-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum fortlaufenden Bestimmen eines
Stoffs, umfassend ein chemisch reagierendes Sensorelement, das in oder
in Nachbarschaft zu einer Begrenzungswand eines Volumens, das den
Stoff enthält,
angeordnet ist, wobei in einem Gehäuse einer modularen Vorrichtung
optische Elemente zum Lesen des Sensorelements angeordnet sind,
umfassend zumindest eine Lichtquelle, die das Sensorelement beleuchtet,
und zumindest einen Probendetektor, der das durch das Sensorelement
gestreute Licht erkennt, und wobei eine Vorderseite des Gehäuses eine
Kupplung für das
Sensorelement umfasst, die derart angeordnet ist, dass das Sensorelement
austauschbar und modular an die Vorderseite des Gehäuses gekuppelt sein
kann.
-
Stand der Technik
-
Im
Rahmen moderner Fertigungsverfahren ist es beispielsweise für die Qualitätskontrolle
eines hergestellten Erzeugnisses von ausschlaggebender Bedeutung,
fortlaufend Stoffe zu bestimmen, die das Erzeugnis umfasst. Dies
erfolgt durch Vornehmen von mehreren, entweder fortlaufenden oder
sporadischen Messungen einer Probe des Erzeugnisses, die fortlaufend
oder sporadisch zugeführt
wird.
-
Herkömmlicherweise
werden zumeist Flow Injection Analysis-(FIA-) Systeme zum fortlaufenden Bestimmen
von Stoffen benutzt. Diese Systeme umfassen sorgfältig ausgearbeitete
Vorrichtungen, insbesondere Pumpen und Ventile, zum Zuführen und Ablassen
von Probenflüssigkeiten
und –reagenzien, wo erforderlich.
Die Bestimmung erfolgt durch Analyseverfahren, die die Reagenzien
einsetzen, durch Biosensoren oder chemische Sensoren (z.B. innenselektive
Elektroden).
-
Insbesondere
die Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Stoffs durch Messen
des Farbwechsels eines mit dem Stoff reagierenden Indikatorstoffs
oder Absorbens ist beispielsweise in den
US-Patentschriften Nr. 3,754,867 (Bjorksten
Research Laborstories) und Nr.
4,003,707 (Max-Planck-Gesellschaft)
beschrieben.
-
WO 98/30892 (U. Spichiger-Keller,
J. Müller) offenbart
ein Sensorsystem für
die fortlaufende Bestimmung einer Substanz, das modular ist, sodass mehrere
verschiedene Module mit verschiedenen Sensorarten eingesetzt sein
können.
Dies gestattet bei Bedarf eine simultane Bestimmung verschiedener
Parameter unter Anwendung verschiedener Messtechniken. Die Sensorelemente,
an denen alle chemischen Reaktionen stattfinden, sind austauschbare
Strukturen. Sie umfassen Auswahlschichten, die fortlaufendes Messen
eines durchfließenden Stoffs
gestatten, ohne Reagenzien einzusetzen. Unter anderem können Sensorelemente
eingesetzt sein, die optisch gelesen werden. Insbesondere können derartige
Elemente einen Wellenleiter umfassen, auf dem die Auswahlschichten
abgelagert sind. Es können
verschiedene Größen gemessen
werden, wie etwa Absorption/Extinktion im ATR-Modus (abgeschwächte Totalreflexion),
die Änderung
des Brechungsindex, die optische Ausdehnung, Phasenänderungen,
Reflexion, Lumineszenzabklingzeit oder das Derivat der Lumineszenzemission.
Die benötigte Lichtenergie
kann von außerhalb
des Moduls durch eine Glasfaser vorgesehen sein, oder sie kann direkt in
dem Modul erzeugt sein, beispielsweise durch eine LED. Der optische
Detektor kann ebenfalls in das Modul eingegliedert sein. Das optische
Sensorelement weist die Form eines Würfels auf und ist zwischen
dem Kopfabschnitt und einem Basisabschnitt eingespannt und steht
in direktem Kontakt mit einer Röhre
für die
Proben, die analysiert werden sollen. Der Kopfabschnitt ist durch
Schrauben an dem Basisabschnitt angebracht.
-
Zum
Austauschen des Sensorelements oder des Würfels, die die Auswahlschichten
umfassen, müssen
die Schrauben, die den Kopfabschnitt und den Basisabschnitt verbinden,
Iosgeschraubt werden, und dies ist ein komplizierter und mühseliger Vorgang.
Ferner offenbart
WO 98/30892 keinerlei Details,
die die Anbringung des Würfels
in dem Modul oder seine optische Verbindung zu dem Detektor betreffen.
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine zu dem eingangs genannten
technischen Gebiet gehörende
Anordnung zur fortlaufenden Bestimmung eines Stoffs zu schaffen,
die ein leichtes Austauschen des modularen Sensorelements gestattet
und eine optische Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem
Detektor vorsieht, welche stabil ist und qualitativ hochwertige
Messungen gestattet.
-
Die
Lösung
gemäß der Erfindung
ist durch die Merkmale von Anspruch 1 spezifiziert. Gemäß der Erfindung
ist ein Glaskörper
für direkten
Kontakt mit dem Sensorelement der Kupplung benachbart angeordnet
und sind separate Röhren
für die
Beleuchtung und für
das Streulicht hinter dem Glaskörper
angeordnet.
-
Die
Transparenz des Glaskörpers
gestattet die Beleuchtung des Sensorelements sowie den Durchlass
des Streulichts. Dabei ist das Sensorelement beständig in
seinem optisch relevanten Bereich gestützt, wodurch Beugungen des
Elements verhindert sind, die zu optischen Fehlern führen und
damit die Messergebnisse beeinträchtigen
würden.
Zudem ist die mechanische Belastung gemindert. Der Glaskörper definiert
einen feststehenden Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Sensorelement
sowie zwischen dem Sensorelement und dem Probendetektor. Er wirkt
ferner als Abdichtung, die die Innenseite des Gehäuses gegen
Staub oder Flüssigkeiten von
der Außenseite,
insbesondere während
des Austauschs des Sensorelements, zuverlässig abschließt. Die
Austauschbarkeit des Sensorelements ist dahingehend verbessert,
dass es einfach an die ebene Oberfläche des Glaskörpers gekuppelt
ist, die an der Vorderseite des Gehäuses angeordnet ist. Schließlich ist
der Glaskörper
verschleißfest
und seine Vorderseite leicht zu reinigen. Im Prinzip kann der Glaskörper aus üblichem
Glas mit einem niedrigen Brechungsindex gebildet sein.
