spektrum. Zudem sind die Lebensdauern der angeregten Zustände weder so kurz, dass dadurch eine genaue Antwortverzögerungsmessung schwierig wäre, noch so lange als dass dadurch eine wiederholrate der Messung stark reduziert wäre. Die Antwortverzögerung liegt, abhängig von der Sauerstoffkonzentration, zwischen ca. 2 bis ca. 10 µs.
Besonders bevorzugt wird die Verwendung von Tris(4,7-diphenyl-1,10-phenantroline)Ruthenium(II)Perchlorat, welches bei Anregung mit Licht im Bereich von 520 nm hat und Fluoreszenzlicht mit 620 nm aussendet.It is proposed to use a material containing a ruthenium complex as the fluorescent material of the fluorophore, because here both the excitation and fluorescence wavelengths lie in the visible spectrum. In addition, the lifetimes of the excited states are neither so short that an accurate response delay measurement would be difficult as a result, nor so long as that a repetition rate of the measurement would be greatly reduced. The response delay is between approx. 2 to approx. 10 µs, depending on the oxygen concentration.
The use of tris (4,7-diphenyl-1,10-phenantroline) ruthenium (II) perchlorate is particularly preferred, which when excited with light has a range of 520 nm and emits fluorescent light at 620 nm.
Die Lichtquelle und oder der Lichtdetektor können außerhalb des Messvolumens angeordnet sein und über ein Fenster aus für die Wellenlängenbereiche des Anregungs- und Lumineszenzlichtes transparenten Material optisch mit dem Fluorophor kommunizieren. Eine besonders kompakte und einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors ergibt sich aber, wenn zumindest der Lichtdetektor, besonders bevorzugt aber Lichtdetektor und Lichtquelle innerhalb des Messvolumens im Inneren des Sensorgehäuses angeordnet sind.
In ersterem Fall kann der Lichtdetektor unmittelbar vor dem Fluorophor platziert werden, so dass auch ohne eine zusätzliche das Lumineszenzlicht fokussierende Optik eine ausreichende Intensität am Ort des Detektors messbar ist. Unmittelbar vor bedeutet in diesem Zusammenhang in einem Abstand welcher kleiner als die lateralle Ausdehnung des Fluorophors ist, besonders bevorzugt in einem Abstand welcher zwischen einem Drittel und zwei Drittel, der lateralen Ausdehnung entspricht. Die laterale Ausdehnung ist bei einem plattenförmigen Fluorophor durch Länge oder Breite dieser Platte gegeben.The light source and / or the light detector can be arranged outside the measurement volume and optically communicate with the fluorophore via a window made of material that is transparent for the wavelength ranges of the excitation and luminescent light. A particularly compact and simple embodiment of the oxygen sensor according to the invention results, however, when at least the light detector, but particularly preferably the light detector and light source, are arranged within the measurement volume in the interior of the sensor housing.
In the first case, the light detector can be placed directly in front of the fluorophore, so that a sufficient intensity can be measured at the location of the detector even without additional optics that focus the luminescent light. In this context, immediately before means at a distance which is smaller than the lateral extent of the fluorophore, particularly preferably in a distance which corresponds to between one third and two thirds of the lateral extent. The lateral extent of a plate-shaped fluorophore is given by the length or width of this plate.
Wird zusätzlich die Lichtquelle im Messvolumen angeordnet, kann auf ein transparentes Fenster verzichtet und das Gehäuse einstückig aus einem beliebigen, der chemischen Beanspruchung durch das zu analysierende Fluid widerstehenden Material hergestellt werden, wobei ein solches Material in der Regel intransparent ist.If the light source is also arranged in the measuring volume, a transparent window can be dispensed with and the housing can be manufactured in one piece from any material that can withstand the chemical stress caused by the fluid to be analyzed, such a material usually being nontransparent.
Es wird darüber hinaus für besonders bevorzugte Ausführungsformen vorgeschlagen, eine Laserdiode mit einer Emissionsfrequenz im Anregungsspektralbereich des fluoreszierenden Materials zu verwenden. Die Vorteile sind hierbei dass eine Laserdiode auch ohne zusätzliche Maßnahmen bereits, erstens, Licht nur in einem engen Spektralbereich aussendet, was zum einen optische Filter unnötig macht und zum anderen den Energieverbrauch senkt und, zweitens, einen ausreichend gebündelten Lichtstrahl aussendet, was den Verzicht auf eine fokussierende Optik ermöglicht. Auch diese Vorteile erlauben einen besonders kompakten erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor der nicht nur in der Herstellung, sondern auch im Betrieb kostengünstig ist.It is also proposed for particularly preferred embodiments to use a laser diode with an emission frequency in the excitation spectral range of the fluorescent material. The advantages here are that a laser diode, even without additional measures, firstly emits light only in a narrow spectral range, which on the one hand makes optical filters unnecessary and on the other hand lowers energy consumption and, secondly, emits a sufficiently bundled light beam, which makes it unnecessary allows focusing optics. These advantages also allow a particularly compact oxygen sensor according to the invention which is inexpensive not only to manufacture but also to operate.
