DE102022108236A1

DE102022108236A1 - Optische Messzelle

Info

Publication number: DE102022108236A1
Application number: DE102022108236.9A
Authority: DE
Inventors: Ralph Kondziella; Pascal Bippus
Original assignee: Cs Instr & Co Kg GmbH; Cs Instruments & Co Kg GmbH
Current assignee: Cs Instr & Co Kg GmbH; Cs Instruments & Co Kg GmbH
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12
Also published as: CN116893141A; US20230324282A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messzelle 1 ist für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids ausgebildet und vorgesehen. Sie weist ein Gehäuse 2 mit Rohr 3, Deckel 4 und Boden 5 auf, in das das zu untersuchende Fluids eingebracht wird.Über ein mit dem Gehäuse 2 verbundenes Einkoppelelement 11 wird ein Lichtstrahl 7 für die absorptions-spektroskopische Untersuchung in den Innenraum des Gehäuses 2 mit dem zu untersuchenden Fluid so einkoppelt, dass der eingekoppelte Lichtstrahl im Innern des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 beziehungsweise des Gehäuses 2 verläuft.Der Deckel 4 und der Boden 5 sind dabei mit Umsetzelementen für den Lichtstrahl im Gehäuse verbunden, die den auf das Umsetzelement einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 verlaufenden Lichtstrahl 7 lateral zu dem einfallenden Lichtstrahl 7 versetzt in den Innenraum des Gehäuses 2 parallel zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 zurückstrahlen.Weiterhin ist ein mit dem Gehäuse 2 verbundenes Auskoppelelement 11 vorgesehen, das einen auf das Auskoppelelement auftreffenden Lichtstrahl 7 aus dem Gehäuse 1 auskoppelt, um den ausgekoppelten Lichtstrahl 7 nach vielfachem Durchdringen des Innenraums einem Detektor für die absorptions-spektroskopische

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine optische Messzelle für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids.
STAND DER TECHNIK
Derartige optische Messzellen werden in der Spektroskopie häufig verwendet, um niedrig konzentrierte Komponenten zu beobachten. Um die Nachweisempfindlichkeit dieser Messzelle zu verbessern, wird die gesamte optische Weglänge, die ein kleines, konstantes Probenvolumen durchläuft, möglichst lang gewählt, denn eine größere Weglänge führt zu einer höheren Nachweisempfindlichkeit. Um dies zu erreichen, wird die optische Weglänge durch optische, reflektierende Elemente so umgelenkt, dass die Messzelle mehrfach durchlaufen wird - man spricht von Multipass-Messzellen. Der Ausgang der Zelle ist der Eingang eines optischen Detektors, der spezifische Veränderungen der Eigenschaften des Strahls aufgrund des Durchgangs durch die Messzelle erkennt, sodass daraus die gewünschten Aussagen zu den zu untersuchenden Komponenten abgeleitet werden können. Vergleiche hierzu den Wikipedia Artikel „Multipass spectroscopic absorption cells“ (https://en.wikipedia.org/wiki/Multipass_spectroscopic_absorption_cells).
Zwei herkömmliche Multipass-Zellen sind die White-Zelle und die Herriott-Zelle. Diese sind in der Spurengassensorik sowie in Umwelt- und Industrieprozessen weit verbreitet.
Die White-Zelle verwendet drei sphärisch konkave Spiegel mit demselben Krümmungsradius, wobei die zwei kleineren konkaven Spiegel zueinander durch eine Lücke beabstandet sind und dem anderen größeren Spiegel gegenüberliegen. Ein Lichtstrahl wird schräg von außen auf einen der konkaven Spiegel geworfen und anschließend durch die konkaven Spiegel vielfach zueinander reflektiert, bis der Lichtstrahl schräg aus der Zelle austritt und auf einen Detektor trifft.
Die Herriott-Zelle besteht aus zwei gegenüberliegenden sphärischen Spiegeln. In einen der Spiegel wird typisch ein Loch eingearbeitet, damit die Eingangs- und Ausgangsstrahlen in den Zwischenraum schräg eintreten und aus ihm austreten können. Alternativ kann der Strahl durch ein Loch im gegenüberliegenden Spiegel austreten. Auf diese Weise kann die Herriott-Zelle mehrere Lichtquellen unterstützen, indem sie mehrere Eintritts- und Austrittslöcher in jedem der Spiegel bereitstellt. Eine vergleichbare Herriott-Zelle ist auch aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 08 883 A1 bekannt.
Eine andere optische Messzelle ist aus der DE 41 24 545 C2 bekannt, die zur Erzeugung eines besonders langen Lichtweges die zylindrische Messzelle innen vollständig verspiegelt, durch eine Lücke den Messstrahl schräg in die Messzelle einkoppelt und dadurch vielfach auf der Innenseite reflektiert und durch die Lücke wieder austreten lässt und dem Detektor zuführt.
Diese Messzellen erweisen sich als wenig robust beispielsweise gegen thermische Veränderungen oder gegen Erschütterungen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte optische Messzelle für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer optischen Messzelle für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße optische Messzelle ist für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids ausgebildet und vorgesehen. Sie weist ein Gehäuse mit Rohr, Deckel und Boden auf, in das das zu untersuchende Fluids eingebracht wird.
Über ein mit dem Gehäuse verbundenes Einkoppelelement wird ein Lichtstrahl für die absorptions-spektroskopische Untersuchung in den Innenraum des Gehäuses mit dem zu untersuchenden Fluid so einkoppelt, dass der eingekoppelte Lichtstrahl im Innern des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses verläuft.
Der Deckel und der Boden sind mit Umsetzelementen für den Lichtstrahl im Gehäuse verbunden, die den auf das Umsetzelement einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses verlaufenden Lichtstrahl lateral zu dem einfallenden Lichtstrahl versetzt in den Innenraum des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses zurückstrahlen.
Weiterhin ist ein mit dem Gehäuse verbundenes Auskoppelelement vorgesehen, das einen aus dem Innenraum des Gehäuses auf das Auskoppelelement auftreffenden Lichtstrahl aus dem Gehäuse auskoppelt, um den ausgekoppelten Lichtstrahl nach mehrfachem Durchdringen des Innenraums einem Detektor für die absorptions-spektroskopische Bestimmung eines chemischen und oder physikalischen Parameters des durchstrahlten Fluids zuzuführen.
Dabei wird der fluidgefüllte Innenraum des Gehäuses vielfach durchstrahlt. Dabei bedeutet vielfach eine Anzahl im Bereich von einigen 10 mal beziehungsweise bei relativ hohen Absorptionskoeffizienten einer zu messenden Komponente in einem Fluid wie beispielsweise Feuchtigkeit in Luft im Bereich von 10 mal insbesondere bei 4-8 mal. Eine Durchstrahlung der Messzelle über 100-mal ist dabei nicht gewollt, da die Durchstrahlung der Messzelle erfindungsgemäß sehr zielgerichtet und spezifisch ist und dadurch ausreicht.
