DE202022101831U1

DE202022101831U1 - Optical measuring cell

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Publication number: DE202022101831U1
Application number: DE202022101831.6U
Authority: DE
Original assignee: Cs Instr & Co Kg GmbH; Cs Instruments & Co Kg GmbH
Current assignee: Cs Instr & Co Kg GmbH; Cs Instruments & Co Kg GmbH
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2032-04-07

Abstract

Optische Messzelle (1) für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids, mit einem Gehäuse (2) mit Rohr (3), Deckel (4) und Boden (5),
wobei ein mit dem Gehäuse (2) verbundenes Einkoppelelement (11) vorgesehen ist, das einen Lichtstrahl (7) in den Innenraum des Gehäuses (2) so einkoppelt, dass der eingekoppelte Lichtstrahl (7) parallel zur optischen Hauptachse (34) verläuft, wobei mit dem Deckel (4) und dem Boden (5) verbundene Umsetzelemente vorgesehen sind, die einen einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse (34) verlaufenden Lichtstrahl (7) lateral versetzt in den Innenraum des Gehäuses (2) parallel zur optischen Hauptachse (34) zurückstrahlen,
wobei ein mit dem Gehäuse (2) verbundenes Auskoppelelement (11) vorgesehen ist, das einen auftreffenden Lichtstrahl (7) auskoppelt,
wobei der fluidgefüllte Innenraum des Gehäuses (2) vielfach durchstrahlt wird.

Optical measuring cell (1) for the absorption-spectroscopic determination of at least one chemical and/or physical parameter of a fluid, with a housing (2) with a tube (3), cover (4) and base (5),
a coupling element (11) connected to the housing (2) being provided, which couples a light beam (7) into the interior of the housing (2) in such a way that the coupled light beam (7) runs parallel to the main optical axis (34), wherein Conversion elements connected to the cover (4) and the base (5) are provided, which laterally offset an incident light beam (7) running parallel to the main optical axis (34) into the interior of the housing (2) parallel to the main optical axis (34). reflect back,
a decoupling element (11) connected to the housing (2) being provided, which decouples an impinging light beam (7),
wherein the fluid-filled interior of the housing (2) is irradiated multiple times.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft eine optische Messzelle für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids.The invention relates to an optical measuring cell for the absorption-spectroscopic determination of at least one chemical and/or physical parameter of a fluid.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Derartige optische Messzellen werden in der Spektroskopie häufig verwendet, um niedrig konzentrierte Komponenten zu beobachten. Um die Nachweisempfindlichkeit dieser Messzelle zu verbessern, wird die gesamte optische Weglänge, die ein kleines, konstantes Probenvolumen durchläuft, möglichst lang gewählt, denn eine größere Weglänge führt zu einer höheren Nachweisempfindlichkeit. Um dies zu erreichen, wird die optische Weglänge durch optische, reflektierende Elemente so umgelenkt, dass die Messzelle mehrfach durchlaufen wird - man spricht von Multipass-Messzellen. Der Ausgang der Zelle ist der Eingang eines optischen Detektors, der spezifische Veränderungen der Eigenschaften des Strahls aufgrund des Durchgangs durch die Messzelle erkennt, sodass daraus die gewünschten Aussagen zu den zu untersuchenden Komponenten abgeleitet werden können. Vergleiche hierzu den Wikipedia Artikel „Multipass spectroscopic absorption cells“ (https://en.wikipedia.org/wiki/Multipass-spectroscopic-absorption-cells).Such optical measuring cells are often used in spectroscopy to observe low-concentration components. In order to improve the detection sensitivity of this measuring cell, the total optical path length that runs through a small, constant sample volume is chosen to be as long as possible, because a longer path length leads to higher detection sensitivity. In order to achieve this, the optical path length is deflected by optical, reflecting elements in such a way that the measuring cell is passed through several times - one speaks of multipass measuring cells. The output of the cell is the input of an optical detector, which detects specific changes in the properties of the beam due to the passage through the measuring cell, so that the desired information about the components to be examined can be derived. See the Wikipedia article "Multipass spectroscopic absorption cells" (https://en.wikipedia.org/wiki/Multipass-spectroscopic-absorption-cells).

Zwei herkömmliche Multipass-Zellen sind die White-Zelle und die Herriott-Zelle. Diese sind in der Spurengassensorik sowie in Umwelt- und Industrieprozessen weit verbreitet.Two conventional multipass cells are the White cell and the Herriott cell. These are widely used in trace gas sensing and in environmental and industrial processes.

Die White-Zelle verwendet drei sphärisch konkave Spiegel mit demselben Krümmungsradius, wobei die zwei kleineren konkaven Spiegel zueinander durch eine Lücke beabstandet sind und dem anderen größeren Spiegel gegenüberliegen. Ein Lichtstrahl wird schräg von außen auf einen der konkaven Spiegel geworfen und anschließend durch die konkaven Spiegel vielfach zueinander reflektiert, bis der Lichtstrahl schräg aus der Zelle austritt und auf einen Detektor trifft.The White cell uses three spherically concave mirrors of the same radius of curvature, with the two smaller concave mirrors spaced apart by a gap and facing the other larger mirror. A light beam is thrown at an angle from the outside onto one of the concave mirrors and then reflected multiple times towards one another by the concave mirrors until the light beam exits the cell at an angle and hits a detector.

Die Herriott-Zelle besteht aus zwei gegenüberliegenden sphärischen Spiegeln. In einen der Spiegel wird typisch ein Loch eingearbeitet, damit die Eingangs- und Ausgangsstrahlen in den Zwischenraum schräg eintreten und aus ihm austreten können. Alternativ kann der Strahl durch ein Loch im gegenüberliegenden Spiegel austreten. Auf diese Weise kann die Herriott-Zelle mehrere Lichtquellen unterstützen, indem sie mehrere Eintritts- und Austrittslöcher in jedem der Spiegel bereitstellt. Eine vergleichbare Herriott-Zelle ist auch aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 08 883 A1 bekannt.The Herriott cell consists of two opposing spherical mirrors. A hole is typically machined into one of the mirrors to allow the input and output beams to enter and exit the gap at an angle. Alternatively, the beam can exit through a hole in the opposite mirror. In this way, the Herriott cell can support multiple light sources by providing multiple entry and exit holes in each of the mirrors. A comparable Herriott cell is also from the German Offenlegungsschrift DE 103 08 883 A1 known.

Eine andere optische Messzelle ist aus der DE 41 24 545 C2 bekannt, die zur Erzeugung eines besonders langen Lichtweges die zylindrische Messzelle innen vollständig verspiegelt, durch eine Lücke den Messstrahl schräg in die Messzelle einkoppelt und dadurch vielfach auf der Innenseite reflektiert und durch die Lücke wieder austreten lässt und dem Detektor zuführt.Another optical measuring cell is from the DE 41 24 545 C2 known, which, to generate a particularly long light path, completely mirrors the inside of the cylindrical measuring cell, couples the measuring beam at an angle into the measuring cell through a gap and thus reflects it many times on the inside and lets it exit through the gap again and feeds it to the detector.

Diese Messzellen erweisen sich als wenig robust beispielsweise gegen thermische Veränderungen oder gegen Erschütterungen.These measuring cells have proven to be less robust against thermal changes or shocks, for example.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte optische Messzelle für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids anzugeben.The invention is based on the object of specifying an optical measuring cell which is improved over the prior art for the absorption-spectroscopic determination of at least one chemical and/or physical parameter of a fluid.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer optischen Messzelle für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention with an optical measuring cell for the absorption-spectroscopic determination of at least one chemical and/or physical parameter of a fluid, which has the features specified in claim 1 .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße optische Messzelle ist für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids ausgebildet und vorgesehen. Sie weist ein Gehäuse mit Rohr, Deckel und Boden auf, in das das zu untersuchende Fluids eingebracht wird.The optical measuring cell according to the invention is designed and provided for the absorption-spectroscopic determination of at least one chemical and/or physical parameter of a fluid. It has a housing with a tube, cover and base into which the fluid to be examined is introduced.

Über ein mit dem Gehäuse verbundenes Einkoppelelement wird ein Lichtstrahl für die absorptions-spektroskopische Untersuchung in den Innenraum des Gehäuses mit dem zu untersuchenden Fluid so einkoppelt, dass der eingekoppelte Lichtstrahl im Innern des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses verläuft.A light beam for the absorption spectroscopic examination is coupled into the interior of the housing with the fluid to be examined via a coupling element connected to the housing in such a way that the coupled light beam runs parallel to the main optical axis of the measuring cell or the housing inside the housing.

Der Deckel und der Boden sind mit Umsetzelementen für den Lichtstrahl im Gehäuse verbunden, die den auf das Umsetzelement einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses verlaufenden Lichtstrahl lateral zu dem einfallenden Lichtstrahl versetzt in den Innenraum des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses zurückstrahlen.The cover and the base are connected to conversion elements for the light beam in the housing, which laterally offset the light beam incident on the conversion element and running parallel to the main optical axis of the measuring cell or the housing to the incident light beam in the interior of the housing parallel to the optical Reflect the main axis of the measuring cell or the housing.

Weiterhin ist ein mit dem Gehäuse verbundenes Auskoppelelement vorgesehen, das einen aus dem Innenraum des Gehäuses auf das Auskoppelelement auftreffenden Lichtstrahl aus dem Gehäuse auskoppelt, um den ausgekoppelten Lichtstrahl nach mehrfachem Durchdringen des Innenraums einem Detektor für die absorptions-spektroskopische Bestimmung eines chemischen und oder physikalischen Parameters des durchstrahlten Fluids zuzuführen.Furthermore, a decoupling element connected to the housing is provided, which decouples a light beam impinging on the decoupling element from the interior of the housing from the housing in order to transmit the decoupled light beam, after it has penetrated the interior several times, to a detector for the absorption-spectroscopic determination of a chemical and/or physical parameter to supply the irradiated fluid.

Dabei wird der fluidgefüllte Innenraum des Gehäuses vielfach durchstrahlt. Dabei bedeutet vielfach eine Anzahl im Bereich von einigen 10 mal beziehungsweise bei relativ hohen Absorptionskoeffizienten einer zu messenden Komponente in einem Fluid wie beispielsweise Feuchtigkeit in Luft im Bereich von 10 mal insbesondere bei 4-8 mal. Eine Durchstrahlung der Messzelle über 100-mal ist dabei nicht gewollt, da die Durchstrahlung der Messzelle erfindungsgemäß sehr zielgerichtet und spezifisch ist und dadurch ausreicht.The fluid-filled interior of the housing is irradiated multiple times. Often means a number in the range of some 10 times or in the case of relatively high absorption coefficients of a component to be measured in a fluid, such as moisture in air, in the range of 10 times, in particular 4-8 times. Irradiation of the measuring cell more than 100 times is not desired, since the irradiation of the measuring cell is very targeted and specific according to the invention and is therefore sufficient.