Die Steuerung umfasst in bevorzugten Ausführungen einen der Lichtquelle vorgeschalteten Verstärker. In manchen Ausführungsformen kann auch ein dem Lichtdetektor nachgeschalteter Verstärker zur Verstärkung des analogen Detektorsignals vorhanden sein. Dieses wird bevorzugt dann mittels eines Analog-Digitalwandlers in ein digitales Detektorsignal umgewandelt. Das digitale Detektorsignal kann dann zur Auswertung und Ableitung des Messsignals einem Mikrokontroller zugeführt werden.In preferred embodiments, the control comprises an amplifier connected upstream of the light source. In some embodiments, an amplifier connected downstream of the light detector can also be present for amplifying the analog detector signal. This is then preferably converted into a digital detector signal by means of an analog-digital converter. The digital detector signal can then be fed to a microcontroller for evaluation and derivation of the measurement signal.
Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor ist bevorzugt so ausgestaltet, dass neben Gasgemischen auch Flüssigkeiten, jedenfalls insoweit diese wenigstens weitgehend transparent sind, analysiert werden können. Hierzu sind bei den Ausführungsformen, bei denen Lichtquelle und/oder Lichtdetektor im Messvolumen angeordnet sind, die elektrischen Zuleitungen flüssigkeitsdicht isoliert oder die Lichtquelle und/oder der Lichtdetektor als Ganzes samt ihren jeweiligen Zuleitungen in einer flüssigkeitsdichten Hülle geschützt.The oxygen sensor according to the invention is preferably designed in such a way that, in addition to gas mixtures, liquids can also be analyzed, at least insofar as these are at least largely transparent. For this purpose, in the embodiments in which the light source and / or light detector are arranged in the measuring volume, the electrical supply lines are insulated in a liquid-tight manner or the light source and / or the light detector as a whole, including their respective supply lines, are protected in a liquid-tight envelope.
Eine Umhüllung wird auch bei Einsatz mit gasförmigen Fluiden empfohlen, wo diese aggressive, hochreaktive Chemikalien enthalten können, wie beispielsweise beim Einsatz zur Sauerstoffmessung in der Abluft von Verbrennungsmaschinen oder Bioreaktoren. Eine solche Schutzhülle sollte also chemisch möglichst inert, gleichzeitig aber auch kostengünstig sein. Es wird darum insbesondere vorgeschlagen, Lichtquelle und oder Lichtdetektor in Glas oder Quarzglas zu hüllen bzw. einzukapseln, um sie vor direktem Kontakt mit dem Fluid zu schützen.Encapsulation is also recommended for use with gaseous fluids, where these can contain aggressive, highly reactive chemicals, such as when used for oxygen measurement in the exhaust air of combustion engines or bioreactors. Such a protective cover should therefore be as chemically inert as possible, but at the same time also be inexpensive. It is therefore proposed in particular to enclose or encapsulate the light source and / or light detector in glass or quartz glass in order to protect them from direct contact with the fluid.
Das Gehäuse ist bevorzugt zylinder- oder quaderförmig. Ein- und Auslass können an der gleichen oder an gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet sein. Vor dem Einlass ist in bevorzugten Ausführungsformen ein Schwebstofffilter vorgeschaltet um eine mögliche messungsverfälschende Trübung des Fluides zu verhindern. Aufgrund der erfindungsgemäßen ausschließlich antwortverzögerungsbasierten Sauerstoffanteilsermittlung ist dies jedoch weniger kritisch als bei intensitätsbasierten Sensoren.The housing is preferably cylindrical or cuboid. Inlet and outlet can be arranged on the same or on opposite end faces. In preferred embodiments, a suspended matter filter is connected upstream of the inlet in order to prevent possible turbidity of the fluid which would falsify the measurement. Due to the oxygen fraction determination based exclusively on response delay according to the invention, however, this is less critical than in the case of intensity-based sensors.
Für bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, kurze Anregungslichtpulse von einer Dauer zwischen 0,1 und 1 Mikrosekunde, insbesondere etwa 0,3 - 0,5, besonders bevorzugt 0,4 Mikrosekunden auszusenden.For preferred embodiments of the method according to the invention, it is proposed to emit short excitation light pulses with a duration between 0.1 and 1 microsecond, in particular about 0.3-0.5, particularly preferably 0.4 microseconds.
