DE20201213U1

DE20201213U1 - Faseroptische Transmissionstauchsonde

Info

Publication number: DE20201213U1
Application number: DE20201213U
Authority: DE
Original assignee: Loptek Glasfasertechnik & GmbH
Current assignee: Loptek Glasfasertechnik & GmbH
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2012-01-19

Description

Beschreibung

Faseroptische Transmissionstauchsonde

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Transmissionstauchsonde zur Messung des spektralen Absorptionsverhaltens von vorzugsweise Flüssigkeiten hauptsächlich in den UV/VIS (von 0,19&mgr;&eegr;&igr; bis &Igr;,&Ogr;&mgr;&eegr;&igr;) und NIR (von 0,7&mgr;&pgr;&igr; bis 2,5&mgr;&eegr;&igr;) Spektralbereichen.
Faseroptisch gekoppelte Transmissionstauchsonden sind bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Schaft, in den eine Absorptionsstrecke eingelassen ist. Der Schaft wird so weit in die zu diagnostizierende Flüssigkeit eingetaucht, daß die Absorptionsstrecke voll ausgefüllt wird. Derartige Sonden sind über zwei glasfaseroptische Lichtwellenleiter (je einen für die Hin- und Rückführung des Lichtes) über eine lange Distanz flexibel z.B. mit einem Spektrometer verbunden (DE 4343 872 Al).

Man unterscheidet zwischen Retroreflektionssonden und Transmissionssonden im engeren Sinne (s. z.B. US-Patent Nr. 5,418,615). Bei den Retroreflektionssonden durchdringt das Licht zunächst die Absorptionsstrecke, wird danach durch geeignete Mittel im Schaftboden (z.B. Spiegel) zurückreflektiert, um erneut die Absorptionsstrecke zu durchstrahlen. Dies führt zu schädlichen Rückkoppeleffekten und zur Verdopplung des Absorptionsweges. Bei den Transmissionstauchsonden durchstrahlt das Licht die Absorptionsstrecke nur ein Mal und wird durch geeignete Mittel im Schaftboden (z.B. Umlenkprismen) innerhalb des Schaftes an der Absorptionsstrecke vorbei zurückgeführt. In der Regel wird bei beiden Typen das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht zunächst vorzugsweise durch Linsen entsprechend kollimiert, bevor es die jeweilige Absorptionsstrecke durchdringt. Die Einkopplung des Lichtes in den rückführenden Lichtwellenleiter erfolgt ebenfalls vorzugsweise durch Linsen. Bei Retroreflektionssonden kann die Ein- und Auskopplung des Lichtes mit der Rückreflektion gekoppelt sein. In jedem Fall bedingen die Koppeloptiken einen relativ großen Schaftdurchmesser. Für die Analyse werden daher Gefäße mit großen Öffnungen und entsprechend große Probenmengen benötigt. Außerdem kommt es wegen des relativ großen Durchmessers der Absorptionsstrecke bei geringen Absorptionswegen innerhalb der Absorptionsstrecke zur Bläschenbildung, was die Messung negativ beeinflußt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptisch gekoppelte Transmissionstauchsonde mit dünnem Schaft und bläschenfreier Absorptionsstrecke zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für die hin- und rückführenden Lichtleiter Einzelfasern eingesetzt werden, deren Enden unter einem Winkel von vorzugsweise 45° geschliffen und poliert, sowie verspiegelt, sind, und die in einem Abstand d parallel zueinander derart angeordnet sind, daß das Licht in der zuführenden Faser von der schräg polierten Endfläche senkrecht zur Faserachse reflektiert wird, dadurch die Faser verläßt, die Strecke d, die die Absorptionsstrecke bildet, überbrückt, in die rückführende Faser eindringt, von deren schräg polierten Endfläche in Richtung deren Faserachse reflektiert und so abgeführt wird, wobei die beiden Fasern in einem dünnen Schaft geführt werden, aus dessen Boden, in dem sie verklebt oder abgedichtet sind, sie ragen und auf diese Weise mit dem zu analysierenden Medium in Kontakt kommen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen, die teilweise schematisch sind und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 verschiedene Schnitte des Bodenbereiches des Schaftes einer faseroptischen Transmissionstauchsonde mit geklebten Fasern,

Fig. 2 einen Schnitt des Bodenbereiches des Schaftes einer faseroptischen Transmissionstauchsonde mit abgedichteten Fasern,

Fig. 3 eine Ausführungsform der faseroptische Transmissionstauchsonde und
Fig. 4 eine klebefreie faseroptische Transmissionstauchsonde.