-
Die
separaten Röhren
gestatten eine andere optische Verarbeitung der Beleuchtung und
des Streulichts. Dabei ist durch Abschirmen der zwei optischen Wege
voneinander Interferenz minimiert.
-
Vorzugsweise
sind die optischen Elemente in einer Streulichterkennungsanordnung
platziert, d.h. der Probendetektor ist derart angeordnet, dass er
von der Lichtquelle kommendes Licht, das an der Übergangsfläche zu dem Sensorelement oder
an der Rückseite
des Sensorelements direkt reflektiert ist, im Wesentlichen nicht
registriert. Der Probendetektor ist beispielsweise in einem Winkel
bezüglich
der Hauptfläche
des Sensorelements angeordnet, der im Wesentlichen von dem Einfallswinkel
des Lichts abweicht, das das Sensorelement beleuchtet. Die separaten
Röhren
für die
Beleuchtung und für
das Streulicht verbessern die Streulichtanordnung dahingehend, dass
das Ankommen von nicht von dem Sensorelement gestreutem Licht an
dem Probendetektor minimiert ist. Diese Maßnahmen führen zu einem Signal-Rausch-Verhältnis, das
im Vergleich zu einer Anordnung, bei der das direkt reflektierte
Licht ebenfalls, zusammen mit dem diffusen Streulicht, erkannt wird,
wesentlich verbessert ist. Daher ist die Messgenauigkeit gesteigert.
Zudem ist das Messen von optischen Wirkungen in dem Sensorelement,
die zu diffuser Lichtemission führen,
wie etwa Fluoreszenz, Phosphoreszenz oder Chemolumineszenz, ermöglicht.
-
Günstigerweise
ist die Röhre
für das
Beleuchtungslicht bezüglich
einer Hauptfläche
des Sensorelements geneigt. Die Röhre dämmt den Durchlass des von der
Lichtquelle ausgestrahlten Lichts derart ein, dass möglicherweise
nur das Sensorelement beleuchtet ist. Dies minimiert störende und
ungesteuerte Reflexionen und mindert entsprechend das jeweilige
Rauschen am Probendetektor. Eine Röhre, die geneigt ist, trennt
den Weg des direkt reflektierten Lichts vom Weg des Beleuchtungslichts und
gestattet die Erkennung des Streulichts entlang einer Achse, die
senkrecht zur Oberfläche
des Sensorelements steht, und vereinfacht daher die Anordnung von
Optik wie etwa Linsen und Masken.
-
Alternativ
kann eine Lichtquelle mit einer starken Richtfähigkeit zum Beleuchten des
Sensorelements benutzt sein. Unterstützend kann die Innenseite des
Gehäuses
oder Abschnitte davon zum Unterbinden von Reflexionen ausgestattet
sein, beispielsweise durch optisch schwarze Anodisation. Ferner
kann die Anordnung der Lichtquelle und des Probendetektors derart
gewählt
sein, dass die Lichtquelle senkrecht zu dem Sensorelement angeordnet ist,
und dass der Probendetektor geneigt zu dem Element angeordnet ist.
-
Vorzugsweise
ist der Glaskörper
verschiebbar an dem Gehäuse
angebracht, und eine Feder übt derart
Druck auf den Glaskörper
aus, dass er an das Sensorelement gepresst ist. Das Verschieben
des Glaskörpers
gestattet das Anpassen der Vorrichtung an Sensorelemente mit unterschiedlicher
Stärke.
Somit ist das Austauschen des Sensorelements erleichtert, da die
Stärke
des Sensorelements nicht berücksichtigt
werden muss. Der Federdruck hat zur Folge, dass das Sensorelement
plan an der Vorderseite des Glaskörpers lagert. Eine Spiralfeder,
die Druck auf die Rückseite
des Glaskörpers
oder auf einen Flansch im vorderen Abschnitt des Glaskörpers ausübt, ist
ebenso geeignet wie beispielsweise eine Blattfeder oder ein elastischer
Ring aus einem synthetischen Material.
-
Anstatt
durch Benutzung einer Feder kann die Anordnung des Glaskörpers in
dem Gehäuse durch
andere Mittel, z.B. eine Schraube, angepasst und befestigt sein.
Falls die mit einer bestimmten Vorrichtung benutzten Sensorelemente
alle dieselbe Stärke
aufweisen, kann der Glaskörper
fest sein.
-
Günstigerweise
sind der zumindest eine Probendetektor, die zumindest eine Lichtquelle
und zumindest ein Bezugsdetektor derart in einem Hohlraum des Gehäuses angeordnet,
dass ein erster Anteil des Lichts, das von der Lichtquelle in einen
vorgegebenen Halbraum gestrahlt wird, am Bezugsdetektor ohne Optik,
d.h. ohne Linsen, Schlitze oder Masken usw. zu durchlaufen, ankommt,
insbesondere durch Streuung an einer Wand des Hohlraums, und dass
ein zweiter Anteil direkt an dem Sensorelement ankommt. Der Bezugsdetektor
gestattet eine systematische Berücksichtigung
jener Wirkungen, die aus Abweichungen der Beleuchtung des Sensorelements resultieren.
Diese Abweichungen können
durch Altern der Lichtquellen, durch systematische Schwankungen
der Steuerung der Lichtquellen oder nach dem Austausch einer Lichtquelle
bewirkt sein. Zudem kann die Lichtquelle an das benutzte Sensorelement
oder den Stoff, der erkannt werden soll, angepasst sein, ohne die
gesamte Vorrichtung für
die neue Beleuchtungswahl kalibrieren zu müssen.
-
Da
sowohl am Proben- als auch am Bezugsdetektor nur diffuses Streulicht
erkannt wird, sind die an den zwei Detektoren erkannte Stärke sowie
die Rauschqualität
und der Rauschpegel des Lichts sehr ähnlich. Wenn der Bezugsdetektor
dem Probendetektor gleicht oder sogar damit identisch ist, ist die Analyse
der Signale erleichtert und verbessert, weil die von den Detektoren
erhaltenen Signale direkt verglichen und korreliert werden können. Durch
Anordnen des Bezugsdetektors sowie des Probendetektors in demselben Gehäuse kann
ferner vorausgesetzt werden, dass die Temperatur der Sensoren im Wesentlichen
gleich ist.
