DE112008004262T5

DE112008004262T5 - Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE112008004262T5
Application number: DE112008004262T
Authority: DE
Inventors: Jürgen Kappler; Thomas Bauer; Ken Yves Haffner; Julio Danin Lobo
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2010072270A1; US8097859B2; CN102265135A; US20110248178A1

Abstract

Eine Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100), die geeignet ist, eine Sauerstoffkonzentration eines Gases in einem Probenvolumen (304) zu bestimmen, wird bereitgestellt. Eine optische Vorrichtung wird zum Bestrahlen des sauerstoffhaltigen Probensität (301) benutzt, von der mindestens eine Wellenlänge nahe einer Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie liegt. Ein Magnetfeldgenerator (103) ist geeignet, ein Magnetfeld (303) an das Probenvolumen (304) anzulegen, und ein UV-Lichtdetektor (102) ist geeignet, eine zweite UV-Strahlungsintensität (302) zu messen, die aus dem Probenvolumen (304) kommt. Die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen (304) wird auf der Grundlage des angelegten Magnetfeldes (303) und der gemessenen Intensität der zweiten UV-Strahlung (302) bestimmt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Sauerstoffmessvorrichtung und insbesondere eine Messvorrichtung, die eine Sauerstoffkonzentration innerhalb eines Gasprobenvolumens erkennt.
Die Gaskonzentrationsmessung kann mithilfe von Lichtabsorption bereitgestellt werden, wobei das absorbierte Licht eine angemessene Wellenlänge oder einen geeigneten Wellenlängenbereich aufweist. Sauerstoffgas ist ein wichtiges Gas, das zum Beispiel in Verbrennungsprozessen vorhanden ist. Zum Beispiel liefert die Restsauerstofferkennung in Verbrennungsprozessen wertvolle Informationen zur Emissionsüberwachung. Darüber hinaus findet die Messung einer Sauerstoffkonzentration in Gegenwart anderer Gase zahlreiche Anwendungen im medizinischen Bereich.
In vielen Fällen können Sauerstoffkonzentrationen, die in einem Umgebungsgas vorhanden sind, so niedrig sein, dass eine empfindliche Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung erforderlich ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aus diesen Gründen wird eine Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung bereitgestellt, die geeignet ist, eine Sauerstoffkonzentration eines Gases in einem Probenvolumen zu bestimmen, wobei die Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung eine optische Vorrichtung aufweist, die geeignet ist, das sauerstoffhaltige Probenvolumen mit einer ersten UV-Strahlungsintensität zu bestrahlen, wobei die optische Vorrichtung eine UV-Lichtquelle aufweist, die geeignet ist, die erste UV-Strahlungsintensität zu emittieren, wobei die UV-Strahlung mindestens eine Wellenlänge aufweist, die nahe einer Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie liegt; einen Magnetfeldgenerator, der geeignet ist, ein Magnetfeld an das Probenvolumen anzulegen; einen UV-Lichtdetektor, der geeignet ist, eine zweite UV-Strahlungsintensität zu messen, die aus dem Probenvolumen kommt; und eine Auswertungseinheit, die geeignet ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen auf der Grundlage des angelegten Magnetfeldes und der gemessenen zweiten UV-Strahlungsintensität zu bestimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Probenvolumen bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Emittieren einer ersten UV-Strahlung von einer UV-Lichtquelle zu dem Probenvolumen, wobei die UV-Strahlung mindestens eine Wellenlänge aufweist, die nahe einer Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie liegt, Bestrahlen des sauerstoffhaltigen Probenvolumens mit der ersten UV-Strahlung, Anlegen eines Magnetfeldes an das Probenvolumen, Messen der Intensität einer zweiten UV-Strahlung, die aus dem Probenvolumen kommt, und Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen auf der Grundlage des angelegten Magnetfeldes und der gemessenen Intensität der zweiten UV-Strahlung.
Weitere Ausführungsbeispiele stimmen mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen überein.
ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und die Ausführbarkeit begründende Offenbarung, einschließlich der besten Art und Weise der Ausführung wird für den Fachmann in der restlichen Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm zur Erläuterung des Prinzips einer Sauerstoffkonzentrationsmessung basierend auf dem Anlegen eines Magnetfeldes an ein zu messendes Sauerstoffprobenvolumen;
2 ein Blockdiagramm, das eine Steuerstruktur für eine Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung mithilfe einer Lock-in-Erkennungstechnik darstellt;
3 ein detailliertes Blockdiagramm, das einen optischen Aufbau einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung gemäß einer typischen Ausführungsform darstellt;
4 ein detailliertes Blockdiagramm, das einen Aufbau einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung mit einem Referenzlichtdetektor gemäß einer anderen typischen Ausführungsform darstellt;
5 ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung gemäß noch einer anderen typischen Ausführungsform darstellt; und
6 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Probenvolumen gemäß einer typischen Ausführungsform darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird ausführlich auf verschiedene Ausführungsbeispiele Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel dient der Erläuterung und ist nicht als Einschränkung zu verstehen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, bei oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen benutzt werden, um wiederum eine weitere Ausführungsform hervorzubringen. Die vorliegende Offenbarung soll solche Modifikationen und Variationen einschließen.
Nachstehend wird eine Reihe von Ausführungsformen erläutert. In diesem Fall sind in den Zeichnungen identische strukturelle Merkmale durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet. Die in den Zeichnungen dargestellten Strukturen sind nicht maßstabsgetreu dargestellt, sondern dienen lediglich einem besseren Verständnis der Ausführungsformen.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen grundlegenden Aufbau für eine Messvorrichtung 100 darstellt, die geeignet ist, eine Sauerstoffkonzentration in einem Probenvolumen 304 zu messen. Das Probenvolumen 304 ist durch ein optisches UV-Sensorsystem zugänglich und in einer Probenzelle 201 enthalten, die UV (Ultraviolett) -lichtdurchlässige Fenster aufweist. UV-Licht, das von einer UV-Lichtquelle 101 emittiert wird, wird in die Probenzelle durchgelassen und von dem in dem Probenvolumen 304 enthaltenen Sauerstoff absorbiert. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass außerhalb des Probenvolumens 304 und innerhalb der Probenzelle 201 ein Vakuum, Stickstoffgas oder ein anderes geeignetes Medium, das die Sauerstoffkonzentrationsmessung nicht beeinträchtigt, bereitgestellt sein kann. Darüber hinaus kann ein Sauerstofffluss durch die Probenzelle 201 bereitgestellt sein, sodass eine kontinuierliche Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Fluss möglich ist.
