EP4540596A1 - Sensorkopf für fluoreszenzspektroskopie - Google Patents

Sensorkopf für fluoreszenzspektroskopie

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Publication number
EP4540596A1
EP4540596A1 EP23734477.5A EP23734477A EP4540596A1 EP 4540596 A1 EP4540596 A1 EP 4540596A1 EP 23734477 A EP23734477 A EP 23734477A EP 4540596 A1 EP4540596 A1 EP 4540596A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coupling element
light transmission
feedthrough
transmission component
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23734477.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubertus Russert
Thomas Mohr
Robert Hettler
Bernd Schultheis
Stefan Weiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP4540596A1 publication Critical patent/EP4540596A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N2021/6484—Optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides
    • G—PHYSICS
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    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides
    • G01N2201/0846—Fibre interface with sample, e.g. for spatial resolution
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4248—Feed-through connections for the hermetical passage of fibres through a package wall

Definitions

  • the present invention relates to a light transmission component for coupling and transmitting electromagnetic radiation, the use of a light transmission component for monitoring or optical analysis of a fluid volume, a wall measuring system and a feedthrough coupling element.
  • the present application is concerned with improving the optical measurement of a fluid volume, such as a biological sample or a chemical mixture, whereby the measurement can be carried out in an advantageous manner without undesirable influence on the fluid volume - unless there is an influence the fluid volume is intended, which then also falls within the subject matter of this application.
  • a fluid volume such as a biological sample or a chemical mixture
  • the object is achieved to improve the signal strength or quality obtained for measurements of a fluid volume compared to known measuring devices increase.
  • the task of avoiding or preventing escaping fluid is achieved.
  • the object is achieved of introducing as little or no impairment as possible of the fluid volume to be measured by the measuring system.
  • the present description presents a light transmission component which is particularly suitable or prepared for a sensor head or for connecting a coupling light guide.
  • the light transmission component is intended for the transmission of electromagnetic radiation.
  • the light transmission component is designed or constructed in such a way that electromagnetic radiation, for example light, a light pulse or an optical signal, can be guided through the light transmission component.
  • the light transmission component is preferably also prepared in such a way that the electromagnetic radiation can be conducted through a wall.
  • the light transmission component can be prepared for sensory detection of a property of a fluid arranged in a container or pipeline. For this purpose, the light transmission component can be in direct contact with the fluid in sections.
  • the light transmission component comprises a feedthrough coupling element, which is designed to be arranged in a base body or in a wall opening.
  • the feedthrough coupling element comes to rest in a base body or an opening of a pipe or container wall, so that it essentially fills the opening or even independently seals it.
  • the feedthrough coupling element can, for example, be pressed into the opening, glazed in, in particular pressure glazed, or glued in. In other words, it is particularly advantageous if the opening is sealed in a fluid-tight manner by the light transmission component, in particular by the feedthrough coupling element.
  • the light transmission component can be made gas-tight or sterile-tight.
  • the light transmission component can also be made hermetically sealed, which can be determined, for example, using a helium leak rate test. It is also preferred if the light transmission component seals the wall opening in the container or pipe as such in a fluid-tight manner, or else gas-tight, sterile-tight or hermetically sealed.
  • the feedthrough coupling element is particularly suitable for coupling in and passing through the electromagnetic radiation, so it has, for example, one or more light-guiding bodies, in particular one or more glass bodies, in order preferably to conduct electromagnetic radiation such as light, an optical measurement signal or an optical pulse through the wall.
  • the feedthrough coupling element is preferably selected and set up in such a way that electromagnetic radiation such as light is passed through without divergence.
  • electromagnetic radiation such as light is passed through without divergence.
  • divergence-free transmission of light or electromagnetic radiation is understood to mean, in particular, a transport of light without a distance-dependent increase in the beam cross section, such as in light guides such as glass fibers.
  • the feedthrough coupling element is preferably designed to be tolerant of positional misalignment.
  • a positional offset tolerance is characterized by the fact that the signal loss in the event of an inexact overlap or overlap between the feedthrough coupling element and an optical component coupled to it, such as a coupling light guide, is comparatively low, in particular significantly lower than in known devices.
  • the positional offset tolerance can possibly form the basis for enabling an optical measurement at this measuring point on the wall, since with previous means the signal obtained was attenuated to such an extent that a meaningful evaluation was not possible.
  • the positional offset tolerance of the feedthrough coupling element is preferably designed such that a lateral positional offset between the feedthrough coupling element and a light guide component coupled thereto, such as a coupling light guide, of 10 pm or more, preferably 20 pm or more, more preferably 30 pm or more in one relative signal loss of 10% or less, preferably 7% or less, more preferably 5% or less, or even 3% or less results.
  • a significant positional offset for optical standards of, for example, 10% or more, preferably 20% or more, or even 30% or more of the diameter of the feedthrough coupling element, there can only be a slightly deteriorated signal strength or an almost similarly large proportion of the electromagnetic Radiation can be carried out through the feedthrough coupling element.
  • the feedthrough coupling element can be prepared in such a way that the transmission losses or the signal loss in the event of one of the aforementioned deviations is in an interval which is next to that in the previous one Paragraph mentioned lower limit of the relative signal loss ends with an upper limit of 0.5% or more of the original signal height, preferably 2% or more, or even 4% or more of the original signal height.
  • the aforementioned tolerance values can also be produced if the signal path through the feedthrough coupling element is used in both directions. Because with only one coupling direction or only one signal path, the optical principle “small to large” can be used to change to a larger diameter at each coupling point. However, if you need both signal directions, the MCR is also advantageous in this respect.
  • a light transmission component in particular for a sensor head or for connecting a coupling light guide, which can preferably comprise part or all of the above-mentioned elements, and which is prepared for the transmission of electromagnetic radiation, in particular through a wall, includes in a further, with the previously described Version combinable version, a feedthrough coupling element, which is set up for arrangement in a base body or in a wall opening for coupling and passing the electromagnetic radiation, in particular through the wall.
  • the feedthrough coupling element is prepared in such a way that there is a numerical value for the electromagnetic radiation Aperture of 0.21 or larger, preferably 0.25 or larger, particularly preferably 0.3 or larger, more preferably 0.4 or larger.
  • the numerical aperture can be in a preferred range between 0.5 and 0.6.
  • the feedthrough coupling element is prepared to have a numerical aperture of 1.2 or smaller, or even 0.9 or smaller, preferably 0.8 or smaller.
  • the base body thickness is greater than the wall thickness, then the base body protrudes inwards or outwards over the wall. Any remaining supernatant should preferably remain below 200 m, particularly preferably below 100 m, more preferably below 50 pm, most preferably below 10 pm. However, the cheapest option is a flush arrangement without an overhang.
  • the base body thickness does not have to be homogeneous over the entire extent of the base body. Particularly advantageously, the thickness of the base body in the area of the opening or receptacle for the feedthrough coupling element corresponds to the base body thickness and is measured in particular there.
  • a flange connection is provided on the wall, for example comprising screw holes for screwing on the base body, then it can be advantageous to place the base body onto the flange connection from the outside, so that most or the entire base body thickness lies outside the wall.
  • the light transmission component of this embodiment has the feedthrough coupling element, which is inserted into the base body.
  • the feedthrough coupling element comes to rest in a base body opening for coupling and passing the optical signal through the base body and thus through the wall.
  • the feedthrough coupling element further has a coupling element length in the direction perpendicular to the wall and/or in the direction of the base body thickness.
  • the base body thickness is identical to the coupling element length, so that the lead-through coupling element inserted into the base body opening does not protrude beyond the base body thickness.
  • the light transmission component described in the previous embodiments can further comprise an optical coupling for connecting the feedthrough coupling element to a sensor, which is arranged in particular in the sensor head, the sensor being arranged in particular outside a wall.
  • the sensor is preferably arranged on the outside of the wall, possibly directly coupled to the feedthrough coupling element.
  • the sensor can also be connected to a coupling light guide, which is connected at its further end to the feedthrough coupling element. It is also conceivable to arrange the sensor within the wall together with the feedthrough coupling element.
  • the light transmission component described in the previous embodiments, in particular the feedthrough coupling element, can further be designed to seal the opening in the base body, in the container wall or the pipe wall in a fluid-tight, gas-tight, sterile-tight and/or hermetically sealed manner.
  • the sensor can be prepared for sensory detection of a property of a fluid volume.
  • the fluid volume is arranged in a container, for example.
  • a fluid volume disposed in a container may be referred to as a stationary fluid volume, which may also include the fluid volume being stirred or otherwise mixed, shaken or influenced because it is essentially stationary.
  • the fluid volume can also be arranged in a pipeline and can in particular be a moving or variable fluid volume; It can still be referred to as such, even if the fluid volume in the pipeline is stationary in sections, is moved through the pipeline at intervals or at varying speeds, because as a result it is a mobile volume of fluid.
  • the wall in which the light transmission component is arranged can therefore, in the preferred case, be a container wall or a pipe wall.
  • the feedthrough coupling element has a refractive index.
  • a coupling light guide coupled to the feedthrough coupling element also has a refractive index.
  • the coupled coupling light guide can then have a refractive index that is different from the feedthrough coupling element, which can, for example, have a deviation of 10% or more from that of the feedthrough coupling element. This results in a wide selection of materials for the coupling light guide, for example plastic, quartz, multimode fiber or single-mode fiber or even a light guide rod.
  • An optical coupling can be arranged on the feedthrough coupling element, possibly even directly on the feedthrough coupling element.
  • a detector or sensor can be arranged directly on the optical coupling of the feedthrough coupling element.
  • the base body can have a flange connection for flanging to a counter-flange connection arranged on the wall.
  • the light transmission component described in the previous embodiments can further comprise a transparent cover, which is preferably arranged on or, in the direction of the fluid, in front of a front end of the feedthrough coupling element.
  • the transparent cover can be made of or include quartz glass or plastic, for example glass, quartz or sapphire.
  • the light transmission component or the feedthrough coupling element can be protected from corrosive media or chemical influences by means of the cover. You can also use the cover Mechanical protective effect for the light transmission component or the feedthrough coupling element can be achieved.
  • a converter element can be included, in particular as an organic or ceramic converter.
  • the converter element can be arranged on the end face facing the fluid volume, or in the direction of the fluid in front of it.
  • the downstream optical elements such as feedthrough coupling elements or coupling light guides can then be optimized for monochromatic light.
  • a first optical band A can then be used for excitation radiation and a second band B for detection radiation.
  • the senor can alternatively or cumulatively be equipped for contact, in particular direct contact, with the fluid volume.
  • the sensor is arranged at or in front of the front end of the feedthrough coupling element for passing on an electromagnetic signal or pulse through the feedthrough coupling element.
  • the electromagnetic radiation can define an optical signal.
  • the electromagnetic radiation can be conducted from the feedthrough coupling element into a fluid volume or can pass from the fluid volume into the feedthrough coupling element.
  • the feedthrough coupling element can be designed to provide similar optical attenuation for both feedthrough directions, with the feedthrough coupling element being designed in particular to be bidirectional.
  • the feedthrough coupling element can be prepared for broadband transmission of electromagnetic radiation of different wavelengths.
  • the light transmission component comprises an optical coupling
  • it can have one or more of the following properties: the optical coupling is designed to be detachable, it is equipped to be non-detachable, it is clamped, it is screwed or crimped and/or it provides separability between the feedthrough -Coupling element and a coupling light guide connected to it, and / or the optical coupling enables a separable connection of the detector to the feedthrough coupling element.
  • the light transmission member as described in the previous embodiments may be equipped to withstand fluid pressure.
  • a fluid pressure can be applied to the light transmission component by the fluid volume arranged in the container or pipe.
  • the fluid pressure can be 3 bar or more, preferably 5 bar or more.
  • the light transmission component ensures fluid tightness, in particular sterile tightness, gas tightness or hermetic tightness.
  • the feedthrough coupling element can be designed to be offset-tolerant in such a way that a lateral positional offset between the feedthrough coupling element and a light guide coupled thereto of 10 pm or more, preferably 20 pm or more, more preferably 30 pm or more results in a relative signal loss of 10% or less, preferably 7% or less, more preferably 5% or less, or even 3% or less results.
  • the feedthrough coupling element can preferably comprise a flexible single fiber, a single core light guide rod (SCR) or a multi core fiber rod (MCR).
  • SCR single core light guide rod
  • MCR multi core fiber rod
  • an SCR or MCR can have a diameter of 100 pm or larger, or even 150 pm or larger, or even 200 pm or larger.
  • the feedthrough coupling element can consist of a flexible single fiber, an SCR or an MCR.
  • the flexible single fiber or a single fiber of the MCR can, for example, have a thickness of 40 pm or less, preferably 30 pm or less, more preferably 25 pm or less.
  • the specified thickness typically represents the diameter of the individual fiber.
  • the thickness can alternatively or cumulatively be 10 pm or greater, preferably 30 pm or greater, more preferably 50 pm or greater, or also preferably greater than 70 pm.
