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Die Erfindung betrifft einen Kalibrierstandard zum Justieren, Kalibrieren und/oder zur Durchführung einer Funktionsüberprüfung eines optischen Sensors, eine Sensoranordnung und eine Verwendung.
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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.
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Solch ein Fluoreszenzsensor muss in regelmäßigen Abständen einer Funktionsprüfung unterzogen werden und/oder kalibriert werden. Hierzu können bei Flüssigkeitsmessgeräten entweder entsprechende Standardflüssigkeiten oder aber Festkörper mit definierter Fluoreszenz verwendet werden. Von zentraler Bedeutung ist hierbei, dass die emittierte Fluoreszenzintensität des Standards stabil gegenüber Umwelteinflüssen, Alterung und der anregenden UV-Strahlung ist.
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Bei Flüssigstandards ist sehr schnell eine Alterung festzustellen, bereits nach wenigen Tagen ist eine deutliche Veränderung der Fluoreszenzintensität die Folge. Zudem ist der Umgang mit Flüssigkeiten umständlich.
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Am Markt erhältliche Festkörperstandards enthalten oftmals organisches Material z.B. auf PMMA-Basis. Dies hat eine starke Degradation des Fluoreszenzsignals zur Folge, welche durch die anregende UV-Strahlung hervorgerufen wird.
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Ebenso ist eine Temperaturstabilität notwendig, was die oben dargelegten Standards ebenso wenig erfüllen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu überwinden. Insbesondere soll bei optischen Sensoren eine universelle und vollständige Kalibrierung mit langzeitstabilen Kalibriermitteln durchführbar sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kalibrieraufsatz zum Justieren, Kalibrieren und/oder zur Durchführung einer Funktionsüberprüfung eines optischen Sensors, der zur Messung zumindest einer Messgröße in einem Medium mittels Licht ausgestaltet ist, wobei der Sensor zum Emittieren von Sendelicht zumindest einer Wellenlänge im Bereich von 200-450 nm ausgestaltet ist, umfassend ein Gehäuse; und einen Körper; der im Gehäuse angeordnet ist, wobei der Körper Praseodym umfasst, und wobei der Körper nach Anregung mit dem Sendelicht, insbesondere durch Absorption des Sendelichts, Licht mit einer anderen, insbesondere längeren, Wellenlänge emittiert.
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Der Sensor ist beispielsweise ein Fluoreszenzsensor, wobei Fluoreszenz definiert werden kann als die Emission von Licht mit einer Wellenlänge, die sich aus der Absorption von Licht mit einer anderen, insbesondere kürzeren Wellenlänge ergibt.
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Das Praseodym welches vom Körper umfasst wird, muss sich dazu entweder an der Oberfläche des Körpers befinden, oder der Körper an sich ist im Wesentlichen transparent für die Anregungswellenlänge, also das Sendelicht.
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Für die Überprüfung der Messgenauigkeit, der Funktionen und die Möglichkeit zur Rekalibrierung bzw. Justierung von Fluoreszenzsensoren wurde vorliegend ein Festkörperstandard erfunden, welcher einen geeigneten Fluoreszenzmesswert liefert, der in deutlich höherem Maße stabil gegenüber Alterung, Umwelteinflüssen und der Anregungsstrahlung ist, als bisher verfügbare Konzepte.
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Durch die Verwendung von Praseodym wird die gestellte Aufgabe gelöst. Es wird ein ausreichend starkes Fluoreszenzsignal im Wellenlängenbereich von 250-500 nm, insbesondere von 340-380 nm, erzeugt. Aufgrund der Anwendung im UV-Bereich mit Sendelicht von 200-450 nm ist die Stabilität gegenüber dem anregenden UV-Licht besonders kritisch, was in anderen Wellenlängenbereichen wie dem Infraroten weniger bedeutend ist.
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Wie sich bei der Verwendung von Praseodym herausgestellt hat, ändert sich die Fluoreszenzintensität im Messbereich unter folgenden Einflüssen gar nicht bzw. nur sehr wenig:
- ■ Mehrtägige Bestrahlung mit dem Anregungslicht des Fluoreszenz-Messgeräts
- ■ Temperaturänderungen im Bereich -10 °C bis +80 °C
- ■ Luftfeuchtigkeitsänderungen
- ■ Lagerung über mehrere Jahre
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Wie erwähnt ergeben sich mit Praseodym die besonderen Eigenschaften. Bei abgemilderten Stabilitätskriterien kann auch ein Körper umfassend Cer, Silber, Blei, Cobalt, Mangan, Nickel, Neodym, Samarium oder Zink verwendet werden.
