DE19524207A1 - Light extinction measuring fibre optic probe for pH measurement of watery solution - Google Patents

Light extinction measuring fibre optic probe for pH measurement of watery solution

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Wolfgang Dipl Phys Fichtner
Heiner Prof Dr Rer Nat Kaden
Ralf Mueller
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Abstract

The fibre optic probe, or optode, includes two monochromatic light sources (1,2), a sensor head (5), optical fibres (3), and a light detector. One light source (1) is for a measuring ray (2) and the other is for a reference. These are connected to the fibres which carry light through the shafts (4) to a sensor head (5). The sensor head includes a concentration varying substance in fluid contact with colour variation reacting ion-based indicator. The sensitive layer is placed and secured over a prism or cylinder shaped casing with a plane parallel transparent surface material. The measuring light, after passing through the medium in which colour intensity is to be measured, is reflected back to another optical fibre (6) together with the reference light. This leads to a light detector (7) containing a photodiode where the relative light intensity is measured and converted for electronic output.

Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Sonde zur Messung des pH-Wertes in wäßrigen Lösungen mittels Extinktionsmessungen an immobilisierten Indikatorfarbstoffen. Die Einsatzgebiete liegen in der Durchführung und Anwendung analytischer Verfahren unter Verwendung faseroptischer Sensoren.The invention relates to a fiber optic probe for measuring the pH in aqueous Solutions using absorbance measurements on immobilized indicator dyes. The Areas of application are in the implementation and application of analytical processes Use of fiber optic sensors.

Faseroptische Sonden zur Messung der Extinktion sind bereits bekannt. Sie stellen eine besondere Gruppe von Chemosensoren dar und werden oft mit dem Begriff "Optode" bezeichnet.Fiber optic probes for measuring the absorbance are already known. You make one special group of chemical sensors and are often referred to as "optode" designated.

Der bisherige technische Stand von optischen Chemosensoren sowie unterschiedliche Ausführungsformen von Optodenkonstruktionen sind sind in Göpel, W., et al. Sensors. A Comprehensive Survey, Vol. 6: Optical Sensors. Weinheim: VCH Verlag 1992, ausführlich zusammengefaßt und eingeschätzt worden. Danach ist es bekannt, auf der Stirnfläche einer Lichtleitfaser oder eines Optodenkopfes die Immobilisierungsmatrix zur Aufnahme eines Indikatorfarbstoffes (meist als Chromoionophor genannt) anzuordnen, wie es auch von Widmer, H. M.: Ion-selective Electrodes and Ion Optodes. Anal. Methods and Instrumentation 1 (1993) 60-72, angegeben wird. Die in dieser Anordnung auswertbaren Lichtstrahlen werden an der Phasengrenze Immobilisierungsmatrix/Meßfluid gemäß den Fresnelschen Formeln reflektiert. Diese Anordnung ist durch sehr hohe Dämpfungsverluste des Meßstrahlenganges gekennzeichnet, Ursache dafür ist der nur geringe Anteil reflektierter Strahlen an der Phasengrenze (ca. 4%) und die Einkopplung des Meßstrahles in die zum Lichtdetektor führende Faser. Wird zur Lichtleitung im Optodenkopf nur eine einzelne Faser benutzt, so entstehen zwar geringere Einkoppelverluste, es wird aber ein zusätzlicher Strahlteiler notwendig, der ebenfalls eine starke optische Dämpfung bewirkt.The previous technical status of optical chemical sensors as well as different ones Embodiments of optode designs are described in Göpel, W., et al. Sensors. A Comprehensive Survey, Vol. 6: Optical Sensors. Weinheim: VCH Verlag 1992, in detail summarized and assessed. After that it is known on the face of one Optical fiber or an optode head the immobilization matrix for receiving a Arrange indicator dye (mostly called chromoionophore), as it does by Widmer, H. M .: Ion-selective Electrodes and Ion Optodes. Anal. Methods and Instrumentation 1 (1993) 60-72. The evaluable in this arrangement Light rays are at the phase boundary immobilization matrix / measuring fluid according to the Fresnel formulas reflected. This arrangement is due to very high loss losses of the measuring beam path, the reason for this is the only small proportion of reflected Beams at the phase boundary (approx. 4%) and the coupling of the measuring beam into the Light detector leading fiber. Only a single fiber becomes the light guide in the optode head used, there are lower coupling losses, but it becomes an additional one Beam splitter necessary, which also causes a strong optical attenuation.

