DE3346024A1

DE3346024A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE3346024A1
Application number: DE19833346024
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Dr. Steinberg Marsoner
Original assignee: Avl AG
Current assignee: Avl AG
Priority date: 1982-12-28
Filing date: 1983-12-20
Publication date: 1984-07-05
Also published as: AT380572B; US4632807A; ATA471282A

Description

AVL AG

CH-8201 Schaffhausen

Optischer Sensor

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor, insbesondere zur Bestimmung des Partialdruckes von O2 oder COp im Atemgas, bei dem mit einer Lichtquelle Anregungslicht durch zumindest ein Anregungsfilter in eine Meßkammer für das zu untersuchende Medium, nämlich ein Gas oder eine Flüssigkeit,eingestrahlt ist, die in einem Fluoreszenzindikator angeregte, durch das zu untersuchende Medium gelöschte bzw. verringerte Fluoreszenzstrahlung über zumindest ein Emissionsfilter einem Fotodetektor zugeführt ist, zusätzlich zu der Meßkammer eine Referenzmeßkammer vorgesehen ist, in die ebenfalls mit der Lichtquelle Anregungslicht eingestrahlt ist, dieser Referenzmeßkammer ein Fluoreszenzindikator zugeordnet ist, dessen Fluoreszenzstrahlung über zumindest ein Referenzemissionsfilter einem Referenzfotodetektor zugeführt ist und die Signale des Fotodetektors und die Referenzsignale des Referenzfotodetektors zur gemeinsamen Auswertung einer Auswerteeinheit zugeführt sind und in gegenseitiger Abhängigkeit auswertbar sind.

Optische Sensoren zur Messung eines G-aspartialdruckes in Flüssigkeiten oder in Gasen sind bekannt; mit ihnen kann insbesondere die Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten und Gasen auf optischem Weg nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung durch molekularen Sauerstoff durchgeführt werden. Meßeinrichtungen dafür wurden zum Beispiel in der DE-OS 2 508 637 beschrieben. Ferner zeigt die DD-PS 106.086 eine Sonde der eingangs genannten Art, bei der in einer Meß- und Referenzmeßkammer ein Fluoreszenzindikator enthalten ist, wobei die Meßkammer über eine Membran mit dem zu untersuchenden Medium in Verbindung steht. Die Referenzmeßkammer ist

völlig abgeschlossen. Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß dieser PS können beide Kammern von einer Fluoreszenzindikator tragenden Platte abgeschlossen werden, die jedoch im Bereich der Referenzmeßkammer gegenüber dem zu untersuchenden Medium abgedeckt ist. In diesem lall ist jedoch, kein Unterschied zwischen den beiden Kammern vorhanden, da das zu untersuchende Medium nicht in die Kammern eindringen kann.

Die bekannten Anordnungen weisen jedoch Nachteile auf, da IntensitätsSchwankungen der Lichtquelle, zeitliche und vom zu untersuchenden Medium unabhängige Veränderungen der Sensorelemente und insbesondere Temperaturschwankungen der Sensorelemente das Meßergebnis beeinflussen. Ferner ist die Geometrie der Lichtführung von Anregungs- und Fluoreszenzlicht ungünstig.

Ein Verfahren zur Berücksichtigung von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle bei Fluoreszenzmessungen kann z.B. darin bestehen, die Intensität des von der j Lichtquelle emittierten Lichtes durch eine weitere Lichtmeßeinrichtung zu detektieren und das Meßsignal mit dem Signal dieser Referenzmeßzelle zu vergleichen. Bs ist zum Beispiel möglich, das Fluoreszenzsignal durch das Referenzsignal' (analog) zu dividieren, sodaß sich ein auf die Anregungslichtintensität normiertes Fluoreszenzsignal ergibt.

Mit einer derartigen synchronen Messung von Anregungs- und Fluoreszenzlicht können zeitliche Änderungen der Anregungslichtintensität kompensiert werden, nicht aber zeitliche, z.B. pOp-unabhängige Veränderungen des Sensorelementes selbst, wie sie durch Photoausbleicheffekte oder Temperaturschwankungen auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Sensor zu erstellen, bei dem sowohl zeitliche Änderungen der Anregungslichtintensität, als auch vom zu untersuchenden Medium, z.B. sauerstoffhältigem Atemgas unabhängige Änderungen der Fluoreszenzintensität des Sensorelementes z.B. durch Temperaturschwankungen erfaßt werden und durch konstruktive Vereinfachungen die Handhabung und Geometrie

verbessert werden.

