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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Sebastian Hettenkofer
Stephan Junger
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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 EP 3508836 B1 einen photoakustischen Gassensor, bei dem Strahlung einer breitbandigen IR-Lichtquelle durch einen Bandpassfilter in eine Messkammer mit dem zu vermessenden Gas geleitet wird. Der optische Bandpassfilter lässt nur einen bestimmten Teil des Lichtspektrums durch. Die Zentralwellenlänge ist auf das Absorptionsmaximum des nachzuweisenden Gases angepasst. Durch zeitliche Modulation der IR-Lichtquelle bis zu 100 Hz entsteht innerhalb der Messkammer durch die Absorption der Strahlung im Gas eine Schallwelle, die über einen hochempfindlichen Drucksensor an der Messkammer gemessen wird und ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases ist. Allerdings kann mit dem Gassensor dieser Anordnung nur ein Gas mit Absorptionsmaximum bei der entsprechenden Filterwellenlänge nachgewiesen werden.For example, the EP3508836B1 a photoacoustic gas sensor in which radiation from a broadband IR light source is passed through a bandpass filter into a measuring chamber containing the gas to be measured. The optical bandpass filter only allows a certain part of the light spectrum to pass through. The central wavelength is adjusted to the absorption maximum of the gas to be detected. By temporally modulating the IR light source up to 100 Hz, a sound wave is created within the measuring chamber by the absorption of the radiation in the gas, which is measured by a highly sensitive pressure sensor on the measuring chamber and is a measure of the concentration of the absorbing gas. However, the gas sensor in this arrangement can only detect a gas with an absorption maximum at the corresponding filter wavelength.

Aus der DE 102021108745 A1 ist eine Anordnung zur multispektralen Lichtemission sowie ein damit ausgestatteter Multispektralsensor bekannt, mit denen eine einfache und schnelle Anpassung bzw. Änderung der emittierten Wellenlängen ermöglicht wird. Diese Anordnung weist eine breitbandige Lichtquelle in Verbindung mit einem Filterarray aus mehreren spektralen Filtern und einer Schalteinrichtung zur Steuerung des Durchgangs des von der Lichtquelle emittierten Lichts durch einzelne Filter dieses Filterarrays auf. Dies ermöglicht eine Anpassung oder Variation der Wellenlänge oder spektralen Verteilung der emittierten optischen Strahlung entsprechend der Anzahl und Charakteristiken der unterschiedlichen Filter des Filterarrays. Damit lässt sich die spektrale Verteilung des emittierten Lichts für die jeweilige Anwendung anpassen, beispielsweise auch an charakteristische Absorptionspeaks bei der optischen Absorptionsspektroskopie oder der photoakustischen Spektroskopie zur Bestimmung der Konzentration von Stoffen in einem Medium. Die Anordnung weist dabei eine oder mehrere breitbandige Lichtquellen, ein Filterarray, eine Schalteinrichtung sowie einen gemeinsamen Detektor auf.From the DE 102021108745 A1 An arrangement for multispectral light emission and a multispectral sensor equipped with it are known, with which a simple and quick adjustment or change of the emitted wavelengths is possible. This arrangement has a broadband light source in conjunction with a filter array made up of several spectral filters and a switching device for controlling the passage of the light emitted by the light source through individual filters of this filter array. This enables an adjustment or variation of the wavelength or spectral distribution of the emitted optical radiation according to the number and characteristics of the different filters of the filter array. This allows the spectral distribution of the emitted light to be adapted for the respective application, for example to characteristic absorption peaks in optical absorption spectroscopy or photoacoustic spectroscopy for determining the concentration of substances in a medium. The arrangement has one or more broadband light sources, a filter array, a switching device and a common detector.

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 patent claims 1 and 12. Advantageous embodiments of the arrangement and the method are the subject of the dependent patent claims or can be taken from the following description and the embodiments.

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 der 5.
The proposed arrangement and the associated method are explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here:
  • 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 the 5 .