  • the diameter of the individual fiber of the MCR may have an advantageous diameter ratio to the overall diameter of the MCR.
  • the diameter ratio between individual fiber and total diameter can be, for example, 1:10 or larger, preferably 1:8 ⁇ 10%, or else 1:7 or smaller.
  • a particularly preferred diameter of the individual fibers can be in the range of 10 to 20 pm fiber diameter of the individual fiber. If the diameter of the individual fibers were chosen to be in the range of 1:7 or larger, this could result in losses in the edge area during the transition from the multi-core system (MCR) to the coupling fiber (signal return path).
  • the MCR The fewer individual fibers used in the MCR, the higher the percentage of edge fibers that only partially transmit.
  • the number of fibers is limited, for example, by the fact that as the number of fibers increases, their size and thus also the sheath thickness decreases. If the sheath thickness of the individual fiber falls below a range of approximately 1 to 2 pm, the light guidance of the individual fibers can collapse and significant additional losses occur. It is advantageous here to choose the diameter of the MCR large enough to be able to compensate for all lateral tolerances as well as diameter tolerances, for example. It is therefore advantageous if the MCR has a larger diameter than a coupling fiber to be coupled to it.
  • the diameter of the MCR can be 25% or more larger than the diameter of the coupling fiber, preferably 40% or more, more preferably 50% or more.
  • the diameter of the active area of the MCR can be chosen between 280 pm and typically 320 pm, or even larger if the circumstances such as the installation situation allow this.
  • an MCR diameter of 300 pm there is a maximum offset tolerance of approximately 50 pm, measured from an offset-free overlap towards the edge, in all lateral directions. With an MCR diameter of 350 pm, this results in a maximum offset tolerance of 75 pm.
  • the SCR or the MCR may have a core component.
  • a core component can include, for example, optical glass.
  • the core component can consist of a glass composite.
  • the SCR or the MCR can have a jacket component.
  • the cladding component can comprise a cladding glass.
  • the MCR has the core component
  • this ACTE can be less than or equal to 1x10 A -6 1/K, preferably 0.5x10 A -6 1/K or less and particularly preferably 0.2x10 A -6 1/K or less. If the ACTE between core and cladding is close to 0 or equal to 0, i.e. there is a similar or identical CTE between the materials used, this can in turn offer advantages in terms of thermal shock resistance.
  • the core of the feedthrough coupling element can have a glass with the composition PbO 40-50% by weight; SiO2 40-50% by weight; Na2O 1-10% by weight; K2O 1-10% by weight; and As2O3 less than 1% by weight.
  • the CTE of the core can be 9.1 x10 A -6 1/K in system “F”.
  • the jacket of the feedthrough coupling element can have a glass with the composition SiO2 55-76% by weight; AI2O3 0-5% by weight; B2O3 0-5% by weight; Li2O+Na2O+K2O together 5-25% by weight; MgO- ⁇ aO+SrO+BaO+ZnO together 5-20% by weight; TiO2+ZrO2 together 0-5% by weight; P2O5 0-2 wt%.
  • the GTE of the jacket can advantageously correspond to the GTE of the core, i.e. also be in the range of 9.1 x10 A -6 1/K or be exactly the same value.
  • the resulting numerical aperture can be in the range 0.5 to 0.6, for example 0.55 or 0.58.
  • the core in another system “G”, can have a glass with the composition PbO 40-50% by weight; SiO2 40-50% by weight; Na2O 1-10% by weight; K2O 1-10% by weight; and As2O3 less than 1% by weight.
  • the GTE of the core can be set to 8.3x10 A -6 1/K in system “G”.
  • the core in system “G”, can have a glass with the composition SiO2 60-75% by weight, B2O3 10-15% by weight, Na2O 5-15% by weight, K2O 5-10% by weight, CaO 0.1-1% by weight %, BaO 0.5-3% by weight, TiO2 of more than 0-1.7% by weight; and Sb2O3 0-0.5 wt%.
  • the jacket can have a composition as follows: SiO2 71-77 wt%, B2O3 9-12 wt%, Al2O3 3.5-6 wt%, Na2O 5.5-8 wt%, K2O 0- 0.5% by weight, Li2O 0-0.3% by weight, CaO 0-3% by weight, BaO 0-1.5% by weight, F 0-0.3% by weight, CI- 0-0.3% by weight as well MgO- ⁇ aO+BaO+SrO together 0-2% by weight.
  • the CTE of the jacket can be set to 4.9x10 A -6 1/K.
  • the NA can be 0.26 or 0.27.
  • an additional cover can be provided around the jacket.
  • the shell can have a composition of SiO2 55-76% by weight; AI2O3 0-5% by weight; B2O3 0-5% by weight; Li2O+Na2O+K2O together 5-25% by weight; MgO- ⁇ aO+SrO+BaO+ZnO together 5-20% by weight; TiO2+ZrO2 together 0-5% by weight; P2O5 0-2 wt%.
  • the CTE of the case can be set to 9.1x10 A -6 1/K.
  • the SCR or MCR usually has a numerical aperture (NA).
  • NA numerical aperture
  • the NA is greater than 0.3, preferably greater than 0.4.
  • the NA can be set between 0.5 and 0.6.
  • the NA of the SCR or MCR may be 0.9 or less, preferably 0.8 or less. In one embodiment, the NA may be 0.86.
  • the SCR or MCR can be designed to be resistant to acids.
  • the SCR or MCR can have a chemical resistance class of 1 or 2 for acids, 1 or 2 for alkalis and, if necessary, 1 or 2 for water.
  • the SCR or MCR can be pressed and/or glued into the wall opening, that is, for example, into a container or pipe flange.
  • the bonding can be designed to be heat-curing and/or UV-curing.
  • the wall opening that is, for example, the container or pipe flange, can be shrunk onto the SCR or MCR.
  • the SCR or MCR can be connected in a hermetically sealed manner using a low-melting glass solder to the inside of the wall opening or directly to the container or pipe.
  • CTE thermal expansion coefficient
  • the MCR can have fibers that are partially or partially fused together. Partial or partial melting of fibers can provide increased tightness to fluid flow. For example, this can reduce the capillary action for the fluid, so that the fluid can no longer move along the individual fibers in the direction of the outside of the container due to the capillary forces that build up. This thus increases the tightness, for example towards a sterile tightness or even a fluid tightness. The tightness can also be further improved by using or applying a cover glass.
  • the MCR is therefore particularly preferably prepared in such a way as to prevent capillary action for the fluid volume.
  • the melting can result in such individual fibers being partially or partially formed in one piece with one another in the outer area of the external fibers of the MCR.
  • neighboring fibers form a partial or partially one-piece composite, in particular a molten composite, with one another.
  • previously round fibers can be given a hexagonal structure.
  • the fibers are subjected to heat treatment and, if necessary, vitrified, whereby the individual fibers are kept intact. For example, this can be combined with pressure glazing.
  • a structural change to the individual fiber that goes into the depth of the individual fiber is typically not sought, as this can change the optical properties of the fiber in such a way that the transmission of light is impaired or can even be excluded.
  • the MCR can also have a fiberboard, which is formed by a plurality of individual fibers being fused or melted together and can therefore be regarded as a plate connected to one another in some areas or parts.
  • the feedthrough coupling element usually has an end face facing the fluid volume.
  • the end face preferably ends flush with the wall or the base body.
  • a flush sealing of the end face of the feedthrough coupling element can be achieved by removing or polishing the end face using an abrasive process.
  • an original end face of the feedthrough coupling element can initially protrude beyond the wall or the base body, with the length of the feedthrough coupling element being greater than the thickness of the base body or the wall in one exemplary embodiment.
  • the feedthrough coupling element already inserted into the base body or the wall opening can then be removed, for example polished, in order to reduce the length of the feedthrough coupling element to the surface of the base body or the wall.
  • the end face can have a coating, in particular a seal, whereby the coating or seal can then be applied following the removal, for example the polish.
  • the light transmission component described in the previous embodiments can further have an optical beam splitter arranged on an outside.
  • a beam splitter can be provided to separate the incoming light from the outgoing light.
  • it can be a polarizing beam splitter.
  • the light transmission component described in the previous embodiments can further comprise a support element, in particular prepared for arrangement on the feedthrough coupling element, on the base body or on the wall.
  • the support element is arranged on the outside of the wall.
  • the support element can be prepared or provided to support the feedthrough coupling element against shear forces, for example in the event that the feedthrough coupling element protrudes with its length beyond the wall, in particular protrudes outwards.
  • the light transmission component can have a cooling device arranged on the outside of the light transmission component, in particular in order to efficiently dissipate an amount of heat generated by incoming radiation loss and, for example, to protect the feedthrough coupling element from damage or deformation.
  • Such a cooling device can have cooling fins or provide liquid cooling.
  • the feedthrough coupling element can further have a conical widening to improve the hermeticity, which is in particular oriented towards the outside of the wall or the container or pipe.
  • the feedthrough coupling element can include imaging optics, which is used in particular in the wall opening together with the feedthrough coupling element.
  • the feedthrough coupling element can also be metallized on its circumference to produce a direct metallic joint connection between the feedthrough coupling element and the wall opening.
  • Stainless steels can be used for this, for example austenitic, ferritic. Inconel, molybdenum or titanium can also be used.
  • a solder glass can also be arranged between the feedthrough coupling element, for example a light guide rod, and the container opening.
  • solder glass can be used in the direction perpendicular to the wall between the feedthrough coupling element and an inside of the opening to compensate for possible manufacturing tolerances and / or to compensate for deviations in shape of the feedthrough coupling element and / or the opening from a perfect fit, such as in particular a perfect circular shape, and / or to improve the optical quality.
  • the enveloping glass of the feedthrough coupling element represents the interface to the inside of the opening, in particular the metal of the wall.
  • the feedthrough coupling element can be inserted into the wall opening by means of pressure glazing. By glassing in or applying pressure, the fibers can be compacted, primarily in the edge area of the MCR.
  • the light transmission component as described in the previous embodiments may further comprise an index-matching intermediate piece.
  • the index-adjusting intermediate piece can be arranged in the optical coupling and/or between the feedthrough coupling element and the coupling light guide coupled thereto.
  • the index-matching intermediate piece can comprise, for example, an immersion oil or gel.
  • the index-adjusting intermediate piece can be glued to the feedthrough coupling element or a coupling fiber using an adhesive adapted to the refractive index.
  • An immersion element such as an immersion pad or an optically transparent cushion, can also be used.
  • Such an optically transparent cushion can also take on the function of a damping element for mechanical decoupling.
  • the immersion element can also be provided by an index-adjusted, preferably permanently elastic, adhesive.
  • the container or tube can be made of or include aluminum, metal such as a cast metal, stainless steel or glass fiber reinforced plastic, in particular for storing chemical or pharmaceutical substances or food. Such substances can also include petrochemical substances such as, in particular, gasoline, diesel or kerosene.
  • the container or the pipe or supply line can then be a fuel tank or a fuel-carrying line. Fields of application for this include motor vehicles, ships, energy production and aviation.
  • the use of the light guide component for monitoring or optical analysis of a fluid volume i.e. in particular liquids, in disposable containers made of plastic, in particular for use in medical devices, for example in in-vitro diagnostic systems, such as for example a virus tester, such as a Covid tester in the current global situation.
  • a fluid volume i.e. in particular liquids
  • a virus tester such as a Covid tester
  • Another example of medical devices in this environment may include measuring blood composition in dialysis machines.
  • the fluid volume can include, for example, a liquid or a gel.
  • the light guide component for trouble-free event monitoring of a fluid volume and/or for Transmission of an optical signal, such as in particular for image transmission from a fluid volume or for guiding light into the fluid volume.
  • a wall measuring system comprising a light transmission component as defined in at least one of the previously described embodiments, and further with a detector device, in particular as a detector head.
  • FIG 8 shows a schematic representation of a feedthrough coupling element as a multi-core fiber element (MCR),
  • Fig. 9 top view of an MCR
  • FIG. 11 Micrograph of a pressed-in and compacted MCR
  • Fig. 14 Representation of edge fiber losses.
  • a first embodiment of a system 1 is shown, which is prepared for the irradiation of electromagnetic radiation 24 into a container 5.
  • a lighting device 32 is connected to the feedthrough coupling element 15 by means of a coupling light guide 28, so that the electromagnetic radiation 24 can be irradiated through the feedthrough coupling element 15 into the container 5 and in particular into the fluid volume 2.
  • a signal response 22 from the fluid volume 2, such as a fluorescence response, can be coupled into the feedthrough coupling element 15, passed through the feedthrough coupling element 15 and, in this example, forwarded to a detector 30 by means of a coupling light guide 26.
  • the feedthrough coupling element 15 is inserted into the base body 12.
  • the base body 12 is in turn connected to the container 5 on a flange receptacle 18 of the container wall 4 by means of fastening means 14.
  • a protective cap 16 is arranged on the end face 152 of the feedthrough coupling element 15 to improve the resistance of the feedthrough coupling element 15, for example against chemical or biological influences that are due to the fluid volume 2.