Eine erste UV-Strahlungsintensität 301 ist derart gewählt, dass mindestens eine ihrer Wellenlängen mit mindestens einer zu messenden Sauerstoffabsorptionslinie im Wesentlichen übereinstimmt. Wird ein Teil der ersten UV-Strahlungsintensität 301 von Sauerstoff absorbiert, der in dem Probenvolumen 304 enthalten ist, wird eine zweite UV-Strahlungsintensität 302 emittiert, die um eine in dem Probenvolumen 304 absorbierte Menge geringer als die erste UV-Strahlungsintensität 301 ist. Die zweite UV-Strahlungsintensität 302 wird von einem UV-Lichtdetektor 102 erkannt, der die erkannte Strahlungsintensität in ein Messsignal 307 umwandelt, das von der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung ausgegeben wird und das ein Maß für eine Sauerstoffkonzentration ist, die in dem Gas innerhalb des Probenvolumens 304 enthalten ist.
Wenn insbesondere die Wellenlänge der Strahlung, das heißt, die erste UV-Strahlungsintensität 301, nahe einer Absorptionslinie eines zu messenden Gases (in diesem Fall Sauerstoff) liegt, kann ein Absorptionsquerschnitt zum Absorbieren der einfallenden Strahlung signifikant sein. Insbesondere bei kurzen Wellenlängen im UV-Spektralbereich findet eine UV-Lichtabsorption durch Sauerstoff statt. Ein Beispiel von Sauerstoffabsorptionslinien ist die OI-Linie bei 130,2 nm oder die Absorptionslinie bei 184,9 nm. Liegt eine Wellenlänge der ersten UV-Strahlungsintensität 301 nahe bei dieser Linie, wird ein Absorptionsquerschnitt hoch.
Der Ausdruck ”nahe bei” einer Wellenlänge oder ”stimmt im Wesentlichen überein” mit einer Wellenlänge bedeutet, dass eine jeweilige Emissionslinie, die von der UV-Lichtquelle 101 emittiert wird, und mindestens eine zu messende Sauerstoffabsorptionslinie sich in ihren jeweiligen Wellenlängen mindestens teilweise überlappen. Eine solche Überlappung von Linien mit Wellenlängen, die nahe beieinander liegen, kann auftreten, weil eine Emissionslinie und/oder eine Absorptionslinie nicht eine einzelne Wellenlänge repräsentiert, sondern eine Verteilung von Wellenlängen um eine zentrale Wellenlänge darstellt (zum Beispiel die Wellenlänge von 130,2 nm oder 184,9 nm). Anstatt einer ortsgebundenen Verteilung kann sich die Wellenlänge auch zeitlich verändern, zum Beispiel aufgrund eines Einflusses eines Magnetfeldes. Die zeitliche Veränderung (Fluktuationen oder gesteuerte Veränderung) der Wellenlänge kann auch als zu einer Wellenlängenverteilung im obigen Sinne führend betrachtet werden.
Diese Verteilung von Wellenlängen von Emissions- und/oder Absorptionslinien erfolgt aus einer Linienverbreiterung, Doppler-Verbreiterung (Temperaturbewegung von Atomen und/oder Molekülen), Stark-Verbreiterung (aufgrund eines elektrischen Feldes, das mit jeweiligen Atomen und/oder Molekülen interagiert) usw. Folglich findet eine Strahlungsabsorption von Sauerstoff nicht nur bei einer einzelnen Wellenlänge von 130,2 nm oder 184,9 nm statt, sondern in einem Spektralbereich im Bereich von zum Beispiel jeweils 129 nm bis 131 nm oder 184 nm bis 186 nm.
Sauerstoffabsorptionslinien treten in verschiedenen Spektralbereichen auf. Sauerstoff zum Beispiel hat Absorptionslinien, die mit den Emissionslinien einer Quecksilberlampe übereinstimmen, zum Beispiel nahe 184 nm und/oder 187 nm. Folglich kann eine Quecksilberlampe als die UV-Lichtquelle 101 bereitgestellt werden. Darüber hinaus eignet sich für die Sauerstoffkonzentrationsmessung ein UV-Laser, der abstimmbar und derart eingestellt werden kann, dass seine Emissionswellenlänge mit einer geeigneten Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie übereinstimmt. Im Allgemeinen wird der Wellenlängenbereich, in dem eine Absorption stattfinden kann, durch die Halbwertsbreite einer Absorptionslinie beschrieben.
Eine Bestrahlung des Probenvolumens 304 mit einer ersten Strahlungsintensität 301, die UV-Licht aufweist, hat den Vorteil, dass ein Absorptionsquerschnitt, der die Strahlungsabsorptionsmenge definiert, im DV-Spektralbereich sehr hoch sein kann, zum Beispiel viel höher als im sichtbaren Spektralbereich. Die folgende Gleichung (1) gibt eine Schätzung dieser Beziehung. ρ_s,UV ~ 10⁴·ρ_s,VIS (1)
Wie in der obigen Gleichung (1) angegeben, erhöht der Betrieb der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung im UV-Spektralbereich eine absorbierte Strahlungsintensität im Vergleich zum sichtbaren Spektralbereich und somit eine Empfindlichkeit des Erkennungssystems um bis zu vier Größenordnungen.
Der sichtbare Spektralbereich weist Wellenlängen zwischen ungefähr 380 nm und 780 nm auf, wohingegen die UV-Strahlung Wellenlängen unter 380 nm aufweist. In diesem Teil des elektromagnetischen Spektrums (unter 380 nm) ist die Photonenenergie höher als im sichtbaren Spektralbereich. Diese Art von UV-Licht wird teilweise über die Luft durchgelassen, wohingegen Glas die Strahlung in diesem Wellenlängenspektrum absorbiert. Optische Systeme müssen mit Quarzglasfenstern konzipiert sein, die für sichtbares und UV-Licht transparent sind. Unter einer Wellenlänge von 200 nm absorbiert die Umgebungsluft selbst die einfallende UV-Strahlung, weil Wasserdampf bei diesen kurzen Wellenlängen stark absorbierend ist. Zur Erkennung einer Strahlungsabsorption im UV-Spektralbereich in dem Probenvolumen 304 kann die Strahlung mithilfe evakuierter optischer Kanäle zum Probenvolumen übertragen und von diesem erkannt werden.
Ein Magnetfeld 303 wird an das Probenvolumen 304 über einen unteren Teil der Probenzelle 201 (dargestellt in 1) oder unter Verwendung einer Solenoidspule angelegt, deren Zentrum die Probenzelle 201 ist. Unter dem Einfluss dieses Magnetfeldes 303 kann eine Sauerstoffabsorptionslinie in Einheiten von Komponenten kürzerer und längerer Wellenlängen im Vergleich zu einer zentralen Wellenlänge aufgespaltet werden, die ohne Magnetfeld 303 erhalten wird. Diese Linienaufspaltung erfolgt gemäß dem Zeeman-Effekt, der dem Lachmann an sich bekannt ist.