Liese Aufgabe wird bei einem optischen Sensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl die Meßkammer, durch die das 'zu untersuchende Medium durchgeleitet bzw. in die dieses eingeleitet wird, als auch die Referenzmeßkammer^ die ein Referenzgas bzw. eine Referenzflüssigkeit konstanter Zusammensetzung enthält, von jeweils einem von untereinander identen, Fluoreszenzindikator enthaltenden Sensorelementen oder von jeweils einem diskreten Bereich eines gegenüber den jeweils anderen Bereich separierten Bereich eines einzigen, Fluoreszenzindikator enthaltenden Sensorelementes begrenzt sind und die Fluoreszenzstrahlung von der der Meßkammer bzw. Referenzmeßkammer abgelegenen Seite des bzw. der Sensorelemente(s) den Fotodetektoren zugeführt ist.

Es ergibt sich somit ein ausgesprochen einfacher konstruktiver Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors, dessen Meßkammer und Referenzmeßkammer von einem Fluoreszenzindikator enthaltenden Sensorelement bzw. identen Sensorelementen begrenzt ist; gleichzeitig wird das zu untersuchende Medium in die Meßkammer eingeleitet und von der der Meß- bzw. Referenzmeßkammer abgewandten Seite des Sensorelementes die Fluoreszenzstrahlung abgenommen wird, sodaß eine einfach aufgebaute und zu überblickende funktionsgerechte gegenseitige Anordnung der den Sensor aufbauenden Bestandteile erreicht wird. Durch den speziellen Aufbau der Sensorelemente liefert der erfindungsgemäße Sensor Meßwerte, die von dem unterschiedlichen Aufbau bzw. Zustand zweier getrennt eingesetzter, nicht aufeinander abgestimmter Sensorelemente unbeeinflußt sind. Der Aufbau des Sensors wird durch die Abnahme der Fluoreszenzstrahlung an der der Meß- bzw. Referenzmeßkammer abgelegenen Seite des bzw. der Sensorelemente(s) vereinfacht und eine Durchflußmessung für das zu untersuchende Medium einfach möglich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Sensors ist ferner vorgesehen, daß die Lichtquelle sym-

metrisch zu der Meßkammer und der Referenzmeßkammer angeordnet ist» Zweckmäßigerweise sind die Anregungsfilter für die Meßkammer und die Referenzmeßkammer zu beiden Kammern gemeinsamen Anregungsfiltern zusammengefaßt. Diese Maßnahmen bewirken, daß vom Aufbau des optischen Sensors herrührende Meßwertfehler weitgehend ausgeschaltet sind.

Ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der bzw. des Sensorelemente(s) vorgesehen, so sind auch Temperaturfehler bei den Meßwerten ausgeschaltet. Bevorzugt ist es, wenn das bzw. die Sensorelement(e) in einem mit einem Thermostaten auf konstanter Temperatur gehaltenen Sensorgehäuse angeordnet ist (sind). Zur Ausschaltung von Temperatureinflüssen ist es ferner vorteilhaft, wenn die Meß- ^: kammer und die Referenzmeßkammer mit einem Thermostaten, vorzugsweise in einem thermostatisierten Sensorgehäuse, auf gleicher, vorzugsweise konstanter, Temperatur gehalten sind. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die jeweils der Meßkammer bzw. der Referenzmeßkammer zugeordneten Emissionsfilter und Fotodetektoren bzw. Referenzemissionsfilter und Referenzfotodetektoren von jeweils identen Bauteilen gebildet sind. Ein einfacher Aufbau des optischen Sensors wird erfindungsgemäß erreicht, wenn das Sensorelement die Emissionsfilter, die Referenzemissionsfilter, der Fotodetektor und der Referenzfotodetektor gemeinsam in einem Sensorgehäuse angeordnet sind, das an einem die Lichtquelle, die Anregungsfilter, die Meßkammer und die Referenzmeßkammer enthaltenden Gehäuse verschwenkbar und in Meßstellung fixierbar gelagert ist. Vorteile bei der Bedienung ergeben sich, wenn das Sensorelement,die Meßkammer und die Referenzmeßkammer in fixierter Stellung des verschwenkbaren Sensorgehäuses als in Strahlungsrichtung der Lichtquelle gesehene hintere Begrenzung abschließt.

Für die Erhöhung der Meßgenauigkeit ist es von Vorteil, wenn das Sensorelement von einer auf einem transparenten starren Träger aufgebrachten dünnen Schicht aus

einem säuerstoffindikatorhältigen Polymer gebildet ist. Zur Fehlerausschaltung ist ferner zweckmäßig, wenn die in Strahlungsrichtung der LiGhtciuelle gesehen vorderen Öffnungen der Meßkammer und der Referenzmeßkammer von einem gemeinsamen Anregungsfilter abgeschlossen sind.

