DE102020120591A1 - Optischer Sensor, Verfahren und Verwendung des Sensors - Google Patents

Optischer Sensor, Verfahren und Verwendung des Sensors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung offenbart einen optischer Sensor (3) zur Bestimmung der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Medium (5), umfassend eine Lichtquelle (1), wobei die Lichtquelle eine LED umfasst, wobei die LED (1) Sendelicht (8) mit einer Wellenlänge von kleiner 300 nm, insbesondere 255 nm und/oder 270 nm ins Medium (5) ausstrahlt; einen Empfänger (2) zum Empfang von Empfangslicht, wobei der Empfänger (2) zumindest zum Empfang von Empfangslicht (9) mit einer Wellenlänge von, insbesondere 300 nm bis 400 nm, ausgestaltet ist, wobei das Sendelicht (8) mittels Fluoreszenz im Medium (5) in Abhängigkeit der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in Empfangslicht gewandelt wird, wobei aus dem Empfangslicht (9) ein Empfängersignal erzeugbar ist; und eine Datenverarbeitungseinheit (4), welche die Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mittels dem Empfängersignal bestimmt, wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) die Lichtquelle (1) so ansteuert, dass diese moduliertes Sendelicht (8) ausstrahlt, wobei die Datenverarbeitungseinheit die Lichtquelle (1) mit einem Tastgrad (T) ansteuert.Die Erfindung offenbart auch ein Verfahren und die Verwendung des Sensors.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Bestimmung der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Medium.
  • Bei dem Sensor handelt es sich um einen Fluoreszenzsensor. Bei der Fluoreszenzmessung bestrahlt man in der Regel das Medium mit einem kurzwelligen Anregungslicht (Sendelicht) und detektiert das vom Medium erzeugte längerwellige Fluoreszenzlicht (Empfangslicht), das in Abhängigkeit der Konzentration der zu messenden Spezies generiert wird. Der Fluoreszenzsensor umfasst dabei eine Lichtquelle und einen Empfänger. Die Lichtquelle sendet Sendelicht, der Empfänger empfängt Empfangslicht. Da das Fluoreszenzlicht in alle Raumrichtungen abgestrahlt wird, können die Lichtpfade von Sende- und Empfangslicht prinzipiell in jedem beliebigen Winkel zueinanderstehen.
  • Zur Messung kleiner Stoffkonzentrationen braucht man Anregungslicht von möglichst hoher Intensität und daher eine entsprechend kräftige Lichtquelle. Die ideale Anregungswellenlänge ist abhängig von dem Stoff, der gemessen werden soll. Üblicherweise werden Gasentladungslampen verwendet. Diese sind allerdings relativ groß, erfordern eine verhältnismäßig komplizierte elektrische Ansteuerung und benötigen vor allem viel Energie.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten, energieverbrauchsarmen und gleichzeitig langlebigen optischen Fluoreszenzsensor vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischer Sensor zur Bestimmung der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Medium, umfassend eine Lichtquelle, wobei die Lichtquelle eine LED umfasst, wobei die LED Sendelicht mit einer Wellenlänge von kleiner 300 nm, insbesondere 255 nm und/oder 270 nm ins Medium ausstrahlt; einen Empfänger zum Empfang von Empfangslicht, wobei der Empfänger zumindest zum Empfang von Empfangslicht mit einer Wellenlänge, insbesondere von 300 nm bis 400 nm, ausgestaltet ist, wobei das Sendelicht mittels Fluoreszenz im Medium in Abhängigkeit der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in Empfangslicht gewandelt wird, wobei aus dem Empfangslicht ein Empfängersignal erzeugbar ist; und eine Datenverarbeitungseinheit, welche die Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mittels dem Empfängersignal bestimmt, wobei die Datenverarbeitungseinheit die Lichtquelle so ansteuert, dass diese moduliertes Sendelicht ausstrahlt, wobei die Datenverarbeitungseinheit die Lichtquelle mit einem Tastgrad ansteuert.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit den Tastgrad in Abhängigkeit der Konzentration, der Änderung und/oder der Änderungsrate der Konzentration ändert.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit die Lichtquelle so ansteuert, dass diese ein pulsfrequenzmoduliertes Burst-Signal mit dem Tastgrad als Sendelicht aussendet.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit die Lichtquelle so ansteuert, dass diese ein pulsweitenmoduliertes Burst-Signal mit dem Tastgrad als Sendelicht aussendet.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensor einen Temperatursensor umfasst, der die Temperatur der Lichtquelle misst, wobei die Datenverarbeitungseinheit den Tastgrad des Sendlichts in Abhängigkeit der Temperatur ändert.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensor eine Monitordiode umfasst, wobei die Monitordiode die Sendeleistung der Lichtquelle überwacht, wobei die Datenverarbeitungseinheit den Tastgrad des Sendlichts in Abhängigkeit der Sendeleistung ändert.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensor einen Betriebsstundenzähler, insbesondere als Teil der Datenverarbeitungseinheit, umfasst, wobei die Datenverarbeitungseinheit den Tastgrad des Sendlichts in Abhängigkeit der Betriebsstunden ändert.
  • Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Medium, umfassend die Schritte: Ausstrahlen von moduliertem Sendelicht mit einem Tastgrad mit einer als LED ausgestalteten Lichtquelle ins Medium, wobei das Sendelicht eine Wellenlänge von kleiner 300 nm, insbesondere 255 nm und/oder 270 nm, hat; Wandeln von Sendelicht in Empfangslicht mittels Fluoreszenz im Medium in Abhängigkeit der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen; und Erzeugen eines Empfängersignals aus dem Empfangslicht und Bestimmen der Konzentration der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe.
  • Eine Ausgestaltung sieht den Schritt vor: Änderung des Tastgrads der LED in Abhängigkeit der Konzentration der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, deren Änderung, deren Änderungsrate, der Temperatur der LED, der Betriebsstunden der LED und/oder der Sendeleistung der LED.
  • Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung des Sensors wie oben beschrieben zur Bestimmung des ÖI-in-Wasser-Gehalts.
  • Die Aufgabe wird weiter gelöst durch Verwendung des Sensors wie oben beschrieben zur Rauchgaswäsche.
  • Bei der Rauchgaswäsche handelt es sich um die Säuberung von Abgasen, insbesondere bei Schiffen. Schiffe stoßen Rauch bzw. Ruß aus, da diese häufig Schweröl als Treibstoff verwenden, der dreckig, umweltbelastend und auch teilweise giftig ist. Zur „Wäsche“ der Abgase werden diese durch einen Wasserregen durchgeleitet. Bei den Abgasen handelt es sich überwiegend um verschiedene polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Die PAKs werden bei der Rauchgaswäsche ausgewaschen. Sie entstehen bei unvollständiger Verbrennung. Die Beregnung erfolgt durch Meerwasser, was schließlich wieder ins Meer zurück gelangt. Durch die Verwendung des Sensors in der Rauchgaswäsche kann der Gehalt an PAKs ermittelt werden und so sichergestellt werden, dass nur Wasser, welches den gesetzlichen Regeln entspricht, wieder ins Meer gelangt. Die Messung kann mittels Fluoreszenz erfolgen.
  • Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (kurz PAK oder PAH von englisch Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) bilden eine Stoffgruppe von organischen Verbindungen, die aus mindestens zwei verbundenen aromatischen Ringsystemen bestehen, die stets in einer Ebene liegen. Der einfachste PAK ist Naphthalin, bei dem zwei Benzolringe über eine gemeinsame Bindung anelliert sind, man spricht hier auch von kondensierten Ringsystemen. Fluoren ist ebenfalls ein PAK, da beide Ringe durch die zusätzliche Methyleneinheit starr miteinander verbunden sind. Diese ringförmigen Kohlenwasserstoffe können zusätzlich Substituenten (häufig Methylgruppen) tragen. In einer erweiterten Bezeichnung werden auch Derivate mit Heteroatomen (vorrangig Sauerstoff und Stickstoff) in Form von Aldehyd-, Keto-, Carboxy- und Nitrogruppen, aber auch Heteroaromaten zu den PAK gezählt. PAK sind überwiegend neutrale, unpolare Feststoffe. Viele zeigen Fluoreszenz. PAK sind nur sehr gering wasserlöslich; mit zunehmender Anzahl kondensierter Ringe nehmen Flüchtigkeit und Löslichkeit (auch in organischen Lösungsmitteln) ab. Weitere PAK sind beispielsweise Anthracen, Benzopyren, Acenaphthylen, Acenaphthen, Phenanthren, Fluoranthen, Pyren, Benzanthracen, Coronen, Ovalen, Tetracen, Pentacen oder Chrysen. PAK sind natürlicher Bestandteil von Kohle und Erdöl. In Otto- und Dieselkraftstoff bzw. Heizöl findet man Spuren von PAK. Auch kommen PAK in Tabakrauch und geräuchertem, gegrilltem und gebratenem Fleisch vor. An verkehrsreichen Straßen können sich PAK auch im Hausstaub anreichern.
  • Das oben beschriebene wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
    • 1 zeigt den beanspruchten Sensor im symbolischen Querschnitt.
    • 2 zeigt eine optische Simulation des Strahlengangs.
    • 3 zeigt den beanspruchten Sensor.
    • 4 zeigt eine Modulation und einen Tastgrad.
  • In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Der beanspruchte Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 100 und ist in 1 schematisch dargestellt. 3 zeigt den Sensor 100 mit dem Gehäuse 10 und dem optischen Fenster 7.
  • Der Sensor 3 ist grundsätzlich geeignet zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts eines Mediums 5 oder zur Bestimmung des PAK-Gehalts bei der Rauchgaswäsche zum Beispiel auf Schiffen.
  • Eine Lichtquelle 1 sendet Sendelicht 8 in Richtung des Medium 5. Die Lichtquelle ist eine LED, die Licht mit einer Wellenlänge von 250-260 nm aussendet, beispielsweise 255 nm.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor 1 eine zweite LED, die Sendelicht mit einer Wellenlänge von 270 nm aussendet.
  • Der Sensor 1 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 4, beispielsweise einen Microcontroller. Die Datenverarbeitungseinheit 4 steuert die Lichtquelle 1 so an, dass diese moduliertes Sendelicht 8 ausstrahlt und dass die Lichtquelle 1 Sendelicht 8 mit einem Tastgrad T ansteuert. Ein pulsfrequenzmoduliertes Burst-Signal mit dem Tastgrad T zeigt 4. Die LED wird mit einer einstellbaren Stromquelle betrieben. Die Amplitude A ist näherungsweise proportional zum Betriebsstrom der LED. Die Modulationsfrequenz f und Burstlänge L wird in der Regel nicht geändert. Beispielsweise beträgt die Modulationsfrequenz f = 3 kHz. Tastgrad ist beispielsweise 10 % bei einer Burstlänge von 100 ms. Es kann auch ein pulsfrequenzmoduliertes Burst-Signal verwendet werden.
  • In Abhängigkeit der Konzentration der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, deren Änderung, deren Änderungsrate, der Temperatur der LED, der Betriebsstunden der LED und/oder der Sendeleistung der LED wird der Tastgrad geändert, siehe unten.
  • Das Sendelicht 8 trifft unter einem Winkel β1 auf einem Prisma 6 auf. Das Prisma 6 ist beispielsweise ein rechtwinkliges Prisma. Die Basis zeigt in Richtung des zu messenden Mediums. Es ergibt sich ein erster optischer Pfad 01 von Lichtquelle 1 zum Prisma 6. Der optische Pfad 01 kann auch ein oder mehrere Linsen L1 oder Filter F1 enthalten, siehe unten.
  • Das Sendelicht 8 wird teilweise im Medium 5 durch Fluoreszenz in Abhängigkeit der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen im Medium 5 in Empfangslicht 9 umgewandelt. Das Empfangslicht 9 nimmt den Weg in Richtung Empfänger 2 über das Prisma 6. Das Empfangslicht 9 verlässt das Prisma unter einem Winkel β2. Der Empfänger 2 ist eine Photodiode, welche das Empfangslicht 9 bei einer Wellenlänge von 300-400 nm empfängt. Es ergibt sich ein zweiter optischer Pfad O2 von Prisma 6 zum Empfänger 2. Der optische Pfad O2 kann auch ein oder mehrere Linsen L2 oder Filter F2 enthalten, siehe unten. Der erste und zweite optische Pfad 01, O2 sind auf der medienabgewandten Seite des Prismas im Wesentlichen parallel zueinander.