-
Da
keine Optik im Beleuchtungsweg vorgesehen sein muss, ist der Aufbau
der Vorrichtung vereinfacht. Die Stärke des Bezugslichts kann durch Ausstatten
eines Abschnitts der Innenseite des Gehäuses, der für einen wesentlichen Anteil
von Streulicht von der Lichtquelle zum Bezugsdetektor zuständig ist,
mit einer hellen, insbesondere weißen Farbe an die Stärke des
Probenlichts angepasst sein.
-
Vorzugsweise
ist die Lichtquelle derart angeordnet, dass das Sensorelement direkt
durch einfallendes Licht beleuchtet ist, und die Optik vor dem Probendetektor
angeordnet. Durch Auslassen jeglicher Optik (Spiegel, Masken oder
Linsen) zwischen der Lichtquelle und dem Sensorelement sind Verluste
aufgrund von Absorption und Reflexion minimiert und der Bau der
Vorrichtung vereinfacht. Die Optik vor dem Probendetektor gestattet
eine Steigerung der Stärke
des Streulichts durch Auffangen von Licht aus einem größeren Bereich
des Sensorelements auf der nutzbaren Fläche des Detektors. Die Steigerung
der Stärke
des gemessenen Lichts ist besonders von Bedeutung, wenn die optischen
Elemente in einer Streulichterkennungsanordnung platziert sind. Zudem
können,
wenn die Form des relevanten Bereichs des Sensors von der Form der
nutzbaren Fläche
des Detektors abweicht, Masken vor dem Probendetektor eingesetzt
sein, um zu gewährleisten, dass
nur der relevante Bereich auf den Detektor abgebildet ist. Dies
vermindert Rauschen aufgrund von Randbereichen des Sensorelements.
-
Abhängig von
der Anordnung der Vorrichtung, nämlich
wenn die Lichtquelle selbst nicht zum Beleuchten des relevanten
Bereichs des Sensorelements imstande ist oder wenn der Lichtkegel
der Lichtquelle zu breit ist, sodass ein großer Lichtenergieanteil verloren
ginge, kann unterstützend
eine Optik, nämlich
eine konkave oder konvexe Linse, zwischen der Lichtquelle und dem
Sensorelement vorgesehen sein.
-
Vorzugsweise
umfasst das Sensorelement ein transparentes Trägerelement mit einer Sensorschicht.
Die Transparenz des Trägerelements
gestattet den ungehinderten Durchlass des Beleuchtungslichts zur
eigentlichen Sensorschicht und ferner des Streulichts, das von dem
Probendetektor aufgefangen werden soll. Das Trägerelement dient zum mechanischen
Stabilisieren der Sensorschicht. Vorzugsweise ist es biegebeständig und
kann aus PET (Polyethylenterephthalat), PMMA (Polymethylmethacrylat),
Polycarbonat (PC) oder Glas gebildet sein. Zudem kann das Trägerelement
eine Filterfunktion erfüllen,
beispielsweise durch Herausfiltern von ultravioletten Strahlen,
die zum Bleichen der Sensorschicht führen könnten. Um dies zu erzielen,
kann dem Material des Trägerelements
ein UV-Absorberstoff zugesetzt sein. Die Stärke des Trägerelements beträgt ungefähr 0,1 bis
4 mm.
-
Die
Sensorschicht umfasst eine oder mehrere Indikatorstoffe, die mit
dem Stoff, der bestimmt werden soll, derart reagieren, dass sie
die Farbe wechseln. Daher ändert
sich die Absorbierung und Reflexion der Sensorschicht entsprechend
der Konzentration des Stoffs. Die Indikatorstoffe können in
einer Polymermatrix eingegliedert sein. Die Stärke der Schicht, die die Indikatorstoffe
umfasst, sowie ihre Zusammensetzung ist an die gewünschte Grundabsorption
sowie an die Stoffe, die bestimmt werden sollen, und ihre erwartete
Konzentration angepasst. Typischerweise beträgt sie ungefähr 1 bis
20 μm.
-
Alternativ
können
das Trägerelement
sowie die Sensorschicht in einer einzigen Schicht kombiniert sein,
die beide Funktionen erfüllt.
-
Der
Probendetektor führt
Kolorimetrie- und/oder Densitometriemessungen durch. Die von dem
Detektor gemessenen Größen sind
die Reflexion auf bestimmten Wellenlängen sowie die zeitliche Änderung
der Reflexion, wobei Reflexion als das Verhältnis der reflektierten Lichtstärke zur
ausgesendeten Lichtstärke
auf einer gegebenen Wellenlänge
definiert ist. Normalerweise werden nur relative Größen gemessen,
d.h. Verhältnisse
der Reflexion, die mit einer bestimmten Konzentration des Stoffs,
der bestimmt werden soll, auftritt, zu der Reflexion, die in der
Abwesenheit jeglicher Stoffe auftritt, oder zu jeglichem anderen
Bezugspegel. Daher sind Absolutmessungen, die mühseliges Justieren erfordern,
vermieden.
-
Vorzugsweise
trennt eine Membran die Sensorschicht von dem Stoff, der bestimmt
werden soll. Die Membran erfüllt
mehrere Funktionen. Zunächst kann
sie als Filter dienen. Abhängig
von ihrer Oberflächenstruktur,
die wasseranziehend oder wasserabweisend sein kann und verschiedene
Porositätsebenen
aufweisen kann, können
verschiedene Partikelarten die Membran durchdringen und die Sensorschicht
erreichen. Sie kann auch dazu dienen, flüchtige von nichtflüchtigen
Bestandteilen zu trennen. Ferner kann sie eine Diffusionssperre
sein und dadurch die Konzentration des zugeführten Stoffs vermindern. Dies
ist nützlich,
wenn hochkonzentrierte Stoffe bestimmt werden sollen. Die Membran
kann beispielsweise aus einer Schicht von ungefähr 100 μm PTFE (Teflon) gebildet sein.
