WO2004040271A1

WO2004040271A1 - Optisches messsystem

Info

Publication number: WO2004040271A1
Application number: PCT/DE2002/004010
Authority: WO
Inventors: Matthias Lau
Original assignee: Sentronic Gmbh
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-13
Also published as: AU2002339384A1; EP1590654A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem zur Bestimmung von in Gasgemischen oder Flüssigkeiten enthaltenen Komponenten, wobei das jeweilige Gasgemisch oder die Flüssigkeit durch ein küvettenförmiges Teil während der Messung geführt und die Messung im küvettenförmigen Teil durchgeführt werden soll. Hierfür sind am und/oder im küvettenförmigen Teil mindestens zwei optische Sensorsysteme und/oder sensitive Elemente zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes oder des pH-Wertes angeordnet.

Description

OPTISCHES MESSSYSTEM

Die Erfindung betrifft ein optisches Durchflußmeßsystem zur Bestimmung von in Gasgemischen oder Flüssig- keiten enthaltenen Komponenten, wobei das jeweilige Gasgemisch oder die Flüssigkeit durch ein kuvettenformiges Teil während der Messung geführt und die Messung im kuvettenformigen Teil durchgeführt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Durchflußmeßsystem können unterschiedliche Elemente oder chemische Verbindungen quantitativ und zumindest annähernd in Echtzeit bestimmt werden, so daß es beispielsweise in der Prozeßmeßtechnik zur Steuerung von Prozessen so- wie' in der Medizintechnik und hier insbesondere in der Beatmungstechnik vorteilhaft eingesetzt werden kann.

So können beispielsweise die Konzentrationen bzw. die Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlendioxid aber auch die Konzentration von Wasserstoff optisch und demzufolge auch frei von elektrischen Potentialen bestimmt werden können. Letzteres ist insbesondere für die Detektion von Wasserstoff bedeutsam, da sehr hohe Anforderungen wegen der hohen Explosionsgefahr vorhanden sind.

Für sich gesehen gibt es einige Meßmethoden und Sensortypen, die zur Bestimmung auch der Konzentration von solchen Elementen oder chemischen Verbindungen geeignet sind. Diese sind in der Regel aber insbesondere wegen hoher Kosten oder schlechtem Ansprechzeit- Verhaltens für viele Einsatzfälle ungeeignet.

Des weiteren ist häufig eine aufwendige Kalibrierung erforderlich, die sowohl einen hohen Zeitaufwand bedingt und entsprechende Meßpausen erforderlich machen.

Werden mehrere solcher Komponenten in Gasgemischen oder Flüssigkeiten detektiert, treten auch Probleme mit der Zeitsynchronität auf, so daß nicht immer gesichert werden kann, daß die einzelnen Meßwerte für unterschiedliche Elemente bzw. Verbindungen auch dem jeweiligen Zeitpunkt zweifelsfrei zugeordnet werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein optisches Durchflußmeßsystem vorzuschlagen, das zumindest nahe- zu zeitsynchron mindestens zwei Komponenten, die in einem Gasgemisch oder in einer Flüssigkeit enthalten sein können, quantitativ bestimmen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem opti- sehen Durchflußmeßsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestal- tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Durchflußmeßsystem sind hierzu mindestens zwei optische Sensorsysteme und/oder sensitive Elemente zur Bestimmung der Konzentration jeweils mindestens eines Stoffes oder des pH-Wertes innerhalb des kuvettenformigen Teils angeordnet. Dabei wird das Gasgemisch oder die Flüssigkeit über Anschlußleitungen, die in der Regel und auch bevorzugt als flexible Schläuche ausgebildet sein können, durch den kuvettenformigen Teil geführt.

Bevorzugt zur Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid können für ein solches Sensorsystem eine Lichtquelle und ein optischer Detektor eingesetzt werden, wobei das Licht der Lichtquelle, die Licht im Wellenlängenbereich des infraroten Lichts aussendet, durch den kuvettenformigen Teil auf den entsprechend für diesen Wellenlängenbereich geeigneten optischen Detektor gerichtet wird. Infolge der Kohlendioxidkonzentration wird ein Teil dieses infraroten Lichts absorbiert und die Intensität des vom optischen Detek- tor erfaßten Lichts kann als Maß für die Kohlendioxidkonzentration, beispielsweise in der Atem- bzw. Beatmungsluft genutzt werden.

