EP4609174A1 - Anordnung und verfahren zur bestimmung der konzentration eines oder mehrerer stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen medium - Google Patents

Anordnung und verfahren zur bestimmung der konzentration eines oder mehrerer stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen medium

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EP4609174A1
EP4609174A1 EP23798885.2A EP23798885A EP4609174A1 EP 4609174 A1 EP4609174 A1 EP 4609174A1 EP 23798885 A EP23798885 A EP 23798885A EP 4609174 A1 EP4609174 A1 EP 4609174A1
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EP
European Patent Office
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measuring
chx
liquid
gaseous medium
chi
Prior art date
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Pending
Application number
EP23798885.2A
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Thorsten Graunke
Sebastian HETTENKOFER
Stephan Junger
Jens-Uwe Garbas
Ruslan Rybalko
Wladimir Tschekalinskij
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Definitions

  • Photoacoustic spectroscopy can also be used to determine the concentration of substances in a liquid or gaseous medium.
  • photoacoustic spectroscopy the specific light absorption at an absorption peak creates a pressure change or acoustic wave in the medium, which is recorded by a detector and converted into an electrical signal.
  • a microphone for example, can be used as a detector.
  • the recorded pressure change is a measure of the concentration of the corresponding material.
  • the measurements require an adjustment of the wavelength of the incident optical radiation to the material or materials to be measured. The required wavelength can be set, for example, with the help of a spectral filter or by using a tunable laser.
  • EP 3508836 B1 shows a photoacoustic gas sensor in which radiation from a broadband IR light source is passed through a bandpass filter into a measuring chamber containing the gas to be measured.
  • the optical bandpass filter only lets through a certain part of the light spectrum.
  • the central wavelength is adjusted to the absorption maximum of the gas to be detected.
  • temporal modulation of the IR light source up to 100 Hz, the absorption of the radiation in the gas creates a sound wave within the measuring chamber.
  • This sound wave is measured by a highly sensitive pressure sensor on the measuring chamber and is a measure of the concentration of the absorbing gas.
  • the gas sensor in this arrangement can only detect a gas with an absorption maximum at the corresponding filter wavelength.
  • the proposed arrangement is designed to determine the concentration of one or more substances, in particular pure substances, in a liquid or gaseous medium which have characteristic absorption peaks when illuminated with optical radiation.
  • the arrangement comprises at least one measuring chamber into which the liquid or gaseous medium can be introduced or through which the liquid or gaseous medium can flow, and a number of measuring channels, each of which is formed by a light source and one or more detectors assigned only to this light source.
  • the number of measuring channels corresponds at least to the number of a selection from the characteristic absorption peaks which is at least necessary for determining the concentration of the one or more substances in the liquid or gaseous medium.
  • Each measuring channel has at least one acoustic detector as the or one of the detectors and is designed in such a way that it detects an absorption of optical radiation in the liquid or gaseous medium in the measuring chamber for one of the characteristic absorption peaks of the selection.
  • the light source of this measuring channel is selected so that it emits narrow-band radiation at a wavelength that corresponds to the wavelength of the respective absorption peak.
  • Narrow-band means that the bandwidth of the emitted radiation is small enough to detect only one of the characteristic absorption peaks of the substances in the liquid or gaseous medium.
  • the bandwidth of the emitted radiation of the respective light source is preferably ⁇ 300 nm, particularly preferably ⁇ 100 nm.
  • Each measuring channel is designed to measure a different characteristic absorption peak of the selection made.
  • a heating element e.g. MOX, TCD, pellistor
  • these are arranged inside the measuring chamber, as in the case of a microphone or pressure sensor, but can also be arranged outside the measuring chamber, as for example in the case of a photodetector.
  • a photodetector can of course also be arranged inside the measuring chamber.
  • the measuring chamber itself must be designed to be permeable to the optical radiation at least at the corresponding coupling or decoupling points.
  • At least one of the light emitters of the measuring channels is formed by a heating element, i.e. a heater, which Radiation is emitted in the IR range.
  • this radiant heater is simultaneously used as a thermal conductivity sensor by recording its electrical resistance change in the respective measuring channel.
  • the measuring channel has a diffusion opening at the corresponding point in the area of this light emitter, through which a small part of the medium flowing through the measuring chamber is diffused out and guided over the light emitter.
  • the diffusion opening can also be implemented using an optical filter if this is designed accordingly, for example as a plasmonic filter. This means that CO2 or hydrogen, for example, can be detected with this light emitter.
  • another sensor can be arranged close to the light emitter designed as a radiant heater, for example to form a MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor, which is then heated via the light emitter and therefore does not require its own heating element.
  • the medium flows over this additional sensor, so that CO2 or hydrogen, for example, can be detected.
  • a heater is used as a light emitter and at the same time as a thermal conductivity sensor or in conjunction with an additional MOX sensor, thermal conductivity sensor or heat tone sensor, can also be used independently of the existing arrangement as a measuring device, which for example only has one light source or also an arrangement of several light sources or measuring channels that share a common detector.
  • the proposed arrangement is designed in such a way that the number and light sources of the individual measuring channels are adapted to the selection of absorption peaks of the substances to be measured.
  • the liquid or gaseous medium is then introduced into the measuring chamber or sucked or pumped through the measuring chamber.
  • the detectors of the measuring channels are used to measure the absorption at the corresponding wavelength or the respective characteristic absorption peak in order to derive the concentration of the corresponding substances.
  • a temporally serial measurement is preferably carried out in which the individual measuring channels are operated at different times so that only one measuring channel is active at a time, i.e. only the light source of this one measuring channel is switched on at a time.
  • the light sources of the individual measuring channels are modulated at different frequencies in order to generate acoustic waves with different frequencies that do not interfere with one another. This also prevents mutual interference between the individual measuring channels when they are operated simultaneously.
  • Fig. 1 shows an example of characteristic absorption peaks of EtOH and ethyl acetate
  • Fig. 3 shows a first example of an embodiment of the proposed arrangement
  • the proposed arrangement uses the fact that individual substances have one or more characteristic optical absorption peaks (so-called fingerprints) to determine individual substances in a liquid or gaseous medium, by means of which they can be clearly identified and by means of which their concentration in a medium can be determined.