Mit dieser erfindungsgemäßen optischen Messzelle wird es möglich, chemische und/oder physikalische Parameter eines Fluids wie beispielsweise die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, die Feuchtigkeit in einem insbesondere gasförmigen Fluid, die Temperatur und oder auch den Taupunkt des Fluids zu bestimmen und dies auf sehr präzise und robuste Weise zu ermöglichen, da der Aufbau der optischen Messzelle mit dem besonders gestalteten Strahlengang in dem Gehäuse mit dem mehrfachen Durchschreiten des Innenraums des Gehäuses und damit durch das zu untersuchende Fluid dies in besonderem Maß unterstützt.With this optical measuring cell according to the invention, it is possible to determine chemical and/or physical parameters of a fluid, such as the concentration of a gas component in a gas mixture, the humidity in a particularly gaseous fluid, the temperature and/or the dew point of the fluid and this on a very high level to enable precise and robust way, since the structure of the optical measuring cell with the specially designed beam path in the housing with multiple passage through the interior of the housing and thus through the fluid to be examined supports this to a special degree.

Als Lichtstrahlen haben sich nicht nur kohärente Laserstrahlen bewährt sondern gerade auch Lichtstrahlen von Lichtquellen, die nicht monochromes oder auch wenig fokussiertes oder kollimiertes Licht ausstrahlen. Durch die Verwendung von Lichtstrahlen mit großer Kohärenzlänge steigt das Risiko, dass sich der Lichtstrahl während der mehrfachen Durchquerung der Messzelle störend interferierend überlagert und dadurch das Messergebnis schädigt, was durch die Verwendung von nicht monochromem und/oder wenig fokussiertem und/oder kollimiertem Licht weniger der Fall ist und dadurch zu einem verlässlicheren Messergebnis führen kann.Not only coherent laser beams have proven themselves as light beams, but also light beams from light sources that emit non-monochrome or poorly focused or collimated light. The use of light beams with a large coherence length increases the risk that the light beam will interfere with one another while crossing the measuring cell multiple times, thereby damaging the measurement result is the case and can therefore lead to a more reliable measurement result.

Es hat sich auch gezeigt, dass kleine Abweichungen in der Richtung der Lichtstrahlen beim Durchqueren der Messzelle parallel zu der optischen Hauptachse akzeptabel sind und dennoch ein ausreichend verlässliches Messergebnis ermöglichen.It has also been shown that small deviations in the direction of the light rays when crossing the measuring cell parallel to the main optical axis are acceptable and still allow a sufficiently reliable measurement result.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass mit dem Deckel und dem Boden verbundene Umsetzelemente aus Dachprismen, plankonvexen Linsen, Hohlspiegeln, Kegelspiegeln, Kegellinsen, Retroreflektorenoptiken ausgewählt sind. Dabei haben sich verschiedene Kombinationen der oben genannten Umsetzelemente besonders bewährt. Dabei ist die Anordnung, die Geometrie und die Materialien der Umsetzelemente so gewählt, dass parallel zur optischen Hauptachse aus dem Innenraum des Gehäuses einfallende Lichtstrahlen versetzt und parallel zur optischen Hauptachse in den Innenraum eingestrahlt werden.It has proven particularly useful to develop the device according to the invention in such a way that conversion elements connected to the cover and the base are selected from roof prisms, plano-convex lenses, concave mirrors, conical mirrors, conical lenses, retroreflector optics. Various combinations of the above-mentioned conversion elements have proven particularly useful. The arrangement, the geometry and the materials of the conversion elements are selected in such a way that light beams incident parallel to the main optical axis from the interior of the housing are offset and radiated into the interior parallel to the main optical axis.

Gerade die Verwendung von Dachprismen, zu denen auch die besonders vorteilhaften Dove-Prismen gehören, ist besonders geeignet, denn durch die wenigstens zwei seiner schrägen Seitenflächen des Dachprismas wird die gewünschte Rückreflexion mit Versatz auf einfache und effiziente sowie sichere Weise ermöglicht. Hierzu werden die Dachprismen mit ihrer Basisfläche so ausgebildet und mit dem Deckel und/oder mit dem Boden verbunden, dass das aus dem Innenraum des Gehäuses einfallende Licht durch die Basisfläche senkrecht eintritt und aufgrund der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtstrahls parallel zu der optischen Hauptachse der reflektierte, versetzte Lichtstrahl wieder parallel zu der optischen Hauptachse in den Innenraum des Gehäuses und damit in Richtung des gegenüberliegenden Bodens oder Deckels eingestrahlt wird. Diese erweisen sich als sehr flexibel im Hinblick auf die Anpassung an die gewünschte Geometrie der optischen Messzelle und zusätzlich als sehr robust bezüglich Maßungenauigkeiten bei der Gestaltung der optischen Messzelle.The use of roof prisms, which also include the particularly advantageous Dove prisms, is particularly suitable because the desired back reflection with offset is made possible in a simple, efficient and safe manner by the at least two of its sloping side surfaces of the roof prism. For this purpose, the roof prisms are designed with their base surface and connected to the cover and/or the base in such a way that the light incident from the interior of the housing enters perpendicularly through the base surface and due to the direction of incidence of the incident light beam being parallel to the main optical axis of the reflected, offset light beam is radiated parallel to the main optical axis in the interior of the housing and thus in the direction of the opposite bottom or lid. These have proven to be very flexible with regard to the adaptation to the desired geometry of the optical measuring cell and also very robust with regard to dimensional inaccuracies in the design of the optical measuring cell.

In entsprechender Weise haben sich plankonvexe Linsen oder Hohlspiegel bewährt, die die parallel zur optischen Hauptachse einfallenden Lichtstrahlen aus dem Innenraum versetzt und parallel zur optischen Hauptachse in den Innenraum zurückwerfen. Dabei ist die plane Seite der plankonvexen Linsen jeweils dem Innenraum des Gehäuses so zugeordnet, dass die einfallenden Lichtstrahlen effizient und mit möglichst geringer Dämpfung in die plankonvexen Linsen eintreten können.Correspondingly, plano-convex lenses or concave mirrors have proven their worth, which offset the incident light rays from the interior parallel to the main optical axis and throw them back into the interior parallel to the main optical axis. The flat side of the plano-convex lenses is assigned to the interior of the housing in such a way that the incident light rays can enter the plano-convex lenses efficiently and with as little attenuation as possible.

Die Hohlspiegel zeigen dabei einen einfachen Aufbau, der aber mit einem undefinierten, positionsabhängigen Lichtweg in dem Hohlspiegel zwischen Eintritt in den Hohlspiegel und Erreichen der Reflexionsfläche und dem Verlassen des Hohlspiegels und damit in der Messzelle verbunden ist und damit automatisch Einfluss auf das Messergebnis nimmt. Durch die unterschiedlichen, positionsabhängigen Lichtwege im Hohlspiegel lässt sich der Gesamtlichtweg nicht mehr ausreichend genau bestimmen. Dies wirkt sich besonders störend bei niedrigen Absorptionskoeffizienten einer zu messenden Komponente in einem Fluid und insbesondere bei einer höheren Anzahl an Durchquerungen in der Messzelle aus.The concave mirrors have a simple structure, but this is associated with an undefined, position-dependent light path in the concave mirror between entering the concave mirror and reaching the reflection surface and leaving the concave mirror and thus in the measuring cell, and thus automatically influences the measurement result. Due to the different, position-dependent light paths in the concave mirror, the total light path can no longer be determined with sufficient accuracy. This is particularly annoying low absorption coefficient of a component to be measured in a fluid and in particular with a higher number of crossings in the measuring cell.