Mit dieser erfindungsgemäßen optischen Messzelle wird es möglich, chemische und/oder physikalische Parameter eines Fluids wie beispielsweise die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, die Feuchtigkeit in einem insbesondere gasförmigen Fluid, die Temperatur und oder auch den Taupunkt des Fluids zu bestimmen und dies auf sehr präzise und robuste Weise zu ermöglichen, da der Aufbau der optischen Messzelle mit dem besonders gestalteten Strahlengang in dem Gehäuse mit dem mehrfachen Durchschreiten des Innenraums des Gehäuses und damit durch das zu untersuchende Fluid dies in besonderem Maß unterstützt.
Als Lichtstrahlen haben sich nicht nur kohärente Laserstrahlen bewährt sondern gerade auch Lichtstrahlen von Lichtquellen, die nicht monochromes oder auch wenig fokussiertes oder kollimiertes Licht ausstrahlen. Durch die Verwendung von Lichtstrahlen mit großer Kohärenzlänge steigt das Risiko, dass sich der Lichtstrahl während der mehrfachen Durchquerung der Messzelle störend interferierend überlagert und dadurch das Messergebnis schädigt, was durch die Verwendung von nicht monochromem und/oder wenig fokussiertem und/oder kollimiertem Licht weniger der Fall ist und dadurch zu einem verlässlicheren Messergebnis führen kann.
Es hat sich auch gezeigt, dass kleine Abweichungen in der Richtung der Lichtstrahlen beim Durchqueren der Messzelle parallel zu der optischen Hauptachse akzeptabel sind und dennoch ein ausreichend verlässliches Messergebnis ermöglichen.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass mit dem Deckel und dem Boden verbundene Umsetzelemente aus Dachprismen, plankonvexen Linsen, Hohlspiegeln, Kegelspiegeln, Kegellinsen, Retroreflektorenoptiken ausgewählt sind. Dabei haben sich verschiedene Kombinationen der oben genannten Umsetzelemente besonders bewährt. Dabei ist die Anordnung, die Geometrie und die Materialien der Umsetzelemente so gewählt, dass parallel zur optischen Hauptachse aus dem Innenraum des Gehäuses einfallende Lichtstrahlen versetzt und parallel zur optischen Hauptachse in den Innenraum eingestrahlt werden.
Gerade die Verwendung von Dachprismen, zu denen auch die besonders vorteilhaften Dove-Prismen gehören, ist besonders geeignet, denn durch die wenigstens zwei seiner schrägen Seitenflächen des Dachprismas wird die gewünschte Rückreflexion mit Versatz auf einfache und effiziente sowie sichere Weise ermöglicht. Hierzu werden die Dachprismen mit ihrer Basisfläche so ausgebildet und mit dem Deckel und/oder mit dem Boden verbunden, dass das aus dem Innenraum des Gehäuses einfallende Licht durch die Basisfläche senkrecht eintritt und aufgrund der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtstrahls parallel zu der optischen Hauptachse der reflektierte, versetzte Lichtstrahl wieder parallel zu der optischen Hauptachse in den Innenraum des Gehäuses und damit in Richtung des gegenüberliegenden Bodens oder Deckels eingestrahlt wird. Diese erweisen sich als sehr flexibel im Hinblick auf die Anpassung an die gewünschte Geometrie der optischen Messzelle und zusätzlich als sehr robust bezüglich Maßungenauigkeiten bei der Gestaltung der optischen Messzelle.
In entsprechender Weise haben sich plankonvexe Linsen oder Hohlspiegel bewährt, die die parallel zur optischen Hauptachse einfallenden Lichtstrahlen aus dem Innenraum versetzt und parallel zur optischen Hauptachse in den Innenraum zurückwerfen. Dabei ist die plane Seite der plankonvexen Linsen jeweils dem Innenraum des Gehäuses so zugeordnet, dass die einfallenden Lichtstrahlen effizient und mit möglichst geringer Dämpfung in die plankonvexen Linsen eintreten können.
Die Hohlspiegel zeigen dabei einen einfachen Aufbau, der aber mit einem undefinierten, positionsabhängigen Lichtweg in dem Hohlspiegel zwischen Eintritt in den Hohlspiegel und Erreichen der Reflexionsfläche und dem Verlassen des Hohlspiegels und damit in der Messzelle verbunden ist und damit automatisch Einfluss auf das Messergebnis nimmt. Durch die unterschiedlichen, positionsabhängigen Lichtwege im Hohlspiegel lässt sich der Gesamtlichtweg nicht mehr ausreichend genau bestimmen. Dies wirkt sich besonders störend bei niedrigen Absorptionskoeffizienten einer zu messenden Komponente in einem Fluid und insbesondere bei einer höheren Anzahl an Durchquerungen in der Messzelle aus.