  • Figure 1 shows an example of characteristic absorption peaks of EtOH (ethanol) and ethyl acetate. The left-hand part of the figure shows the characteristic absorption peaks of ethanol, and the right-hand part shows the characteristic absorption peaks of ethyl acetate. shown. To differentiate between these two substances, a measurement at three different wavelengths is sufficient, namely at 3.4 pm, 8 pm and 9.4 pm.
  • Figure 2 shows another example of characteristic absorption peaks of CO (carbon monoxide) and CO2 (carbon dioxide).
  • CO carbon monoxide
  • CO2 carbon dioxide
  • FIG. 2 shows another example of characteristic absorption peaks of CO (carbon monoxide) and CO2 (carbon dioxide).
  • CO carbon monoxide
  • CO2 carbon dioxide
  • FIG. 2 shows another example of characteristic absorption peaks of CO (carbon monoxide) and CO2 (carbon dioxide).
  • CO carbon monoxide
  • CO2 carbon dioxide
  • FIG. 3 shows an example of a possible design of the proposed arrangement.
  • the Measuring chamber 5 is tubular.
  • the individual measuring channels (Chi, ... Chx) are arranged next to one another along the measuring chamber.
  • each measuring channel (Chi, ... Chx) is formed by a light source (1 (1), ... 1 (x)) and a detector unit (2 (1) ... 2 (x)).
  • Each light source (1 (1), ... 1 (x)) is designed for a specific wavelength that corresponds to the wavelength of a characteristic absorption peak of the substance to be determined.
  • the individual light sources (1 (1), ... 1 (x)) can each be formed by a narrow-band light source (e.g. laser diode, LED) or a broadband light source with one or more upstream optical filters.
  • the light sources (1 (1) , ... 1 (x) ) of the measuring channels (Chi, ... Chx) can be designed in different ways.
  • Figure 4 shows an example of a specially designed measuring channel, which in turn is designed for a certain wavelength.
  • a heating element 10 is used as a broadband IR light emitter.
  • This heating element 10 is combined with an optical filter 11, which only allows optical radiation at the corresponding wavelength to pass through.
  • the heating element 10 is also used as a detector.
  • diffusion of the medium flowing through the measuring chamber 5 is made possible via corresponding diffusion openings 12 on the measuring chamber 5 over the heating element 10.
  • this can be used as a thermal conductivity detector in order to detect, for example, CO2 or hydrogen.
  • the heating element 10 thus serves both as an IR emitter and as a thermal conductivity detector.
  • An optical absorption detector 7 (1) is opposite the heating element 10 on the measuring chamber 5.
  • a microphone 8 (1) is arranged inside the measuring chamber 5 close to the point at which absorption takes place in order to carry out a PAS measurement in addition to the optical absorption measurement.
  • Figure 5 shows an alternative embodiment to Figure 4, in which the heating element 10 is not used as an additional detector, but rather a further sensor 10a next to or below the heating element 10.
  • This additional sensor 10a can be, for example, a MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor (each without its own heating element), which is heated by the heating element 10 used as an IR emitter.
  • the medium emerging via the diffusion opening 12 flows thus via this additional sensor 10a to detect, for example, CO2 or hydrogen.
  • Figure 6 shows a further exemplary embodiment of the proposed arrangement, in which the measuring chamber is again tubular and the individual measuring channels (Chi, ... Chx) are arranged along this measuring chamber.
  • the medium is sucked through the measuring chamber via a pump 6.
  • the individual measuring channels (Chi, ... Chx) each have a corresponding light source, an opposite optical absorption detector (7 (1), ... 7 (x)) and a microphone (8 (1), ... 8 (x)) as a PAS detector and are arranged along the horizontally arranged measuring chamber.
  • the measuring chamber itself can also have tubular attachments specially designed for the measurement, as shown in the example in Figure 7. These attachments along the tubular measuring chamber form separate measuring volumes, on each of which the measuring channels are arranged.
  • the medium is again preferably sucked in from a reservoir via a pump.
  • the concentration equalization in the individual attachments takes place via diffusion through a membrane and/or a filter (9(1) ... 9(x)).
  • a gas-selective membrane or a gas-selective filter for example made of thermoplastic polycondensate, such as PEEK, PEI, or of a fluoropolymer, such as FEP, ECTFE or PFA, can also be integrated into the respective attachment in order to increase the selectivity of the measurement.
  • Such a membrane or a filter can also be attached to the Diffusion openings 12 of the embodiments of Figures 4 and 5 can be used.
  • the membrane or filter can then be used - in the case of a gaseous medium - for pre-separation in the gas phase, or - in the case of a liquid medium - to measure gas dissolved in the liquid.
  • the individual measuring channels in turn each have a light source and one or more detectors, as was already apparent from the previous embodiments.
  • the individual measuring channels are therefore operated one after the other, so that at a certain point in time (t(l), ... t(x)) only one measuring channel is active at a time, i.e. only one light source is switched on at a time.
  • t(l), ... t(x) only one measuring channel is active at a time, i.e. only one light source is switched on at a time.
  • the individual measuring channels can be operated in any order.
  • the light sources of the individual measuring channels can also be modulated with different frequencies (f (l) , ... f (n) ).
  • f (l) f (l)
  • ... f (n) f (n)
  • This enables the simultaneous operation of all measuring channels, so that all measuring channels are active at any one time, since acoustic waves with different frequencies do not interfere with each other.
  • Figure 9 for two measuring channels Chi, Ch2, which in the right-hand part of the figure schematically show the Modulation signals for the light sources of the two channels Chi, Ch2 are shown.
  • the acoustic waves induced thereby do not interfere with one another, since they are modulated differently.
  • the interfering signal of the other channel can be filtered out at each of the detectors 8 (19, 8 (2). This mode of operation can also be combined with the mode of operation in Figure 8.
  • each measuring channel also has two photodetectors 7 for each light source 1. Only the absorption detector on the opposite side requires direct irradiation and must therefore be arranged opposite the light source 1. The second detector measuring in reflection can be arranged next to the light source 1 on the same side of the measuring chamber or measuring volume, as shown schematically in the two partial images.
  • Figure 11 shows an exemplary embodiment of the proposed arrangement in which the PAS detector ( 14 ( 1 ) ... 14 (x ) ) (pressure sensor, e.g. microphone) is arranged outside the measuring chamber, but is acoustically coupled to it.
