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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Sensor zum Ausführen von Messungen des NIR-Absorptionsvermögens an
Flüssigkeiten
mittels einer Sonde, die zur Beseitigung von Behinderungen ausgelegt
ist, welche durch Feststoffe und Gaspartikeln, ansonsten als Blasen
bekannt, bewirkt werden.
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Der
Erfindung zufolge wird die Behinderung aufgrund der Partikeln durch
Ausführen
von Messungen durch abgeschwächte
Totalreflexion (ATR) beseitigt. Die Sonde der Erfindung weist einen
Zylinder aus einem Nahinfrarotlicht übertragenden Material hoher
Reinheit auf, wie zum Beispiel Quarz oder Kieselerde hoher Reinheit.
Nahinfrarotlicht einer schmalen Bandwellenlänge von einem Spektrometer
wird axial in den Zylinder durch Lichtwellenleiter übertragen,
die bewirken, dass das Nahinfrarotlicht mehrere innere Totalreflexionen
an den inneren und äußeren Wänden des
Zylinders durchmacht. Durch den Zylinder übertragenes Licht wird jedes
Mal um eine Größe abgeschwächt, wenn
es innere Totalreflexion an der Außenfläche des Zylinders durchmacht,
die von dem Absorptionsvermögen
der Flüssigkeit
in Kontakt mit der äußeren Wand
des Zylinders abhängt.
Dementsprechend wird das Nahinfrarotlicht durch den Zylinder in
einem Ausmaß abgeschwächt werden,
das von dem Absorptionsvermögen
der Flüssigkeit
abhängt.
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In
der Vorrichtung von
US 5315673 wird
das Licht durch die Wände
eines dünnen
Kapillarröhrchens übertragen.
Die schwindende Welle wirkt mit einem chemisch selektiven Beschichtungsfilm
zusammen.
EP335128 offenbart
einen Feuchtigkeitssensor in Form eines Lichtwellenleiters, in dem
die optischen Eigenschaften eines Beschichtungsfilms sich als eine
Funktion der Feuchtigkeit in der Umgebung ändern.
US5616922 offenbart ein Infrarot übertragendes
Verbundmaterial zum Gebrauch als ein internes Reflexionselement.
In diesem Stand der Technik müssen
die Einrichtungen zum Erreichen eines ausreichenden Grads von innerer
Totalreflexion bei den Nahinfrarotwellenlängen sehr lang gestaltet werden.
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Der
Erfindung zufolge werden die Probleme des Stands der Technik durch
das Vorsehen der Vorrichtung von Anspruch 1 gelöst. Andere vorteilhafte Ausführungsformen
sind gemäß dem Gegenstand der
abhängigen
Ansprüche
angeführt.
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Der
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zufolge wird der Zylinder durch einen kostengünstigen
Quarzkern getragen, der durch eine erste und zweite dünne Quarzschicht
hoher Reinheit bedeckt ist. Die erste Schicht, die eine Dicke von
etwa 20 Mikrons hat, wird so ausgewählt, dass sie einen kleineren
Brechungsindex als die zweite, äußerer Quarzschicht
hoher Reinheit hat, welche eine Dicke von etwa 100 Mikrons aufweist.
Das Nahinfrarotlicht aus dem Spektrometer wird durch die äußere Quarzschicht übertragen.
Aufgrund der Anwesenheit der inneren Quarzschicht, die die äußere Quarzschicht von
dem Quarzkern trennt, haben Verunreinigungen im Kern keine Auswirkung
auf die innere.
