WO2009071557A2 - Atr-sonde - Google Patents

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WO2009071557A2
WO2009071557A2 PCT/EP2008/066656 EP2008066656W WO2009071557A2 WO 2009071557 A2 WO2009071557 A2 WO 2009071557A2 EP 2008066656 W EP2008066656 W EP 2008066656W WO 2009071557 A2 WO2009071557 A2 WO 2009071557A2
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WO
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atr
light
receiving
probe according
end faces
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PCT/EP2008/066656
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English (en)
French (fr)
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WO2009071557A3 (de
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Hakon Mikkelsen
Andreas MÜLLER
Patric Henzi
Original Assignee
Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
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Priority to EP08856785A priority patent/EP2217912A2/de
Priority to US12/734,845 priority patent/US20100303413A1/en
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N2021/434—Dipping block in contact with sample, e.g. prism
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    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
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    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides

Definitions

  • the present invention relates to an ATR probe for detecting an optical property of a medium comprising a monolithic ATR body having at least one surface portion to be acted upon by the medium, and a transmission light guide for irradiating non-collimated light into the ATR body; and a receiving optical fiber array for receiving the irradiated light after passing through the ATR body.
  • Such an ATR probe is disclosed, for example, in the published patent application DE 10 2006 036 409 A1.
  • This probe relies on a single dead-fly reflection at the media-contacting interface of an ATR body and has a very simple construction. However, the sensitivity of this probe can be improved.
  • US2001 / 0030288 A1 discloses ATR probes with Zyiinderiinsen between transmitter and ATR body and between the ATR body and a diode line detector.
  • US 5 991 029 A discloses an ATR probe with multiple reflections on media-contacting surfaces of an ATR body, the facet having the smallest reflection angle! is mirrored to avoid a coupling of the light there.
  • US 5 773 825 A discloses an ATR probe with a prism for coupling in the light and, in addition, a thin optical disk.
  • US 5,703,366 A similarly discloses a multi-part ATR body having a first crystal body and a crystal disk and an optically transmissive interface therebetween.
  • US 4 826 313 A discloses an ATR probe with optical lenses for the collimation of divergent beams.
  • EP 0 206 433 A2 discloses an ATR probe with at least two media-contacting surfaces.
  • the probes mentioned are visually or constructively very complex to implement and thus lead to increased production costs, especially when the probe is to be integrated into a cylindrical probe shaft with a small diameter.
  • the object of the present invention to provide an ATR probe, in particular for process applications, which overcomes the disadvantages of the prior art, in particular has an improved signal to noise ratio, and is suitable for simple mass production.
  • the probe is chemically resistant to solvents, bases and acids as well as abrasive media.
  • the ATR probe according to the invention for detecting an optical property of a medium comprises: a monolithic ATR body which has at least one surface portion which can be acted upon by the medium; a transmission picker assembly for injecting non-collimated light into the ATR body; a receiving optical fiber arrangement for receiving the irradiated light after passage through the ATR body, wherein the passage of the light through the ATR body comprises at least two total reflections at a media-contacting surface of the ATR body; characterized in that the effective area of the receiver stirrer assembly for receiving the light emerging from the ATR body is a factor F greater than the effective area of the transmission optical fiber array for irradiating the light into the ATR body, where F is at least 1 at least 4/3 and more preferably at least 3/2 and more preferably at least 2, and wherein the transmitting light conductor arrangement comprises at least two transmitting optical fibers and the receiving optical fiber arrangement comprises at least three Empfangsüchtleiter.
  • the ATR body comprises at least one section with a conical or frustoconical surface, and the frusto-conical surface is at least partially acted upon by the medium.
  • the section with the conical or frustoconical surface for example, a half opening angle! of not less than 40 ° and not more than 50 °, preferably not less than 43 ° and not more than 47 °, especially 45 °.
  • Half the opening angle denotes the angle between the axis of symmetry of the cone and the lateral surface of the cone.
  • the ATR body may comprise a cylindrical portion which adjoins the base of the conical or frustoconical portion.
  • the cylindrical portion may have a height that is not more than 1/2, preferably not more than 1/3, more preferably not more than 1/4 of the radius of the base of the conical or frusto-conical portion.
  • the ATR body has a rounded tip, which adjoins the kegeistumpfförmigen section.
  • the rounded tip may have a radius that is not more than 1/6, preferably not more than 1/7, more preferably not more than 1/8, of the radius of the base of the frusto-conical portion.
  • the ATR probe further comprises a Feruile, by means of which the SendÜtleiter and the receiving light guides are positioned, and a spacer body is clamped between the Ferulle and the ATR body, wherein the spacer body may comprise, for example, a coupling ring.
  • the transmitting light conductor arrangement comprises a plurality of transmitting light guides whose end face centers are arranged on a circular arc according to an embodiment of the invention, wherein the circular arc preferably has the cone axis as the center.
  • the end faces of the transmission optical fibers can be arranged immediately adjacent to each other according to an embodiment of the invention. By this it is meant that there are no receiving front ends between the immediately adjacent transmitting optical fiber end faces. However, this does not exclude that the transmitting and receiving light guides are taken in Ferullen and thus the optical fibers including their faces by Ferullenmaterial separated or spaced from each other.
  • the Empfangslächtieiteran extract comprises a plurality of Empfangsiichtieiter whose end faces are arranged in a region whose shortest closed boundary line encloses an image of the end faces of the transmitting light conductor, which is formed by a rotation of the end faces of the transmitting light guide about the cone axis by an angle of 180 °.
  • the end faces of the receiving light emitters can cover, for example, at least 20%, preferably at least 35% and particularly preferably at least 50% of the area of the area whose shortest closed bounding line encloses an image of the end faces of the transmission light conductors, which differs by rotation
  • End faces of the transmitting light conductor around the cone axis by an angle of 180 ° arises.
  • the receiving optical fiber assembly a plurality of receiving optical fibers include their end faces are arranged in a region whose shortest closed boundary line encloses a simulated image of the end faces of the Sendelichtieiter, which through the beam path of the irradiated by the transmitting light conductors in the ATR body light Assumption of a numerical aperture in air of not less than 0.1 and not more than 0.3 after two total reflections at the conical surface of the ATR body and exit from the ATR body in the plane of the end face of the receiving optical fiber is formed.
  • the simulated image can be made, for example assuming a numerical aperture in air of not more than 0.15, wherein the end faces of the receiving light guide, for example, at least 20%, preferably at least 35% and more preferably at least 50% of the area of the area cover its shortest closed Begrenzungslinäe the said simulated image of the end faces of the transmission optical conductor encloses.
  • the ATR probe comprises a ferrule, by means of which the transmitting optical fibers and the receiving optical fibers are positioned, wherein the optical axis of the transmitting optical fiber or the receiving optical fiber in the ferrule extends substantially parallel to the axis of the conical or kegeistumpfförmigen portion.
  • the ATR probe comprises a ferrule, by means of which the transmitting optical fibers and the Empfangslichtieiter are positioned, wherein the optical axes of the Sendelichtieiter or the Empfangsandersammlungr in the Ferulle each with respect to the axis of the cone or keirustumpfförmigen section to the axis of the cone are tilted so that the k vector of the light irradiated along the optical axis of a transmission optical fiber in the ATR body has a radially inwardly directed component and the k vector of light received along the optical axis of a receiving optical fiber in the ATR body having a radially outwardly directed component.
  • the end faces of the fibers are preferably perpendicular to the optical axis of the fiber.
  • Section and the intersection of the optical axis of the respective light guide is defined with the end face, is twisted, so that the k-
  • Vector of along the optical axis of the transmission optical fiber irradiated light in the ATR body has a tangential component or the k vector of the light received along the optical axis of a received light guide in the ATR body has a tangential component
  • the area centroid or the area of maximum intensity of the light reflected twice by the ATR body, which emanates from a transmission light guide can firstly be displaced radially inwards in the plane of the end faces of the light guides. Secondly, the area centroid or the area of maximum intensity of the light reflected twice by the ATR body, which emanates from a transmitting optical waveguide, is also twisted in the plane of the end faces of the optical waveguides with respect to a point reflection of the receiving fiber on the cone axis.