  • a beam splitter 20 is provided in order to couple the incident radiation 24 from the light guide 28 and the emerging radiation 22 into the light guide 26, both radiation components being coupled into a common coupling light guide 27 for forwarding to the feedthrough coupling element 15 This makes it possible to guide incident and exiting radiation through just one feedthrough coupling element 15.
  • Fig. 2 shows, in a merely schematic and reduced form, a modification of the system shown in FIG outgoing pulse 22 is forwarded to the detector 30 via a coupling optical fiber 26.
  • the system 1 can also be prepared in such a way that the sensor head 30a is coupled directly to the feedthrough coupling element 15 without the need for an additional coupling light guide, which may affect the signal quality that can be maintained continues to increase.
  • FIG. 1 In yet another schematic modification of the system 1 presented in FIG. 1, an imaging system is shown in FIG .
  • the feedthrough coupling element 15 has an optical element 17 on its side 152 facing the fluid volume 2 to improve the coupling of the image information 22a into the feedthrough coupling element 15.
  • the optical element 17 can be prepared in such a way as to also improve biological or chemical resistance to the properties of the fluid volume 2.
  • FIG. 5 shows a further schematic modification of the system 1 shown in FIG. 1, with a light source 32, such as in particular a laser system, coupling a light signal 24, for example a laser pulse, into the coupling light guide 28 shown.
  • the coupling light guide 28 is in turn connected to the feedthrough coupling element 15, so that the light signal 24 can be coupled in there and passed through the wall 4.
  • an illumination target 25a such as a photodiode, is arranged so that it can be illuminated by the light signal 24. For example, by initiating the light signal 24 in the container 5, a subsequent event dependent on the light signal 24 can be triggered or prepared, such as an independent measurement taking place within the container 5.
  • a light transmission component 10 with base body 12 wherein the feedthrough coupling element 15 and a receiving area 29 arranged thereon for receiving a coupling light guide (cf. e.g. Fig. 5 or 8) can be seen.
  • a coupling light guide 26, 28 can, for example, be pressed or glued into the receiving area 29 or otherwise coupled, for example screwed.
  • the feedthrough coupling element 15 can be pressed into the base body 12, for example using the thermal expansion of the base material of the base body 12, for example stainless steel.
  • the receiving area 29 takes on the task and technical function of a coupling for coupling a coupling light guide 26, 28 to the feedthrough coupling element 15.
  • This embodiment is equipped with a support element 11, for example in the form of a stand-up collar 11 that partially encloses the feed-through coupling element 15 and completely encloses the receiving area 29.
  • the light transmission component 10 is flanged to a container wall 4 of a container or pipe 5.
  • a further embodiment of a light transmission component 10 is shown, wherein in this embodiment, for example, a sensor head 30a can be attached directly to the base body 12 and optically connected to the feedthrough coupling element 15. Especially with such optical connections by directly attaching or flanging the sensor head 30a directly to the far end 15b of the feedthrough Coupling element 15, it has proven to be a challenge in the context of the invention of the present description to obtain sufficient signal strength for the measurement signal from the feedthrough coupling element 15. But this has sometimes been difficult even when a coupling light guide 26, 28 is coupled. This description shows various improvement and solution paths for this. A further development and improvement could be found in a further embodiment within the scope of the present description, which is presented starting with FIG. 8.
  • an optical element to be coupled such as a sensor head 30a or, in the case shown in FIG. 8, a coupling light guide 26, which is to be coupled to the feedthrough coupling element 15.
  • an optical element to be coupled When aligning the optical element to be coupled, deviations regularly occur in such a way that the full area of the end face 15b cannot be brought into overlap with the optical element to be coupled. For example, there may be differences in the diameter between the optical element to be coupled and the feedthrough coupling element 15, or there may be a lateral offset.
  • the signal losses observed here are immense, for example 20% signal loss means a lateral offset of only 20 pm.
  • the feedthrough coupling element 15 is designed in this form as a multi-core fiber rod (MCR) with a large number of individual fibers 154.
  • a signal 25 can be coupled into a large number of the individual fibers 154 of the feedthrough coupling element 15.
  • the light 25 emitted from the fluid volume first strikes all fibers of the MCR 15.
  • the fibers 154 which are congruent or overlap with the coupling light guide 26, are used.
  • the signal height is independent of the positioning of the MCR 15 or the coupling light guide 26. When moved laterally, only the individual fibers used change, but not the transmission path or the locations of coupling and analysis.
  • the coupling light guide 26 which is significantly smaller in this embodiment, only overlaps with a part of the large number of individual fibers 154. Nevertheless, the signal quality obtained is surprisingly good, since there are no coupling-out losses, which would otherwise result in the entire information or the or a significant portion of the signal can be lost. It is therefore also harmless if the coupling light guide 26 were to be uncoupled and, if necessary, re-coupled in a slightly offset position. As shown in FIG. 9, the signal 25 is passed through to the coupling light guide 26 with only a portion of the large number of individual fibers 154.
  • Fig. 10 shows an MCR 15 in a representation, wherein the multitude of individual fibers 154 is enclosed by a common outer shell 156.
  • a microscope image of an MCR 15 pressed into a glass body 7 is shown, with a partially pentagonal and partially hexagonal deformation of the individual fibers 154 of the MCR 15 being visible.
  • the compression of the fiber spacing achieved by means of hot pressing and the simultaneous deformation of the individual fibers 154 leads to a much improved fluid tightness, since the capillary effect for guiding the fluid 2 between the individual fibers 154 of the MCR 15 is greatly reduced.
  • the previously existing free spaces between the individual fibers 154 of the MCR 15 have been greatly reduced and the individual fibers 154 have approximated their shape towards the highest possible packing density.
  • the hot process parameters the melting of the outer fiber areas and thus the packing density of the individual fibers 154 can be influenced. This can also influence the fluid tightness of the MCR 15 and thus of the light transmission component.
  • a ratio of the individual fiber diameters to the core diameter - i.e. the diameter of the MCR 15 - can be set in the range of 1/8 or smaller.
  • an individual fiber diameter of each individual fiber 154 can be selected in the range 10 to 20 or 25 pm in order to be able to pass through the highest possible signal intensity.
  • the central area of the MCR 15 - that is, the area that safely overlaps with the coupling light guide 26, 28 - should be so large that all lateral and diameter tolerances can be accommodated.
  • the diameter of the coupling light guide 26, 28 is 200 pm
  • a diameter of the active area of the MCR of, for example, 280 pm to typically 320 pm can be selected in order to obtain an optimal signal ratio.
  • a diameter of 300 pm for the MCR 15 in this example this corresponds to an offset tolerance of approximately 50 pm.
  • a diameter of the MCR 15 of 350 pm this would correspond to an offset tolerance of around 100 pm.
  • the intensity curve of the electromagnetic radiation passed through the feedthrough coupling element is shown in the case of a lateral offset between the feedthrough coupling element and a coupling light guide coupled to it.
  • the signal intensity becomes significantly lower even with a comparatively small lateral offset.
  • graph 42 of an SCR is at one With a lateral offset of 20 pm there is a signal loss of around 5%; with a lateral offset of 50 pm the signal loss is already in the range of over 35%.
  • graph 44 shows that the signal loss remains low even with larger lateral offsets. With a lateral offset of the MCR compared to the coupling light guide of 20 pm, the signal loss is only 2%, with a lateral offset of 50 pm it is only 10% or less.

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Abstract

Lichtdurchleitungsbauteil (10) insbesondere für einen Sensorkopf (60a) oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters (27), zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch eine Wandung (4), umfassend: ein Durchführungs-Koppelelement (15), welches zur Anordnung in einem Grundkörper (12) oder in einer Wandungsöffnung eingerichtet ist zum Einkoppeln und divergenzfreien Durchleiten der elektromagnetischen Strahlung durch das Durchführungs-Koppelelement, insbesondere durch die Wandung (4), wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) einen Multi Core Faserstab (MCR) umfasst oder daraus besteht und lageversatztolerant ausgebildet ist derart, dass ein seitlicher Lageversatz zwischen dem Durchführungs-Koppelelement (15) und einem damit gekoppelten Lichtleitungsbauteil wie einem Koppel-Lichtleiter von 10 μm oder mehr, bevorzugt 20 μm oder mehr, weiter bevorzugt 30 μm oder mehr in einem relativen Signalverlust von 10 % oder weniger, bevorzugt 7 % oder weniger, weiter bevorzugt 5 % oder weniger, oder auch von 3 % oder weniger resultiert.

Description

Sensorkopf für Fluoreszenzspektroskopie
Gebiet der
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtdurchleitungsbauteil zum Einkoppeln und Durchleiten elektromagnetischer Strahlung, die Verwendung eines Lichtdurchleitungsbauteils zur Überwachung bzw. optischen Analyse eines Fluidvolumens, ein Wandungs-Messsystem sowie ein Durchführungs-Koppelelement.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Analyse und Beobachtung von Fluiden wie Flüssigkeiten, die hinter einer Wandung verborgen sind, ist Gegenstand stetiger Weiterentwicklung. Einerseits sollen bestehende biologische, chemische oder physikalische Reagenzien oder Proben weiter verbessert analysiert oder beobachtet werden können, andererseits gibt es immer neue Ideen, Reagenzien oder Proben, welche einer Messung zugänglich gemacht werden sollen. Hierbei werden die unterschiedlichsten Messverfahren eingesetzt um ein großes Spektrum an Informationen erhaltbar zu machen. Im Hause der Anmelderin sind darunter die Möglichkeiten der optischen Messung bereits aufgrund des Produktportfolios und Anwendungswissens der Anmelderin hervorzuheben. Die vorliegende Anmeldung beschäftigt sich vor diesem Hintergrund mit der Verbesserung der optischen Messung eines Fluidvolumens, wie beispielsweise einer biologischen Probe oder eines chemischen Gemisches, wobei die Messung in vorteilhafter Weise ohne unerwünschte Beeinflussung des Fluidvolumens durchgeführt werden kann - es sei denn, es wird eine Beeinflussung des Fluidvolumens beabsichtigt, was dann ebenfalls in den Gegenstand dieser Anmeldung fällt.
Problematisch an der Anbringung und dem Einsatz optischer Messsysteme an bzw. in einer Wandung, wie die eines Behälters oder eines Rohres, ist immer wieder die Resistenz gegenüber der zu messenden Fluide und die erhaltbare Dichtigkeit, wie auch die erhaltbare Signalqualität, die ggf. auch darunter leidet, dass das System typischerweise resistent und dicht gegenüber einem austretenden Fluid einzurichten ist.
In einem Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, die erhaltene Signalstärke bzw. -qualität für Messungen eines Fluidvolumens gegenüber bekannten Messeinrichtungen zu erhöhen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, austretendes Fluid zu vermeiden bzw. zu verhindern. In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine möglichst geringe oder gar keine Beeinträchtigung des zu messenden Fluidvolumens durch das Messsystem einzuführen.
In der vorliegenden Beschreibung ist ein Lichtdurchleitungsbauteil vorgestellt, welches insbesondere geeignet bzw. hergerichtet ist für einen Sensorkopf oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters. Das Lichtdurchleitungsbauteil ist vorgesehen zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung. Mit anderen Worten ist das Lichtdurchleitungsbauteil so beschaffen bzw. aufgebaut, dass elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht, ein Lichtpuls oder ein optisches Signal, durch das Lichtdurchleitungsbauteil führbar ist. Das Lichtdurchleitungsbauteil ist dabei bevorzugt ferner so hergerichtet, dass damit die elektromagnetische Strahlung durch eine Wandung hindurchgeleitet werden kann. Das Lichtdurchleitungsbauteil kann hergerichtet sein zur sensorischen Erfassung einer Eigenschaft eines in einem Behälter oder Rohrleitung angeordneten Fluids. Das Lichtdurchleitungsbauteil kann zu diesem Zweck abschnittsweise in direktem Kontakt mit dem Fluid sein.
Das Lichtdurchleitungsbauteil umfasst hierzu ein Durchführungs-Koppelelement, welches zur Anordnung in einem Grundkörper oder in einer Wandungsöffnung eingerichtet ist. Mit anderen Worten kommt das Durchführungs-Koppelelement in einem Grundkörper bzw. einer Öffnung einer Rohr- oder Behälterwandung zu liegen, so dass es die Öffnung im Wesentlichen ausfüllt bzw. sogar eigenständig abdichtet. Dabei kann das Durchführungs-Koppelelement beispielsweise in die Öffnung eingepresst, eingeglast, insbesondere druckeingeglast, oder eingeklebt sein. Es ist also mit anderen Worten besonders vorteilhaft, wenn die Öffnung von dem Lichtdurchleitungsbauteil, insbesondere von dem Durchführungs-Koppelelement, fluiddicht abgedichtet wird. Dabei kann das Lichtdurchleitungsbauteil je nach Anwendungsfall gasdicht hergerichtet sein, oder auch sterildicht. In einem weiteren Anwendungsfall kann das Lichtdurchleitungsbauteil auch hermetisch dicht hergerichtet sein, was beispielsweise mittels eines Helium-Leckratentests ermittelt werden kann. Es ist dabei ebenfalls bevorzugt, wenn das Lichtdurchleitungsbauteil die Wandungsöffnung in Behälter oder Rohr als solche fluiddicht abschließt, oder auch gasdicht, sterildicht oder hermetisch dicht.