In Fig. la dient eine der beiden Fasern 1 und 2, z.B. Faserl, der Zuführung des Lichtes. Das Licht wird am Ende der Faser la, das unter einem Winkel von 45° zur Faserachse geschliffen und poliert wurde, sowie mit einer Rückreflektionsschicht, z.B. aus Aluminium oder Gold versehen ist, und eine Schutzschicht, z.B. aus S1O2, hat, senkrecht bzw. nahezu senkrecht zur Faserachse reflektiert. Es tritt über den Mantel der Faser aus, überbrückt den Abstand d und dringt in die Faser 2 ein. Dort wird das Licht von dem ebenfalls unter einem Winkel von 45° zur Faserachse geschliffen und polierten, sowie entsprechend verspiegelten, Ende 2a in Richtung der Achse der Faser 2 reflektiert. Dadurch kann das Licht in der Faser als geführte Mode z.B. zum Spektrometer oder einem Empfänger geleitet werden. Die Fasern ragen die Länge L aus dem Boden 3 des Schaftes 4 der Transmisssionstauchsonde heraus. In den in Fig.

1 dargestellten Ausführungsformen sind die Fasern mit einem an sich bekannten Epoxidharz-Kleber in den Boden 3 geklebt. Die Klebung gewährleistet einerseits eine Dichtung zwischen dem Medium und dem Innern des Schaftes und andererseits eine Minimierung des Schaftdurchmessers D, der hauptsächlich durch den Faserdurchmesser und dem Abstand d definiert ist. Die Klebung gestattet auch eine Minimierung des Abstandes d, der praktisch nur durch den Steg zwischen den beiden Bohrungen für die Faserdurchführungen im Boden 3 bestimmt wird. Die Länge L wird vorzugsweise 4 mal dem Durchmesser einer Faser gewählt. Da die Absorption des Lichtes im Medium praktisch nur im Bereich der schrägen Enden erfolgt, können etwa beim Eintauchen entstandenen Bläschen leicht zum Boden 3 hin abwandern und stören nicht.

Die Tauchsonde kann, wie in Fig. la dargestellt, eingesetzt werden, kann aber auch in einer anderen Ausführungsform eine Kappe 6 aufweisen (s. Fig. Ib), die vorzugsweise als Röhrchen ausgebildet ist, das über das Ende des Schaftes gestülpt wird und deutlich über die Faserenden ragt. Das Röhrchen hat diametral gegenüberliegend zwei Schlitze 12, die so dimensioniert und angeordnet sind, daß sie den Absorptionsbereich der Tauchsonde mit dem Abstand d freigeben. Infolgedessen kann eine zu diagnostizierende Flüssigkeit ungehindert durch die Absorptionsstrecke fließen.

Für besonders zähe Flüssigkeiten kann in einer weiteren Ausführungsform (Fig. Ic) der Hohlraum zwischen der Kappe 6 und den Fasern 1 und 2 mit einem Dichtmaterial 13, z.B. Epoxidharz-Kleber, ausgefüllt sein. Die Fasern werden dadurch mechanisch gestützt.
Bestimmte Anwendungen gestatten als Konstruktionsmaterialien lediglich spezielle, säurefeste Edelstahle oder Hastelloy, PTFE und Quarz. Fig. 2 zeigt dazu eine weitere Ausführungsform der faseroptischen Transmissionstauchsonde. Hier besteht der Boden 3 des Schaftes 4 aus PTFE. Der als Kegelstumpf ausgebildete Teil des Bodens wird durch die Überwurfmutter 5 gegen ein entsprechendes Paßstück im Schaft 4, der aus speziellem, säurefestem Edelstahl oder Hastelloy gefertigt ist, gepreßt. Das dichtet den Boden 3 gegen den Schaft 4 ab. Die dabei auftretenden Kräfte in radialer Richtung dichten die durch den Boden geführten Fasern 1 und