Eine andere bekannte Ausführungsform von Optodenkonstruktionen funktioniert nach dem Durchstrahlprinzip [Baldini, F., et al.: Controlled-Pore Glasses Embedded in Plastic Optical Fibers for Gastric pH Sensing Purposes. Applied Spectroscopy 48 (1994) 549-552]. Dabei durchtritt der Meßlichtstrahl sowohl die sensitive Schicht als auch das transparente Meßfluid. Danach wird der Lichtstrahl in eine weiterführende Faser eingekoppelt oder über einen dem Faserende vorgesetzten Spiegel in die entgegengesetzte Strahlrichtung reflektiert. Diese Anordnung kommt ohne die oben geschilderten, optisch stark dämpfenden Konstruktionselemente aus. Dieser Vorteil wird allerdings durch den teilweisen Verlauf des Lichtstrahles im Meßfluid erkauft. Infolgedessen kann das Meßsignal durch Trübungen oder Farbungen des Meßfluids verfälscht werden.Another known embodiment of optode designs works according to the Transmission principle [Baldini, F., et al .: Controlled-Pore Glasses Embedded in Plastic Optical Fibers for Gastric pH Sensing Purposes. Applied Spectroscopy 48 (1994) 549-552]. Here the measuring light beam passes through both the sensitive layer and the transparent measuring fluid. The light beam is then coupled into a further fiber or via a Front end of the mirror reflected in the opposite beam direction. These Arrangement comes without the optically strongly damping described above  Construction elements from. However, this advantage is due to the partial course of the Light beam bought in the measuring fluid. As a result, the measurement signal can become cloudy or Colorings of the measuring fluid can be falsified.

Desweiteren gibt es bereits Sensoranordnungen, bei denen der Indikatorfarbstoff auf der Mantelfläche einer durchgehenden Faser immobilisiert ist (Hale, Z.M.; Payne, F. P: Fluorescent sensor based o tapered single-mode optical fibres. Sensors Actuators B17 (1994) 233-240). Hierbei werden Lichtstrahlen, die zum Meßsignal beitragen, aus dem Faserkern in die sensitive Schicht ausgekoppelt, an der Phasengrenze Immobilisierungsmatrix/Meßfluid totalreflektiert, danach durchlaufen sie nochmals die sensitive Schicht unter definierter Extinktion gemäß der zu messenden chemischen Größe und werden schließlich wieder in den Faserkern eingekoppelt. Hierbei treten zwar die Nachteile der o. g. Anordnungen nicht aufs doch entsteht wegen der gestreckten Anordnung der Bauteile eine beträchtliche Einschränkungen hinsichtlich der konstruktiven Umsetzung in eine stabförmige Optode. Das Aufbringen der sensitiven Schicht direkt auf der Faser erschwert zudem die erneute Beschichtung bei verbrauchter oder ausgewaschener Schicht, womit bei optochemischen Sensoren schon nach relativ kurzer Meßzeit von wenigen Wochen zu rechnen ist.Furthermore, there are already sensor arrangements in which the indicator dye is on the Lateral surface of a continuous fiber is immobilized (Hale, Z.M .; Payne, F. P: Fluorescent sensor based or tapered single-mode optical fibers. Sensors Actuators B17 (1994) 233-240). Here, rays of light, which contribute to the measurement signal, from the fiber core in the sensitive layer is decoupled, at the phase boundary immobilization matrix / measuring fluid totally reflected, then they go through the sensitive layer again under defined Absorbance according to the chemical size to be measured and will eventually be returned to the Fiber core coupled. Here, the disadvantages of the above-mentioned occur. Orders not on however, due to the stretched arrangement of the components, a considerable amount arises Restrictions on the design implementation in a rod-shaped optode. The Applying the sensitive layer directly on the fiber also complicates the renewed Coating when the layer is used or washed out, which means with optochemical Sensors can be expected after a relatively short measuring time of a few weeks.