Dagegen zeigen die plankonvexen Linsen definierte Lichtwege, was zu einer verbesserten Aussagekraft der Messergebnisse der Messzelle führt.In contrast, the plano-convex lenses show defined light paths, which leads to an improved significance of the measuring results of the measuring cell.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausbildung des Umsetzelementes zeigt die Struktur einer Retroreflektorenoptik, die beispielsweise aus den im Kraftfahrzeugverkehr verwendeten Reflektoren oder auch aus der Distanzmessung mittels Laser bekannt sind. Diese Retroreflektorenoptiken zeigen einen sehr einfachen, wirkungsvollen und robusten Aufbau. Auch wenn diese als Retroreflektoren ausgebildeten Umsetzelemente Kanten im Bereich der einfallenden beziehungsweise ausfallenden Lichtstrahlen zeigen und dadurch das Risiko erhöht ist, dass durch die Kanten unterschiedliche Lichtwege erzeugt werden und dadurch das Messergebnis verschlechtert wird, haben sich diese Umsetzelemente durch ihren einfachen und wirkungsvollen und robusten Aufbau für eine derartige Messzelle bewährt.Another particularly preferred embodiment of the conversion element shows the structure of retroreflector optics, which are known, for example, from the reflectors used in motor vehicle traffic or from distance measurement using lasers. This retroreflector optics show a very simple, effective and robust construction. Even if these conversion elements designed as retroreflectors show edges in the area of the incident or emerging light beams and this increases the risk of different light paths being generated by the edges and the measurement result being deteriorated as a result, these conversion elements have a simple, effective and robust design proven for such a measuring cell.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle mit einem Deckel und/oder einem Boden, der mit mehreren Dachprismen versehen ist, die auf den Seiten eines regelmäßigen 2n-Ecks angeordnet sind, wobei die Dachprismen so angeordnet sind, dass jede zweite Seite des regelmäßigen 2n-Ecks mit einem Dachprisma versehen ist, dass seine Basisfläche bevorzugt die gesamte Seite des 2n-Ecks bedeckt. Dabei wird insbesondere jede Ecke des 2n-Ecks durch die Basisfläche eines Dachprismas so bedeckt, dass oberhalb der Ecke eine Seitenfläche des Dachprismas angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass ein aus dem Innenraum des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses einfallender Lichtstrahl über die Basisfläche des Dachprisma einfallen kann, an der einen Seitenfläche des Dachprisma gebrochen, senkrecht zur optischen Hauptachse in Richtung der anderen Seitenflächen des Dachprisma weitergeleitet und durch diese zurück in den Innenraum des Gehäuses parallel zur optischen Hauptachse umgelenkt wird und dadurch lateral zu dem einfallenden Strahl versetzt geführt wird und damit definiert zum gegenüberliegenden Deckel oder Boden des Gehäuses mit zugeordnetem Umsetzelement geführt wird. Durch diese Ausbildung des Deckels oder des Bodens wird es möglich, parallel zueinander unterschiedliche Lichtstrahlen beziehungsweise Messvorgänge zu verwenden und dadurch die Funktionalität der optischen Messzelle zu erweitern. Weiterhin ist es auch möglich, mit einer entsprechenden Ausbildung des gegenüberliegenden Bodens oder Deckels mit entsprechenden Umsetzelementen, beispielsweise identischen jedoch um eine Ecke des 2n-Ecks rotationsversetzt Umsetzelementen, alle Dachprismen hintereinander mit einem Lichtstrahl zu durchlaufen und dadurch den Innenraum in definierter Weise 2n-fach zu durchlaufen und dadurch eine besondere Präzision und Robustheit der optischen Messzelle zu erreichen.A particularly preferred development of the invention shows an optical measuring cell with a cover and/or a base that is provided with several roof prisms that are arranged on the sides of a regular 2n corner, the roof prisms being arranged in such a way that every second side of the regular 2n-gon is provided with a roof prism that its base area preferably covers the entire side of the 2n-gon. In this case, in particular, each corner of the 2n-gon is covered by the base surface of a roof prism in such a way that a side surface of the roof prism is arranged above the corner. This arrangement ensures that a light beam coming from the interior of the housing parallel to the main optical axis of the measuring cell or the housing can strike the base surface of the roof prism, refracted on one side surface of the roof prism, perpendicular to the main optical axis in the direction of the other side surfaces of the Roof prism passed on and is deflected by this back into the interior of the housing parallel to the main optical axis and is thereby guided laterally offset to the incident beam and is thus guided in a defined manner to the opposite cover or bottom of the housing with the associated conversion element. This design of the cover or the base makes it possible to use different light beams or measuring processes parallel to one another and thereby expand the functionality of the optical measuring cell. Furthermore, it is also possible, with a corresponding design of the opposite base or cover with corresponding conversion elements, for example identical conversion elements, but rotationally offset around a corner of the 2n corner, to pass through all the roof prisms one after the other with a light beam and thus to pass through the interior 2n times in a defined manner to go through and thereby achieve a special precision and robustness of the optical measuring cell.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Durchmesser des 2n-Ecks deutlich kleiner als den Durchmesser der Linse zu wählen und dadurch die Anordnung der Dachprismen sehr verlässlich und sicher zu definieren, was sich positiv auf den definierten Lichtweg in der Messzelle und damit auf das Messergebnis auswirkt. Weiterhin hat es sich besonders bewährt, den Mittelpunkt des 2n-Ecks auf der optischen Hauptachse und damit bevorzugt auf der Symmetrieachse der Linse zu wählen, sodass die Dachprismen präzise um die optische Hauptachse angeordnet sind und dadurch einen sehr definierten Lichtweg ermöglichen.It has proven to be particularly advantageous to select the diameter of the 2n corner to be significantly smaller than the diameter of the lens and thus to define the arrangement of the roof prisms very reliably and securely, which has a positive effect on the defined light path in the measuring cell and thus on affects the measurement result. Furthermore, it has proven particularly useful to choose the center of the 2n-corner on the main optical axis and thus preferably on the symmetry axis of the lens, so that the roof prisms are arranged precisely around the main optical axis and thus enable a very defined light path.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle, bei der der Deckel mit n als Dachprisma ausgebildeten Umsetzelementen so verbunden ist, dass sie auf jeder zweiten Seite eines regelmäßigen 2n-Ecks angeordnet sind und der Boden mit einem als Hohlspiegel oder als plankonvexe Linse insbesondere mit parabolischem Querschnitt ausgebildeten Umsetzelement verbunden ist. Gerade durch die Wahl eines parabolischen Querschnitts ist gewährleistet, dass der Versatz in einer Weise erfolgt, dass der parallel zur optischen in Hauptachse einfallende Lichtstrahl senkrecht zur optischen Hauptachse über den Brennpunkt auf die andere Seite des Umsetzelements umgeleitet und von dort wieder parallel zur optischen Hauptachse der optischen Messzelle in den Innenraum des Gehäuses und damit in Richtung des Deckels mit den Dachprismen umgelenkt wird. Durch diese Anordnung aus spezifischem Deckel und Boden mit den jeweiligen Umsetzelementen gelingt es, dass ein Lichtstrahl von einer Ecke des 2n-Ecks und damit von einem Dachprisma auf den Boden trifft, dort auf die gegenüberliegende Seite umgelenkt und wieder in Richtung des Deckels parallel zu der optischen Hauptachse wie der einfallende Lichtstrahl in den Innenraum durch diesen hindurch tritt, bis er an der gegenüberliegenden Ecke des 2n-Ecks auftrifft und über das dort befindliche Dachprisma entlang der durch das Dachprisma bedeckten Seite lateral versetzt dieses wieder in Richtung Innenraum und damit in Richtung des gegenüberliegenden Bodens parallel zur optischen Hauptachse zurückgeworfen wird. Dort wiederholt sich dieser Prozess, bis das Licht alle Eckpunkte und alle Prismen durchlaufen hat und eine Auskopplung mithilfe eines Auskoppelelements erfolgt. Dadurch ist eine sehr robuste und wenig empfindliche Anordnung geschaffen, die ein hohes Maß an Toleranz für ein Verdrehen des Bodens gegenüber dem Deckel mit den zugeordneten optischen Elementen zeigt. Dabei sind bevorzugt die Anzahl n der Dachprismen gering zwischen 3 und 5 insbesondere gleich 3 gewählt. Diese Anzahlen ermöglichen einen besonders vorteilhaften Kompromiss zwischen technischem und mechanischem beziehungsweise optischem Aufwand und Präzision und Robustheit der optischen Messzelle für eine absorptions-spektroskopische Bestimmung von Eigenschaften eines Fluids.A particularly preferred development of the invention shows an optical measuring cell in which the cover is connected to n conversion elements designed as a roof prism in such a way that they are arranged on every second side of a regular 2n corner and the bottom with a concave mirror or a plano-convex lens in particular is connected to a conversion element formed with a parabolic cross-section. The choice of a parabolic cross-section ensures that the offset takes place in such a way that the light beam incident parallel to the main optical axis is diverted perpendicularly to the main optical axis via the focal point to the other side of the conversion element and from there parallel to the main optical axis of the optical measuring cell is deflected into the interior of the housing and thus in the direction of the cover with the roof prisms. This arrangement of a specific cover and base with the respective conversion elements makes it possible for a light beam to hit the base from a corner of the 2n-corner and thus from a roof prism, where it is deflected to the opposite side and back in the direction of the cover parallel to the main optical axis as the incident light beam passes through the interior until it hits the opposite corner of the 2n-gon and laterally shifts it back towards the interior and thus towards the roof prism located there along the side covered by the roof prism via the roof prism opposite floor parallel to the main optical axis. This process is repeated there until the light has passed through all the corner points and all the prisms and is decoupled using a decoupling element. This is a very robust and less sensitive created arrangement that shows a high degree of tolerance for twisting of the floor relative to the lid with the associated optical elements. In this case, the number n of roof prisms is preferably chosen to be between 3 and 5, in particular equal to 3. These numbers enable a particularly advantageous compromise between technical and mechanical or optical complexity and precision and robustness of the optical measuring cell for an absorption-spectroscopic determination of properties of a fluid.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle, bei der wenigstens ein Umsetzelement so ausgebildet ist, dass der einfallende Lichtstrahl und der zurückgestrahlte Lichtstrahl achssymmetrisch zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses und damit der optischen Messzelle verlaufen. Dadurch gelingt es, den Einfluss der Drehorientierung dieses Umsetzelementes auf die Qualität des Messergebnisses zu reduzieren und dadurch die Robustheit der optischen Messzelle zu verbessern. Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass das Einkoppelelement und/oder das Auskoppelelement mit Deckel oder Boden verbunden sind. Durch diese definierte, statische Verbindung des Einkoppelelements beziehungsweise des Auskoppelelements zu dem Deckel beziehungsweise dem Boden gelingt es, eine sehr verlässliche und sichere Einkopplung des Lichtstrahls in die optische Messzelle beziehungsweise in den Innenraum des Gehäuses der optischen Messzelle zu gewährleisten, der auch gegen Erschütterungen wenig empfindlich ist.A particularly preferred development of the invention shows an optical measuring cell in which at least one conversion element is designed in such a way that the incident light beam and the reflected light beam run axisymmetric to the main optical axis of the measuring cell or the housing and thus the optical measuring cell. This makes it possible to reduce the influence of the rotational orientation of this conversion element on the quality of the measurement result and thereby improve the robustness of the optical measuring cell. It has proven particularly useful to develop the device according to the invention in such a way that the coupling element and/or the decoupling element are connected to the cover or base. This defined, static connection of the coupling element or the decoupling element to the cover or the base makes it possible to ensure a very reliable and safe coupling of the light beam into the optical measuring cell or into the interior of the housing of the optical measuring cell, which is also not very sensitive to vibrations is.

Daneben hat es sich auch bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass das Einkoppelelement und/oder das Auskoppelelement ein mit einem Dachprisma verbundenes optisches Element insbesondere ein Prisma aufweist. Die Verbindung erfolgt dabei bevorzugt mithilfe eines optisch neutralen Klebers, der das optische Element für die Ein- oder Auskopplung insbesondere das Prisma so mit dem Dachprisma verbindet, dass zumindest wesentliche Teile des in das Dachprisma ein gekoppelten Lichtstrahls über die Seitenwand des Dachprisma aus- beziehungsweise eingekoppelt werden und dadurch aus der optischen Messzelle zu einem Detektor zur Erfassung der Absorption beziehungsweise in Richtung des Innenraums des Gehäuses der optischen Messzelle geführt werden.In addition, it has also proven itself to further develop the optical measuring cell according to the invention in such a way that the coupling element and/or the decoupling element has an optical element connected to a roof prism, in particular a prism. The connection is preferably made using an optically neutral adhesive that connects the optical element for coupling or decoupling, in particular the prism, to the roof prism in such a way that at least significant parts of the light beam coupled into the roof prism are coupled out or in via the side wall of the roof prism and are thereby guided from the optical measuring cell to a detector for detecting the absorption or in the direction of the interior of the housing of the optical measuring cell.

