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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, insbesondere zur Messung einer Konzentration von Gelöstsauerstoff.
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Zur Bestimmung der Konzentration von z.B. in einer wässrigen Lösung gelöstem Sauerstoff wird bei derartigen Sensoren mittels einer Anregungslichtquelle ein Anregungslicht bestimmter Wellenlänge auf eine chromophorhaltige Schicht des Sensors gerichtet, die mit der zu messenden Lösung in Kontakt bringbar ist. Bei dem Chromophor handelt es sich um ein Molekül, das Licht absorbieren und es bei einer längeren Wellenlänge wieder emittieren kann, wobei Sauerstoffmoleküle, die mit dem Chromophor in Kontakt kommen, die Fähigkeit des Chromophors, Licht bei der längeren Wellenlänge zu emittieren, beeinträchtigen. Die Emission von Fluoreszenzlicht durch das Chromophor ist daher abhängig vom Sauerstoffpartialdruck auf der chromophorhaltigen Schicht des Sensors.
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Des Weiteren kann zusätzlich zur Anregungslichtquelle eine Referenzlichtquelle verwendet werden, um Schwankungen oder Verzögerungen im Sensor auszugleichen, z.B. Schwankungen in der Intensität oder Phase der Anregungslichtquelle, Temperaturschwankungen sowie ggf. andere Umweltfaktoren. Durch den Vergleich der Phase der Fluoreszenzemission mit der Phase des Referenzlichts kann der Sensor die durch die Anwesenheit von Sauerstoff in der Lösung verursachte Phasenverschiebung genau bestimmen.
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Nach der Anregung des Chromophors durch die Anregungslichtquelle während einer Anregungsperiode eines Messzyklus emittiert das Chromophor Fluoreszenzlicht, das von einem Photodetektor des Sensors erfasst wird. Die Referenzlichtquelle kann Referenzlicht emittieren, das ebenfalls vom Photodetektor erfassbar ist, um ein Referenzsignal zu erzeugen, das, wie eingangs erwähnt, zur Beseitigung von Schwankungen oder Verzögerungen verwendet werden kann oder für Lock-in-Phasendetektionsverfahren, um Rauschen des Sensors zu minimieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
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Der Photodetektor kann auf der Grundlage des empfangenen Fluoreszenzlichts ein Signal erzeugen und einer Auswerteelektronik des Sensors bereitstellen, die ein entsprechendes Erregungssignal erstellt, das beispielsweise der Größe oder Phase des vom Photodetektor empfangenen Fluoreszenzlichts entspricht.
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Während einer Referenzperiode des Messzyklus kann das von der Referenzlichtquelle emittierte Referenzlicht vom Photodetektor empfangen werden, der ein Signal auf der Grundlage des empfangenen Referenzlichts für die Auswerteelektronik bereitstellt. Diese kann daraus ein entsprechendes Referenzsignal erzeugen, das beispielsweise der Größe oder Phase des vom Photodetektor empfangenen Referenzlichts entspricht.
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Anhand des Anregungssignals kann die Auswerteelektronik ein Signal erzeugen, dass für die zu ermittelnde Gelöstsauerstoffkonzentration indikativ ist. Insbesondere kann die Amplitude oder die Abklingzeit des vom Chromophor emittierten Lichts eine inverse und lineare Beziehung zur Gelöstsauerstoffkonzentration aufweisen. So kann z.B. aus dem Anregungssignal eine Abklingzeit oder Abklingzeitkonstante abgeleitet werden, die der Abnahme der Fluoreszenz entspricht, wenn der gelöste Sauerstoff in der gemessenen Lösung mit dem Chromophor in Wechselwirkung tritt.