Die Magnetfeldlinien können zur Ausbreitungsrichtung der ersten UV-Strahlungsintensität 301 parallel sein, wenngleich dies in 1 nicht dargestellt ist. Gemäß einer typischen Ausführungsform wird die UV-Absorptionslinie durch die Wirkung des angelegten Magnetfeldes 303 in zwei separate Linien aufgespaltet. Gemäß dem Zeeman-Effekt ist eine dieser Linien rechts zirkular polarisiert, wohingegen die andere dieser beiden Linien links zirkular polarisiert ist. Zur Unterscheidung zwischen den Intensitäten dieser zwei polarisierten Linien wird ein Polarisationsanalysator 305 im Ausgangsweg bereitgestellt, das heißt, in dem Strahlungsweg zwischen dem Probenvolumen 304 und dem UV-Lichtdetektor 102. Die UV-Lichtquelle 101 kann polarisierte Strahlung emittieren oder das von der UV-Lichtquelle emittierte UV-Licht kann mithilfe eines polarisierenden Elements 204 polarisiert werden.
Da das Magnetfeld 303 durch einen Magnetfeldgenerator 103 erzeugt wird, kann das Magnetfeld 303 in regelmäßigen Abständen ein- und abgeschaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Zeeman-Aufspaltung einer Sauerstoffabsorptionslinie vorhanden (Magnetfeld 303 eingeschaltet) oder nicht vorhanden (Magnetfeld 303 abgeschaltet) sein kann. Folglich variiert die Beziehung zwischen der Wellenlänge der ersten UV-Strahlungsintensität 301, die auf das Probenvolumen 304 einfällt, und der Wellenlänge der zu messenden Sauerstoffabsorptionslinie in Übereinstimmung mit der Gegenwart des Magnetfeldes 303. Darüber hinaus variiert die zweite UV-Strahlungsintensität in Übereinstimmung mit der Variation des Magnetfeldes 303, weil eine Absorption der ersten UV-Strahlungsintensität 301 von einer Wellenlängendifferenz zwischen der einfallenden Wellenlänge und der Sauerstoffabsorptions-Wellenlänge abhängig ist.
Vorteilhafterweise kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Probenvolumens 304 auf der Grundlage unterschiedlicher Messverfahren bestimmt werden. Das zugrundeliegende Prinzip einer ersten Art von Messverfahren ist ein Vergleich mindestens einer Messung, bei welcher eine UV-Strahlungsabsorption durch Sauerstoff stattfindet, mit mindestens einer Messung, bei welcher eine Absorption dieser UV-Strahlung verringert wird oder gar nicht vorhanden ist. Danach kann durch Auswerten der Differenz in Bezug auf die Absorption, das heißt, die Differenz zwischen beiden Messungen, ein Signal mit hohem Kontrast für die Sauerstoffkonzentration erhalten werden, da andere Effekte auf das Signal in dem Differenzsignal einander unterdrücken.
Gemäß einer typischen Ausführungsform, die nachstehend hierin beschrieben wird, kann eine Wellenlänge der ersten UV-Strahlung, die von der UV-Lichtquelle 101 emittiert wird, durch die Messung im Wesentlichen konstant gehalten werden, wohingegen die Sauerstoffabsorptionslinie während mindestens einer Messung von dem Magnetfeld 303 mittels Zeeman-Verschiebung verschoben wird. Danach kann das Magnetfeld während mindestens einer Messung nahe eines ”Absorptions”-Wertes abgestimmt werden, sodass die Zeeman-Verschiebung bewirkt, dass die Sauerstoffabsorptionslinie mit der Wellenlänge der ersten UV-Strahlung im Wesentlichen übereinstimmt oder diese überlappt. Während einer anderen Messung kann das Nichtvorhandensein einer solchen Zeeman-Verschiebung (Nichtvorhandensein des Magnetfeldes 303 oder Abstimmung des Magnetfeldes 303 weg vom „Absorptions”-Wert) bewirken, dass die Sauerstoffabsorptionslinie nicht mit der Wellenlänge der ersten UV-Strahlung übereinstimmt oder diese überlappt. Aufgrund der Absorptionsänderung zwischen diesen Messungen variiert die zweite UV-Strahlungsintensität, die auf den UV-Lichtdetektor einfällt, in Übereinstimmung mit der Magnetfeldvariation. Somit hängen die resultierenden Variationen hinsichtlich des Messsignals 307 von einer Strahlungsabsorption durch Sauerstoff und folglich von der Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 ab.
Wenn bekannte Sauerstoffkonzentrationen in dem Probenvolumen 304 bereitgestellt werden können und die entsprechenden Variationen in dem Messsignal 307 erfasst werden, kann die Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 kalibriert werden. Diese Kalibrierung kann als eine Tabelle oder Funktion bereitgestellt werden, die Messsignalvariationen mit entsprechenden Sauerstoffkonzentrationen in dem Probenvolumen 304 in Beziehung setzt.
Gemäß einer anderen typischen Ausführungsform kann die UV-Lichtquelle 101 als eine Gasentladungslampe, zum Beispiel eine Quecksilberlampe, eine Deuteriumlampe oder eine Kombination davon wie eine kombinierte Deuterium-Quecksilber-Lampe bereitgestellt sein. Anstatt des oder zusätzlich zum Anlegen eines Magnetfeldes an das Probenvolumen kann ein Magnetfeld an die Gasentladung der UV-Lichtquelle 101 angelegt werden. Eine Zeeman-Verschiebung wird durch das an die UV-Lichtquelle 101 angelegte Magnetfeld bereitgestellt, wobei diese Zeeman-Verschiebung bewirken kann, dass mindestens eine Wellenlänge der erster. UV-Strahlung, die von der Gasentladungslampe emittiert wird, mit der Sauerstoffabsorptionslinie im Wesentlichen übereinstimmt. Darüber hinaus kann ein Nichtvorhandensein des Magnetfeldes, das heißt keine Zeeman-Verschiebung, bewirken, dass die Wellenlänge der ersten UV-Strahlung nicht mit der Sauerstoffabsorptionslinie übereinstimmt oder umgekehrt. Die modifizierte Absorption mit und ohne Magnetfeld führt wieder zu Variationen des Messsignals 307 und diese Variationen sind eine Funktion der Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304. Wieder können bekannte Sauerstoffkonzentrationen in dem Probenvolumen 304 bereitgestellt werden und die entsprechenden Variationen in dem Messsignal 307 können derart überwacht werden, dass eine Kalibrierung der gesamten Messvorrichtung wie oben beschrieben ausgeführt werden kann.