Eine derartige Schicht ist für
flüchtige
Stoffe, die bestimmt werden sollen, durchlässig und reflektiert das Beleuchtungslicht
aufgrund ihrer weißen
Farbe zurück
durch die Sensorschicht. Alternativ kann die Schicht beispielsweise
aus Polycarbonat, Polyethylen oder Polypropylen mit einer mikrofeinen
Perforation gebildet sein.
-
Eine
andere Funktion der Membran ist, die Indikatorstoffe in der Sensorschicht
zurückzuhalten, wodurch
ein Auswaschen der Indikatorstoffe vermieden ist. Ferner dient die
Membran als mechanischer Schutz der Sensorschicht vor Beschädigungen,
die durch den mechanischen Kontakt mit der Zuführung des Stoffs, der bestimmt
werden soll, bewirkt sind. Schließlich ist die Membran eine
Abdichtung der Probenröhre
im Bereich ihrer Öffnung
gegenüber
dem Sensorelement.
-
Alternativ
können
die Indikatorstoffe, hauptsächlich
wenn nichtflüchtige
Stoffe wie etwa Natrium (Na) bestimmt werden sollen, die eine Membran
nicht durchdringen können
und direkten Kontakt mit der Sensorschicht benötigen, derart in der Sensorschicht eingegliedert
sein, dass keine Gefahr des Auswaschens besteht und die Membran
ausgelassen ist. Es kann jedoch eine Schutzschicht vorgesehen sein,
die beispielsweise aus Silikon oder weichem PVC gebildet ist. In
diesem Falle können
weiße
Pigmente, wie etwa Komponenten, die TiO2 oder
SiO2 umfassen, in der Schutzschicht dispergiert
sein, um die Lichtreflexion zurück
durch die Sensorschicht zu steigern.
-
Günstigerweise
umfassen die optischen Elemente mehrere Schmalbandlichtquellen.
Dies gestattet den Gebrauch der Vorrichtung auf einem großen Anwendungsgebiet,
da die Sensorelemente verschiedene Indikatorstoffe mit verschiedenen
Absorptionsspektren umfassen können.
Unter Benutzung von Schmalbandlichtquellen sind die Bestrahlungsstärken auf
verschiedenen Wellenlängen
leichter zu steuern, wodurch schädigende
Wirkungen auf die Indikatorstoffe, die durch Bestrahlung durch bestimmte Wellenlänge erzeugt
sind, vermieden sein können. Ferner
kann eine der Lichtquellen, deren Licht nicht von den Indikatorstoffen
absorbiert wird, als Bezug benutzt sein. Dies gestattet die systematische
Berücksichtigung
des Einflusses des Sensorelements, seines Zustands sowie des optischen
Wegs von der Lichtquelle zum Probendetektor während der Analyse der Messdaten.
Die Lichtstärken
der benutzten Lichtquellen können
an das eingesetzte Sensorelement sowie den Stoff, der bestimmt werden
soll, angepasst sein.
-
Geeignete
Schmalbandlichtquellen umfassen LEDs mit einer Bandbreite von 15
bis 25 nm. Sie senden Licht mit Wellenlängen von ungefähr 400 bis 950
nm aus. Eine bevorzugte Vorrichtung umfasst vier derartige LEDs,
die sichtbares Licht mit Wellenlängen
zwischen 500 nm und 900 nm aussenden. Messungen werden aufeinander
folgend vorgenommen, wobei das Sensorelement mit verschiedenen Wellenlängen beleuchtet
wird, wodurch es gestattet ist, die Messungen alle unter Benutzung
eines einzigen Probendetektors vorzunehmen, der für das gesamte
in Betracht gezogene Spektrum empfindlich ist.
-
Alternativ
kann eine einzelne Lichtquelle, beispielsweise eine weiße Breitband-LED, benutzt sein,
die mit zusätzlichen
Filtern, beispielsweise dielektrischen Filtern, oder einem Detektor
ergänzt
ist, der imstande ist, nicht nur die Gesamtlichtstärke zu messen,
sondern ein vollständiges
Spektrum, und der eine hohe Auflösungen
aufweist, etwa 10 nm oder höher.
Eine einzelne Schmalbandlichtquelle kann eingesetzt sein, wenn stets
derselbe Indikatorstoff benutzt ist. Schließlich gestattet die Benutzung mehrerer
Breitbandlichtquellen, deren Spektren eine bestimmte Überschneidung
aufweisen, das lückenlose
Abdecken eines weiten Bereichs des Spektrums.
-
Zum
Minimieren der thermischen Wirkungen der Lichtquellen können sie
dem Gehäuse
benachbart angeordnet sein, wodurch ein wirksamer Wärmetransport
gestattet ist. Alternativ können
die Lichtquellen außerhalb
des Gehäuses
angeordnet sein, und Licht wird durch Glasfasern in das Gehäuse weitergeleitet.
-
Vorzugsweise
ist das Sensorelement durch einen mechanischen Kupplungsring mit
einer Achse, die mit einer Hauptachse des Probendetektors parallel
ist, an das Gehäuse
gekuppelt. Der Kupplungsring schützt
das Sensorelement vor Außenlicht,
wodurch entsprechendes Rauschen vermindert ist. Ferner gestattet
diese Art Kupplung einen leichten Austausch des Sensorelements.
Der Ring kann auf das Vorderteil des Gehäuses geschraubt sein, oder
das Gehäuse
kann eine Bajonettfassung zum noch schnelleren Anbringen und Abnehmen
des Sensorelements umfassen. Es ist bevorzugt, wenn das Sensorelement, nämlich seine
empfindlichen Außenschichten,
linear geführt
sind, sodass während
der Anbringung des Sensorelements Kratzer vermieden sind.
-
Eine
modulare Vorrichtung zur fortlaufenden Bestimmung eines Stoffs umfasst
eine Kontaktfläche für ein Sensorelement,
das an der Vorderseite eines Gehäuses
angeordnet ist, und in dem Gehäuse
optische Elemente, die zumindest eine Lichtquelle und zumindest
einen Probendetektor umfassen. Die Kontaktfläche ist durch eine Vorderfläche eines
Glaskörpers
gebildet, und separate Röhren
sind hinter dem Glaskörper
zum Leiten von Beleuchtungslicht von der Lichtquelle zum Glaskörper und
zum Leiten von durch das Sensorelement gestreutem Licht vom Glaskörper zum
Probendetektor angeordnet. Aufgrund der Transparenz des Glaskörpers wird
das Beleuchtungslicht sowie das Streulicht ungehindert zwischen
den Röhren
und dem Sensorelement weitergeleitet. Die Vorrichtung ist zum Gebrauch
in der oben beschriebenen Anordnung geeignet.