Eine Ausführungsform der gesamten Tauchsonde ist in Fig. 3 zu sehen. Der dünne, runde Schaft 4 der faseroptischen Transmissionstauchsonde geht in ein Griffstück 7 größeren Durchmessers über. In den Deckel 8 des Griffstückes 7 sind Faserkoppler 9, vorzugsweise vom SMA-Standard, eingelassen. Die Fasern 1 und 2 werden innerhalb des Schaftes 4 und des Griffstückes 7 geführt und sind am der Absorptionsstrecke gegenüberliegenden Ende mit Ferrule (Ib, 2b), vorzugsweise vom SMA-Standard, konfektioniert. Die Ferrulen Ib und 2b sind in die Faserkoppler 9 eingepaßt und werden mit Epoxidharz-Zweikomponentenkleber fixiert. Über die Faserkoppler 9 ist die Tauchsonde durch Lichtleitkabel (nicht gezeigt) z.B. mit einem Spektrometer verbunden.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Tauchsonde ist für große Temperaturschwankungen wegen des deutlichen Unterschiedes im Ausdehnungskoeffizienten

von Quarz und Metall nicht geeignet. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der faseroptischen Transmissionstauchsonde, bei der dieser Mangel behoben ist. Dabei geht der dünne, runde Schaft der Tauchsonde ebenfalls in ein Griffstück 7 größeren Durchmessers über, in dessen Deckel 8 jedoch zwei Schutzschläuche 10 eingepaßt sind. Die Fasern 1 und 2 werden in den Schutzschläuchen geführt. Sie sind am Ende mit Fasersteckern 11, vorzugsweise vom SMA-Standard, konfektioniert, die an den jeweiligen Enden der Schutzschläuche befestigt sind. Die Schutzschläuche sind hinreichend verformbar, insbesondere hinsichtlich einer Längenänderung, sowie entsprechend lang, so daß Längendifferenzen im Schaftbereich zwischen Schaft und Fasern, hervorgerufen durch Temperaturänderungen, kompensiert werden können. Die Schutzschläuche sind vorzugsweise vom bekannten Typ AGRAFF, d.h. sie bestehen aus Edelstahl ohne Dichtung und sind in Endlage gewickelt.
Mit einer 600/660&mgr;&pgr;&igr; IR-Quarz/Quarz Faser wurde die faseroptische Transmissionstauchsonde sowohl in der Ausführungsform mit geklebten Fasern (entsprechend Fig. 1 abzw. B und Fig. 3) als auch in der &ldquor;klebefreien" Ausfuhrungsform (entsprechend Fig. 2 und Fig. 4) realisiert. Der Abstand zwischen den Achsen der Fasern beträgt dabei 1,3 mm, so daß der Abstand d einen Wert von 0,64mm hat. Die Länge L beträgt 3mm. Die Enden la und 2a sind mit einer Aluminium-Rückreflektionsschicht versehen. Der Schaftdurchmesser beträgt in der Ausführungsform mit geklebten Fasern 3 mm. Die klebefreie Ausführungsform hat einen Schaftdurchmesser von 6,6mm. Die Schutzschläuche 10 sind 1,5m lang. Für beide Ausführungsformen wurde eine Transmission von mehr als 33% in Luft oberhalb 0,4&mgr;&eegr;&igr; Lichtwellenlänge erhalten.