Das Durchführungs-Koppelelement ist insbesondere geeignet zum Einkoppeln und Durchleiten der elektromagnetischen Strahlung, es weist also beispielsweise einen oder mehrere Lichtleitkörper auf, insbesondere einen oder mehrere Glaskörper, um bevorzugt die elektromagnetische Strahlung wie Licht, ein optisches Messsignal oder einen optischen Puls durch die Wandung zu leiten.
Das Durchführungs-Koppelelement ist bevorzugt derart ausgewählt und eingerichtet, dass elektromagnetische Strahlung wie Licht divergenzfrei hindurchgeleitet wird. Unter einem divergenzfreien Durchleiten von Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung wird in Anlehnung an das Bild der Strahlenoptik insbesondere ein Transport von Licht ohne distanzabhängige Vergrößerung des Strahlquerschnitts verstanden, wie beispielsweise in Lichtleitern wie Glasfasern.
Das Durchführungs-Koppelelement ist bevorzugt lageversatztolerant ausgebildet. Eine Lageversatztoleranz zeichnet sich dadurch aus, dass der Signalverlust bei nicht exakter Überlappung bzw. Deckung zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einem daran angekoppelten optischen Bauteil, wie einem Koppel-Lichtleiter, vergleichsweise gering ist, und zwar insbesondere deutlich geringer als bei bekannten Einrichtungen. Beispielsweise kann die Lageversatztoleranz in bestimmten Einsatzbereichen ggf. die Grundlage dazu bilden, überhaupt eine optische Messung an dieser Messstelle an der Wandung zu ermöglichen, da mit bisherigen Mitteln das erhaltene Signal so stark gedämpft war, dass eine sinnvolle Auswertung nicht möglich war. Die Lageversatztoleranz des Durchführungs-Koppelelements ist bevorzugt derart ausgebildet, dass ein seitlicher Lageversatz zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einem damit gekoppelten Lichtleitungsbauteil wie einem Koppel-Lichtleiter von 10 pm oder mehr, bevorzugt 20 pm oder mehr, weiter bevorzugt 30 pm oder mehr in einem relativen Signalverlust von 10 % oder weniger, bevorzugt 7 % oder weniger, weiter bevorzugt 5 % oder weniger, oder auch von 3 % oder weniger resultiert. Mit anderen Worten kann trotz eines für optische Massstäbe erheblichen Lageversatzes von beispielsweise 10% oder mehr, bevorzugt 20% oder mehr, oder auch 30% oder mehr des Durchmessers des Durchführungs-Koppelelements eine nur gering verschlechterte Signalstärke bzw. ein nahezu ähnlich großer Anteil der elektromagnetischen Strahlung durch das Durchführungs-Koppelelement durchgeführt werden. Wie im Vergleich zu einer perfekt zentrierten Kopplung ohne Lageversatz. Es kann ferner auch so ausgebildet sein, dass bei einem Lageversatz von 100 pm oder weniger noch immer ein überwiegender Anteil der elektromagnetischen Strahlung durchleitbar ist, bevorzugt von 80 pm oder weniger, weiter bevorzugt 60 pm oder weniger. Des weiteren kann das Durchführungs- Koppelelement so hergerichtet sein, dass die Durchleitungsverluste bzw. der Signalverlust bei einer der vorgenannten Abweichungen in einem Intervall liegt, welches neben der im vorigen Absatz genannten unteren Grenze des relativen Signalverlusts mit einer oberen Grenze von 0,5 % oder mehr der ursprünglichen Signalhöhe, bevorzugt 2 % oder mehr, oder auch 4 % oder mehr der ursprünglichen Signalhöhe abschließt. Die vorgenannten Toleranzwerte sind auch herstellbar, wenn der Signalweg durch das Durchführungs-Koppelelement in beiden Richtungen verwendet wird. Denn bei nur einer Koppelrichtung bzw. nur einem Signalweg kann nach dem optischen Prinzip „klein nach groß“ an jeder Koppelstelle auf einen größeren Durchmesser gewechselt werden. Benötigt man jedoch beide Signalrichtungen ist der MCR auch in dieser Hinsicht vorteilhaft.
Ein Lichtdurchleitungsbauteil insbesondere für einen Sensorkopf oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters, welches vorzugsweise einen Teil oder alle der vorstehend genannten Elemente umfassen kann, und welches zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch eine Wandung hergerichtet ist, umfasst in einer weiteren, mit der vorherig beschriebenen Ausführung kombinierbaren Ausführung, ein Durchführungs-Koppelelement, welches zur Anordnung in einem Grundkörper oder in einer Wandungsöffnung eingerichtet ist zum Einkoppeln und Durchleiten der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere durch die Wandung Das Durchführungs-Koppelelement ist dabei so hergerichtet, dass es für die elektromagnetische Strahlung eine numerische Apertur aufweist von 0,21 oder größer, bevorzugt 0,25 oder größer, besonders bevorzugt 0,3 oder größer, weiter bevorzugt 0,4 oder größer. Beispielsweise kann die numerische Apertur in einem bevorzugten Bereich zwischen 0,5 bis 0,6 liegen. Alternativ oder kumulativ ist das Durchführungs-Koppelelement so hergerichtet, eine numerische Apertur aufzuweisen von 1 ,2 oder kleiner, oder auch 0,9 oder kleiner, bevorzugt 0,8 oder kleiner.
Ein Lichtdurchleitungsbauteil insbesondere für einen Sensorkopf oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters, welches vorzugsweise einen Teil oder alle der vorstehend genannten Elemente umfassen kann, und welches zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch eine Wandung hergerichtet ist, umfasst in einer weiteren, mit der vorherig beschriebenen Ausführung kombinierbaren Ausführung einen in eine Flanschaufnahme der Wandung fluiddicht einsetzbaren oder damit fluiddicht lösbar verbindbaren Grundkörper. Der Grundkörper weist eine Grundkörperdicke in einer Richtung senkrecht zur Wandung auf. Wenn beispielsweise die Grundkörperdicke der Wandungsdicke entspricht und der Grundkörper fluchtend in die Wandung eingesetzt wäre, dann schließt die Wandung innenseits und außenseits bündig mit dem Grundkörper ab. Wenn die Grundkörperdicke größer ist als die Wandungsdicke, dann steht der Grundkörper nach innen oder außen über die Wandung über. Ein ggf. noch verbleibender Überstand sollte bevorzugt unter 200 m, besonders bevorzugt unter 100 m, weiter bevorzugt unter 50 pm, am meisten bevorzugt unter 10 pm bleiben. Am günstigsten ist aber eine bündige Anordnung ohne einen Überstand. Die Grundkörperdicke muss nicht über die gesamte Erstreckung des Grundkörpers homogen sein. Besonders vorteilhaft entspricht die Dicke des Grundkörpers im Bereich der Öffnung bzw. Aufnahme für das Durchführungs- Koppelelement der Grundkörperdicke, wird als insbesondere dort gemessen. Wenn beispielsweise an der Wandung ein Flanschanschluss vorgesehen ist, beispielsweise umfassend Schraublöcher zum Anschrauben des Grundkörpers, dann kann es vorteilhaft sein, den Grundkörper von außen auf den Flanschanschluss aufzusetzen, so dass der größte Teil der oder die gesamte Grundkörperdicke außerhalb der Wandung liegt.
Das Lichtdurchleitungsbauteil dieser Ausführung weist das Durchführungs-Koppelelement auf, welches in den Grundkörper eingesetzt ist. Das Durchführungs-Koppelelement kommt in einer Grundkörperöffnung zu liegen zum Einkoppeln und Durchleiten des optischen Signals durch den Grundkörper und damit durch die Wandung. Das Durchführungs-Koppelelement weist ferner eine Koppelelement-Länge in der Richtung senkrecht zur Wandung und/oder in der Richtung der Grundkörperdicke auf. Die Grundkörperdicke ist dabei identisch zur Koppelelement-Länge, so dass das in die Grundkörperöffnung eingesetzte Durchführungs-Koppelelement nicht über die Grundkörperdicke übersteht.
Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil kann ferner eine optische Kupplung zur Verbindung des Durchführungs-Koppelelements mit einem Sensor, welcher insbesondere in dem Sensorkopf angeordnet ist, umfassen, wobei der Sensor insbesondere außerhalb einer Wandung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Sensor bevorzugt an der Außenseite der Wandung, möglicherweise direkt gekoppelt mit dem Durchführungs-Koppelelement, angeordnet. Der Sensor kann auch mit einem Koppel-Lichtleiter verbunden sein, welcher an seinem weiteren Ende mit dem Durchführungs-Koppelelement verbunden ist. Es ist auch denkbar, den Sensor innerhalb der Wandung gemeinsam mit dem Durchführungs-Koppelelement anzuordnen.
Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil, insbesondere das Durchführungs-Koppelelement, kann ferner ausgebildet sein, die Öffnung im Grundkörper, in der Behälterwandung oder der Rohrwandung fluiddicht, gasdicht, sterildicht und/oder hermetisch abzuschließen. Der Sensor kann hergerichtet sein zur sensorischen Erfassung einer Eigenschaft eines Fluidvolumens. Das Fluidvolumen ist beispielsweise in einem Behälter angeordnet. Ein in einem Behälter angeordnetes Fluidvolumen kann als ein ruhendes Fluidvolumen bezeichnet werden, wobei dies auch einschließen kann, dass das Fluidvolumen gerührt oder anderweitig vermischt, gerüttelt oder beeinflusst wird, denn es ist im Wesentlichen ortsfest. Das Fluidvolumen kann auch in einer Rohrleitung angeordnet sein und insbesondere ein bewegtes oder veränderliches Fluidvolumen sein; es kann trotzdem so bezeichnet werden, selbst wenn das Fluidvolumen in der Rohrleitung abschnittsweise ruht, intervallartig oder mit variierender Geschwindigkeit durch die Rohrleitung bewegt wird, denn im Ergebnis ist es ein ortsveränderliches Fluidvolumen. Die Wandung, in der das Lichtdurchleitungsbauteil angeordnet ist, kann demnach im bevorzugten Fall eine Behälterwandung oder eine Rohrwandung sein.
Das Durchführungs-Koppelelement weist einen Brechungsindex auf. Auch ein an das Durchführungs-Koppelelement angekuppelter Koppel-Lichtleiter weist einen Brechungsindex auf. Der angekuppelte Koppel-Lichtleiter kann dann einen vom Durchführungs-Koppelelement verschiedenen Brechungsindex aufweisen, welcher beispielsweise eine Abweichung von 10% oder mehr von dem des Durchführungs-Koppelelements aufweisen kann. Für den Koppel- Lichtleiter ergibt sich daraus eine breite Materialauswahl, beispielsweise Kunststoff, Quarz, Multimode-Faser oder Singlemode-Faser oder auch ein Lichtleitstab.
An dem Durchführungs-Koppelelement kann eine optische Kupplung angeordnet sein, ggf. sogar unmittelbar an dem Durchführungs-Koppelelement. In einer Ausführungsform kann unmittelbar an der optischen Kupplung des Durchführungs-Koppelelements ein Detektor oder Sensor angeordnet sein.
Bei dem wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebenen Lichtdurchleitungsbauteil kann, wenn es den Grundkörper aufweist, der Grundkörper einen Flanschanschluss aufweisen zum Anflanschen an einen an der Wandung angeordneten Gegen-Flanschanschluss.
Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil kann ferner eine transparente Abdeckung umfassen, welche bevorzugt an oder, in Richtung des Fluids, vor einem stirnseitigen Ende des Durchführungs-Koppelelements angeordnet ist. Die transparente Abdeckung kann aus Quarzglas oder Kunststoff, beispielsweise aus Glas, Quarz oder Saphir, hergestellt sein oder dieses umfassen. Beispielsweise kann mittels der Abdeckung das Lichtdurchleitungsbauteil beziehungsweise das Durchführungs-Koppelelement vor korrosiven Medien oder chemischen Einflüssen geschützt sein. Auch kann mittels der Abdeckung eine mechanische Schutzwirkung für das Lichtdurchleitungsbauteil beziehungsweise das Durchführungs-Koppelelement erzielbar sein.
Ferner oder alternativ kann ein Konverterelement umfasst sein, insbesondere als organischer oder keramischer Konverter. Beispielsweise kann das Konverterelement an der dem Fluidvolumen zugewandten Stirnseite, oder in Richtung des Fluids davor, angeordnet sein. Die nachgeschalteten optischen Elemente wie Durchführungs-Koppelelement bzw. Koppel-Lichtleiter können dann auf monochromatisches Licht optimiert werden. Alternativ oder kumulativ kann dann ein erstes optisches Band A für eine Anregungsstrahlung verwendet werden, und ein zweites Band B für eine Detektionsstrahlung.