In einer besonders vorteilhaften Variante bildet ein gemeinsames optisches Element sowohl das Einkoppelelement als auch das Auskoppelelement. Dies kann beispielsweise durch die bevorzugte Ausbildung des optischen Elementes als Dreiecksprisma beziehungsweise Dachprisma erfolgen, dessen Basisfläche auf die Seitenfläche des als Dachprisma ausgebildeten Umsetzelements aufgebracht ist. Hierdurch gelingt es, die gleiche Seite des Dachprismas als einkoppelnde und auskoppelnde Seite des Lichtstrahls in beziehungsweise aus der Messzelle zu verwenden, was einen einfachen und kompakten Aufbau der Messzelle im Bereich des Einkoppelelements beziehungsweise Auskoppelelements ermöglicht. Diese Ausbildung des optischen Elements erweist sich als besonders effizient und robust und zudem als besonders wartungsfreundlich.In a particularly advantageous variant, a common optical element forms both the coupling-in element and the coupling-out element. This can be done, for example, by the preferred design of the optical element as a triangular prism or roof prism, the base surface of which is applied to the side surface of the conversion element designed as a roof prism. This makes it possible to use the same side of the roof prism as the in-coupling and out-coupling side of the light beam into or out of the measuring cell, which enables a simple and compact design of the measuring cell in the area of the in-coupling element or out-coupling element. This design of the optical element proves to be particularly efficient and robust and also particularly easy to maintain.

Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine Anordnung aus Gehäuse mit Rohr, Deckel und Boden sowie den Umsetzelementen, die drehsymmetrisch zur optischen Hauptachse der Messzelle beziehungsweise des Gehäuses und damit der optischen Messzelle ausgebildet sind. Diese Drehsymmetrie ist dabei so ausgebildet, dass die Symmetrie um beliebige Winkel gegeben ist, aber auch um definierte Winkel beispielsweise bei einer Ausbildung mit drei Dachprismen, welche auf den Seiten eines regelmäßigen Sechsecks angeordnet sind. In diesem Fall sind eine 6-wertige Drehsymmetrie und damit eine Drehsymmetrie um einen definierten Winkel von 60° gegeben. Durch diese Art der Ausbildung der Messzelle lassen sich unterschiedliche Orientierungen der optischen Messzelle realisieren, die unterschiedliche Einbaumöglichkeiten eröffnen und damit die Einsatzmöglichkeiten vielfältiger gestalten können.Another particularly preferred development of the invention shows an arrangement of housing with tube, cover and base and the conversion elements, which are rotationally symmetrical to the main optical axis of the measuring cell or the housing and thus the optical measuring cell. This rotational symmetry is designed in such a way that the symmetry is given at any angle, but also at defined angles, for example in the case of an embodiment with three roof prisms, which are arranged on the sides of a regular hexagon. In this case there is a 6-value rotational symmetry and thus a rotational symmetry around a defined angle of 60°. With this type of design of the measuring cell, different orientations of the optical measuring cell can be implemented, which open up different installation options and can thus make the possible uses more diverse.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine optische Messzelle, bei welcher sowohl dem Deckel als auch dem Boden je eine zusätzliche plankonvexe Linse zugeordnet ist, die mit ihrer konvexen Seite dem Innenraum des Gehäuses zugeordnet ist und die die über die plane Seite parallel zur optischen Hauptachse einfallenden Lichtstrahlen fokussierend in Richtung des gegenüberliegenden Bodens oder Deckels ablenken. Damit werden die parallel zur optischen Hauptachse verlaufenden, einfallenden Lichtstrahlen durch die zusätzlichen plankonvexen Linsen so fokussiert, dass sie in einen Brennpunkt im Innenraum des Gehäuses fokussiert werden und sich nach Durchlaufen dieses Brennpunkts wieder auseinander bewegen und auf den gegenüberliegenden Deckel oder Boden treffen. Dabei sind diese beiden plankonvexen Linsen am Boden beziehungsweise am Deckel bevorzugt so gewählt, dass die Summe ihrer Brennweiten gleich ihrem Arbeitsabstand gewählt ist beziehungsweise bevorzugt identisch ausgebildet sind, sodass ein entsprechender symmetrischer Strahlengang mit einem gemeinsamen Brennpunkt in dem Rohr entsteht.A particularly preferred development of the invention shows an optical measuring cell in which an additional plano-convex lens is assigned to both the cover and the base, which is assigned to the interior of the housing with its convex side and which is parallel to the main optical axis via the planar side deflect the incident light beams in the direction of the opposite base or cover. The incident light rays running parallel to the main optical axis are focused by the additional plano-convex lenses in such a way that they are focused into a focal point in the interior of the housing and, after passing through this focal point, move apart again and hit the opposite cover or base. These two plano-convex lenses on the bottom or on the cover are preferably selected such that the sum of their focal lengths is selected to be equal to their working distance or are preferably of identical design, so that a corresponding symmetrical beam path with a common focal point is created in the tube.

Dabei ist beziehungsweise sind die plankonvexen Linsen mit ihrer planen Seite mit den Umsetzelementen fest verbunden beispielsweise mithilfe eines Klebers, der den gleichen Brechungsindex wie die plankonvexe Linse zeigt und sich dadurch optisch neutral gegenüber der blanken Linse verhält. Durch die Verwendung eines solchen Klebers ist eine sehr robuste Verbindung geschaffen, die die Empfindlichkeit der optischen Messzelle gegenüber Erschütterungen und Vibrationen deutlich senkt. Zusätzlich kann zwischen dem oder den Umsetzelementen und den damit verbundenen plankonvexen Linsen eine zylindrische Linse verklebt sein und dadurch der Abstand zwischen den Umsetzelementen und den plankonvexen Linsen beispielsweise zur Erhöhung der mechanischen Steifheit eingebracht sein. Weiterhin gelingt es durch diese Weiterbildung mit den beiden plankonvexen Linsen den Einfluss von Verschmutzungen auf der Oberfläche der optischen Elemente zu reduzieren, denn der durch die Verschmutzung gestörte Lichtstrahl wird durch die schräg stehende Oberfläche an der Eintrittsstelle aus dem eigentlichen Strahlengang herausgeleitet, sodass sich dieses Streulicht nicht mit dem Lichtstrahl überlagern und diesen stören kann. Dadurch sind unerwünschte Phasenverschiebungen oder nicht erwünschte Strahlungsanteile erheblich reduziert und dadurch die Qualität des Lichtstrahls verbessert, was sich direkt auf die Qualität des Messsignals auswirkt.In this case, the plano-convex lenses are or are with their flat side with the conversion z elements are firmly connected, for example using an adhesive that has the same refractive index as the plano-convex lens and is therefore optically neutral compared to the bare lens. By using such an adhesive, a very robust connection is created, which significantly reduces the sensitivity of the optical measuring cell to shocks and vibrations. In addition, a cylindrical lens can be glued between the conversion element or elements and the plano-convex lenses connected thereto, thereby introducing the distance between the conversion elements and the plano-convex lenses, for example to increase the mechanical rigidity. Furthermore, this development with the two plano-convex lenses reduces the influence of dirt on the surface of the optical elements, because the light beam disturbed by the dirt is guided out of the actual beam path by the inclined surface at the point of entry, so that this scattered light is cannot overlap with the light beam and disturb it. This significantly reduces unwanted phase shifts or undesired radiation components, thereby improving the quality of the light beam, which has a direct effect on the quality of the measurement signal.

Dabei ist die fokussierende Wirkung der plankonvexen Linsen am Boden und am Deckel bevorzugt so gewählt, dass sie jeweils die in Richtung Innenraum gelenkten Lichtstrahlen in einem Brennpunkt bündeln und dadurch die Eigenschaften des Fluids im Bereich des Brennpunktes oder der Brennpunkte besonders verlässlich bestimmt werden können und dadurch negative, störende Effekte des Innenraums gerade im Bereich des Rohres, wo insbesondere äußere Temperatureffekte oder turbulente Strömungseffekte des Fluids auftreten, reduziert und dadurch das Messergebnis in seiner Qualität verbessert werden kann.The focusing effect of the plano-convex lenses on the bottom and on the cover is preferably selected in such a way that they focus the light rays directed towards the interior at a focal point and the properties of the fluid in the area of the focal point or focal points can be determined particularly reliably and as a result negative, disruptive effects of the interior space, especially in the area of the pipe, where in particular external temperature effects or turbulent flow effects of the fluid occur, are reduced and the quality of the measurement result can thereby be improved.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass beide plankonvexe Linsen eine Brennweite f zeigen, die gleich der halben Länge des Gehäuses also des halben Arbeitsabstandes zwischen den plankonvexen Linsen und damit typisch zwischen den Umsetzelementen des Deckels und des Bodens ist. Durch diese Weiterbildung werden die zurückgeworfenen und parallel zur optischen Hauptachse verlaufenden Lichtstrahlen so fokussiert, dass in der Mitte zwischen den plankonvexen Linsen ein gemeinsamer Brennpunkt gebildet wird und dadurch die Lichtstrahlen von einer Seite auf die andere Seite quasi diagonal durch den Innenraum des Gehäuses geleitet werden. Dadurch wird die optische Weglänge der Lichtstrahlen zwischen dem Deckel und dem Boden zusätzlich verlängert und dadurch die Präzision der optischen Messzelle verbessert. Darüber hinaus wird durch diese Ausbildung die Reihenfolge der durchstrahlten Dachprismen verändert, was keinen negativen Einfluss auf das Messergebnis zeigt. Weiterhin ist es bei dieser Ausbildung möglich, dass das Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahls über die zugehörigen Elemente in die optische Messzelle an derselben Seitenfläche des Dachprismas möglich ist und dadurch der Aufbau vereinfacht und die Robustheit der optischen Messzelle erhöht wird.It has proven particularly useful to develop the optical measuring cell according to the invention in such a way that both plano-convex lenses have a focal length f that is equal to half the length of the housing, i.e. half the working distance between the plano-convex lenses and thus typically between the conversion elements of the cover and the base . With this development, the reflected light beams running parallel to the main optical axis are focused in such a way that a common focal point is formed in the middle between the plano-convex lenses and the light beams are thus guided from one side to the other side almost diagonally through the interior of the housing. This additionally lengthens the optical path length of the light beams between the cover and the base, thereby improving the precision of the optical measuring cell. In addition, this configuration changes the sequence of the roof prisms through which the rays pass, which does not have a negative impact on the measurement result. Furthermore, with this design it is possible for the light beam to be coupled in and out via the associated elements in the optical measuring cell on the same side surface of the roof prism, thereby simplifying the structure and increasing the robustness of the optical measuring cell.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt ein Rohr, dessen dem Innerraum zugewandte Fläche zumindest teilweise insbesondere vollständig als das Laserlicht absorbierende und/oder nichtreflektierende Fläche ausgebildet ist. Dadurch gelingt es, Streulicht, das aus dem eigentlichen Lichtstrahl auf dem gewünschten optischen Weg durch den Innenraum des Gehäuses heraus gestreut wird, in großem Umfang zu entfernen und dadurch das Signal/Rauschverhältnis und damit die Qualität des Messergebnisses der optischen Messzelle zu verbessern.A particularly preferred further development of the invention shows a tube whose surface facing the interior space is designed at least partially, in particular completely, as a surface that absorbs and/or does not reflect the laser light. This makes it possible to remove a large amount of scattered light that is scattered from the actual light beam on the desired optical path through the interior of the housing, thereby improving the signal-to-noise ratio and thus the quality of the measurement result of the optical measuring cell.