Dagegen zeigen die plankonvexen Linsen definierte Lichtwege, was zu einer verbesserten Aussagekraft der Messergebnisse der Messzelle führt.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausbildung des Umsetzelementes zeigt die Struktur einer Retroreflektorenoptik, die beispielsweise aus den im Kraftfahrzeugverkehr verwendeten Reflektoren oder auch aus der Distanzmessung mittels Laser bekannt sind. Diese Retroreflektorenoptiken zeigen einen sehr einfachen, wirkungsvollen und robusten Aufbau. Auch wenn diese als Retroreflektoren ausgebildeten Umsetzelemente Kanten im Bereich der einfallenden beziehungsweise ausfallenden Lichtstrahlen zeigen und dadurch das Risiko erhöht ist, dass durch die Kanten unterschiedliche Lichtwege erzeugt werden und dadurch das Messergebnis verschlechtert wird, haben sich diese Umsetzelemente durch ihren einfachen und wirkungsvollen und robusten Aufbau für eine derartige Messzelle bewährt.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle mit einem Deckel und/oder einem Boden, der mit mehreren Dachprismen versehen ist, die auf den Seiten eines regelmäßigen 2n-Ecks angeordnet sind, wobei die Dachprismen so angeordnet sind, dass jede zweite Seite des regelmäßigen 2n-Ecks mit einem Dachprisma versehen ist, dass seine Basisfläche bevorzugt die gesamte Seite des 2n-Ecks bedeckt. Dabei wird insbesondere jede Ecke des 2n-Ecks durch die Basisfläche eines Dachprismas so bedeckt, dass oberhalb der Ecke eine Seitenfläche des Dachprismas angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass ein aus dem Innenraum des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses einfallender Lichtstrahl über die Basisfläche des Dachprisma einfallen kann, an der einen Seitenfläche des Dachprisma gebrochen, senkrecht zur optischen Hauptachse in Richtung der anderen Seitenflächen des Dachprisma weitergeleitet und durch diese zurück in den Innenraum des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse umgelenkt wird und dadurch lateral zu dem einfallenden Strahl versetzt geführt wird und damit definiert zum gegenüberliegenden Deckel oder Boden des Gehäuses mit zugeordnetem Umsetzelement geführt wird. Durch diese Ausbildung des Deckels oder des Bodens wird es möglich, parallel zueinander unterschiedliche Lichtstrahlen beziehungsweise Messvorgänge zu verwenden und dadurch die Funktionalität der optischen Messzelle zu erweitern. Weiterhin ist es auch möglich, mit einer entsprechenden Ausbildung des gegenüberliegenden Bodens oder Deckels mit entsprechenden Umsetzelementen, beispielsweise identischen jedoch um eine Ecke des 2n-Ecks rotationsversetzt Umsetzelementen, alle Dachprismen hintereinander mit einem Lichtstrahl zu durchlaufen und dadurch den Innenraum in definierter Weise 2n-fach zu durchlaufen und dadurch eine besondere Präzision und Robustheit der optischen Messzelle zu erreichen.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Durchmesser des 2n-Ecks deutlich kleiner als den Durchmesser der Linse zu wählen und dadurch die Anordnung der Dachprismen sehr verlässlich und sicher zu definieren, was sich positiv auf den definierten Lichtweg in der Messzelle und damit auf das Messergebnis auswirkt. Weiterhin hat es sich besonders bewährt, den Mittelpunkt des 2n-Ecks auf der optischen Hauptachse und damit bevorzugt auf der Symmetrieachse der Linse zu wählen, sodass die Dachprismen präzise um die optische Hauptachse angeordnet sind und dadurch einen sehr definierten Lichtweg ermöglichen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle, bei der der Deckel mit n als Dachprisma ausgebildeten Umsetzelementen so verbunden ist, dass sie auf jeder zweiten Seite eines regelmäßigen 2n-Ecks angeordnet sind und der Boden mit einem als Hohlspiegel oder als plankonvexe Linse insbesondere mit parabolischem Querschnitt ausgebildeten Umsetzelement verbunden ist. Gerade durch die Wahl eines parabolischen Querschnitts ist gewährleistet, dass der Versatz in einer Weise erfolgt, dass der parallel zur optischen in Hauptachse einfallende Lichtstrahl senkrecht zur optischen Hauptachse über den Brennpunkt auf die andere Seite des Umsetzelements umgeleitet und von dort wieder parallel zur optischen Hauptachse der optischen Messzelle in den Innenraum des Gehäuses und damit in Richtung des Deckels mit den Dachprismen umgelenkt wird. Durch diese Anordnung aus spezifischem Deckel und Boden mit den jeweiligen Umsetzelementen gelingt es, dass ein Lichtstrahl von einer Ecke des 2n-Ecks und damit von einem Dachprisma auf den Boden trifft, dort auf die gegenüberliegende Seite umgelenkt und wieder in Richtung des Deckels parallel zu der optischen Hauptachse wie der einfallende Lichtstrahl in den Innenraum durch diesen hindurch tritt, bis er an der gegenüberliegenden Ecke des 2n-Ecks auftrifft und über das dort befindliche Dachprisma entlang der durch das Dachprisma bedeckten Seite lateral versetzt dieses wieder in Richtung Innenraum und damit in Richtung des gegenüberliegenden Bodens parallel zur optischen Hauptachse zurückgeworfen wird. Dort wiederholt sich dieser Prozess, bis das Licht alle Eckpunkte und alle Prismen durchlaufen hat und eine Auskopplung mithilfe eines Auskoppelelements erfolgt. Dadurch ist eine sehr robuste und wenig empfindliche Anordnung geschaffen, die ein hohes Maß an Toleranz für ein Verdrehen des Bodens gegenüber dem Deckel mit den zugeordneten optischen Elementen zeigt. Dabei sind bevorzugt die Anzahl n der Dachprismen gering zwischen 3 und 5 insbesondere gleich 3 gewählt. Diese Anzahlen ermöglichen einen besonders vorteilhaften Kompromiss zwischen technischem und mechanischem beziehungsweise optischem Aufwand und Präzision und Robustheit der optischen Messzelle für eine absorptions-spektroskopische Bestimmung von Eigenschaften eines Fluids.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle, bei der wenigstens ein Umsetzelement so ausgebildet ist, dass der einfallende Lichtstrahl und der zurückgestrahlte Lichtstrahl achssymmetrisch zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses und damit der optischen Messzelle verlaufen. Dadurch gelingt es, den Einfluss der Drehorientierung dieses Umsetzelementes auf die Qualität des Messergebnisses zu reduzieren und dadurch die Robustheit der optischen Messzelle zu verbessern. Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass das Einkoppelelement und/oder das Auskoppelelement mit Deckel oder Boden verbunden sind. Durch diese definierte, statische Verbindung des Einkoppelelements beziehungsweise des Auskoppelelements zu dem Deckel beziehungsweise dem Boden gelingt es, eine sehr verlässliche und sichere Einkopplung des Lichtstrahls in die optische Messzelle beziehungsweise in den Innenraum des Gehäuses der optischen Messzelle zu gewährleisten, der auch gegen Erschütterungen wenig empfindlich ist.
Daneben hat es sich auch bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass das Einkoppelelement und/oder das Auskoppelelement ein mit einem Dachprisma verbundenes optisches Element insbesondere ein Prisma aufweist. Die Verbindung erfolgt dabei bevorzugt mithilfe eines optisch neutralen Klebers, der das optische Element für die Ein- oder Auskopplung insbesondere das Prisma so mit dem Dachprisma verbindet, dass zumindest wesentliche Teile des in das Dachprisma ein gekoppelten Lichtstrahls über die Seitenwand des Dachprisma aus- beziehungsweise eingekoppelt werden und dadurch aus der optischen Messzelle zu einem Detektor zur Erfassung der Absorption beziehungsweise in Richtung des Innenraums des Gehäuses der optischen Messzelle geführt werden.
In einer besonders vorteilhaften Variante bildet ein gemeinsames optisches Element sowohl das Einkoppelelement als auch das Auskoppelelement. Dies kann beispielsweise durch die bevorzugte Ausbildung des optischen Elementes als Dreiecksprisma beziehungsweise Dachprisma erfolgen, dessen Basisfläche auf die Seitenfläche des als Dachprisma ausgebildeten Umsetzelements aufgebracht ist. Hierdurch gelingt es, die gleiche Seite des Dachprismas als einkoppelnde und auskoppelnde Seite des Lichtstrahls in beziehungsweise aus der Messzelle zu verwenden, was einen einfachen und kompakten Aufbau der Messzelle im Bereich des Einkoppelelements beziehungsweise Auskoppelelements ermöglicht. Diese Ausbildung des optischen Elements erweist sich als besonders effizient und robust und zudem als besonders wartungsfreundlich.
Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine Anordnung aus Gehäuse mit Rohr, Deckel und Boden sowie den Umsetzelementen, die drehsymmetrisch zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses und damit der optischen Messzelle ausgebildet sind. Diese Drehsymmetrie ist dabei so ausgebildet, dass die Symmetrie um beliebige Winkel gegeben ist, aber auch um definierte Winkel beispielsweise bei einer Ausbildung mit drei Dachprismen, welche auf den Seiten eines regelmäßigen Sechsecks angeordnet sind. In diesem Fall sind eine 6-wertige Drehsymmetrie und damit eine Drehsymmetrie um einen definierten Winkel von 60° gegeben. Durch diese Art der Ausbildung der Messzelle lassen sich unterschiedliche Orientierungen der optischen Messzelle realisieren, die unterschiedliche Einbaumöglichkeiten eröffnen und damit die Einsatzmöglichkeiten vielfältiger gestalten können.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle, bei welcher sowohl dem Deckel als auch dem Boden je eine zusätzliche plankonvexe Linse zugeordnet ist, die mit ihrer konvexen Seite dem Innenraum des Gehäuses zugeordnet ist und die die über die plane Seite parallel zur optischen Hauptachse einfallenden Lichtstrahlen fokussierend in Richtung des gegenüberliegenden Bodens oder Deckels ablenken. Damit werden die parallel zur optischen Hauptachse verlaufenden, einfallenden Lichtstrahlen durch die zusätzlichen plankonvexen Linsen so fokussiert, dass sie in einen Brennpunkt im Innenraum des Gehäuses fokussiert werden und sich nach Durchlaufen dieses Brennpunkts wieder auseinander bewegen und auf den gegenüberliegenden Deckel oder Boden treffen. Dabei sind diese beiden plankonvexen Linsen am Boden beziehungsweise am Deckel bevorzugt so gewählt, dass die Summe ihrer Brennweiten gleich ihrem Arbeitsabstand gewählt ist beziehungsweise bevorzugt identisch ausgebildet sind, sodass ein entsprechender symmetrischer Strahlengang mit einem gemeinsamen Brennpunkt in dem Rohr entsteht.
Dabei ist beziehungsweise sind die plankonvexen Linsen mit ihrer planen Seite mit den Umsetzelementen fest verbunden beispielsweise mithilfe eines Klebers, der den gleichen Brechungsindex wie die plankonvexe Linse zeigt und sich dadurch optisch neutral gegenüber der blanken Linse verhält. Durch die Verwendung eines solchen Klebers ist eine sehr robuste Verbindung geschaffen, die die Empfindlichkeit der optischen Messzelle gegenüber Erschütterungen und Vibrationen deutlich senkt. Zusätzlich kann zwischen dem oder den Umsetzelementen und den damit verbundenen plankonvexen Linsen eine zylindrische Linse verklebt sein und dadurch der Abstand zwischen den Umsetzelementen und den plankonvexen Linsen beispielsweise zur Erhöhung der mechanischen Steifheit eingebracht sein. Weiterhin gelingt es durch diese Weiterbildung mit den beiden plankonvexen Linsen den Einfluss von Verschmutzungen auf der Oberfläche der optischen Elemente zu reduzieren, denn der durch die Verschmutzung gestörte Lichtstrahl wird durch die schräg stehende Oberfläche an der Eintrittsstelle aus dem eigentlichen Strahlengang herausgeleitet, sodass sich dieses Streulicht nicht mit dem Lichtstrahl überlagern und diesen stören kann. Dadurch sind unerwünschte Phasenverschiebungen oder nicht erwünschte Strahlungsanteile erheblich reduziert und dadurch die Qualität des Lichtstrahls verbessert, was sich direkt auf die Qualität des Messsignals auswirkt.
Dabei ist die fokussierende Wirkung der plankonvexen Linsen am Boden und am Deckel bevorzugt so gewählt, dass sie jeweils die in Richtung Innenraum gelenkten Lichtstrahlen in einem Brennpunkt bündeln und dadurch die Eigenschaften des Fluids im Bereich des Brennpunktes oder der Brennpunkte besonders verlässlich bestimmt werden können und dadurch negative, störende Effekte des Innenraums gerade im Bereich des Rohres, wo insbesondere äußere Temperatureffekte oder turbulente Strömungseffekte des Fluids auftreten, reduziert und dadurch das Messergebnis in seiner Qualität verbessert werden kann.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass beide plankonvexe Linsen eine Brennweite f zeigen, die gleich der halben Länge des Gehäuses also des halben Arbeitsabstandes zwischen den plankonvexen Linsen und damit typisch zwischen den Umsetzelementen des Deckels und des Bodens ist. Durch diese Weiterbildung werden die zurückgeworfenen und parallel zur optischen Hauptachse verlaufenden Lichtstrahlen so fokussiert, dass in der Mitte zwischen den plankonvexen Linsen ein gemeinsamer Brennpunkt gebildet wird und dadurch die Lichtstrahlen von einer Seite auf die andere Seite quasi diagonal durch den Innenraum des Gehäuses geleitet werden. Dadurch wird die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen dem Deckel und dem Boden zusätzlich verlängert und dadurch die Präzision der optischen Messzelle verbessert. Darüber hinaus wird durch diese Ausbildung die Reihenfolge der durchstrahlten Dachprismen verändert, was keinen negativen Einfluss auf das Messergebnis zeigt. Weiterhin ist es bei dieser Ausbildung möglich, dass das Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahls über die zugehörigen Elemente in die optische Messzelle an derselben Seitenfläche des Dachprismas möglich ist und dadurch der Aufbau vereinfacht und die Robustheit der optischen Messzelle erhöht wird.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt ein Rohr, dessen dem Innerraum zugewandte Fläche zumindest teilweise insbesondere vollständig als das Laserlicht absorbierende und/oder nichtreflektierende Fläche ausgebildet ist. Dadurch gelingt es, Streulicht, das aus dem eigentlichen Lichtstrahl auf dem gewünschten optischen Weg durch den Innenraum des Gehäuses heraus gestreut wird, in großem Umfang zu entfernen und dadurch das Signal/Rauschverhältnis und damit die Qualität des Messergebnisses der optischen Messzelle zu verbessern.