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. 1 zeigt hierzu ein Beispiel für charakteristische Absorptionspeaks von EtOH (Ethanol) und Ethylacetat. In der linken Teilabbildung sind hierbei die charakteristischen Absorptionspeaks von Ethanol, in der rechten Teilabbildung die charakteristischen Absorptionspeaks von Ethylacetat dargestellt. Für die Unterscheidung dieser beiden Stoffe ist eine Messung bei drei unterschiedlichen Wellenlängen ausreichend, nämlich bei 3,4 µm, bei 8 µm und bei 9,4 µm. Bei der vorgeschlagenen Anordnung lassen sich die Konzentrationen dieser beiden Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium daher mit drei Messkanälen bestimmen, die jeweils eine schmalbandige Lichtquelle mit einer zentralen Wellenlänge von 3,4 µm, 8 µm und 9,4 µm aufweisen. Über die mit dem Detektor des jeweiligen Messkanals erfasste Absorptionsstärke und das Verhältnis dieser Absorptionsstärke bei den drei Wellenlängen lassen sich dann die Konzentrationen der beiden Stoffe bestimmen. Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren setzen dabei voraus, dass die einzelnen charakteristischen Absorptionspeaks der zu bestimmenden Stoffe bekannt sind.The proposed arrangement uses the fact that individual substances have one or more characteristic optical absorption peaks (so-called fingerprint) to determine individual substances in a liquid or gaseous medium, by means of which they can be clearly identified and by means of which their concentration in a medium can also be determined. 1 shows an example of characteristic absorption peaks of EtOH (ethanol) and ethyl acetate. The left-hand part of the image shows the characteristic absorption peaks of ethanol, and the right-hand part shows the characteristic absorption peaks of ethyl acetate. To distinguish between these two substances, a measurement at three different wavelengths is sufficient, namely at 3.4 µm, 8 µm and 9.4 µm. With the proposed arrangement, the concentrations of these two substances in a liquid or gaseous medium can therefore be determined using three measuring channels, each of which has a narrow-band light source with a central wavelength of 3.4 µm, 8 µm and 9.4 µm. The concentrations of the two substances can then be determined using the absorption strength recorded by the detector of the respective measuring channel and the ratio of this absorption strength at the three wavelengths. The proposed arrangement and the associated procedure assume that the individual characteristic absorption peaks of the substances to be determined are known.

2 zeigt ein weiteres Beispiel charakteristischer Absorptionspeaks von CO (Kohlenmonoxid) und CO2 (Kohlendioxid). Wie aus der linken Teilabbildung ersichtlich ist, weist CO einen charakteristischen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 4,5 µm auf. Aus der rechten Teilabbildung ist ersichtlich, dass CO2 einen charakteristischen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 4,2 µm aufweist. Für die Unterscheidung und Bestimmung der Konzentration dieser beiden Stoffe ist daher die Messung bei zwei Wellenlängen (4,5 µm und 4,2 µm) ausreichend. Hierzu weist die vorgeschlagene Anordnung entsprechend nur zwei Messkanäle für diese beiden Wellenlängen auf. 2 shows another example of characteristic absorption peaks of CO (carbon monoxide) and CO 2 (carbon dioxide). As can be seen from the left-hand part of the figure, CO has a characteristic absorption peak at a wavelength of 4.5 µm. From the right-hand part of the figure it can be seen that CO 2 has a characteristic absorption peak at a wavelength of 4.2 µm. To differentiate and determine the concentration of these two substances, measurement at two wavelengths (4.5 µm and 4.2 µm) is therefore sufficient. For this purpose, the proposed arrangement has only two measuring channels for these two wavelengths.