Vorteilhaft sind sowohl die Lichtquelle, wie auch der optische Detektor eines solchen Sensorsystems außerhalb des kuvettenformigen Teils angeordnet. Dabei kann das küvettenförmige Teil vollständig aus einem für dieses Licht transparenten Material bestehen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dieses aus einem entsprechenden das Licht absorbierenden Material zu gestalten und lediglich transparente Fenster für den Eintritt des Lichts in das küvettenförmige Teil und den Austritt aus dem kuvettenformigen Teil vorzusehen. Dadurch kann ein Streulichteinfluß begrenzt werden.

Das küvettenförmige Teil kann in einem Gehäuse aufgenommen oder integraler Bestandteil dieses Gehäuses sein. Im erstgenannten Fall ist es vorteilhaft, das küvettenförmige Teil lediglich temporär mit dem Ge- häuseteil zu verbinden, so daß eine leichte Entfernung des kuvettenformigen Teils und ein Wiedereinsetzen möglich sind.

Im Gehäuse können die bereits erwähnte Lichtquelle und der optische Detektor sowie andere optische und elektronische Komponenten, auf die später noch zurückzukommen sein wird, aufgenommen sein.

Beispielsweise zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzen- tration kann als ein sensitives Element eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht im Inneren des kuvettenformigen Teils angeordnet sein. Dabei sollte die Anordnung so gewählt sein, daß eine Beeinflussung durch das Licht im infraroten Wellenlängen- bereich nicht möglich ist.

Solche z.B. für sauerstoffsensitive Schichten mit entsprechend geeigneten fluoreszierenden Stoffen, wie dies beispielsweise die hierfür bekannten Ruthenium- Komplexe sind, sind u.a. in WO 96/37768 AI beschrieben.

Die den fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht, als sensitives Element wird dann mit Licht einer Lichtquelle, das Licht mit einer zur Anregung der Fluoreszenz geeigneten Wellenlänge aussendet, be- strahlt, wobei die Fluoreszenzintensität in Abhängigkeit der jeweiligen Sauerstoffkonzentration beeinflußt und in Richtung höherer Konzentrationen abgeschwächt wird. Mit Hilfe dieses Phänomens kann über die gemessene Fluoreszenzintensität die momentane

Sauerstoffkonzentration bestimmt werden. Dabei kann nicht nur die reine Intensität bestimmt, sondern auch das zeitliche Abklingverhalten, eine auftretende Phasenverschiebung oder Winkelverschiebung als Maß für die Stoffkonzentration genutzt werden.

Die für die Fluoreszenzanregung eingesetzte eine aber auch mehrere Lichtquelle (n) kann/können ebenfalls innerhalb des kuvettenformigen Teils angeordnet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Lichtquellen außerhalb anzuordnen, wobei in diesen Fällen das Fluoreszenzanregungslicht vorteilhaft über Lichtleitfasern von der jeweiligen Lichtquelle auf die den fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht gerichtet werden kann. Zwischen dieser Schicht und den Licht- austrittsoffnungen der Lichtquellen bzw. Lichtleitfasern können zusätzliche optische Elemente angeordnet werden, mit denen das Licht geformt, dessen Abbildungen dementsprechend beeinflußt und auch bestimmte Wellenlängenbereiche herausgefiltert oder eine Polarisation vorgenommen werden können.

Ein weiters sensitives Element, das in einem kuvettenformigen Teil eines erfindungsgemäßen Durchflußsy- stems eingesetzt werden kann, ist ein optisch transparenter Körper, an dessen einer Stirnseite, die im Inneren des kuvettenformigen Teils angeordnet ist, zwei in einem Winkel gegeneinander geneigte Teilflächen vorhanden sind. Ein solches sensitives Element ist in WO 96/02822 AI bereits beschrieben und es wird hiermit vollumfänglich auf deren Offenbarungsgehalt zurückgegriffen. An zumindest einer der beiden geneigten Teilflächen ist eine Beschichtung, beispielsweise aus einem Edelmetall (z.B. Gold) aufgebracht, so daß mit durch den transparenten Körper auf die ge- neigten Teilflächen gerichtetem Licht, an der beschichteten Teilfläche Oberflächenplasmonenresonanz angeregt werden kann und das von den beiden geneigten Teilflächen rückreflektierte Licht auf einen optischen Detektor gerichtet werden kann, wobei die Meß- werte ebenfalls als Maß für eine Stoffkonzentration genutzt werden können. Ein solches sensitives Element kann beispielsweise für die Bestimmung einer Wasserstoffkonzentration genutzt werden.

