DE102022128472A1 - Arrangement and method for determining the concentration of one or more substances in a liquid or gaseous medium - Google Patents
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Abstract
Eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium weist eine Messkammer auf, in die das Medium einbringbar oder durch die das Medium durchströmbar ist, sowie eine Anzahl an Messkanälen, die jeweils durch eine Lichtquelle und einen oder mehrere nur dieser Lichtquelle zugeordneten Detektoren gebildet sind. Die Anzahl der Messkanäle entspricht wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus charakteristischen Absorptionspeaks, die für eine Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe wenigstens erforderlich ist. Jeder Messkanal ist so ausgebildet, dass er eine Absorption optischer Strahlung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium in der Messkammer für einen anderen charakteristischen Absorptionspeak der Auswahl misst, indem die Lichtquelle dieses Messkanals schmalbandige Strahlung emittiert, die einer Wellenlänge des jeweiligen Absorptionspeaks entspricht. Die Anordnung ermöglicht eine selektive Analyse auch komplexer Proben im sub-ppb-Bereich, lässt sich kostengünstig realisieren und modular an die entsprechende Anwendung anpassen.An arrangement for determining the concentration of one or more substances in a liquid or gaseous medium has a measuring chamber into which the medium can be introduced or through which the medium can flow, as well as a number of measuring channels, each of which is formed by a light source and one or more detectors assigned only to this light source. The number of measuring channels corresponds at least to the number of a selection of characteristic absorption peaks that is at least required to determine the concentration of the one or more substances. Each measuring channel is designed in such a way that it measures an absorption of optical radiation in the liquid or gaseous medium in the measuring chamber for a different characteristic absorption peak of the selection, in that the light source of this measuring channel emits narrow-band radiation that corresponds to a wavelength of the respective absorption peak. The arrangement enables selective analysis of even complex samples in the sub-ppb range, can be implemented cost-effectively and can be adapted modularly to the corresponding application.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration mit einer derartigen Anordnung.The present invention relates to an arrangement for determining the concentration of one or more substances in a liquid or gaseous medium which have characteristic absorption peaks when illuminated with optical radiation. The invention also relates to a method for determining the concentration using such an arrangement.
Die Analyse flüssiger oder gasförmiger Medien hinsichtlich der Konzentration einzelner Stoffe in diesen Medien spielt in vielen technischen und naturwissenschaftlichen Anwendungen eine wichtige Rolle. So haben viele Stoffe charakteristische optische Absorptionspeaks, die einen Fingerprint des jeweiligen Stoffes bilden, so dass sich die Stoffe beispielsweise mittels optischer Absorptionsspektroskopie eindeutig identifizieren bzw. bestimmen lassen. Auch die photoakustische Spektroskopie ist zur Bestimmung der Konzentration von Stoffen in einem flüssigen oder gasförmigen Medium einsetzbar. Bei der photoakustischen Spektroskopie entsteht durch die spezifische Lichtabsorption bei einem Absorptionspeak eine Druckänderung bzw. akustische Welle im Medium, die mit einem Detektor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Als Detektor kann beispielsweise ein Mikrofon eingesetzt werden. Die erfasste Druckänderung ist ein Maß für die Konzentration des entsprechenden Stoffes. Die Messungen erfordern jedoch jeweils eine Anpassung der Wellenlänge der eingestrahlten optischen Strahlung an den zu vermessenden Stoff bzw. die zu vermessenden Stoffe. Die erforderliche Wellenlänge kann hierzu beispielsweise mit Hilfe eines spektralen Filters oder durch Einsatz eines durchstimmbaren Lasers eingestellt werden.The analysis of liquid or gaseous media with regard to the concentration of individual substances in these media plays an important role in many technical and scientific applications. Many substances have characteristic optical absorption peaks that form a fingerprint of the respective substance, so that the substances can be clearly identified or determined using optical absorption spectroscopy, for example. Photoacoustic spectroscopy can also be used to determine the concentration of substances in a liquid or gaseous medium. In photoacoustic spectroscopy, the specific light absorption at an absorption peak creates a pressure change or acoustic wave in the medium, which is recorded with a detector and converted into an electrical signal. A microphone, for example, can be used as a detector. The recorded pressure change is a measure of the concentration of the corresponding substance. However, the measurements always require the wavelength of the incident optical radiation to be adapted to the substance or substances to be measured. The required wavelength can be set for this purpose, for example, using a spectral filter or by using a tunable laser.