  • the narrow-band light source ( 13 ( 1 ) ... 13 (x ) ) in this example also has a optical system, for example a collimating lens, as shown schematically in the figure.
  • the medium to be measured is again sucked from a reservoir via a pump.
  • an array of micro heaters (16(1) ... 16(x)) is located on one side of the wafer 15.
  • an MOX sensor, a thermal conductivity sensor or a heat tone sensor can be integrated as an additional sensor 17.
  • These sensors 17(1) ... 17(x) can be of the same type. However, different sensor principles or heaters without an additional sensor can also be combined.
  • the heater 16 radiates broadband through the wafer 15 in the direction of the optical filters 18.
  • the functional principle of the front side of this implementation has already been described in DE 10 2021 108 745 Al in conjunction with Figure 4 of this patent publication. New are the additional 17 sensors on the back. Reference symbol list

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Abstract

Eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium weist eine Messkammer (5) auf, in die das Medium einbringbar oder durch die das Medium durchströmbar ist, sowie eine Anzahl an Messkanälen (Ch1,... Chx), die jeweils durch eine Lichtquelle (1 (1),... 1 (x) ) und einen oder mehrere nur dieser Lichtquelle zugeordneten Detektoren (7 (1),... 7 (x), 8 (1),... 8 (x) ) gebildet sind. Die Anzahl der Messkanäle (Ch1,... Chx) entspricht wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus charakteristischen Absorptionspeaks, die für eine Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe wenigstens erforderlich ist. Jeder Messkanal (Ch1,... Chx) weist wenigstens einen akustischen Detektor (8 (1),... 8 (x) ) auf und ist so ausgebildet, dass er eine Absorption optischer Strahlung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium in der Messkammer (5) für einen anderen charakteristischen Absorptionspeak der Auswahl misst, indem die Lichtquelle (1 (1),... 1 (x) ) dieses Messkanals schmalbandige Strahlung emittiert, die einer Wellenlänge des jeweiligen Absorptionspeaks entspricht. Die Anordnung ermöglicht eine selektive Analyse auch komplexer Proben im sub-ppb-Bereich, lässt sich kostengünstig realisieren und modular an die entsprechende Anwendung anpassen.

Description

Anordnung und Verfahren zur Bestimmung der
Konzentration eines oder mehrerer Stof fe in einem flüssigen oder gas förmigen Medium
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stof fe in einem flüssigen oder gas förmigen Medium, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen . Die Erfindung betri f ft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration mit einer derartigen Anordnung .
Die Analyse flüssiger oder gas förmiger Medien hinsichtlich der Konzentration einzelner Stof fe in diesen Medien spielt in vielen technischen und naturwissenschaftlichen Anwendungen eine wichtige Rolle . So haben viele Stof fe charakteristische optische Absorptionspeaks , die einen Fingerprint des j eweiligen Stof fes bilden, so dass sich die Stof fe beispielsweise mittels optischer Absorptionsspektroskopie eindeutig identi fi zieren bzw . bestimmen lassen . Auch die photoakustische Spektroskopie ist zur Bestimmung der Konzentration von Stof fen in einem flüssigen oder gas förmigen Medium einsetzbar . Bei der photoakustischen Spektroskopie entsteht durch die spezi fische Lichtabsorption bei einem Absorptionspeak eine Druckänderung bzw . akustische Welle im Medium, die mit einem Detektor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird . Als Detektor kann beispielsweise ein Mikrofon eingesetzt werden . Die erfasste Druckänderung ist ein Maß für die Konzentration des entsprechenden Stof fes . Die Messungen erfordern j edoch j eweils eine Anpassung der Wellenlänge der eingestrahlten optischen Strahlung an den zu vermessenden Stof f bzw . die zu vermessenden Stof fe . Die erforderliche Wellenlänge kann hierzu beispielsweise mit Hil fe eines spektralen Filters oder durch Einsatz eines durchstimmbaren Lasers eingestellt werden .
Stand der Technik
So zeigt beispielsweise die EP 3508836 Bl einen photoakustischen Gassensor, bei dem Strahlung einer breitbandigen IR-Lichtquelle durch einen Bandpass filter in eine Messkammer mit dem zu vermessenden Gas geleitet wird . Der optische Bandpass filter lässt nur einen bestimmten Teil des Lichtspektrums durch . Die Zentralwellenlänge ist auf das Absorptionsmaximum des nachzuweisenden Gases angepasst . Durch zeitliche Modulation der IR-Lichtquelle bis zu 100 Hz entsteht innerhalb der Messkammer durch die Absorption der Strahlung im Gas eine Schallwelle , die über einen hochempfindlichen Drucksensor an der Messkammer gemessen wird und ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases ist . Allerdings kann mit dem Gassensor dieser Anordnung nur ein Gas mit Absorptionsmaximum bei der entsprechenden Filterwellenlänge nachgewiesen werden .
Aus der DE 102021108745 Al ist eine Anordnung zur multispektralen Lichtemission sowie ein damit ausgestatteter Multispektralsensor bekannt , mit denen eine einfache und schnelle Anpassung bzw . Änderung der emittierten Wellenlängen ermöglicht wird . Diese Anordnung weist eine breitbandige Lichtquelle in Verbindung mit einem Filterarray aus mehreren spektralen Filtern und einer Schalteinrichtung zur Steuerung des Durchgangs des von der Lichtquelle emittierten Lichts durch einzelne Filter dieses Filterarrays auf . Dies ermöglicht eine Anpassung oder Variation der Wellenlänge oder spektralen Verteilung der emittierten optischen Strahlung entsprechend der Anzahl und Charakteristiken der unterschiedlichen Filter des Filterarrays . Damit lässt sich die spektrale Verteilung des emittierten Lichts für die j eweilige Anwendung anpassen, beispielsweise auch an charakteristische Absorptionspeaks bei der optischen Absorptionsspektroskopie oder der photoakustischen Spektroskopie zur Bestimmung der Konzentration von Stof fen in einem Medium . Die Anordnung weist dabei eine oder mehrere breitbandige Lichtquellen, ein Filterarray, eine Schalteinrichtung sowie einen gemeinsamen Detektor auf .