Zur Verbesserung der Lichtführung, kann an der Stirnseite eines solchen transparenten Körpers, die der Stirnseite gegenüberliegt, an der die geneigten Teilflächen ausgebildet sind, eine konvexe Linse ausgebildet oder eine plankonvexe Linse im Anschluß an eine plane Stirnfläche an dieser Stirnseite des transparenten Körpers angeordnet sein, mit der das Anregungslicht günstig in den transparenten Körper geführt und von Teilflächen reflektiertes Licht auf einen zur Auswertung geeigneten Detektor gerichtet werden kann.

An einem solchen transparenten Körper kann aber auch eine Zwischenschicht, aus einem Material mit einer vom Material des transparenten Körpers abweichenden Brechzahl angeordnet oder aufgebracht sein, so daß mittels einer solchen Schicht eine Anpassung an einen möglichen erfaßbaren Brechzahlbereich ermöglicht wird.

Vorteilhaft können solche sensitiven Elemente, wie die einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht oder ein transparenter Körper auch auf einen Träger aufgebracht bzw. mit einem solchen Träger verbunden sein. Dabei sollte ein solcher Träger einfach mit dem jeweiligen sensitiven Element ausgetauscht werden können, was zum einen beim Wechsel von jeweils zu bestimmenden stofflichen Komponenten aus dem Gasgemisch oder der Flüssigkeit erforderlich sein kann. Zum anderen ist dies von Bedeutung, da insbesondere fluoreszierende Stoffe enthaltende Schichten einer Alte- rung unterzogen sind, so daß die nutzbare Lebensdauer mit ausreichender Meßempfindlichkeit begrenzt ist und nach Überschreiten einer gewissen Nutzungsdauer einer solchen Schicht ein Austausch erforderlich ist.

Ein solcher Träger kann beispielsweise kappenförmig ausgebildet sein, der in dieser Form auf einen Meßkopf aufgesetzt und bei Bedarf und Erfordernis wieder abgenommen werden kann. In einem solchen Meßkopf sind insbesondere weitere optische Elemente, wie die be- reits erwähnten optischen Elemente, Reflektoren, Filter oder Polarisatoren aufgenommen, so daß auch ein solcher kappenförmiger Träger neben der einfachen Austauschbarkeit auch eine Verringerung des Streulichteinflusses bewirkt.

Ist als sensitives Element eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht vorgesehen, ist es vorteilhaft, am Meßkopf eine Temperiereinrichtung, die in Form einer elektrischen Widerstandsheizung ausge- bildet sein kann, vorzusehen. Dadurch kann der in der Regel störende Einfluß von kondensiertem Wasser auf einer solchen Schicht zumindest behindert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn die Sauerstoffkonzentration in Atmungs- bzw. Beatmungsluft be- stimmt werden soll. Neben einem kappenformigen Träger kann als Träger für eine solche Schicht auch ein planarer ebener Träger eingesetzt werden. Dieser sollte vorteilhaft an seitlichen Rändern Profilierungen aufweisen, die in ent- sprechend komplementär ausgebildete Profilierungen, die am kuvettenformigen Teil des erfindungsgemäßen Durchflußmeßsystems ausgebildet sind, eingeführt werden können. Dadurch kann ein solcher Träger sehr einfach durch einfaches Herein- bzw. Herausschieben aus dem kuvettenformigen Teil ausgetauscht werden und dies ist neben dem geringen Zeitaufwand, der für einen Austausch erforderlich ist, auch unter dem Kostenaspekt vorteilhaft.

Neben der bereits erwähnten gleichzeitigen Nutzung von mindestens zwei sensitiven Elementen oder Sensorsystemen, kann diese Zahl selbstverständlich erhöht werden. Mit einer erhöhten Anzahl solcher Elemente bzw. Systeme können dann entweder die Anzahl der je- weiligen zu bestimmenden Komponenten erhöht, aber auch mindestens eine dieser Komponenten mit zwei solcher Systeme bzw. Elemente bestimmt werden. Im letztgenannten Fall kann die Bestimmung dieser einen Komponente gleichzeitig, aber auch alternierend mit je- weils einem Sensorsystem bzw. sensitiven Element durchgeführt werden. Dies kann besonders vorteilhaft bei einem sensitiven Element, das einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht darstellt, sein. Da in diesem Fall die Zeitintervalle, in denen ein Aus- tausch dieser sensitiven Elemente erforderlich ist, entsprechend vergrößert werden können.

Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße optische Durchflußmeßsystem zur Bestimmung der Sauer- stoff- und gleichzeitigen Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration in Atem- oder Beatmungsluft einge- setzt werden, wobei das Durchflußmeßsystem ohne zusätzliche Bypaßleitung unmittelbar im Hauptstrom der Luft angeordnet sein kann.

Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, den Weg, des durch das Gasgemisch oder die Flüssigkeit geführten Lichts zu verlängern (Absorptionsweg) , bevor es auf einen hierfür geeigneten optischen Detektor gelangt. Da der freie Querschnitt eines küvet- tenförmigen Teils im Inneren nicht beliebig vergrößert werden kann, ist es zweckmäßig die innere Oberfläche im kuvettenformigen Teil für das eingesetzte Licht reflektierend auszubilden. Eine solche reflektierende Beschichtung bzw. die Anordnung von Reflek- toren kann vollständig aber auch lediglich in Bereichen im Inneren des kuvettenformigen Teils die Ausrichtung und Anordnung von Lichtquellen und optischen Detektoren berücksichtigend, erfolgen. So kann beispielsweise eine Geometrie des freien Querschnittes eines kuvettenformigen Teils gewählt werden, die nicht vollständig rotationssymmetrisch bzw. konkav gewölbt ist, sondern an der inneren Oberfläche des kuvettenformigen Teils ebene Flächenbereiche ausgebildet sind und die gegebenenfalls auch zumindest nahezu über die gesamte Länge des kuvettenformigen

Teils, durch das das Gasgemisch oder die Flüssigkeit während der Messung geführt wird, erreichen. Dabei können beispielsweise zwei solcher planarer ebener Flächenbereiche sich diametral gegenüberliegend an der inneren Oberfläche in Bezug zu jeweils einer

Lichtquelle und eines optischen Detektors angeordnet sein.

Eine solche Multireflexionsausbildung kann vorteil- haft neben der bereits erwähnten Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration auch beispielsweise für die Bestimmung einer Methangaskonzentration oder einer Kohlenmonoxidkonzentration, was bei der Überwachung von Narkosegas bedeutsam sein kann, durchgeführt werden. Durch die Absorptionswegverlängerung des einge- setzten Lichts kann die Meßempfindlichkeit erhöht und dadurch auch kleinere Konzentrationen von in einem Gasgemisch oder in einer Flüssigkeit enthaltenen Komponenten bestimmt werden.

Neben den bereits erwähnten optischen Detektoren, mit denen die auftreffende Lichtintensität bestimmt werden kann, sind auch Anwendungen der Laserspektroskopie möglich.

Im Gegensatz zu üblicherweise durchgeführten Kalibrierungen mit Normgasen, kann am erfindungsgemäßen Durchflußmeßsystem eine einfache, kostengünstigere und kurzzeitige Kalibrierung dadurch vorgenommen werden, daß der Innendruck und dadurch auch der Sauer- stoffpartialdruck im kuvettenformigen Teil verändert wird. Dies kann durch eine Druckreduzierung, vorteilhaft jedoch durch eine Druckerhöhung erfolgen, wodurch sich entsprechend die Sauerstoffkonzentration von Luft, die hierfür eingesetzt werden kann, ent- sprechend verändert.

Zur Beeinflussung des Innendrucks im kuvettenformigen Teil kann ein eine Druckdifferenz erzeugendes Element angeschlossen werden, wobei eine entsprechend geeig- nete Pumpe saug- bzw. druckseitig angeschlossen werden kann. Während der so durchgeführten Kalibrierung sollten mindestens eine der an das küvettenförmige Teil angeschlossenen Anschlußleitungen geschlossen werden. Dabei können die unterschiedlichsten an sich bekannten Ventile eingesetzt werden. Besonders geeignete Ventile sind jegliche Formen von Quetschventi- len, also pneumatisch oder mechanisch betätigte Quetschventile. In einfachster Form können auch flexible Schläuche, die die Anschlußleitungen zum kuvettenformigen Teil bilden, mit mechanischen Mitteln zusammengedrückt und so die jeweilige Anschlußleitung geschlossen werden.

Selbstverständlich sind aber auch viele andere an sich bekannte Ventilformen geeignet.