In einer besonderen Ausführungsform kann der Sensor alternativ oder kumulativ ausgerüstet sein für einen Kontakt, insbesondere direkten Kontakt, mit dem Fluidvolumen. In dieser Ausführungsform ist der Sensor am oder vor dem stirnseitigen Ende des Durchführungs- Koppelelements angeordnet zur Weitergabe eines elektromagnetischen Signals oder Pulses durch das Durchführungs-Koppelelement.
Die elektromagnetische Strahlung kann ein optisches Signal definieren. Die elektromagnetische Strahlung kann von dem Durchführungs-Koppelelement in ein Fluidvolumen durchgeleitet werden oder aus dem Fluidvolumen in das Durchführungs-Koppelelement gelangen. Ferner kann das Durchführungs-Koppelelement hergerichtet sein, für beide Durchführungsrichtungen eine ähnliche optische Dämpfung bereitzustellen, wobei das Durchführungs-Koppelelement insbesondere bidirektional ausgebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann das Durchführungs-Koppelelement breitbandig hergerichtet sein zum Durchlass elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen.
Sofern das Lichtdurchleitungsbauteil eine optische Kupplung umfasst kann diese eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: die optische Kupplung ist lösbar ausgerüstet, sie ist nicht-lösbar ausgerüstet, sie ist angeklemmt, sie ist geschraubt oder gequetscht und/oder sie stellt eine Trennbarkeit zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einem damit verbundenen Koppel-Lichtleiter bereit , und/oder die optische Kupplung ermöglicht eine trennbare Verbindung des Detektors an das Durchführungs-Koppelelement.
Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil kann ausgerüstet sein, einem Fluiddruck zu widerstehen. Ein solcher Fluiddruck kann von dem im Behälter oder Rohr angeordneten Fluidvolumen auf das Lichtdurchleitungsbauteil beaufschlagt sein. Insbesondere kann der Fluiddruck 3 Bar oder mehr, bevorzugt 5 Bar oder mehr betragen. Dabei gewährleistet das Lichtdurchleitungsbauteil die Fluiddichtigkeit, insbesondere die Sterildichtigkeit, die Gasdichtigkeit oder die hermetische Dichtigkeit.
Das Durchführungs-Koppelelement kann lageversatztolerant ausgebildet sein derart, dass ein seitlicher Lageversatz zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einem damit gekoppelten Lichtleiter von 10 pm oder mehr, bevorzugt 20 pm oder mehr, weiter bevorzugt 30 pm oder mehr in einem relativen Signalverlust von 10 % oder weniger, bevorzugt 7 % oder weniger, weiter bevorzugt 5 % oder weniger, oder auch von 3 % oder weniger resultiert.
Das Durchführungs-Koppelelement kann bevorzugt eine Flexible Einzelfaser umfassen, einen single core Lichtleitstab (SCR) oder auch einen Multi Core Faserstab (MCR). Beispielsweise kann ein SCR oder MCR einen Durchmesser von 100 pm oder größer, oder auch von 150 pm oder größer, oder auch 200 pm oder größer aufweisen. In einer Variante kann das Durchführungs-Koppelelement aus einer flexiblen Einzelfaser, einem SCR oder einem MCR bestehen. Die flexible Einzelfaser oder eine Einzelfaser des MCR kann beispielsweise eine Dicke von 40 pm oder weniger, bevorzugt von 30 pm oder weniger, weiter bevorzugt von 25 pm oder weniger aufweisen. Dabei stellt die angegebene Dicke typischerweise den Durchmesser der Einzelfaser dar. Die Dicke kann alternativ oder kumulativ 10 pm oder größer sein, bevorzugt 30 pm oder größer, weiter bevorzugt 50 pm oder größer, oder auch bevorzugt größer als 70 pm.
In einem Beispiel kann der Durchmesser der Einzelfaser des MCR ein vorteilhaftes Durchmesser-Verhältnis zum Gesamtdurchmesser des MCR aufweisen. Das Durchmesser- Verhältnis zwischen Einzelfaser und Gesamtdurchmesser kann beispielsweise 1 :10 oder größer sein, bevorzugt 1 :8 ± 10%, oder aber auch 1 :7 oder kleiner. Wenn beispielsweise der Durchmesser des MCR 200 pm beträgt und der Durchmesser der Einzelfaser bevorzugt kleiner sein soll als 1/8 des MCR-Durchmessers, dann kann ein besonders bevorzugter Durchmesser der Einzelfasern im Bereich von 10 bis 20 pm Faserdurchmesser der Einzelfaser liegen. Wenn der Durchmesser der Einzelfasern im Bereich von 1 :7 oder größer gewählt würde, kann dies im Randbereich Verluste beim Übergang vom Mehrkernsystem (MCR) zur Koppelfaser ergeben (Signal-Rückweg). Je weniger Einzelfasern im MCR eingesetzt sind desto höher ist der prozentuale Anteil von Randfasern, die nur teilweise übertragen. Andererseits wird die Faseranzahl beispielsweise dadurch begrenzt, dass mit steigender Anzahl der Fasern deren Größe und damit auch die Mantelstärke sinkt. Unterschreitet die Manteldicke der Einzelfaser einen Bereich von etwa 1 bis 2 pm, kann es dazu führen, dass die Lichtführung der Einzelfasern zusammenbricht und signifikante Zusatzverluste auftreten. Hierbei ist es vorteilhaft, den Durchmesser des MCR groß genug zu wählen, dass alle lateralen Toleranzen sowie beispielsweise auch Durchmesser-Toleranzen ausgleichen zu können. So ist es vorteilhaft, wenn der MCR einen größeren Durchmesser aufweist als eine daran anzukoppelnde Koppel-Faser. Beispielsweise kann der Durchmesser des MCR 25 % oder mehr größer sein als der Durchmesser der Koppel-Faser, bevorzugt 40 % oder mehr, weiter bevorzugt 50 % oder mehr. Wenn beispielsweise eine Koppel-Faser einen Kernbereichs- Durchmesser von 200 pm aufweisen soll, so kann der Durchmesser des aktiven Bereichs des MCR beispielsweise zwischen 280 pm bis typ. 320 pm gewählt werden, oder auch größer wenn die Umstände wie z.B. die Einbausituation dies erlaubt. Bei einem MCR-Durchmesser von 300 pm ergibt sich eine max. Versatztoleranz von etwa 50 pm, gemessen von einer versatzfreien Überlappung in Richtung des Randes, in alle lateralen Richtungen. Bei 350 pm MCR- Durchmesser ergibt sich hierzu eine max. Versatztoleranz von 75 pm.
Der SCR oder der MCR kann einen Kernbestandteil aufweisen. Ein solcher Kernbestandteil kann beispielsweise optisches Glas umfassen. Der Kernbestandteil kann aus einem Glas- Komposite bestehen. Alternativ oder kumulativ kann der SCR oder der MCR einen Mantel bestandteil aufweisen. Beispielsweise kann der Mantelbestandteil ein Mantelglas umfassen.
Wenn der MCR den Kernbestandteil aufweist, kann zwischen Kern und Mantel ein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ACTE) des jeweils verwendeten Materials vorliegen. Beispielsweise kann dieser ACTE kleiner oder gleich 1x10A-6 1/K betragen, bevorzugt 0,5x10A-6 1/K oder kleiner und besonders bevorzugt 0,2x10A-6 1/K oder kleiner. Wenn der ACTE zwischen Kern und Mantel nahe 0 oder gleich 0 ist, also ein ähnlicher oder identischer CTE zwischen den verwendeten Materialien vorliegt, kann dies wiederum Vorteile hinsichtlich der Temperaturschockbeständigkeit bieten.
Im Folgenden werden zwei Beispiel-Systeme vorgestellt. Das erste Beispiel soll den System- Titel “F“ erhalten.
Im System „F“ kann der Kern des Durchführungs-Koppelelements ein Glas aufweisen der Zusammensetzung PbO 40-50 Gew%; SiO2 40-50 Gew%; Na2O 1-10 Gew%; K2O 1-10 Gew%; und As2O3 kleiner 1 Gew%.
Der CTE des Kerns kann im System „F“ bei 9, 1 x10A-6 1/K liegen.
Im System „F“ kann der Mantel des Durchführungs-Koppelelements ein Glas aufweisen der Zusammensetzung SiO2 55-76 Gew%; AI2O3 0-5 Gew%; B2O3 0-5 Gew%; Li2O+Na2O+K2O zusammen 5-25 Gew%; MgO- ^aO+SrO+BaO+ZnO zusammen 5-20 Gew%; TiO2+ZrO2 zusammen 0-5 Gew%; P2O5 0-2 Gew%. Der GTE des Mantels kann dem GTE des Kerns in vorteilhafter Weise entsprechen, also ebenfalls im Bereich von 9, 1 x10A-6 1/K liegen oder den Wert exakt betragen. Die sich ergebende numerische Apertur kann im Bereich 0,5 bis 0,6 zu liegen kommen, beispielsweise 0,55 oder 0,58.
In einem weiteren System „G“ kann der Kern ein Glas aufweisen der Zusammensetzung PbO 40-50 Gew%; SiO2 40-50 Gew%; Na2O 1-10 Gew%; K2O 1-10 Gew%; und As2O3 kleiner 1 Gew%. Der GTE des Kerns kann in System „G“ eingestellt sein auf 8,3x10A-6 1/K.
Alternativ kann in dem System „G“ der Kern ein Glas aufweisen der Zusammensetzung SiO2 60-75 Gew%, B2O3 10-15 Gew%, Na2O 5-15 Gew%, K2O 5-10 Gew%, CaO 0,1-1 Gew%, BaO 0,5-3 Gew%, TiO2 von mehr als 0-1 ,7 Gew%; und Sb2O3 0-0,5 Gew%.
In dem System „G“ kann der Mantel eine Zusammensetzung aufweisen wie folgt: SiO2 71-77 Gew%, B2O3 9-12 Gew%, AI2O3 3,5-6 Gew%, Na2O 5,5-8 Gew%, K2O 0-0,5 Gew%, Li2O 0-0,3 Gew%, CaO 0-3 Gew%, BaO 0-1 ,5 Gew%, F 0-0,3 Gew%, CI- 0-0,3 Gew% sowie MgO- ^aO+BaO+SrO zusammen 0-2 Gew%. Der CTE des Mantels kann eingestellt sein auf 4,9x10A-6 1/K. Die numerische Apertur kann im Bereich liegen NA = 0,25 bis 0,3. Beispielsweise kann die NA sich ergeben zu 0,26 oder 0,27.
In dem System „G“ kann eine zusätzliche Hülle um den Mantel vorgesehen sein. Die Hülle kann eine Zusammensetzung aufweisen von SiO2 55-76 Gew%; AI2O3 0-5 Gew%; B2O3 0-5 Gew%; Li2O+Na2O+K2O zusammen 5-25 Gew%; MgO- ^aO+SrO+BaO+ZnO zusammen 5-20 Gew%; TiO2+ZrO2 zusammen 0-5 Gew%; P2O5 0-2 Gew%. Der CTE der Hülle kann eingestellt sein zu 9,1x10A-6 1/K.
Bei allen vorgenannten Zusammensetzungen ist der Zusatz üblicher Läutermittel möglich.
Der SCR oder MCR weist in der Regel eine numerische Apertur (NA) auf. Bevorzugt ist die NA größer als 0,3, vorzugsweise größer als 0,4. Beispielsweise kann die NA zwischen 0,5 und 0,6 eingestellt sein. Alternativ oder kumulativ kann die NA des SCR oder MCR 0,9 oder kleiner, bevorzugt 0,8 oder kleiner betragen. In einem Ausführungsbeispiel kann die NA 0,86 betragen.
Der SCR oder MCR kann widerstandsfähig gegenüber Säuren ausgerüstet sein. Hierbei kann der SCR oder der MCR eine chemische Widerstandsklasse aufweisen für Säuren von 1 oder 2„ für Laugen von 1 oder 2und ggf. für Wasser von 1 oder 2.
Bevorzugt kann der SCR oder MCR in der Wandungsöffnung, das heißt beispielsweise in einem Behälter- oder Rohr-Flansch, eingepresst und/oder verklebt sein. Die Verklebung kann wärmehärtend und/oder UV-aushärtend ausgestaltet sein. Alternativ oder kumulativ kann die Wandungsöffnung, das heißt beispielsweise der Behälter- oder Rohr-Flansch, auf den SCR oder MCR aufgeschrumpft sein. In noch einer - ggf. kombinierbaren - Variante kann der SCR oder MCR mit einem niedrig schmelzenden Glaslot mit der Innenseite der Wandungsöffnung oder direkt mit dem Behälter bzw. Rohr hermetisch dicht verbunden sein.