Trotz einer Vielzahl von Vorschlägen zur konstruktiven Gestaltung von optischen pH- Sensoren ist es also noch nicht gelungen, von teuren optischen Komponenten mit hoher Dämpfung des Meßlichtes auf preiswerte Komponenten in solchen Sonden überzugehen, mit denen eine einfach realisierbare, ohne weiteres wiederholbare Erneuerung der chemisch sensitiven Schicht ermöglicht wird.Despite a large number of proposals for the constructive design of optical pH So sensors have not yet succeeded, from expensive optical components with high Attenuation of the measuring light to transfer inexpensive components in such probes with which is an easily realizable, easily repeatable renewal of the chemical sensitive layer is made possible.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen dämpfungsarmen, konstruktiv einfachen und stabförmig ausgebildeten faseroptischen Sensor mit leicht auswechselbarem Optodenkopf zu realisieren.The invention specified in claim 1 addresses the problem, one Low-loss, structurally simple and rod-shaped fiber optic sensor can be realized with an easily replaceable optode head.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Strahlführung im Optodenkopf einen wesentlich größeren nutzbaren Anteil der Meßstrahlen ermöglicht, als er in bisher realisierten Sonden erzielt wurde. Besonders hervorzuheben ist die Kombination der dämpfungsarmen Eigenschaften mit der speziellen Sondenform, da stabförmige Sensoranordnungen gegenüber Durchflußküvetten wesentliche Vorteile in Handhabung, Miniaturisierbarkeit und Einsatzmöglichkeit in technischen Prozessen haben. Der Optodenkopf läßt sich durch seine zylindrische oder prismatische Form einfach fertigen. Die leichte Auswechselbarkeit ermöglicht die problemlose Beschichtung mit sensitivem Material. Der Wegfall von Strahlteilern bzw. X- oder Y-Kopplern führt zu niedrigen Herstellungskosten. Die verlustarme Strahlführung ermöglicht die Substitution der teuren Laserdioden durch wesentlich billigere Leuchtdioden.The advantages achieved by the invention are in particular that the beam guidance allows a much larger usable portion of the measuring beams in the optode head than it was achieved in probes realized so far. The combination is particularly noteworthy the low-damping properties with the special probe shape because it is rod-shaped Sensor arrangements compared to flow-through cells have significant advantages in handling, Can be miniaturized and used in technical processes. Of the Optodenkopf is easy to manufacture due to its cylindrical or prismatic shape. The easy interchangeability enables problem-free coating with sensitive material. The elimination of beam splitters or X or Y couplers leads to low ones  Manufacturing costs. The low-loss beam guidance enables the expensive ones to be replaced Laser diodes due to much cheaper LEDs.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 sorgt für einen dämpfungsarmen Strahlengang im Inneren des durchsichtigen Optodenkopfes. Das in Anspruch 3 genannte Verhältnis der Faserquerschnitte bewirkt eine verlustarme Auskopplung von informationstragenden Meßstrahlen in die zum Detektor führende Faser. In den Ansprüchen 4 und 5 wird die mechanische bzw. optische Ankopplung des Optodenkopfes an die Lichtleitfasern aufgeführt, die bei leichter Auswechselbarkeit des Optodenkopfes günstige optische Eigenschaften zur dämpfungsarmen Strahlführung bewirkt.An advantageous embodiment of the invention is specified in claims 2 to 5. The Training according to claim 2 ensures a low-attenuation beam path inside the transparent optode head. The ratio of the fiber cross sections mentioned in claim 3 causes a low-loss coupling of information-carrying measuring beams into the Detector leading fiber. In claims 4 and 5, the mechanical or optical Coupling of the optode head to the optical fibers listed at lighter Interchangeability of the optode head favorable optical properties for low attenuation Beam guidance causes.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in FIGS. 1, 2 and 3 and is explained in more detail below.

Es zeigen schematischThey show schematically

Fig. 1 die Anordnung der optischen Komponenten einer erfindungsgemäßen Optode, Fig. 1 shows the arrangement of the optical components of an optode according to the invention,

Fig. 2 einen zylindrischen Optodenkopf mit sensitiver Schicht und angekoppelten Lichtleitfasern sowie Fig. 2 shows a cylindrical optode head with a sensitive layer and coupled optical fibers and

Fig. 3 den Strahlengang im Inneren des Optodenkopfes. Fig. 3 shows the beam path inside the optode head.