Stand der TechnikState of the art
So zeigt beispielsweise die
Aus der
Gerade für die selektive Analyse komplexer Proben im sub-ppb-Bereich müssen viele Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium mit hoher Sensitivität hinsichtlich ihrer Konzentration bestimmt werden. Dies soll möglichst kostengünstig erfolgen. Ein Beispiel stellt die Weinaroma-Analyse dar, bei der eine Vielzahl von Aromastoffen im Wein bestimmt werden soll. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium anzugeben, die sich kostengünstig realisieren und an die jeweilige Anwendung anpassen lassen.Especially for the selective analysis of complex samples in the sub-ppb range, many substances in a liquid or gaseous medium must be determined with high sensitivity in terms of their concentration. This should be done as cost-effectively as possible. One example is wine aroma analysis, in which a large number of aromatic substances in the wine are to be determined. The object of the present invention is to provide an arrangement and a method for determining the concentration of one or more substances in a liquid or gaseous medium, which can be implemented cost-effectively and adapted to the respective application.
Darstellung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe wird mit der Anordnung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the arrangement and the method according to
Die vorgeschlagene Anordnung ist zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe, insbesondere von Reinstoffen, in einem flüssigen oder gasförmigen Medium ausgebildet, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen. Die Anordnung umfasst wenigstens eine Messkammer, in die das flüssige oder gasförmige Medium einbringbar ist oder die durch das flüssige oder gasförmige Medium durchströmbar ist, und eine Anzahl an Messkanälen, die jeweils durch eine Lichtquelle und einen oder mehrere nur dieser Lichtquelle zugeordneten Detektoren gebildet sind. Die Anzahl der Messkanäle entspricht dabei wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks, die für die Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe in dem flüssigen oder gasförmigen Medium wenigstens erforderlich ist. Hierbei wird ausgenutzt, dass für die eindeutige Identifikation und Bestimmung der Konzentration eines Stoffes in vielen Fällen nicht alle charakteristischen Absorptionspeaks dieses Stoffes vermessen werden müssen, sondern die Vermessung einer geringeren Anzahl an Absorptionspeaks, also einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks, ausreichend ist. Jeder Messkanal ist dabei so ausgebildet, dass er eine Absorption optischer Strahlung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium in der Messkammer für einen der charakteristischen Absorptionspeaks der Auswahl misst. Hierzu ist die Lichtquelle dieses Messkanals so gewählt, dass sie schmalbandige Strahlung bei einer Wellenlänge emittiert, die der Wellenlänge des jeweiligen Absorptionspeaks entspricht. Unter schmalbandig ist dabei zu verstehen, dass die Bandbreite der emittierten Strahlung klein genug ist, um jeweils nur einen der charakteristischen Absorptionspeaks der Stoffe in dem flüssigen oder gasförmigen Medium zu erfassen. Die Bandbreite der emittierten Strahlung der jeweiligen Lichtquelle liegt dabei vorzugsweise bei < 300 nm, besonders bevorzugt bei < 100 nm. Jeder Messkanal ist dabei für die Vermessung eines anderen charakteristischen Absorptionspeaks der getroffenen Auswahl ausgebildet.The proposed arrangement is designed to determine the concentration of one or more substances, in particular pure substances, in a liquid or gaseous medium, which have characteristic absorption peaks when illuminated with optical radiation. The arrangement comprises at least one measuring chamber into which the liquid or gaseous medium can be introduced or through which the liquid or gaseous medium can flow, and a number of measuring channels, which are each formed by a light source and one or more detectors assigned only to this light source. The number of measuring channels corresponds at least to the number of a selection from the characteristic absorption peaks that is at least required to determine the concentration of the one or more substances in the liquid or gaseous medium. This takes advantage of the fact that in many cases not all of the characteristic absorption peaks of this substance have to be measured in order to clearly identify and determine the concentration of this substance, but measuring a smaller number of absorption peaks, i.e. a selection from the characteristic absorption peaks, is sufficient. Each measuring channel is designed in such a way that it measures an absorption of optical radiation in the liquid or gaseous medium in the measuring chamber for one of the characteristic absorption peaks of the selection. For this purpose, the light source of this measuring channel is selected so that it emits narrow-band radiation at a wavelength that corresponds to the wavelength of the respective absorption peak. Narrowband means that the bandwidth of the emitted radiation is small enough to detect only one of the characteristic absorption peaks of the substances in the liquid or gaseous medium. The bandwidth of the emitted radiation of the respective light source is preferably < 300 nm, particularly preferably < 100 nm. Each measuring channel is designed to measure a different characteristic absorption peak of the selection made.