Darüber hinaus kann gemäß noch einer anderen typischen Ausführungsform mindestens ein Polarisationszustand der zweiten UV-Strahlung, die auf den UV-Lichtdetektor 102 einfällt, analysiert werden. In diesem Fall wird das an das Probenvolumen 304 oder an die UV-Lichtquelle 101 angelegte Magnetfeld bei einem konstanten Wert gehalten, der zur Bereitstellung einer ausreichenden Zeeman-Verschiebung geeignet ist. Aufgrund des Zeeman-Effekts unterscheiden sich in der Regel die Polarisationszustände der Komponenten voneinander, die in Bezug auf die Wellenlänge nach oben und nach unten verschoben sind. Zum Beispiel zeigen die nach oben und nach unten verschobenen Komponenten zirkulare Polarisationen von entgegensetzter Händigkeit. Eine Wellenlänge der ersten UV-Strahlung, die von der UV-Lichtquelle 101 emittiert wird, kann mit der nach oben verschobenen Komponente der Sauerstoffabsorptionslinie übereinstimmen, wohingegen die nach unten verschobene Komponente nur minimal mit der Sauerstoffabsorptionslinie übereinstimmt oder umgekehrt. Aufgrund der modifizierten Absorption der einfallenden ersten UV-Strahlungsintensität an den jeweiligen nach oben und nach unten verschobenen Komponenten variiert entsprechend die zweite UV-Strahlungsintensität, die auf den UV-Lichtdetektor einfällt. Folglich können resultierende Variationen in dem Messsignal 307, das von dem UV-Lichtdetektor 102 ausgegeben wird, zur Auswertung der Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 in ähnlicher Weise benutzt werden, wie oben in Bezug auf die Variationen des Magnetfeldes beschrieben ist, das an das Probenvolumen 304 und/oder die UV-Lichtquelle 101 angelegt wird. Ein polarisierendes Element 204 kann dann in dem Ausbreitungsweg der zweiten UV-Strahlung benutzt werden, die aus dem Probenvolumen 304 kommt, um abwechselnd die zwei oben erwähnten unterschiedlichen Polarisationszustände auszuwählen das heißt, zirkulare Polarisationen von entgegengesetzter Händigkeit (das heißt, ein links zirkularer oder ein rechts zirkularer Polarisationszustand wird ausgewählt).
Ferner können mehr als zwei unterschiedliche Messarten verglichen werden, um noch mehr Signalkontrast zu erhalten. Zum Beispiel kann die Absorption gemessen werden, während das Magnetfeld zwischen zwei Grenzwerten kontinuierlich verändert wird, und somit kann das Absorptionsspektrum als eine kontinuierliche Funktion des Magnetfeldes gemessen werden. In diesem Fall ist die Verteilung von Absorptionswerten durch statistische Größen (wie mittlere Varianz, Varianzen höherer Ordnung) gekennzeichnet. Dadurch wird ein besonders stabiles Signal ermöglicht.
Vorzugsweise wird mindestens eine der verschiedenen Messarten mehr als einmal ausgeführt und mehr bevorzugt werden sie in regelmäßigen Abständen ausgeführt. Dadurch wird der Erhalt eines sogar noch stabileren Signals ermöglicht, weil Signalfluktuationen statistisch gemittelt werden. Die regelmäßige Messung kann zum Beispiel mithilfe einer Lock-in-Technik ausgeführt werden, wie beispielsweise weiter unten beschrieben. Eine Auswertung der Messsignale mittels einer Auswertungseinheit (nachstehend in Bezug auf 2 bis 5 beschrieben) kann durch derartiges Einstellen der Wellenlänge der UV-Lichtquelle 101 erfolgen, dass diese mit einer Sauerstoffabsorptionswellenlänge übereinstimmt, sodass die durch Zeeman-Effekt induzierten Verschiebungen der Sauerstoffabsorptionslinie für links und rechts zirkular polarisierte Strahlung eine Differenz hinsichtlich der Absorption für die gemessenen links und rechts zirkular polarisierten Wellen bewirken. Danach können beide Messsignale ausgewertet werden, zum Beispiel durch Bilden ihres Verhältnisses oder Bilden ihrer Differenz in Bezug auf ihre Summe, und können dann als ein hochempfindliches Maß der Sauerstoffkonzentration benutzt werden. Zu diesem Zweck kann außerdem eine Kalibrierung des ausgewerteten Signals gegenüber einer tatsächlichen Sauerstoffkonzentration ausgeführt werden, zum Beispiel a priori für einen gegebenen Messaufbau oder kontinuierlich oder diskontinuierlich während des Betriebs durch Referenzmessungen mit einer Referenzsauerstoffzelle 206, wie nachstehend in 5 angegeben. Außerdem kann die entsprechende emittierte Spektralstrahlungsintensität überwacht und zur Signalauswertung verwendet werden.
Zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann ein Lock-in-Erkennungsmodus eingesetzt werden, der nachstehend in Bezug auf 2 beschrieben wird. Eine Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 kann dann auf der Grundlage von Veränderungen in der zweiten UV-Strahlungsintensität 302 bestimmt werden, wenn die Intensität des Magnetfeldes 303 variiert wird, das heißt, ein- und abgeschaltet wird.
Darüber hinaus kann eine sinusförmige Modulation des Magnetfeldes bereitgestellt werden. Die sinusförmige Modulation hat den Vorteil, dass der Magnetfeldgenerator leichter konzipiert werden kann und dass eine Frequenz zur Veränderung des Magnetfeldes 303 mithilfe eines Frequenzgenerators (nicht dargestellt) problemlos eingestellt werden kann.
Darüber hinaus kann die Polarität des Magnetfeldes in regelmäßigen Abständen umgekehrt werden. Diese Art von Polaritätswechsel hat den stärksten Einfluss auf die Zeeman-Linienaufspaltung, sodass der Polarisationsanalysator 305 die Einheit der längeren oder nach oben verschobenen Komponenten oder die Einheit der kürzeren oder nach unten verschobenen Komponenten abwechselnd auswählen kann und die ausgewählte Einheit an den UV-Lichtdetektor 102 weiterleiten kann.
Folglich variiert das Messsignal 307 in Übereinstimmung mit der Variation des Magnetfeldes 303 durch Verändern der Intensität des Magnetfeldes 303 mithilfe des Magnetfeldgenerators 103. Diese Variation beruht auf der Tatsache, dass eine Zeeman-Verschiebung der UV-Sauerstoffabsorptionslinie eine derartige Variation der Absorption bewirkt, dass die zweite UV-Strahlungsintensität 302 variiert wird, während die erste UV-Strahlungsintensität 301 bei einer konstanten einfallenden Wellenlänge und Intensität gehalten wird.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Lock-in-Signalerkennungstechnik zum Erhalt des Messsignals 307 darstellt, das in Bezug auf 1 beschrieben ist. Wie in 2 dargestellt, ist eine Steuereinheit 105 bereitgestellt, die ein Modulationssignal 312 zum Steuern des Magnetfeldgenerators 103 erzeugt. Die Steuereinheit 105 empfängt das Messsignal 307, das oben in Bezug auf 1 beschrieben ist. Die Lichtquelle 101 emittiert die erste UV-Strahlungsintensität 301 zum Probenvolumen 304 innerhalb der Probenzelle 201. Wie in Bezug auf 1 erläutert, wird eine modulierte zweite UV-Strahlungsintensität 302 erhalten, wenn das Magnetfeld 303 moduliert wird. Folglich kann die Steuereinheit 105 die Frequenz des Modulationssignals 312 mit der Frequenz des Messsignals 307 in Beziehung setzen, um eine phasenempfindliche Erkennung bereitzustellen.