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Insbesondere kann des Weiteren die Phase des Anregungssignals bestimmt werden. Zusätzlich kann eine Verzögerung in der Auswerteelektronik bestimmt werden, z.B. unter Verwendung des Referenzsignals, insbesondere der Phase des Referenzsignals. Die Phase des Anregungssignals kann verwendet werden, um die Abklingzeit der Fluoreszenz des Chromophors während des Anregungsperiode genau zu bestimmen. Bei der Bestimmung der Abklingzeit kann eine etwaige Verzögerung in der Auswerteelektronik anhand der aus dem Referenzsignal ermittelten Verzögerung korrigiert werden. Ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der betrachteten wässrigen Lösung kann dann auf der Grundlage der Beziehung zwischen der bekannten Abklingzeitkonstante des Chromophors und der ermittelten Abklingzeit bestimmt werden. Weiterhin kann dieses Konzentrationsmaß anhand eines gemessenen Temperaturwerts unter Verwendung einer bekannten Beziehung zwischen Temperatur und Sauerstoffkonzentration weiter angepasst werden. Die Konzentrationskorrektur unter Verwendung eines gemessenen Temperaturwerts kann im Wesentlichen eine Echtzeitkompensation von Temperaturtransienten oder Änderungen des stationären Zustands der Lösung ermöglichen.
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Ein Sensor der oben beschriebenen Art ist z.B. aus der
WO2015/066416A1 bekannt. Aufgrund der oben dargelegten vielseitigen Verwendbarkeit des Referenzsignals, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass der Sensor einen verlässlichen, stabilen Referenzlichtpfad aufweist, so dass das vom Photodetektor zu empfangende Referenzlicht möglichst geringen Schwankungen unterworfen ist und eine genaue Bestimmung der Gelöstsauerstoffkonzentration gestattet.
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In dem in der
WO2015/066416A1 beschriebenen Sensor wird ein Photodetektor in Form einer Photodiode auf einer Vorderseite einer optischen Blende angeordnet, an deren Rückseite eine gedruckte Leiterplatte angeordnet ist, auf der die Referenzlichtquelle in Form einer LED angeordnet ist. Von dieser Referenzlichtquelle auf der Rückseite der optischen Blende erzeugtes Referenzlicht kann durch ein Loch in der optischen Blende hindurchtreten und kann von der auf der Vorderseite der optischen Blende angeordneten Photodiode erfasst werden. Die Photodiode samt Blende ist dabei in eine Öffnung eines Trägerelements eingeführt. Hierbei kann aber z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen der unerwünschte Umstand auftreten, dass Referenzlicht - abgesehen von dem besagten Loch in der Blende - auch auf anderen Pfaden, insbesondere außen am Umfang der Blende vorbei, zur Photodiode gelangen kann, was der Messgenauigkeit des Sensors abträglich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor bereitzustellen, insbesondere zur Messung einer Konzentration von Gelöstsauerstoff, wobei der optische Sensor im Hinblick auf die oben geschilderte Problematik verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein optischer Sensor offenbart, der insbesondere zur Messung einer Konzentration von gelöstem Sauerstoff in einem Fluid, z.B. einer wässrigen Lösung, ausgebildet ist, wobei der optische Sensor aufweist:
- - eine Referenzlichtquelle (z.B. in Form einer LED),
- - einen Schaltungsträger, wobei die Referenzlichtquelle auf dem Schaltungsträger angeordnet ist,
- - einen Photodetektor (z.B. in Form einer Photodiode), und
- - eine optische Blende mit einer Vorderseite und einer der Vorderseite abgewandten Rückseite, wobei der Schaltungsträger an der Rückseite der optischen Blende angeordnet ist, und wobei der Photodetektor auf der Vorderseite der optischen Blende angeordnet ist, und wobei die optische Blende ein Loch aufweist, so dass von der Referenzlichtquelle ausgesendetes Referenzlicht durch das Loch hindurch zum Photodetektor gelangen kann und von diesem detektierbar ist, und
- - ein Trägerelement zum Tragen des Schaltungsträgers, des Photodetektors und der optischen Blende, wobei das Trägerelement eine Öffnung aufweist, in die der Photodetektor eingeführt ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorderseite der optischen Blende einen umlaufenden Randbereich aufweist, mit dem die optische Blende auf einer die Öffnung umlaufenden Anlagefläche des Trägerelements flächig, insbesondere lichtdicht, aufliegt, so dass, abgesehen von dem Loch in der optischen Blende, eine Intensität des außen an der optischen Blende vorbei gelangenden Referenzlichts deutlich reduziert ist, idealerweise auf Null reduziert ist. Die Erfindung erreicht daher insbesondere den wünschenswerten technischen Effekt, dass das Referenzlicht in definierter Weise durch das dafür geschaffene Loch der optischen Blende zum Photodetektor gelangen und von diesem detektiert werden kann. Hierdurch können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Auswertelektronik des optischen Sensors verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Trägerelement entlang einer Achse erstreckt, wobei insbesondere die Achse eine Längsachse ist, und wobei sich die Öffnung entlang der Achse durch das Trägerelement hindurch erstreckt. Das Trägerelement ist in diesem Sinne insbesondere hülsenförmig ausgestaltet.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Anlagefläche eine Ebene aufspannt, die sich senkrecht zu der Achse erstreckt.