Weiterhin hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass das Gehäuse gasdicht und für ein gasförmigen Fluid als zu messende Substanz ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das gasdichte Gehäuse dabei auch druckdicht ausgebildet. Neben der Möglichkeit, eine transparente Flüssigkeit mit der optischen Messzelle zu untersuchen, können mit dieser Weiterbildung besonders vorteilhaft verschiedene chemische und/oder physikalische Parameter des Gases verlässlich bestimmt werden. Hierzu zählen beispielsweise die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, die Feuchtigkeit in einem Gas insbesondere der Wassergehalt in Druckluft, die Temperatur und oder auch den Taupunkt eines Gases zu bestimmen, wobei dies durch diese Weiterbildung auf sehr präzise und robuste Weise ermöglicht ist.
Um den Einsatzbereich der optischen Messzelle vielfältig zu gestalten, hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass der optischen Messzelle eine Halbleiterlichtquelle insbesondere eine LED-Lichtquelle für die Erzeugung des Lichtstrahls oder ein Laser für die Erzeugung des als Laserstrahl ausgebildeten Lichtstrahls zugeordnet ist. Dabei ist der Laser bevorzugt als durchstimmbarer Laser ausgebildet. Diese Halbleiterlichtquelle insbesondere der durchstimmbare Laser ist bevorzugt mit dem Einkoppelelement und damit insbesondere mit dem Deckel des Gehäuses mechanisch fest und damit statisch definiert verbunden, sodass diese Weiterbildung sich zusätzlich als besonders robust insbesondere gegenüber Vibrationen oder thermischen Ausdehnungen erweist.
Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass der optischen Messzelle wenigstens ein optischer Sensor zur Erfassung der Lichtintensität zugeordnet ist, wobei wenigstens ein optischer Sensor mit einem Umsetzelement oder mit dem Einkoppelelement oder mit dem Auskoppelelement zu einer einzelnen Baueinheit und/oder die der optischen Messzelle zugeordnete Lichtquelle mit dem Einkoppelelement zu einer einzelnen Baueinheit beziehungsweise gemeinsam zu einer einzigen gemeinsamen Baueinheit verbunden ausgebildet sind. Durch diese Gruppierung als eine oder mehrere Baueinheiten gelingt es, die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Ausdehnungen oder Vibrationen oder Erschütterungen zu erhöhen und dadurch die Robustheit der optischen Messzelle weiter verbessern. Dabei wird der oder werden die optischen Sensoren mit dem oder den optischen Elementen der Messzelle bevorzugt unmittelbar ohne Luftspalt verbunden, sodass auf dem Lichtweg zwischen dem oder den Sensoren durch die Messzelle der gesamte Lichtweg ohne störende Luft der Umgebung der Messzelle ausgebildet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der oder die optischen Sensoren unmittelbar insbesondere durch Verklebung mit einem Umsetzelement oder mit dem Auskoppelelement, das auch das Einkoppelelement bilden kann, ohne Luftspalt verbunden sind. Mithin gelingt es, ein sehr aussagekräftiges und ein nicht durch Umgebungsluft verfälschtes Messergebnis zu erzeugen. Dabei werden bevorzugt zwei optische Sensoren verwendet, von denen ein optischer Sensor im Bereich der Eintrittsstelle des Lichtstrahls in die Messzelle angeordnet ist und damit einen Referenzsensor darstellt, während der andere optische Sensor im Bereich der Austrittsstelle des Lichtstrahls aus der Messzelle angeordnet ist und dadurch in Verbindung mit dem Referenzsensor die Möglichkeit schafft, das Maß der Absorption in der optischen Messzelle anhand der Veränderungen des Lichtstrahls zu bestimmen und dadurch eine Aussage über eine chemische und oder physikalische Eigenschaft eines Fluids in dem Gehäuse der Messzelle zu gewinnen. Die Anordnung des oder der optischen Sensoren ohne Luftspalt an einem optischen Element an der Eintrittsstelle beziehungsweise an der Austrittsstelle der optischen Messzelle bewährt sich im besonderen Maße, wenn die Luftfeuchtigkeit oder der Taupunkt eines Gases in der Messzelle bestimmt werden soll, denn hier wirkten sich Luftspalte der Umgebung auf dem Übertragungsweg besonders störend aus.
Durch diese Ausbildung der optischen Messzelle mit derartigen Baueinheiten lässt sich eine Wartung oder Reparatur im Bereich der Baueinheiten besonders einfach gestalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine beispielhafte, erfindungsgemäße optische Messzelle in einer Ansicht von schräg oben,
2 zeigt eine schematische Ansicht von schräg oben der optischen Messzelle aus 1,
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Deckels der optischen Messzelle aus 1,
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bodens der optischen Messzelle aus 1,
5 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung von Dachprismen auf der Deckfläche des Deckels aus 3 und
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Dachprismas mit Einkoppelelement.

In 1 und 2 ist schematisch eine optische Messzelle 1 für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids, mit einem Gehäuse 2 mit Rohr 3, Deckel 4 und Boden 5 aus Metall insbesondere Edelstahl dargestellt. Das Gehäuse 2 ist als gasdichtes Gehäuse 2 ausgebildet und umschließt mit dem Deckel 4, dem Boden 5 und dem zwischen dem Boden 5 und Deckel 4 befindlichen Rohr 3 den Innenraum des Gehäuses 2. Der Innenraum wird mit dem zu untersuchenden Fluid insbesondere dem zu untersuchenden Gas gefüllt.
Mit dieser erfindungsgemäßen optischen Messzelle 1 wird es möglich, chemische und/oder physikalische Parameter eines Fluids wie beispielsweise die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, die Feuchtigkeit in einem insbesondere gasförmigen Fluid, die Temperatur und/oder auch den Taupunkt des Fluids zu bestimmen. Hierzu wird der fluidgefüllte Innenraum der optischen Messzelle 1 mit einem Laserstrahl 7 beaufschlagt und dieser Laserstrahl 7 nach vielfachem insbesondere 6-fachen Durchlaufen des Innenraums mit einer Länge von etwa 60 cm und einem Durchmesser von etwa 6 cm mittels eines in 1 und 2 nicht dargestellten optischen Sensors 41,42 in seinen Eigenschaften mit dem ursprünglichen Laserstrahl 7 verglichen und daraus der chemische und/oder physikalische Parameter des Fluids bestimmt. Dies wird durch die dargestellte optische Messzelle 1 auf sehr präzise und robuste Weise ermöglicht, da der Aufbau der optischen Messzelle 1 mit dem besonders gestalteten Strahlengang in dem Gehäuse 2 mit dem mehrfachen Durchschreiten des Innenraums 6 des Gehäuses 2 und damit durch das zu untersuchende Fluid dies in besonderem Maß unterstützt.