Die Steuereinheit 105 weist eine Frequenzgeneratoreinheit 106 auf, die geeignet ist, das Modulationssignal 312 zu erzeugen, das für den Magnetfeldgenerator 103 bereitgestellt ist. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass das Modulationssignal 312 eine sinusförmige Modulation, eine Ein-/Abschaltung oder eine andere dem Fachmann bekannte Modulation aufweisen kann. Darüber hinaus weist die Steuereinheit 105 eine Phasenvergleichseinheit 202 zum Vergleichen der Phasen von zwei Eingangssignalen auf. Ein Eingangssignal der Phasenvergleichseinheit 202 ist ein Frequenzsignal 314, das durch die Frequenzgeneratoreinheit 106 bereitgestellt ist. Das Frequenzsignal 314 stimmt hinsichtlich seiner Frequenz mit dem Modulationssignal 312 überein.
Die zweite Signaleingabe in die Phasenvergleichseinheit 202 ist das Messsignal 307, das von dem UV-Lichtdetektor 102 ausgegeben wird. Die Phasenvergleichseinheit 202 vergleicht die Phasen der zwei Eingangssignale und gibt ein Lock-in-Signal 313 aus, das auf einer Korrelation der zwei Eingangssignale der Phasenvergleichseinheit beruht. Die Steuereinheit 105 stellt somit mithilfe der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses für die Sauerstoff konzentrationsmessung bereit, weil nur Komponenten des Messsignals 307, die eine feste Phasenbeziehung in Bezug auf das Modulationssignal 312 haben, verstärkt und als das Lock-in-Signal ausgegeben werden.
Andere Beiträge in dem Messsignal 307, die nicht mit der Frequenz und Phase des Modulationssignals 312 korreliert werden, zum Beispiel Rauschen und andere Interferenzen, werden durch die Phasenvergleichseinheit 202 aufgehoben. Das Lock-in-Signal 313 wird in eine Auswertungseinheit 108 eingegeben, die auf der Grundlage des Lock-in-Signals 313 ein Ausgabesignal auswertet, das die UV-Absorptionsmenge in dem Probenvolumen 304 angibt. Das Ausgabesignal 110 wird über eine Ausgabeeinheit 109 ausgegeben. Das Ausgabesignal 110 ist ein direktes Maß der Sauerstoffkonzentration innerhalb des Probenvolumens 304, weil es eine Absorption der ersten UV-Strahlungsintensität 301 reflektiert, die mit der Magnetfeldvariation (Magnetfeldmodulation) 303 korreliert wird, die von dem Magnetfeldgenerator 103 bereitgestellt ist.
3 ist ein detaillierteres Blockdiagramm einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 gemäß einer typischen Ausführungsform. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass in 3, 4 und 5 die gepunkteten Linien optischen Wegen entsprechen, wobei die durchgezogenen Linien mit einem Pfeil elektrischen Wegen entsprechen. Die parallelen Pfeile, die durch das Bezugszeichen 303 gekennzeichnet sind, entsprechen einem Magnetfeld 303, das parallel zu der Ausbreitungsrichtung der ersten UV-Strahlungsintensität 301 und/oder der zweiten UV-Strahlungsintensität 302 ausgerichtet sein kann.
Die erste UV-Strahlungsintensität 301, die von der UV-Lichtquelle 101 emittiert wird, ist auf eine optische Fokussiereinheit 104 wie eine Linse gerichtet, die geeignet ist, die erste UV-Strahlungsintensität genau in die Mitte des in der Probenzelle 201 enthaltenen Probenvolumens 304 zu richten und zu fokussieren. Nachdem die erste UV-Strahlungsintensität 301 durch den in dem Probenvolumen 304 enthaltenen Sauerstoff teilweise absorbiert wurde, wird die UV-Strahlungsintensität über den Polarisationsanalysator 305 (oben in Bezug auf 1 beschrieben) als eine zweite UV-Strahlungsintensität 302 zu dem UV-Lichtdetektor 102 emittiert.
Für eine Transmission von UV-Strahlungsintensität durch die Probenzelle 201 müssen UV-durchlässige Fenster 203 bereitgestellt werden. In Abhängigkeit der Wellenlängen der ersten und der zweiten UV-Strahlungsintensität werden Materialien wie Kieselglas oder Quarzglas als Materialien für die UV-durchlässigen Fenster 203 bereitgestellt. Wenn die Wellenlänge der UV-Strahlungsintensität im Bereich von 200 nm bis 100 nm liegt, können Magnesiumdifluorid und Lithiumfluorid als Materialien für die UV-durchlässigen Fenster 203 bereitgestellt werden, um eine Transmission der ersten und der zweiten UV-Strahlungsintensität zu ermöglichen.
4 ist ein detailliertes Diagramm einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung gemäß einer anderen typischen Ausführungsform. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass Teile oder Komponenten, die bereits in Bezug auf vorherige Figuren beschrieben wurden, in der Beschreibung und in den folgenden Figuren nicht wiederholt werden, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
Wie in 4 dargestellt, wird die Steuereinheit 105 zum Steuern des Magnetfeldgenerators 103 und der UV-Lichtquelle 101 benutzt. Die UV-Lichtquelle 101 kann in Übereinstimmung mit den erforderlichen Betriebsbedingungen ein- und abgeschaltet werden. Im Gegensatz zu der oben in Bezug auf 3 dargestellten Ausführungsform weist die Ausführungsform aus 4 einen Referenz-UV-Lichtdetektor 102 auf, der eine Referenzstrahlungsintensität empfängt, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 auf der Grundlage eines Referenzsignals 308 zu bestimmen, das durch den Referenz-UV-Lichtdetektor 102 bereitgestellt wird.
Im Folgenden wird die Erzeugung des Referenzsignals 308 ausführlich beschrieben. Der optische Aufbau der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 gemäß 4 besteht aus zwei optischen Wegen, das heißt, einer optischen Achse 300, welche die UV-Lichtquelle 101 über das Probenvolumen 304 mit dem UV-Lichtdetektor 102 verbindet.
Eine zweite optische Achse, das heißt, eine optische Achse 306 des Referenzdetektors, wird in einer Ausrichtung bereitgestellt, die zu der optischen Achse 300 senkrecht ist. Ein Teil der ersten UV-Strahlungsintensität 301 wird auf eine Referenzzelle 206 gerichtet, die eine bekannte Sauerstoffkonzentration in einem Referenzvolumen 207 enthält. Der Teil der ersten UV-Strahlungsintensität 306 wird entlang der optischen Achse 306 des Referenzdetektors über einen Polarisationsanalysator 305 zu dem Referenz-UV-Lichtdetektor 107 gerichtet. Der Referenz-UV-Lichtdetektor 107 empfängt eine Referenzstrahlungsintensität 310 in Übereinstimmung mit Absorptionsprozessen, die in dem Referenzvolumen 207 stattfinden, das eine bekannte und feste Sauerstoffkonzentration aufweist. Mit der Ausnahme, dass die Sauerstoffkonzentration in der Referenzzelle 206 bekannt ist, sind die Prozesse der Zeeman-Aufspaltung und Strahlungsabsorption die gleichen oder ähnliche Prozesse wie diejenigen, die in der Probenzelle 201 stattfinden. Zu diesem Zweck stellt der Magnetfeldgenerator 103 ein Magnetfeld 303 nicht nur für die Probenzelle 201, sondern auch für die Referenzzelle 206 bereit. Folglich werden sowohl das Probenvolumen 304 als auch das Referenzvolumen 207 von dem modulierten Magnetfeld 303 durchdrungen.