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Insbesondere wird die Anlagefläche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch eine auf einer Innenseite der Öffnung des Trägerelements umlaufende Stufe gebildet.
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Das Trägerelement kann insbesondere aus einem Metall, wie z.B. einer Stahl- oder Aluminiumlegierung gebildet sein. Die Anlagefläche kann daher mit entsprechend hoher Präzision am Trägerelement ausgebildet werden, so dass die optische Blende lichtdicht auf der Anlagefläche zu liegen kommen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Blende eine flache kreisförmige Scheibe bildet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Photodetektor durch die optische Blende hindurch elektrisch leitend mit dem Schaltungsträger verbunden ist. Grundsätzlich kann auch die optische Blende als ein Schaltungsträger ausgeführt sein, so dass auch über die optische Blende eine elektrisch leitfähige Anbindung des Photodetektors möglich ist. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Schaltungsträger als flache Platte ausgebildet ist, die vorzugsweise rechteckförmig und/oder in Richtung der besagten Achse des Trägerelements längserstreckt ausgebildet ist.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich die optische Blende in einer senkrecht zu der Achse des Trägerelements orientierten Ebene erstreckt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich der Schaltungsträger in einer Ebene erstreckt, die senkrecht zur besagten Ebene der optischen Blende orientiert ist (und insbesondere durch die Achse des Trägerelements und eine dazu senkrecht verlaufende, insbesondere radiale Richtung des Trägerelements aufgespannt wird).
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Schaltungsträger auf die Achse ausgerichtet ist, insbesondere zusammen mit dem Photodetektor. Vorzugweise ist des Weiteren in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die optische Blende und der Schaltungsträger T-förmig zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Blende mit ihrer Rückseite auf einer Stirnseite des Schaltungsträgers angeordnet ist, die insbesondere mittig auf der Rückseite der optischen Blende verläuft bzw. angeordnet ist. Die optische Blende und der Schaltungsträger bilden somit eine kompakte Einheit, die sich einfach bezüglich des Trägerelements anordnen lässt und dabei den oben erwähnten lichtdichten Verschluss der Öffnung des Trägerelements bewirkt.
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Bei dem Schaltungsträger kann es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um eine gedruckte Leiterplatte handeln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass das Trägerelement einen Vorsprung aufweist, der von einem die Öffnung umlaufenden Randbereich des Trägerelements in Richtung der Achse des Trägerelements absteht. Somit entsteht an einem Ende des Trägerelements in vorteilhafter Weise eine Aussparung zur Aufnahme des Schaltungsträgers, die eine genaue Positionierung des Schaltungsträgers und der damit verbundenen optischen Blende bezüglich ihrer Anlagefläche auf dem Trägerelement bewirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaltungsträger auf dem Vorsprung angeordnet ist, wobei in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist, dass der Vorsprung zwei einander gegenüberliegende (insbesondere parallel zueinander erstreckte) längserstreckte Auflageflächen ausbildet, die insbesondere über einen gekrümmten Wandabschnitt des Vorsprungs bzw. des Trägerelements miteinander verbunden sind, wobei der Schaltungsträger auf den Auflageflächen aufliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Schaltungsträger an den Auflageflächen über je eine Schraube festgelegt ist. Hierbei ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Vorsprung für jede der beiden Schrauben ein Loch zur Aufnahme der jeweiligen Schraube aufweist.