Jeder Puls kann mehrere Intensitätsmaxima aufweisen, wobei die Antwortverzögerung zwischen korrespondierenden Maxima also z.B. zwischen dem ersten Maximum des Anregungspulses und dem ersten Maximum des Antwortpulses, gemessen wird.Each pulse can have several intensity maxima, the response delay between corresponding maxima, e.g. between the first maximum of the excitation pulse and the first maximum of the response pulse, being measured.
Es wird jedoch zur Vereinfachung der Antwortverzögerungsmessung vorgeschlagen, Pulse mit einem, scharf definierten Maximum auszusenden, etwa sägezahn-, lorentz- oder gaussförmige Pulse.However, to simplify the response delay measurement, it is proposed to emit pulses with a sharply defined maximum, such as sawtooth, Lorentz or Gaussian pulses.
Die Steuerung kann im Allgemeinen für jede Messung den Sauerstoffgehalt bereits aus der mittels eines einzigen Anregungspulses gemessenen Antwortverzögerung bestimmen. Um jedoch die Genauigkeit zu erhöhen und unvermeidliche statistische Fehler zu reduzieren wird vorgeschlagen, in engem zeitlichen Abstand definiert durch eine Pulswiederholzeit mehrere Anregungspulse auszusenden und die Sauerstoffkonzentration anhand der mittleren Antwortverzögerung zu bestimmen. Als Pulswiederholzeit wird hierbei eine Zeit zwischen 1 bis 100 ms vorgeschlagen, bevorzugt 5 bis 20 ms. Die Zahl der Pulse beträgt insbesondere zwischen 2 und 100, bevorzugt zwischen 10 und 30, besonders bevorzugt 20.The controller can generally determine the oxygen content for each measurement from the response delay measured by means of a single excitation pulse. However, in order to increase the accuracy and to reduce inevitable statistical errors, it is proposed in to emit several excitation pulses defined by a pulse repetition time and to determine the oxygen concentration on the basis of the average response delay. A time between 1 to 100 ms, preferably 5 to 20 ms, is suggested as the pulse repetition time. The number of pulses is in particular between 2 and 100, preferably between 10 and 30, particularly preferably 20.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale vorliegender Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterte Ausführungsbeispiele. Diese sollen die Erfindung lediglich illustrieren und in keiner Weise in ihrer Allgemeinheit einschränken.Further details, advantages and features of the present invention emerge from the exemplary embodiments explained in more detail below with reference to the figures. These are only intended to illustrate the invention and in no way limit its generality.
Es zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Sauerstoffsensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
-
1 : a schematic representation of an oxygen sensor according to a preferred embodiment of the invention
In
Der Sauerstoffsensor
Die hier schematisch außerhalb des Gehäuses
The
The one here schematically outside the
Auf ein Ansteuersignal durch den Mikrokontroller
Die Zuleitungen
In herkömmlichen Sauerstoffsensoren ist häufig eine Optik zur Fokussierung des Lumineszenzlichts auf den Lichtdetektor nötig. Da vorliegend die Photodiode
Bei einer Änderung der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration ergibt sich eine Verzögerung zwischen tatsächlicher und so gemessener Sauerstoffkonzentration daraus, dass die Sauerstoffkonzentration im Fluorophor sich der geänderten Konzentration des Fluides erst anpassen muss. Aufgrund des direkten Kontaktes zwischen fluoreszierendem Material des Fluorophors
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SauerstoffsensorOxygen sensor
- 22
- Gehäusecasing
- 2020th
- MessvolumenMeasurement volume
- 2121
- Einlassinlet
- 2222nd
- AuslassOutlet
- 2323
- SchwebstofffilterHEPA filters
- 33
- LaserdiodeLaser diode
- 3131
- Zuleitung zu 3Lead to 3
- 44th
- FluorophorplatteFluorophore plate
- 55
- LichtdetektorLight detector
- 5151
- PhotodiodePhotodiode
- 5252
- optischer Tiefpassfilteroptical low pass filter
- 5858
- Umhüllung von 59Wrapping of 59
- 5959
- Zuleitung zu 51Lead to 51
- 66th
- Steuerungsteering
- 6161
- MikrocontrollerMicrocontroller
- 6363
- Vorverstärker für 3Preamplifier for 3
- 6565
- Verstärker für 5Amplifier for 5
- 6666
- A/D-Wandler A / D converter
- MM.
- MesssignalMeasurement signal
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2007/027116 A1 [0006]WO 2007/027116 A1 [0006]
- CA 1243351 A1 [0007]CA 1243351 A1 [0007]
- EP 3121589 A1 [0008]EP 3121589 A1 [0008]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R118 | Application deemed withdrawn due to claim for domestic priority |