Zwischen dem MCR und dem diesen umgebenden Körper, beispielsweise dem Grundkörper oder der Einglasung, kann ein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) vorliegen, also insbesondere ein ACTE zwischen den jeweils verwendeten Materialien. Es hat sich also vorteilhaft gezeigt, wenn der ACTE zwischen 3 und 11 ppm/K liegt. Dabei ist der CTE des Grundkörpers größer als derjenige des MCR
Der MCR kann teilweise oder bereichsweise miteinander verschmolzene Fasern aufweisen. Ein teilweises oder bereichsweises Anschmelzen von Fasern kann eine erhöhte Dichtigkeit gegenüber einem Fluiddurchfluss bereitstellen. Beispielsweise kann hierdurch die Kapillarwirkung für das Fluid herabgesetzt sein, so dass das Fluid nicht mehr entlang der Einzelfasern aufgrund der sich aufbauenden Kapillarkräfte in Richtung des Behälteräußeren bewegen kann. Dies erhöht somit die Dichtigkeit, beispielsweise hin zu einer Sterildichtigkeit, oder auch einer Fluiddichtigkeit. Die Dichtigkeit kann auch durch den Einsatz bzw. das Aufbringen eines Deckglases weiter verbessert sein. Besonders bevorzugt ist der MCR demnach derart hergerichtet, eine Kapillarwirkung für das Fluidvolumen zu unterbinden.
Beispielsweise kann das Anschmelzen dazu führen, dass im Außenbereich der außenliegenden Fasern des MCR solche Einzelfasern miteinander teilweise oder bereichsweise einstückig miteinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten gehen dabei benachbarte Fasern einen teilweisen oder bereichsweisen einstückigen Verbund, insbesondere einen schmelzflüssigen Verbund, miteinander ein. Beispielsweise können dabei vormals runde Fasern in hexagonale Struktur gebracht werden. Es erfolgt eine Temperaturbehandlung sowie ggf. ein Anglasen der Fasern, wobei die einzelnen Fasern intakt gehalten werden. Beispielsweise kann dies mit einer Druckverglasung kombiniert werden. Eine in die Tiefe der Einzelfaser gehende strukturelle Änderung der Einzelfaser wird dabei typischerweise nicht angestrebt, da dies die optischen Eigenschaften der Faser so verändern kann, dass eine Durchleitung von Licht beeinträchtigt wird oder gar ausgeschlossen sein kann. Ein weiterer Vorteil der sich bei Einsatz eines MCR ergibt, ist, dass selbst wenn eine oder mehrere Randlagen durch das Fügen in den optischen Eigenschaften beeinträchtigt werden sollten, dass davon nicht das Übertragungsverhalten der inneren Fasern beeinträchtigt wird. D.h. die randständigen Fasern bieten eine Puffer- oder Kompensationsschicht, bei ausreichender Dimensionierung, um beispielsweise Beschädigungen durch den Fügeprozess abzuwenden oder abzumildern. Der MCR kann auch eine Faserplatte aufweisen, die sich dadurch ausbildet, dass eine Mehrzahl von Einzelfasern miteinander verschmolzen bzw. angeschmolzen sind und so bereichsweise oder teilweise als miteinander verbundene Platte aufzufassen sind.
Das Durchführungs-Koppelelement weist zumeist eine dem Fluidvolumen zugewandte Stirnseite auf. Die Stirnseite schließt bevorzugt bündig mit der Wandung oder dem Grundkörper ab. Beispielsweise kann ein bündiges Abschließen der Stirnseite des Durchführungs- Koppelelements dadurch erzielt werden, indem die Stirnseite mittels eines abrasiven Verfahrens abgetragen ist beziehungsweise poliert ist. Mit anderen Worten kann eine ursprüngliche Stirnseite des Durchführungs-Koppelelements zunächst über die Wandung bzw. den Grundkörper überstehen, wobei in einem Ausführungsbeispiel die Länge des Durchführungs- Koppelelements größer ist als die Dicke des Grundkörpers bzw. der Wandung. Im Anschluss kann dann das bereits in den Grundkörper bzw. die Wandungsöffnung eingesetzte Durchführungs-Koppelelement abgetragen werden, beispielsweise poliert werden, um die Länge des Durchführungs-Koppelelements auf die Oberfläche des Grundkörpers bzw. der Wandung zu reduzieren. Die Stirnseite kann wie bereits beschrieben eine Beschichtung, insbesondere eine Versiegelung, aufweisen, wobei die Beschichtung bzw. Versiegelung dann im Anschluss an den Abtrag, also beispielsweise die Politur, aufgebracht werden kann.
Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil kann des Weiteren einen auf einer Außenseite angeordneten optischen Strahlteiler aufweisen. Ein solcher Strahlteiler kann vorgesehen sein zur Trennung des einkommenden Lichts vom ausfallenden Licht. Es kann sich insbesondere um einen polarisierenden Strahlteiler handeln.
Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil kann ferner ein Stützelement umfassen, insbesondere hergerichtet zur Anordnung an dem Durchführungs-Koppelelement, an dem Grundkörper oder an der Wandung. Beispielsweise ist das Stützelement außenseitig der Wandung angeordnet. Das Stützelement kann hergerichtet oder vorgesehen sein zum Abstützen des Durchführungs-Koppelelements gegen Scherkräfte, beispielsweise in dem Fall, dass das Durchführungs-Koppelelement mit seiner Länge über die Wandung übersteht, insbesondere nach außen hin übersteht. Ferner kann das Lichtdurchleitungsbauteil eine außenseitig an dem Lichtdurchleitungsbauteil angeordnete Kühleinrichtung aufweisen, insbesondere um eine durch eintretende Strahlungsverlustleistung erzeugte Wärmemenge effizient abzuführen und beispielsweise das Durchführungs-Koppelelement vor einer Beschädigung oder Verformung zu bewahren. Eine solche Kühleinrichtung kann Kühlrippen aufweisen, oder eine Flüssigkühlung bereitstellen.
Das Durchführungs-Koppelelement kann des Weiteren eine konische Verbreiterung aufweisen zur Verbesserung der Hermetizität, welche insbesondere orientiert ist in Richtung außerhalb der Wandung bzw. des Behälters oder Rohrs.
Das Durchführungs-Koppelelement kann eine abbildende Optik umfassen, welche insbesondere in der Wandungsöffnung gemeinsam mit dem Durchführungs-Koppelelement eingesetzt ist.
Das Durchführungs-Koppelelement kann ferner an seinem Umfang metallisiert ausgerüstet sein zum Herstellen einer direkten metallischen Fügeverbindung zwischen Durchführungs- Koppelelement und Wandungsöffnung. Hierfür können Edelstähle eingesetzt sein, beispielsweise austenitisch, ferritisch. Es kann auch Inconel, Molybdän oder Titan eingesetzt sein.
Zwischen dem Durchführungs-Koppelelement, beispielsweise einem Lichtleiterstab, und der Behälteröffnung kann auch ein Lotglas angeordnet sein. Mit anderen Worten kann in der Richtung senkrecht zur Wandung zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einer Innenseite der Öffnung Lotglas eingesetzt sein zum Ausgleichen von eventuellen Fertigungstoleranzen und/oder zum Ausgleichen von Formabweichungen von Durchführungs- Koppelelement und/oder der Öffnung von einer perfekten Passform, wie insbesondere einer perfekten Kreisform, und/oder zur Verbesserung der optischen Qualität .Es kann andererseits bevorzugt sein, dass das Hüllglas des Durchführungs-Koppelelements das Interface zur Innenseite der Öffnung, insbesondere dem Metall der Wandung, darstellt.
Das Durchführungs-Koppelelement kann mittels Druckeinglasung in die Wandungsöffnung eingesetzt sein. Mittels des Einglasens bzw. der Druckbeaufschlagung kann eine Verdichtung der Fasern erfolgen, vorwiegend im Randbereich des MCR.
Hinsichtlich der eingesetzten Materialien des Durchführungs-Koppelelements ist vorteilhaft, wenn die Materialien oder Materialkombinationen wenig oder keine Stoffe an das Fluid abgeben. Beispielsweise ist eine geringe Nickel-Auslassrate (leech rate) vorteilhaft, wenn das beobachtete Fluid organische bzw. lebende Teile, Substanzen oder Stoffe aufweist, um eine Beeinflussung, insbesondere eine schädliche Beeinflussung zu vermeiden. Das wie in den vorherigen Ausführungsformen beschriebene Lichtdurchleitungsbauteil kann ferner ein indexanpassendes Zwischenstück umfassen. Das indexanpassende Zwischenstück kann in der optischen Kupplung und/oder zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und dem daran angekuppelten Koppel-Lichtleiter angeordnet sein. Das indexanpassende Zwischenstück kann beispielsweise ein Immersionsöl oder -gel umfassen. Beispielsweise kann das indexanpassende Zwischenstück mit einem brechwert-angepassten Kleber an das Durchführungs-Koppelelement oder eine Koppel-Faser angeklebt sein. Auch kann ein Immersionselement, wie beispielsweise ein Immersionspad oder ein optisch transparentes Kissen eingesetzt werden. Ein solches optisch transparentes Kissen kann zudem die Funktion eines Dämpfungselements für eine mechanische Entkopplung übernehmen. Das Immersionselement kann auch durch einen indexangepassten, bevorzugt dauerelastischen, Klebstoff bereitgestellt werden.
In einem Aspekt der vorliegenden Beschreibung liegt die Verwendung des Lichtleitungsbauteils zur Überwachung bzw. optischen Analyse eines Fluidvolumens, also insbesondere von Flüssigkeiten, in einem Behälter bzw. einem Rohr. Der Behälter bzw. das Rohr kann hergestellt sein aus Aluminium, Metall wie ein Gussmetall, Edelstahl oder glasfaserverstärktem Kunststoff oder dieses umfassen, insbesondere zur Lagerung von chemischen oder pharmazeutischen Substanzen oder von Lebensmitteln. Solche Substanzen können auch petrolchemische Substanzen umfassen wie insbesondere Benzin, Diesel oder Kerosin. Der Behälter oder das Rohr bzw. Zuleitung kann dann ein Kraftstoffbehälter bzw. eine kraftstoffführende Leitung sein. Als Anwendungsfeld kommt hierfür in Betracht Kraftfahrzeuge, Schiffe, Energieerzeugung, Luftfahrt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung liegt die Verwendung des Lichtleitungsbauteils zur Überwachung bzw. optischen Analyse eines Fluidvolumens, also insbesondere von Flüssigkeiten, in Einweg-Behältern aus Kunststoff insbesondere zur Anwendung bei medizinischen Geräten, beispielsweise bei In-vitro-Diagnose-Systemen, wie beispielsweise einem Virentester, wie in der aktuellen globalen Situation einem Covid-Tester. Ein weiteres Beispiel für medizintechnische Geräte in diesem Umfeld kann die Messung der Blutzusammensetzung in Dialysegeräten umfassen. Das Fluidvolumen kann z.B. eine Flüssigkeit oder ein Gel umfassen.
Noch in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung liegt die Verwendung des Lichtleitungsbauteils zur störungsfreien Ereignisüberwachung eines Fluidvolumens und/oder zur Übertragung eines optischen Signals, wie insbesondere zur Bildübertragung aus einem Fluidvolumen oder zur Lichtleitung in das Fluidvolumen.
Noch in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung liegt ein Wandungs- Messsystem umfassend ein Lichtdurchleitungsbauteil so wie es in jedenfalls einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen definiert ist, und ferner mit einer Detektoreinrichtung, insbesondere als Detektorkopf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:
Fig. 1 erste Ausführungsform eines Systems mit einem Lichtdurchleitungsbauteil,
Fig. 2 bis 5 Abwandlungen der mit Fig. 1 gezeigten Ausführungsform in verschiedenen
Funktions- bzw. Ausführungsformen,
Fig. 6 und 7 weitere Ausführungsform eines Lichtdurchleitungsbauteils mit Grundkörper,
Fig. 8 schematische Darstellung eines Durchführungs-Koppelelements als Multi Core Faserelement (MCR),
Fig. 9 Draufsicht auf ein MCR,
Fig. 10 weitere Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines MCR,
Fig. 11 Mikroskopaufnahme eines eingepressten und verdichteten MCR,
Fig. 12 graphische Darstellung des relativen Signalpegels über einen lateralen Versatz,
Fig. 13 Darstellung geometrischer Koppel Verluste,
Fig. 14 Darstellung von Randfaserverlusten.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Systems 1 gezeigt, welches hergerichtet ist zur Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung 24 in einen Behälter 5. Hierfür ist eine Beleuchtungseinrichtung 32 mittels eines Koppel-Lichtleiters 28 mit dem Durchführungs-Koppelelement 15 verbunden, so dass die elektromagnetische Strahlung 24 durch das Durchführungs-Koppelelement 15 in den Behälter 5 und insbesondere in das Fluidvolumen 2 eingestrahlt werden kann. Eine Signalantwort 22 aus dem Fluidvolumen 2, wie eine Fluoreszenzantwort, kann in das Durchführungs-Koppelelement 15 eingekoppelt werden, durch das Durchführungs-Koppelelement 15 hindurchgeleitet werden und in diesem Beispiel mittels eines Koppel-Lichtleiters 26 zu einem Detektor 30 weitergeleitet werden.