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Die besten Ergebnisse ergeben sich aber mit Praseodym.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Körper um einen Glaskörper handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Glaskörper mit Praseodym dotiert ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass Praseodym oder eine Praseodymverbindung, insbesondere Praseodymoxid, einem Glasbildnerwerkstoff und einem Glaswandlerwerkstoff beigemengt wird, und dieses Gemenge zur Glasbildung erhitzt wird, um den Glaskörper durch Erstarren zu erhalten.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Glaskörper durch lonenaustausch dotiert wird.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass Praseodym oder eine Praseodymverbindung, insbesondere Praseodymoxid, als Partikel, Kristalle, Agglomerate o.ä. in eine Glasschmelze gebracht wird, insbesondere wird Praseodym oder die Praseodymverbindung in die Glasschmelze eingesintert, oder Praseodym oder eine Praseodymverbindung wird weiter in die Glasschmelze eingeschmolzen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass Glaskörper entsteht durch Verschmelzen zweier Gläser, wobei eines der beiden ein nicht-färbendes Glas ist und das andere gefärbtes Glas, umfassend Praseodym oder eine Praseodymverbindung, insbesondere Praseodymoxid, ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Glaskörper ein glaskeramisches und/oder teilkristallines Material umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Körper um einen Kunststoffkörper handelt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass dem Glas- oder Kunststoffkörper eine praseodymhaltige Verbindung beigemengt ist, das beanspruchte Praseodym umfasst in einer Ausgestaltung also auch praseodymhaltige Verbindungen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Körper über eine mechanische Halterung im Gehäuse gelagert ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Körper scheibenförmig oder linsenförmig ausgestaltet ist.
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Für die Verwendung als Festkörperstandard wird eine Probe des jeweiligen Glases entweder in Form einer Scheibe oder einer linsenähnlichen Schmelzperle in eine mechanische Fassung gebracht, welche auf den Sensor gesteckt werden kann.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse eine Aufnahme für den Sensor umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse im Wesentlichen transparent ist für das Sendelicht.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse eine Öffnung umfasst und Sendelicht durch die Öffnung auf den Körper trifft.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Sensoranordnung, umfassend zumindest eine Lichtquelle, wobei die Lichtquelle Sendelicht zumindest einer Wellenlänge im Bereich von 200-450 nm emittiert; zumindest einen Empfänger, der zum Empfang von Empfangslicht mit einer größeren Wellenlänge als das Sendelicht, insbesondere mit einer Wellenlänge von 250-500 nm, ausgestaltet ist; und einen Kalibrieraufsatz wie oben beschrieben, wobei das vom Körper emittierte Licht das Empfangslicht bildet.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung von Praseodym zum Justieren, Kalibrieren und/oder zur Durchführung einer Funktionsüberprüfung eines optischen Sensors, wobei der Sensor zum Emittieren von Sendelicht zumindest einer Wellenlänge im Bereich von 200-450 nm ausgestaltet ist.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
- 1 zeigt den beanspruchten Sensor im symbolischen Querschnitt.
- 2 zeigt den beanspruchten Sensor.
- 3 zeigt einen Querschnitt durch den Kalibrieraufsatz.
- 4 zeigt den Körper mit Praseodym.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der beanspruchte Kalibrieraufsatz 50 ist geeignet zum Justieren, Kalibrieren und/oder zur Durchführung einer Funktionsüberprüfung eines optischen Sensors 100, der zur Messung zumindest einer Messgröße in einem Medium 5 mittels Licht ausgestaltet ist, wobei es sich bei „Licht“ um Sendelicht bzw. Empfangslicht handelt (siehe unten). Bei dem Sensor handelt es sich um einen Fluoreszenzsensor, worauf zunächst eingegangen werden soll. Der Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 100 und ist in 1 schematisch dargestellt. 2 zeigt den Sensor 100 mit seinem Gehäuse 10 und einem optischen Fenster 7.
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Der Sensor 100 ist grundsätzlich geeignet zur Bestimmung des Öl-in-WasserGehalts eines Mediums 5 oder zur Bestimmung des PAK-Gehalts bei der Rauchgaswäsche zum Beispiel auf Schiffen. Andere Anwendungen sind aber möglich. Zu nennen ist hier etwa die Messung von Acetylsalicylsäure oder die Anwendung in der Lebensmittelanalyse, z.B. von Vitamine oder Linolsäure oder Materialunterscheidung mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern.
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1 zeigt den Sensor 100 im Messbetrieb. Auf den Kalibrierbetrieb wird unten in Bezug zu 3 eingegangen.
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Eine Lichtquelle 1 sendet Sendelicht 8 in Richtung des Mediums 5. Die Lichtquelle 1 ist beispielsweise eine LED, die Licht mit einer Wellenlänge von 200-450 nm aussendet, beispielsweise 255 nm. Ebenso möglich ist ein Laser als Lichtquelle zu verwenden oder Xenon- bzw. Quecksilber-Gasentladungslampen (254 nm), gegebenenfalls mit entsprechenden Frequenzfiltern.
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Der Sensor 100 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 4, beispielsweise einen Microcontroller. Die Datenverarbeitungseinheit 4 steuert die Lichtquelle 1 so an, dass diese Sendelicht 8 in Richtung Medium 5 (Messbetrieb) bzw. Kalibrieraufsatz 50 (Kalibrierbetrieb, 3) sendet. Die LED 1 wird beispielsweise mit einer einstellbaren Stromquelle betrieben. Die Amplitude des Sendelichts ist näherungsweise proportional zum Betriebsstrom der LED 1.