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Des Weiteren ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Vorsprung auf einer Innenseite eine Ausnehmung aufweist, die ein Einschwenken der Einheit aus optischer Blende (mit Photodetektor) und des daran festgelegten Schaltungsträgers in eine Montageposition gestattet, in der die optischen Blende an der Anlagefläche des Trägerelements bestimmungsgemäß anliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Öffnung des Trägerelements einen ersten, insbesondere zylindrischen, Abschnitt aufweist, in den der Photodetektor eingeführt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Abschnitt der Öffnung des Trägerelements dabei eine Innenseite mit einer Oberflächenstruktur zur Verminderung von Lichtreflexionen auf. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur durch ein auf der Innenseite ausgebildetes Gewinde realisiert ist.
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Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Öffnung des Trägerelements einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt aufweist, der einen geringeren Innendurchmesser als der erste Abschnitt der Öffnung aufweisen kann. In dem zweiten Abschnitt ist ein Lichtleiter (z.B. eine Glasfaseroptik) angeordnet, der dazu ausgebildet ist, Fluoreszenzlicht einer chromophorhaltigen Schicht des optischen Sensors zum ersten Abschnitt der Öffnung bzw. zum Photodetektor zu leiten, wobei der Lichtleiter ein dem Photodetektor zugewandtes proximales Ende sowie ein dem proximalen Ende gegenüberliegendes distales Ende aufweist. Vorzugsweise ist der Lichtleiter zusammen mit dem Photodetektor und dem Schaltungsträger an der besagten Achse (insbesondere Längsachse) des Trägerelements ausgerichtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der optische Sensor eine chromophorhaltige Schicht aufweist, die von einem Fluid, dessen Konzentration an darin gelöstem Sauerstoff zu messen ist, kontaktierbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Sensor ein transparentes, an die chromophorhaltige Schicht angrenzendes Fenster aufweist, insbesondere aus einem Glas, das dem distalen Ende des Lichtleiters zugewandt ist.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Trägerelement auf einer Außenseite des Trägerelements eine zweite Ausnehmung aufweist, in der ein weiterer Schaltungsträger angeordnet ist, auf dem eine Anregungslichtquelle angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, ein Anregungslicht auszusenden, das die chromophorhaltige Schicht in Abhängigkeit von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff in dem die chromophorhaltige Schicht kontaktierendem Fluid dazu anregt, ein Fluoreszenzlicht zu emittieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Trägerelement eine in die zweite Ausnehmung mündende zylindrische Nut aufweist, die sich parallel zu der Öffnung bzw. Achse des Trägerelements erstreckt, wobei ein weiterer Lichtleiter in der Nut angeordnet ist, der zum Leiten von durch die Anregungslichtquelle erzeugtem Anregungslicht zur chromophorhaltige Schicht ausgebildet ist.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass auf dem Schaltungsträger eine mit dem Photodetektor verbundene Auswertelektronik angeordnet ist, die dazu konfiguriert ist zumindest ein Signal des Photodetektors, das vom Photodetektor basierend auf vom Photodetektor empfangenden Fluoreszenzlicht der chromophorhaltigen Schicht erzeugbar ist, derart auszuwerten, dass eine Phase des mindestens einen Signals und/oder die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in dem die chromophorhaltige Schicht kontaktierenden Fluid bestimmt wird.
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Der optische Sensor, insbesondere die Auswertelektronik, ist in einer bevorzugten Ausführungsform dazu konfiguriert, zur Bestimmung der besagten Konzentration an gelöstem Sauerstoff das Referenzlicht zu verwenden.
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Schließlich ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Trägerelement auf einer Außenseite des Trägerelements einen Schlitz aufweist, in dem zumindest ein elektrischer Leiter angeordnet ist, der insbesondere einen Temperatursensor des optischen Sensors mit der Auswerteelektronik verbindet.