Weiterhin hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass das Gehäuse gasdicht und für ein gasförmigen Fluid als zu messende Substanz ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das gasdichte Gehäuse dabei auch druckdicht ausgebildet. Neben der Möglichkeit, eine transparente Flüssigkeit mit der optischen Messzelle zu untersuchen, können mit dieser Weiterbildung besonders vorteilhaft verschiedene chemische und/oder physikalische Parameter des Gases verlässlich bestimmt werden. Hierzu zählen beispielsweise die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, die Feuchtigkeit in einem Gas insbesondere der Wassergehalt in Druckluft, die Temperatur und oder auch den Taupunkt eines Gases zu bestimmen, wobei dies durch diese Weiterbildung auf sehr präzise und robuste Weise ermöglicht ist.Furthermore, it has proven particularly useful to develop the optical measuring cell according to the invention in such a way that the housing is gas-tight and designed for a gaseous fluid as the substance to be measured. The gas-tight housing is preferably also designed to be pressure-tight. In addition to the possibility of examining a transparent liquid with the optical measuring cell, various chemical and/or physical parameters of the gas can be reliably determined with this development in a particularly advantageous manner. These include, for example, determining the concentration of a gas component in a gas mixture, the humidity in a gas, in particular the water content in compressed air, the temperature and/or the dew point of a gas, this being made possible in a very precise and robust manner by this development.

Um den Einsatzbereich der optischen Messzelle vielfältig zu gestalten, hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass der optischen Messzelle eine Halbleiterlichtquelle insbesondere eine LED-Lichtquelle für die Erzeugung des Lichtstrahls oder ein Laser für die Erzeugung des als Laserstrahl ausgebildeten Lichtstrahls zugeordnet ist. Dabei ist der Laser bevorzugt als durchstimmbarer Laser ausgebildet. Diese Halbleiterlichtquelle insbesondere der durchstimmbare Laser ist bevorzugt mit dem Einkoppelelement und damit insbesondere mit dem Deckel des Gehäuses mechanisch fest und damit statisch definiert verbunden, sodass diese Weiterbildung sich zusätzlich als besonders robust insbesondere gegenüber Vibrationen oder thermischen Ausdehnungen erweist.In order to make the field of application of the optical measuring cell diverse, it has proven particularly useful to further develop the optical measuring cell according to the invention in such a way that the optical measuring cell has a semiconductor light source, in particular an LED light source for generating the light beam or a laser for generating the light beam designed as a laser beam assigned. The laser is preferably designed as a tunable laser. This semiconductor light source, in particular the tunable laser, is preferably connected to the coupling element and thus in particular to the cover of the housing in a mechanically fixed and therefore statically defined manner, so that this development also proves to be particularly robust, in particular with regard to vibrations or thermal expansion.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße optische Messzelle so weiterzubilden, dass der optischen Messzelle wenigstens ein optischer Sensor zur Erfassung der Lichtintensität zugeordnet ist, wobei wenigstens ein optischer Sensor mit einem Umsetzelement oder mit dem Einkoppelelement oder mit dem Auskoppelelement zu einer einzelnen Baueinheit und/oder die der optischen Messzelle zugeordnete Lichtquelle mit dem Einkoppelelement zu einer einzelnen Baueinheit beziehungsweise gemeinsam zu einer einzigen gemeinsamen Baueinheit verbunden ausgebildet sind. Durch diese Gruppierung als eine oder mehrere Baueinheiten gelingt es, die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Ausdehnungen oder Vibrationen oder Erschütterungen zu erhöhen und dadurch die Robustheit der optischen Messzelle weiter verbessern. Dabei wird der oder werden die optischen Sensoren mit dem oder den optischen Elementen der Messzelle bevorzugt unmittelbar ohne Luftspalt verbunden, sodass auf dem Lichtweg zwischen dem oder den Sensoren durch die Messzelle der gesamte Lichtweg ohne störende Luft der Umgebung der Messzelle ausgebildet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der oder die optischen Sensoren unmittelbar insbesondere durch Verklebung mit einem Umsetzelement oder mit dem Auskoppelelement, das auch das Einkoppelelement bilden kann, ohne Luftspalt verbunden sind. Mithin gelingt es, ein sehr aussagekräftiges und ein nicht durch Umgebungsluft verfälschtes Messergebnis zu erzeugen. Dabei werden bevorzugt zwei optische Sensoren verwendet, von denen ein optischer Sensor im Bereich der Eintrittsstelle des Lichtstrahls in die Messzelle angeordnet ist und damit einen Referenzsensor darstellt, während der andere optische Sensor im Bereich der Austrittsstelle des Lichtstrahls aus der Messzelle angeordnet ist und dadurch in Verbindung mit dem Referenzsensor die Möglichkeit schafft, das Maß der Absorption in der optischen Messzelle anhand der Veränderungen des Lichtstrahls zu bestimmen und dadurch eine Aussage über eine chemische und oder physikalische Eigenschaft eines Fluids in dem Gehäuse der Messzelle zu gewinnen. Die Anordnung des oder der optischen Sensoren ohne Luftspalt an einem optischen Element an der Eintrittsstelle beziehungsweise an der Austrittsstelle der optischen Messzelle bewährt sich im besonderen Maße, wenn die Luftfeuchtigkeit oder der Taupunkt eines Gases in der Messzelle bestimmt werden soll, denn hier wirkten sich Luftspalte der Umgebung auf dem Übertragungsweg besonders störend aus.It has proven particularly useful to further develop the optical measuring cell according to the invention in such a way that the optical measuring cell is assigned at least one optical sensor for detecting the light intensity, with at least one optical sensor being combined with a conversion element or with the coupling element or with the decoupling element to form a single structural unit and /or the light source associated with the optical measuring cell is formed with the coupling element to form a single structural unit or together to form a single common structural unit. This grouping as one or more structural units makes it possible to increase the resistance to thermal expansion or vibrations or shocks and thereby further improve the robustness of the optical measuring cell. The optical sensor(s) is/are connected to the optical element(s) of the measuring cell, preferably directly without an air gap, so that the entire light path on the light path between the sensor(s) through the measuring cell is formed without disturbing air in the area surrounding the measuring cell. This is achieved in that the optical sensor or sensors are connected directly, in particular by gluing, to a conversion element or to the decoupling element, which can also form the coupling element, without an air gap. It is therefore possible to generate a very meaningful measurement result that is not falsified by the ambient air. Two optical sensors are preferably used, one of which is arranged in the area where the light beam enters the measuring cell and thus represents a reference sensor, while the other optical sensor is arranged in the area where the light beam exits the measuring cell and is therefore connected with the reference sensor creates the possibility of determining the degree of absorption in the optical measuring cell based on the changes in the light beam and thereby obtaining information about a chemical and/or physical property of a fluid in the housing of the measuring cell. The arrangement of the optical sensor or sensors without an air gap on an optical element at the entry point or at the exit point of the optical measuring cell has proven particularly useful when the humidity or the dew point of a gas in the measuring cell is to be determined, because air gaps have an effect here Environment on the transmission path is particularly disruptive.

Durch diese Ausbildung der optischen Messzelle mit derartigen Baueinheiten lässt sich eine Wartung oder Reparatur im Bereich der Baueinheiten besonders einfach gestalten.This configuration of the optical measuring cell with such structural units makes maintenance or repairs in the area of the structural units particularly easy.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine beispielhafte, erfindungsgemäße optische Messzelle in einer Ansicht von schräg oben,
2 zeigt eine schematische Ansicht von schräg oben der optischen Messzelle aus 1,
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Deckels der optischen Messzelle aus 1,
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bodens der optischen Messzelle aus 1,
5 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung von Dachprismen auf der Deckfläche des Deckels aus 3 und
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Dachprismas mit Einkoppelelement.

The invention is explained below by way of example using preferred exemplary embodiments with reference to the figures. The invention is not limited to these preferred embodiments.

1 shows a schematic representation of an exemplary optical measuring cell according to the invention in a view obliquely from above,
2 shows a schematic view obliquely from above of the optical measuring cell 1 ,
3 shows a schematic representation of a cover of the optical measuring cell 1 ,
4 FIG. 12 shows a schematic representation of a bottom of the optical measuring cell 1 ,
5 FIG. 12 shows a schematic representation of the arrangement of roof prisms on the top surface of the cover 3 and
6 shows a schematic representation of a roof prism with a coupling element.

In 1 und 2 ist schematisch eine optische Messzelle 1 für die absorptions-spektroskopische Bestimmung mindestens eines chemischen und/oder physikalischen Parameters eines Fluids, mit einem Gehäuse 2 mit Rohr 3, Deckel 4 und Boden 5 aus Metall insbesondere Edelstahl dargestellt. Das Gehäuse 2 ist als gasdichtes Gehäuse 2 ausgebildet und umschließt mit dem Deckel 4, dem Boden 5 und dem zwischen dem Boden 5 und Deckel 4 befindlichen Rohr 3 den Innenraum des Gehäuses 2. Der Innenraum wird mit dem zu untersuchenden Fluid insbesondere dem zu untersuchenden Gas gefüllt.In 1 and 2 an optical measuring cell 1 for the absorption-spectroscopic determination of at least one chemical and/or physical parameter of a fluid is shown schematically, with a housing 2 with tube 3, cover 4 and base 5 made of metal, in particular stainless steel. The housing 2 is designed as a gas-tight housing 2 and encloses the interior of the housing 2 with the cover 4, the base 5 and the tube 3 located between the base 5 and cover 4. The interior is filled with the fluid to be examined, in particular the gas to be examined filled.