3 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung. Die Messkammer 5 ist hierbei rohrförmig ausgebildet. Entlang der Messkammer sind jeweils die einzelnen Messkanäle (Ch1, ... Chx) nebeneinander angeordnet. Jeder Messkanal (Ch1, ... Chx) ist in diesem Beispiel durch eine Lichtquelle (1(1), ... 1(x)) und eine Detektoreinheit (2(1) ... 2(x)) gebildet. Jede Lichtquelle (1(1), ... 1(x)) ist auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt, die der Wellenlänge eines charakteristischen Absorptionspeaks des zu bestimmenden Stoffes entspricht. Die einzelnen Lichtquellen (1(1), ... 1(x)) können jeweils durch eine schmalbandige Lichtquelle (z.B. Laserdiode, LED) oder eine breitbandige Lichtquelle mit einem oder mehreren vorgeschalteten optischen Filter(n) gebildet sein. Die Detektoreinheit (2(1) ... 2(x)) kann einen oder mehrere Detektoren umfassen. Als Detektor kann bspw. ein optischer Absorptionsdetektor und/oder ein PAS-Detektor verwendet werden. Die einzelnen Messkanäle (Ch1, ... Chx) können modular nebeneinander angeordnet werden. 3 shows an example of a possible design of the proposed arrangement. The measuring chamber 5 is tubular. The individual measuring channels (Ch1, ... Chx) are arranged next to one another along the measuring chamber. In this example, each measuring channel (Ch1, ... Chx) is formed by a light source (1(1), ... 1(x)) and a detector unit (2(1) ... 2(x)). Each light source (1(1), ... 1(x)) is designed for a specific wavelength that corresponds to the wavelength of a characteristic absorption peak of the substance to be determined. The individual light sources (1(1), ... 1(x)) can each be formed by a narrow-band light source (e.g. laser diode, LED) or a broadband light source with one or more upstream optical filter(s). The detector unit (2(1) ... 2(x)) can comprise one or more detectors. An optical absorption detector and/or a PAS detector can be used as a detector, for example. The individual measuring channels (Ch1, ... Chx) can be arranged modularly next to each other.

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 chamber 5 are not converted in the respective measuring channel. The detectors can be arranged inside and/or outside the measuring chamber 5. During the measurement, the sample is sucked through the measuring chamber by a pump 6 using a sampling system 4 from a sample reservoir 3. While the sample flows through the measuring chamber 5, the measurement is carried out using the individual measuring channels.

Die Lichtquellen (1(1), ... 1(x)) der Messkanäle (Ch1, ... Chx) können in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. 4 zeigt ein Beispiel für einen besonders ausgestalteten Messkanal, der wiederum auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt ist. In diesem Beispiel wird ein Heizelement 10 als breitbandiger IR-Lichtemitter eingesetzt. Dieses Heizelement 10 wird mit einem optischen Filter 11 kombiniert, der nur optische Strahlung bei der entsprechenden Wellenlänge durchlässt. In diesem Beispiel wird das Heizelement 10 zusätzlich als Detektor eingesetzt. Hierzu wird eine Diffusion des durch die Messkammer 5 strömenden Mediums über entsprechende Diffusionsöffnungen 12 an der Messkammer 5 über das Heizelement 10 ermöglicht. Über eine Widerstandsmessung am Heizelement 10 kann dieses als Wärmeleitfähigkeitsdetektor eingesetzt werden, um beispielsweise CO2 oder Wasserstoff zu detektieren. Das Heizelement 10 dient damit sowohl als IR-Emitter als auch als Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Ein optischer Absorptionsdetektor 7(1) steht dem Heizelement 10 an der Messkammer 5 gegenüber. Weiterhin ist ein Mikrofon 8(1) innerhalb der Messkammer 5 nahe der Stelle angeordnet, an der eine Absorption stattfindet, um neben der optischen Absorptionsmessung auch eine PAS-Messung durchzuführen.The light sources (1(1), ... 1(x)) of the measuring channels (Ch1, ... Chx) can be designed in different ways. 4 shows an example of a specially designed measuring channel, which in turn is designed for a specific wavelength. In this example, a heating element 10 is used as a broadband IR light emitter. This heating element 10 is combined with an optical filter 11, which only allows optical radiation at the corresponding wavelength to pass through. In this example, the heating element 10 is also used as a detector. For this purpose, diffusion of the medium flowing through the measuring chamber 5 is made possible via corresponding diffusion openings 12 on the measuring chamber 5 over the heating element 10. By measuring the resistance on the heating element 10, this can be used as a thermal conductivity detector in order to detect, for example, CO 2 or hydrogen. The heating element 10 thus serves both as an IR emitter and as a thermal conductivity detector. An optical absorption detector 7(1) is opposite the heating element 10 on the measuring chamber 5. Furthermore, a microphone 8(1) is arranged within the measuring chamber 5 near the point at which absorption takes place in order to detect, in addition to the optical In addition to the chemical absorption measurement, a PAS measurement can also be carried out.

