WO2012051638A1 - Spektrometer - Google Patents

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WO2012051638A1
WO2012051638A1 PCT/AT2011/000434 AT2011000434W WO2012051638A1 WO 2012051638 A1 WO2012051638 A1 WO 2012051638A1 AT 2011000434 W AT2011000434 W AT 2011000434W WO 2012051638 A1 WO2012051638 A1 WO 2012051638A1
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Andreas Valla
Christian Walter
Martin Beha
Andreas Weingartner
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Scan Messtechnik Gesellschaft M.B.H.
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Definitions

  • the invention relates to a spectrometer for examining the ingredients of a fluid, comprising a housing with a light source arranged therein and a detector therein, wherein the light of the light source with a predetermined spectral range through a transmission window through the fluid to be examined and through a receiving window to the detector is, wherein the light source is formed by a plurality of light emitting diodes connected to a control electronics, which light-emitting diodes are designed to emit light of different wavelength ranges within the predetermined spectral range.
  • Spectrometry exploits the interaction of electromagnetic radiation with molecules of the medium to be investigated in order to characterize it.
  • spectrometry is used in particular to determine concentrations of substances dissolved or suspended in solvents.
  • UV / VIS spectroscopy is currently often used, in which electromagnetic waves in the ultraviolet (UV) and visible light (visible VIS) are used. But other wavelength ranges are used.
  • the molecules of the medium to be examined are irradiated by the electromagnetic waves of the light. Each atom and molecule has certain discrete energy levels that can be occupied by the atom or molecule in different excited states. The differences between these levels correspond to excitation energies. If a photon hits the atom or molecule that can provide such energy, the photon can be absorbed and the atom or molecule changes into an excited state. In this way, substances absorb the
  • a spectrometer consists of a light source, the measuring section in which the fluid to be examined is located, and a detector for receiving the light transmitted through the medium. This is a so-called single-beam spectrometer. With a two-beam spectrometer, a reference beam is routed parallel to the measuring section for reference purposes.
  • spectrometers for examining various ingredients of a fluid usually use a flashlamp as a light source, which covers a relatively broad spectral range.
  • the disadvantage here is the required relatively complex electronics for supplying the flash lamp with electrical energy and the necessary control device.
  • the spectrometers are relatively complex and large and thus relatively expensive to purchase.
  • deuterium lamps as a light source.
  • AT 408 488 B describes a conventional spectrometer with a flashlamp as a light source, which is designed for immersion in a fluid to be examined.
  • WO 2010/091826 A1 describes a device for extracorporeal blood treatment, light emitting diodes operating as light sources in the ultraviolet range being used.
  • Construction is relatively complicated and requires a relatively large amount of space.
  • the object of the present invention is to provide a spectrometer mentioned above, which can be constructed as inexpensively and as small as possible and makes use in many areas possible. Disadvantages of known spectrometers should be avoided or at least reduced.
  • the object of the invention is achieved by a spectrometer mentioned above, wherein the detector for receiving the light in the entire predetermined spectral range and the control electronics for sequential control of the LEDs is formed, and compared to the light emitting diodes with the control electronics Bound compensation detector is arranged.
  • the detector for receiving the light in the entire predetermined spectral range and the control electronics for sequential control of the LEDs is formed, and compared to the light emitting diodes with the control electronics Bound compensation detector is arranged.
  • Compensating diode serves to compensate for aging-related changes in the light output of the LEDs and their temperature sensitivity. Since a plurality of light-emitting diodes, preferably arranged in a plane next to each other as the light source, the at least one compensation detector can be arranged in a simple manner with respect to the LEDs, without this obstructing a beam path of the light of a light emitting diode.
  • the wavelength ranges of the light-emitting diodes and of the associated detector are correspondingly adapted to the constituents of the fluid to be examined.
  • Beer-Lambert 1 see law, which describes the relationship between the reduction of the original light intensity with the concentration of the absorbent ⁇ ing substance, can be determined from the light intensity measured at the detector with knowledge of the original light intensity, the concentration of the substance.
  • the detector is designed to receive the light throughout
  • the light sources are switched on one after the other in time multiplex and the intensity of the light after passing through the fluid to be measured is measured at the detector. Due to the temporal synchronization is an assignment of the respective detected signal to the respective
  • Time-division multiplexing TDMA
  • space multiplexing SDMA
  • other multiplexing methods eg frequency multiplex FDMA, code division multiplex CDMA
  • filter elements for filtering the light in the respective wavelength ranges of the light emitting diodes may be arranged in front of the light emitting diodes.