  • the discussed displacement and twisting of this point enables the position to remain free with respect to one transmit light guide for another transmit light guide.
  • even-numbered symmetries of transmission fiber arrays are possible, in particular quadrivalent or hexagonal symmetries, with hexagonal symmetries allowing the largest packing density of optical fibers.
  • end faces of receiving light guides may be arranged between the end faces of transmitting light conductors. This means that the connecting line between points of two adjacent transmitting optical fiber end faces intersects a receiving optical fiber end face.
  • the end faces of the transmitting light conductors lie on a circle, wherein the centers of the faces of at least 50% ailer Empfanglichtleiter, preferably at least 75% of all Empfangslichtielaborer, in particular all received light guide within this circle.
  • the transmission optical fiber assembly comprises at least one transmission optical fiber, wherein the light emitted by a transmission optical fiber is detected after passing through the ATR body of two or more receiving optical fibers.
  • the transmitting light guides and the receiving light guides each have an end face at the distance to the ATR body at least ⁇ o / 2 in air, for example 5 microns preferably at least 100 microns and more preferably at least 200 microns.
  • the value ⁇ 0 denotes the largest wavelength that is taken into account in the evaluation of the ATR signal.
  • This distance prevents pressure- or temperature-dependent interference in the air gap between the optical fibers (in particular optical fibers) and the ATR body from leading to intensity modulations of the ATR signal.
  • a Fabry-Perot effect is thus largely eliminated.
  • the ATR probe comprises a ferrule, by means of which the transmitting optical fibers and the receiving optical fibers are positioned, and a housing having a mediate-side opening and a sealing ring, which is arranged around the medial-side opening, wherein the ATR body to the Sealing ring rests and is axially elastically clamped between the sealing ring and the ferrule.
  • the elasticity can be given in particular by an elastic sealing ring, or by an elastic body, which is arranged in the clamping path, ie the sequence of components via which the clamping forces are transmitted to the rear side facing away from the ATR body of the Ferulle at any position.
  • the transmitting optical fiber array and the receiving optical fiber array are preferably positioned and aligned so that light impinging on surface portions of the ATR body against which the sealing ring abuts is less than 5%, preferably less than 2%, and more preferably less than 1%, to the signal ATR probe contributes.
  • the ATR body may in principle comprise any materials which are transparent in the required spectral range and have a sufficiently high refractive index in order to enable total reflection at interfaces with the media to be investigated, in particular aqueous media. Furthermore, chemical and abrasive resistance of
  • the transmitting optical fibers or the receiving optical fibers may preferably comprise optical fibers which preferably comprise silver halide, quartz, a polymer or chalcogenide which has sufficient transmission in the wavelength range of the light used.
  • any immersion media is used like oils or glue dispensed.
  • immersion media are dispensed with in the entire beam path of the probe, ie even when coupling a source or a receiver to the light guides.
  • the transmission fibers and the receiving optical fibers may comprise optical waveguides having an inner coating containing, for example, silver halide or Au.
  • Fig. 1 A schematic diagram of an ATR probe according to the invention with a conical ATR body
  • FIG. 2 a sectional view of a probe head of an ATR probe according to the invention with conical ATR body;
  • FIG. 3 shows a sectional drawing through a conical ATR body for the beam calculation of an ATR probe with conical ATR body
  • FIG. 4 shows a plan view of an end face of a fiber reticulum for positioning under a conical ATR body according to an embodiment of the invention
  • Fig. 5 A projection of the end faces of paraxial
  • Fig. 6 A recorded with an ATR probe according to the invention spectrum of iso-propanol.
  • FIG. 7 a a projection of the end faces of transmitting light guides inclined and twisted with respect to the cone axis according to another embodiment of the invention onto the end face of the fiber web with a half opening angle of the 1 ° light fluence emitted by the light guides in the material of the ATR body;
  • Fig. 7b A projection of the end faces of tilted and twisted with respect to the cone axis transmitting optical fibers according to another embodiment of the invention on the end face of the Faserferülie with half an opening angle emitted by the light guides Eiskegeis of 6 ° in the material of the ATR body.
  • Fig. 7c A resulting from the projections positioning of
  • FIG. 1 shows the principle of an ATR probe according to the invention.
  • Light is irradiated via a transmitting optical fiber bundle 1, here a transmitting fiber bundle, into a conical ATR body 2 at its base and after two total refiexionen on the lateral surface of the cone at the base of the ATR body 2 by means of a receiving optical fiber bundle, here a receive fiber bundle 3 decoupled.
  • the irradiation of light via optical fibers which supply the light from spatially separated sources, and decoupling of the light via optical fibers to remote receivers on the one hand allows the construction of a compact probe head and on the other hand, requirements for the explosion protection can be well met.
  • FIG. 1 The construction of a probe head of an ATR probe according to the invention is shown in longitudinal section in FIG.
  • ATR body 2 a substantially conical ZnSe crystal with a cylindrical projection on the base 22 of the cone is provided, which is axially supported by means of an elastic O-ring 4 on a circumferential sealing surface 51 about an end opening 52 in a cylindrical probe housing 5 is.
  • O-ring 4 can in principle have any medium-resistant and temperature-resistant materials with a sufficient, currently Kalrez is preferred.
  • a fiber bead 6 is disposed on the side of the base of the conical ATR body with which the optical fibers are positioned.
  • the fibers are not shown in the drawing to preserve the clarity of the drawing.
  • the end surface 64 of the ferrule 6 may abut directly against the base of the ATR body, however, it should be understood that the end faces of the fibers should preferably be spaced sufficiently apart from the ATR body to avoid intensity variations due to Fabry-Perot interference ,
  • either the end faces of the fibers with respect to the end face 64 of the ferrule 6 may be reset, or between the ferrule 6 and the ATR body is still a spacer provided when the end faces 64 of the fibers are substantially aligned with the end face of the Ferulle.
  • the ferrule 6 is supported on the rear by means of a threaded ring 54 in the probe housing 5, wherein the threaded ring 54 engages in a thread in the wall of the probe housing 6 and on a second axial stop 67, which is formed as a radial projection on the lateral surface of the Feruile 6, is applied.
  • the ferrule also has a rear-side central bore 68, through which the light guides are guided to the respective bores 61, 63 for positioning the light guides.
  • the Ferulle can in principle have any sufficiently stable materials that are compatible with the material of the optical fiber or optical
  • Fibers are compatible, with PEEK currently being preferred since it has a enables simple and accurate production, is inexpensive and has sufficient mechanical stability even at high temperatures.
  • FIG. 3 shows a representation for determining the positions of the transmission fibers and the optical fibers in the optical design.
  • the light distribution at the receiving fibers is calculated in each case with a predetermined position of the light source fibers or transmit density director by means of a 2-dimensional ray calculation. It is numerically estimated how the light passes through the ATR body and how the Uchtquellmaschinen or Sendelambatieiter and detector fibers or Empfangsiichtleiter should be organized spatially in the Faserferulie, so that a possible high light output and thus signal can be achieved at the detector.
  • Uchtquellmaschinen or Sendelambaiter and detector fibers or Empfangsiichtleiter should be organized spatially in the Faserferulie, so that a possible high light output and thus signal can be achieved at the detector.
  • d L Q a large radial distance d L Q between the cone axis of the ATR body and the axis of the light source fiber, starting from the non-negligible numerical aperture NA of the beam, would cause the cone of light to enter through the long light path in the ATR body upon arrival in the plane of the base of the ATR body for decoupling into the receiving fibers would be distributed over a too large area. In this case, it would be necessary to work with many of the expensive receiving fibers. In that regard, it is preferred for cost reasons to keep d L ⁇ minimum.
  • the conical ATR body has a small radius at its cone tip during manufacture, for example not more than 0.5 mm.