5 zeigt eine alternative Ausgestaltung zu 4, bei der nicht das Heizelement 10 als zusätzlicher Detektor eingesetzt wird, sondern ein weiterer Sensor 10a neben oder unter dem Heizelement 10. Dieser zusätzliche Sensor 10a kann beispielsweise ein MOX-Sensor, ein Wärmeleitfähigkeitssensor oder ein Wärmetönungssensor (jeweils ohne eigenes Heizelement) sein, der über das als IR-Emitter eingesetzte Heizelement 10 beheizt wird. In diesem Beispiel strömt das über die Diffusionsöffnung 12 austretende Medium somit über diesen zusätzlichen Sensor 10a, um damit beispielsweise CO2 oder Wasserstoff zu detektieren. 5 shows an alternative design to 4 , in which the heating element 10 is not used as an additional detector, but rather another sensor 10a next to or below the heating element 10. This additional sensor 10a can be, for example, a MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor (each without its own heating element), which is heated via the heating element 10 used as an IR emitter. In this example, the medium emerging via the diffusion opening 12 thus flows over this additional sensor 10a in order to detect, for example, CO 2 or hydrogen.

6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung, bei der die Messkammer wiederum rohrförmig ausgebildet ist und die einzelnen Messkanäle (Ch1, ... Chx) entlang dieser Messkammer angeordnet sind. Auch hier wird das Medium wiederum über eine Pumpe 6 durch die Messkammer hindurch angesaugt. Die einzelnen Messkanäle (Ch1, ... Chx) weisen in diesem Beispiel jeweils eine entsprechende Lichtquelle, einen gegenüberliegenden optischen Absorptionsdetektor (7(1), ... 7(x)) und/oder ein Mikrofon (8(1), ... 8(x)) als PAS-Detektor auf und sind entlang der horizontal angeordneten Messkammer angeordnet. 6 shows a further exemplary embodiment of the proposed arrangement, in which the measuring chamber is again tubular and the individual measuring channels (Ch1, ... Chx) are arranged along this measuring chamber. Here, too, the medium is sucked through the measuring chamber via a pump 6. In this example, the individual measuring channels (Ch1, ... Chx) each have a corresponding light source, an opposite optical absorption detector (7(1), ... 7(x)) and/or a microphone (8(1), ... 8(x)) as a PAS detector and are arranged along the horizontally arranged measuring chamber.

Die Messkammer selbst kann auch spezielle für die Messung ausgebildete rohrförmige Ansätze aufweisen, wie dies im Beispiel der 7 dargestellt ist. Diese Ansätze entlang der rohrförmigen Messkammer bilden getrennte Messvolumina, an denen jeweils die Messkanäle angeordnet sind. Das Medium wird dabei wiederum vorzugsweise über eine Pumpe aus einem Reservoir angesaugt. Der Konzentrationsausgleich in den einzelnen Ansätzen erfolgt über Diffusion durch eine Membran und/oder einen Filter (9(1) ... 9(x)). Optional kann zusätzlich eine gasselektive Membran oder ein gasselektiver Filter, beispielsweise aus thermoplastischem Polykondensat, wie z.B. PEEK, PEI, oder aus einem Fluorpolymer, wie z. B. FEP, ECTFE oder PFA, in den jeweiligen Ansatz integriert werden, um die Selektivität der Messung zu erhöhen. Eine derartige Membran oder ein derartiger Filter kann auch an den Diffusionsöffnungen 12der Ausgestaltungen der 4 und 5 eingesetzt werden. Die Membran oder der Filter kann dann - bei einem gasförmigen Medium - zur Vortrennung in der Gasphase verwendet werden, oder um - bei einem flüssigen Medium - in der Flüssigkeit gelöstes Gas zu messen. Die einzelnen Messkanäle weisen wiederum jeweils eine Lichtquelle und einen oder mehrere Detektoren auf, wie dies bereits aus den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ersichtlich war.The measuring chamber itself can also have special tubular attachments designed for the measurement, as in the example of the 7 is shown. These attachments along the tubular measuring chamber form separate measuring volumes, at each of which the measuring channels are arranged. The medium is in turn preferably sucked in from a reservoir via a pump. The concentration equalization in the individual attachments takes place via diffusion through a membrane and/or a filter (9(1) ... 9(x)). Optionally, a gas-selective membrane or a gas-selective filter, for example made of thermoplastic polycondensate, such as PEEK, PEI, or of a fluoropolymer, such as FEP, ECTFE or PFA, can also be integrated into the respective attachment in order to increase the selectivity of the measurement. Such a membrane or such a filter can also be attached to the diffusion openings 12 of the embodiments of the 4 and 5 The membrane or filter can then be used - in the case of a gaseous medium - for pre-separation in the gas phase, or - in the case of a liquid medium - to measure gas dissolved in the liquid. The individual measuring channels each have a light source and one or more detectors, as was already apparent from the previous embodiments.