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Totalreflexion,
die an der Grenzfläche
zwischen der inneren zylindrischen Schicht und der äußeren zylindrischen
Schicht erfolgt. Dieser Aufbau ermöglicht, dass die Zylinder,
durch die das Nahinfrarotlicht übertragen
wird, dünn
gestaltet werden, und somit wird eine große Anzahl von inneren Totalreflexionen
an der Außenfläche über eine
relativ kurze Länge
für die
Quarzschicht erreicht. Die Länge
des Zylinders kann nur 20 Zentimeter lang gestaltet werden und Messungen
erzielen, die sich über
den nahen Infrarotwellenlängenbereich
erstrecken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein axialer Schnitt, der schematisch eine frühere Sonde darstellt;
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2 stellt
auch eine Vorrichtung dar, die zum Messen fließender Flüssigkeiten konfiguriert ist,
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3 stellt
schematisch die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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4 ist
eine isometrische Ansicht im Aufriss des Sensorteils der Sonde der
bevorzugten Ausführungsform;
und
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5 ist
eine axiale Schnittansicht, die die Details der Kopplung der Lichtwellenleiter
an den zylindrischen Abtastteil der Sonde der Erfindung zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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In
der in 1 gezeigten Vorrichtung begrenzt ein Quarzrohr 11 eine
entleerte Kammer 13, die durch die Wände des Rohrs umschlossen ist.
Die Enden des Rohrs 11 verengen sich zu koaxialen stabförmigen Enden 15 und 16 aus
massivem Quarz. Ein Ende 15 wird mittels eines Lichtwellenleiterkabels 17 an
ein Spektrometer 19 gekoppelt, und das andere Ende 21 wird
mittels eines Lichtwellenleiterkabels 23 an einen Detektor 25 gekoppelt.
Das NIR-Spektrometer 19 überträgt ein schmales Wellenlängenband
von Nahinfrarotlicht durch das Lichtwellenleiterkabel 17 in
das stabförmige
Quarzende 15, von dem das Licht durch die zylindrischen
Wände des
Rohrs 11 zu dem stabförmigen
Ende 16 übertragen
wird. Das Spektrometer 19 kann vom rotierenden Gittertyp
sein und variiert die mittlere Wellenlänge von NIR-Licht eines schmalen
Bands über
das gesamte NIR-Spektrum. Die Amplitude des übertragenen Lichts wird durch
den Detektor bei verschiedenen, inkrementell beabstandeten Wellenlängen erfasst,
die über
das gesamte nahe Infrarotspektrum verteilt sind.
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Während es
durch die zylindrische Wand des Rohrs 11 übertragen
wird, erfährt
das Nahinfrarotlicht mehrere innere Totalreflexionen von den Außen- und Innenflächen der
zylindrischen Oberfläche.
Die äußeren zylindrischen
Wände des
Rohrs 11 sind durch eine Umschließung 27 umgeben, die
eine an die Außenfläche des
Rohrs 11 angrenzende Kammer 29 begrenzt. Zu messende
Flüssigkeit
wird in der Kammer 29 bereitgestellt und das durch das
Rohr 11 übertragene schmale
Band von Nahinfrarotlicht wird teilweise jedes Mal absorbiert, wenn
es die innere Totalreflexion von der Außenfläche der zylindrischen Wand
durchmacht. Der Grad von Absorption wird von dem Absorptionsvermögen der
Flüssigkeit
bei der durch die Wände
des Rohrs 11 übertragenen
Wellenlänge
abhängen.
Nachdem das Licht diese Absorption erfahren hat, wird es von dem
stabförmigen
Ende 16 durch die Lichtwellenleiter 23 zu dem
NIR-Detektor 25 übertragen,
der die Amplitude des empfangenen NIR-Lichts ermittelt. Messungen
werden vorzugsweise bei Wellenlängeninkrementen
ausgeführt, die über das
gesamte NIR-Spektrum verteilt sind. Da das Absorptionsvermögen durch
innere Totalreflexion gemessen wird, wird das Absorptionsvermögen bei
sehr geringer Eindringung der Lichtwellen in das Fluid innerhalb
der Kammer 29 gemessen, und infolgedessen haben Blasen
oder Partikeln, die in der Flüssigkeit
innerhalb der Kammer 29 schweben, keine Auswirkung auf
die Messung des Absorptionsvermögens.