Gerade für die selektive Analyse komplexer Proben im sub-ppb-Bereich müssen viele Stof fe in einem flüssigen oder gas förmigen Medium mit hoher Sensitivität hinsichtlich ihrer Konzentration bestimmt werden . Dies soll möglichst kostengünstig erfolgen . Ein Beispiel stellt die Weinaroma-Analyse dar, bei der eine Viel zahl von Aromastof fen im Wein bestimmt werden soll . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stof fe in einem flüssigen oder gas förmigen Medium anzugeben, die sich kostengünstig realisieren und an die j eweilige Anwendung anpassen lassen .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Anordnung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Aus führungsbeispielen entnehmen .
Die vorgeschlagene Anordnung ist zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stof fe , insbesondere von Reinstof fen, in einem flüssigen oder gas förmigen Medium ausgebildet , die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen . Die Anordnung umfasst wenigstens eine Messkammer, in die das flüssige oder gas förmige Medium einbringbar ist oder die durch das flüssige oder gas förmige Medium durchströmbar ist , und eine Anzahl an Messkanälen, die j eweils durch eine Lichtquelle und einen oder mehrere nur dieser Lichtquelle zugeordneten Detektoren gebildet sind . Die Anzahl der Messkanäle entspricht dabei wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks , die für die Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stof fe in dem flüssigen oder gas förmigen Medium wenigstens erforderlich ist . Hierbei wird ausgenutzt , dass für die eindeutige Identi fikation und Bestimmung der Konzentration eines Stof fes in vielen Fällen nicht alle charakteristischen Absorptionspeaks dieses Stof fes vermessen werden müssen, sondern die Vermessung einer geringeren Anzahl an Absorptionspeaks , also einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks , ausreichend ist . Jeder Messkanal weist wenigstens einen akustischen Detektor als den oder einen der Detektoren auf und ist dabei so ausgebildet , dass er eine Absorption optischer Strahlung in dem flüssigen oder gas förmigen Medium in der Messkammer für einen der charakteristischen Absorptionspeaks der Auswahl misst . Hierzu ist die Lichtquelle dieses Messkanals so gewählt , dass sie schmalbandige Strahlung bei einer Wellenlänge emittiert , die der Wellenlänge des j eweiligen Absorptionspeaks entspricht . Unter schmalbandig ist dabei zu verstehen, dass die Bandbreite der emittierten Strahlung klein genug ist , um j eweils nur einen der charakteristischen Absorptionspeaks der Stof fe in dem flüssigen oder gas förmigen Medium zu erfassen . Die Bandbreite der emittierten Strahlung der j eweiligen Lichtquelle liegt dabei vorzugsweise bei < 300 nm, besonders bevorzugt bei < 100 nm . Jeder Messkanal ist dabei für die Vermessung eines anderen charakteristischen Absorptionspeaks der getrof fenen Auswahl ausgebildet .
Unter der Lichtquelle ist in der vorliegenden Patentanmeldung eine lichtemittierende Einheit zu verstehen, welche schmalbandige optische Strahlung bei der entsprechenden Wellenlänge emittiert . Hierbei kann es sich um einen einzelnen Lichtemitter handeln, beispielsweise eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode ( LED) , der direkt die schmalbandige Strahlung emittiert . Die Lichtquelle kann j edoch auch durch einen breitbandig emittierenden Lichtemitter mit einem oder mehreren vorgeschalteten spektralen Filtern gebildet sein, wobei der oder die Filter dann den entsprechenden schmalbandigen Durchlassbereich bei der gewünschten Wellenlänge aufweisen . Auch zusätzliche optische Elemente , beispielsweise Linsen oder optische Fasern, können Bestandteil der Lichtquelle sein .
Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der
Anordnung lässt sich diese in einfacher Weise an die j eweilige Messaufgabe anpassen, d . h . für die in dem flüssigen oder gas förmigen Medium zu bestimmenden Stof fe speziell ausgestalten, indem j eweils die erforderliche Anzahl und Emissionswellenlänge der Messkanäle gewählt wird . Dieses modulare Prinzip und die Unabhängigkeit der einzelnen Messkanäle ermöglichen einen kostengünstigen und einfachen Aufbau . Mit der Anordnung lassen sich auch komplexere Proben kostengünstig vermessen, beispielsweise bei der Weinaroma- Analyse .
Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist j eder Messkanal auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt . Pro Messkanal können dabei nur ein akustischer Detektor für photoakustische Spektroskopie oder auch mehrere Detektoren mit unterschiedlichem Messprinzip verwendet werden . Besonders bevorzugt wird eine Kombination aus photoakustischer Spektroskopie ( PAS ) und Absorptionsspektroskopie bei der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzt . Prinzipiell können zusätzlich zu den akustischen Detektoren, insbesondere Druckdetektoren bzw . Mikrofonen, unterschiedliche Arten von Detektoren in den Messkanälen verwendet werden, beispielsweise Mikrobolometer, pyroelektrische Detektoren, resistive Detektoren (MOX ) , Wärmeleitfähigkeitsdetektoren (WLD) , Wärmetönungsdetektoren oder Photodetektoren . Die Detektoren können dabei , j e nach Lichtquelle und Detektor, auch in der Lichtquelle oder im Lichtemitter integriert sein . Dies gilt vor allem für Arten von Detektoren, bei denen ein Hei zelement benötigt wird ( z . B . MOX, WLD, Pellistor ) . Je nach Detektor werden diese innerhalb der Messkammer angeordnet , wie im Falle eines Mikrofons bzw . Drucksensors , können aber auch außerhalb der Messkammer angeordnet sein, wie beispielsweise bei einem Photodetektor . Ein Photodetektor kann natürlich auch innerhalb der Messkammer angeordnet werden . Die Messkammer selbst muss wenigstens an den entsprechenden Einkoppel- oder Auskoppelstellen der optischen Strahlung für diese Strahlung durchlässig ausgebildet sein .