  • Der Sensor 1 umfasst eine Monitordiode 12, welche die Sendeleistung der LED 1 überwacht.
  • Der Sensor 1 umfasst einen Temperatursensor 11, der die Temperatur der Lichtquelle 1 misst.
  • Der Sensor 1 umfasst einen Betriebsstundenzähler als Teil der Datenverarbeitungseinheit 4, welche die Betriebsstunden der LED 1 zählt. Lichtquelle 1, Prisma 6 und Empfänger 2 sind in einem Gehäuse 10 angeordnet. Das Gehäuse ist röhrenartig mit einem Durchmesser von 35-75 mm. Das Gehäuse 10 umfasst ein optisches Fenster 7, das durchlässig ist zumindest für Sendelicht 8 und Empfangslicht 9, wobei das Prisma 6 und das Fenster 7 entweder verkittet, verklebt, zusammengefügt oder aus einem Stück gefertigt sind. In einer Ausgestaltung sind die einzelnen Komponenten getrennt. Der Abstand von Lichtquelle 1 bzw. Empfänger 2 zu Fenster 7 beträgt etwa 2-6 cm
  • Der oder die Filter F1, F2 sind als Wellenlängenfilter ausgestaltet, beispielsweise als Interferenzfilter.
  • 2 zeigt eine optische Simulation des Sensors 3. Sendlicht 8 aus der Lichtquelle 1 wird dabei zunächst durch eine Linse L1, dann durch ein Filter F1 gesendet. Nach Fluoreszenz am Medium 5 durchdringt Empfangslicht 9 zunächst das Filter F2, dann die Linse L2. Durch die Linsen L1, L2 ist sichergestellt, dass nur im Wesentlichen paralleles Licht auf die Filter F1 und F2 trifft.
  • Die Linsen L1, L2 haben Brennweiten zwischen 2-20 mm. Da die optischen Pfade O1 und O2 parallel verlaufen, haben die Linsen L1 und L2 einen Durchmesser von maximal dem halben Durchmesser des Gehäuses 10, also beispielsweise 15-40 mm.
  • Zusätzlich steht die Lichtquelle 1 vorzugsweise ungefähr im Brennpunkt der Linse L1 und der Detektor 2 vorzugsweise ungefähr im Brennpunkt der Linse L2.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Gehäuses 10 kleiner als oben beschrieben, also etwa aus dem Bereich 8-15 mm, zum Beispiel 12 mm. Das oben beschriebene Prinzip mit dem ersten und zweiten optischen Pfad 01 und O2, die parallel verlaufen, sowie dem Prisma 6 ist hier ebenso anwendbar. Durch den geringeren Durchmesser sind in einer Ausführung die Lichtquelle 1 und der Empfänger 2 sowie die Linsen L1, L2 und die Filter F1, F2 außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet. In einer Ausführung kann auf die Linsen L1, L2 sowie auf die Filter F1, F2 verzichtet werden. Hierbei können ein oder beide optischen Pfade 01 und/oder O2 mittels Lichtwellenleiter oder als freie Strahlen ausgestaltet sein. Das Sendelicht 8 wird im Medium 5 in Empfangslicht 9 gewandelt. Im Medium 5 wird ein Teil des Sendelichts 8 absorbiert und ein Teil gestreut. Der unter einem Winkel α gestreute Teil ist das Empfangslicht 9, das vom Empfänger 9 nach Durchtritt durch das Prisma 6 empfangen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtquelle
    2
    Empfänger
    3
    Sensor
    4
    Datenverarbeitungseinheit
    5
    Medium
    6
    Prisma
    7
    Optisches Fenster
    8
    Sendelicht
    9
    Empfangslicht
    10
    Gehäuse
    11
    Temperatursensor
    12
    Monitordiode
    100
    Sensor
    A
    Amplitude
    F1
    Filter in O1
    F2
    Filter in O2
    L1
    Linse in O1
    L2
    Linse in O2
    O1
    Erster optischer Pfad
    O2
    Zweiter optischer Pfad
    T
    Tastgrad
    L
    Burstlänge
    f
    Modulationsfrequenz
    t
    Zeit
    α
    Winkel nach Wandlung von 8 in 9
    β1
    Winkel an 6 von O1
    β2
    Winkel an 6 nach O2

Claims (10)