  • Bandpass filters can be formed in the form of translucent panes, which are arranged in front of the light-emitting diodes, or else it is also possible to apply, for example vapor-deposited, directly filtering materials to the light-emitting diodes.
  • At least one optical system for bundling the light beams is arranged in front of the light-emitting diodes. This converging lens thus bundles all the light rays and guides them substantially parallel to one another through the fluid to be measured.
  • LEDs are arranged tilted.
  • the externally arranged light-emitting diodes are arranged tilted, so that all the light rays of all light emitting diodes pass centrally through the optics and not on the wall side, where lens flaws can occur.
  • the LEDs are arranged with higher radiation power of the emitted light to this at least one light emitting diode. Because the LEDs with the least
  • Radiation power which are usually the LEDs for emitting light in the ultraviolet wavelength range, are arranged in the center, the properties of the spectrometer can be even further improved.
  • the detector In front of the detector .
  • a diaphragm in the form of a collimator.
  • the diaphragm is preferably formed by a plurality of wall elements arranged in the direction of the light beams, which wall elements are formed from a material which is opaque to the light of the light sources and free of reflection (for example rough, dark surface).
  • wall elements are formed from a material which is opaque to the light of the light sources and free of reflection (for example rough, dark surface).
  • a further detector or a further light-emitting diode may be arranged substantially transversely to the propagation direction of the light.
  • Such another 90 ° detector thus serves to detect the laterally emitted light, whereby the turbidity of the fluid can be determined.
  • a further 90 ° detector 90 ° to the main detector a light-emitting diode or a laser diode can be arranged transversely to the measuring direction and the light emitted by this light-emitting diode can be detected by the normal detector and thus be deduced the turbidity of the fluid .
  • the latter variant has the advantage that a
  • Fig. 1 shows a basic structure of a spectrometer
  • FIG. 3 shows a holder for the arrangement of a plurality of light-emitting diodes in plan view
  • FIG. 4 shows a sectional view of the LED holder according to FIG. 3 along the section line IV-IV;
  • FIG. 5 shows a holder for the compensation detector arranged opposite the light-emitting diodes
  • FIG. 6 shows a collimator which can be arranged in front of the detectors
  • FIG. 7 shows the collimator according to FIG. 6 in a sectional view along the section line VII - VII;
  • Fig. 10 shows the arrangement of filter elements of the LEDs.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a spectrometer 1, in particular a spectrometric probe, which is introduced or immersed in the fluid 2 to be examined.
  • a spectrometer 1, in particular a spectrometric probe, which is introduced or immersed in the fluid 2 to be examined.
  • a housing 3 Within a housing 3, at least one light source 4 and a detector 5 are arranged.
  • the light of the light source 4 is at most via an optical system 6 through a transmission window 7 in the fluid to be examined 2 '' and a Empfangsrous.8 and a possible ge optics 9 directed to the detector 5. From the ratio of the intensity of the light received by the detector 5 and the intensity of the light emitted by the light source 4, can be inferred about the Beer-Lambert 1 see law on the concentration of certain ingredients in the fluid 2.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a spectrometer 1 according to the invention, wherein the light source 4 is provided by a multiplicity of
  • Light-emitting diodes 10 is formed, which emit light in certain wavelength ranges ⁇ the light.
  • the light emitting diodes 10 are preferably arranged in a corresponding holder 13, which is described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • a compensation detector 12 is arranged, which is preferably formed by a compensation diode.
  • the compensation detector 12 is used to compensate for the aging of the LEDs 10 and their temperature sensitivity.
  • the compensation detector 12 is preferably arranged in a corresponding holder 14, which will be described with reference to FIG. 5.
  • the light beams of the light emitting diodes ⁇ 10 pass via an optical system 6,
  • the light-emitting diodes 10 are sequentially controlled, for example in time-division multiplexing (TDMA) and the Measurements of the different wavelength ranges ⁇ made in succession.
  • TDMA time-division multiplexing
  • SDMA Space Division Multiplexing
  • FDMA Frequency Division Multiplexing
  • CDMA Code Division Multiplexing
  • the LEDs 10 are arranged substantially side by side in the holder 13, wherein preferably those LEDs 10 with the least
  • Radiation power of the emitted light is arranged centrally and the light-emitting diodes 10 are arranged outside with a higher radiation power of the emitted light.
  • the outer LEDs .10 can be made tilted in the holder 13.