  • no light hits the area of the rounded cone tip, because this light is otherwise lost for the ATR effect.
  • NA numerical aperture
  • d t ⁇ between, for example, 0.210 and 0.245 base radii preferably between 0.220 and 0.235 Basisradäen, wherein the base radius by the intersection of the conical surface with the plane of the base of the entire ATR body, ie including the cylindrical part is defined.
  • the value for dua is 0.227 base radii.
  • the monolithic conical ATR body has a diameter of 9 mm and has a 1 mm high cylinder portion as the base to which a conical section with 4.5 mm height and 90 ° Konuswinke! or half an opening angle of 45 °, the base radius is therefore 5.5 mm.
  • This optical component is made of ZnSe.
  • Fig. 2 now shows a simulation with the entrance of the light at the bottom left at the base of the ATR body. The light rays are reflected at the top left of the cone, reach the right upper edge of the cone and are reflected down to the right in the spatial area in which the receiving fibers are to be positioned to detect the light.
  • the light beams of a light guide are drawn in Figure 3 as thin lines.
  • a 2D histogram is first calculated for the light rays arriving at the base of the ATR body (bottom right in FIG. 3).
  • the 2D histogram is represented by the solid thick line. It shows the number of rays striking the base per unit length.
  • the envelope of this distribution corresponds approximately to a uniform rectangle distribution.
  • the skew-shaped deviation of the curve from a rectangular distribution is due to the limited number of rays from the light source which were taken into account in the calculation.
  • the dotted curve represents the distribution of the beams incident on the base per unit area in a simplified 3D model.
  • the number of beams is taken from the 2D model and divided by the ring surface elements, so that this distribution is concentrated to the center.
  • the receiving light guides are to be positioned so that they capture the light incident on the base as effectively as possible.
  • Fig. 4 shows an arrangement of transmitting and receiving light guides, which takes into account the result of the above calculations.
  • six transmission optical fibers 11 are positioned with their center on a radius of 0.227 base radii about the cone axis.
  • the reception optical fibers define an area in which a sufficiently large proportion of the light incident on the base is detected.
  • FIG. 5 Another simulation result of the light distribution is shown in FIG. 5. It first shows the positions of the six transmission light guides of FIG. 4.
  • the outer edge of the area is shown in which the light from the light cones, which are radiated by the parallax-oriented transmit optical fibers, after two occurring at the Kegeimantei feelings total reflections hits the base.
  • a half opening angle of 6 ° was assumed for the light cone. The result essentially confirms that the positioning of the receiving light guides according to FIG. 4 makes sense and detects a sufficiently large proportion of the reflected light.
  • Fig. 6 finally shows an absorption spectrum of an aqueous solution of 0.5% by weight of iso-propanoi, which was taken up by means of the ATR probe.
  • the signal-to-noise ratio is excellent, for a commercial ATR probe.
  • FIGS. 7a to c show simulation data for another embodiment of an ATR probe according to the invention with a conical ATR body, in which the end faces of six transmitters in hexagonal symmetry are arranged on a circular arc.
  • the axes of the transmission light guide are inclined radially inwardly.
  • the k-vector of the light irradiated along the radiator axes has a radially inward and a tangential component.
  • the transmission optical axes are aligned in the case such that the inclination of the axis of irradiated light in the ATR body is about 6 ° and the rotation about 40 ° relative to the axial plane, then the respective center of the light from an optical fiber on the base surface of the reflected light are shifted so that the centers of the light to be coupled out with the end faces of the Send light guides in a first approximation form a hexagonal pattern, the centers fall on gaps between the end faces of the transmission light guide.
  • a half opening angle of 1 ° was set in the ATR body for the irradiated light cone.
  • the resulting positions 24 are shown in Fig. 7a together with the end faces 14 of the transmission light guide.
  • FIG. 7b shows the distribution of the light 26 to be coupled out assuming a half opening angle of 6 ° in the ATR body for the incident light cone.
  • a seventh addressee feed occupies the gap in the center of the light guide assembly.
  • a receive light guide is positioned so that the angular range of maximum intensity about the axis of the irradiated light is detected by this one receiving light guide.
  • the receiving light guides are hexagonal, that is arranged in the densest possible package, which also the outside of the core region of a reflected light beam occurring light is optimally detected by adjacent receiving light guides.

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Abstract

Eine ATR-Sonde umfasst einen monolithischen ATR-Körper (2), welcher einen mit einem Medium beaufschlagbaren Oberflächenabschnitt (24) aufweist; eine Sendelichtleiteranordnung (1) zum Einstrahlen nicht kollimierten Lichts in den ATR-Körper (2); eine Empfangslichtleiteranordnung (3) zum Empfangen des eingestrahlten Lichts nach Durchgang durch den ATR-Körper, wobei der Durchgang des Lichts durch den ATR Körper mindestens zwei Totalreflexionen an einer medienberührenden Oberfläche (24) des ATR-Körpers umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Empfangslichtleiteranordnung, zum Empfangen des aus dem ATR-Körper austretenden Lichts größer ist als die Fläche der Sendelichtleiteranordnung zum Einstrahlen des Lichtes in den ATR-Körper. Der ATR-Körper (2) umfasst vorzugsweise zumindest einen Abschnitt mit einer kegel- bzw. kegeistumpfförmigen Oberfläche (24), und die kegelstumpfförmige Oberfläche zumindest abschnittsweise mit dem Medium beaufschlagbar ist.

Description

ATR-Sonde
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ATR-Sonde zum Erfassen einer optischen Eigenschaft eines Mediums, umfassend einen monolithischen ATR-Körper, welcher zumindest einen mit dem Medium beaufschlagbaren Oberflächenabschnitt aufweist, sowie eine Sendelichtleiteranordnung zum Einstrahlen nicht kollimierten Lichts in den ATR-Körper; und eine Empfangslichtleiteranordnung zum Empfangen des eingestrahlten Lichts nach Durchgang durch den ATR-Körper.
Eine derartige ATR-Sonde ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 036 409 A1 offenbart. Diese Sonde setzt auf eine einzige Totaireflexion an der medienberührenden Grenzfläche eines ATR-Körpers und weist einen sehr einfachen Aufbau auf. Die Empfindlichkeit dieser Sonde ist jedoch verbesserungsfähig.
US2001 /0030288 A1 offenbaren ATR-Sonden mit Zyiinderiinsen zwischen Sender und ATR-Körper sowie zwischen dem ATR-Körper und einem Dioden-Zeilendetektor.
DE 198 56 591 A1 offenbart eine ATR-Sonde mit zwei separaten Lichtkanälen.
US 5 991 029 A offenbart eine ATR-Sonde mit mehreren Reflexionen an medienberührenden Oberflächen eines ATR-Körpers, wobei die Facette mit dem kleinsten Reflexionswinke! verspiegelt ist um dort eine Auskopplung des Lichts zu vermeiden.
US 5 773 825 A offenbart eine ATR-Sonde mit einem Prisma zum Einkoppeln des Lichtes und dazu noch einer dünnen optischen Scheibe. US 5 703 366 A offenbart in ähnlicher weise einen Mehrteiligen ATR- Körper mit einem ersten Kristallkörper und einer Kristallscheibe sowie einer optisch durchlässigen Grenzfläche dazwischen.
US 4 826 313 A offenbart eine ATR-Sonde mit optischen Linsen für die Kollimierung von divergenten Strahlenbündeln.
EP 0 206 433 A2 offenbart eine ATR-Sonde mit mindestens zwei medienberührenden Flächen.
Die genannten Sonden sind optisch bzw. konstruktiv sehr aufwändig zu realisieren und führen damit zu erhöhten Herstellungskosten, insbesondere dann wenn die Sonde in einen zylindrischen Sondenschaft mit einem geringen Durchmesser integriert werden soll.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine ATR-Sonde insbesondere für Prozess-Anwendungen bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere ein verbessertes Signal zu Rausch-Verhältnis aufweist, und für eine einfache Serienfertigung geeignet ist. Vorzugsweise ist die Sonde chemisch resistent gegen Lösungsmittel, Basen und Säuren sowie abrasive Medien.