Das Rohr 3 ist an einem Ende mit dem Deckel 4 und am anderen Ende mit dem Boden 5 gasdicht verschraubt. Der Deckel 4 zeigt einen kreisrunden Bereich in Verlängerung des Innenraums 6 des Rohres 3, der mit einer gasdichten Endfläche 8 versehen ist, auf der mehrere Dachprismen 9 angeordnet sind. Der Boden 5 zeigt ebenso einen kreisrunden Bereich in Verlängerung des Innenraums 6 des Rohres 3, der mit einer gasdichten Endfläche 8 versehen ist, die mithilfe einer asphärischen Linse 21 gasdicht ausgebildet ist. Die asphärische Linse 21 setzt sich aus einer sphärischen Linse 10, 22 mit parabolischem Querschnitt und einer plankonvexen Linse 23 zusammen, wobei diese mit ihren planen Flächen mittels Verklebung fest verbunden sind. In 2 ist die sphärische Linse 22 mit parabolischem Querschnitt als Teil der asphärischen Linse 21 zu erkennen.
In 3 ist die schematische Darstellung des optischen Elements, das den kreisrunden Bereich in dem Deckel 4 gasdicht verschließt in einer Seitenansicht dargestellt.
Über ein Ein- und Auskoppelelement 11, welches als Prisma mit rechtwinkligem Dreiecksquerschnitt ausgebildet ist, kann ein Laserstrahl 7, der der optischen Messzelle 1 beispielsweise von einem durchstimmbaren Laser als Lichtquelle 40 für den Laserstrahl 7 zugeführt wird, aufgenommen und so umgelenkt werden, dass der Laserstrahl 7 über eine Seitenfläche 13 des Dachprismas 9 in Richtung des Innenraums 6 abgelenkt wird, wobei der Laserstrahl 7 nach Verlassen des als Dachprisma 9 ausgebildeten Umsetzelements eine Richtung aufweist, die parallel zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 beziehungsweise des Gehäuses 2 und damit der optischen Messzelle 1 ausgerichtet ist. Dabei ist das Ein- und Auskoppelelement 11 mit dem Dachprisma 9 mittels Verklebung fest verbunden und bilden eine gemeinsame Baueinheit, die einerseits sicherstellt, dass zwischen dem Ein-und Auskoppelelement 11 und dem Dachprisma 9 kein Luftspalt vorhanden ist, und andererseits sicherstellt, dass bei Bedarf die Baueinheit als Ganzes positioniert beziehungsweise ersetzt werden kann und dadurch einen sehr sicheren und wartungsfreundlichen Betrieb gewährleistet. Weiterhin kann dadurch das Ein- und Auskoppelelement 11 mit dem Dachprisma 9 und damit auch mit dem Deckel 4 fest und damit statisch definiert verbunden sein.
Durch die mit dem Dachprisma 9 mittels Verklebung verbundene plankonvexe Linse 23, welche eine Endfläche 8 zur Abdichtung des Innenraums der optischen Messzelle 1 bildet, wird der über das Ein- und Auskoppelelement 11 eingekoppelte Laserstrahl 7 in Richtung des Brennpunkts der plankonvexen Linse 23 umgelenkt. Die plankonvexe Linse 10 ist mittels ihrer planen Seite jeweils mit den Basisflächen der drei Dachprismen 9 mittels Verklebung fest und optisch neutral verbunden. Die Verbindungsfläche der Dachprismen 9 und der plankonvexen Linse 23 bilden gemeinsam die Endfläche 8, welche den kreisrunden Bereich des Deckels 4 gasdicht abschließt. Die plankonvexe Linse 23, die Dachprismen 9 und der Kleber für die Verklebung werden bevorzugt so ausgewählt, dass sie den gleichen oder nahezu den gleichen Brechungsindex aufweisen.
Das Ein- und Auskoppelelement 11 hat weiterhin die Aufgabe, einen über das Dachprisma 9 zugeführten Laserstrahl 7, der nach vielfachem Durchstrahlen des gasgefüllten Innenraums 6 des Gehäuses 2 in das Dachprisma 9 mit dem Ein- und Auskoppelelement 11 eintritt, aus der optischen Messzelle 1 auszukoppeln und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, dass mittels einem oder mehreren optischen Sensoren 41,42 der ausgekoppelte Laserstrahl 7 mit dem ursprünglichen, einzukoppelnden Laserstrahl 7 vergleicht und daraus die Möglichkeit schafft, den gewünschten chemischen beziehungsweise physikalischen Parameter des gasförmigen Fluids im Innenraum 6 zu bestimmen und dadurch die optische Messzelle 1 als Teil einer optischen Messordnung nach dem absorptions-spektroskopischen Verfahren wirken zu lassen.
Die drei in 3 dargestellten Dachprismen 9 sind, wie in 5 in Verbindung mit 6 schematisch dargestellt, oberhalb von drei Seiten 33 eines regelmäßigen 6-Eckes 31 angeordnet, wobei zwischen den Dachprismen 9 jeweils eine nicht vollständig abgedeckte, leere Seite 33 liegt. Die in 5 dargestellte Endfläche 8 entspricht der planen Fläche der plankonvexen Linse 23, die mit den Basisflächen 12 der Dachprismen 9 verbunden ist. Dabei sind die Dachprismen 9 so gewählt, dass die Seitenflächen 13 des Dachprismas 9 oberhalb der Eckpunkte 32 des regelmäßigen 6-Eckes 31 liegen und dadurch sicherstellen, dass ein parallel zur optischen Hauptachse 34 im Bereich eines Eckes 32 aus der Richtung des Innenraums 6 einfallender Laserstrahl 7 durch die Seitenflächen 13 so umgelenkt wird, dass der Laserstrahl 7 im Dachprisma 9 parallel zur Basisfläche 12 weiterläuft und an der anderen Seitenfläche 13 des Dachprismas 9 in Richtung der anderen Ecke 32, über der die letztgenannte Seitenfläche 13 angeordnet ist, und damit parallel zur optischen Hauptachse 34 und versetzt zum einfallenden Laserstrahl 7 in Richtung des Innenraums 6 das Dachprisma 9 verlässt. Dieses Dachprisma 9 bildet somit ein erfindungsgemäßes Umsetzelement.
Durch die Anordnung der drei Dachprismen 9 auf den drei nicht benachbarten Seiten 33 des regelmäßigen 6-Eckes 31 ist eine drehsymmetrische Ausbildung des Deckels 4 mit den daran angeordneten als Doppelprismen 9 ausgebildeten Umsetzelementen gegeben. Dabei bildet der Drehpunkt der drehsymmetrischen Ausbildung den Mittelpunkt 35 des Sechsecks 31 und zugleich den Punkt, an dem die optische Hauptachse 34 die Endfläche 8 durchstößt.