  • Measurement of the turbidity of the fluid 2 to be examined can also be arranged transversely to the direction of propagation of the light between the transmission window 7 and the reception window 8 in the measuring range, a further detector 17. This will be discussed in more detail in Fig. 8.
  • the subject spectrometer 1 is characterized by a particularly simple and inexpensive construction and allows the investigation of relevant ingredients of a fluid 2 in those wavelength ranges ⁇ ⁇ for the LEDs 10 or laser diodes are available.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a holder 13 for the light-emitting diodes 10, comprising a row of openings 18 for the light-emitting diodes 10, which are matched to the size of the light-emitting diodes 10.
  • the openings 18 for the light-emitting diodes 10 are set back slightly so that 10 light channels emerge in front of the light emitting diodes, which form a parallel alignment of the light of the light emitting diodes 10 Be Farming ⁇ ken.
  • Fig. 5 shows the bracket 13 for the light-emitting diodes 10 according to FIGS. 3 and 4 associated holder 14 for the compensation ⁇ detector 12, wherein corresponding to the openings 18 in the holder 13 for the LEDs 10 openings 19 are arranged through the the light emitted by the light emitting diodes 10 can pass.
  • a further opening 20 is placed, in which the compensation detector 12 is arranged.
  • a diaphragm 21 is shown in the form of a collimator, as it can be used to align the light beams and al ⁇ l concern to suppress extraneous light in front of the detector 5.
  • the diaphragm 21 comprises a plurality of wall elements 22 arranged substantially in the direction of the light beams and made of a material which is opaque and non-reflecting for the light of the light-emitting diodes 10. Between the wall elements 22 channels 23 are formed through which the light to the detector 5 occurs.
  • the wall elements 22 may be honeycomb-like or lattice-like or may be produced by producing the channels 23. This realization of a diaphragm 21 is relatively easy to manufacture and. causes with appropriate choice of the length and the
  • Diameter of the channels 23 a signal improvement.
  • FIG. 8 shows the principle of the turbidity measurement, wherein instead of a further detector 17 substantially at 90 ° to the light propagation direction according to FIG. 2, a light source 24 is arranged substantially at 90 ° to the propagation direction of the measurement beam.
  • the light from the light source 24 enters the measurement range for the fluid 2 via an exit window 25 and is detected by the detector 5 as a function of the turbidity of the fluid 2.
  • the advantage of this arrangement over the variant shown in FIG. 2 is that only one detector 5 or detector array is required.
  • Fig. 10 shows a schematic view of the light source 4 of the subject spectrometer 1, comprising a plurality of LEDs 10, in front of which filter elements 27 are angeord ⁇ net.
  • the corresponding bandpass filters have a high transmission in the passband and a low transmission in the stopband outside the desired wavelength range ⁇ .
  • relatively wide-band light-emitting diodes 10 can be made narrower, which means that they have a better selectivity.
  • the filter elements 27 are arranged between the light-emitting diodes 10 and the compensation detector 12 and can also be arranged or vapor-deposited, if appropriate, directly on the light-emitting diodes 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer (1) zur Untersuchung der Inhaltsstoffe eines Fluids (2), mit einem Gehäuse (3) mit darin angeordneter Lichtquelle (4) und einem darin angeordneten Detektor (5), wobei das Licht der Lichtquelle (4) mit einem vorgegebenen Spektralbereich (Δλ) durch ein Sendefenster (7) durch das zu untersuchende Fluid (2) und durch ein Empfangsfenster (8) zu dem Detektor (5) geführt wird, wobei die Lichtquelle (4) durch mehrere mit einer Steuerelektronik (11) verbundene Leuchtdioden (10) gebildet ist, welche Leuchtdioden (10) zur Aussendung von Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche (Δλi) innerhalb des vorgegebenen Spektralbereichs (Δλ) ausgebildet sind. Zur Schaffung eines möglichst kostengünstigen und mit geringer Baugröße aufgebauten Spektrometers (1) ist vorgesehen, dass der Detektor (5) zum Empfang des Lichts im gesamten vorgegebenen Spektralbereich (Δλ) und die Steuerelektronik (11) zur sequentiellen Ansteuerung der Leuchtdioden (10) ausgebildet ist, und gegenüber den Leuchtdioden (10) ein mit der Steuerelektronik (11) verbundener Kompensationsdetektor (12) angeordnet ist.