Durch die gemeinsame Auswertung der Signale und der Referenzsignale, die von im wesentlichen identen Bauteilen bzw. Bauteilbereichen herrühren, erhält man einen im wesentlichen von dem Aufbau des optischen Sensors unabhängigen Meßwert, der als normierter Meßwert angesehen werden kann. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß in der Auswerteeinheit die Signale des Potodetektors durch Dividieren durch die Signale des Referenzfotodetektors auf die Anregungslichtintensität normierbar sind.

In folgendem wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Sensors,

Pig. 2 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor und

Pig. 3 einen Schnitt durch einen Sensor zur Untersuchung von Atemgas.

Pig. 1 zeigt Bchematisch einen Schnitt durch einen bekannten optischen Sensor, wie er zur Messung bzw. Untersuchung von in vorzugsweise farblosen Gasen oder Plüssigkeiten enthaltenen Gasen verwendet wird, welche Gase oder Plüssigkeiten in einer Meßkammer 3' enthalten sind oder durch sie hindurchgeleitet werden. Eine Lichtquelle 1' beleuchtet durch Anregungsfilter 2¹ ein Sensorelement 4' und regt dieses zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung an. Die Intensität und die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung sind abhängig von der Menge des zu untersuchenden Gases, das in dem bzw. in der in die Meßkammer 3' eingefüllten Gas bzw. der eingefüllten Flüssigkeit enthalten ist, da das Sensorelement 4' aufgrund der von ihm aufgenommenen Menge des zu untersuchenden Gases seine Abstrahleigenschaften ändert.

Die vom Sensorelement 4' abgegebene Fluoreszenzstrahlung trifft durch Emissionsfilter 5', welche die Anregungsstrahlung ausfiltern, auf einen Photodetektor 6¹, der an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist. Mit derartigen Sensoren ist es z„B* möglich,, den Sauerstoffgehalt im Atemgas mit Einstellzeiten (tq_O)-sl0,2 Sekunden festzustellen»

Pig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Sensor» Eine Lichtquelle 1 strahlt über Anregungsfilter 2 sowohl durch eine Meßkammer 3a auf ein Sensorelement 4 als auch durch eine Referenzmeßkammer 3b auf einen anderen Bereich des Sensorelementes 4» Es ist an sich möglichp zwei Sensorelemente zu verwenden^ d.h. je eines für die Meßkammer 3a und die Seferenzmeßkammer 3b; ein einziges Sensorelement 4 ist jedoch vorzuziehen, da verschiedene Bereiche eines Sensorelementes weniger aufbaumäßige bzwo herstellungsmäßige und alterungsbedingte Unterschiede besitzen als zwei verschiedene Sensorelemente. Die im Sensorelement 4 im Bereich der Meßkämmer 3a angeregte Fluoreszenzstrahlung wird über Emissionsfilter 5a einem Photod-etektor 6a zugeleitet und die im Bereich der Referenzmeßkammer 3b im Sensorelement 4 angeregte Fluoreszenz strahlung, die im Verlauf der Messung konstant bleibt, wird über Emissionsfilter 5b einem Referenzfotodetektor 6b zugeleitet. In der Referenzmeßkammer 3b befindet sich ein Referenzgas konstanter Zusammensetzung, sodaß die Signale des Referenzfotodetektors 6b sozusagen als normierbare Bezugsbasie für die Meßsignale des Fotodetektors 6a dienen können«, Zur Auswertung der vom Fotodetektor 6a und vom Referenzfotodetektor 6b kommenden Signale dient eine Auswerteeinheit 12 (Fig» 3)n in der die Signale verknüpft Z₀B₀ dividiert bzw. verglichen oder auf andere Art in eine gegenseitige Beziehung gebracht wer-

den_s um absolute Meßwerte zu erhalten«, <

Um weitere mögliche Abweichungen der Meßwerte bzw.

vom Aufbau des Sensors hefrührende Fehler auszuschalten, ist die Lichtquelle 1 symmetrisch zur Meßkammer 3a und zur Referenzmeßkammer 3b angeordnet. Ferner sind die

- ίο -

Anregungsfilter 2 für die Meßkammer 3a und die Referenzmeßkammer 3b als ein einziges gemeinsames Filter zusammengefaßt. Wie Fig. 2 zeigt, können mehrere Anregungsfilter 2 und Emissionsfilter 5a bzw. Referenzemissionsfilter hintereinander angeordnet werden.