In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Messkammer rohrförmig ausgebildet und mit einer Pumpe verbunden, über die das zu vermessende flüssige oder gas förmige Medium durch die Messkammer gesaugt oder gepumpt wird . Entlang der rohrförmigen Messkammer sind dann nebeneinander die entsprechenden Messkanäle angeordnet . In einer besonderen Ausgestaltung weist die rohrförmige Messkammer, die auch einen nichtkreis förmigen, beispielsweise rechteckigen, Querschnitt aufweisen kann, entlang ihrer Längserstreckung mehrere rohrförmige Ansätze auf , die sich j eweils quer zur Längsachse der Messkammer erstrecken und in die das zu vermessende Medium beim Durchströmen der Messkammer di f fundiert . Auch bei einer nicht rohrförmig ausgebildeten Messkammer sind derartige Ansätze möglich, die j eweils getrennte Messvolumina bilden . Die Messkanäle sind dann j eweils an diesen Ansätzen angeordnet , wie dies in einem späteren Aus führungsbeispiel näher dargestellt ist . Am Übergang in diese Ansätze kann auch eine Membran oder ein Filter vorhanden sein, der nur bestimmte Stof fe in die Ansätze di f fundieren lässt . Hierdurch lässt sich eine Vortrennung der Stof fe realisieren .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird wenigstens einer der Lichtemitter der Messkanäle durch ein Hei zelement , also einen Hei zstrahler gebildet , der Strahlung im IR-Bereich emittiert . In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird dieser Hei zstrahler gleichzeitig als Wärmeleitfähigkeitssensor genutzt , indem seine elektrische Widerstandsänderung im j eweiligen Messkanal erfasst wird . Der Messkanal weist dabei an der entsprechenden Stelle im Bereich dieses Lichtemitters eine Di f fusionsöf fnung auf , über die ein kleiner Teil des durch die Messkammer strömenden Mediums ausdi f fundiert und über den Lichtemitter geführt wird . Die Di f fusionsöf fnung kann auch durch einen optischen Filter realisiert werden, falls dieser entsprechend, beispielsweise als plasmonischer Filter, ausgebildet ist . Hiermit lassen sich mit diesem Lichtemitter beispielsweise CO2 oder Wasserstof f detektieren . Alternativ kann nahe dem als Hei zstrahler ausgebildeten Lichtemitter auch ein weiterer Sensor, beispielsweise zur Bildung eines MOX-Sensors , eines Wärmeleitfähigkeitssensors oder eines Wärmetönungssensors angeordnet sein, der dann über den Lichtemitter behei zt wird, also kein eigenes Hei zelement benötigt . In diesem Fall strömt dann das Medium über diesen zusätzlichen Sensor, so dass damit wiederum beispielsweise CO2 oder Wasserstof f detektiert werden können .
Die oben beschriebene Ausgestaltung, bei der als Lichtemitter ein Hei zstrahler eingesetzt und gleichzeitig als Wärmeleitfähigkeitssensor oder in Verbindung mit einem zusätzlichen MOX-Sensor, Wärmeleitfähigkeitssensor oder Wärmetönungssensor genutzt wird, lässt sich auch unabhängig von der vorliegenden Anordnung als Messeinrichtung einsetzen, die bspw . nur eine Lichtquelle oder auch eine Anordnung aus mehreren Lichtquellen bzw . Messkanälen umfasst , die sich einen gemeinsamen Detektor teilen .
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird die vorgeschlagene Anordnung so ausgebildet , dass die einzelnen Messkanäle hinsichtlich der Anzahl und der Lichtquellen an die Auswahl an Absorptionspeaks der zu vermessenden Stof fe angepasst sind . Das flüssige oder gas förmige Medium wird dann in die Messkammer eingebracht oder durch die Messkammer gesaugt oder gepumpt . Mit den Detektoren der Messkanäle wird j eweils die Absorption bei der entsprechenden Wellenlänge bzw . dem j eweiligen charakteristischen Absorptionspeak gemessen, um daraus die Konzentration der entsprechenden Stof fe abzuleiten . Um eine gegenseitige Störung der einzelnen Messkanäle zu vermeiden, wird vorzugsweise eine zeitlich serielle Messung durchgeführt , bei der die einzelnen Messkanäle zu unterschiedlichen Zeiten betrieben werden, so dass j eweils immer nur ein Messkanal aktiv ist , also j eweils nur die Lichtquelle dieses einen Messkanals eingeschaltet ist . In einer anderen Ausgestaltung werden die Lichtquellen der einzelnen Messkanäle mit unterschiedlicher Frequenz moduliert , um akustische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen, die nicht miteinander interferieren . Dadurch wird auch eine gegenseitige Störung der einzelnen Messkanäle vermieden, wenn diese gleichzeitig betrieben werden .
Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren lassen sich in vielen Anwendungsbereichen, beispielsweise in der Medi zin, im Umweltbereich, in der Verfahrenstechnik und der zivilen Sicherheit einsetzen . Dies umfasst beispielsweise die Analyse industrieller Prozesse und Parameter ( Prozessmonitoring) , die Qualitätssicherung, die Brandfrüherkennung, die Aroma- Analyse , die Detektion von Fehlgerüchen, die Atemgas- Analyse , Sicherheitsapplikationen, Umwelt-Analysen, eine Anwendung als elektronische Nase oder elektronische Zunge . Dies ist selbstverständlich keine abschließende Auf zählung .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen :
Fig . 1 ein Beispiel für charakteristische Absorptionspeaks von EtOH und Ethylacetat ;
Fig . 2 ein Beispiel für charakteristische Absorptionspeaks von CO und CO2 ;
Fig . 3 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung;
Fig . 4 ein Beispiel für eine besondere Ausgestaltung eines Messkanals ;
Fig . 5 ein weiteres Beispiel für eine besondere Ausgestaltung eines Messkanals ;
Fig . 6 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung;
Fig . 7 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; Fig . 8 eine schematische Darstellung einer zeitversetzten Betriebsweise der einzelnen Messkanäle bei einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung;
Fig . 9 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung unterschiedlicher Messkanäle mit unterschiedlicher Frequenz ;
Fig . 10 zwei weitere Beispiele für die Ausgestaltung eines Messkanals ;
Fig . 11 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung; und
Fig . 12 eine beispielhafte Realisierung der Lichtquellen sowie des weiteren Sensors bei der Ausgestaltung der Figur 5 .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei der vorgeschlagenen Anordnung wird zur Bestimmung einzelner Stof fe in einem flüssigen oder gas förmigen Medium ausgenutzt , dass die einzelnen Stof fe einen oder mehrere charakteristische optische Absorptionspeaks aufweisen ( sogenannter Fingerprint ) , über die sie eindeutig identi fi zierbar und über die auch ihre Konzentration in einem Medium bestimmt werden kann . Figur 1 zeigt hierzu ein Beispiel für charakteristische Absorptionspeaks von EtOH (Ethanol ) und Ethylacetat . In der linken Teilabbildung sind hierbei die charakteristischen Absorptionspeaks von Ethanol , in der rechten Teilabbildung die charakteristischen Absorptionspeaks von Ethylacetat dargestellt. Für die Unterscheidung dieser beiden Stoffe ist eine Messung bei drei unterschiedlichen Wellenlängen ausreichend, nämlich bei 3,4 pm, bei 8 pm und bei 9,4 pm. Bei der vorgeschlagenen Anordnung lassen sich die Konzentrationen dieser beiden Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium daher mit drei Messkanälen bestimmen, die jeweils eine schmalbandige Lichtquelle mit einer zentralen Wellenlänge von 3,4 pm, 8 pm und 9,4 pm aufweisen. Uber die mit dem Detektor des jeweiligen Messkanals erfasste Absorptionsstärke und das Verhältnis dieser Absorptionsstärke bei den drei Wellenlängen lassen sich dann die Konzentrationen der beiden Stoffe bestimmen. Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren setzen dabei voraus, dass die einzelnen charakteristischen Absorptionspeaks der zu bestimmenden Stoffe bekannt sind .