Mit dieser erfindungsgemäßen optischen Messzelle 1 wird es möglich, chemische und/oder physikalische Parameter eines Fluids wie beispielsweise die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, die Feuchtigkeit in einem insbesondere gasförmigen Fluid, die Temperatur und/oder auch den Taupunkt des Fluids zu bestimmen. Hierzu wird der fluidgefüllte Innenraum der optischen Messzelle 1 mit einem Laserstrahl 7 beaufschlagt und dieser Laserstrahl 7 nach vielfachem insbesondere 6-fachen Durchlaufen des Innenraums mit einer Länge von etwa 60 cm und einem Durchmesser von etwa 6 cm mittels eines in 1 und 2 nicht dargestellten optischen Sensors 41,42 in seinen Eigenschaften mit dem ursprünglichen Laserstrahl 7 verglichen und daraus der chemische und/oder physikalische Parameter des Fluids bestimmt. Dies wird durch die dargestellte optische Messzelle 1 auf sehr präzise und robuste Weise ermöglicht, da der Aufbau der optischen Messzelle 1 mit dem besonders gestalteten Strahlengang in dem Gehäuse 2 mit dem mehrfachen Durchschreiten des Innenraums 6 des Gehäuses 2 und damit durch das zu untersuchende Fluid dies in besonderem Maß unterstützt.With this optical measuring cell 1 according to the invention, it is possible to determine chemical and/or physical parameters of a fluid such as the concentration of a gas component in a gas mixture, the humidity in a particularly gaseous fluid, the temperature and/or the dew point of the fluid. For this purpose, the fluid-filled interior of the optical measuring cell 1 is exposed to a laser beam 7 and this laser beam 7, after passing through the interior several times, in particular 6 times, with a length of about 60 cm and a diameter of about 6 cm using an in 1 and 2 The properties of the optical sensor 41, 42 (not shown) are compared with the original laser beam 7 and the chemical and/or physical parameters of the fluid are determined therefrom. This is made possible by the illustrated optical measuring cell 1 in a very precise and robust manner, since the structure of the optical measuring cell 1 with the specially designed beam path in the housing 2 with the multiple passage through the interior 6 of the housing 2 and thus supported by the fluid to be examined to a special degree.

Das Rohr 3 ist an einem Ende mit dem Deckel 4 und am anderen Ende mit dem Boden 5 gasdicht verschraubt. Der Deckel 4 zeigt einen kreisrunden Bereich in Verlängerung des Innenraums 6 des Rohres 3, der mit einer gasdichten Endfläche 8 versehen ist, auf der mehrere Dachprismen 9 angeordnet sind. Der Boden 5 zeigt ebenso einen kreisrunden Bereich in Verlängerung des Innenraums 6 des Rohres 3, der mit einer gasdichten Endfläche 8 versehen ist, die mithilfe einer asphärischen Linse 21 gasdicht ausgebildet ist. Die asphärische Linse 21 setzt sich aus einer sphärischen Linse 10, 22 mit parabolischem Querschnitt und einer plankonvexen Linse 23 zusammen, wobei diese mit ihren planen Flächen mittels Verklebung fest verbunden sind. In 2 ist die sphärische Linse 22 mit parabolischem Querschnitt als Teil der asphärischen Linse 21 zu erkennen.The tube 3 is screwed gas-tight to the cover 4 at one end and to the base 5 at the other end. The cover 4 shows a circular area in extension of the interior 6 of the tube 3, which is provided with a gas-tight end face 8 on which several roof prisms 9 are arranged. The bottom 5 also shows a circular area in the extension of the interior 6 of the tube 3, which is provided with a gas-tight end surface 8, which is made gas-tight with the help of an aspherical lens 21. The aspherical lens 21 is composed of a spherical lens 10, 22 with a parabolic cross-section and a plano-convex lens 23, these being firmly connected with their planar surfaces by means of gluing. In 2 the spherical lens 22 with a parabolic cross-section can be seen as part of the aspherical lens 21.

In 3 ist die schematische Darstellung des optischen Elements, das den kreisrunden Bereich in dem Deckel 4 gasdicht verschließt in einer Seitenansicht dargestellt.In 3 is the schematic representation of the optical element, which closes the circular area in the cover 4 in a gas-tight manner, in a side view.

Über ein Ein- und Auskoppelelement 11, welches als Prisma mit rechtwinkligem Dreiecksquerschnitt ausgebildet ist, kann ein Laserstrahl 7, der der optischen Messzelle 1 beispielsweise von einem durchstimmbaren Laser als Lichtquelle 40 für den Laserstrahl 7 zugeführt wird, aufgenommen und so umgelenkt werden, dass der Laserstrahl 7 über eine Seitenfläche 13 des Dachprismas 9 in Richtung des Innenraums 6 abgelenkt wird, wobei der Laserstrahl 7 nach Verlassen des als Dachprisma 9 ausgebildeten Umsetzelements eine Richtung aufweist, die parallel zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 beziehungsweise des Gehäuses 2 und damit der optischen Messzelle 1 ausgerichtet ist. Dabei ist das Ein- und Auskoppelelement 11 mit dem Dachprisma 9 mittels Verklebung fest verbunden und bilden eine gemeinsame Baueinheit, die einerseits sicherstellt, dass zwischen dem Ein-und Auskoppelelement 11 und dem Dachprisma 9 kein Luftspalt vorhanden ist, und andererseits sicherstellt, dass bei Bedarf die Baueinheit als Ganzes positioniert beziehungsweise ersetzt werden kann und dadurch einen sehr sicheren und wartungsfreundlichen Betrieb gewährleistet. Weiterhin kann dadurch das Ein- und Auskoppelelement 11 mit dem Dachprisma 9 und damit auch mit dem Deckel 4 fest und damit statisch definiert verbunden sein.A laser beam 7, which is fed to the optical measuring cell 1, for example by a tunable laser as light source 40 for the laser beam 7, can be received and deflected via a coupling and decoupling element 11, which is designed as a prism with a right-angled triangular cross-section, so that the The laser beam 7 is deflected via a side surface 13 of the roof prism 9 in the direction of the interior 6, with the laser beam 7 having a direction after leaving the conversion element designed as a roof prism 9 that is parallel to the main optical axis 34 of the measuring cell 1 or the housing 2 and thus the optical Measuring cell 1 is aligned. In this case, the coupling and decoupling element 11 is firmly connected to the roof prism 9 by means of adhesive and form a common structural unit which on the one hand ensures that there is no air gap between the coupling and decoupling element 11 and the roof prism 9, and on the other hand ensures that if necessary the unit can be positioned or replaced as a whole, thereby ensuring very safe and maintenance-friendly operation. Furthermore, as a result, the coupling and decoupling element 11 can be connected to the roof prism 9 and thus also to the cover 4 in a fixed and therefore statically defined manner.

Durch die mit dem Dachprisma 9 mittels Verklebung verbundene plankonvexe Linse 23, welche eine Endfläche 8 zur Abdichtung des Innenraums der optischen Messzelle 1 bildet, wird der über das Ein- und Auskoppelelement 11 eingekoppelte Laserstrahl 7 in Richtung des Brennpunkts der plankonvexen Linse 23 umgelenkt. Die plankonvexe Linse 10 ist mittels ihrer planen Seite jeweils mit den Basisflächen der drei Dachprismen 9 mittels Verklebung fest und optisch neutral verbunden. Die Verbindungsfläche der Dachprismen 9 und der plankonvexen Linse 23 bilden gemeinsam die Endfläche 8, welche den kreisrunden Bereich des Deckels 4 gasdicht abschließt. Die plankonvexe Linse 23, die Dachprismen 9 und der Kleber für die Verklebung werden bevorzugt so ausgewählt, dass sie den gleichen oder nahezu den gleichen Brechungsindex aufweisen.The laser beam 7 coupled in via the coupling and decoupling element 11 is deflected in the direction of the focal point of the plano-convex lens 23 by the plano-convex lens 23, which is connected to the roof prism 9 by means of an adhesive and forms an end surface 8 for sealing the interior of the optical measuring cell 1. The plano-convex lens 10 is firmly and optically neutrally connected to the base surfaces of the three roof prisms 9 by means of its planar side. The connecting surface of the roof prisms 9 and the plano-convex lens 23 together form the end surface 8, which closes off the circular area of the cover 4 in a gas-tight manner. The plano-convex lens 23, the roof prisms 9 and the adhesive for bonding are preferably selected so that they have the same or almost the same refractive index.

Das Ein- und Auskoppelelement 11 hat weiterhin die Aufgabe, einen über das Dachprisma 9 zugeführten Laserstrahl 7, der nach vielfachem Durchstrahlen des gasgefüllten Innenraums 6 des Gehäuses 2 in das Dachprisma 9 mit dem Ein- und Auskoppelelement 11 eintritt, aus der optischen Messzelle 1 auszukoppeln und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, dass mittels einem oder mehreren optischen Sensoren 41,42 der ausgekoppelte Laserstrahl 7 mit dem ursprünglichen, einzukoppelnden Laserstrahl 7 vergleicht und daraus die Möglichkeit schafft, den gewünschten chemischen beziehungsweise physikalischen Parameter des gasförmigen Fluids im Innenraum 6 zu bestimmen und dadurch die optische Messzelle 1 als Teil einer optischen Messordnung nach dem absorptions-spektroskopischen Verfahren wirken zu lassen.The coupling and decoupling element 11 also has the task of decoupling from the optical measuring cell 1 a laser beam 7 fed via the roof prism 9 and entering the roof prism 9 with the coupling and decoupling element 11 after it has repeatedly irradiated the gas-filled interior 6 of the housing 2 and thereby to create the possibility that, by means of one or more optical sensors 41, 42, the laser beam 7 that is coupled out is compared with the original laser beam 7 to be coupled in, and from this creates the possibility of determining the desired chemical or physical parameters of the gaseous fluid in the interior space 6 and thereby letting the optical measuring cell 1 act as part of an optical measuring arrangement according to the absorption spectroscopic method.