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Das Sendelicht 8 trifft unter einem Winkel auf einem Prisma 6 auf. Das Prisma 6 ist beispielsweise ein rechtwinkliges Prisma. Die Basis zeigt in Richtung des zu messenden Mediums 5. Es ergibt sich ein erster optischer Pfad von Lichtquelle 1 zum Prisma 6. Der optische Pfad kann auch ein oder mehrere Linsen oder Filter enthalten.
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Das Sendelicht 8 wird teilweise im Medium 5 durch Fluoreszenz in Abhängigkeit der Konzentration des zu messenden Stoffs im Medium 5 in Empfangslicht 9 umgewandelt. Das Empfangslicht 9 nimmt den Weg in Richtung Empfänger 2 über das Prisma 6.
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Der Empfänger 2 ist eine Photodiode, welche das Empfangslicht 9 bei einer Wellenlänge von 300-400 nm empfängt. Das Filter F in 1 filtert beispielsweise auf Wellenlängen von 340-380 nm. Grundsätzlich ist der Empfänger 9 in der Lage in einem breiteren Bereich zu messen, etwa von 190-1100 nm, Es ergibt sich ein zweiter optischer Pfad von Prisma 6 zum Empfänger 2. Der optische Pfad kann auch ein oder mehrere Linsen oder Filter enthalten. Der erste und zweite optische Pfad sind auf der medienabgewandten Seite des Prismas im Wesentlichen parallel zueinander.
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Der Sensor 100 umfasst eine Monitordiode 12, welche die Sendeleistung der LED 1 überwacht.
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Der Sensor 100 umfasst einen Temperatursensor 11, der die Temperatur der Lichtquelle 1 misst.
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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.
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Der oder die Filter sind als Wellenlängenfilter ausgestaltet, beispielsweise als Interferenzfilter.
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Die 1 beschreibt den Sensor 100 im Messbetrieb. In Bezug zu 3 wird nun auf den Kalibrierbetrieb mit dem Kalibrieraufsatz 50 eingegangen, wobei aus optischer Sicht lediglich das Medium 5 mit dem Kalibrieraufsatz 50 bzw. Körper 51 getauscht ist.
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Mittels des Kalibrieraufsatzes 50 kann der optische Sensor 100 justiert, kalibriert und/oder zur eine Funktionsüberprüfung durchgeführt werden. Der Kalibrieraufsatz 50 hat ein Gehäuse 52, das beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist. Grundsätzlich kann der Kalibrieraufsatz 50 auch aus einem Metall wie Aluminium oder aus Edelstahl gefertigt sein.
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Das Gehäuse 52 hat eine Aufnahme 54 für den Sensor 100. Darüber gelangt der Sensor 100 an die richtige Stelle und das Sendelicht bzw. Empfangslicht kann über die optischen Pfade von der Lichtquelle 1 zum Körper 51 gelangen. Dazu hat das Gehäuse 52 eine Öffnung 55. Im Prinzip ist auch eine Variante ohne Öffnung möglich, dann muss das Gehäuse 52 transparent für die entsprechenden Wellenlängen der Lichtquelle 1 bzw. nach Wandlung sein.
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Im Innern des Gehäuses 52 ist der Körper 51 angeordnet, wobei der Körper 51 über eine mechanische Halterung 53 befestigt ist. Der Körper 51 umfasst Praseodym. Alternativ kann Cer, Silber, Blei, Cobalt, Mangan, Nickel, Neodym, Samarium oder Zink verwendet werden. Allerdings zeigten sich mit Praseodym die besten Resultate.
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Der Körper 51 umfassend Praseodym emittiert nach Anregung mit dem Sendelicht, insbesondere durch Absorption des Sendelichts, Licht mit einer anderen, insbesondere längeren, Wellenlänge.
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Der Körper 51 ist beispielsweise als Glaskörper ausgestaltet. Der Glaskörper ist etwa aus Barium-Phosphat-Glas oder einem Quarzglas. Der Glaskörper ist mit dem Praseodym dotiert. In einer Ausgestaltung ist der Körper aus Kunststoff.
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Im Allgemeinen ist der Körper für die verwendeten Emissionswellenlängen bzw. das durch Fluoreszenz gewandelte Licht transparent.
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Der Körper 51 ist scheibenförmig oder linsenförmig ausgestaltet. Die grundsätzliche Idee der vorliegenden Erfindung funktioniert aber auch mit Bruchstücke oder über ein beliebig geformtes Teil.
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3 zeigt also die Sensoranordnung 200, umfassend den Sensor 100 und den Kalibrieraufsatz 50.
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4 zeigt den Körper 51 mit Praseodym.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Empfänger
- 4
- Datenverarbeitungseinheit
- 5
- Medium
- 6
- Prisma
- 7
- Optisches Fenster
- 8
- Sendelicht
- 9
- Empfangslicht
- 10
- Gehäuse
- 11
- Temperatursensor
- 12
- Monitordiode
- 50
- Kalibrieraufsatz
- 51
- Körper
- 52
- Gehäuse
- 53
- mechanische Halterung
- 54
- Aufnahme
- 55
- Öffnung
- 100
- Sensor
- 200
- Sensoranordnung
- F
- Filter