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel charakteristischer Absorptionspeaks von CO (Kohlenmonoxid) und CO2 (Kohlendioxid) . Wie aus der linken Teilabbildung ersichtlich ist, weist CO einen charakteristischen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 4,5 pm auf. Aus der rechten Teilabbildung ist ersichtlich, dass CO2 einen charakteristischen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 4,2 pm aufweist. Für die Unterscheidung und Bestimmung der Konzentration dieser beiden Stoffe ist daher die Messung bei zwei Wellenlängen (4,5 pm und 4,2 pm) ausreichend. Hierzu weist die vorgeschlagene Anordnung entsprechend nur zwei Messkanäle für diese beiden Wellenlängen auf.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung. Die Messkammer 5 ist hierbei rohrförmig ausgebildet. Entlang der Messkammer sind jeweils die einzelnen Messkanäle (Chi, ... Chx) nebeneinander angeordnet. Jeder Messkanal (Chi, ... Chx) ist in diesem Beispiel durch eine Lichtquelle (1 (1) , ... 1 (x) ) und eine Detektoreinheit (2 (1) ... 2 (x) ) gebildet. Jede Lichtquelle (1 (1) , ... 1 (x) ) ist auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt, die der Wellenlänge eines charakteristischen Absorptionspeaks des zu bestimmenden Stoffes entspricht. Die einzelnen Lichtquellen (1 (1) , ... 1 (x) ) können jeweils durch eine schmalbandige Lichtquelle (z.B. Laserdiode, LED) oder eine breitbandige Lichtquelle mit einem oder mehreren vorgeschalteten optischen Filter (n) gebildet sein. Die Detektoreinheit (2 (1) ... 2 (x) ) kann einen oder mehrere Detektoren umfassen. Als Detektor oder einer der Detektoren wird ein PAS-Detektor verwendet. Bei mehreren Detektoren pro Messkanal kann auch zusätzlich ein optischer Absorptionsdetektor eingesetzt werden. Die einzelnen Messkanäle (Chi, ... Chx) können modular nebeneinander angeordnet werden. Die durch die Messkammer 5 geleiteten Medien werden in dem jeweiligen Messkanal nicht umgesetzt. Die Detektoren können - je nach Messprinzip - innerhalb und/oder außerhalb der Messkammer 5 angeordnet sein. Bei der Messung wird die Probe über eine Pumpe 6 durch die Messkammer hindurch mit einem Entnahmesystem 4 aus einem Probenreservoir 3 angesaugt. Während die Probe die Messkammer 5 durchströmt, erfolgt die Messung mit den einzelnen Messkanälen .
Die Lichtquellen (1 (1) , ... 1 (x) ) der Messkanäle (Chi, ... Chx) können in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. Figur 4 zeigt ein Beispiel für einen besonders ausgestalteten Messkanal, der wiederum auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt ist. In diesem Beispiel wird ein Heizelement 10 als breitbandiger IR- Lichtemitter eingesetzt. Dieses Heizelement 10 wird mit einem optischen Filter 11 kombiniert, der nur optische Strahlung bei der entsprechenden Wellenlänge durchlässt. In diesem Beispiel wird das Heizelement 10 zusätzlich als Detektor eingesetzt. Hierzu wird eine Diffusion des durch die Messkammer 5 strömenden Mediums über entsprechende Diffusionsöffnungen 12 an der Messkammer 5 über das Heizelement 10 ermöglicht. Über eine Widerstandsmessung am Heizelement 10 kann dieses als Wärmeleitfähigkeitsdetektor eingesetzt werden, um beispielsweise CO2 oder Wasserstoff zu detektieren. Das Heizelement 10 dient damit sowohl als IR-Emitter als auch als Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Ein optischer Absorptionsdetektor 7 (1) steht dem Heizelement 10 an der Messkammer 5 gegenüber. Weiterhin ist ein Mikrofon 8 (1) innerhalb der Messkammer 5 nahe der Stelle angeordnet, an der eine Absorption stattfindet, um neben der optischen Absorptionsmessung auch eine PAS- Messung durchzuführen.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung zu Figur 4, bei der nicht das Heizelement 10 als zusätzlicher Detektor eingesetzt wird, sondern ein weiterer Sensor 10a neben oder unter dem Heizelement 10. Dieser zusätzliche Sensor 10a kann beispielsweise ein MOX-Sensor, ein Wärmeleitfähigkeitssensor oder ein Wärmetönungssensor (jeweils ohne eigenes Heizelement) sein, der über das als IR-Emitter eingesetzte Heizelement 10 beheizt wird. In diesem Beispiel strömt das über die Diffusionsöffnung 12 austretende Medium somit über diesen zusätzlichen Sensor 10a, um damit beispielsweise CO2 oder Wasserstoff zu detektieren.