Das Sensorelement 4 besteht aus einem sauerstoffindikatorhältigen Polymer, welches in dünner Schicht auf einem starren, transparenten Träger aufgebracht ist. Die äußerst gute Haftverbindung zwischen der Indikatormembran und dem transparentem Träger begründen trotz dünner Indikatormembranstärken die mechanische Robustheit des so aufgebauten Sensorelementes 4.

Durch die Tatsache, das Fluoreszenzanregung und Fluoreszenzemission spektral unterscheidbar sind, können 5 nicht gefärbte gasförmige Proben wie in Fig. 2 gezeigt, nach Art einer "Durchleuchtung" vermessen werden, um die optischen Wege kurz zu halten. Die Meßkammer 3a bzw. die Referenzmeßkammer 3b und die optischen Elemente zur Fluoreszenzanregung und Fluoreszenzdetektion liegen in einer Reihe auf der optischen Achse zentriert. Dabei können die Anregungsfilter 2 und das Sensorelement 4 gleichzeitig als Meßkammerbegrenzung dienen.

Optische Sensoren der dargestellten Art sind insbesondere zur PartialdruckbeStimmung von O₂ oder COp im Atemgas einsetzbar, da die Anregungsstrahlung mit den Emissionsfiltern 5a bzw. Referenzemissionsfiltern 5b leicht ausgefiltert werden kann. Es ist aber auch möglich den Gasgehalt von Flüssigkeiten zu untersuchen.

Fig. 3 zeigt den konstruktiven Aufbau eines Untersuchungsgerätes mit einem optischen Sensor zur Untersuchung von Atemgas. In einem Gehäuse 13 ist eine Lichtquelle 1, z.B. eine Gasentladungsröhre, angeordnet, deren Licht durch Anregungsfilter 2 in die Meßkammer 3a und die Referenzmeßkammer 3b gelangt. Durch die Meßkammer 3a wird Atemgas geleitet, wobei jedoch Vorsorge getroffen wird, daß das Atemgas konstante Temperatur besitzt, um eine Beeinflussung der Meßergebnisse aufgrund von Temperaturdifferenzen zu vermeiden. In der Referenzmeßkammer 3b be-

findet sich Atemgas j, Hormgas oder Luft, dessen bzw. deren bekannte Zusammensetzung während der Messung konstant bleibt ο Während also in der Meßkammer 3a der Sauerstoffpartialdruck im Atemgas gemessen wird» der Änderungen unterworfen ist, wird der Sauerstoffpartialdruck in der Referenzmeßkammer 3b konstant gehalten und dient als Referenzbasis „

An dem Gehäuse 13 ist um eine Achse 9 schwenkbar ein Sensorgehäuse 7 gelagert, das mit einer Verschraubung in der Meßstellung fest am Gehäuse 13 anschraubbar ist und das Sensorelement 4 dicht gegen die hintere Öffnung der Meßkammer 3a und der Referenzmeßkammer 3b drückt, deren vordere Öffnung rom Anregungsfilter 2 verschlossen wird ο Im Sensorgehäuse 7 sind ferner die Emissionsfilter 5a, Referenzemissionsfilter 5b _v der Fotodetektor 6a und ; der Referenzfotodetektor 6b angeordnet, welche beide letzteren an die Auswerteeinheit 12 angeschlossen sind. Das Sensorgehäuse 7 und/oder das Gehäuse 13 sind auf konstanter temperatur gehalten, wozu im Gehäuse 13 und/ oder im Sensorgehäuse 7 entsprechende Heizeinrichtungen mit Thermostaten vorgesehen sind« Wesentlich ist es, die Meßkammer 3a und die Referenzmeßkammer 3b auf gleicher Temperatur zu halten_o

Um gegenseitige Störeinflüsse auszuschalten, sind für die Meßkammer 3a und die Referenzmeßkammer 3b jeweils eigene Emissionsfilter 3a bzw» Referenzemissionsfilter 3b vorgesehene

In der Auswerteeinheit 12 können die Meßsignale digital oder analog ausgex?ertet werden« Dividiert man das Meßsignal des fotodetektor 6a durch das Referenzsignal des Referenzfotodetektors 6b, so erhält man ein auf die Anregungslichtintensität normiertes Eluoreszenzsignal.