Description

Spektrometer
Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Untersuchung der Inhaltsstoffe eines Fluids, mit einem Gehäuse mit darin angeordneter Lichtquelle und einem darin angeordneten Detektor, wobei das Licht der Lichtquelle mit einem vorgegebenen Spektralbereich durch ein Sendefenster durch das zu untersuchende Fluid und durch ein Empfangsfenster zu dem Detektor geführt wird, wobei die Lichtquelle durch mehrere mit einer Steuerelektronik verbundene Leuchtdioden gebildet ist,, welche Leuchtdioden zur Aussendung von Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche innerhalb des vorgegebenen Spektralbereichs ausgebildet sind.
Die Spektrometrie nützt die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Molekülen des zu untersuchenden Mediums aus, um dieses zu charakterisieren. Bei flüssigen Medien wird die Spektrometrie insbesondere dazu ausgenutzt, Konzentrationen von in Lösungsmittel gelösten oder suspensierten Stoffen zu bestimmen. Bei der Messung des Absorptionsspektrums flüssiger Medien wird derzeit oft die sogenannte UV/VIS-Spektroskopie eingesetzt, bei der elektromagnetische Wellen im ultravioletten (UV) und sichtbaren Licht (VIS für visible) verwendet werden. Aber auch andere Wellenlängenbereiche werden eingesetzt. Die Moleküle des zu untersuchenden Mediums werden von den elektromagnetischen Wellen des Lichts bestrahlt. Jedes Atom und jedes Molekül besitzt bestimmte diskrete Energieniveaus, die von dem Atom bzw. Molekül in verschiedenen Anregungszuständen eingenommen werden können. Den Unterschieden zwischen diesen Niveaus entsprechen Anregungsenergien. Trifft ein Photon auf das Atom bzw. Molekül, das eine solche Energie zur Verfügung stellen kann, kann das Photon absorbiert werden und das Atom bzw. Molekül geht in einen angeregten Zustand über. Auf diese Weise absorbieren Stoffe die
Photonen von ganz bestimmten Energien. Durch die Interaktion der Atome bzw. Moleküle des zu untersuchenden Mediums untereinander werden die Anregungsenergien verschmiert und zu größeren Wellenlängen verschoben und ein breiteres Spektrum an Photonenenergien kann zur Anregung führen und somit absorbiert werden. Welche Photonenenergie wie stark absorbiert wird, ist charakteristisch für jedes Molekül und stellt somit so etwas wie einen Fingerabdruck des .Moleküls dar, über den es identifiziert werden kann. Im einfachsten Fall besteht ein Spektrometer aus einer Lichtquelle, der Messstrecke in welcher sich das zu untersuchende Fluid befindet und einem Detektor zur Aufnahme des durch das Medium hindurchstrahlenden Lichts. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Einstrahl-Spektrometer . Bei einem Zweistrahl-Spek- trometer wird zu Referenz zwecken parallel zur Messstrecke ein Referenzstrahl geführt.
Bekannte Spektrometer zur Untersuchung verschiedener Inhaltsstoffe eines Fluids verwenden üblicherweise eine Blitzlampe als Lichtquelle, welche einen relativ breiten Spektralbereich abdeckt. Nachteilig dabei ist, die erforderliche relativ aufwendige Elektronik zur Versorgung der Blitzlampe mit elektrischer Energie und die dafür notwendige Steuereinrichtung. In der Folge sind die Spektrometer relativ komplex und groß aufgebaut und somit in der Anschaffung auch relativ teuer. Dasselbe gilt auch bei Deuterium-Lampen als Lichtquelle.
Beispielsweise beschreibt die AT 408 488 B ein herkömmliches Spektrometer mit einer Blitzlampe als Lichtquelle, welches zum Eintauchen in ein zu untersuchendes Fluid ausgebildet ist.