Figur 6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung, bei der die Messkammer wiederum rohrförmig ausgebildet ist und die einzelnen Messkanäle (Chi, ... Chx) entlang dieser Messkammer angeordnet sind. Auch hier wird das Medium wiederum über eine Pumpe 6 durch die Messkammer hindurch angesaugt. Die einzelnen Messkanäle (Chi, ... Chx) weisen in diesem Beispiel jeweils eine entsprechende Lichtquelle, einen gegenüberliegenden optischen Absorptionsdetektor (7 (1) , ... 7 (x) ) und ein Mikrofon (8 (1) , ... 8 (x) ) als PAS-Detektor auf und sind entlang der horizontal angeordneten Messkammer angeordnet .
Die Messkammer selbst kann auch spezielle für die Messung ausgebildete rohrförmige Ansätze aufweisen, wie dies im Beispiel der Figur 7 dargestellt ist. Diese Ansätze entlang der rohrförmigen Messkammer bilden getrennte Messvolumina, an denen jeweils die Messkanäle angeordnet sind. Das Medium wird dabei wiederum vorzugsweise über eine Pumpe aus einem Reservoir angesaugt. Der Konzentrationsausgleich in den einzelnen Ansätzen erfolgt über Diffusion durch eine Membran und/oder einen Filter (9(1) ... 9 (x) ) . Optional kann zusätzlich eine gasselektive Membran oder ein gasselektiver Filter, beispielsweise aus thermoplastischem Polykondensat, wie z.B. PEEK, PEI, oder aus einem Fluorpolymer, wie z. B. FEP, ECTFE oder PFA, in den jeweiligen Ansatz integriert werden, um die Selektivität der Messung zu erhöhen. Eine derartige Membran oder ein derartiger Filter kann auch an den Diffusionsöffnungen 12 der Ausgestaltungen der Figuren 4 und 5 eingesetzt werden. Die Membran oder der Filter kann dann - bei einem gasförmigen Medium - zur Vortrennung in der Gasphase verwendet werden, oder um - bei einem flüssigen Medium - in der Flüssigkeit gelöstes Gas zu messen. Die einzelnen Messkanäle weisen wiederum jeweils eine Lichtquelle und einen oder mehrere Detektoren auf, wie dies bereits aus den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ersichtlich war.
Werden mehrere Messkanäle wie bei der vorgeschlagenen Anordnung mit PAS-Detektor verwendet und das Licht in den einzelnen Messkanälen mit der gleichen Frequenz f (l) moduliert, besteht die Gefahr der gegenseitigen Störung der einzelnen Kanäle, da die erzeugten akustischen Wellen möglicherweise miteinander interferieren. In einer Aus führungs form des vorgeschlagenen Verfahrens werden daher die einzelnen Messkanäle nacheinander betrieben, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt (t(l) , ... t (x) ) immer nur ein Messkanal aktiv ist, also immer nur eine Lichtquelle eingeschaltet ist. Dies ist schematisch in Figur 8 dargestellt. Die einzelnen Messkanäle können dabei in beliebiger Reihenfolge betrieben werden.
Alternativ können die Lichtquellen der einzelnen Messkanäle aber auch mit unterschiedlicher Frequenz (f (l) , ... f (n) ) moduliert werden. Dies ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb aller Messkanäle, es sind somit jeweils alle Messkanäle aktiv, da entstehende akustische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen nicht miteinander interferieren. Dies ist schematisch in Figur 9 für zwei Messkanäle Chi, Ch2 dargestellt, die in der rechten Teilabbildung schematisch die Modulationssignale für die Lichtquellen der beiden Kanäle Chi , Ch2 zeigt . Die damit induzierten akustischen Wellen interferieren nicht miteinander, da sie unterschiedlich moduliert sind . Mit weiterer Elektronik kann an j edem der Detektoren 8 ( 19 , 8 ( 2 ) das störende Signal des j eweils anderen Kanals herausgefiltert werden . Diese Betriebsweise kann auch mit der Betriebsweise der Figur 8 kombiniert werden .
Bei zusätzlicher Verwendung von Photodetektoren, also der direkten Messung der optischen Absorption des von der Lichtquelle emittierten Lichts kann sowohl in Reflexion als auch in Transmission gemessen werden . Dies ist in den beiden Teilabbildungen der Figur 10 für die unterschiedlichen bereits weiter vorne beschriebenen Ausgestaltungen dargestellt . In diesem Beispiel weist der j eweilige Messkanal zusätzlich j eweils zwei Photodetektoren 7 für eine Lichtquelle 1 auf . Nur der Absorptionsdetektor auf der gegenüberliegenden Seite benötigt eine direkte Bestrahlung und muss entsprechend gegenüber der Lichtquelle 1 angeordnet werden . Der zweite in Reflexion messende Detektor kann neben der Lichtquelle 1 auf der gleichen Seite der Messkammer oder des Messvolumens angeordnet werden, wie dies in den beiden Teilabbildungen schematisch dargestellt ist .
Figur 11 zeigt schließlich nochmals eine beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung, bei der der PAS-Detektor ( 14 ( 1 ) ... 14 (x ) ) ( Drucksensor, beispielsweise Mikrofon) außerhalb der Messkammer angeordnet , aber akustisch mit dieser gekoppelt ist . Die schmalbandige Lichtquelle ( 13 ( 1 ) ... 13 (x ) ) weist in diesem Beispiel zusätzlich ein optisches System, beispielsweise eine kollimierende Linse auf, wie dies schematisch in der Figur angedeutet ist. Auch in diesem Beispiel wird das zu vermessende Medium wiederum über eine Pumpe aus einem Reservoir angesaugt .
Figur 12 zeigt eine beispielhafte Realisierung mehrerer Lichtquellen mit zusätzlichen Sensoren der Ausgestaltung der Figur 5, insbesondere die Miniaturisierung der des optischen Filters 11, des Heizelementes 10 und des zusätzlichen Sensors 10a aus Figur 5. Die Miniaturisierung kann in Halbleitertechnologie erfolgen. Alle weiteren Elemente des in Figur 5 dargestellten Messkanals sind unverändert.