Die Aufgabe wird gelöst durch die ATR-Sonde gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße ATR-Sonde zum Erfassen einer optischen Eigenschaft eines Mediums, umfasst: einen monolithischen ATR-Körper, welcher zumindest einen mit dem Medium beaufschlagbaren Oberflächenabschnitt aufweist; eine Sendeüchtleiteranordnung zum Einstrahlen nicht kollimierten Lichts in den ATR-Körper; eine Empfangslichtleiteranordnung zum Empfangen des eingestrahlten Lichts nach Durchgang durch den ATR-Körper, wobei der Durchgang des Lichts durch den ATR Körper mindestens zwei Totalreflexionen an einer medienberührenden Oberfläche des ATR-Körpers umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Fläche der Empfangsüchtleiteranordnung, zum Empfangen des aus dem ATR-Körper austretenden Lichts um einen Faktor F größer ist a!s die wirksame Fläche der Sendelichtleiteranordnung zum Einstrahlen des Lichtes in den ATR- Körper, wobei F mindestens 1 , bevorzugt mindestens 4/3 und weiter bevorzugt mindestens 3/2 und besonders bevorzugt mindestens 2 beträgt, und wobei die Sendelichtleiteranordnung mindestens zwei Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiteranordnung mindestens drei Empfangsüchtleiter umfasst.
Gemäß einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der ATR-Körper zumindest einen Abschnitt mit einer kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Oberfläche umfasst, und die kegelstumpfförmige Oberfläche zumindest abschnittsweise mit dem Medium beaufschlagbar ist.
Der Abschnitt mit der kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Oberfläche kann beispielsweise einen halben Öffnungswinke! von nicht weniger als 40 ° und nicht mehr als 50 °, vorzugsweise nicht weniger als 43 ° und nicht mehr als 47 °, insbesondere 45 ° aufweisen. Der halbe Öffnungswinkel bezeichnet den Winkel zwischen der Symmetrieachse des Kegels und der Mantelfläche des Kegels.
In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann der ATR- Körper einen zylindrischen Abschnitt umfassen, welcher an die Basis des kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Abschnitts anschließt. Der zylindrische Abschnitt kann beispielsweise eine Höhe aufweist, die nicht mehr als 1/2, vorzugsweise nicht mehr ais 1/3, weiter bevorzugt nicht mehr als 1/4 des Radius der Basis des kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Abschnitts beträgt. In einer zusätzlichen Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung weist der ATR-Körper eine abgerundete Spitze auf, die an den kegeistumpfförmigen Abschnitt anschließt. Die abgerundete Spitze kann beispielsweise einen Radius aufweisen, der nicht mehr als 1/6, vorzugsweise nicht mehr als ein 1/7, weiter bevorzugt nicht mehr als 1/8 des Radius der Basis des kegelstumpfförmigen Abschnitts beträgt.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die ATR-Sonde weiterhin eine Feruile, mittels derer die SendeÜchtleiter und die Empfangslichtleiter positioniert sind, und einen Abstandkörper der zwischen der Ferulle und dem ATR-Körper eingespannt ist, wobei der Abstandkörper beispielsweise einen Überwurfring umfassen kann.
in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sendelichtleiteranordnung mehrere Sendelichtleiter umfasst, deren Stirnflächenzentren gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auf einem Kreisbogen angeordnet sind, wobei der Kreisbogen bevorzugt die Kegelachse als Zentrum aufweist.
Die Stirnflächen der Sendelichtleiter können gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein. Damit ist gemeint, dass zwischen den unmittelbar benachbarten Sendelichtleiterstirnflächen keine Empfangslächtieiterstirnflächen liegen. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Sende- bzw. Empfangslichtleiter in Ferullen gefasst sind und somit die Lichtleiter einschließlich ihrer Stirnflächen durch Ferullenmaterial voneinander getrennt bzw. zueinander beabstandet sind. in einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Empfangslächtieiteranordnung mehrere Empfangsiichtieiter, deren Stirnflächen ein einem Gebiet angeordnet sind, dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinie eine Abbildung der Stirnflächen der Sendelichtleiter umschließt, welche durch eine Rotation der Stirnflächen der Sendelichtleiter um die Kegelachse um einen Winkel von 180 ° entsteht.
Die Stirnflächen der Empfangslichtleäter können beispielsweise mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 35 % und besonders bevorzugt mindestens 50 % der Fläche des Gebietes bedecken, dessen kürzeste geschlossene Begrenzungsünie eine Abbildung der Stirnflächen der Sendeiichtleiter umschließt, weiche durch eine Rotation der
Stirnflächen der Sendelichtleiter um die Kegelachse um einen Winkel von 180 ° entsteht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Empfangslichtleiteranordnung, mehrere Empfangslichtleiter umfassen deren Stirnflächen in einem Gebiet angeordnet sind, dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinie eine simulierte Abbildung der Stirnflächen der Sendelichtieiter umschließt, welche durch den Strahlengang des von den Sendelichtleitern in den ATR-Körper eingestrahlten Lichtes unter Annahme einer numerischen Apertur in Luft von nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,3 nach zwei Totalreflexionen an der kegelförmigen Mantelfläche des ATR-Körpers und Austritt aus dem ATR-Körper in der Ebene der Stirnfläche der Empfangsllichtleiter entsteht. Die simulierte Abbildung kann beispielsweise unter Annahme einer numerischen Apertur in Luft von nicht mehr als 0,15 erfolgen, wobei die Stirnflächen der Empfangslichtleiter beispielsweise mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 35 % und besonders bevorzugt mindestens 50 % der Fläche des Gebietes bedecken dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinäe die genannte simulierte Abbildung der Stirnflächen der Sendeiichtleiter umschließt.
in einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die ATR-Sonde eine Ferulle, mittels derer die Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter positioniert sind, wobei die optische Achse der Sendelichtleiter bzw. der Empfangslichtleiter in der Ferulle im wesentlichen parallel zur Achse des kegel- bzw. kegeistumpfförmigen Abschnitts verläuft.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die ATR-Sonde eine Ferulle, mittels derer die Sendelichtleiter und die Empfangslichtieiter positioniert sind, wobei die optischen Achsen der Sendelichtieiter bzw. der EmpfangslichtSeiter in der Ferulle jeweils bezüglich der Achse des kegel- bzw. kegeistumpfförmigen Abschnitts zur Achse des Kegels hin gekippt sind, so dass der k-Vektor des entlang der optischen Achse eines Sendelichtleiters eingestrahlten Lichtes im ATR-Körper eine radial einwärts gerichtete Komponente aufweist bzw. der k-Vektor des entlang der optischen Achse eines Empfangslichtleiters empfangenen Lichts im ATR-Körper eine radial auswärts gerichtete Komponente aufweist.
Sofern die Lichtleiter Fasern umfassen, verlaufen die Stirnflächen der Fasern vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse der Faser.