  1. Optischer Sensor (3) zur Bestimmung der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Medium (5), umfassend - eine Lichtquelle (1), wobei die Lichtquelle eine LED umfasst, wobei die LED (1) Sendelicht (8) mit einer Wellenlänge von kleiner 300 nm, insbesondere 255 nm und/oder 270 nm ins Medium (5) ausstrahlt, - einen Empfänger (2) zum Empfang von Empfangslicht, wobei der Empfänger (2) zumindest zum Empfang von Empfangslicht (9), insbesondere mit einer Wellenlänge von 300 nm bis 400 nm, ausgestaltet ist, wobei das Sendelicht (8) mittels Fluoreszenz im Medium (5) in Abhängigkeit der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in Empfangslicht gewandelt wird, wobei aus dem Empfangslicht (9) ein Empfängersignal erzeugbar ist, und - eine Datenverarbeitungseinheit (4), welche die Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mittels dem Empfängersignal bestimmt, wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) die Lichtquelle (1) so ansteuert, dass diese moduliertes Sendelicht (8) ausstrahlt, wobei die Datenverarbeitungseinheit die Lichtquelle (1) mit einem Tastgrad (T) ansteuert.
  2. Sensor (3) nach Anspruch 1, wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) den Tastgrad (T) in Abhängigkeit der Konzentration, der Änderung und/oder der Änderungsrate der Konzentration ändert.
  3. Sensor (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) die Lichtquelle (1) so ansteuert, dass diese ein pulsfrequenzmoduliertes Burst-Signal mit dem Tastgrad (T) als Sendelicht (8) aussendet.
  4. Sensor (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, der einen Temperatursensor (11) umfasst, der die Temperatur der Lichtquelle (1) misst, wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) den Tastgrad (T) des Sendlichts (8) in Abhängigkeit der Temperatur ändert.
  5. Sensor (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, der eine Monitordiode umfasst, wobei die Monitordiode (12) die Sendeleistung der Lichtquelle (1) überwacht, wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) den Tastgrad (T) des Sendlichts (8) in Abhängigkeit der Sendeleistung ändert.
  6. Sensor (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, der einen Betriebsstundenzähler umfasst, insbesondere als Teil der Datenverarbeitungseinheit (4), wobei die Datenverarbeitungseinheit (4) den Tastgrad (T) des Sendlichts (8) in Abhängigkeit der Betriebsstunden ändert.
  7. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Medium (5), umfassend die Schritte - Ausstrahlen von moduliertem Sendelicht (8) mit einem Tastgrad (T) mit einer als LED ausgestalteten Lichtquelle (1) ins Medium (5), wobei das Sendelicht (8) eine Wellenlänge von kleiner 300 nm, insbesondere 255 nm und/oder 270 nm, hat, - Wandeln von Sendelicht (8) in Empfangslicht (9) mittels Fluoreszenz im Medium (5) in Abhängigkeit der Konzentration von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, und - Erzeugen eines Empfängersignals aus dem Empfangslicht und Bestimmen der Konzentration der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend den Schritt - Ändern des Tastgrads (T) der LED (1) in Abhängigkeit der Konzentration der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe, deren Änderung, deren Änderungsrate, der Temperatur der LED (1), der Betriebsstunden der LED (1) und/oder der Sendeleistung der LED (1).
  9. Verwendung des Sensors (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bestimmung des ÖI-in-Wasser-Gehalts.
  10. Verwendung des Sensors (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die Rauchgaswäsche.
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