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Die
in 2 dargestellte Vorrichtung ähnelt derjenigen in 1,
außer
dass das System von 2 insbesondere zum Messen fließender Flüssigkeiten
angepasst worden ist. Wie in 2 gezeigt
ist, ist das entleerte Quarzrohr 11 durch einen Mantel 31 umschlossen,
der mit Flüssigkeitseinlässen 33 und Flüssigkeitsauslassen 35 versehen
ist. Somit kann Flüssigkeit
veranlasst werden, in der Kammer zwischen dem Mantel 31 und
dem Rohr 11 zu fließen, um
die Durchführung
von Absorptionsmessungen an der fließenden Flüssigkeit durch den ATR-Effekt
zuzulassen.
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Bei
der Vorrichtung der 1 und 2 muss die
Wanddicke der Quarzrohrs ausreichend dick sein, um die Belastung
abzustützen,
die auf das Rohr durch die entleerte innere Kammer ausgeübt wird.
Je dicker die Wand des Rohrs ist, desto geringer sind die inneren
Totalreflexionen, die stattfinden werden, wenn sich das Licht durch
die zylindrischen Rohrwände
bewegt. Zum Erreichen eines ausreichenden Ausmaßes von innerer Totalreflexion
bei den längeren
Nahinfrarotwellenlängen,
muss das Rohr sehr lang gestaltet werden, zum Beispiel bis zu 200
Zentimeter. Zusätzlich
ist das Recken des Rohrs zum Bilden der stabförmigen Enden ein schwieriger Herstellungsprozess.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in den 3–5 dargestellt
ist, weist die ATR-Sonde einen massiven Quarzstab 37 auf,
der einen inneren massiven Zylinder 39 überzogen mit zwei äußeren Schichten 41 und 43 umfasst. Der
innere Stab 39 wird aus einem kostengünstigen Quarzmaterial relativ
niedriger Reinheit hergestellt und ist mit einer dünnen Quarzschicht 41 hoher
Reinheit einer Dicke von ungefähr
20 Mikrons, und einer zweiten dickeren Schicht 43 aus Quarz
hoher Reinheit mit einer Dicke von etwa 100 Mikrons überzogen. Der
Brechungsindex der inneren Schicht 41 ist so gewählt, dass
er kleiner als der der äußeren Schicht 43 ist,
so dass durch die äußere Schicht 43 übertragenes
Licht an der Grenzfläche 46 zwischen
der inneren Schicht 41 und der äußeren Schicht 43 innen
total reflektiert werden wird. Das Nahinfrarotlicht eines schmalen
Wellenbands aus dem Spektrometer 11 wird durch einen Lichtwellenleiterverbinder 45 in
die äußere Schicht 43 übertragen
und wird axial durch die äußere Schicht 43 zu einem
Lichtwellenleiterverbinder 47 übertragen, der das Licht des
schmalen Bands zu einem Nahinfrarotlichtdetektor 25 überträgt. Die
Lichtwellenleiterverbinder 45 und 47 sind optisch
an die äußere Schicht 43 durch
Adapter 48 und 49 gekoppelt. Das Nahinfrarotlicht
des schmalen Bands macht mehrfache innere Totalreflexion zwischen
der Außenfläche der
Schicht 43 und der Grenzfläche 46 zwischen der äußeren Schicht 43 und
der inneren Schicht 41 durch. Das übertragene Licht wird nicht
durch die Verunreinigungen im Kern 39 beeinflusst, da der
Kern 39 von den an der Grenzfläche 46 erfolgenden
inneren Totalreflexionen durch die Schicht 41 hoher Reinheit
isoliert ist. Das durch die äußere Schicht 43 übertragene
Licht wird durch das Absorptionsvermögen der Flüssigkeit abgeschwächt werden,
das in der Umschließung 50 in Kontakt
mit der Außenfläche der äußeren Schicht 43 enthalten
ist, und somit wird das durch den Detektor erfasste Ausmaß von Abschwächung eine
Messung des Absorptionsvermögens
der Flüssigkeit
sein.
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Wie
in 5 gezeigt ist, weist der Lichtwellenleiterverbinder 45 einen
Mantel aus Lichtwellenleitern 51 umschlossen in einer Kunststoffumhüllung 53 auf.