Unter der Lichtquelle ist in der vorliegenden Patentanmeldung eine lichtemittierende Einheit zu verstehen, welche schmalbandige optische Strahlung bei der entsprechenden Wellenlänge emittiert. Hierbei kann es sich um einen einzelnen Lichtemitter handeln, beispielsweise eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode (LED), der direkt die schmalbandige Strahlung emittiert. Die Lichtquelle kann jedoch auch durch einen breitbandig emittierenden Lichtemitter mit einem oder mehreren vorgeschalteten spektralen Filtern gebildet sein, wobei der oder die Filter dann den entsprechenden schmalbandigen Durchlassbereich bei der gewünschten Wellenlänge aufweisen. Auch zusätzliche optische Elemente, beispielsweise Linsen oder optische Fasern, können Bestandteil der Lichtquelle sein.In the present patent application, the light source is understood to mean a light-emitting unit that emits narrow-band optical radiation at the corresponding wavelength. This can be a single light emitter, for example a laser diode or a light-emitting diode (LED), which emits the narrow-band radiation directly. However, the light source can also be formed by a broadband emitting light emitter with one or more upstream spectral filters, with the filter or filters then having the corresponding narrow-band passband at the desired wavelength. Additional optical elements, for example lenses or optical fibers, can also be part of the light source.
Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Anordnung lässt sich diese in einfacher Weise an die jeweilige Messaufgabe anpassen, d.h. für die in dem flüssigen oder gasförmigen Medium zu bestimmenden Stoffe speziell ausgestalten, indem jeweils die erforderliche Anzahl und Emissionswellenlänge der Messkanäle gewählt wird. Dieses modulare Prinzip und die Unabhängigkeit der einzelnen Messkanäle ermöglichen einen kostengünstigen und einfachen Aufbau. Mit der Anordnung lassen sich auch komplexere Proben kostengünstig vermessen, beispielsweise bei der Weinaroma-Analyse.The proposed design of the arrangement allows it to be easily adapted to the respective measurement task, i.e. it can be specially designed for the substances to be determined in the liquid or gaseous medium by selecting the required number and emission wavelength of the measuring channels. This modular principle and the independence of the individual measuring channels enable a cost-effective and simple structure. The arrangement can also be used to measure more complex samples cost-effectively, for example in wine aroma analysis.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist jeder Messkanal auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt. Pro Messkanal können dabei ein oder mehrere Detektoren mit unterschiedlichem Messprinzip verwendet werden. Besonders bevorzugt wird eine Kombination aus photoakustischer Spektroskopie (PAS) und Absorptionsspektroskopie bei der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzt. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, lediglich ein Messprinzip in dem jeweiligen Messkanal zu realisieren, beispielsweise nur photoakustische Spektroskopie oder nur Absorptionsspektroskopie. Prinzipiell können unterschiedliche Arten von Detektoren in Messkanälen verwendet werden, beispielsweise Mikrobolometer, pyroelektrische Detektoren, resistive Detektoren (MOX), Wärmeleitfähigkeitsdetektoren (WLD), Wärmetönungsdetektoren, Photodetektoren oder Druckdetektoren bzw. Mikrofone. Die Detektoren können dabei, je nach Lichtquelle und Detektor, auch in der Lichtquelle oder im Lichtemitter integriert sein. Dies gilt vor allem für Arten von Detektoren, bei denen ein Heizelement benötigt wird (z.B. MOX, WLD, Pellistor). Je nach Detektor werden diese innerhalb der Messkammer angeordnet, wie im Falle eines Mikrofons bzw. Drucksensors, können aber auch außerhalb der Messkammer angeordnet sein, wie beispielsweise bei einem Photodetektor. Ein Photodetektor kann natürlich auch innerhalb der Messkammer angeordnet werden. Die Messkammer selbst muss wenigstens an den entsprechenden Einkoppel- oder