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 8 dargestellt. Die einzelnen Messkanäle können dabei in beliebiger Reihenfolge betrieben werden.If several measuring channels with PAS detectors are used and the light in the individual measuring channels is modulated with the same frequency f(1), there is a risk of mutual interference between the individual channels, since the acoustic waves generated may interfere with each other. In one embodiment of the proposed method, the individual measuring channels are therefore operated one after the other in this case, so that at a certain point in time (t(1), ... t(x)) only one measuring channel is active, i.e. only one light source is switched on. This is shown schematically in 8th The individual measuring channels can be operated in any order.

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 9 für zwei Messkanäle Ch1, Ch2 dargestellt, die in der rechten Teilabbildung schematisch die Modulationssignale für die Lichtquellen der beiden Kanäle Ch1, Ch2 zeigt. Die damit induzierten akustischen Wellen interferieren nicht miteinander, da sie unterschiedlich moduliert sind. Mit weiterer Elektronik kann an jedem der Detektoren 8(19, 8(2) das störende Signal des jeweils anderen Kanals herausgefiltert werden. Diese Betriebsweise kann auch mit der Betriebsweise der 8 kombiniert werden.Alternatively, the light sources of the individual measuring channels can also be modulated with different frequencies (f(1), ... f(n)) when using PAS detectors. This enables the simultaneous operation of all measuring channels, so that all measuring channels are active at any one time, since acoustic waves with different frequencies do not interfere with each other. This is shown schematically in 9 for two measuring channels Ch1, Ch2, which schematically shows the modulation signals for the light sources of the two channels Ch1, Ch2 in the right-hand part of the figure. The acoustic waves induced by this do not interfere with each other, as they are modulated differently. With additional electronics, the interfering signal of the other channel can be filtered out at each of the detectors 8(19, 8(2). This mode of operation can also be combined with the mode of operation of the 8th be combined.

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 10 für die unterschiedlichen bereits weiter vorne beschriebenen Ausgestaltungen dargestellt. In diesem Beispiel weist der jeweilige Messkanal jeweils zwei Photodetektoren 7 für eine Lichtquelle 1 auf. Nur der Absorptionsdetektor auf der gegenüberliegenden Seite benötigt eine direkte Bestrahlung und muss entsprechend gegenüber der Lichtquelle 1 angeordnet werden. Der zweite in Reflexion messende Detektor kann neben der Lichtquelle 1 auf der gleichen Seite der Messkammer oder des Messvolumens angeordnet werden, wie dies in den beiden Teilabbildungen schematisch dargestellt ist.When using photodetectors, i.e. the direct measurement of the optical absorption of the light emitted by the light source, measurements can be made both in reflection and in transmission. This is shown in the two partial figures of the 10 for the different designs already described above. In this example, the respective measuring channel has two photodetectors 7 for each light source 1. Only the absorption detector on the opposite side requires direct irradiation and must be arranged opposite the light source 1. The second detector measuring in reflection can be arranged next to the light source 1 on the same side of the measuring chamber or the measuring volume, as shown schematically in the two partial figures.