1983 11 30
Kr/13/Fe

. - Leerseite -

Claims

Patentansprüche ί \

ί \

j 1.!Optischer Sensor, insbesondere zur Bestimmung des

\/ Partialdruckes von Op oder COp im Atemgas, "bei dem mit einer lichtquelle Anregungslicht durch zumindest ein Anregungsfilter in eine Meßkammer für das zu untersuchende Medium, nämlich ein Gas oder eine Flüssigkeit, eingestrahlt ist,und die in einem Fluoreszenzindi- » kator angeregte, durch das zu untersuchende Medium gelöschte bzw. verringerte Fluoreszenzstrahlung über zumindest ein Emissionsfilter einem Fotodetektor zugeführt ist, zusätzlich zu der Meßkammer eine Referenzmeßkammer vorgesehen ist, in die ebenfalls mit der Lichtquelle Anregungslicht eingestrahlt ist, dieser Referenzmeßkammer ein Fluoreszenzindikator zugeordnet ist, dessen Fluoreszenzstrahlung über zumindest ein Referenzemissionsfilter einem Referenzfotodetektor zugeführt ist und die Signale des Fotodetektors und die Referenzsignale des Referenzfotodetektors zur gemeinsamen Auswertung einer Auswerteeinheit zugeführt sind und in gegenseitiger Abhängigkeit auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Meßkammer (3a), durch die das zu untersuchende Medium durchgeleitet bzw. in die dieses eingeleitet wird, als auch die Referenzmeßkammer (3b), die ein Referenzgas bzw. eine Referenzflüssigkeit konstanter Zusammensetzung enthält, von jeweils einem von untereinander identen, Fluoreszenzindikator enthaltenden Sensorelementen oder von jeweils einem diskreten Bereich eines gegenüber den jeweils anderen Bereich separierten Bereich eines einzigen, Fluoreszenzindikator enthaltenden Sensorelementes (4) be-

grenzt sind und die Fluoreszenzstrahlung von der der Me 13kammer (3a) bzw. Referenzmeßkammer (3b) abgelegenen Seite des bzw. der Sensorelemente(s) (4) den Fotodetektoren (6a,6b) zugeführt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfilter für die Meßkammer (3a) und die Referenzmeßkammer (3b) zu beiden Kammern gemeinsamen Anregungsfiltern (2) zusammengefaßt sind.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) symmetrisch zu der Meßkammer (3a) und der Referenzmeßkammer (3b) angeordnet ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzgas in der Referenzmeßkammer (3b) konstanten G-aspartialdruck, insbesondere Sauerstoffpartialdruck, besitzt.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der bzw. des Sensorelemente(s) (4) vorgesehen ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Sensorelement(e) (4) in einem mit einem Thermostaten auf konstanter Temperatur gehaltenen Sensorgehäuse (7) angeordnet ist (sind).
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (3a) und die Referenzmeßkammer (3b) mit einem Thermostaten, vorzugsweise in einem thermostatisierten Sensorgehäuse (7), auf gleicher, vorzugsweise konstanter, Temperatur gehalten sind.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils der Meßkammer (3a) bzw. der Referenzmeßkammer (3b) zugeordneten Emissionsfilter (5a) und Fotodetektoren (6a) bzw. Referenzemissionsfilter (5b) und Referenzfotodetektoren (6b) von

jeweils identen Bauteilen gebildet sind. '
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4) die Emissionsfilter (5a), die Referenzemissionsfilter (5b), der

Fotodetektor (6a) und der Referenzfotodetektor (6b) gemeinsam in einem Sensorgehäuse (7) angeordnet sind, das an einem die Lichtquelle (1), die Anregungsfilter (2), die Meßkammer (3a) und die Referenzmeßkammer (3b) enthaltenden Gehäuse verschwenkbar und in Meßstellung fixierbar gelagert ist.
10.Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4),die Meßkammer (3a) und die Referenzmeßkammer (3"b) in fixierter Stellung des verschwenkbaren Sensorgehäuses (7) als in Strahlungsrichtung der Lichtquelle (1) gesehene hintere Begrenzung abschließt.
11.Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4) von einer auf einem transparenten starren Träger aufgebrachten dünnen Schicht aus einem sauerstoffindikatorhältigen Polymer gebildet ist.
12.Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlungsrichtung der Licht— quelle (1) gesehen vorderen Öffnungen der Meßkammer

(3a) und der Referenzmeßkammer (3"b) von einem gemeinsamen Anregungsfilter (2) abgeschlossen sind. 13eSensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit (12) die Signale des Potodetektors (6a) durch Dividieren durch die Signale des Referenzfotodetektors (6b) auf die Anregungslichtintensität normierbar sind.