Ein Ausgabesignal des Referenz-UV-Lichtdetektors 107 wird als ein Referenzsignal 308 für die Auswertungseinheit 108 bereitgestellt. Die Auswertungseinheit 108 kann dann das Ausgabesignal 110 auswerten, das heißt, eine Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 der Probenzelle 201 auf der Grundlage sowohl des Messsignals 307, das von dem UV-Lichtdetektor 102 ausgegeben wird, als auch des Referenzsignals 308, das von dem Referenz-UV-Lichtdetektor 107 ausgegeben wird.
Darüber hinaus ist die Auswertungseinheit 108 geeignet, dieses gemessene Referenzsignal 308 zu empfangen, das die Sauerstoffkonzentration in der Referenzzelle 206 derart angibt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 auf der Grundlage des Referenzsignals 308 bestimmt werden kann.
Gemäß einer anderen typischen Ausführungsform kann eine Kalibrierungskurve bereitgestellt sein, die in einem Speicher der Auswertungseinheit 108 gespeichert werden kann. Diese Art von Kalibrierungskurve kann aus Messungen mit einer bekannten Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 erhalten werden. Eine Kurve des Messsignals 307 kann dann als eine Funktion einer variierenden Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 erfasst und als die Kalibrierungskurve gespeichert werden.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die UV-Lichtquelle 101 zur Ausführung der Sauerstoffkonzentrationsmessungen eine Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 80 nm und 380 nm, vorzugsweise im Bereich zwischen 150 nm und 250 nm emittiert und mehr bevorzugt eine Wellenlänge von etwa 130 nm oder 184,9 nm aufweist. Der Ausdruck ”etwa 130 nm” oder ”etwa 184,9 nm” bedeutet, dass die Wellenlänge der UV-Lichtquelle 101 nahe einer zu messenden Sauerstoffabsorptionslinie liegt. Nahe einer Sauerstoffabsorptionslinie bedeutet, dass die Sauerstoffabsorptionslinie und die Emissionslinie der UV-Lichtquelle 101 nahe genug beieinander liegen, sodass sich die Linienprofile, die durch die Halbwertsbreiten der jeweiligen Linien definiert sind, überlappen und vorzugsweise in unterschiedlicher Weise als eine Funktion des angelegten Magnetfeldes, das heißt, als eine Funktion der Zeeman-Wellenlängenaufspaltung überlappen.
Die UV-Lichtquelle 101 kann als mindestens eine von einer Quecksilberlampe, einem UV-Laser, einem Schmalband-Diodenlaser und einer Deuteriumlampe bereitgestellt sein. Vorteilhafterweise kann die Deuteriumlampe Quecksilber (Hg) enthalten, sodass die Hg-Emissionslinien erregt werden und die UV-Lichtquelle 101 Spektrallinien des Quecksilberspektrums emittiert. Dies führt zu einer effizienteren Absorption der von der UV-Lichtquelle 101 emittierten UV-Strahlung, weil einige der Hg-Emissionslinien mindestens teilweise mit Absorptionslinien von Sauerstoff, zum Beispiel mit der Absorptionslinie OI 184,95 nm übereinstimmen.
Die Steuereinheit 105 ist geeignet, die UV-Lichtquelle 101 zu steuern. Eine solche Steuerung kann die Umschaltung der UV-Lichtquelle 101, eine Modulation hinsichtlich der Strahlungsintensität usw. beinhalten.
Wenngleich dies nicht in 4 dargestellt ist, ist es darüber hinaus möglich, dass der Referenz-UV-Lichtdetektor 107 einen Teil der ersten UV-Strahlungsintensität 301 direkt misst, um ein Referenzsignal für die Strahlungsintensität der UV-Lichtquelle 101 bereitzustellen. In diesem Fall ist die Referenzzelle 206 in der optischen Achse 306 des Referenzdetektors nicht vorhanden. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration ist, dass, selbst wenn die Strahlungsintensität der UV-Lichtquelle 101 variiert und folglich die an dem UV-Lichtdetektor 102 gemessene Strahlungsintensität sogar für eine konstante Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen 304 variiert, diese Strahlungsintensitätsvariation der UV-Lichtquelle 101 berücksichtigt und ihr Einfluss auf das Ausgabesignal 110 beseitigt werden kann.
5 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 gemäß noch einer anderen typischen Ausführungsform. Die Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 gemäß 5 weist neben der in 3 und 4 dargestellten Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 zwei polarisierende Elemente 204 auf. Ein polarisierendes Element 204 ist an dem optischen Ausgang der UV-Lichtquelle 101 angeordnet, wobei das andere polarisierende Element 204 vor dem UV-Lichtdetektor 102 angeordnet ist.
Unter Verwendung der beiden polarisierenden Elemente 204 kann das Probenvolumen 304 mittels einer polarisierten ersten UV-Strahlungsintensität 301 bestrahlt und eine polarisierte zweite UV-Strahlungsintensität 302 in Übereinstimmung mit der Einstellung der beiden polarisierenden Elemente erkannt werden. Wenn die erste UV-Strahlungsintensität 301 eine zirkulare Polarisation aufweist, dann haben die nach oben verschobenen und nach unten verschobenen Zeeman-Komponenten in der zweiten UV-Strahlungsintensität 302 unterschiedliche Polarisationsrichtungen, das heißt, eine links zirkulare Polarisation für eine Komponente und eine rechts zirkulare Polarisation für die andere Komponente.
Folglich kann eine der zwei Komponenten durch die Verwendung des zweiten polarisierenden Elements 204, das vor dem UV-Lichtdetektor 102 angeordnet ist, herausgefiltert werden. In Kombination mit einem variierenden Magnetfeld 303 ist es somit möglich, eine Sauerstoffabsorptionslinie über die zentrale Wellenlänge, die in der ersten UV-Strahlungsintensität 301 bereitgestellt ist, abzutasten. Mit Ausnahme der polarisierenden Elemente 204 ähnelt die Anordnung der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 derjenigen der Konzentrationsmessvorrichtung 100, die in 4 dargestellt ist.