-
Andere
vorteilhafte Ausführungsformen
und Kombinationen von Merkmalen ergeben sich aus der folgenden detaillierten
Beschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.
-
Kurze
Beschreibung der Zeichnungen In den zur Erläuterung der Ausführungsformen
benutzten Zeichnungen zeigen:
-
1 die
Außenansicht
einer Anordnung gemäß der Erfindung;
-
2 eine
Querschnittansicht der Anordnung entlang der Ebene des optischen
Hauptwegs;
-
3 eine
Querschnittansicht der Anordnung in einer vertikalen Ebene, die
zum optischen Hauptweg senkrecht steht;
-
4 die
in einem Messsystem eingerichtete Anordnung;
-
5 eine
schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Anordnung;
-
6 eine
Querschnittansicht eines Sensorelements.
-
Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Teile.
-
Bevorzugte Ausführungsformen
-
1 zeigt
die Außenansicht
einer Anordnung gemäß der Erfindung.
Die modulare Vorrichtung 1 ist L-förmig und beinhaltet ein Gehäuse 2 von einer
im Wesentlichen kubischen Form, wobei ein Kabeldurchgang 3 mit
einem kreisförmigen
Querschnitt an einer der Seitenflächen des Gehäuses 2 angeordnet
ist. An der benachbarten Basis des Gehäuses 2 ist eine Wegwerf-Durchflusszelle 4,
die die Röhre
für die
Proben, die analysiert werden sollen, umfasst, durch den Halter 5 an
das Gehäuse 2 gekuppelt.
Die Zelle 4 ist im Wesentlichen von kubischer Form und
weist eine Öffnung 6 in
ihrer Vorderseite auf, die an die Röhre für das Probenfluid angeschlossen
ist. Der Halter 5 ist im Wesentlichen kreisförmig und
weist Rippen auf, die das Anziehen und Lösen des Halters 5 durch
den Benutzer im Verlauf des Austauschens eines Sensorelements erleichtern,
das zwischen Zelle 4 und Gehäuse 2 angeordnet ist.
-
2 und 3 sind
Querschnittansichten der Anordnung entlang der Ebene des optischen Hauptwegs
(2) und in einer vertikalen Ebene, die zum optischen
Hauptweg senkrecht steht (3). Das
Gehäuse 2 umfasst
ein Hauptteil 7 und eine Abdeckung 8, die mit
Schrauben 9 an dem Hauptteil 7 befestigt ist.
Der Kabeldurchgang 3 ist durch ein Gewinde 10 am
Hauptteil 7 des Gehäuses 2 befestigt. Er
beherbergt Kabel zum Steuern der modularen Vorrichtung, insbesondere
der Lichtquellen, zu ihrer Versorgung mit Elektrizität sowie
Datenkabel zum Rückführen der
Messergebnisse zu einer zentralen Analysevorrichtung 43 (siehe 4)
auf. Der Kabeldurchgang 3 verbessert die optische Abschirmung
gegen Außenlicht
dahingehend, dass er die Öffnung
für die Kabel
weiter vom Hauptteil 7 des Gehäuses entfernt.
-
Das
Gehäuse 2 schließt Umgebungslicht
im Wesentlichen aus, dient zum Kühlen
der enthaltenen Elemente und schirmt gegen elektromagnetische Strahlung
ab. Es kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
-
Ein
Verbinderteil 11 ist durch ein Gewinde 12 an der
Basis des Hauptteils 7 angebracht. Der Halter 5 umfasst
einen Flansch 13, der zwischen einem entsprechenden Vorsprung 14 des
Verbinderteils 11 und einem Ring 15 in Eingriff
gebracht ist, welcher an das Verbinderteil 11 beispielsweise
geschraubt oder geklebt ist. Dadurch ist der Halter 5 drehbar
an dem Verbinderteil 11 angebracht. Das untere Teil der
Innenfläche
des Halters 5 entlang ist ein Gewinde 16 angeordnet,
das mit einem entsprechenden Gewinde 17 zusammenwirkt,
welches in einem oberen Teil 17 der Zelle 4 angeordnet
ist. Das obere Teil 17 umfasst eine schienenartige Führung parallel
zur Achse des oberen Teils, die mit einer entsprechenden Nut in
der Kontaktfläche
des Verbinderteils 11 zusammenwirkt. Somit wird durch Drehen
des Halters 5 das obere Teil 17 der Zelle 4 entweder
an dem Verbinderteil 11 angezogen oder vom Verbinderteil 11 gelöst, wobei
keine Drehbewegung des oberen Teils 17 bezüglich der Zelle 4 besteht.
-
Ein
unteres Teil 18 der Zelle 4 ist durch eine Bajonettfassung 19 an
dem oberen Teil 17 befestigt. Daher kann das untere Teil 18 leicht
vom oberen Teil 17 getrennt und leicht wieder angebracht
werden. In einer angepassten Aussparung 20 des oberen Teils 17 ist
ein Sensorelement 21 angeordnet. Es ist fest zwischen dem
oberen Teil 17 und dem unteren Teil 18 gehalten,
und das Probenfluid wird ihm durch eine Öffnung 22 des Durchgangs 43,
der die Zelle 4 durchläuft,
zugeführt
(siehe 3). Eine Dichtung 23 ist zwischen dem
unteren Teil 18 und dem oberen Teil 17 angeordnet,
die das Sensorelement 21 vor Außenlicht schützt, das
zwischen dem unteren Teil 18 und dem oberen Teil 17 eintritt,
und gegen einen Verlust des Probenfluids schützt.
-
Dem
Sensorelement 21 direkt benachbart ist ein Glaskörper 24 mit
einem kreisförmigen
Querschnitt angeordnet. Seine Basis verbindet derart mit dem Sensorelement 21,
dass der größte Teil
der Oberfläche
des Sensorelements 21 von dem Glaskörper 24 gestützt ist.