Die optischen Komponenten einer erfindungsgemaßen Optode sind in der in Fig. 1 dargestellten Weise angeordnet: zwei monochromatische oder schmalbandige Lichtquellen, von denen die eine Licht der Meßwellenlänge (1) und die andere Licht der Referenzwellenlänge (2) emitieren, sind mit Lichtleitfasern (3) verbunden. Diese Fasern führen Licht durch den Sensorschaft (4) in den Sensorkopf (5). An dem Sensorkopf ist die pH-sensitive Schicht immobilisiert. Das von dem Meßmedium in der Intensität beeinflußte Meßlicht und das unbeeinflußte Referenzlicht verlassen durch eine gemeinsame Lichtleitfaser (6) den Sensor zum Lichtdetektor (7). Die als Lichtdetektor dienende Photodiode setzt die Intensitätswerte des Meß- und Referenzlichtes in elektrische Spannungswerte um, die mittels einer nachgeschaltene Auswerteelektronik bzw. Rechnerkopplung verarbeitet und ausgewertet werden können.The optical components of an optode according to the invention are arranged in the manner shown in FIG. 1: two monochromatic or narrow-band light sources, of which one emits light of the measuring wavelength ( 1 ) and the other light of the reference wavelength ( 2 ), are provided with optical fibers ( 3 ) connected. These fibers guide light through the sensor shaft ( 4 ) into the sensor head ( 5 ). The pH-sensitive layer is immobilized on the sensor head. The measuring light, which is influenced in intensity by the measuring medium, and the unaffected reference light leave the sensor to the light detector ( 7 ) through a common optical fiber ( 6 ). The photodiode serving as a light detector converts the intensity values of the measurement and reference light into electrical voltage values, which can be processed and evaluated by means of a downstream evaluation electronics or computer coupling.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die lichteinkoppelnden und die lichtauskoppelnden Fasern (3) und (6) durch den Sensorschaft (4) geführt werden. Die Fasern enden an der verspiegelten Stirnfläche des Sensorschaftes (8) der dem Sensorkopf zugewandten Seite. Wird der Sensorschaft in Metall ausgeführt, so läßt sich dessen Stirnfläche durch Polieren verspiegeln. Der verbleibende Spalt (9) zwischen Sensorschaft (4) und Sensorkopf (5) ist zur besseren optischen Kopplung der Lichtleitfasern an den Sensorkopf mit Immersionsöl oder destilliertem Wasser gefüllt. Ein Konstruktionselement (10) dient zur Verbindung von Sensorkopf und Sensorschaft. Diese Verbindung ist in beliebiger Weise lösbar gestaltet. Eine Verbindung mittels Überwurfmutter oder Rastverbindung ermöglicht bei verbrauchter sensitiver Schicht (11) einen schnellen Wechsel des Sensorkopfes. Der Sensorkopf ist ein durchsichtiger zylindrischer Körper, z. B. aus Plexiglas gefertigt, dessen Mantelfläche mit der sensitiven Schicht (11) belegt ist. Die dem Sensorschaft abgewandte Stirnfläche (12) des Sensorkopfes ist verspiegelt ausgeführt, z. B. durch Aufdampfen einer Metallschicht. Die zylindersymmetrische Anordnung von Sensorschaft und Sensorkopf kann auch durch Verwendung von prismatischen Körpern realisiert werden. Entscheidend für die Funktionsweise ist die exakt planparallele Anordnung der Stirnflächen (8) und (12) sowie die dazu senkrecht angeordnete, sensitive Mantelfläche (11).In Fig. 2 is shown how the light in-coupling and the light extracting fibers (3) and are passed through the sensor shaft (4) (6). The fibers end on the mirrored end face of the sensor shaft ( 8 ) on the side facing the sensor head. If the sensor shaft is made of metal, its end face can be mirrored by polishing. The remaining gap ( 9 ) between sensor shaft ( 4 ) and sensor head ( 5 ) is filled with immersion oil or distilled water for better optical coupling of the optical fibers to the sensor head. A construction element ( 10 ) serves to connect the sensor head and sensor shaft. This connection can be made detachable in any way. A connection by means of a union nut or snap-in connection enables a quick change of the sensor head when the sensitive layer ( 11 ) is used up. The sensor head is a transparent cylindrical body, e.g. B. made of plexiglass, the outer surface of which is covered with the sensitive layer ( 11 ). The end face ( 12 ) of the sensor head facing away from the sensor shaft is made mirrored, for. B. by vapor deposition of a metal layer. The cylinder-symmetrical arrangement of the sensor shaft and sensor head can also be achieved by using prismatic bodies. Decisive for the mode of operation is the exactly plane-parallel arrangement of the end faces ( 8 ) and ( 12 ) as well as the sensitive lateral surface ( 11 ) arranged perpendicular to it.