Das Durchführungs-Koppelelement 15 ist in den Grundkörper 12 eingesetzt. Der Grundkörper 12 ist wiederum an einer Flanschaufnahme 18 der Behälterwandung 4 mittels Befestigungsmitteln 14 mit dem Behälter 5 verbunden. An der Stirnseite 152 des Durchführungs- Koppelelements 15 ist eine Schutzkappe 16 angeordnet zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Durchführungs-Koppelelements 15, beispielsweise gegenüber chemischen oder biologischen Einflüssen, die in dem Fluidvolumen 2 begründet liegen.
In diesem Beispiel ist ein Strahlteiler 20 vorgesehen, um die einfallende Strahlung 24 aus dem Lichtleiter 28 sowie die ausfallende Strahlung 22 in den Lichtleiter 26 zu koppeln, wobei beide Strahlungsanteile in einen gemeinsamen Koppel-Lichtleiter 27 gekoppelt werden zur Weiterleitung an das Durchführungs-Koppelelement 15. Hierdurch ist es möglich, einfallende und ausfallende Strahlung durch nur ein Durchführungs-Koppelelement 15 zu leiten.
Fig. 2 zeigt in lediglich schematischer und reduzierter Form eine Abwandlung des mit Fig. 1 gezeigten Systems, wobei ein Ereignisdetektionssystem 1 dargestellt ist, bei welchem ein sich in einem Fluidvolumen 2 vollziehendes optisches Ereignis 25 oder Puls in das Durchführungs- Koppelelement 15 einkoppelt und als ausgehender Impuls 22 über eine Koppel-Lichtfaser 26 an den Detektor 30 weitergeleitet wird. In noch einer Weiterentwicklung, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, kann das System 1 auch so hergerichtet sein, dass der Sensorkopf 30a direkt an das Durchführungs-Koppelelement 15 gekoppelt ist ohne Notwendigkeit eines weiteren Koppel- Lichtleiters, was ggf. die erhaltbare Signalqualität weiter steigert.
In noch einer weiteren schematischen Abwandlung des mit Fig. 1 vorgestellten Systems 1 ist in Fig. 4 ein bildgebendes System dargestellt, wobei aus einem Fluidvolumen 2 eine optische Bildinformation 22a in das Durchführungs-Koppelelement 15 eingekoppelt und zu einem Erfassungssystem 30b wie einer Kamera übertragen wird. Das Durchführungs-Koppelelement 15 weist an seiner dem Fluidvolumen 2 zugewandten Seite 152 ein optisches Element 17 auf zur Verbesserung der Einkopplung der Bildinformation 22a in das Durchführungs-Koppelelement 15. Ggf. kann das optische Element 17 so hergerichtet sein, auch eine biologische oder chemische Resistenz gegenüber den Eigenschaften des Fluidvolumens 2 zu verbessern.
In Fig. 5 ist eine weitere schematische Abwandlung des mit Fig. 1 gezeigten Systems 1 dargestellt, wobei eine Lichtquelle 32 wie insbesondere ein Lasersystem einen Lichtsignal 24, beispielsweise ein Laserpuls, in den dargestellten Koppel-Lichtleiter 28 einkoppelt. Der Koppel- Lichtleiter 28 ist wiederum mit dem Durchführungs-Koppelelement 15 verbunden, so dass das Lichtsignal 24 dort eingekoppelt und durch die Wandung 4 durchgeleitet werden kann. Innerhalb des Behälters 5 ist ein Beleuchtungsziel 25a wie beispielsweise eine Photodiode so angeordnet, dass diese von dem Lichtsignal 24 beleuchtbar ist. Beispielsweise kann somit durch das Einleiten des Lichtsignals 24 in dem Behälter 5 ein von dem Lichtsignal 24 abhängiges Folgeereignisses ausgelöst oder vorbereitet werden, wie beispielsweise eine innerhalb des Behälters 5 stattfindende unabhängige Messung.
Bezug nehmend auf Fig. 6 ist ein Lichtdurchleitungsbauteil 10 mit Grundkörper 12 dargestellt, wobei das Durchführungs-Koppelelement 15 und ein daran angeordneter Aufnahmebereich 29 zur Aufnahme eines Koppel-Lichtleiters (vgl. z.B. Fig. 5 oder 8) ersichtlich ist. Ein Koppel- Lichtleiter 26, 28 kann beispielsweise in den Aufnahmebereich 29 eingepresst oder eingeklebt oder anderweitig angekuppelt sein, beispielsweise auch geschraubt. Das Durchführungs- Koppelelement 15 kann in den Grundkörper 12 eingepresst sein, beispielsweise unter Ausnutzung der Wärmeausdehnung des Grundmaterials des Grundkörpers 12, beispielsweise Edelstahl. Der Aufnahmebereich 29 übernimmt die Aufgabe und technische Funktion einer Kupplung zum Ankoppeln eines Koppel-Lichtleiters 26, 28 an das Durchführungs-Koppelelement 15. Zur Verbesserung der Handhabung und Erhöhung der Steifigkeit gegenüber Beschädigungen, die bei transversal anschlagenden Kräften auf das Lichtdurchleitungsbauteil 10 wirken können, ist diese Ausführungsform mit einem Stützelement 11 ausgerüstet beispielsweise in Form eines das Durchführungs-Koppelelement 15 teilweise und den Aufnahmebereich 29 vollständig umschließenden Stehkragens 11. Das Lichtdurchleitungsbauteil 10 ist an eine Behälterwand 4 eines Behälters oder Rohr 5 angeflanscht.
Bezug nehmend auf Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform eines Lichtdurchleitungsbauteils 10 gezeigt, wobei in dieser Ausführungsform beispielsweise ein Sensorkopf 30a direkt an den Grundkörper 12 angesetzt und mit dem Durchführungs-Koppelelement 15 optisch verbunden werden kann. Vor allem bei solchen optischen Verbindungen mittels direktem Ansetzen oder Anflanschen des Sensorkopfes 30a unmittelbar an das ferne Ende 15b des Durchführungs- Koppelelements 15 hat es sich im Rahmen der Erfindungslegung der vorliegenden Beschreibung als Herausforderung erwiesen, eine ausreichende Signalstärke für das Messsignal aus dem Durchführungs-Koppelelement 15 zu erhalten. Aber auch bei Ankopplung eines Koppel- Lichtleiters 26, 28 ist dies bisweilen schwierig gewesen. Die vorliegende Beschreibung zeigt hierfür verschiedene Verbesserungs- bzw. Lösungswege auf. Eine Weiterentwicklung und Verbesserung konnte in einer weiteren Ausführungsform im Rahmen der vorliegenden Beschreibung gefunden werden, welche beginnend mit Fig. 8 vorgestellt wird. Gegeben ist ein zu koppelndes optisches Element wie ein Sensorkopf 30a oder, in dem mit Fig. 8 gezeigten Fall, ein Koppel-Lichtleiter 26, welches an das Durchführungs-Koppelelement 15 angekoppelt werden soll. Bei der Ausrichtung des zu koppelnden optischen Elements kommt es regelmäßig zu Abweichungen dahingehend, dass nicht die volle Fläche der Stirnseite 15b mit dem zu koppelnden optischen Element in Überlapp gebracht werden kann. Beispielsweise kann es zu Unterschieden im Durchmesser zwischen dem zu koppelnden optischen Element und dem Durchführungs-Koppelelement 15 kommen, oder aber zu lateralem Versatz. Die hierbei beobachteten Signalverluste sind immens, beispielsweise bereits 20% Signalverlust bedeuten bei einem lateralen Versatz von nur 20 pm.
Jedoch fallen diese Signalverluste bei der mit Fig. 8 gezeigten Ausführungsform erheblich geringer aus. Das Durchführungs-Koppelelement 15 ist in dieser Form als Multi Core Faserstab (MCR) ausgebildet mit einer Vielzahl von Einzelfasern 154. Ein Signal 25 kann in eine Vielzahl der Einzelfasern 154 des Durchführungs-Koppelelement 15 eingekoppelt werden. Das aus dem Fluidvolumen emittierte Licht 25 trifft zunächst auf alle Fasern des MCR 15. Die Fasern 154, die mit dem Koppel-Lichtleiter 26 deckungsgleich sind bzw. überlappen, werden genutzt. Die Signalhöhe ist unabhängig von der Positionierung des MCR 15 oder des Koppel-Lichtleiters 26. Bei seitlicher Verschiebung ändern sich nur die genutzen Einzelfasern, aber nicht der Übertragungsweg oder die Orte der Kopplung und Analyse.
Der in dieser Ausführungsform deutlich kleiner ausgeführte Koppel-Lichtleiter 26 überlappt nur mit einem Teil der Vielzahl von Einzelfasern 154. Dennoch ist die erhaltene Signalqualität erstaunlich gut, da es zu keinen Auskoppelverlusten kommt, bei welchem unter Umständen sonst die gesamte Information bzw. das oder ein wesentlicher Teil des Signals verloren gehen kann. So ist es auch unschädlich, wenn der Koppel-Lichtleiter 26 abgekoppelt und ggf. leicht lageversetzt wieder angekoppelt würde. Wie Fig. 9 verdeutlicht wir das Signal 25 nur mit einem Teil der Vielzahl von Einzelfasern 154 an den Koppel-Lichtleiter 26 durchgeleitet. Fig. 10 zeigt einen MCR 15 in einer Darstellung, wobei die Vielzahl von Einzelfasern 154 von einer gemeinsamen Außenhülle 156 umschlossen ist.
Bezug nehmend auf Fig. 11 ist eine Mikroskopaufnahme auf einen in einen Glaskörper 7 glasverpressten MCR 15 gezeigt, wobei eine teilweise pentagonale und teilweise hexagonale Verformung der Einzelfasern 154 des MCR 15 erkennbar ist. Die mittels der Heißeinpressung erreichte Verdichtung des Faserabstandes und gleichzeitige Verformung der Einzelfasern 154 führt zu einer weit verbesserten Fluiddichtigkeit, da die Kapillarwirkung zur Führung des Fluids 2 zwischen den Einzelfasern 154 des MCR 15 stark herabgesetzt ist. Mit anderen Worten sind die vormals vorhandenen Freiräume zwischen den Einzelfasern 154 des MCR 15 stark verkleinert und die Einzelfasern 154 haben ihre Form in Richtung einer höchstmöglichen Packungsdichte angenähert. Durch Einstellen der Heißverfahrensparameter kann das Anschmelzen der Faseraußenbereiche und somit die Packungsdichte der Einzelfasern 154 beeinflusst werden. Hiermit kann somit auch die Fluiddichtigkeit des MCR 15 und somit des Lichtdurchleitungsbauteils beeinflusst werden.
Beispielsweise kann ein Verhältnis der Einzel-Faserdurchmesser zu dem Kerndurchmesser - d.h. dem Durchmesser des MCR 15 - eingestellt werden im Bereich von 1/8 oder kleiner. Bei einem Kerndurchmesser des MCR 15 von 200 pm kann somit ein Einzel-Faserdurchmesser jeder Einzelfaser 154 im Bereich 10 bis 20 oder 25 pm gewählt werden, um eine möglichst hohe Signalintensität durchleiten zu können. Dabei sollte der zentrale Bereich des MCR 15 - das heißt der Bereich, der sicher mit dem Koppel-Lichtleiter 26, 28 überlappt, so groß sein, dass alle lateralen und Durchmesser-Toleranzen abgefangen werden können. Bei einem beispielsweise 200pm Durchmesser des Koppel-Lichtleiters 26, 28 (Kernbereich) kann ein Durchmesser des aktiven Bereichs des MCR von beispielsweise 280 pm bis typ. 320 pm gewählt werden, um ein optimales Signalverhältnis zu erhalten. Bei einem Durchmesser von 300 pm des MCR 15 in diesem Beispiel entsprechen dies einer Versatztoleranz von etwa 50 pm. bei einem Durchmesser des MCR 15 von 350 pm entsprächen dies etwa 100 pm Versatztoleranz.
Bezug nehmend auf Fig. 12 ist der Intensitätsverlauf der durch das Durchführungs- Koppelelement durchgeleiteten elektromagnetischen Strahlung für den Fall eines Lateralversatzes zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einem daran gekoppelten Koppel-Lichtleiter dargestellt. Im Falle des single core Bauteils als Durchführungs-Koppelelement ist mit Graph 42 ersichtlich, dass die Signalintensität bereits bei vergleichsweise geringem lateralem Versatz deutlich geringer wird. So ist beispielsweise im Graph 42 eines SCR bei einem lateralen Versatz von 20 pm ein Signalverlust von etwa 5% vorhanden, bei einem lateralen Versatz von 50 pm ist der Signalverlust bereits im Bereich von über 35%. Im Falle des MCR ist mit Graph 44 hingegen auch bei größerem Lateralversatz gezeigt, dass der Signalverlust gering bleibt. So ist bei einem Lateralversatz des MCR gegenüber dem Koppel-Lichtleiter von 20 pm der Signalverlust im Bereich von nur 2%, bei einem Lateralversatz von 50 pm bei nur 10% oder weniger.