Mit einer solchen Kalibrierungsform kann sehr einfach die Eichung von sensitiven Elementen, die als ein einen fluoreszierenden Stoff enthaltene Schicht ausgebildet sind, durchgeführt werden, wobei Meßsignale und der jeweilige Druck berücksichtigt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchflußmeßsystems;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Beispiels eines optischen Druchfluß eß- systems mit einem sensitiven Element, das eine einen fluoreszierenden Stoff enthal- tende Schicht darstellt;

Figur 3 einen planaren Träger für eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht mit seitlichen Profilierungen und einem küvet- tenformigen Teil mit einer komplementären

Profilierung; Figur 4 eine schematische Darstellung eines an einem erfindungsgemäßen optischen Durchflußmeßsystem einsetzbaren Meßkopfs mit einem kappenformigen Träger;

Figur 5 ein weiteres Beispiel eines solchen Meßkopfes mit einem transparenten Körper, der an einem kappenformigen Träger befestigt ist;

Figur 6 ein drittes Beispiel eines Meßkopfes mit einem an einem kappenformigen Träger befestigten transparenten Körper;

Figur 7 ein viertes Beispiel eines Meßkopfes;

Figur 8 ein fünftes Beispiel eines Meßkopfes;

Figur 9 ein Beispiel für eine Ausbildung eines me- chanisch betätigten Quetschventils zur

Durchführung einer Kalibrierung und

Figur 10 die Anordnung einer Pumpe, als ein Druckdifferenz erzeugendes Element an einer An- Schlußleitung zum kuvettenformigen Teil.

Das in Figur 1 schematisch gezeigte Beispiel eines erfindungsgemäßen optischen Durchflußmeßsystems ist insbesondere für die Bestimmung der Sauerstoff- und gleichzeitigen Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration geeignet und kann insbesondere in der medizinischen Beatmungstechnik eingesetzt werden.

Dabei ist ein kuvettenformiges Teil 1 mit einem inne- ren Kanal 1' temporär mit einem Gehäuse 2 verbunden. Durch hier nicht erkennbare Anschlußleitungen kann Atem- bzw. Beatumungsluft durch den inneren Kanal 1 " geführt werden. Dabei wird die Kohlendioxidkonzentration mit einem Sensorsystem, das eine Lichtquelle 4, welche Licht durch den inneren Kanal 1 des küvetten- förmigen Teils 1 auf einen optischen Detektor 4^V richtet, verwendet. Dabei wird der gesamte innere freie Querschnitt des kuvettenformigen Teils 1 durchschritten und je nach vorhandener Kohlendioxidkonzentration mehr oder weniger vom Licht, im Wellenlängen- bereich des infraroten Lichts absorbiert, so daß eine entsprechend höhere bzw. geringere Intensität mit dem optischen Detektor 4^V erfaßt werden kann.

Sowohl das Gehäuse 2, wie auch ein großer Teil des kuvettenformigen Teils 1 bestehen aus einem für Licht nicht transparenten Material, um Streulichteinflüsse aus der Umwelt und auch Reflexionen im Inneren des kuvettenformigen Teils 1 weitestgehend zu vermeiden. Am kuvettenformigen Teil 1 sind hier sich diametral gegenüberliegend im Strahlengang des aus der Lichtquelle 4 austretenden Lichts transparente Fensterbereiche 5 und in Bezug zu diesen Fensterbereichen 5, der Lichtquelle 4 und dem optischen Detektor Öffnungen im Gehäuse 2 ausgebildet .

Wie schematisch angedeutet, ist die Lichtquelle 4 mit einer konvex gewölbten Lichtaustrittsöffnung ausgebildet, um eine entsprechende Bündelung des Lichts zu erzielen, so daß der größte Teil des Lichts auch auf den optischen Detektor 4¹ gelangen kann.

Als zweites sensitives Element ist eine in das Innere des inneren Kanals l im kuvettenformigen Teil 1, eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht 3 verwendet worden. Diese Schicht 3 ist an einem kappenformigen Träger 6 angeordnet, der auf einem Meß- köpf aufsitzt, einfach austauschbar aufgesetzt worden ist. Auf Ausführungsformen für Meßköpfe 7, soll nachfolgend bei weiteren Ausführungsbeispielen noch zurückgekommen werden.

Beim in Figur 1 gezeigten Beispiel ist schematisσh eine Zu- und Ableitung für Licht zur Fluoreszenzanregung und Fluoreszenzlicht zu nicht dargestellten Lichtquellen und optischen Detektoren angedeutet.

Prinzipiell besteht aber auch die Möglichkeit, diese Lichtquellen und optische Detektoren innerhalb des Meßkopfes 7 oder innerhalb des Gehäuses 2 anzuordnen, wobei in diesem Fall die Leitung 8 die Verbindung zur Übermittlung der Meßsignale an eine elektronische Auswerteeinheit darstellen kann.

Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung angesprochen, können im inneren Kanal l^λ des küvetten- förmigen Teils 1 weitere sensitive Elemente in der gezeigten, aber auch in anderer Form angeordnet werden, um z.B. eine dritte Komponente bestimmen zu können.

Im Gegensatz zum Beispiel nach Figur 1, ist im Beispiel, wie in Figur 2 dargestellt, auf ein zweites sensitives Element oder Sensorsystem verzichtet worden und lediglich als sensitives Element schematisch eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht 3 eingezeichnet und das Fluoreszenzanregungslicht wird nicht von der Rückseite der Schicht 3 auf diese gerichtet, sondern durch den inneren Kanal l¹ und das zu detektierende Gasgemisch oder die Flüssigkeit von einer Fluoreszenzanregungslichtquelle 19 auf die Schicht 3 gerichtet. Des weiteren ist schematisch angedeutet, daß das aus der Lichtquelle 19 austretende Licht durch ein optisches Filter und eine optische Linse auf die Schicht 3 zur Fluoreszenzanregung gerichtet wird.

Außerhalb des inneren Kanals l¹ des kuvettenformigen Teils, das hier integraler Bestandteil des Gehäuses 2 zumindest teilweise ist, ist ein weiteres optisches Filter vor einem optischen Detektor 17, mit dem die Intensität des Fluoreszenzlichts, der den fluoreszierenden Stoff enthaltenden Schicht 3 bestimmt werden kann, angeordnet .

Die Hartwareelektronik für die Vorbereitung und Aus- wertung der bestimmten Meßsignale kann, wie in Figur 2 ebenfalls schematisch angedeutet, im Hohlraum innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein.

Im Gegensatz zur Darstellung können aber auch mehr als eine Lichtquelle 19 zur Fluoreszenzanregung in der den fluoreszierenden Stoff enthaltenden Schicht 3 eingesetzt werden, wobei die Anordnung der Lichtquellen 19 und die Lichtführung des aus ihnen austretenden jeweiligen Lichts so gewählt werden sollte, daß ihre Aperturen sich lediglich bereichsweise überschneiden und möglichst größere Bereiche überschneidungsfrei oder gar keine Überschneidungen der einzelnen Aperturen zu verzeichnen sind.

In den Figuren 4 bis 8 sind unterschiedliche Ausbildungen von Meßköpfen 7 mit und ohne kappenförmige Trägern 6 dargestellt.

Bei dem mit Figur 4 schematisch dargestellten Meßkopf 7 sind drei Lichtleitfasern 10, die von bzw. zu

Lichtquellen für die Fluoreszenzanregung in einer Schicht oder mindestens einen optischen Detektor richten, angedeutet. Im Inneren des Meßkopfes sind an den Lichtein- und -austritten entsprechend geeignete optische Filter angeordnet, über die das jeweilige Licht selektiv geführt werden kann, so daß unerwünschte Wellenlängenbereiche zumindest teilweise ausgeblendet werden können. Vor Lichtaustrittsöffnungen sind optische Linsen für die Kollimierung des jeweiligen Lichts angeordnet, um das aus den Lichtleit- fasern 10 aus- bzw. eintretende Licht in der gewünschten Form einmal auf die an einem kappenformigen Träger 6 befestigte auf einem Träger ausgebildete sensitive Schicht 3 zur Fluoreszenzanregung zu beleuchten und das Fluoreszenzlicht optimal in zumin- dest eine der Lichtleitfasern einzukoppeln und dieses auf den entsprechenden optischen Detektor zu richten.

An allen in den Figuren 4 bis 8 gezeigten Meßköpfen 7 sind den Meßkopf 7 umhüllende Temperierelemente 9, bevorzugt als elektrische Widerstandsheizelemente vorhanden, um beispielsweise die Bildung von Wasserkondensat am sensitiven Element zumindest zu behindern.