In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung können die optischen Achsen der Sendelichtleäter bzw. der Empfangslichtleiter in der
Ferulle jeweils eine zur Achse des kegel- bzw. kegeistumpfförmigen
Abschnitts parallele Ebene definieren welche bezüglich einer
Zentralebene die durch die Achse des kegel- bzw. kegeistumpfförmigen
Abschnitts und den Schnittpunkt der optischen Achse des jeweiligen Lichtleiters mit dessen Stirnfläche definiert ist, verdreht ist, so dass der k-
Vektor des entlang der optischen Achse des Sendelichtleiters eingestrahlten Lichts im ATR-Körper eine tangentiale Komponente aufweist bzw. der k-Vektor des entlang der optischen Achse eines Empfangslichtleiters empfangenen Lichts im ATR-Körper eine tangentiale Komponente aufweist,
Mit der genannten Ausgestaltung lässt sich der Flächenschwerpunkt bzw. der Bereich maximaler Intensität des von dem ATR-Körper zweifach reflektierten Lichts, welches von einem Sendelichtleiter ausgeht, in der Ebene der Stirnflächen der Lichtleiter erstens radial einwärts verschieben. Zweitens ist der Flächenschwerpunkt bzw. der Bereich maximaler Intensität des von dem ATR-Körper zweifach reflektierten Lichts, welches von einem Sendelichtleiter ausgeht, in der Ebene der Stirnflächen der Lichtleiter auch noch gegenüber einer Punktspiegelung der Empfangsfaser an der Kegelachse verdreht. Insoweit als es vorteilhaft ist zumindest in dem genannten Flächenschwerpunkt bzw. im Bereich maximaler Intensität oder zumindest möglichst nahe dazu einen Empfangslichtleiter zu positionieren ermöglicht die diskutierte Verschiebung und Verdrehung dieses Punktes, dass die Position gegenüber einer Sendelichtleitern frei bleiben kann für einen anderen Sendelichtleiter. Damit sind beispielsweise geradzahlige Symmetrien von Sendefaseranordnungen möglich, insbesondere vierzählige oder hexagonale Symmetrien wobei hexagonale Symmetrien die größte Packungsdichte von Lichtleitern ermöglichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung können zwischen den Stirnflächen von Sendelichtleiter jeweils Stirnflächen von Empfangslichtieitern angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die Verbindungslinie zwischen Punkten zweier benachbarter Sendelichtleiterstirnflächen eine Empfangslichtleiterstirnfläche schneidet. In einer Weiterbildung der Erfindung liegen die Stirnflächen der Sendelichtleiter auf einem Kreis, wobei die Zentren der Stirnflächen von mindestens 50 % ailer Empfangslichtleiter, vorzugsweise mindestens 75 % aller Empfangslichtieäter, insbesondere aller Empfangslichtleiter innerhalb dieses Kreises liegen.
Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung umfasst die Sendelichtleiteranordnung mindestens einen Sendelichtleiter, wobei das von einem Sendelichtleiter emittierte Licht nach Durchgang durch den ATR-Körper von zwei oder mehr Empfangslichtleitern erfasst wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter jeweils eine Stirnfläche auf deren Abstand zu dem ATR-Körper mindestens λo/2 in Luft, beispielsweise 5 μm vorzugsweise mindestens 100 μm und weiter bevorzugt mindestens 200 μm beträgt. Der Wert λ0 bezeichnet die größte Wellenlänge die bei der Auswertung des ATR-Signals berücksichtigt wird. Durch diesen Abstand wird verhindert dass druck- oder Temperaturabhängige Interferenzen im Lufspalt zwischen den Lichtleitern (insbesondere Lichtleiterfasern) und dem ATR- Körper zu Intensitätsmodulationen des ATR-Signais führen. Ein Fabry- Perot-Effekt ist also weitgehend eliminiert. Andererseits ist es vorteilhaft, wenn die Stirnflächen jeweils einen Abstand von nicht mehr als einen Durchmesser des jeweiligen Lichtleiters zu dem ATR-Körper aufweisen. Auf diese Weise wird die Aufweitung des ausgesandten Lichts in dem Luftspalt begrenzt.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die ATR-Sonde eine Ferulie, mittels derer die Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter positioniert sind, und ein Gehäuse mit einer medäenseitigen Öffnung, sowie einem Dichtring, weicher um die medienseitige Öffnung angeordnet ist, wobei der ATR-Körper an dem Dichtring anliegt und zwischen dem Dichtring und der Ferulle axial elastisch eingespannt ist. Die Elastizität kann insbesondere durch einen elastischen Dichtring gegeben sein, oder durch einen elastischen Körper, der in der Einspannstrecke, also der Folge von Bauteilen über welche die Einspannkräfte übertragen werden, auf der dem ATR-Körper abgewandten Rückseite der Ferulle an beliebiger Position angeordnet ist.
Die Sendelichtfeiteranordnung und die Empfangslichtleiteranordnung sind vorzugsweise so positioniert und ausgerichtet, dass Licht welches auf Oberflächenabschnitte des ATR-Körpers trifft, an denen der Dichtring anliegt, weniger als 5 % vorzugsweise weniger als 2 % und weiter bevorzugt weniger als 1 % sind, zum Signal der ATR-Sonde beiträgt.
Der ATR-Körper kann grundsätzlich beliebige Materialien umfassen, die im erforderlichen Spektralbereich transparent sind, und einen hinreichend großen Brechungsindex aufweisen, um Totalreflexion an Grenzflächen zu den zu untersuchenden Medien, insbesondere wässrigen Medien, zu ermöglichen. Weiterhin ist chemische und abrasive Beständigkeit von
Vorteil. Grundsätzlich sind insbesondere ZnSe, Diamant, oder Saphir geeignet, oder Ge mit einer DLC-Beschichtung, wobei DLC für eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung steht (nach dem Englischen
„Diamond Like Carbon").
Die Sendelichtleiter bzw. die Empfangslichtleiter können bevorzugt optische Fasern umfassen, welche vorzugsweise Silberhalogenid, Quarz, ein Polymer oder Chalkogenid umfassen, welches im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts eine ausreichende Transmission aufweist.
Zwischen den Lichtleitern und dem ATR-Körper wird gemäß einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung auf jegliche Immersionsmedien wie Öle oder Kleber verzichtet. Demnach bleibt dort ein Luftspalt, der aber über die Kontrolle der Abstände zwischen den Lichtleitern und dem ATR- Körper nicht zu Intensitätsmodulationen aufgrund von Interferenzen führt. Weiter bevorzugt wird im gesamten Strahlengang der Sonde, d.h. auch beim Ankoppeln einer Quelle bzw. eines Empfängers an die Lichtleiter, auf Immersionsmedien verzichtet.
Als Alternative dazu können die Sendelfchtleiter bzw. die EmpfangsJichtleiter optische Hohlleiter umfassen, welche eine innenbeschichtung aufweisen, die beispielsweise Silberhalogenid oder Au enthält.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 : Eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde mit einem konischen ATR-Körper;
Fig. 2: Eine Schnittzeichnung eines Sondenkopfs einer erfindungsgemäßen ATR Sonde mit konischem ATR-Körper;
Fig. 3: Eine Schnittzeichnung durch einen konischen ATR-Körper zur Strahlenberechnung einer ATR Sonde mit konischem ATR-Körper;
Fig. 4: Eine Aufsicht auf eine Stirnfläche einer Faserferulie zur Positionierung unter einem konischen ATR-Körper gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5: Eine Projektion der Stirnflächen von achsparallelen
Sendelichtleiter auf die Stirnfläche der Faserferülie mit einer numerischen Apertur der Lichtleiter von 0,25 in Luft, was einem halben Öffnungswinkel des von den Lichtleitern emittierten Lichtkegels von 6 ° im Material des ATR-Körpers entspricht.
Fig. 6: Ein mit einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde aufgenommenes Spektrum von Iso-Propanol; und
Fig. 7a: Eine Projektion der Stirnflächen von bezüglich der Kegelachse geneigten und verdrehten Sendelichtleitern gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auf die Stirnfläche der Faserferülie mit einem halben Öffnungswinkel des von den Lichtleitern emittierten Lichtkegeis von 1 ° im Material des ATR-Körpers;
Fig. 7b: Eine Projektion der Stirnflächen von bezüglich der Kegelachse geneigten und verdrehten Sendelichtleitern gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auf die Stirnfläche der Faserferülie mit einem halben Öffnungswinkel des von den Lichtleitern emittierten Lichtkegeis von 6 ° im Material des ATR-Körpers; und
Fig. 7c: Eine aus den Projektionen resultierende Positionierung von
Empfangslichtleitern für die Anordnung der Sendelichtlieter aus Fign. 7a und 7b. Fig. 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde. Licht wird über ein Sende-Lichtleiterbündel 1 , hier ein Sende-Faserbündel, in einen kegelförmigen ATR-Körper 2 an dessen Basis eingestrahlt und nach zwei Total refiexionen an der Mantelfläche des Kegels an der Basis des ATR- Körpers 2 mittels eines Empfangs-Lichtleiterbündels, hier eines Empfangs-Faserbündels 3 ausgekoppelt.