11 zeigt schließlich nochmals eine beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung, bei der der PAS-Detektor (14(1) ... 14 (x)) (Drucksensor, beispielsweise Mikrofon) außerhalb der Messkammer angeordnet, aber akustisch mit dieser gekoppelt ist. Die schmalbandige Lichtquelle (13(1) ... 13(x)) weist in diesem Beispiel zusätzlich ein optisches System, beispielsweise eine kollimierende Linse auf, wie dies schematisch in der Figur angedeutet ist. Auch in diesem Beispiel wird das zu vermessende Medium wiederum über eine Pumpe aus einem Reservoir angesaugt. 11 finally shows an exemplary embodiment of the proposed arrangement, in which the PAS detector (14(1) ... 14(x)) (pressure sensor, e.g. microphone) is arranged outside the measuring chamber, but is acoustically coupled to it. The narrow-band light source (13(1) ... 13(x)) has in this example an additional optical system, for example a collimating lens, as shown schematically in the figure. In this example, the medium to be measured is again sucked in from a reservoir via a pump.

12 zeigt eine beispielhafte Realisierung mehrerer Lichtquellen mit zusätzlichen Sensoren der Ausgestaltung der 5, insbesondere die Miniaturisierung der des optischen Filters 11, des Heizelementes 10 und des zusätzlichen Sensors 10a aus 5. Die Miniaturisierung kann in Halbleitertechnologie erfolgen. Alle weiteren Elemente des in 5 dargestellten Messkanals sind unverändert. 12 shows an exemplary implementation of several light sources with additional sensors of the design of the 5 , in particular the miniaturization of the optical filter 11, the heating element 10 and the additional sensor 10a from 5 . The miniaturization can be done using semiconductor technology. All other elements of the 5 The values of the measuring channels shown remain unchanged.

In der Realisierung der 12 befindet sich auf der einen Seite des Wafers 15 ein Array aus Mikroheizern (16(1) ... 16 (x)). Unter dem jeweiligen Heizer 16 kann z.B. ein MOX-Sensor, ein Wärmeleitfähigkeitssensor oder ein Wärmetönungssensor als zusätzlicher Sensor 17 integriert sein. Diese Sensoren 17(1) ... 17(x) können vom gleichen Typ sein. Es können aber auch unterschiedliche Sensorprinzipien oder Heizer ohne zusätzlichen Sensor kombiniert werden. Auf der anderen Seite des Wafers 15 befindet sich ein optisches Filterarray mit mehreren Filtern (18(1) ... 18 (x); z.B. plasmonischen Filtern). Der Heizer 16 strahlt breitbandig durch den Wafer 15 in Richtung der optischen Filter 18. Das Funktionsprinzip Vorderseite dieser Realisierung wurde bereits in der DE 10 2021 108 745 A1 in Verbindung mit der 4 dieser Patentveröffentlichung beschrieben. Neu sind die zusätzlichen Sensoren 17 auf Rückseite.In the realization of the 12 On one side of the wafer 15 there is an array of micro heaters (16(1) ... 16 (x)). Under the respective heater 16, for example, a MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor can be integrated as an additional sensor 17. These sensors 17(1) ... 17(x) can be of the same type. However, different sensor principles or heaters without an additional sensor can also be combined. On the other side of the wafer 15 there is an optical filter array with several filters (18(1) ... 18 (x); e.g. plasmonic filters). The heater 16 radiates broadband through the wafer 15 in the direction of the optical filters 18. The functional principle of the front side of this implementation has already been described in the EN 10 2021 108 745 A1 in connection with the 4 described in this patent publication. The additional sensors 17 on the back are new.