In der Realisierung der Figur 12 befindet sich auf der einen Seite des Wafers 15 ein Array aus Mikroheizern (16(1) ... 16 (x) ) . Unter dem jeweiligen Heizer 16 kann z.B. ein MOX-Sensor, ein Wärmeleitfähigkeitssensor oder ein Wärmetönungssensor als zusätzlicher Sensor 17 integriert sein. Diese Sensoren 17 (1) ... 17 (x) können vom gleichen Typ sein. Es können aber auch unterschiedliche Sensorprinzipien oder Heizer ohne zusätzlichen Sensor kombiniert werden. Auf der anderen Seite des Wafers 15 befindet sich ein optisches Filterarray mit mehreren Filtern (18 (1) ... 18 (x) ; z.B. plasmonischen Filtern) . Der Heizer 16 strahlt breitbandig durch den Wafer 15 in Richtung der optischen Filter 18. Das Funktionsprinzip Vorderseite dieser Realisierung wurde bereits in der DE 10 2021 108 745 Al in Verbindung mit der Figur 4 dieser Patentveröffentlichung beschrieben. Neu sind die zusätzlichen Sensoren 17 auf Rückseite. Bezugs zeichenliste
1 Lichtquelle
2 Detektoreinheit
3 Reservoir
4 Entnahmesystem
5 Messkammer
6 Pumpe
7 optischer Absorptionsdetektor
8 PAS-Detektor
9 Membran, Filter
10 IR-Hei zelement
10a weiterer Sensor
11 Filter
12 Di f fusionsöf fnung
13 Lichtquelle mit optischem System
14 PAS-Detektor
15 Wafer
16 Mikrohei zelement
17 weiterer Sensor
18 Filter
Ch Messkanal

Claims

Patentansprüche Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen, wenigstens bestehend aus
- einer Messkammer (5) , in die das flüssige oder gasförmige Medium einbringbar oder die durch das flüssige oder gasförmige Medium durchströmbar ist, und
- einer Anzahl an Messkanälen (Chi, ... Chx) , die jeweils durch eine Lichtquelle (1 (1) , ... 1 (x) ) und einen oder mehrere nur dieser Lichtquelle zugeordneten Detektoren (7 (1) , ... 7 (x) , 8 (1) , . . . 8 (x) ) gebildet sind,
- wobei die Anzahl der Messkanäle (Chi, ... Chx) wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks entspricht, die für eine Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe in dem flüssigen oder gasförmigen Medium wenigstens erforderlich ist,
- wobei die Messkanäle (Chi, ... Chx) als Detektor (en) jeweils wenigstens einen akustischen Detektor (8 (1) , ... 8 (x) ) aufweisen, und
- wobei jeder Messkanal (Chi, ... Chx) so ausgebildet ist, dass er eine Absorption optischer Strahlung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium in der Messkammer (5) für einen der charakteristischen Absorptionspeaks der Auswahl misst, indem die Lichtquelle (1 (1) , ... 1 (x) ) dieses Messkanals schmalbandige Strahlung emittiert, die einer Wellenlänge des jeweiligen Absorptionspeaks entspricht . Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkanäle (Chi, ... Chx) als Detektoren jeweils auch wenigstens einen optischen Detektor (7 (1) , ... 7 (x) ) aufweisen. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) mit einer Pumpe (6) verbunden ist, durch die das flüssige oder gasförmige Medium durch die Messkammer (5) gefördert werden kann. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) rohrförmig ausgebildet ist . Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkanäle (Chi, ... Chx) nebeneinander entlang der Messkammer (5) angeordnet sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1 (1) , ... 1 (x) ) durch schmalbandige Lichtemitter oder durch breitbandige Lichtemitter mit vorgeschalteten schmalbandigen optischen Filter (n) gebildet sind. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der breitbandigen Lichtemitter ein außerhalb der Messkammer (5) angeordnetes Heizelement (10) ist, das Strahlung im IR-Bereich emittiert. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) im Bereich des Heizelementes (10) wenigstens eine Diffusionsöffnung (12) aufweist, über die das flüssige oder gasförmige Medium über das Heizelement (10) diffundieren kann, wobei das Heizelement (10) gleichzeitig als Wärmeleitfähigkeitsdetektor ausgebildet ist. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Heizelement (10) ein zusätzlicher Sensor (10a) angeordnet ist, insbesondere um einen MOX- Sensor, einen Wärmeleitfähigkeitssensor oder einen Wärmetönungssensor zu realisieren, und die Messkammer (5) im Bereich des Heizelementes (10) wenigstens eine Diffusionsöffnung (12) aufweist, über die das flüssige oder gasförmige Medium über den zusätzlichen Sensor (10a) diffundieren kann. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (5) mehrere rohrförmige Ansätze aufweist, die getrennte Messvolumina bilden, wobei an jedem dieser Ansätze ein Messkanal (Chi, ... Chx) angeordnet ist. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze über eine Membran oder einen Filter (9(1) ... (x) ) vom Hauptvolumen der Messkammer (5) getrennt sind, die bzw. der nur bestimmte Stoffe in die Ansätze diffundieren lässt . Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, die bei Beleuchtung mit optischer Strahlung charakteristische Absorptionspeaks aufweisen, mit einer Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem
- das flüssige oder gasförmige Medium in die Messkammer (5) eingebracht oder durch die Messkammer (5) gesaugt oder gepumpt wird,
- an der eine Anzahl der Messkanäle (Chi, ... Chx) angeordnet ist, die wenigstens der Anzahl einer Auswahl aus den charakteristischen Absorptionspeaks entspricht, die für eine Bestimmung der Konzentration des einen oder der mehreren Stoffe in dem flüssigen oder gasförmigen Medium wenigstens erforderlich ist,
- wobei jeder Messkanal (Chi, ... Chx) so ausgebildet ist, dass seine Lichtquelle (1 (1) , ... 1 (x) ) schmalbandige Strahlung bei einer Wellenlänge emittiert, die einer Wellenlänge eines der Absorptionspeaks der Auswahl entspricht, und
- mit den Messkanälen (Chi, ... Chx) die Absorption bei den charakteristischen Absorptionspeaks der Auswahl gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit dem Messprinzip der photoakustischen Spektroskopie erfolgt. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung zusätzlich das Messprinzip der optischen Absorptionsspektroskopie eingesetzt wird . Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit den einzelnen Messkanälen (Chi, ... Chx) in zeitlicher Abfolge erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die von den Lichtquellen (1 (1) , ... 1 (x) ) der Messkanäle (Chi, ... Chx) emittierte Strahlung bei Nutzung des Messprinzips der photoakustischen Spektroskopie mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16 zur Bestimmung der Konzentration von Aromakomponenten eines Produkts, insbesondere von Wein.
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