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Im Folgenden sollen Ausführungsformen der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand von Figuren erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, insbesondere zur Messung einer Konzentration von gelöstem Sauerstoff in einem Fluid;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Trägerelements einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors, das zum Tragen von optischen Komponenten des Sensors dient;
- 3 eine Schnittansicht des Trägerelements gemäß 2 entlang einer Achse, entlang der sich das Trägerelement bzw. eine darin durchgängig ausgebildete Öffnung erstreckt, die u.a. zur Aufnahme eines Photodetektors dient;
- 4 - 5 weitere Schnittansichten des Trägerelements gemäß 2, wobei eine Baugruppe aufweisend den auf einer optischen Blende angeordneten Photodetektor sowie eine auf einem Schaltungsträger angeordnete Referenzlichtquelle bestimmungsgemäß in der Öffnung des Trägerelements sowie auf einem Vorsprung des Trägerelements angeordnet wird (siehe 3), so dass die optische Blende auf einer Anlagefläche des Trägerelements zu liegen kommt (siehe 4);
- 6 eine Ansicht einer Unterseite des Trägerelements gemäß 2, insbesondere des Vorsprungs des Trägerelements;
- 7 eine Ansicht einer Oberseite des Trägerelements gemäß 2, insbesondere des Vorsprungs des Trägerelements, der zwei gegenüberliegende Auflageflächen für den Schaltungsträger bereitstellt;
- 8 eine Schnittansicht des Trägerelements gemäß 2 quer zur Achse des Trägerelements entlang der Linie B-B der 7;
- 9 eine Draufsicht auf ein durch den Vorsprung gebildetes Ende des Trägerelements gemäß 2; und
- 10 eine Draufsicht auf ein gegenüberliegendes Ende des Trägerelements gemäß 2, das einer chromophorhaltigen Schicht des optischen Sensors zugewandt ist.
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1 zeigt im Zusammenhang mit 4 und 5 eine Außenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Ein derartiger optischer Sensor 1 kann zur Messung einer Konzentration von gelöstem Sauerstoff in einem Fluid, z.B. in Form einer wässrigen Lösung, verwendet werden. Der optische Sensor 1 weist hierzu eine Referenzlichtquelle 2 (z.B. in Form einer LED), einen Schaltungsträger 3, einen Photodetektor 4 (z.B. in Form einer Photodiode), eine optische Blende 5 sowie eine (nicht gezeigte) Anregungslichtquelle auf. Die optische Blende 5 weist eine Vorderseite 5a und eine der Vorderseite 5a abgewandte Rückseite 5b auf, wobei der Schaltungsträger 3 mit einer schmalen Stirnseite 3a an der Rückseite 5b der optischen Blende 5 angeordnet ist und insbesondere an dieser festgelegt ist. Die Referenzlichtquelle 2 ist auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet und kann durch ein in der optischen Blende 5 ausgebildetes Loch 50 Referenzlicht R auf den Photodetektor 4 ausstrahlen (vgl. 5), der auf der Vorderseite 5a der optischen Blende 5 positioniert ist. Grundsätzlich kann die optische Blende 5 ebenfalls als ein Schaltungsträger 3 ausgeführt sein. Des Weiteren kann die optische Blende 5 einstückig mit dem Schaltungsträger 3 ausgebildet sein, d.h., kann integral mit diesem verbunden sein bzw. an diesen angeformt sein. Zum Tragen der Baugruppe aufweisend den Photodetektor 4, die Blende 5, den Schaltungsträger 3 und die Referenzlichtquelle 2, weist der Sensor 1 ein Trägerelement 6 auf, das eine mittige Öffnung 60 aufweist, in der der Photodetektor 4 aufgenommen ist, insbesondere wenn der Schaltungsträger 3 der besagten Baugruppe bestimmungsgemäß auf dem Trägerelement 6 angeordnet ist.
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Wie eingangs dargelegt, wird die Referenzlichtquelle 2 zur Auswertung des vom Photodetektor 4 empfangenen Fluoreszenzlicht einer chromophorhaltigen Schicht 7 des optischen Sensors 1 verwendet. Eine entsprechende Auswertelektronik kann auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet sein. Zur Steigerung einer Präzision der Auswertung muss daher sichergestellt werden, dass das Referenzlicht R in definierter Weise über das Loch 50 der Blende 5 zum Photodetektor 4 gelangen kann, wobei sonstiges Streulicht der Referenzlichtquelle 2 außerhalb des Loches 50 nicht zum Photodetektor 4 gelangen soll.