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

  • EP 3508836 B1 [0003]EP 3508836 B1 [0003]
  • DE 102021108745 A1 [0004, 0030]DE 102021108745 A1 [0004, 0030]

Claims (16)

Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen, wenigstens bestehend aus - einer Messkammer (5), in die das flüssige oder gasförmige Medium einbringbar oder die durch das flüssige oder gasförmige Medium durchströmbar ist, und - einer Anzahl an Messkanälen (Ch1, ... Chx), die jeweils durch eine Lichtquelle (1(1), ... 1(x)) und einen oder mehrere nur dieser Lichtquelle zugeordneten Detektoren (7(1), ... 7(x), 8(1), ... 8(x)) gebildet sind, - wobei die Anzahl der Messkanäle (Ch1, ... Chx) wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks entspricht, die für eine Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe in dem flüssigen oder gasförmigen Medium wenigstens erforderlich ist, und - wobei jeder Messkanal (Ch1, ... Chx) so ausgebildet ist, dass er eine Absorption optischer Strahlung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium in der Messkammer (5) für einen der charakteristischen Absorptionspeaks der Auswahl misst, indem die Lichtquelle (1(1), ... 1(x)) dieses Messkanals schmalbandige Strahlung emittiert, die einer Wellenlänge des jeweiligen Absorptionspeaks entspricht.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, at least comprising - a measuring chamber (5) 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 (Ch1, ... Chx), each of which is formed by a light source (1(1), ... 1(x)) and one or more detectors (7(1), ... 7(x), 8(1), ... 8(x)) assigned only to this light source, - wherein the number of measuring channels (Ch1, ... Chx) corresponds at least to the number of a selection from the characteristic absorption peaks which is at least required for determining the concentration of the one or more substances in the liquid or gaseous medium, and - wherein each measuring channel (Ch1, ... Chx) is designed such that it detects an absorption of optical radiation in the liquid or gaseous medium in the measuring chamber (5) for one of the characteristic Absorption peaks of the selection are measured by the light source (1(1), ... 1(x)) of this measuring channel emitting narrowband radiation that corresponds to a wavelength of the respective absorption peak. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkanäle (Ch1, ... Chx) als Detektor jeweils einen optischen Detektor (7(1), ... 7(x)) und/oder einen akustischen Detektor (8(1), ... 8(x)) aufweisen.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the measuring channels (Ch1, ... Chx) each have an optical detector (7(1), ... 7(x)) and/or an acoustic detector (8(1), ... 8(x)) as a detector. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) mit einer Pumpe (6) verbunden ist, durch die das flüssige oder gasförmige Medium durch die Messkammer (5) gefördert werden kann.Arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that the measuring chamber (5) is connected to a pump (6) by which the liquid or gaseous medium can be conveyed through the measuring chamber (5). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) rohrförmig ausgebildet ist.Arrangement according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the measuring chamber (5) is tubular. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkanäle (Ch1, ... Chx) nebeneinander entlang der Messkammer (5) angeordnet sind.Arrangement according to Claim 4 , characterized in that the measuring channels (Ch1, ... Chx) are arranged side by side along the measuring chamber (5). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1(1), ... 1(x)) durch schmalbandige Lichtemitter oder durch breitbandige Lichtemitter mit vorgeschalteten schmalbandigen optischen Filter(n) gebildet sind.Arrangement according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the light sources (1(1), ... 1(x)) are formed by narrow-band light emitters or by broadband light emitters with upstream narrow-band optical filter(s). Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der breitbandigen Lichtemitter ein außerhalb der Messkammer (5) angeordnetes Heizelement (10) ist, das Strahlung im IR-Bereich emittiert.Arrangement according to Claim 6 , characterized in that at least one of the broadband light emitters is a heating element (10) arranged outside the measuring chamber (5) which emits radiation in the IR range. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) im Bereich des Heizelementes (10) wenigstens eine Diffusionsöffnung (12) aufweist, über die das flüssige oder gasförmige Medium über das Heizelement (10) diffundieren kann, wobei das Heizelement (10) gleichzeitig als Wärmeleitfähigkeitsdetektor ausgebildet ist.Arrangement according to Claim 7 , characterized in that the measuring chamber (5) has at least one diffusion opening (12) in the region of the heating element (10), through which the liquid or gaseous medium can diffuse over the heating element (10), wherein the heating element (10) is simultaneously designed as a thermal conductivity detector. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Heizelement (10) ein zusätzlicher Sensor (10a) angeordnet ist, insbesondere um einen MOX-Sensor, einen Wärmeleitfähigkeitssensor oder einen Wärmetönungssensor zu realisieren, und die Messkammer (5) im Bereich des Heizelementes (10) wenigstens eine Diffusionsöffnung (12) aufweist, über die das flüssige oder gasförmige Medium über den zusätzlichen Sensor (10a) diffundieren kann.Arrangement according to Claim 7 , characterized in that an additional sensor (10a) is arranged on the heating element (10), in particular to realize a MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor, and the measuring chamber (5) in the region of the heating element (10) has at least one diffusion opening (12) through which the liquid or gaseous medium can diffuse via the additional sensor (10a). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) mehrere rohrförmige Ansätze aufweist, die getrennte Messvolumina bilden, wobei an jedem dieser Ansätze ein Messkanal (Ch1, ... Chx) angeordnet ist.Arrangement according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the measuring chamber (5) has a plurality of tubular projections which form separate measuring volumes, wherein a measuring channel (Ch1, ... Chx) is arranged on each of these projections. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze über eine Membran oder einen Filter (9(1) ... 9(x)) vom Hauptvolumen der Messkammer (5) getrennt sind, die bzw. der nur bestimmte Stoffe in die Ansätze diffundieren lässt.Arrangement according to Claim 10 , characterized in that the approaches are separated from the main volume of the measuring chamber (5) by a membrane or a filter (9(1) ... 9(x)) which allows only certain substances to diffuse into the approaches. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen, mit einer Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem - das flüssige oder gasförmige Medium in die Messkammer (5) eingebracht oder durch die Messkammer (5) gesaugt oder gepumpt wird, - an der eine Anzahl der Messkanäle (Ch1, ... Chx) angeordnet ist, die wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks entspricht, die für eine Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe in dem flüssigen oder gasförmigen Medium wenigstens erforderlich ist, - wobei jeder Messkanal (Ch1, ... Chx) so ausgebildet ist, dass seine Lichtquelle (1(1), ... 1(x)) schmalbandige Strahlung bei einer Wellenlänge emittiert, die einer Wellenlänge eines der Absorptionspeaks der Auswahl entspricht, und - mit den Messkanälen (Ch1, ... Chx) die Absorption bei den charakteristischen Absorptionspeaks der Auswahl gemessen wird.Method for determining the concentration of one or more substances in a liquid or gaseous medium which exhibit characteristic absorption peaks when illuminated with optical radiation, using an arrangement according to one or more of the Claims 1 until 11 , in which - the liquid or gaseous medium is introduced into the measuring chamber (5) or is sucked or pumped through the measuring chamber (5), - on which a number of measuring channels (Ch1, ... Chx) is arranged which corresponds at least to the number of a selection from the characteristic absorption peaks which is at least required for determining the concentration of the one or more substances in the liquid or gaseous medium, - wherein each measuring channel (Ch1, ... Chx) is designed such that its light source (1(1), ... 1(x)) emits narrow-band radiation at a wavelength which corresponds to a wavelength of one of the absorption peaks corresponds to the selection, and - the absorption at the characteristic absorption peaks of the selection is measured with the measuring channels (Ch1, ... Chx). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit dem Messprinzip der optischen Absorptionsspektroskopie und/oder der photoakustischen Spektroskopie erfolgt.Procedure according to Claim 12 , characterized in that the measurement is carried out using the measuring principle of optical absorption spectroscopy and/or photoacoustic spectroscopy. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit den einzelnen Messkanälen (Ch1, ... Chx) in zeitlicher Abfolge erfolgt.Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized in that the measurement with the individual measuring channels (Ch1, ... Chx) is carried out in chronological sequence. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die von den Lichtquellen (1(1), ... 1(x)) der Messkanäle (Ch1, ... Chx) emittierte Strahlung bei Nutzung des Messprinzips der photoakustischen Spektroskopie mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird.Method according to one of the Claims 12 until 14 characterized in that the radiation emitted by the light sources (1(1), ... 1(x)) of the measuring channels (Ch1, ... Chx) is modulated with different frequencies using the measuring principle of photoacoustic spectroscopy. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 zur Bestimmung der Konzentration von Aromakomponenten eines Produkts, insbesondere von Wein.Method according to one of the Claims 12 until 15 for determining the concentration of aroma components of a product, especially wine.
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