An dem Glaskörper
ist umfänglich
ein Ring 25 angebracht, der in einer Aussparung 26 einer
Befestigung 27 geführt
ist, welche den Glaskörper
hält, wobei
die Befestigung an dem Verbinderteil 11 angebracht ist.
Die Form der Aussparung gestattet eine vertikale Verschiebung entlang
einer Distanz, die der Höchststärke eines
Sensorelements 21 entspricht. Die Befestigung 27 umfasst
eine Dichtung 27a, die dem Glaskörper benachbart zum Abdichten des
Inneren des Gehäuses 2 von
der Außenseite
angeordnet ist, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn die
Zelle 4 von dem Gehäuse 2 entfernt
ist.
-
Ein
Hohlzylinder 28 mit einem abgeschrägten Vorderende ist der rückwärtigen Fläche des
Glaskörpers 24 benachbart
angeordnet, wobei seine Achse senkrecht zu der Fläche steht.
Die Höhlung
bildet einen ersten Teil eines optischen Kanals zur Leitung des
durch das Sensorelement 21 gestreuten Lichts zu einem Probendetektor 29.
Dabei ist eine Spiralfeder 30, die in einem Kanal 31 des
Hauptteils 7 des Gehäuses 2 befestigt
ist, hinter dem Hohlzylinder 28 angeordnet und übt derart
Druck auf den Zylinder 28 aus, dass er an den Glaskörper 24 gepresst
ist. Daher ist der Glaskörper 24 an
das Sensorelement 21 gepresst. Dies führt zu einer festen Lagerung
des Sensorelements 21 an der Vorderseite des Glaskörpers 24,
das dadurch zusätzlich
gegen einen Verlust des Probenfluids abdichtet. Gleichzeitig ist
das Austauschen des Sensorelements 21 sowie das Einsetzen
von Sensorelementen mit unterschiedlicher Stärke erleichtert.
-
In
dem Kanal 31 ist eine Linse 32 von einem Linsenhalter 33 hinter
dem Hohlzylinder 28 gehalten. Die Linse weist eine konvexe
Form auf und fängt
daher das durch das Sensorelement 21 gestreute Licht auf
und erhöht
die Stärke
des von dem Probendetektor 29 aufgefangenen Lichts. Der
Kanal 31 ist derart optisch vom Rest der Innenseite des
Gehäuses 2 abgeschirmt,
dass Streulicht außer
dem durch das Sensorelement 21 gestreuten Licht ausgeschlossen
ist. Vor dem Probendetektor 29 ist eine Maske angeordnet,
die das Bild des nutzbaren Bereichs des Sensorelements 21 auf
die Detektorfläche
des Probendetektors 29 abbildet. Von einer Grenzfläche des
Sensorelements 21 kommendes Licht ist ausgeschlossen. Beispielsweise
weist die Öffnung 22 des
röhrenförmigen Durchganges 43 im
Allgemeinen eine elliptische Form auf. Die Detektorfläche ist
jedoch gewöhnlich
kreisförmig
oder rechteckig. Daher schirmt die Maske jene Teile der Detektorfläche ab,
die dem elliptischen Bild des nutzbaren Bereichs des Sensorelements 21,
welcher durch die Linse 32 auf die Detektorfläche abgebildet
ist, nicht entsprechen.
-
Das
abgeschrägte
Ende des Hohlzylinders 28 und ein entsprechend geneigter
Abschnitt an der Innenseite des Verbinderteils 11 definieren
eine im Wesentlichen kegelförmige Öffnung 34,
sodass das Sensorelement 21 direkt mit Licht beleuchtet
sein kann, das durch LEDs 35 erzeugt ist, welche an einem
Halter 36 befestigt sind, der in einem Hohlraum 39 des
Gehäuses 2 durch
eine Schraube 37 sowie einen Bolzen 38 angeordnet
ist. Das abgeschrägte Ende
des Hohlzylinders 28, das zur rückwärtigen Fläche des Glaskörpers 24 hinunter
reicht, trennt die kegelförmige Öffnung 34 für das Beleuchtungslicht
von dem optischen Kanal 31, der das Streulicht führt, welches
erkannt werden soll. Beleuchtungslicht, das die rückwärtige Fläche des
Glaskörpers 24 erreicht,
wird derart reflektiert, dass es gegen die Außenfläche des Hohlzylinders 28 gelenkt
wird, wo es absorbiert wird. Am Übergang
zwischen dem Glaskörper 24 und
dem Sensorelement 21 reflektiertes Licht wird zum gegenüberliegenden
Teil der Öffnung 34 geleitet,
wo es erneut absorbiert wird. Zur Förderung der Extinktion können die
Oberflächen,
die die Öffnung 34 definieren,
optisch schwarz anodisiert sein. Zum Vermindern der Reflexion können die
rückwärtigen Flächen des
Glaskörpers 24 sowie
des Sensorelements 21 zweckdienlich beschichtet sein. Durch
diese Maßnahmen
ist gewährleistet,
dass ein Lichtmaximum den nutzbaren Bereich des Sensorelements 21 erreicht
und dass nur wirklich von diesem Bereich gestreutes Licht den Probendetektor 29 erreicht.
-
Eine
Leiterplatte (PCB) 40 ist hinter den LEDs 35 und
parallel zur Abdeckung 8 angeordnet. Die optischen Vorgänge finden
alle in dem Gehäuse 2 vor
der PCB 40 statt. Auf der PCB 40 sind der Probendetektor 29 sowie
der Bezugsdetektor 41 oberflächenmontiert. Der Bezugsdetektor 41 ist
im Hohlraum 37 des Gehäuses 2 angeordnet
und erkennt Beleuchtungsstreulicht von den LEDs 35. Zur
Förderung
der Stärke
des von dem Bezugsdetektor 41 erkannten Streulichts ist
ein Abschnitt 42 der Innenseite des Gehäuses 2 mit einer weißen Farbe
versehen, sodass die Stärke
an beiden Detektoren dieselbe Größenordnung
aufweist. Die Leiterplatte 40 wirkt ferner als unterstützende optische
Abschirmung gegen Licht, das von außen in das Gehäuse 2 eindringt.