Die WO 2010/091826 AI beschreibt eine Vorrichtung zur extrakorporalen Blutbehandlung, wobei als Lichtquellen im Ultraviollet- bereich arbeitende Leuchtdioden eingesetzt werden. Die
Konstruktion ist relativ aufwendig und erfordert relativ großen Platzbedarf .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oben genannten Spektrometers , welches möglichst kostengünstig und möglichst klein aufgebaut werden kann und einen Einsatz auf vielen Gebieten möglich macht. Nachteile bekannter Spektrometer sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein oben genanntes Spektrometer, wobei der Detektor zum Empfang des Lichts im gesamten vorgegebenen Spektralbereich und die Steuerelektronik zur sequentiellen Ansteuerung der Leuchtdioden ausgebildet ist, und gegenüber den Leuchtdioden ein mit der Steuerelektronik ver- bundener Kompensationsdetektor angeordnet ist. Durch die Verwendung von Leuchtdioden bzw. Laserdioden anstelle herkömmlicher Blitzlampen oder Deuterium-Lampen kann die aufwendige Hochspannungsversorgung entfallen, wodurch die Elektronik des Spektrome- ters wesentlich kleiner und kostengünstiger hergestellt werden kann. Die gegenüber dem Stand der Technik resultierende kleinere Baugröße ist insbesondere bei Spektrometersonden, welche in dem zu untersuchenden Fluid angeordnet werden, und die Inhaltsstoffe „in situ" gemessen werden, von besonderem Vorteil. Da aufgrund der rasanten Entwicklung auf dem Gebiet der Leuchtdioden diese in verschiedensten Wellenlängenbereichen zu sehr geringen Kosten erhältlich sind, resultiert ein besonders billiges Spektrometer . Dadurch wiederum wird ein Einsatz von Spektrometern in Bereichen möglich, wo dies bisher aufgrund der zu hohen Kosten nicht denkbar gewesen ist. Der gegenüber den Leuchtdioden angeordnete Kompensationsdetektor, welcher vorzugsweise durch eine
Kompensationsdiode gebildet ist, dient zur Kompensation von alterungsbedingten Änderungen der Lichtleistung der Leuchtdioden und deren Temperaturempfindlichkeit. Da als Lichtquelle mehrere Leuchtdioden, vorzugsweise in einer Ebene nebeneinander angeordnet werden, kann der zumindest eine Kompensationsdetektor in einfacher Weise gegenüber den Leuchtdioden angeordnet werden, ohne dass dieser einen Strahlengang des Lichts einer Leuchtdiode behindert. Die Wellenlängenbereiche der Leuchtdioden und des zugehörigen Detektors werden an die zu untersuchenden Inhaltsstoffe des Fluids entsprechend angepasst. Über das Beer-Lambert 1 sehe Gesetz, welches den Zusammenhang zwischen der Reduktion der ursprünglichen Lichtintensität mit der Konzentration der absorbie¬ renden Substanz beschreibt, kann aus der am Detektor gemessenen Licht Intensität unter Kenntnis der ursprünglichen Lichtintensität die Konzentration der Substanz ermittelt werden. Der Detektor ist zum Empfang des Lichts im gesamten vorgegebenen
Spektralbereich vorgesehen und die Steuerelektronik des Spektro- meters zur sequentiellen oder ortsverschiedenen Ansteuerung der Leuchtdioden ausgebildet. Die Lichtquellen werden beispielsweise hintereinander im Zeitmultiplex eingeschaltet und die Intensität des Lichts nach Durchtritt durch das zu messende Fluid am Detektor gemessen. Durch die zeitliche Synchronisation ist eine Zuordnung des jeweiligen detektierten Signals zur jeweiligen
Lichtquelle und somit zum entsprechenden Wellenlängenbereich möglich. Neben Zeitmultiplex-Verfahren (TDMA) sind auch Raummul- tiplex (SDMA)- oder andere Multiplex-Verfahren (z.B. Frequenzmu- litplex FDMA, Codemultiplex CDMA) möglich.
Um die Selektivität zu erhöhen, können vor den Leuchtdioden Filterelemente zum Filtern des Lichts in den jeweiligen Wellenlängenbereichen der Leuchtdioden angeordnet sein. Derartige
Bandpassfilter können in Form von lichtdurchlässigen Scheiben, die vor den Leuchtdioden angeordnet werden, gebildet sein oder es können auch direkt auf die Leuchtdioden filternde Stoffe aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, werden.
Um die Lichtstrahlen aller Leuchtdioden durch ein möglichst kleines Fenster im Spektrometer bündeln zu können, ist vor den Leuchtdioden zumindest eine Optik zum Bündeln der Lichtstrahlen angeordnet. Diese Sammellinse bündelt somit alle Lichtstrahlen und führt diese im Wesentlichen parallel zueinander durch das zu messende Fluid.