Auskoppelstellen der optischen Strahlung für diese Strahlung durchlässig ausgebildet sein.In the proposed arrangement, each measuring channel is designed for a specific wavelength. One or more detectors with different measuring principles can be used per measuring channel. A combination of photoacoustic spectroscopy (PAS) and absorption spectroscopy is particularly preferred in the proposed arrangement. It is of course also possible to implement only one measuring principle in the respective measuring channel, for example only photoacoustic spectroscopy or only absorption spectroscopy. In principle, different types of detectors can be used in measuring channels, for example microbolometers, pyroelectric detectors, resistive detectors (MOX), thermal conductivity detectors (TCD), catalytic converters, photodetectors or pressure detectors or microphones. Depending on the light source and detector, the detectors can also be integrated in the light source or in the light emitter. This applies in particular to types of detectors that require a heating element (e.g. MOX, TCD, pellistor). Depending on the detector, these are arranged inside the measuring chamber, as in the case of a microphone or pressure sensor, but can also be arranged outside the measuring chamber, as in the case of a photodetector. A photodetector can of course also be arranged inside the measuring chamber. The measuring chamber itself must be designed to be permeable to the optical radiation at least at the corresponding coupling or decoupling points.
In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Messkammer rohrförmig ausgebildet und mit einer Pumpe verbunden, über die das zu vermessende flüssige oder gasförmige Medium durch die Messkammer gesaugt oder gepumpt wird. Entlang der rohrförmigen Messkammer sind dann nebeneinander die entsprechenden Messkanäle angeordnet. In einer besonderen Ausgestaltung weist die rohrförmige Messkammer, die auch einen nichtkreisförmigen, beispielsweise rechteckigen, Querschnitt aufweisen kann, entlang ihrer Längserstreckung mehrere rohrförmige Ansätze auf, die sich jeweils quer zur Längsachse der Messkammer erstrecken und in die das zu vermessende Medium beim Durchströmen der Messkammer diffundiert. Auch bei einer nicht rohrförmig ausgebildeten Messkammer sind derartige Ansätze möglich, die jeweils getrennte Messvolumina bilden. Die Messkanäle sind dann jeweils an diesen Ansätzen angeordnet, wie dies in einem späteren Ausführungsbeispiel näher dargestellt ist. Am Übergang in diese Ansätze kann auch eine Membran oder ein Filter vorhanden sein, der nur bestimmte Stoffe in die Ansätze diffundieren lässt. Hierdurch lässt sich eine Vortrennung der Stoffe realisieren.In the preferred embodiment, the measuring chamber is tubular and connected to a pump, via which the liquid or gaseous medium to be measured is sucked or pumped through the measuring chamber. The corresponding measuring channels are then arranged next to one another along the tubular measuring chamber. In a special embodiment, the tubular measuring chamber, which can also have a non-circular, for example rectangular, cross-section, has several tubular extensions along its length, each of which extends transversely to the longitudinal axis of the measuring chamber and into which the medium to be measured diffuses as it flows through the measuring chamber. Such extensions, which each form separate measuring volumes, are also possible with a non-tubular measuring chamber. The measuring channels are then arranged on these extensions, as shown in more detail in a later embodiment. At the transition to these extensions, A membrane or a filter must be present that only allows certain substances to diffuse into the mixture. This allows a pre-separation of the substances.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird wenigstens einer der Lichtemitter der Messkanäle durch ein Heizelement, also einen Heizstrahler gebildet, der Strahlung im IR-Bereich emittiert. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird dieser Heizstrahler gleichzeitig als Wärmeleitfähigkeitssensor genutzt, indem seine elektrische Widerstandsänderung im jeweiligen Messkanal erfasst wird. Der Messkanal weist dabei an der entsprechenden Stelle im Bereich dieses Lichtemitters eine Diffusionsöffnung auf, über die ein kleiner Teil des durch die Messkammer strömenden Mediums ausdiffundiert und über den Lichtemitter geführt wird. Die Diffusionsöffnung kann auch durch einen optischen Filter realisiert werden, falls dieser entsprechend, beispielsweise als plasmonischer Filter, ausgebildet ist. Hiermit lassen sich mit diesem Lichtemitter beispielsweise CO2 oder Wasserstoff detektieren. Alternativ kann nahe dem als Heizstrahler ausgebildeten Lichtemitter auch ein weiterer Sensor, beispielsweise zur Bildung eines MOX-Sensors, eines Wärmeleitfähigkeitssensors oder eines Wärmetönungssensors angeordnet sein, der dann über den Lichtemitter beheizt wird, also kein eigenes Heizelement benötigt. In diesem Fall strömt dann das Medium über diesen zusätzlichen Sensor, so dass damit wiederum beispielsweise CO2 oder Wasserstoff detektiert werden können.In an advantageous embodiment, at least one of the light emitters of the measuring channels is formed by a heating element, i.e. a radiant heater that emits radiation in the IR range. In a particularly preferred embodiment, this radiant heater is simultaneously used as a thermal conductivity sensor by detecting its electrical resistance change in the respective measuring channel. The measuring channel has a diffusion opening at the corresponding point in the area of this light emitter, through which a small part of the medium flowing through the measuring chamber diffuses out and is guided over the light emitter. The diffusion opening can also be implemented by an optical filter if this is designed accordingly, for example as a plasmonic filter. This means that CO 2 or hydrogen, for example, can be detected with this light emitter. Alternatively, another sensor, for example to form a MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor, can be arranged near the light emitter designed as a radiant heater, which is then heated via the light emitter, i.e. does not require its own heating element. In this case, the medium flows over this additional sensor, so that CO2 or hydrogen, for example, can be detected.
Die oben beschriebene Ausgestaltung, bei der als Lichtemitter ein Heizstrahler eingesetzt und gleichzeitig als Wärmeleitfähigkeitssensor oder in Verbindung mit einem zusätzlichen MOX-Sensor, Wärmeleitfähigkeitssensor oder Wärmetönungssensor genutzt wird, lässt sich auch unabhängig von der vorliegenden Anordnung als Messeinrichtung einsetzen, die bspw. nur eine Lichtquelle oder auch eine Anordnung aus mehreren Lichtquellen bzw. Messkanälen umfasst, die sich einen gemeinsamen Detektor teilen.The design described above, in which a radiant heater is used as a light emitter and is simultaneously used as a thermal conductivity sensor or in conjunction with an additional MOX sensor, thermal conductivity sensor or heat tone sensor, can also be used independently of the present arrangement as a measuring device, which, for example, comprises only one light source or also an arrangement of several light sources or measuring channels that share a common detector.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird die vorgeschlagene Anordnung so ausgebildet, dass die einzelnen Messkanäle hinsichtlich der Anzahl und der Lichtquellen an die Auswahl an Absorptionspeaks der zu vermessenden Stoffe angepasst sind. Das flüssige oder gasförmige Medium wird dann in die Messkammer eingebracht oder durch die Messkammer gesaugt oder gepumpt. Mit den Detektoren der Messkanäle wird jeweils die Absorption bei der entsprechenden Wellenlänge bzw. dem jeweiligen charakteristischen Absorptionspeak gemessen, um daraus die Konzentration der entsprechenden Stoffe abzuleiten. Um eine gegenseitige Störung der einzelnen Messkanäle zu vermeiden, wird vorzugsweise eine zeitlich serielle Messung durchgeführt, bei der die einzelnen Messkanäle zu unterschiedlichen Zeiten betrieben werden, so dass