Der Einstrahlung des Lichts über Lichtleiter, die das Licht von räumlich getrennten Quellen zuführen, und Auskopplung des Lichts über Lichtleiter zu abgesetzten Empfängern ermöglicht einerseits den Aufbau eines kompakten Sondenkopfs und andererseits können Anforderungen an den Explosionsschutz gut erfüllt werden.
Die Konstruktion eines Sondenkopfes einer Erfindungsgemäßen ATR- Sonde ist im Längsschnitt in Fig. 2 dargestellt. Als ATR-Körper 2 ist ein im wesentlichen kegelförmiger ZnSe-Kristall mit einem zylindrischen Ansatz an der Basis 22 des Kegels vorgesehen, der mittels eines elastischen O- Rings 4 an einer umlaufenden Dichtfläche 51 um eine stirnseitige Öffnung 52 in einem zylindrischen Sondengehäuse 5 axial abgestützt ist. Durch die stirnseitige Öffnung 52 ist ein Abschnitt der Mantelfläche 23 des ATR- Körpers mit einem Messmedium beaufschlagbar. Der O-Ring 4 kann prinzipiell beliebige medienbeständige und temperaturbeständige Werkstoffe mit einem hinreichenden aufweisen, derzeit ist Kalrez bevorzugt.
Im Sondengehäuse 5 ist auf der Seite der Basis des Kegelförmigen ATR- Körpers eine Faserferulle 6 angeordnet, mit welcher die Lichtleiter positioniert werden. Hierzu weist die Ferulle 6 Bohrungen 61 , 63 auf, in welche die Fasern mitteis eines geeigneten Klebers eingeklebt sind, beispielsweise mit einem Epoxidharz, welches mit dem Material der Lichtleiterfasern kompatibel ist, wobei die Lichtieiterfasern insbesondere Silberhalogenid aufweisen. Die Fasern sind in der Zeichnung nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung zu bewahren. Grundsätzlich kann die Stirnfläche 64 der Ferulle 6 direkt an der Basis des ATR-Körpers anliegen, wobei jedoch zu beachten ist, dass die Stirnflächen der Fasern vorzugsweise zum ATR-Körper ausreichend beabstandet sein sollten, um Intensitätsmoduiationen aufgrund von Fabry- Perot-Interferenzen zu vermeiden. Dazu können entweder die Stirnflächen der Fasern bezüglich der Stirnfläche 64 der Ferulle 6 zurückgesetzt sein, oder zwischen der Ferulle 6 und dem ATR-Körper ist noch ein Abstandhalter vorgesehen, wenn die Stirnflächen 64 der Fasern im wesentlichen mit der Stirnfläche der Ferulle fluchten. Die zweite Alternative ist hier vorgesehen, wobei ein Aufschraubring 7 von der Stirnseite 64 der Feruile 6 her auf die Ferulle gegen einen ersten axialen Anschlag 66 an der Ferulle 6 aufgeschraubt ist um einen definierten Abstand zwischen der Stirnfläche 64 der Ferulle und der Basis des ATR- Körpers einzustellen, welcher mit einer ringförmig umlaufenden Randfläche seiner Basis 22 an dem Aufschraubring 7 anliegt.
Die Ferulle 6 ist mittels eines Gewinderings 54 in dem Sondengehäuse 5 rückseitig abgestützt, wobei der Gewindering 54 in ein Gewinde in der Wand des Sondengehäuses 6 eingreift und an einem zweiten axialen Anschlag 67, der als radialer Vorsprung an der Mantelfläche der Feruile 6 ausgebildet ist, anliegt.
Die Ferulle weist weiterhin eine rückseitige zentrale Bohrung 68 auf, durch welche die Lichtleiter zu den jeweiligen Bohrungen 61 , 63 zur Positionierung der Lichtleiter geführt werden.
Die Ferulle kann grundsätzlich beliebige, hinreichend formstabile Werkstoffe aufweisen, die mit dem Material der Lichtleiter bzw. optischen
Fasern kompatibel sind, wobei derzeit PEEK bevorzugt ist, da es eine einfache und genaue Fertigung ermöglicht, kostengünstig ist und auch bei hohen Temperaturen eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist.
Fig 3 zeigt eine Darstellung zur Ermittlung der Positionen der SendeÜchtleiter und der Empfangslichtleiter im Optikdesign.
Zur Optimierung der ATR Sonde mit einem konischen ATR-Körper wird durch eine 2-dimensionale Strahlenberechnung (Raytracing) die Licht- Verteilung bei den Empfangsfasern jeweils mit vorgegebener Position der LichtquelJfasern bzw. Sendelichtieiter berechnet. Dabei wird numerisch abgeschätzt, wie das Licht durch den ATR-Körper verläuft und wie die Uchtquellfasern bzw. Sendelächtieiter und Detektorfasern bzw. Empfangsiichtleiter räumlich in der Faserferulie organisiert sein sollen, damit eine mögiichst hohe Lichtausbeute und damit auch Signal am Detektor erreicht werden kann. Hierbei sind einige Randbedingungen zu beachten.
Erstens würde ein großer radialer Abstand dLQ zwischen der Konusachse des ATR-Körpers und der Achse der Lichtquelifaser, ausgehend von der nicht vernachiässigbaren numerischen Apertur NA des Strahlenbündels, dazu führen, dass der Lichtkegel durch den langen Lichtweg im ATR- Körper bei der Ankunft in der Ebene der Basis des ATR-Körpers zum Auskoppeln in die Empfangsfasern auf eine zu große Fläche verteilt sein würde. In diesen Fall wäre es erforderlich mit sehr vielen der teuren Empfangsfasern zu arbeiten. Insoweit ist es aus Kostengründen bevorzugt dLα minimal zu halten.
Zweitens erhält der konische ATR-Körper bei der Herstellung an seiner Konusspitze einen kleinen Radius, der beispielsweise nicht mehr als 0,5 mm beträgt. Vorzugsweise trifft kein Licht in den Bereich der abgerundeten Konusspitze, weil dieses Licht für den ATR Effekt sonst verloren geht. Zusammen mit der numerischen Apertur NA der eingesetzten Lichtieiterfasem und somit der maximalen, nach innen zeigenden Strahlwinkel von beispielsweise etwa 15 ° in Luft und 6 ° in ZnSe, begrenzt dieses den minimalen Wert für dLQ. Bei der Optimierung von CJLQ für einen Kegelradius von 4,5 mm ergibt sich das folgende: Bei dLQ=1 ,0 mm trifft Licht in den Bereich der abgerundeten Konusspitze. Bei
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mm verteilt sich das Licht auf eine zu große Fläche, so dass zu viele Empfangsfaser benötigt würden.
Drittens ist zu beachten, dass vorzugsweise möglichst wenig Lichtstrahlen auf den Bereich der Mantelfläche treffen an dem der O-Ring anliegt, wei! ansonsten dieses Licht die Absorption des O-Ringmaterials erfahren würde,
Als Resultat ergibt sich bei achsparalleler Ausrichtung der Lichtleiterachsen ein geeigneter Wert für dtα zwischen beispielsweise 0,210 und 0,245 Basisradien vorzugsweise zwischen 0,220 und 0,235 Basisradäen, wobei sich der Basisradius durch den Schnitt der Kegelmantelfläche mit der Ebene der Basis des gesamten ATR-Körpers, also einschließlich des zylindrischen Teils definiert ist. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Wert für dua 0,227 Basisradien.