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Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, dass die Vorderseite 5a der optische Blende 5 einen umlaufenden Randbereich 5c aufweist, mit dem die optische Blende 5 derart auf einer die Öffnung 60 umlaufenden bzw. ringförmigen Anlagefläche 61 des Trägerelements 6 aufliegt, dass abgesehen von dem Loch 50 der Blende 5 kein Referenzlicht R von der Referenzlichtquelle 2 an der optischen Blende 5 vorbei zum Photodetektor 4 gelangen kann. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sich die Anlagefläche 61 im Wesentlichen senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung des zum Photodetektor 4 gerichteten Referenzlichts 5 erstreckt und von dem besagen Randbereich 5c der Blende 5 überdeckt wird.
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Der Sensor 1 kann gemäß 1 eine entlang der Achse z des Trägerelements 6 längserstreckte Gestalt aufweisen, mit einem Sensorkopf 10, der an einem Ende einen Verbinder 11 zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zu einem weiteren Gerät aufweist, insbesondere zum Übermitteln von Messdaten des Sensors 1 an ein weiteres Gerät. Der Sensorkopf 10 kann an einem dem Verbinder 11 gegenüberliegenden Ende mit einem längserstreckten Sensorschaft 13 verbunden sein. Der Sensorschaft 13 kann das Trägerelement 6 sowie die darauf angeordneten Komponenten (u.a. Photodetektor 4, Referenzlichtquelle 2, Blende 5, Schaltungsträger 3) aufnehmen. Insbesondere kann das Trägerelement 6 in einen Innenraum des Sensorschafts 13 eingeklebt sein. Im Sensorschaft 13 erstreckt sich des Weiteren ein in die Öffnung 60 des Trägerelements 6 eingeführter Lichtleiter. Der Sensor 1 kann ferner über ein Außengewinde 12 in eine Messöffnung eines Behälters etc. mit entsprechendem Innengewinde eingeschraubt werden (hierbei können ggf. eine Unterlegscheibe 15 sowie ein Dichtungsring 14 zur Abdichtung verwenden werden), um z.B. eine Gelöstsauerstoffkonzentration eines sich darin befindlichen Fluids zu messen. Am Sensorschaft 13 kann schließlich eine Sensorkappe 16 festlegbar sein (in der 1 in einem nicht am Schaft 13 festgelegten Zustand gezeigt), die die chromophorhaltige Schicht 7 aufweist, die mit dem zu messenden Fluid kontaktierbar ist. Die Kappe 16 kann weiterhin ein transparentes Fenster 8 aufweisen, dass auf der fluidabgewandten Seite der chromophorhaltigen Schicht 7 angeordnet sein kann. Wenn die Kappe 16 bestimmungsgemäß abdichtend auf den Sensorschaft 13 aufgesteckt ist, liegt die chromophorhaltige Schicht 7 dem Lichtleiter gegenüber und kann Fluoreszenzlicht über den Lichtleiter zum Photodetektor 4 aussenden. Die Kappe 16 kann z.B. mit einem Dichtungsring 17 gegenüber dem Schaft 13 abgedichtet werden.
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Wie anhand der 3 ersichtlich ist, erstreckt sich die Öffnung 60 in Richtung der Achse bzw. Längsachse z des Trägerelements 6 durch das Trägerelement hindurch, wobei die besagte Anlagefläche 61 senkrecht zur Achse z ausgerichtet ist. Gemäß 3 wird die Anlagefläche 61 insbesondere durch eine auf einer Innenseite 60a der Öffnung 60 umlaufende Stufe 61 gebildet, die z.B. durch Ausbilden einer ringförmigen Aussparung auf der Innenseite 60a hergestellt werden kann. Die optische Blende 5 kann dabei insbesondere flächenbündig in der entsprechenden umlaufenden Aussparung des Trägerelements 6 angeordnet werden und wird dabei gleichzeitig quer zur Achse z in vorteilhafter Weise zentriert.
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Die optische Blende 5 ist dabei vorzugsweise als eine flache kreisförmige Scheibe ausgestaltet. Der Photodetektor 4 kann z.B. durch die optische Blende 5 hindurch elektrisch leitend mit dem Schaltungsträger 3 verbunden sein. Die Blende 5 ist vorzugsweise im gezeigten Querschnitt T-förmig zum Schaltungsträger 3 angeordnet. Der Photodetektor 4, die Blende 5 und der Schaltungsträger 3 liegen somit kompakt in einer Flucht und können mit entsprechend geringem Bauraumbedarf im Trägerelement 6 angeordnet werden.