Das in Figur 5 gezeigte Beispiel eines in einem erfindungsgemäßen optischen Durchflußmeßsystem einsetzbaren Meßkopf 7 unterscheidet sich vom Beispiel nach Figur 4 dadurch, daß ein transparenter Körper 13 am kappenformigen Träger 6 befestigt ist, wobei aus dem kappenformigen Träger 6 zwei Teilflächen in einem

Winkel zueinander geneigt sind, so daß Messungen unter Ausnutzung des Phänomens der Oberflächenplasmo- nenresonanz durchgeführt werden können. Dabei ist in nicht dargestellter Form zumindest eine der beiden gegeneinander geneigten Teilflächen mit einer hierfür geeigneten Beschichtung versehen. Mit der gestrichelten Linie soll angedeutet werden, daß es sich um einen transparenten Körper 13 mit planarer Stirnfläche handeln kann, zu der in einem Abstand eine plankonvexe Linse angeordnet werden kann, um die Lichtführung gezielt und vorteilhaft beeinflussen zu können.

Beim in Figur 6 gezeigten Beispiel ist diese plankon- vexe Linse integraler Bestandteil des transparenten Körpers 13. Das in Figur 6 gezeigte Beispiel unterscheidet sich in der Ausführung des Meßkopfes 7 durch die Art der Lichtführung. Dabei sind hier lediglich zwei Lichtleitfasern 10 gezeigt, deren Lichtein- und -austrittsöffnungen in einem bestimmten Winkel gegenüber der Horizontalen geneigt sind, so daß das aus der hier rechts gezeigten Lichtleitfaser 10 austretende Licht nach Fokussierung mit der optischen Linse 14 auf das reflektierende Element 11 auftrifft und aus dem eigentlichen Meßkopf 7 austritt, über die konvex gewölbte Fläche in den transparenten Körper 13 eintritt, an beiden zueinander geneigten Teilflächen reflektiert und reflektiertes Licht auf das reflektierende Element 11 auftrifft und das von dort re- flektierte Licht wiederum über ein optisches Filter 12 in die Lichteintrittsöffnung, der hier links dargestellten Lichtleitfaser 10 eintritt und über diese auf einen nicht dargestellten optischen Detektor auf- trifft.

Bei den in den Figuren 7 und 8 gezeigten Beispielen wurde auf zusätzliche kappenförmige Trgäer 6 verzichtet und es sollen mit diesen Darstellungen lediglich Beispiele für weitere Möglichkeiten der Lichtführung über entsprechende Ausrichtungen der Lichtfasern 10 mit Lichtein- und -austrittsöffnungen sowie gemäß Fi- gur 8 einen optischen Prisma 15 angedeutet werden.

In den Figuren 9 und 10 sind schematisch Möglichkeiten angedeutet, wie für eine Kalibrierung wie sie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist, mit einem mechanisch betätigten Quetschventil, eine flexible Anschlußleitung 16 durch Zusammenpressen über ein Exenterelement verschlossen werden kann, um mit einer Pumpe 17, als ein eine Druckdifferenz erzeugendes Element, z.B. einen Druckanstieg im Inneren des kuvettenformigen Teils 1 zu erzielen, wobei bei der Kalibrierung der Innendruck im Inneren des kuvettenformigen Teils 1 zeitaufgelöst in Bezug zu den Meßsignalen, die als jeweilige Fluoreszenzinten- sität mit einem optischen Detektor zu gleichen Zeitpunkten erfaßt werden sollten.

Claims

Patentansprüche

1. Optisches Durchflußmeßsystem zur Bestimmung von in Gasgemischen oder Flüssigkeiten enthaltenen

Komponenten, bei dem das Gasgemisch oder die Flüssigkeit durch ein kuvettenformiges Teil während der Messung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am und/oder im kü- vettenförmigen Teil (1) mindestens zwei optische

Sensorsystem und/oder sensitive Elemente (3, 4, 4 , 13) zur Bestimmung der Konzentration eines Stoffes oder des pH-Wertes angeordnet sind.

2. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorsystem aus einer Lichtquelle (4) und einem optischen Detektor (4') gebildet ist.

3. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (4) Licht im Wellenlängenbereich des infraroten

Lichtes durch das kuvettenformigen Teil (1) auf den optischen Detektor (4^λ) richtet.

. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im küvetten- förmigen Teil (1) optisch transparente Fensterbereiche (5) für das aus der Lichtquelle (4) auf den optischen Detektor

(4 ) gerichtete Licht vorhanden sind.

5. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein sensitives Element, eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltene Schicht (3) , die im Inneren des kuvettenformigen Teils (1) angeordnet ist, ist.

6. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein sensitives Elemente ein optischer transparenter Körper

(13) mit zwei in einem Winkel gegeneinander ge- neigten Teilflächen, bei der an einer dieser

Teilflächen, die an einer Stirnfläche des transparenten Körpers (13) angeordnet ist, eine Beschichtung, die zur Anregung von Oberflachen- plasmonenresonanz geeignet ist, aufgebracht und dieser Teil des transparenten Körpers (13) im

Inneren des kuvettenformigen Teiles (1) angeordnet ist.

7. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht (3) und/oder ein optisch transparenter Körper (13) als sensitive Elemente auf einem austauschbaren Träger (6, 6 ) angeordnet an diesem befestigt sind.

8. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (6) auf einem optischen Meßkopf (7) aufsetzbar sind.

9. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkopf (7) jeweils mindestens eine Lichtquelle, die zur Fluoreszenz- oder Oberflächenplasmonenresonanz- Anregung geeignet und ein optischer Detektor aufgenommen sind.

10. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkopf (7) kol- limierende optische Elemente, optische Filter, Polarisatoren, reflektierende Elemente und/oder optische Fenster (11, 12, 14) in Bezug zur jeweiligen Lichtquelle und Detektoren angeordnet sind.

11. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des kuvettenformigen Teils (1) eine der einen fluoreszierenden Stoff enthaltenden Schicht (3) gegenüberliegend angeordnete Lichtquelle (19) zur Fluoreszenzanregung angeordnet ist.

12. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei solcher Lichtquellen (9) im kuvettenformigen Teil (1) angeordnet sind, wobei diese unterschiedliche Bereiche, der den fluoreszierenden Stoff (3) enthal- tenden Schicht, beleuchten.

13. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am optisch transparenten Körper (13) , an der zur Anregung von Oberflächenplasmonenresonanz geeigneten Be- Schichtung gegenüberliegenden Stirnseite eine konvexe Linse ausgebildet oder dort angeordnet ist.

14. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßkopf (3) eine Temperiereinrichtung (9) vorhanden ist.

15. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am transparenten Körper (13) eine Zwischenschicht mit vom Material des transparenten Körpers (13) abweichenden Brechungsindex angebracht ist.

16. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) ein auf einen Meßkopf aufsetzbares kappen- förmiges Element ist.

17. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6^λ) für eine einen fluoreszierenden Stoff enthaltende Schicht planar ausgebildet ist und an seitlichen Rändern Profilierungen für einen formschlüssigen Eingriff in eine komplementäre Kontur im kuvettenformigen Teil (1) ausgebildet sind.

18. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an das küvettenförmige Teil (1) ein eine Druckdifferenz innerhalb des kuvettenformigen Teils erzeugendes Element (17) angeschlossen und mindestens eine

Anschlußleitung (16) von/zum kuvettenformigen Teil verschließbar ist.

19. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Anschlußleitung (16) mittels eines Ventils verschließbar ist.

20. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckdifferenz erzeugende Element (17) eine Pumpe ist.

21. Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des kuvettenformigen Teils (1) zumindest bereichsweise lichtreflektierend ausgebildet ist und Licht einer Lichtquelle nach mehrfa- eher Reflexion auf einen optischen Detektor auftrifft.

22. Verfahren zur Bestimmung von in Gasgemischen oder Flüssigkeiten enthaltenen Komponenten, unter Verwendung eines Durchflußmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im kuvettenformigen

Teil (1) beim Durchströmen des Gasgemisches oder der Flüssigkeit gleichzeitig die Konzentration von mindestens zwei Stoffen, deren Partialdrücke mit mindestens zwei optischen Sensorsystemen und/oder sensitiven Elementen (3, 4, 4 13) bestimmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität von durch das Gasgemisch oder die Flüssigkeit von einer Lichtquelle (4) auf einen optischen Detektor (4 ^λ ) gerichteten Lichtes, die Fluoreszenzintensität einer einen fluoreszierenden Stoff enthaltenden Schicht (3) , das zeitliche Abklingverhalten der Fluoreszenz in einer solchen Schicht (3) , die Phasenverschiebung oder die Winkelverschiebung des Fluoreszenzlichtes und/oder die sich infolge auftretender Oberflächenplasmonen- resonanz ändernde Brechzahl bestimmt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zu Kalibrierungs- zwecken ein vorgebbarer Druck eines Gasgemisches im kuvettenformigen Teil (1) eingestellt und dabei die Fluoreszenzintensität, das zeitliche Abklingverhalten oder die Phasenverschiebung des Fluoreszenzlichtes einer einen fluoreszierenden

Stoff enthaltenden Schicht (3) , als sensitives Element gemessen wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gasgemisch gleichzeitig die Sauerstoff- und die Kohlendioxidkonzentration bestimmt werden.