Gemäß noch einer anderen typischen Ausführungsform ist der Magnetfeldgenerator ein erster Magnetfeldgenerator. Ferner ist ein zweiter Magnetfeldgenerator bereitgestellt, der geeignet ist, ein Magnetfeld an das Probenvolumen 304 anzulegen. Der erste und der zweite Magnetfeldgenerator sind geeignet, zueinander senkrechte Magnetfelder anzulegen. Dies führt zu einer polarisierten zweiten UV-Strahlungsintensität 302 in derartige Richtungen, dass ein Signal-Rausch-Verhältnis durch Ansteuern der Ausgabe mittels eines festen polarisierenden Elements 204, das vor dem UV-Lichtdetektor 102 angeordnet ist, erhöht werden kann.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Probenvolumen gemäß einer typischen Ausführungsform darstellt. In Schritt S1 beginnt das Verfahren. In Schritt S2 wird eine erste UV-Strahlungsintensität zu dem Probenvolumen emittiert. Die UV-Strahlung weist mindestens eine Wellenlänge auf, die nahe einer Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie liegt. Danach wird das Verfahren in Schritt S3 fortgesetzt, in dem das Probenvolumen, das eine zu messende Sauerstoffkonzentration enthält, mit der ersten UV-Strahlungsintensität bestrahlt wird.
Darüber hinaus wird in Schritt S4 ein Magnetfeld an das Probenvolumen angelegt. Das Verfahren wird in Schritt S5 fortgesetzt und eine Intensität einer zweiten Strahlung, die aus dem Probenvolumen kommt, wird gemessen. Die zweite UV-Strahlungsintensität ist eine andere als die erste UV-Strahlungsintensität, weil ein Teil der ersten UV-Strahlungsintensität von in der Probenzelle enthaltenem Sauerstoff absorbiert wird. Aus der Intensitätsdifferenz zwischen der ersten UV-Strahlungsintensität und der zweiten UV-Strahlungsintensität wird in Schritt S6 eine Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen bestimmt.
Danach wird das Verfahren in Schritt S7 beendet.
Das Magnetfeld, das in Schritt S4 angelegt wird, kann zwischen einem minimalen Magnetfeldwert und einem maximalen Magnetfeldwert sinusförmig moduliert werden, um eine geeignete Zeeman-Aufspaltung der Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie zu erhalten, die nahe der Wellenlänge der UV-Strahlung liegt, die in das Probenvolumen einfällt. Ferner kann eine Polarität des an das Probenvolumen angelegten Magnetfeldes verändert oder umgekehrt werden. Darüber hinaus kann das Magnetfeld in regelmäßigen Abständen zwischen einem im Wesentlichen konstanten eingeschalteten Wert in einem eingeschalteten Zustand und einem Null-Magnetfeldwert in einem abgeschalteten Zustand verändert werden.
Zusätzlich zu oder anstatt des Anlegens des Magnetfeldes an das Probenvolumen 304 kann ein Magnetfeld an die UV-Lichtquelle 101 angelegt werden. Wenn das Magnetfeld an die UV-Lichtquelle 101 angelegt wird, dann werden Emissionslinien der UV-Lichtquelle mittels Zeeman-Verschiebung verschoben, was zu einer ähnlichen Sauerstoffkonzentrations-Erkennungsweise wie der oben beschriebenen führt. Außerdem kann das Anlegen eines Magnetfeldes an die UV-Lichtquelle 101 eine Feinabstimmung mindestens einer Emissionswellenlänge der UV-Lichtquelle 101 bereitstellen.
Auf der Grundlage der bereitgestellten Zeeman-Verschiebung kann mehr als eine Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie sondiert werden, sodass eine Molekülschwingungstemperatur von Sauerstoff (Sauerstoffmolekül) und/oder eine Molekülrotationstemperatur von Sauerstoff (Sauerstoffmolekül) durch Sondieren jeweiliger Molekülschwingungsbänder und/oder Molekülrotationsbänder bestimmt werden kann. Diese Art von Sondierung kann eine Abtastung über mindestens einen Teil eines Rotations- oder Schwingungsspektrums (Rotationsschwingungsspektrum) beinhalten, sodass mindestens zwei Absorptionslinien eines Sauerstoffmoleküls an dem oben beschriebenen Absorptionsprozess beteiligt sind. Wenn zwei oder mehr Absorptionslinien sondiert oder ”abgetastet” werden (zum Beispiel ein Rotations- und/oder ein Schwingungsband von Sauerstoff), dann können neben den Informationen über Speziesdichte (Sauerstoffkonzentration) auch Temperaturinformationen erhalten werden. In einem Sauerstoffmolekül liegen die Absorptionslinien eines Rotationsbandes im Vergleich zu den Absorptionslinien in einem Schwingungsband näher beieinander. Folglich muss eine Zeeman-Verschiebung zum Sondieren von Molekülschwingungsbändern größer als eine Zeeman-Verschiebung zum Sondieren von Molekülrotationsbändern sein.
Zu den Anwendungsgebieten der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen gehören industrielle Steuervorrichtungen, bei denen eine Sauerstoffkonzentration gemessen und/oder überwacht werden soll. Darüber hinaus ist die Sauerstoffkonzentration bei der Umweltüberwachung und medizinischen Überwachung oftmals ein kritisches Thema. Ferner können Verbrennungsprozesse, für die eine spezifische Sauerstoffkonzentration bereitgestellt werden muss, mithilfe der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 100 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen überwacht werden.
Die Erfindung wurde auf der Grundlage von Ausführungsformen beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und aus denen weitere Vorteile und Modifikationen hervorgehen. Jedoch ist die Offenbarung nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und variiert werden. Die geeignete Kombination einzelner Merkmale und Kombinationen von Merkmalen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Kombinationen von Merkmalen einer anderen Ausführungsform zur Erzielung weiterer Ausführungsformen liegt im Schutzbereich der Erfindung.
Für den Fachmann wird basierend auf den Lehren hierin ersichtlich sein, dass Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Offenbarung und ihren weiter gefassten Aspekten abzuweichen. Das heißt, dass alle oben dargelegten Beispiele beispielhaft sind und nicht einschränkend sein sollen.