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Zur definierten Anordnung des Schaltungsträgers 3, der damit verbundenen Blende 5 und dem darauf angeordnetem Photodetektor 4 kann das Trägerelement 6 einen Vorsprung 62 aufweisen (vgl. 2 - 9), auf dem der Schaltungsträger 3 angeordnet und festgelegt sein kann, wobei insbesondere besagter Vorsprung 62 von einem die Öffnung 6 umlaufenden Randbereich 63 des Trägerelements 6 in Richtung der Achse z absteht, siehe insbesondere 3. Der Vorsprung 62 kann weiterhin auf einer Innenseite eine Ausnehmung 66 aufweisen, die ein Einschwenken der optischen Blende 5 und des daran festgelegten Schaltungsträgers 3 in eine Montageposition der optischen Blende 5 und des Schaltungsträgers 3 gestattet, wie es in den 4 und 5 dargestellt ist. Wenn die Blende 5 schließlich gemäß 5 lichtdicht auf der Anlagefläche 61 anliegt, liegt der Schaltungsträger 3 gleichzeitig auf dem Vorsprung 62 auf. Hierzu weist der Vorsprung 62 zwei einander gegenüberliegende Auflageflächen 64 auf (vgl. insbesondere 2, 4, 5 und 7), die insbesondere über einen gekrümmten Wandabschnitt 65 des Vorsprungs 62 bzw. des Trägerelements 6 miteinander verbunden sind (vgl. z.B. 9), wobei der Schaltungsträger 3 auf den Auflageflächen 64 aufliegt (vgl. 5). Hierbei kann der Schaltungsträger 3 an den Auflageflächen 64 über je eine Schraube festgelegt sein, die in entsprechende Löcher 62a des Vorsprungs 62 eingreifen (vgl. 6 - 8).
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Weiterhin kann das Trägerelement 6 auf einer Außenseite 6a des Trägerelements 6 einen längs der Achse z erstreckten Schlitz 71 aufweisen, in dem zumindest ein (nicht gezeigter) elektrischer Leiter angeordnet ist, der insbesondere einen (nicht gezeigten) Temperatursensor des optischen Sensors 1 mit der Auswerteelektronik verbinden kann. Eine durch den Temperatursensor gemessene aktuelle Temperatur des zu messenden Fluids kann in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration durch den Sensor 1 einfließen.
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Des Weiteren weist die Öffnung 60 des Trägerelements 6 gemäß 3 bis 5 bevorzugt einen ersten, insbesondere zylindrischen, Abschnitt 67 auf, in den der Photodetektor 4 eingeführt ist, so dass er insbesondere der chromophorhaltigen Schicht 7 in Richtung der Achse z gegenüberliegt. Der erste Abschnitt 67 der Öffnung 60 kann dabei auf seiner Innenseite eine Oberflächenstruktur 67a zur Verminderung von Lichtreflexionen aufweisen. Bei der Oberflächenstruktur 67a kann es sich z.B. um ein Gewinde handeln, das vorteilhaft einfach in den Abschnitt 67a geschnitten werden kann.
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Weiterhin weist die Öffnung 60 bevorzugt einen sich an den ersten Abschnitt 67 anschließenden zweiten Abschnitt 68 auf, in dem ein (nicht gezeigter) Lichtleiter (z.B. eine Glasfaseroptik) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, Fluoreszenzlicht der chromophorhaltigen Schicht 7 über den ersten Abschnitt 67 der Öffnung 60 zum Photodetektor 4 zu leiten, wobei der Lichtleiter ein dem Photodetektor 4 zugewandtes proximales Ende sowie ein dem proximalen Ende gegenüberliegendes distales Ende aufweist. Der Lichtleiter ist bevorzugt zusammen mit dem Photodetektor 4 und dem Schaltungsträger 3 an der besagten Achse z des Trägerelements 6 ausgerichtet.