Der Strahlengang während der Messung ist Fig. 3 zu entnehmen. Die Strahlen (A) bis (C) sind jeweils als ein ganzes Strahlenbündel mit qualitativ gleichem Verhalten zu verstehen. Bedingt durch die numerische Apertur der verwendeten Fasern breiten sich die Meß- und Referenzstrahlen in einem eingeschränkten Winkelbereich aus. Dieser Winkelbereich wird von den Strahlen auch durch die Totalreflexion am Sensorkopfmantel (11) und durch die Reflexion an den Stirnflächen (8 und 12) nicht verlassen, da die Strahlausbreitung zwischen planparallelen Platten erfolgt. Die vereinfachende Darstellung der maßgeblichen Effekte im zweidimensionalen hat auch für den tatsächlich vorliegenden dreidimensionalen Fall Gültigkeit.The beam path during the measurement can be seen in FIG. 3. The rays (A) to (C) are each to be understood as a whole bundle of rays with the same qualitative behavior. Due to the numerical aperture of the fibers used, the measuring and reference beams spread in a restricted angular range. The beams also do not leave this angular range due to the total reflection on the sensor head jacket ( 11 ) and the reflection on the end faces ( 8 and 12 ), since the beam propagation takes place between plane-parallel plates. The simplified representation of the relevant effects in the two-dimensional is also valid for the actually existing three-dimensional case.

Erfindungsgemäß bestimmend für den signalbildenden Strahlengang ist die Totalreflexion des Meßstrahles an der Phasengrenze sensitive Schicht/Meßfluid mit dem zweimaligen Passieren der sensitiven Schicht. Dabei wird der Meßstrahl je nach der zu messenden chemischen Größe von einem in der sensitiven Schicht immobilisierten Indikatorfarbstoff (Chromoionophor) wellenlängenselektiv absorbiert. Der Strahl mit der Meßwellenlänge erfährt eine stark von der Meßgröße abhängige Extinktion, während die Extinktion des Strahls mit der Referenzwellenlänge möglichst von der Meßgrößen unabhängig sein soll. Zur Gewährleistung der Totalreflexion muß die sensitive Schicht optisch dichter sein als das angrenzende Meßfluid (nFluid < nSchicht). Demgegenüber müssen die Brechzahlen von zylindrischem bzw. prismatischem Körper und sensitiver Schicht übereinstimmen, um den Strahlübergang durch diese Phasengrenze nicht zu behindern. According to the invention, the total reflection of the measuring beam at the phase boundary of the sensitive layer / measuring fluid with passing twice through the sensitive layer is decisive for the signal-forming beam path. Depending on the chemical size to be measured, the measuring beam is absorbed by a wavelength-selective indicator dye (chromoionophore) immobilized in the sensitive layer. The beam with the measuring wavelength experiences an extinction that is strongly dependent on the measured variable, while the extinction of the beam with the reference wavelength should be as independent as possible of the measured variables. To ensure total reflection, the sensitive layer must be optically denser than the adjacent measuring fluid (n fluid <n layer ). In contrast, the refractive indices of the cylindrical or prismatic body and the sensitive layer must match in order not to hinder the beam transition through this phase boundary.

Ein Meß- oder Referenzstrahl (A) tritt gemaß des Aperturwinkels der lichteinkoppelnden Fasern (3) in den Sensorkopf (5) ein, kann ein- oder mehrmals die sensitive Schicht passieren, wird dabei an der Phasengrenze sensitive Schicht/Meßfluid (13) totalreflektiert und erreicht die reflektierende Stirnfläche (12) des Sensorkopfes. Nach einer Reflexion an der Stirnfläche verläuft der Strahl in Richtung Sensorschaft, kann wiederum ein- oder mehrmals mit der sensitiven Schicht (11) wechselwirken und verläßt den Sensorkopf über die Stirnfläche der lichtauskoppelnden Faser (6).A measuring or reference beam (A) enters the sensor head ( 5 ) according to the aperture angle of the light-coupling fibers ( 3 ), can pass the sensitive layer one or more times, is totally reflected at the phase boundary sensitive layer / measuring fluid ( 13 ) and reaches the reflective end face ( 12 ) of the sensor head. After reflection on the end face, the beam runs in the direction of the sensor shaft, can in turn interact one or more times with the sensitive layer ( 11 ) and leaves the sensor head via the end face of the light-coupling fiber ( 6 ).