-
Die
von den Detektoren 29, 41 vorgesehenen Signale
sind schwach und daher für
Störungen von
elektrischen oder Magnetfeldern anfällig. Die Anbringung der Detektoren 29, 41 direkt
auf der PCB 40 verringert die Gefahr einer derartigen Störung durch Minimieren
der Länge
der Verbindung zwischen den Detektoren 29, 41 und
weiterer, auf der PCB 40 angeordneter Elektronik (nicht
gezeigt), wo die Signale vorverarbeitet, z.B. vor der weiteren Übertragung verstärkt, werden.
Eine Schnittstelle, die die Signale an einen vorgegebenen Standard
anpasst, kann ebenfalls auf der PCB 40 angeordnet sein.
-
Wenn
das Sensorelement 21 ausgetauscht werden soll, weil es
das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat oder wenn andere Messungen
vorgenommen werden sollen, wird es zusammen mit der Wegwerfzelle 4 abgenommen.
Um dies zu erzielen wird vorzugsweise der Halter 5 gelöst, sodass
die Zelle 4 vertikal weggezogen werden kann. Eine neue
Zelle 4, die das gewünschte
Sensorelement enthält,
wird in das Verbinderteil 11 eingeführt und der Halter 5 wieder
angezogen. Aufgrund der strikt vertikalen Bewegung der Zelle 4,
die das Sensorelement 21 enthält, ist die Gefahr von Verletzungen
der Kontaktfläche des
Sensorelements 21 am Glaskörper 24 minimiert.
-
Alternativ
kann das Sensorelement 21 ohne Austausch der vollständigen Zelle 4 durch Öffnen der Bajonettfassung 19,
sodass das Sensorelement 21 freiliegt und ausgetauscht
werden kann, ausgewechselt werden.
-
4 stellt
die in einem Messsystem eingerichtete Anordnung dar. Ein Kabel 45 verlässt den Kabeldurchgang 3 und
ist durch einen Verbinder 47 an eine zentrale Analysevorrichtung 46 angeschlossen.
Die Zelle 4 ist in einem Führungskanal 44 gehalten,
der die Zelle 4 (und bei Bedarf weitere Zellen) mit dem
Probenfluid durch die Öffnung 6 versorgt.
Der obere Teil der Vorrichtung, der das Gehäuse 2 und den Kabeldurchgang 3 sowie
das Kabel 45 und den Verbinder 47 umfasst, ist
von einem Kasten 48 eingeschlossen, der Schutz vor Staub
sowie weiteren Schutz vor Umgebungslicht vorsieht.
-
Ein
einzelnes Analysesystem kann mehrere modulare Vorrichtungen umfassen,
die verschiedene Messungen unter Benutzung verschiedener Sensorelemente
oder sogar verschiedener, nichtoptischer Technologien zum Vornehmen
der Messungen vornehmen. Vorzugsweise sind sie derart angeordnet, dass
ein einzelner, fortlaufender Kanal das Probenfluid mehreren der
modularen Vorrichtungen zuführt und
dass die Module ihre Messungen alle an eine zentrale Recheneinheit
(z.B. einen Personal Computer) des Analysesystems übertragen.
-
5 ist
eine schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Anordnung.
Vier LEDs 35.1 bis 35.4 sind für die Beleuchtung des Sensorelements
auf verschiedenen Wellenlängen
vorgesehen. Beispielsweise arbeiten sie auf Wellenlängen von
504, 606, 645 und 725 nm mit einer Bandbreite von jeweils ungefähr 15 bis
25 nm. Ihre Funktion ist durch die Lichtsteuerung 46.3 gesteuert,
die in der zentralen Analysevorrichtung 46 eingegliedert
ist. Das durch das Sensorelement gestreute Licht wird vom Probendetektor 29 erkannt,
der an eine Analyseeinheit 46.2 der zentralen Analysevorrichtung 46 angeschlossen
ist. Die Stärke
von durch die Innenseite des Gehäuses 2 der
Vorrichtung gestreutem Licht wird vom Bezugsdetektor 41 gemessen,
der ebenfalls an die Analyseeinheit 46.2 angeschlossen ist.
-
Gewöhnlich wird
die Probe nacheinander von einzelnen Lichtquellen beleuchtet, die
von der Lichtsteuerung 46.3 gesteuert sind, sodass die Streulichtstärke individuell
auf verschiedenen Wellenlängen
gemessen werden kann. Beispielsweise können die verschiedenen Lichtquellen
in einer Geschwindigkeit durchgeschaltet werden, die zuverlässige Messungen
gestattet, und die gestattet, auf Wunsch periodische Änderungen
vorzunehmen. In bestimmten Fällen
kann es jedoch erwünscht
sein, zwei oder mehr Lichtquellen simultan zu benutzen.
-
Wenn
das restliche Umgebungslicht, das in das Gehäuse eindringt, ein bestimmtes
Maximum übersteigt,
könnte
es das Beleuchtungslicht störend beeinflussen
und das Rauschen der Messungen steigern. In solchen Fällen kann
das Beleuchtungslicht von der Lichtsteuerung 46.3 gesteuert
gepulst oder frequenzmoduliert werden. Dies gestattet ein systematisches
Ausschließen
der Auswirkungen aufgrund des Umgebungslichts.
-
Durch
Korrelieren der Messungen des Probendetektors 29 mit den
vom Bezugsdetektor 41 erhaltenen Messungen in der Analyseeinheit 46.2 können bestimmte
Wirkungen systematisch berücksichtigt
werden, wodurch die Qualität
der resultierenden Daten wesentlich gesteigert sein kann. Namentlich können Wirkungen
aufgrund von Herstellungstoleranzen, Verschleiß oder Verun reinigung der Lichtquellen
oder aufgrund systematischer Schwankungen der Steuerung der Lichtquellen
im Wesentlichen ausgeschlossen sein.
-
Die
verbesserten resultierenden Daten werden an die Steuereinheit 46.1 übertragen,
die die Lichtsteuerung 46.3 steuert, sodass die Messdaten mit
dem tatsächlichen
Aufbau der Lichtquellen 35 korreliert werden können. Die
Steuereinheit 46.1 ist ferner imstande, Messdaten zu integrieren
und weitere Messzyklen durchzuführen,
wenn bestimmte Qualitätskriterien
noch nicht erfüllt
sind. Nach der Erzielung eines Endergebnisses wird dieses an eine Schnittstelle 46.4 übertragen,
die das Signal an den Standard anpasst, der in dem Analysesystem
definiert ist, in dem die modulare Vorrichtung in Gebrauch ist.