Die drei in 3 dargestellten Dachprismen 9 sind, wie in 5 in Verbindung mit 6 schematisch dargestellt, oberhalb von drei Seiten 33 eines regelmäßigen 6-Eckes 31 angeordnet, wobei zwischen den Dachprismen 9 jeweils eine nicht vollständig abgedeckte, leere Seite 33 liegt. Die in 5 dargestellte Endfläche 8 entspricht der planen Fläche der plankonvexen Linse 23, die mit den Basisflächen 12 der Dachprismen 9 verbunden ist. Dabei sind die Dachprismen 9 so gewählt, dass die Seitenflächen 13 des Dachprismas 9 oberhalb der Eckpunkte 32 des regelmäßigen 6-Eckes 31 liegen und dadurch sicherstellen, dass ein parallel zur optischen Hauptachse 34 im Bereich eines Eckes 32 aus der Richtung des Innenraums 6 einfallender Laserstrahl 7 durch die Seitenflächen 13 so umgelenkt wird, dass der Laserstrahl 7 im Dachprisma 9 parallel zur Basisfläche 12 weiterläuft und an der anderen Seitenfläche 13 des Dachprismas 9 in Richtung der anderen Ecke 32, über der die letztgenannte Seitenfläche 13 angeordnet ist, und damit parallel zur optischen Hauptachse 34 und versetzt zum einfallenden Laserstrahl 7 in Richtung des Innenraums 6 das Dachprisma 9 verlässt. Dieses Dachprisma 9 bildet somit ein erfindungsgemäßes Umsetzelement.The three in 3 The roof prisms 9 shown are, as in 5 combined with 6 shown schematically, arranged above three sides 33 of a regular 6-corner 31, with an incompletely covered, empty side 33 lying between the roof prisms 9 in each case. In the 5 The end face 8 shown corresponds to the planar face of the plano-convex lens 23, which is connected to the base faces 12 of the roof prisms 9. The roof prisms 9 are selected in such a way that the side surfaces 13 of the roof prism 9 lie above the corner points 32 of the regular 6-corner 31 and thereby ensure that a laser beam incident parallel to the main optical axis 34 in the area of a corner 32 from the direction of the interior 6 7 is deflected by the side surfaces 13 in such a way that the laser beam 7 continues in the roof prism 9 parallel to the base surface 12 and on the other side surface 13 of the roof prism 9 in the direction of the other corner 32, over which the latter side surface 13 is arranged, and thus parallel to the main optical axis 34 and offset to the incident laser beam 7 in the direction of the interior 6 leaves the roof prism 9 . This roof prism 9 thus forms a conversion element according to the invention.

Durch die Anordnung der drei Dachprismen 9 auf den drei nicht benachbarten Seiten 33 des regelmäßigen 6-Eckes 31 ist eine drehsymmetrische Ausbildung des Deckels 4 mit den daran angeordneten als Doppelprismen 9 ausgebildeten Umsetzelementen gegeben. Dabei bildet der Drehpunkt der drehsymmetrischen Ausbildung den Mittelpunkt 35 des Sechsecks 31 und zugleich den Punkt, an dem die optische Hauptachse 34 die Endfläche 8 durchstößt.The arrangement of the three roof prisms 9 on the three non-adjacent sides 33 of the regular 6-corner 31 results in a rotationally symmetrical design of the cover 4 with the conversion elements designed as double prisms 9 arranged on it. The pivot point of the rotationally symmetrical design forms the center point 35 of the hexagon 31 and at the same time the point at which the main optical axis 34 penetrates the end face 8 .

In 4 ist in einer Seitenansicht eine bikonvexe, asphärische Linse 21 dargestellt, die aus einer plankonvexen Linse 23 und einer sphärischen Linse 22 mit parabolischem Querschnitt besteht, wobei diese Linsen 22,23 mit ihren planen Flächen mittels Verklebung fest miteinander verbunden sind. Dabei sind die Linsen 22,23 und die Verklebung so gewählt, dass ihr Brechungsindex gleich oder weitgehend gleich ist. In dem Verbindungsbereich der plankonvexen Linse 23 mit der sphärischen Linse 22 liegt die Endfläche 8, welche den Innenraum der optischen Messzelle 1 gasdicht abschließt und in der die in Richtung Innenraum beziehungsweise aus diesem heraus gerichteten Laserstrahlen parallel zur optischen Hauptachse 34 verlaufen.In 4 a biconvex, aspherical lens 21 is shown in a side view, which consists of a plano-convex lens 23 and a spherical lens 22 with a parabolic cross-section, these lenses 22, 23 being firmly connected to one another with their planar surfaces by means of gluing. The lenses 22, 23 and the adhesive are chosen so that their refractive index is the same or largely the same. In the connection area of the plano-convex lens 23 with the spherical lens 22 is the end face 8, which seals off the interior of the optical measuring cell 1 in a gas-tight manner and in which the laser beams directed towards the interior or out of it run parallel to the main optical axis 34.

Alternativ hat es sich auch bewährt die bikonvexe, asphärische Linse 21 einstückig mit einem plankonvexen Linsenteil 23 und einem sphärischen Linsenteil 22 mit parabolischem Querschnitt auszubilden.Alternatively, it has also proven useful to form the biconvex, aspheric lens 21 in one piece with a plano-convex lens part 23 and a spherical lens part 22 with a parabolic cross section.

Die sphärische Linse 22 mit parabolischem Querschnitt ist dabei so ausgebildet, dass sie ein Umsetzelement bildet und dadurch einen einfallenden, parallel zur optischen Hauptachse 34 des Gehäuses 2 verlaufenden Laserstrahl 7 lateral versetzt in Richtung des Innenraums 6 des Gehäuses 2 parallel zur optischen Hauptachse 34 zurückstrahlt. Die plankonvexe Linse 23 ist mittels ihrer planen Seite mit der planen Fläche der sphärischen Linse 22 verbunden. Diese Verbindungsfläche bildet die Endfläche 8, welche den kreisrunden Bereich des Bodens 5 gasdicht abschließt.The spherical lens 22 with a parabolic cross-section is designed in such a way that it forms a conversion element and thereby reflects an incident laser beam 7 running parallel to the main optical axis 34 of the housing 2 in a laterally offset manner in the direction of the interior 6 of the housing 2 parallel to the main optical axis 34. The plano-convex lens 23 is connected to the plane surface of the spherical lens 22 by its plane side. This connecting surface forms the end surface 8, which closes off the circular area of the base 5 in a gas-tight manner.

Die plankonvexe Linse 23 des Bodens 5 und die plankonvexe Linse 10 des Deckels 4 zeigen dieselbe Brennweite f und sind so in dem Rohr 3 im jeweiligen Endbereich angeordnet, dass ihr Abstand zueinander der doppelten Brennweite f entspricht und sie einen gemeinsamen Brennpunkt in der Mitte des Rohres 3 haben.The plano-convex lens 23 of the base 5 and the plano-convex lens 10 of the cover 4 have the same focal length f and are arranged in the tube 3 in the respective end area such that their distance from one another corresponds to twice the focal length f and they have a common focal point in the center of the tube have 3

Dadurch gelingt es, dass die parallel zur optischen Hauptachse 34 verlaufende Laserstrahlen 7 aus den Umsetzelementen über die planen Flächen der beiden plankonvexen Linsen 10,23 in diese eintreten und durch diese in Richtung des gemeinsamen Brennpunkts umgelenkt werden und in die konvexe Fläche der gegenüberliegenden, plankonvexen Linse 23,10 eintreten und durch diese Linse in parallel zur optischen Hauptachse 34 verlaufende Laserstrahlen 7 umgelenkt werden, die über die jeweiligen planen Flächen der plankonvexen Linsen 23,10 in die zugeordnete sphärische Linse 22 mit parabolischem Querschnitt beziehungsweise die Dachprismen 9 eintreten und durch diese lateral versetzt und parallel zur optischen Hauptachse 34 in Richtung des Innenraums 6 zurückgeworfen werden, um anschließend durch die verbundenen, plankonvexen Linsen 23,10 wieder in Richtung des gemeinsamen Brennpunkte 24 fokussiert zu werden.As a result, the laser beams 7 running parallel to the main optical axis 34 from the conversion elements enter them via the flat surfaces of the two plano-convex lenses 10, 23 and are deflected by them in the direction of the common focal point and into the convex surface of the opposite, plano-convex Lens 23,10 occur and are deflected by this lens into laser beams 7 running parallel to the main optical axis 34, which enter the associated spherical lens 22 with a parabolic cross section or the roof prisms 9 via the respective flat surfaces of the plano-convex lenses 23,10 and through them laterally offset and thrown back parallel to the main optical axis 34 in the direction of the interior space 6, in order then to be focused again in the direction of the common focal point 24 by the connected, plano-convex lenses 23,10.

Dabei wird durch die Positionierung und Anordnung der Dachprismen 9 ein lateraler Versatz entlang einer Seite 33 beziehungsweise um die Länge einer Seite 33 des 6-Ecks 31 bewirkt. Die sphärische Linse 22 ist dabei so ausgebildet, dass durch sie ein solcher Versatz des rückgestrahlten Laserstrahls 7 erfolgt, der achssymmetrisch zur optischen Hauptachse 34 der Messzelle 1 beziehungsweise des Gehäuses 2 und damit der optischen Messzelle 1 verläuft. Damit wird ein Seitenwechsel und damit eine Rückstrahlung des eingefallenen Laserlichts 7 auf der gegenüberliegenden Seite des Einfallpunktes erreicht. Damit unterscheidet sich der Versatz zwischen dem Umsetzelement des Deckels 4 mit dem Dachprisma 9 und dem Versatz des Umsetzelements im Boden 5 mit der sphärischen Linse 22 grundlegend voneinander. Der eine Versatz erfolgt entlang der Seitenlinien des um die optische Mittelachse angeordneten, gleichmäßigen 6-Ecks 31, während der andere Versatz einen seitlichen Wechsel gegenüber der optischen Mittelachse 34 bewirkt. Durch diese Unterschiede des Versatzes zwischen Boden 5 und Deckel 4 wird ein mehrfaches Durchstrahlen des Innenraums 6 über den gemeinsamen Brennpunkt 24 bewirkt, wobei sich die Ein- und Auskoppelpunkte der Umsetzelemente in den Dachprismen 9 beziehungsweise in der sphärischen Linse 22 regelmäßig verändern.A lateral offset along a side 33 or by the length of a side 33 of the hexagon 31 is brought about by the positioning and arrangement of the roof prisms 9 . The spherical lens 22 is designed in such a way that it offsets the reflected laser beam 7 in such a way that it runs axially symmetrically to the main optical axis 34 of the measuring cell 1 or the housing 2 and thus the optical measuring cell 1 . This achieves a change of sides and thus a reflection of the incident laser light 7 on the opposite side of the point of incidence. The offset between the converting element of the cover 4 with the roof prism 9 and the offset of the converting element in the base 5 with the spherical lens 22 differs fundamentally from one another. One offset occurs along the side lines of the uniform 6-gon 31 arranged around the central optical axis, while the other offset causes a lateral change in relation to the central optical axis 34 . These differences in the offset between the base 5 and cover 4 cause the interior 6 to be irradiated multiple times via the common focal point 24, with the coupling and decoupling points of the conversion elements in the roof prisms 9 and in the spherical lens 22 changing regularly.