Mit Fig. 13 sind Koppelverluste bei seitlichem Versatz zweier gleich großer miteinander in Kontakt angeordneter Kerne 15 gezeigt. Es handelt sich um eine relative Darstellung, d.h. der Versatz AX ist bezogen auf den Durchmesser D des Kerns 15 bzw. der Kerne. Bei einem beispielhaft gewählten Faserdurchmesser von 100 pm sowie einem beispielhaft gewählten Versatz von 20 pm entsteht somit ein relativer Versatz von 0,2. Bei einem relativen Versatz von 0,2 lässt sich aus Fig. 13 eine Effizienz von 75%, d.h. 25 % Verlust ablesen.
Fig. 14 stellt geometriebedingten Verluste quantitativ für den Fall dar, wenn ein MCR 15 auf eine runde Faser 27 gekoppelt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass die an der Übertragung beteiligten Fasern diejenigen sind, die von einem Kreis mit dem Faserdurchmesser eingehüllt sind bzw. angeschnitten werden. Beim Übergang der nicht mehr ideal runden Fläche auf den Faserkern geht ein Teil des Lichts der Randfasern verloren. Näherungsweise wird die Effizienz der Randlagenfasern mit 50 % angenommen, da die Überlappung quasi zufällig ist. Gemäß dieser Annahmen berechnet sich der Verlust aus dem halben Anteil der Randfasern an der Gesamtfaserzahl und ist somit allein vom Parameter Faseranzahl abhängig. Beispielhaft kann bei 200 Einzelkernen des Durchführungs-Koppelelements 15 im Koppelbereich der Verlust durch die Randfasern ca. 11 % betragen.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale, so dass Beschreibungen von Merkmalen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchen das Merkmal in der Beschreibung nicht beschrieben ist.
1 System mit Lichtdurchleitungsbauteil
2 Fluidvolumen
4 Wandung z.B. eines Behälters oder Rohres
5 Behälter
7 Glaskörper
10 Lichtdurchleitungsbauteil
11 Stützelement
12 Grundkörper
14 Flanschverbinder
14a Flanschverbinder
15 Durchführungs-Koppelelement
15b fluidabgewandte Stirnseite
152 Stirnseite
154 Einzelfaser des Durchführungs-Koppelelements
156 Ummantelung des Durchführungs-Koppelelements
16 Abdeckung, Schutzkappe
17 optisches Element
18 Flansch
20 Strahlteiler
22 ausfallende Strahlung
22a Bildinformation
24 einfallende Strahlung
25 Strahlungsereignis bzw. Impuls
25a zu beleuchtendes Objekt
26 Lichtleiter
27 Koppel-Lichtleiter
28 Lichtleiter
29 Lichtleiter-Aufnahme
30 Detektor oder Sensor
30a Sensorkopf 30b Kamera
32 Strahlungsquelle
42 Signalverlauf Multicore
44 Signalverlauf Single core 46 Signalverlauf Koppeleffizienz
48 Signalverlauf Faseranzahl

Claims

1 . Lichtdurchleitungsbauteil (10) insbesondere für einen Sensorkopf (60a) oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters (27), zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch eine Wandung (4), umfassend: ein Durchführungs-Koppelelement (15), welches zur Anordnung in einem Grundkörper (12) oder in einer Wandungsöffnung eingerichtet ist zum Einkoppeln und divergenzfreien Durchleiten der elektromagnetischen Strahlung durch das Durchführungs-Koppelelement, insbesondere durch die Wandung (4), wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) einen Multi Core Faserstab (MCR) umfasst oder daraus besteht und lageversatztolerant ausgebildet ist derart, dass ein seitlicher Lageversatz zwischen dem Durchführungs-Koppelelement (15) und einem damit gekoppelten Lichtleitungsbauteil wie einem Koppel-Lichtleiter von 10 pm oder mehr, bevorzugt 20 pm oder mehr, weiter bevorzugt 30 pm oder mehr in einem relativen Signalverlust von 10 % oder weniger, bevorzugt 7 % oder weniger, weiter bevorzugt 5 % oder weniger, oder auch von 3 % oder weniger resultiert.
2. Lichtdurchleitungsbauteil (10) insbesondere für einen Sensorkopf (60a) oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters (27), vorzugsweise nach Anspruch 1 , zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch eine Wandung (4), umfassend: ein Durchführungs-Koppelelement (15), welches zur Anordnung in einem Grundkörper (12) oder in einer Wandungsöffnung eingerichtet ist zum Einkoppeln und divergenzfreien Durchleiten der elektromagnetischen Strahlung durch das Durchführungs-Koppelelement (15), insbesondere durch die Wandung (4), wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) eine numerische Apertur von 0,21 oder größer, bevorzugt 0,25 oder größer, besonders bevorzugt 0,3 oder größer, weiter bevorzugt 0,4 oder größer aufweist.
3. Lichtdurchleitungsbauteil (10), insbesondere für einen Sensorkopf (60a) oder zur Anbindung eines Koppel-Lichtleiters (27), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Durchleitung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere durch eine Wandung (4), umfassend: einen in eine Flanschaufnahme (18) der Wandung (4) fluiddicht einsetzbaren oder damit fluiddicht lösbar verbindbaren Grundkörper (12), welcher eine Grundkörperdicke in einer Richtung senkrecht zur Wandung aufweist, ein in den Grundkörper eingesetztes Durchführungs-Koppelelement (15), welches in einer Grundkörperöffnung zu liegen kommt zum Einkoppeln und divergenzfreien Durchleiten des optischen Signals durch die Wandung, wobei das Durchführungs-Koppelelement eine Koppelelement-Länge in der Richtung senkrecht zur Wandung aufweist, und wobei die Grundkörperdicke identisch ist zur Koppelelement-Länge, so dass das in die Grundkörperöffnung eingesetzte Durchführungs-Koppelelement nicht über die Grundkörperdicke übersteht. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine optische Kupplung (29) zur Verbindung des Durchführungs-Koppelelements (15) mit einem Sensor (30), welcher insbesondere in dem Sensorkopf (30a) angeordnet ist, wobei der Sensor insbesondere außerhalb einer Wandung (4) angeordnet ist, und/oder wobei der Grundkörper (12) einen Flanschanschluss aufweist zum Anflanschen an einen an der Wandung (4) angeordneten Gegen-Flanschanschluss. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine transparente Abdeckung (16), insbesondere umfassend oder hergestellt aus Quarzglas oder Kunststoff, beispielsweise aus Glas, Quarz oder Saphir, und/oder umfassend die transparente Abdeckung (16), wobei die transparente Abdeckung in die Wandungsöffnung eingesetzt ist, und insbesondere bündig mit der Wandungsöffnung abschließt, und/oder umfassend die transparente Abdeckung (16), wobei die transparente Abdeckung mittels Druckeinglasung in die Wandungsöffnung eingesetzt ist, und/oder ferner umfassend ein Konverterelement (17), insbesondere als organischer oder keramischer Konverter. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) hergerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung in ein Fluidvolumen durchzuleiten oder aus dem Fluidvolumen in das Durchführungs-Koppelelement einzuleiten, und/oder wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) hergerichtet ist, für beide Durchführungsrichtungen eine ähnliche optische Dämpfung bereitzustellen, wobei das Durchführungs-Koppelelement insbesondere bidirektional ausgebildet ist, und/oder wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) breitbandig hergerichtet ist zum Durchlass elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, besonders gekennzeichnet dadurch, dass es ausgerüstet ist, einem Fluiddruck zu widerstehen, insbesondere einem Fluiddruck von 3 Bar oder mehr, bevorzugt 5 Bar oder mehr, und dabei eine Dichtigkeit zu gewährleisten, und/oder wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) ausgebildet ist, die Wandungsöffnung fluiddicht abzuschließen. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) lageversatztolerant ausgebildet ist derart, dass ein seitlicher Lageversatz zwischen dem Durchführungs-Koppelelement und einem damit gekoppelten Lichtleiter (27) von 10 pm oder mehr, bevorzugt 20 pm oder mehr, weiter bevorzugt 30 pm oder mehr in einem relativen Signalverlust von 10 % oder weniger, bevorzugt 7 % oder weniger, weiter bevorzugt 5 % oder weniger, oder auch von 3 % oder weniger resultiert. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) eine Flexible Einzelfaser, einen single core Lichtleitstab (SCR) oder einen Multi Core Faserstab (MCR) umfasst oder daraus besteht.
10. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die flexible Einzelfaser oder eine Einzelfaser des MCR eine Dicke von 40 pm oder weniger, bevorzugt von 30 pm oder weniger, weiter bevorzugt von 25 pm oder weniger aufweist.
11 . Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei der SCR oder der MCR einen Kernbestandteil aufweist, der beispielsweise optisches Glas umfasst, und wobei der Kernbestandteil insbesondere aus einem Glas-Komposite besteht, und/oder wobei der SCR oder der MCR einen Mantel bestandteil aufweist, beispielsweise mit einem Mantelglas,.
12. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei der SCR oder MCR eine numerische Apertur (NA) aufweist, welche größer ist als 0,3, vorzugsweise größer ist als 0,4, und/oder eine NA von 0,9 oder kleiner, bevorzugt 0,8 oder kleiner und/oder im Bereich zwischen 0,5 bis 0,6.
13. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der SCR oder MCR im Behälter- oder Rohr-Flansch eingepresst und/oder verklebt ist oder der Flansch auf diesen aufgeschrumpft ist oder mit einem niedrig schmelzenden Glaslot mit dem Flansch oder direkt mit der Behälterwandung oder dem Rohr-Flansch dicht verbunden ist.
14. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der MCR teilweise oder bereichsweise miteinander verschmolzene Fasern aufweist, und/oder wobei der MCR eine Faserplatte aufweist, und/oder wobei der MCR derart hergerichtet ist, eine Kapillarwirkung für das Fluidvolumen zu unterbinden. 15. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) eine dem Fluidvolumen zugewandte Stirnseite (152) aufweist, wobei die Stirnseite bündig mit der Wandung (4) oder dem Grundkörper (12) abschließt, wobei beispielsweise die Stirnseite mittels eines abrasiven Verfahrens abgetragen ist beziehungsweise poliert ist, und/oder wobei die Stirnseite eine Beschichtung, insbesondere eine Versiegelung, aufweist.
16. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Stützelement (11), insbesondere hergerichtet zur Anordnung an dem Durchführungs-Koppelelement (15), an dem Grundkörper (12) oder an der Wandung (4), insbesondere zum Abstützen des Durchführungs-
Koppelelements gegen Scherkräfte.
17. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine außenseitig an dem Lichtdurchleitungsbauteil angeordnete Kühleinrichtung.
18. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) eine konische Verbreiterung aufweist zur Verbesserung der Dichtigkeit, insbesondere orientiert nach außen.
19. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) eine abbildende Optik (17) umfasst, welche insbesondere in der Wandungsöffnung gemeinsam mit dem Durchführungs-Koppelelement eingesetzt ist.
20. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) an seinem Umfang metallisiert ausgerüstet ist zum Herstellen einer direkten metallischen Fügeverbindung zwischen Durchführungs-Koppelelement und Wandungsöffnung. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchführungs-Koppelelement (15) mittels Druckeinglasung in die Wandungsöffnung eingesetzt ist. Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein indexanpassendes Zwischenstück angeordnet in der optischen Kupplung (29) oder zwischen dem Durchführungs-Koppelelement (15) und einem daran angekuppelten Koppel-Lichtleiter (27). Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Richtung senkrecht zur Wandung (4) zwischen dem Durchführungs- Koppelelement (15) und einer Innenseite der Öffnung Lotglas eingesetzt ist zur Verbesserung der optischen Qualität. Verwendung des Lichtdurchleitungsbauteils (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Überwachung bzw. optischen Analyse eines Fluidvolumens in einem Behälter (4, 5) oder einer Rohrleitung (4) aus Aluminium, Metall wie ein Gussmetall, Edelstahl oder glasfaserverstärktem Kunststoff zur Lagerung von petrolchemischen, chemischen oder pharmazeutischen Substanzen oder von Lebensmitteln. Verwendung des Lichtdurchleitungsbauteils (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Überwachung bzw. optischen Analyse eines Fluidvolumens in Einweg-Behältern (5) aus Kunststoff insbesondere zur Anwendung bei medizinischen Geräten, beispielsweise in In-vitro-Diagnose-Systemen. Verwendung des Lichtdurchleitungsbauteils (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur störungsfreien Ereignisüberwachung eines Fluidvolumens und/oder zur Übertragung eines optischen Signals, wie insbesondere zur Bildübertragung aus einem Fluidvolumen oder zur Lichtleitung in das Fluidvolumen. 27. Wandungs-Messsystem (1) umfassend ein Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, eine Detektoreinrichtung (30), insbesondere als Detektorkopf (30a). 28. Durchführungs-Koppelelement (15) für ein Lichtdurchleitungsbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23.
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