jeweils immer nur ein Messkanal aktiv ist, also jeweils nur die Lichtquelle dieses einen Messkanals eingeschaltet ist. In einer anderen Ausgestaltung, die eine Nutzung der photoakustischen Spektroskopie als Detektionsprinzip voraussetzt, werden die Lichtquellen der einzelnen Messkanäle mit unterschiedlicher Frequenz moduliert, um akustische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen, die nicht miteinander interferieren. Dadurch wird auch eine gegenseitige Störung der einzelnen Messkanäle vermieden, wenn diese gleichzeitig betrieben werden.In the proposed method, the proposed arrangement is designed in such a way that the individual measuring channels are adapted to the selection of absorption peaks of the substances to be measured in terms of the number and light sources. The liquid or gaseous medium is then introduced into the measuring chamber or sucked or pumped through the measuring chamber. The detectors of the measuring channels are used to measure the absorption at the corresponding wavelength or the respective characteristic absorption peak in order to derive the concentration of the corresponding substances. In order to avoid mutual interference between the individual measuring channels, a temporally serial measurement is preferably carried out in which the individual measuring channels are operated at different times so that only one measuring channel is active at a time, i.e. only the light source of this one measuring channel is switched on at a time. In another embodiment, which requires the use of photoacoustic spectroscopy as a detection principle, the light sources of the individual measuring channels are modulated with different frequencies in order to generate acoustic waves with different frequencies that do not interfere with each other. This also avoids mutual interference between the individual measuring channels when they are operated at the same time.
Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren lassen sich in vielen Anwendungsbereichen, beispielsweise in der Medizin, im Umweltbereich, in der Verfahrenstechnik und der zivilen Sicherheit einsetzen. Dies umfasst beispielsweise die Analyse industrieller Prozesse und Parameter (Prozessmonitoring), die Qualitätssicherung, die Brandfrüherkennung, die Aroma-Analyse, die Detektion von Fehlgerüchen, die Atemgas-Analyse, Sicherheitsapplikationen, Umwelt-Analysen, eine Anwendung als elektronische Nase oder elektronische Zunge. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.The proposed arrangement and the associated method can be used in many areas of application, for example in medicine, the environmental sector, process engineering and civil security. This includes, for example, the analysis of industrial processes and parameters (process monitoring), quality assurance, early fire detection, aroma analysis, the detection of off-odors, breath gas analysis, security applications, environmental analysis, and use as an electronic nose or electronic tongue. This is of course not an exhaustive list.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein Beispiel für charakteristische Absorptionspeaks von EtOH und Ethylacetat; -
2 ein Beispiel für charakteristische Absorptionspeaks von CO und CO2; -
3 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; -
4 ein Beispiel für eine besondere Ausgestaltung eines Messkanals; -
5 ein weiteres Beispiel für eine besondere Ausgestaltung eines Messkanals; -
6 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; -
7 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; -
8 eine schematische Darstellung einer zeitversetzten Betriebsweise der einzelnen Messkanäle bei einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; -
9 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung unterschiedlicher Messkanäle mit unterschiedlicher Frequenz; -
10 zwei weitere Beispiele für die Ausgestaltung eines Messkanals; -
11 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; und -
12 eine beispielhafte Realisierung der Lichtquellen sowie des weiteren Sensors bei der Ausgestaltung der5 .