Bei der in den Figuren dargestellten optischen Messzelle 1 wird über ein gemeinsames Ein- und Auskoppelelement 11, das auf einer Seitenfläche 13 eines Dachprismas 9 angeordnet ist, der Laserstrahl 7 eingekoppelt und nach Durchlaufen aller drei Dachprismen 9 und der zugeordneten Ecken 32 mit dem gegenüberliegenden Boden 5 und jeweiligem schrägen Durchqueren des Innenraums 6 des Gehäuses 2 wieder aus der optischen Messzelle 1 ausgekoppelt.In the optical measuring cell 1 shown in the figures, the laser beam 7 is coupled in via a common coupling and decoupling element 11, which is arranged on a side surface 13 of a roof prism 9, and after passing through all three roof prisms 9 and the associated corners 32 with the opposite base 5 and the respective oblique crossing of the interior 6 of the housing 2 is decoupled from the optical measuring cell 1 again.

Das Dachprisma 9 mit dem Ein- und Auskoppelelement 11 ist mit zwei optischen Sensoren 41,42 versehen. Dabei ist der optische Sensor 41 flächig ohne Luftspalt auf der Seitenfläche 13 des Dachprismas 9 angeordnet, um dort die optischen Eigenschaften insbesondere die Intensität des einfallenden Laserlichts 7 von der Laserlichtquelle 40 beim ersten Umlenken in Richtung Innenraum der optischen Messzelle 1 und damit im Einkoppelbereich zu messen. Der andere optische Sensor 42 ist im Auskoppelbereich des Laserlichts 7 angeordnet, indem er auf der Seitenfläche des Ein- und Auskoppelelements 11 so angeordnet ist, dass das Laserlicht 7 beim Auskoppeln aus der Messzelle 1 hinsichtlich der optischen Eigenschaften insbesondere der Intensität des Laserlichts 7 nach dem vielfachen Durchschreiten des Innenraums der Messzelle 1 gemessen wird. Aus dem Vergleich der Messwerte der beiden optischen Sensoren 41,42 kann die gewünschte chemische oder physikalische Eigenschaft des zu untersuchenden Fluids im Innenraum der Messzelle 1 bestimmt werden.The roof prism 9 with the coupling and decoupling element 11 is provided with two optical sensors 41,42. The optical sensor 41 is arranged flat without an air gap on the side surface 13 of the roof prism 9 in order to detect the optical properties there, in particular the intensity of the incident laser light 7 from the laser light source 40 when to measure the first deflection in the direction of the interior of the optical measuring cell 1 and thus in the coupling region. The other optical sensor 42 is arranged in the decoupling area of the laser light 7 by being arranged on the side surface of the coupling and decoupling element 11 in such a way that the laser light 7 when decoupling from the measuring cell 1 with regard to the optical properties, in particular the intensity of the laser light 7 after the multiple crossing of the interior of the measuring cell 1 is measured. The desired chemical or physical property of the fluid to be examined in the interior of the measuring cell 1 can be determined from the comparison of the measured values of the two optical sensors 41,42.

Durch dieses vielfache Durchlaufen des Innenraums mit dem zu untersuchenden Gas wird es möglich, eine sehr präzise Aussage über die Absorptionseigenschaften des Gases und damit über die chemischen beziehungsweise physikalischen Parameter des Gases, beispielsweise den Feuchtigkeitsgehalt einer Druckluft, zu treffen. Dies gilt umso mehr, da durch diese Anordnung eine sehr robuste und wenig empfindliche Bestimmung ermöglicht ist. Dabei hat sich gezeigt, dass sich diese Anordnung auch als besonders wenig anfällig gegen Verschmutzungen insbesondere durch das eingebrachte zu untersuchende Gas erwiesen hat, was insbesondere durch die Verwendung der plankonvexen Linsen 10,23 erreicht wird. Weiterhin ist es durch die Ausbildung der Innenwand des Rohres 3 als geschwärzte Innenwand und damit als nichtreflektierende Fläche gelungen, die Einflüsse von Störlicht, das in den optischen Weg des Laserstrahls 7 einkoppelt und das Messergebnis verfälscht, sehr gering zu halten und dadurch die erreichbare Präzision der optischen Messzelle 1 weiter zu steigern.This multiple passage through the interior with the gas to be examined makes it possible to make a very precise statement about the absorption properties of the gas and thus about the chemical or physical parameters of the gas, for example the moisture content of compressed air. This applies all the more since this arrangement enables a very robust and less sensitive determination. It has been shown that this arrangement has also proven to be particularly less susceptible to contamination, in particular from the introduced gas to be examined, which is achieved in particular by using the plano-convex lenses 10,23. Furthermore, by designing the inner wall of the tube 3 as a blackened inner wall and thus as a non-reflective surface, it has been possible to keep the influence of stray light, which couples into the optical path of the laser beam 7 and falsifies the measurement result, to a very low level and thus the achievable precision of the optical measuring cell 1 further increase.

Weiterhin ist durch die Ausbildung dieser optischen Messzelle 1 mit dem verschraubten, gasdichten Deckel 4 und dem verschraubten, gasdichten Boden 5 und mit dem Rohr 3 ohne optische Elemente die Möglichkeit geschaffen, die optische Messzelle 1 beziehungsweise deren Gehäuse 2 besonders einfach warten und überprüfen zu können. Damit lässt sich die Qualität der optischen Messzelle 1 und damit der gesamten optischen Messordnung besonders hoch halten.Furthermore, the design of this optical measuring cell 1 with the screwed, gas-tight cover 4 and the screwed, gas-tight base 5 and with the tube 3 without optical elements creates the possibility of being able to maintain and check the optical measuring cell 1 or its housing 2 particularly easily . The quality of the optical measuring cell 1 and thus of the entire optical measuring arrangement can thus be kept particularly high.

BezugszeichenlisteReference List

11: optische Messzelleoptical measuring cell
22: GehäuseHousing
33: RohrPipe
44: Deckellid
55: Bodenfloor
77: Laserstrahllaser beam
88th: Endflächeend face
99: Dachprismaroof prism
1010: Plankonvexe LinsePlano-convex lens
1111: Ein- und Auskoppelelement, DreiecksprismaCoupling and decoupling element, triangular prism
1212: Basisfläche des DachprismaBase surface of the roof prism
1313: Seitenfläche des Dachprismaside surface of the roof prism
2121: Asphärische LinseAspherical lens
2222: Sphärische Linse mit parabolischem QuerschnittSpherical lens with a parabolic cross-section
2323: Plankonvexe LinsePlano-convex lens
3131: 2n-Eck mit 6 Ecken2n-corner with 6 corners
3232: Ecke des 2n-Eckcorner of the 2n-corner
3333: Seite des 2n-Eckside of the 2n corner
3434: Optische HauptachseMain optical axis
3535: Mittelpunkt des 2n-EckCenter of the 2n corner
4040: Lichtquellelight source
4141: Optischer Sensor im EinkoppelbereichOptical sensor in the coupling area
4242: Optischer Sensor im AuskoppelbereichOptical sensor in the decoupling area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 10308883 A1 [0005]
DE 4124545 C2 [0006]

Claims

Optical measuring cell claim 1 , wherein the conversion elements connected to the cover (4) and the base (5) are selected from roof prisms (9), plano-convex lenses (10, 22), concave mirrors, conical mirrors, conical lenses, retroreflector optics.

Optical measuring cell according to one of Claims 1 or 2 , where n (n>l) converting elements designed as a roof prism (9) are connected to the cover (4) and/or to the base (5) in such a way that they are on every second side (33) of a regular 2n-corner (31 ) are arranged.

Optical measuring cell claim 2 and 3 , wherein the cover (4) is connected to n conversion elements designed as a roof prism (9) in such a way that they are arranged on every second side (33) of a regular 2n corner (31), with n=3 in particular being chosen and the bottom (5) is connected to a conversion element designed as a concave mirror or plano-convex lens (22), in particular with a parabolic cross section.

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 4 , wherein at least one conversion element is designed in such a way that the incident light beam (7) and the reflected light beam (7) run axially symmetrically to the main optical axis (34).

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 5 , wherein the coupling element (11) and/or the decoupling element (11) are connected to the cover (4) or base (5).

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 6 , wherein the coupling-in element (11) and/or the decoupling element (11) has an optical element (11) connected to a roof prism (9), in particular a prism.

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 7 , wherein the arrangement of housing (2) with tube (3), cover (4) and base (5) and the conversion elements is rotationally symmetrical to the main optical axis (34).

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 8th , wherein the cover (4) and the bottom (5) are each assigned a plano-convex lens (23) which is connected in particular with its planar side to the conversion elements.

Optical measuring cell claim 9 , wherein at least one plano-convex lens (23) is connected with its planar side to at least one conversion element by means of gluing.

Optical measuring cell claim 10 , wherein both plano-convex lenses (23) show a focal length f which is equal to half the length of the working distance between the two plano-convex lenses (23).

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 11 , wherein the surface of the tube (3) facing the interior is designed at least partially as a light-absorbing and/or non-reflecting surface.

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 12 , wherein the housing (2) gas and / or pressure-tight and is designed for a gaseous fluid as the substance to be measured.

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 13 , wherein the optical measuring cell (1) is assigned a semiconductor light source (40), in particular a laser or an LED light source for generating the light beam.

Optical measuring cell according to one of Claims 1 until 14 , At least one sensor (41, 42) assigned to the optical measuring cell (1) having a conversion element, the coupling element (11) or the decoupling element (11) as individual structural units and/or a light source (40) assigned to the optical measuring cell (1). are formed with the coupling element (11) as individual structural units or together as a single common structural unit.