Ein anderer möglicher Strahlverlauf (B) tritt unter einem geringfügig anderen Winkel aus den lichteinkoppelnden Fasern (3) aus, nimmt einen prinzipiell gleichartigen Weg, verläßt aber an der Stirnfläche des Sensorschaftes den Sensorkopf noch nicht, sondern wird an der spiegelnden Stirnfläche (8) des Sensorschaftes erneut in Richtung Sensorkopf reflektiert. Dieser Strahl wiederholt den Durchlauf des Sensorkopfes, bis er wie Strahl (A) oder (C) den Sensorkopf durch eine angekoppelte Faser verläßt.Another possible beam path (B) emerges from the light-coupling fibers ( 3 ) at a slightly different angle, takes a basically the same path, but does not leave the sensor head on the end face of the sensor shaft, but is on the reflecting end face ( 8 ) of the Sensor shaft again reflected towards the sensor head. This beam repeats the passage of the sensor head until, like beam (A) or (C), it leaves the sensor head through a coupled fiber.

Charakteristisch für den Strahlengang (C) ist die Auskopplung in eine der Lichtleitfasern zur Ankopplung der Lichtquellen. Diese Strahlen tragen daher nicht zum Meßsignal bei, und gehen verloren. Weitere Verluste treten durch Dämpfung im zylindrischen oder prismatischen Plexiglaskörper sowie durch fertigungsbedingte Abweichungen von den vorgegebenen idealen Geometrien auf. Mit Ausnahme der angegebenen sehr kleinen Verluste ist der Sensorkopf ein optisch dichter Käfig, der von den Meß- und Referenzstrahlen nur über die lichtauskoppelnde Faser wieder verlassen werden kann. Werden unterschiedliche Faserquerschnitte für lichteinkoppelnde und lichtauskoppelnde Faser gewählt, lassen sich die Verluste aufgrund von Strahlengang (C) erheblich minimieren. Ein Verhältnis der Durchmesser von 1 : 10 führt zu einem Faserstirnflächenverhältnis von 1 : 100 bzw. 1 : 50 wenn man berücksichtigt, daß auf zwei lichteinkoppelnde Fasern eine lichtauskoppelnde Faser kommt. Damit ist auch die Wahrscheinlichkeit, daß ein Strahl den Sensorkopf über die nutzbringende lichtauskoppelnde Faser verläßt, 50mal größer als die Wahrscheinlichkeit des Auskoppeln in eine der anderen Fasern. Bei der Auswahl des Fasermaterials muß beachtet werden, daß die numerische Apertur der auskoppelnden Faser mindestens so groß wie die der einkoppelnden Fasern ist. Ohne diese Bedingung wurden Strahlen in einem Winkelbereich in den Sensorkopf eingekoppelt, der nicht vollständig vom Strahlkegel gemäß des Akzeptanzwinkels der auskoppelnden Faser abgedeckt wird.The coupling into one of the optical fibers is characteristic of the beam path (C) Coupling the light sources. These rays therefore do not contribute to the measurement signal, and get lost. Further losses occur due to damping in the cylindrical or prismatic Plexiglass body and production-related deviations from the specified ideal geometries. With the exception of the indicated very small losses, the Sensor head an optically dense cage, which is only of the measuring and reference beams over the light decoupling fiber can be left again. Become different Fiber cross-sections selected for light-coupling and light-coupling fibers can be Minimize losses due to beam path (C) considerably. A ratio of Diameters of 1:10 lead to a fiber end face ratio of 1: 100 or 1:50 if one takes into account that on two light-coupling fibers a light-coupling Fiber is coming. This is also the probability that a beam will pass the sensor head over the beneficial light output fiber leaves, 50 times greater than the probability of Uncoupling into one of the other fibers. When choosing the fiber material must be considered be that the numerical aperture of the outcoupling fiber at least as large as that of coupling fibers. Without this condition, rays were in an angular range the sensor head is coupled, which is not completely from the beam cone according to the Acceptance angle of the outcoupling fiber is covered.