Die Lichtwellenleiter empfangen Licht von dem Spektrometer an einem
Empfangsende 55 und breiten sich zu einem Übertragungsende 59 aus,
wo sie optisch an einen zylindrischen Ring aus Lichtwellenleitern 51 in
einem Kopplungsadapter 48 gekoppelt werden. In dem Adapter 63 wird
der zylindrische Ring aus Lichtwellenleitern 61 zwischen
einem inneren Metallring 65 und einem äußeren Metallring 67 sandwichartig
angeordnet und die übertragenden
Enden der Lichtwellenleiter 61 stoßen an das axiale Ende der äußeren zylindrischen
Quarzschicht 43 an. Der Adapter 48 weist ein äußeres zylindrisches
Gehäuse 69 auf
und kann aus einem jeglichen geeigneten Material wie zum Beispiel
Kunststoff oder Metall bestehen. Das Gehäuse 69 überlappt
das Ende des Quarzstabs 37 und zwischen dem Gehäuse 69 und der äußeren zylindrischen
Oberfläche
der äußeren Schicht 43 des
Quarzstabs 37 ist eine inneren Quarzschicht 71 hoher
Reinheit sandwichartig eingefügt, durch
einen Kunststoffüberzug 73 bedeckt
und von dem Gehäuse 69 durch
einen Metallring 75 getrennt. Die Quarzschicht 71 hat
eine Isolierfunktion, die verhindert, dass die inneren Totalreflexionen,
die an der Außenfläche der äußeren Schicht 43 innerhalb
der Überlappung
des Adapters 48 erfolgen, durch den Adapter beeinflusst
werden.
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Der
Lichtwellenleiterkoppler 47 und der Lichtwellenleiteradapter 49 zwischen
dem Quarzstab 37 und dem Detektor 25 sind jeweils
identisch mit dem Koppler 45 und dem Adapter 48.
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Da
die Messungen von Absorptionsvermögen durch innere Totalreflexion
an der Außenfläche des
Quarzstabs 37 durchgeführt
werden, kann das Absorptionsvermögen
von Flüssigkeit
in Kontakt mit dem Stab 37 einfach ohne Behinderung durch
feste oder gasförmige
Partikeln gemessen werden.
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Da
die äußere Schicht 43 relativ
dünn gestaltet
werden kann, z. B. etwa 100 Mikrons, wird das durch die äußere Schicht 43 übertragene
Licht eine relativ große
Anzahl innerer Totalreflexionen von der Außenfläche beim Bewegen über eine
relativkurze axiale Länge
erfahren, und infolgedessen kann die axiale Länge des empfindlichen Teils
der Sonde relativ kurz gestaltet werden, zum Beispiel nur 10 bis
20 Zentimeter, und dennoch wirksam beim Messen des Absorptionsvermögens über den
nahen Infrarotbereich sein.
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Wie
oben beschrieben ist, sind die ATR-Sonden der Erfindung wirksam
beim Messen von Absorptionsvermögen
von Flüssigkeit
ohne Behinderung durch feste Partikeln oder in der Flüssigkeit schwebende
Blasen. Die Sonden können
auch vorteilhaft zum Messen des Absorptionsvermögens von Flüssigkeiten verwendet werden,
die keine Partikeln oder Blasen enthalten oder auf andere Weise
nicht dem Problem von Behinderung durch Partikeln oder Blasen unterliegen.
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Bei
den oben beschriebenen Instrumenten wird das NIR-Licht in schmale
Bandbreiteninkremente zerstreut, bevor es durch den Quarzzylinder übertragen
wird. Alternativ kann Breitband-NIR-Licht durch den Quarzzylinder übertragen
werden und das Licht durch ein Spektrometer nach Durchqueren des Zylinders
ausgegeben und dann durch einen Detektor oder Detektoren erfasst
werden. Diese und andere Modifikationen können an der oben beschriebenen spezifischen
Ausführungsform
der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen,
wie er in den anliegenden Ansprüchen definiert
ist.