In 4 ist in einer Seitenansicht eine bikonvexe, asphärische Linse 21 dargestellt, die aus einer plankonvexen Linse 23 und einer sphärischen Linse 22 mit parabolischem Querschnitt besteht, wobei diese Linsen 22,23 mit ihren planen Flächen mittels Verklebung fest miteinander verbunden sind. Dabei sind die Linsen 22,23 und die Verklebung so gewählt, dass ihr Brechungsindex gleich oder weitgehend gleich ist. In dem Verbindungsbereich der plankonvexen Linse 23 mit der sphärischen Linse 22 liegt die Endfläche 8, welche den Innenraum der optischen Messzelle 1 gasdicht abschließt und in der die in Richtung Innenraum beziehungsweise aus diesem heraus gerichteten Laserstrahlen parallel zur optischen Hauptachse 34 verlaufen.
Alternativ hat es sich auch bewährt die bikonvexe, asphärische Linse 21 einstückig mit einem plankonvexen Linsenteil 23 und einem sphärischen Linsenteil 22 mit parabolischem Querschnitt auszubilden.
Die sphärische Linse 22 mit parabolischem Querschnitt ist dabei so ausgebildet, dass sie ein Umsetzelement bildet und dadurch einen einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse 34 des Gehäuses 2 verlaufenden Laserstrahl 7 lateral versetzt in Richtung des Innenraums 6 des Gehäuses 2 parallel zur optischen Hauptachse 34 zurückstrahlt. Die plankonvexe Linse 23 ist mittels ihrer planen Seite mit der planen Fläche der sphärischen Linse 22 verbunden. Diese Verbindungsfläche bildet die Endfläche 8, welche den kreisrunden Bereich des Bodens 5 gasdicht abschließt.
Die plankonvexe Linse 23 des Bodens 5 und die plankonvexe Linse 10 des Deckels 4 zeigen dieselbe Brennweite f und sind so in dem Rohr 3 im jeweiligen Endbereich angeordnet, dass ihr Abstand zueinander der doppelten Brennweite f entspricht und sie einen gemeinsamen Brennpunkt in der Mitte des Rohres 3 haben.
Dadurch gelingt es, dass die parallel zur optischen Hauptachse 34 verlaufende Laserstrahlen 7 aus den Umsetzelementen über die planen Flächen der beiden plankonvexen Linsen 10,23 in diese eintreten und durch diese in Richtung des gemeinsamen Brennpunkts umgelenkt werden und in die konvexe Fläche der gegenüberliegenden, plankonvexen Linse 23,10 eintreten und durch diese Linse in parallel zur optischen Hauptachse 34 verlaufende Laserstrahlen 7 umgelenkt werden, die über die jeweiligen planen Flächen der plankonvexen Linsen 23,10 in die zugeordnete sphärische Linse 22 mit parabolischem Querschnitt beziehungsweise die Dachprismen 9 eintreten und durch diese lateral versetzt und parallel zur optischen Hauptachse 34 in Richtung des Innenraums 6 zurückgeworfen werden, um anschließend durch die verbundenen, plankonvexen Linsen 23,10 wieder in Richtung des gemeinsamen Brennpunkte 24 fokussiert zu werden.
Dabei wird durch die Positionierung und Anordnung der Dachprismen 9 ein lateraler Versatz entlang einer Seite 33 beziehungsweise um die Länge einer Seite 33 des 6-Ecks 31 bewirkt. Die sphärische Linse 22 ist dabei so ausgebildet, dass durch sie ein solcher Versatz des rückgestrahlten Laserstrahls 7 erfolgt, der achssymmetrisch zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 beziehungsweise des Gehäuses 2 und damit der optischen Messzelle 1 verläuft. Damit wird ein Seitenwechsel und damit eine Rückstrahlung des eingefallenen Laserlichts 7 auf der gegenüberliegenden Seite des Einfallpunktes erreicht. Damit unterscheidet sich der Versatz zwischen dem Umsetzelement des Deckels 4 mit dem Dachprisma 9 und dem Versatz des Umsetzelements im Boden 5 mit der sphärischen Linse 22 grundlegend voneinander. Der eine Versatz erfolgt entlang der Seitenlinien des um die optische Mittelachse angeordneten, gleichmäßigen 6-Ecks 31, während der andere Versatz einen seitlichen Wechsel gegenüber der optischen Mittelachse 34 bewirkt. Durch diese Unterschiede des Versatzes zwischen Boden 5 und Deckel 4 wird ein mehrfaches Durchstrahlen des Innenraums 6 über den gemeinsamen Brennpunkt 24 bewirkt, wobei sich die Ein- und Auskoppelpunkte der Umsetzelemente in den Dachprismen 9 beziehungsweise in der sphärischen Linse 22 regelmäßig verändern.
Bei der in den Figuren dargestellten optischen Messzelle 1 wird über ein gemeinsames Ein- und Auskoppelelement 11, das auf einer Seitenfläche 13 eines Dachprismas 9 angeordnet ist, der Laserstrahl 7 eingekoppelt und nach Durchlaufen aller drei Dachprismen 9 und der zugeordneten Ecken 32 mit dem gegenüberliegenden Boden 5 und jeweiligem schrägen Durchqueren des Innenraums 6 des Gehäuses 2 wieder aus der optischen Messzelle 1 ausgekoppelt.
Das Dachprisma 9 mit dem Ein- und Auskoppelelement 11 ist mit zwei optischen Sensoren 41,42 versehen. Dabei ist der optische Sensor 41 flächig ohne Luftspalt auf der Seitenfläche 13 des Dachprismas 9 angeordnet, um dort die optischen Eigenschaften insbesondere die Intensität des einfallenden Laserlichts 7 von der Laserlichtquelle 40 beim ersten Umlenken in Richtung Innenraum der optischen Messzelle 1 und damit im Einkoppelbereich zu messen. Der andere optische Sensor 42 ist im Auskoppelbereich des Laserlichts 7 angeordnet, indem er auf der Seitenfläche des Ein- und Auskoppelelements 11 so angeordnet ist, dass das Laserlicht 7 beim Auskoppeln aus der Messzelle 1 hinsichtlich der optischen Eigenschaften insbesondere der Intensität des Laserlichts 7 nach dem vielfachen Durchschreiten des Innenraums der Messzelle 1 gemessen wird. Aus dem Vergleich der Messwerte der beiden optischen Sensoren 41,42 kann die gewünschte chemische oder physikalische Eigenschaft des zu untersuchenden Fluids im Innenraum der Messzelle 1 bestimmt werden.