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Wie ferner aus der 1 ersichtlich ist, weist das Trägerelement 6 auf einer Außenseite 6a des Trägerelements 6 (den Auflageflächen 64 abgewandt) eine zweite Ausnehmung 69 auf, in der ein weiterer Schaltungsträger angeordnet ist (in der 1 nicht gezeigt), auf dem eine Anregungslichtquelle angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, ein Anregungslicht auszusenden, das die chromophorhaltige Schicht 7 dazu anregt, ein Fluoreszenzlicht zu emittieren, und zwar in Abhängigkeit von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff in dem die chromophorhaltige Schicht 7 kontaktierendem Fluid (siehe unten).
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Das Trägerelement 6 kann des Weiteren eine in die zweite Ausnehmung 69 mündende zylindrische Nut 70 aufweisen, die sich parallel zu der Öffnung 60 bzw. Achse z erstreckt, wobei ein weiterer Lichtleiter in der Nut 70 angeordnet ist (nicht gezeigt), der zum Leiten von durch die Anregungslichtquelle erzeugtem Anregungslicht zur chromophorhaltige Schicht 7 ausgebildet ist.
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Die vorzugsweise auf dem Schaltungsträger 3 angeordnete und mit dem Photodetektor 4 verbundene Auswertelektronik (nicht gezeigt) kann dazu konfiguriert sein, ein bzw. mehrere Signale vom Photodetektor 4 in Reaktion auf empfangendes Fluoreszenzlicht der chromophorhaltigen Schicht 7 derart auszuwerten, dass eine Phase dieses Signals bzw. dieser Signale und/oder die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in dem die chromophorhaltige Schicht 7 kontaktierendem Fluid bestimmt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Auswerteelektronik auf dem Schaltungsträger 3 die besagte Phase bestimmt, wobei eine im Sensorkopf 10 aufgenommene weitere Auswerteelektronik daraus die besagte Konzentration bestimmt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Konzentration mittels der Auswerteelektronik auf dem Schaltungsträger 3 zu bestimmen. Zur Erzeugung des Fluoreszenzlichts kann hierbei die chromophorhaltige Schicht 7 im Sensor 1 mit dem Anregungslicht (z.B. blauem Licht) der Anregungslichtquelle angestrahlt werden. Der in der Schicht 7 enthaltene Chromophor kann diese Energie aufnehmen und gibt, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, Fluoreszenzlicht mit einer bestimmten Abklingzeit ab. Dieses emittierte Licht kann vom Photodetektor 4 erfasst werden. In Anwesenheit von Sauerstoff überträgt das Chromophor die Energie auf das Sauerstoffmolekül. Der Sauerstoff ist dann in der Lage, diese Energie als Wärme an die Umgebung abzugeben und es wird kein Fluoreszenzlicht emittiert. Die Gesamtintensität der Fluoreszenz und die Abklingzeit der Fluoreszenz hängen somit mit dem Sauerstoffpartialdruck im betrachteten Medium/Fluid zusammen. Um die Abklingzeit des Fluoreszenzlichts zu analysieren, kann das Anregungslicht mit einer konstanten Frequenz gepulst werden. Das Fluoreszenzlicht zeigt dann den gleichen Verlauf, aber mit einer zeitlichen Verzögerung zur Anregung. Diese Verzögerung wird als Phasenverschiebung oder Phasenwinkel bezeichnet und ist abhängig von der Gelöstsauerstoffkonzentration des gemessenen Fluids/Mediums. Die Auswerteelektronik kann diese Phasenverschiebung bestimmen und daraus die Gelöstsauerstoffkonzentration errechnen. Alternativ kann die Gelöstsauerstoffkonzentration mittels einer weiteren Auswerteelektronik im Sensorkopf 10 bestimmt werden (siehe oben). Bei der Auswertung kann das durch die Referenzlichtquelle 2 bereitgestellte Referenzlicht in der eingangs dargelegten Weise verwendet werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Blende 5 bezüglich des Trägerelements 6 und den dadurch stabilisierten Referenzlichtpfad kann die Genauigkeit der Konzentrationsmessung des optischen Sensors 1 signifikant verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015066416 A1 [0009, 0010]