-
1 an example of characteristic absorption peaks of EtOH and ethyl acetate; -
2 an example of characteristic absorption peaks of CO and CO 2 ; -
3 a first example of a design of the proposed arrangement; -
4 an example of a special design of a measuring channel; -
5 another example of a special design of a measuring channel; -
6 another example of a design of the proposed arrangement; -
7 another example of a design of the proposed arrangement; -
8th a schematic representation of a time-delayed operation of the individual measuring channels in an embodiment of the proposed arrangement; -
9 a schematic representation of a control of different measuring channels with different frequencies; -
10 two further examples for the design of a measuring channel; -
11 a further exemplary embodiment of the proposed arrangement; and -
12 an exemplary realization of the light sources and the additional sensor in the design of the5 .
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to implement the invention
Bei der vorgeschlagenen Anordnung wird zur Bestimmung einzelner Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium ausgenutzt, dass die einzelnen Stoffe einen oder mehrere charakteristische optische Absorptionspeaks aufweisen (sogenannter Fingerprint), über die sie eindeutig identifizierbar und über die auch ihre Konzentration in einem Medium bestimmt werden kann.
Die durch die Messkammer 5 geleiteten Medien werden in dem jeweiligen Messkanal nicht umgesetzt. Die Detektoren können innerhalb und/oder außerhalb der Messkammer 5 angeordnet sein. Bei der Messung wird die Probe über eine Pumpe 6 durch die Messkammer hindurch mit einem Entnahmesystem 4 aus einem Probenreservoir 3 angesaugt. Während die Probe die Messkammer 5 durchströmt, erfolgt die Messung mit den einzelnen Messkanälen.The media passed through the measuring
Die Lichtquellen (1(1), ... 1(x)) der Messkanäle (Ch1, ... Chx) können in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein.
Die Messkammer selbst kann auch spezielle für die Messung ausgebildete rohrförmige Ansätze aufweisen, wie dies im Beispiel der
Werden mehrere Messkanäle mit PAS-Detektor verwendet und das Licht in den einzelnen Messkanälen mit der gleichen Frequenz f(1) moduliert, besteht die Gefahr der gegenseitigen Störung der einzelnen Kanäle, da die erzeugten akustischen Wellen möglicherweise miteinander interferieren. In einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens werden daher in diesem Fall die einzelnen Messkanäle nacheinander betrieben, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt (t(1), ... t(x)) immer nur ein Messkanal aktiv ist, also immer nur eine Lichtquelle eingeschaltet ist. Dies ist schematisch in
Alternativ können die Lichtquellen der einzelnen Messkanäle bei Nutzung von PAS-Detektoren aber auch mit unterschiedlicher Frequenz (f(1), ... f(n)) moduliert werden. Dies ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb aller Messkanäle, es sind somit jeweils alle Messkanäle aktiv, da entstehende akustische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen nicht miteinander interferieren. Dies ist schematisch in
Bei Verwendung von Photodetektoren, also der direkten Messung der optischen Absorption des von der Lichtquelle emittierten Lichts kann sowohl in Reflexion als auch in Transmission gemessen werden. Dies ist in den beiden Teilabbildungen der
In der Realisierung der
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LichtquelleLight source
- 22
- DetektoreinheitDetector unit
- 33
- Reservoirreservoir
- 44
- EntnahmesystemWithdrawal system
- 55
- MesskammerMeasuring chamber
- 66
- Pumpepump
- 77
- optischer Absorptionsdetektoroptical absorption detector
- 88th
- PAS-DetektorPAS detector
- 99
- Membran, FilterMembrane, filter
- 1010
- IR-HeizelementIR heating element
- 10a10a
- weiterer Sensoradditional sensor
- 1111
- Filterfilter
- 1212
- DiffusionsöffnungDiffusion opening
- 1313
- Lichtquelle mit optischem SystemLight source with optical system
- 1414
- PAS-DetektorPAS detector
- 1515
- WaferWafer
- 1616
- MikroheizelementMicro heating element
- 1717
- weiterer Sensoradditional sensor
- 1818
- Filterfilter
- ChCh
- MesskanalMeasuring channel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102021108745 A1 [0004, 0030]DE 102021108745 A1 [0004, 0030]
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