Durch dieses vielfache Durchlaufen des Innenraums mit dem zu untersuchenden Gas wird es möglich, eine sehr präzise Aussage über die Absorptionseigenschaften des Gases und damit über die chemischen beziehungsweise physikalischen Parameter des Gases, beispielsweise den Feuchtigkeitsgehalt einer Druckluft, zu treffen. Dies gilt umso mehr, da durch diese Anordnung eine sehr robuste und wenig empfindliche Bestimmung ermöglicht ist. Dabei hat sich gezeigt, dass sich diese Anordnung auch als besonders wenig anfällig gegen Verschmutzungen insbesondere durch das eingebrachte zu untersuchende Gas erwiesen hat, was insbesondere durch die Verwendung der plankonvexen Linsen 10,23 erreicht wird. Weiterhin ist es durch die Ausbildung der Innenwand des Rohres 3 als geschwärzte Innenwand und damit als nichtreflektierende Fläche gelungen, die Einflüsse von Störlicht, das in den optischen Weg des Laserstrahls 7 einkoppelt und das Messergebnis verfälscht, sehr gering zu halten und dadurch die erreichbare Präzision der optischen Messzelle 1 weiter zu steigern.
Weiterhin ist durch die Ausbildung dieser optischen Messzelle 1 mit dem verschraubten, gasdichten Deckel 4 und dem verschraubten, gasdichten Boden 5 und mit dem Rohr 3 ohne optische Elemente die Möglichkeit geschaffen, die optische Messzelle 1 beziehungsweise deren Gehäuse 2 besonders einfach warten und überprüfen zu können. Damit lässt sich die Qualität der optischen Messzelle 1 und damit der gesamten optischen Messordnung besonders hoch halten.
Bezugszeichenliste

1: optische Messzelle
2: Gehäuse
3: Rohr
4: Deckel
5: Boden
7: Laserstrahl
8: Endfläche
9: Dachprisma
10: Plankonvexe Linse
11: Ein- und Auskoppelelement, Dreiecksprisma
12: Basisfläche des Dachprisma
13: Seitenfläche des Dachprisma
21: Asphärische Linse
22: Sphärische Linse mit parabolischem Querschnitt
23: Plankonvexe Linse
31: 2n-Eck mit 6 Ecken
32: Ecke des 2n-Eck
33: Seite des 2n-Eck
34: Optische Hauptachse
35: Mittelpunkt des 2n-Eck
40: Lichtquelle
41: Optischer Sensor im Einkoppelbereich
42: Optischer Sensor im Auskoppelbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10308883 A1 [0005]
DE 4124545 C2 [0006]

Claims

Optische Messzelle (1) für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids, mit einem Gehäuse (2) mit Rohr (3), Deckel (4) und Boden (5), wobei ein mit dem Gehäuse (2) verbundenes Einkoppelelement (11) vorgesehen ist, das einen Lichtstrahl (7) in den Innenraum des Gehäuses (2) so einkoppelt, dass der eingekoppelte Lichtstrahl (7) parallel zur optischen Hauptachse (34) verläuft, wobei mit dem Deckel (4) und dem Boden (5) verbundene Umsetzelemente vorgesehen sind, die einen einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse (34) verlaufenden Lichtstrahl (7) lateral versetzt in den Innenraum des Gehäuses (2) parallel zur optischen Hauptachse (34) zurückstrahlen, wobei ein mit dem Gehäuse (2) verbundenes Auskoppelelement (11) vorgesehen ist, das einen auftreffenden Lichtstrahl (7) auskoppelt, wobei der fluidgefüllte Innenraum des Gehäuses (2) vielfach durchstrahlt wird.
Optische Messzelle nach Anspruch 1, wobei die mit dem Deckel (4) und dem Boden (5) verbundenen Umsetzelemente aus Dachprismen (9), plankonvexen Linsen (10,22), Hohlspiegeln, Kegelspiegeln, Kegellinsen, Retroreflektorenoptiken ausgewählt sind.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei n (n>1) als Dachprisma (9) ausgebildete Umsetzelemente so mit dem Deckel (4) und/oder mit dem Boden (5) verbunden sind, dass sie auf jeder zweiten Seite (33) eines regelmäßigen 2n-Ecks (31) angeordnet sind.
Optische Messzelle nach Anspruch 2 und 3, wobei der Deckel (4) mit n als Dachprisma (9) ausgebildeten Umsetzelementen so verbunden sind, dass sie auf jeder zweiten Seite (33) eines regelmäßigen 2n-Ecks (31) angeordnet sind, wobei insbesondere n=3 gewählt ist und der Boden (5) mit einem als Hohlspiegel oder plankonvexe Linse (22) insbesondere mit parabolischem Querschnitt ausgebildeten Umsetzelement verbunden ist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens ein Umsetzelement so ausgebildet ist, dass der einfallende Lichtstrahl (7) und der zurückgestrahlte Lichtstrahl (7) achssymmetrisch zur optischen Hauptachse (34) verlaufen.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Einkoppelelement (11) und/oder das Auskoppelelement (11) mit Deckel (4) oder Boden (5) verbunden sind.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Einkoppelelement (11) und/oder das Auskoppelelement (11) ein mit einem Dachprisma (9) verbundenes optisches Element (11) insbesondere ein Prisma aufweist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anordnung aus Gehäuse (2) mit Rohr (3), Deckel (4) und Boden (5) sowie den Umsetzelementen drehsymmetrisch zur optischen Hauptachse (34) ausgebildet ist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei dem Deckel (4) und dem Boden (5) je eine plankonvexe Linse (23) zugeordnet ist, die insbesondere mit ihrer planen Seite mit den Umsetzelementen verbunden ist.
Optische Messzelle nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine plankonvexe Linse (23) mit ihrer planen Seite mit wenigstens einem Umsetzelement mittels Verklebung verbunden ist.
Optische Messzelle nach Anspruch 10, wobei beide plankonvexe Linsen (23) eine Brennweite f zeigen, die gleich der halben Länge des Arbeitsabstandes zwischen den beiden plankonvexen Linsen (23) ist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die dem Innenraum zugewandte Fläche des Rohres (3) zumindest teilweise als Licht absorbierende und/oder nichtreflektierende Fläche ausgebildet ist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Gehäuse (2) gas- und/oder druckdicht und für ein gasförmiges Fluid als zu messende Substanz ausgebildet ist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der optischen Messzelle (1) eine Halbleiterlichtquelle (40) insbesondere ein Laser oder eine LED-Lichtquelle für die Erzeugung des Lichtstrahls zugeordnet ist.
Optische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei wenigstens ein der optischen Messzelle (1) zugeordnete Sensor (41, 42) mit einem Umsetzelement, dem Einkoppelelement (11) oder dem Auskoppelelement (11) als einzelne Baueinheiten und/oder eine der optischen Messzelle (1) zugeordnete Lichtquelle (40) mit dem Einkoppelelement (11) als einzelne Baueinheiten oder gemeinsam als eine einzige gemeinsame Baueinheit ausgebildet sind.