Claims

1. Faseroptische Transmissionstauchsonde zur Messung der Absorption von Licht in vorzugsweise flüssigen Medien bestehend aus einem Schaft 4, der eine Absorptionsstrecke aufweist und durch zwei glasfaseroptische Lichtwellenleiter flexibel über eine lange Distanz z. B. mit einem Spektrometer verbunden ist, wobei einer der Lichtleiter das Licht zur Absorptionsstrecke führt und z. B. auch direkt von einer Lichtquelle kommen kann, die auch breitbandig sein kann, während der andere Lichtleiter das Licht von der Absorptionsstrecke zurück leitet und z. B. auch direkt an einen Lichtempfänger angeschlossen sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsstrecke durch zwei in einem Abstand d parallel zueinander angeordnete glasfaseroptische Lichtwellenleiter (1; 2) gebildet wird, deren Enden (1a; 2a) unter einem Winkel zur Faserachse von vorzugsweise 45° geschliffen und poliert, sowie verspiegelt und so zueinander ausgerichtet sind, daß das in einer Faser auf das Ende treffende Licht über die Strecke d in die zweite Faser gekoppelt wird.

2. Faseroptische Transmissionstauchsonde nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (1; 2) in den Boden (3) des Schaftes (4) der Tauchsonde geklebt sind und mit ihren Faserenden (1a; 2a) die Länge L aus dem Boden (3) ragen, wobei die Länge L vorzugsweise 4 mal dem Durchmesser einer Faser beträgt.

3. Faseroptische Transmissionstauchsonde nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (3) des runden Schaftes (4) der Tauchsonde aus Dichtmaterial, vorzugsweise PTFE, besteht und mit seiner als Kegelstumpf ausgebildeten Seite durch eine Überwurfmutter (5) gegen ein entsprechendes Paßstück im Schaft (4) gepreßt wird, wobei auch eine Kraft in radialer Richtung gebildet wird, die die durch den Boden (3) geführten Fasern (1; 2) gegen das Dichtmaterial des Bodens (3) preßt, so daß die mit der Länge L, die vorzugsweise 4 mal dem Durchmesser einer Faser beträgt, aus der ebenen Seite des Bodens (3) herausragenden Faserenden (1a; 2a) gegenüber dem Innern des Schaftes (4) abgedichtet sind.

4. Faseroptische Transmissionstauchsonde nach Anspruch 1, sowie nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden (1a; 2a) durch eine Kappe (6) geschützt sind, die vorzugsweise als Röhrchen ausgebildet ist, das über das Ende des Schaftes (4) gestülpt wird und deutlich über die Länge L, mit der die Faserenden (1a; 2a) aus dem Boden (3) ragen, über den Boden (3) hinausgehen, wobei die Wand der Kappe (6) diametral gegenüberliegende Schlitze (12) aufweist, die den Absorptionsbereich der Tauchsonde mit dem Abstand d in radialer Richtung durch die Kappe (6) freigeben, so daß die zu diagnostizierende Flüssigkeit ungehindert durch die Absorptionsstrecke fließen kann.

5. Faseroptische Transmissionstauchsonde nach Anspruch 1 und 4, sowie nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der dünne, runde Schaft (4) der Tauchsonde in ein Griffstück (7) größeren Durchmessers übergeht, in dessen Deckel (8) Faserkoppler (9), vorzugsweise vom SMA Standard, eingelassen sind, in denen die anderen Enden der Fasern (1; 2), die mit Ferrulen (1b; 2b), vorzugsweise vom SMA Standard, konfektioniert wurden, vorzugsweise durch eine Klebung fixiert sind.

6. Faseroptische Tauchsonde nach den Ansprüchen 1 und 4, sowie nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der dünne, runde Schaft (4) der Tauchsonde in ein Griffstück (7) größeren Durchmessers übergeht, in dessen Deckel (8) zwei Schutzschläuche (9), vorzugsweise aus Edelstahl ohne Dichtung und in Endlage gewickelt vom Typ AGRAFF, eingepaßt sind, in denen die Fasern (1; 2) weitergeführt werden, wobei die Faserenden mit Fasersteckern (11), vorzugsweise vom SMA Standard, konfektioniert sind, die an die jeweiligen Enden der Schutzschläuche adaptiert werden.