Außerdem
werden der Steuereinheit 46.1 Befehle des Analysesystems über die
Schnittstelle 46.4 zugeleitet.
-
6 ist
eine Querschnittansicht eines Sensorelements 21, das in
der erfindungsgemäßen Anordnung
benutzt ist. Es weist eine Zylinderform auf und umfasst drei Schichten,
ein Trägerelement 21.1, eine
Sensorschicht 21.2 und eine Membran 21.3.
-
Das
Trägerelement 21.1 ist
aus PET hergestellt und weist eine Stärke von ungefähr 1 mm
auf. Es ist für
UV-Strahlung undurchlässig,
sodass die Sensorschicht 21.2 vor Bleichen geschützt ist.
Der Durchlass von für
die Kolorimetriemessungen benutztem, sichtbarem Licht ist jedoch
nahezu ungehindert. Die Hauptfunktion des Trägerelements 21.1 ist, das
Sensorelement mit mechanischer Stabilität zu versehen.
-
Die
Sensorschicht 21.2 ist auf dem Trägerelement 21.1 aufgebracht.
Sie umfasst eine oder mehrere Indikatorstoffe, die dem Stoff, der
bestimmt werden soll, entsprechend ausgewählt sind. Ihre Stärke beträgt ungefähr 5 μm und ist
entsprechend der gewünschten
Grundabsorption gewählt.
-
Der
Sensorschicht 21.2 benachbart ist eine Membran 21.3 mit
einer Stärke
von ungefähr
100 μm angeordnet.
Sie besteht aus PTFE (Teflon). Nur flüchtige Stoffe können diese
Membran 21.3 durchdringen und die Sensorschicht 21.2 erreichen.
Aufgrund der weißen
Farbe der PTFE-Membran wird Beleuchtungslicht, das die Sensorschicht
passiert hat, ohne absorbiert zu werden, reflektiert und kann immer
noch auf seinem Rückweg
von dem Indikatorstoff absorbiert werden. Dadurch ist die effektive
Beleuchtungsstärke
gesteigert.
-
Typische
Stoffe, die unter Benutzung eines derartigen Sensorelements bestimmt
werden können,
umfassen beispielsweise Methanol, Essigsäure oder Ammoniak. Abhängig vom
benutzten Indikatorstoff kann die Sensorschicht 21.2 bei
erstem Kontakt des Sensorelementes 21 mit Wasser oder einer wässrigen
Lösung
einen Farbwechsel erfahren. Daher müssen derartige Sensorschichten
vor dem eigentlichen Gebrauch konditioniert werden, indem das Sensorelement 21.2 Wasser
ausgesetzt wird.
-
Bestimmte
Wirkungen, die die Messungen beeinflussen, können während der Benutzung der Sensorschicht 21.2 auftreten,
nämlich
eine Änderung des
Reflexionsvermögens
der Membran, die zu einer kleineren effektiven Beleuchtungsstärke führt; „Vergiften" der Sensorschicht
durch bestimmte Stoffe, sodass ihre Empfindlichkeit geändert ist;
Auswaschen des Indikatorstoffs, Altern, Hystereseauswirkungen und
weitere Driftauswirkungen. Die meisten dieser Wirkungen können durch
periodisches Vornehmen von Bezugsmessungen ausgeglichen werden.
Ein 0%-Bezug ist erzielt, wenn eine Messung des nicht beschickten
Sensorelements vorgenommen wird, die Empfindlichkeit der Vorrichtung
wird durch Messen des mit einem Bezugsfluid beschickten Sensorelements
erhalten. Der 0%-Bezug sowie die gemessene Empfindlichkeit werden
bei der Analyse der eigentlichen Messungen berücksichtigt.
-
Typischerweise
weist die unbeschickte Sensorschicht ein Reflexionsvermögen von
ungefähr
2 bis 15% auf. Wenn übliche
Konzentrationen von Stoffen in der Größenordnung von 0,01 bis 20
Vol% gemessen werden, wird eine maximale Änderung des Reflexionsvermögens von
2 bis 5% erwartet. Um genaue Messungen zu erzielen, sollte die Auflösung des
Probendetektors besser als ungefähr
0,01% sein.
-
Im
eigentlichen Gebrauch steht eine Vielzahl verschiedener Sensorelemente,
die verschiedene Indikatorstoffe umfassen, zur Verfügung. Gewöhnlich ist
es vorzuziehen, eine bestimmte Anzahl verschiedener modularer Vorrichtungen
mit verschiedenen Lichtquellenkombinationen bereitzustellen. Jeder Sensor
arbeitet mit einer bestimmten Art oder Gruppe von modularen Vorrichtungen.
Um den Zusammenbau des Analysesystems zu erleichtern, können die
Gehäuse 2,
die die Lichtquellen enthalten, sowie die Zellen 4, die
die Sensorelemente enthalten, markiert sein. Ein Farbcode kann Kompatibilität oder Nichtkompatibilität zwischen
Sensorelement oder LED anzeigen. Alternativ kann eine mechanische Codierung
den Zusammenbau eines Gehäuses 2 mit einer
Zelle 4 sogar verhindern, wenn das Sensorelement nicht
mit der Lichtquelle zusammenpasst (Steckschlossmechanismus).
-
Ferner
können
die Zellen 4, die mit einer bestimmten Art Sensorelement 21 ausgestattet
sind, derart mechanisch, optisch oder elektronisch markiert sein,
dass ein entsprechendes Lesegerät,
das im Gehäuse 2 angeordnet
ist und mit der Zelle 4 in Kontakt ist, die Art des benutzten
Sensorelements erkennen und diese Information an eine Steuereinheit übertragen
kann.
-
Zusammenfassend
ist zu beachten, dass die Erfindung eine Vorrichtung zur fortlaufenden
Bestimmung eines Stoffs schafft, die ein leichtes Austauschen des
modularen Sensorelements gestattet und eine optische Verbindung
zwischen dem Sensorelement und dem Detektor vorsieht, die beständig ist und
qualitativ hochwertige Messungen gestattet.