Claims (5)

1. Anordnung zur Messung stoffbezogener Größen in Flüssigkeiten mittels einer faseroptischen Sonde, bestehend aus einem Sensorschaft, einem Sensorkopf mit einer sensitiven Schicht, die ein auf Konzentrationsänderungen chemischer Substanzen in Flüssigkeiten mit Farbänderungen reagierendes Chromoionophor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht auf den Mantelflächen eines geraden Prismas oder auf der Mantelfläche eines geraden Zylinders immobilisiert ist, der Sensorkopf mit planparallelen Deckflächen aus einem Material hoher Transparenz für den verwendeten Wellenlängenbereich besteht, daß die der Meßflüssigkeit zugewandte Stirnfläche des Sensorkopfes mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, daß der mit seiner Stirnfläche an den Sensorkopf grenzende Sensorschaft über eine reflektierende Stirnfläche verfügt und daß an der von der Meßflüssigkeit abgewandten Stirnfläche des Sensorkopfes eine oder mehrere Lichtleitfasern senkrecht angesetzt sind.1. Arrangement for measuring substance-related sizes in liquids by means of a fiber-optic probe, consisting of a sensor shaft, a sensor head with a sensitive layer which contains a chromoionophore reacting to changes in the concentration of chemical substances in liquids with color changes, characterized in that the sensitive layer on the outer surfaces of a straight prism or immobilized on the outer surface of a straight cylinder, the sensor head with plane-parallel cover surfaces consists of a material of high transparency for the wavelength range used, that the end face of the sensor head facing the measuring liquid is provided with a reflective layer that with its end face on the sensor shaft bordering the sensor head has a reflective end face and that one or more optical fibers are vertically attached to the end face of the sensor head facing away from the measuring liquid s ind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der sensitiven Schicht auf den Brechungsindex des Sensorkopfes abgestimmt ist (nPrisma < nSchicht), so daß ein gemäß dem Aperturwinkel der einkoppelnden Faser auf die Mantelfläche des Sensorkopfes treffender Lichtstrahl in die Schicht eintritt, an der Phasengrenze Meßfluid/sensitive Schicht totalreflektiert wird (nFluid < nSchicht) und während des zweimaligen Passierens der sensitiven Schicht gemäß der zu messenden chemischen Größe von dem in der sensitiven Schicht immobilisierten Farbindikator definiert wellenlängenselektiv absorbiert wird.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the refractive index of the sensitive layer is matched to the refractive index of the sensor head (n prism <n layer ), so that a light beam striking the outer surface of the sensor head in accordance with the aperture angle of the coupling fiber into the layer occurs, at the phase boundary measuring fluid / sensitive layer is totally reflected (n fluid <n layer ) and during the two passes through the sensitive layer according to the chemical size to be measured, it is wavelength-selectively absorbed by the color indicator immobilized in the sensitive layer. 3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der lichtauskoppelnden Faserstirnflächen zu den lichteinkoppelnden Faserstirnflächen zwischen 4 : 1 und 100 : 1 beträgt, was durch die Wahl unterschiedlicher Faserquerschnitte im Verhältnis zwischen 2 : 1 und 10 : 1 erreicht wird.3. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the Ratio of the outgoing fiber end faces to the incoming light Fiber end faces between 4: 1 and 100: 1, which is due to the choice of different Fiber cross sections in a ratio between 2: 1 and 10: 1 is achieved. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf an dem Sensorschaft mit einer mechanisch lösbaren Verbindung (vorzugsweise mittels Rastverbindung oder Überwurfmutter) befestigt ist, wodurch bei verschlissener sensitiver Schicht ein schneller Wechsel des Sensorkopfes ermöglicht wird.4. Arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that the Sensor head on the sensor shaft with a mechanically detachable connection (preferably by means of a locking connection or union nut), which means that worn sensitive layer allows a quick change of the sensor head becomes. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Kopplung zwischen Sensorkopf und Sensorschaft durch eine Flüssigkeit mit gleichem Brechungsindex hergestellt ist.5. Arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that the optical coupling between sensor head and sensor shaft through a liquid same refractive index is produced.
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