Bezugszeichenliste

100: Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung
101: UV-Lichtquelle
102: UV-Lichtdetektor
103: Magnetfeldgenerator
104: optische Fokussiereinheit
105: Steuereinheit
106: Frequenzgeneratoreinheit
107: Referenz-UV-Lichtdetektor
108: Auswertungseinheit
109: Ausgabeeinheit
110: Ausgabesignal
201: Probenzelle
202: Phasenvergleichseinheit
203: UV-durchlässiges Fenster
204: polarisierendes Element
205: Strahlteilereinheit
206: Referenzzelle
207: Referenzvolumen
300: optische Achse
301: erste UV-Strahlungsintensität
302: zweite UV-Strahlungsintensität
303: Magnetfeld
304: Probenvolumen
305: Polarisationsanalysator
306: optische Achse des Referenzdetektors
307: Messsignal
308: Referenzsignal
309: Sauerstoffkonzentrationssignal
310: Referenzstrahlungsintensität
311: einfallende erste UV-Strahlungsintensität
312: Modulationssignal
313: Lock-in-Signal
314: Frequenzsignal

Claims

Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100), die geeignet ist, eine Sauerstoffkonzentration eines Gases in einem sauerstoffhaltigen Probenvolumen (304) zu bestimmen, wobei die Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) Folgendes umfasst: eine optische Vorrichtung, die geeignet ist, das Probenvolumen (304) mit einer ersten UV-Strahlung (301), die eine erste UV-Strahlungsintensität aufweist, zu bestrahlen, wobei die optische Vorrichtung eine UV-Lichtquelle (101) umfasst, die geeignet ist, die erste UV-Strahlung (301) zu emittieren, wobei die erste UV-Strahlung mindestens eine Wellenlänge aufweist, die nahe einer Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie liegt; einen Magnetfeldgenerator (103), der geeignet ist, ein Magnetfeld (303) an das Probenvolumen (304) anzulegen; einen UV-Lichtdetektor (102), der geeignet ist, eine zweite UV-Strahlungsintensität einer zweiten UV-Strahlung (302) zu messen, die aus dem Probenvolumen (304) kommt; eine Auswertungseinheit (108), die geeignet ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen (304) auf der Grundlage des angelegten Magnetfeldes (303) und der gemessenen zweiten UV-Strahlungsintensität (302) zu bestimmen; und eine Referenzzelle (206), die Sauerstoff einer Referenzkonzentration enthält, wobei die Auswertungseinheit (108) geeignet ist, ein Referenzsignal der gemessenen Sauerstoffkonzentration (308) zu empfangen, das die Sauerstoffkonzentration in der Referenzzelle (206) angibt, und die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen (304) auf der Grundlage des Referenzsignals der Sauerstoffkonzentration (308) zu bestimmen.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, die ferner eine Probenzelle (201) mit einem UV-durchlässigen Fenster (203) umfasst und das Probenvolumen (304) enthält, wobei die optische Vorrichtung im Wesentlichen außerhalb der Probenzelle (201) derart angeordnet ist, dass das Probenvolumen (304) durch das UV-durchlässige Fenster (203) bestrahlt wird.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfeldgenerator (103) auch für die Referenzzelle (206) ein Magnetfeld (303) bereitstellt.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die UV-Strahlung, die von der UV-Lichtquelle (101) emittiert wird, eine Wellenlänge im Bereich zwischen 80 nm und 380 nm, vorzugsweise im Bereich zwischen 150 nm und 250 nm aufweist und mehr bevorzugt eine Wellenlänge von etwa 185 nm aufweist.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die UV-Lichtquelle (101) eine von einer Quecksilberlampe, eines UV-Lasers, eines Schmalband-Diodenlasers, einer Deuteriumlampe oder eine Kombination davon, insbesondere eine Kombination einer Lampe mit einem diskreten Spektrum und einer Lampe mit einem kontinuierlichen Spektrum in dem Frequenzbereich ist, in dem die zweite UV-Strahlungsintensität gemessen wird, wie eine kombinierte Deuterium-Quecksilber-Lampe.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Referenz-UV-Lichtdetektor (102) zum Messen einer Intensität mindestens eines Teils der ersten UV-Strahlung als ein UV-Lichtreferenzsignal (308) bereitgestellt ist und wobei die Auswertungseinheit (108) geeignet ist, das UV-Lichtreferenzsignal (308) von dem Referenz-UV-Lichtdetektor (102) zu empfangen und das UV-Lichtreferenzsignal (308) zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration zu benutzen.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optische Vorrichtung ferner ein polarisierendes Element umfasst, das geeignet ist, polarisierte erste UV-Strahlung in dem Probenvolumen (304) bereitzustellen.
Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfeldgenerator (103) ein erster Magnetfeldgenerator (103) ist, der ferner einen zweiten Magnetfeldgenerator (103) umfasst, der geeignet ist, um ein Magnetfeld (303) an das Probenvolumen (304) anzulegen, wobei der erste und der zweite Magnetfeldgenerator (103) geeignet sind, zueinander senkrechte Magnetfelder (303) anzulegen.
Verfahren zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem sauerstoffhaltigen Probenvolumen (304), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Emittieren einer ersten UV-Strahlung aus einer UV-Lichtquelle (101) zu dem Probenvolumen (304), wobei die UV-Strahlung mindestens eine Wellenlänge aufweist, die nahe einer Sauerstoffabsorptions-Spektrallinie liegt; Bestrahlen des Probenvolumens (304) mit der ersten UV-Strahlung; Anlegen eines Magnetfeldes (303) an das Probenvolumen (304); Messen der Intensität einer zweiten UV-Strahlung, die aus dem Probenvolumen (304) kommt; Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen (304) auf der Grundlage des angelegten Magnetfeldes (303) und der gemessenen Intensität der zweiten UV-Strahlung, und außerdem wird eine Kalibrierung des ausgewerteten Signals gegenüber einer tatsächlichen Sauerstoffkonzentration während des Betriebs durch Referenzmessungen mit einer Referenzsauerstoffzelle (206) kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Magnetfeld (303) im Wesentlichen sinusförmig zwischen einem minimalen Magnetfeldwert und einem maximalen Magnetfeldwert moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei eine Polarität des Magnetfeldes (303) in regelmäßigen Abständen umgekehrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Magnetfeld (303) in regelmäßigen Abständen zwischen einem im Wesentlichen konstanten eingeschalteten Wert in einem eingeschalteten Zustand und einem Null-Magnetfeldwert in einem abgeschalteten Zustand verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei ein Magnetfeld an die UV-Lichtquelle (101) derart angelegt wird, dass Emissionslinien der UV-Lichtquelle (101) in Bezug auf mindestens eine Sauerstoffabsorptionslinie verschoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei eine Molekülschwingungstemperatur von Sauerstoff durch Sondieren molekularer Schwingungsbänder bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei eine Molekülrotationstemperatur von Sauerstoff durch Sondieren molekularer Rotationsbänder bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Wellenlänge der UV-Lichtquelle (101) derart eingestellt wird, dass sie mit einer Wellenlänge einer Sauerstoffabsorptionslinie übereinstimmt, sodass durch Zeeman-Effekt induzierte Verschiebungen der Sauerstoffabsorptionslinie für links und rechts zirkular polarisierte Strahlung eine Absorptionsdifferenz für links und rechts zirkular polarisierte Strahlung bewirken.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Intensitäten der links zirkularen zweiten UV-Strahlung und der rechts zirkularen zweiten UV-Strahlung gemessen werden und die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen (304) auf der Grundlage der gemessenen Intensitäten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Sauerstoffkonzentration in dem Probenvolumen (304) auf der Grundlage des Verhältnisses der gemessenen links und rechts zirkular polarisierten zweiten Strahlung und/oder auf der Grundlage ihrer Differenz, vorzugsweise dividiert durch ihre Summe, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, ferner umfassend den Schritt des Bereitstellens eines Magnetfeldes (303) auch für die Referenzzelle (206)