In der derzeit bevorzugten Ausgestaltung hat der monolithische konische ATR-Körper ein Durchmesser von 9 mm und weist einen 1 mm hohen Zylinderabschnitt als Basis auf, an den ein konischer Abschnitt mit 4,5 mm Höhe und 90 ° Konuswinke! bzw. einem halben Öffnungswinkel von 45 ° anschließt, Der Basisradius beträgt demnach 5,5 mm. Dieses optische Bauelement wird aus ZnSe hergestellt. Fig. 2 zeigt nun eine Simulation mit dem Eintritt des Lichtes links unten an der Basis des ATR-Körpers. Die Lichtstrahlen werden oben links am Konus reflektiert, gelangen zur rechten oberen Rand vom Konus und werden dort nach unten rechts in den räumlichen Bereich reflektiert, in dem die Empfangsfasern zu positionieren sind, um das Licht zu erfassen. Die Lichtstrahlen eines Lichtleiters sind in Fig.3 als dünne Linien gezeichnet. Zur Positionsermittlung für die Empfangsfasern wird zunächst ein 2D-Histogramm berechnet für die Lichtstrahlen die an der Basis des ATR-Körpers (rechts unten in Fig.3) ankommen. Das 2D-Histogramm ist durch die durchgezogene dicke Linie dargestellt. Es zeigt die Anzahl der an der Basis auftreffenden Strahlen pro Längeneinheit. Die Einhüllende dieser Verteilung entspricht etwa einer gleichmäßigen Rechteck- Verteilung. Die spätzenförmige Abweichung der Kurve von einer Rechteckverteilung liegt an der begrenzten Anzahl Strahlen aus der Lichtquelle die bei der Berechnung berücksichtigt wurden.
Die punktierte Kurve stellt die Verteilung der an der Basis auftreffenden Strahlen pro Flächeneinheit in einem vereinfachten 3D-Modell. Dabei wird die Anzahl Strahlen aus dem 2D-Modeli genommen und durch die Ringflächen-Elemente geteilt, so dass diese Verteilung zur Mitte konzentriert ist.
Die Empfangslichtleiter sind so zu positionieren, dass sie das an der Basis auftreffende Licht möglichst effektiv erfassen.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung von Sende- und Empfangslichtleitern, die das Ergebnis der obigen Berechnungen berücksichtigt. Hierzu sind sechs Sendelichtleiter 11 mit ihrem Zentrum auf einem Radius von 0,227 Basisradien um die Kegelachse positioniert. Gegenüber den Sendelichtleitern definieren die Empfangslichtleiter ein Gebiet in dem ein hinreichend großer Anteil des an der Basis auftreffenden Lichts erfasst wird.
Eine anderes Simulationsergebnis der Lichtverteilung ist Fig. 5 dargestellt, Es zeigt zunächst die Positionen der sechs Sendelichtleiter aus Fig. 4.
Zusätzlich ist der äußere Rand des Gebiets dargestellt in dem das Licht von den Lichtkegeln, die von den achsparaliel ausgerichteten Sendelichtleitern eingestrahlt werden, nach zwei an der Kegeimanteifläche erfolgenden Totalreflexionen an der Basis auftrifft. Hierbei wurde für die Lichtkegel ein halber Öffnungswinkels von 6 ° angenommen. Das Ergebnis bestätigt im wesentlichen, dass die Positionierung der Empfangslichtleiter gemäß Fig. 4 sinnvoll ist und einen hinreichend großen Anteil des reflektierten Lichts erfasst.
Fig, 6 zeigt schließlich ein Absorptionsspektrum einer wässrigen Lösung von 0,5 WT-% Iso-Propanoi, welches mittels der ATR-Sonde aufgenommen wurde. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist augezeichnet, für eine kommerzielle ATR-Sonde.
Fign. 7a bis c zeigen schließlich Simulationsdaten zu einer anderen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde mit einem konischen ATR-Körper, bei der die Stirnflächen von sechs Sendeüchtleitern in hexagonaler Symmetrie auf einem Kreisbogen angeordnet sind. Dabei sind die Achsen der Sendelichtleiter radial einwärts geneigt. Weiterhin sind die zur Kegelachse des ATR-Körpers parallelen Ebenen, in denen jeweils die geneigten Achsen der Sendelichtleiter verlaufen, gegenüber den jeweiligen Axialebenen, die durch Kegelachse des ATR-Körpers und den Schnittpunkt der Achse eines Sendelichtieiters mit dessen Stirnfläche definiert sind, um einen verdreht. Im Ergebnis weist der k-Vektor des entlang der Lichtieiterachsen eingestrahlten Lichtes eine radial einwärts gerichtete und eine tangentiale Komponente auf. Wenn die Sendelichteiterachsen beispielsweise so in der Ferulle ausgerichtet sind, dass beispielsweise die Neigung der Achse des eingestrahlten Lichtes im ATR-Körper etwa 6 ° und die Verdrehung gegenüber der Axialebene etwa 40 ° beträgt, dann kann das jeweilige Zentrum des von einem Lichtleiter auf die Basisfläche des reflektierten Lichtes so verschoben werden, dass die Zentren des auszukoppelnden Lichtes mit den Stirnflächen der Sendelichtleiter in erster Näherung ein hexagonales Muster bilden, wobei die Zentren auf Lücken zwischen den Stirnflächen der Sendelichtleiter fallen. Zur Identifizierung der Positionen der Zentren des auszukoppelnden Lichtes in der an der Basis des ATR-Körpers wurde ein halber Öffnungswinkel von 1 ° im ATR-Körper für die eingestrahlten Lichtkegel angesetzt. Die resultierenden Positionen 24 sind in Fig. 7a zusammen mit den Stirnflächen 14 der Sendelichtleiter dargestellt. Fig. 7b zeigt die Verteilung des auszukoppelnden Lichts 26 unter Annahme eines halben Öffnungswinkels von 6 ° im ATR-Körper für die eingestrahlten Lichtkegel.
Die daraus folgende Anordnung der Empfangslichtleiter 26 ist in Fig. 7c ersichtlich. Demnach ist auf jedem Lichtpunkt aus Fig. 7a die Stirnfläche ein Empfangslichtleiters positioniert, ein siebter Empfangsüchtleiter besetzt die Lücke im Zentrum der Lichtleiteranordnung. Diese Ausführungsform ist insoweit vorteilhaft, als für jeden Sendelichtleiter ein Empfangslichtleiter so positioniert ist, dass der Winkelbereich maximaler Intensität um die Achse des Eingestrahlten Lichtes von diesem einen Empfangslichtleiter erfasst wird. Zudem sind die Empfangslichtleiter hexagonal, also in dichtest möglicher Packung angeordnet, womit auch das außerhalb des Kernbereichs eines reflektierten Lichtbündels auftretende Licht optimal von benachbarten Empfangslichtleitern erfasst wird.

Claims

Patentansprüche:
1. ATR-Sonde zum Erfassen einer optischen Eigenschaft eines Mediums, umfassend:
einen monolithischen ATR-Körper (2) , welcher zumindest einen mit dem Medium beaufschlagbaren Oberflächenabschnitt (24) aufweist;
eine Sendelichtleiteranordnung (1 ) zum Einstrahlen nicht koilimierten Lichts in den ATR-Körper (2);
eine Empfangslichtleiteranordnung (3) zum Empfangen des eingestrahlten Lichts nach Durchgang durch den ATR-Körper, wobei der Durchgang des Lichts durch den ATR Körper mindestens zwei Totalreflexionen an einer medienberührenden Oberfläche (24) des
ATR-Körpers umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass
die wirksame Fläche der Empfangsiichtleiteranordnung, zum Empfangen des aus dem ATR-Körper austretenden Lichts um einen Faktor F größer ist als die wirksame Fläche der
Sendelichtleiteranordnung zum Einstrahlen des Lichtes in den ATR- Körper, wobei F mindestens 1 , bevorzugt mindestens 4/3 und weiter bevorzugt mindestens 3/2 und besonders bevorzugt mindestens 2 beträgt, und wobei die Sendelichtleiteranordnung mindestens zwei Sendelichtleiter und die Empfangsüchtleiteranordnung mindestens drei Empfangslichtleiter umfasst.
2. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ATR-Körper (2) zumindest einen Abschnitt mit einer kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Oberfläche (24) umfasst, und die kegelstumpfförmige Oberfläche zumindest abschnittsweise mit dem Medium beaufschlagbar ist.
3. ATR-Sonde nach Anspruch 2, wobei der ATR-Körper (2) einen zylindrischen Abschnitt umfasst, welcher an die Basis des kegel- bzw, kegelstumpfförmigen Abschnitts anschließt.
4. ATR Sonde nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der ATR- Körper eine abgerundete Spitze aufweist, die an den kegelstumpfförmigen Abschnitt anschließt.
5. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend eine Ferulle (6), mittels derer die Sendelichtleiter und die Empfangsiichtleiter positioniert sind, und einen Abstandkörper (7) der zwischen der Ferulle (6) und dem ATR-Körper angeordnet ist, wobei der Abstandkörper (7) beispielsweise einen Überwurfring umfasst.
6. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sendelichtleiteranordnung mehrere Sendelichtieiter {11 ; 14) umfasst.
7. ATR-Sonde nach Anspruch 6, wobei die Stirnflächen (11 ; 14) der Lichtleiter Zentren aufweisen, die auf einem Kreisbogen angeordnet sind, wobei der Kreisbogen bevorzugt die Kegelachse als Zentrum aufweist.
8. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Stirnflächen (11 ) der Sendelichtleiter unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind.
9. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Empfangslichtleiteranordnung, mehrere Empfangslichtleiter (21 ) umfasst, deren Stirnflächen ein einem Gebiet angeordnet sind, dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinie eine Abbildung der Stirnflächen der Sendelichtleiter (11 ) umschließt, welche durch eine
Rotation der Stirnflächen der Sendelichtleiter um die Kegelachse um einen Winke! von 180 ° entsteht.
10. ATR-Sonde nach Anspruch 9, wobei die Stirnflächen der Empfangsüchtieiter mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 35 % und besonders bevorzugt mindestens 50 % der Fläche des Gebietes bedecken, dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinie eine Abbildung der Stirnflächen der Sendelichtleiter umschließt, welche durch eine Rotation der Stirnflächen der
Sendelichtleiter um die Kegelachse um einen Winkel von 180 ° entsteht.
11. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Empfangslichtleiteranordnung, mehrere Empfangsüchtieiter umfasst, deren Stirnflächen in einem Gebiet angeordnet sind, dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinie eine simulierte Abbildung der Stirnflächen der Sendelichtleiter umschließt, welche durch den Strahlengang des von den Sendelichtleitern in den ATR-Körper eingestrahlten Lichtes unter Annahme einer numerischen Apertur von nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,3 nach zwei Totalreflexionen an der kegelförmigen Mantelfläche des ATR- Körpers und Austritt aus dem ATR-Körper in der Ebene der Stirnfläche der Empfangsichtleiter entsteht.
12. ATR-Sonde nach Anspruch 11 , wobei
die simulierte Abbildung unter Annahme einer numerischen Apertur von nicht mehr als 0,15 in Luft entsteht, und
die Stirnfiächen der Empfangslichtleiter mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 35 % und besonders bevorzugt mindestens 50 % der Fläche des Gebietes bedecken dessen kürzeste geschlossene Begrenzungslinie die simulierte Abbildung der Stirnflächen der Sendelichtieiter umschließt.
13. ATR-Sonde nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine FerulSe, mittels derer die Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter positioniert sind, wobei die optische Achse der Sendelichtleiter bzw. der Empfangslichtleiter in der Feruile im wesentlichen parallel zur Achse des kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Abschnitts verläuft.
14, ATR-Sonde nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Ferulle, mittels derer die Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter positioniert sind, wobei die optischen Achsen der Sendelichtleiter bzw. der Empfangslichtieiter in der Ferulle jeweils bezüglich der Achse des kegel- bzw. kegeistumpfförmigen Abschnitts zur Achse des Kegeis hin gekippt sind, so dass der k-Vektor des entlang der optischen Achse eines Sendelichtleiters eingestrahlten Lichts im ATR-Körper eine radial einwärts gerichtete Komponente aufweist bzw. der k-Vektor des entlang der optischen Achse eines Empfangslichtleiters empfangenen Lichts im ATR-Körper eine radial auswärts gerichtete Komponente aufweist.
15. ATR-Sonde nach Anspruch 14, wobei die optischen Achsen der Sendelichtleiter bzw. der Empfangslichtleiter in der Ferulle jeweils eine zur Achse des kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Abschnitts parallele Ebene definieren welche bezüglich einer Zentraiebene die durch die Achse des kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Abschnitts und den Schnittpunkt der optischen Achse des jeweiligen Lichtleiters mit dessen Stirnfläche definiert ist, verdreht ist, so dass der k-Vektor des entlang der optischen Achse des Sendelichtleiters eingestrahlten
Lichts im ATR-Körper eine tangentiale Komponente aufweist bzw. der k-Vektor des entlang der optischen Achse eines Empfangslichtleiters empfangenen Lichts im ATR-Körper eine tangentiale Komponente aufweist.
16. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei zwischen den Stirnflächen der Sendelichtieiter jeweils Stirnflächen von Empfangslichtleitern angeordnet sind.
17. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Zentren der Stirnflächen der Sendelichtieiter einen Kreis definieren, und die Zentren mindestens der Hälfte aller Empfangsüchtleiter, vorzugsweise von mindestens drei Viertel aller Empfangslichtieiter, insbesondere aller Empfangslichtleiter innerhalb dieses Kreises liegen.
18. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeüchtleiteranordnung mindestens einen Sendelichtleiter umfasst, und wobei das von einem Sendelichtleiter emittierte Licht nach Durchgang durch den ATR-Körper von zwei oder mehr Empfangslichtleitern erfasst wird.
19. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeiichtleiter und die Empfangslichtleiter jeweils eine Stirnfläche aufweisen und die Stirnflächen jeweils einen Abstand von mindestens λo/2 in Luft, beispielsweise 5 μm vorzugsweise mindestens 100 μm und weiter bevorzugt mindestens 200 μm von einem jeweiligen Oberflächenabschnitt beabstandet sind, durch den der Strahiengang des Lichtes von den Sendelichtleitern bzw. zu den Empfangslichtleitern verläuft.
20. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter jeweils eine Stirnfläche aufweisen, und die Stirnflächen jeweils einen Abstand von nicht mehr als einen Durchmesser des jeweiligen Lichtleiters zu dem ATR-
Körper aufweisen.
21. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Ferulle, mittels derer die Sendelichtleiter und die
Empfangslichtleiter positioniert sind, und ein Gehäuse mit einer medienseitigen Öffnung, sowie einem Dichtring, welcher um die medienseitige Öffnung angeordnet ist, wobei der ATR-Körper an dem Dichtring anliegt und zwischen dem Dichtring und der Ferulie axia! elastisch eingespannt ist.
22. ATR-Sonde nach Anspruch 21 , wobei die Sendelichtleiteranordnung und die Empfangsiichtleiteranordnung so positioniert und ausgerichtet sind, dass Licht welches auf Oberflächenabschnitte des ATR-Körpers trifft, an denen der Dichtring anliegt, weniger a!s 5 % vorzugsweise weniger als 2 % und weiter bevorzugt weniger als 1 % sind, zum Signa! der ATR-Sonde beiträgt.
23. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ATR-Körper ZnSe, Diamant, oder Saphir umfasst, oder Ge mit einer DLC-Beschichtung.
24. ATR-Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendelichtleiter bzw. die Empfangslichtleiter optische Fasern umfassen, welche vorzugsweise Silberhaiogenid, Quarz, ein Polymer, oder Chalkogenid aufweist, welches im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts eine ausreichende Transmission aufweist.
25. ATR-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Sendeiichtleiter bzw. die Empfangslichtleiter optische Hohlleiter umfassen, die eine innenbeschichtung aufweisen, die beispielsweise
Silberhaiogenid oder Au enthält.
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