Zur Korrektur von Linsenfehlern der Optik ist es von Vorteil, wenn Leuchtdioden gekippt angeordnet sind. Dabei werden vorzugsweise die Außen angeordneten Leuchtdioden gekippt angeordnet, sodass alle Lichtstrahlen aller Leuchtdioden zentral durch die Optik gelangen und nicht wandseitig, wo es zu Linsenfehlern kommen kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass jene Leuchtdiode (n) mit der geringsten Strahlungsleistung des ausgesandten Lichts im Wesentlichen zentral angeordnet ist
(sind) und die Leuchtdioden mit höherer Strahlungsleistung des ausgesandten Lichts um diese zumindest eine Leuchtdiode angeordnet sind. Dadurch dass die Leuchtdioden mit der geringsten
Strahlungsleistung, das sind üblicherweise die Leuchtdioden zur Aussendung von Licht im Ultraviolett-Wellenlängenbereich, im Zentrum angeordnet sind, können die Eigenschaften des Spektrome- ters noch weiters verbessert werden.
Zur Wandlung des Lichts in paralle Strahlen und allenfalls zur Unterdrückung von Fremdlicht und zur Kontrolle des Einfallswinkels des Lichts auf den Detektor ist vor dem Detektor Vorzugs- ' weise eine Blende in Form eines Kollimators angeordnet.
Dabei ist die Blende vorzugsweise durch mehrere in Richtung der Lichtstrahlen angeordnete Wandelemente gebildet, welche Wandelemente aus einem für das Licht der Lichtquellen undurchsichtigen und reflexfreien (beispielsweise raue dunkle Oberfläche) Material gebildet sind. Durch entsprechende geeignete Wahl der Höhe und der Abstände der Wandelemente kann somit eine optimale Blende zu geringen Kosten gebildet werden, die das seitlich einstrahlende Fremdlicht besonders effizient unterdrückt. Anstelle von gitterartig oder wabenartig aufgebauten Wänden können auch einfache Bohrungen in einem für das Licht undurchsichtigen Material hergestellt sein. Dadurch wird eine Blende in Art eines Kollimators hergestellt.
Zur Erfassung der Trübheit des zu untersuchenden Fluids zwischen dem Sendefenster und dem Empfangsfenster kann ein weiterer Detektor oder eine weitere Leuchtdiode im Wesentlichen quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet sein. Ein solcher weiterer 90°-Detektor dient somit zur Erfassung des seitlich abgestrahlten Lichts, wodurch die Trübheit des Fluids ermittelt werden kann. Alternativ zur Anordnung eines weiteren 90°-Detek- tors 90° zum Hauptdetektor kann auch eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode quer zur Messrichtung angeordnet werden und das von dieser Leuchtdiode ausgesandte Licht vom normalen Detektor er- fasst werden und somit auf die Trübheit des Fluids rückgeschlossen werden. Letztere Variante hat den Vorteil, dass ein
zusätzlicher Detektor eingespart werden kann.
Im Falle mehrerer Detektoren ist es möglich, dass diese unterschiedliche Temperatur aufweisen und somit die gemessenen Werte voneinander abweichen können. Um dies zu kompensieren ist es von Vorteil, wenn mehrere Detektoren und der Kompensationsdetektor thermisch miteinander gekoppelt sind. Durch diese thermische Kopplung wird erreicht, dass alle miteinander verbundenen Detektoren im Wesentlichen dieselbe Temperatur aufweisen. Im Falle der Realisierung der Detektoren durch Fotodioden kann diese thermische Kopplung der Kathoden gleichzeitig die erforderliche Vorspannung für die Fotodioden liefern. Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Spektrometers;
Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers;
Fig. 3 eine Halterung für die Anordnung mehrerer Leuchtdioden in Draufsicht;
Fig. 4 ein Schnittbild der LED-Halterung gemäß Fig. 3 entlang der Schnittlinie IV-IV;
Fig. 5 eine Halterung für den gegenüber den Leuchtdioden angeordneten Kompensationsdetektor;
Fig. 6 einen vor den Detektoren anordenbaren Kollimator in
Draufsicht ;
Fig. 7 den Kollimator gemäß Fig. 6 im Schnittbild entlang der Schnittlinie VII-VII;
Fig. 8 eine Prinzipskizze zur Messung der Trübe des zu untersuchenden Fluids;
Fig. 9 eine Prinzipskizze zur thermischen Kopplung mehrerer Detektoren; und
Fig. 10 die Anordnung von Filterelementen von den Leuchtdioden.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spektrometers 1, insbesondere einer spektrometrischen Sonde, die in das zu untersuchende Fluid 2 eingebracht bzw. eingetaucht wird. Innerhalb eines Gehäuses 3 sind zumindest eine Lichtquelle 4 und ein Detektor 5 angeordnet. Das Licht der Lichtquelle 4 wird allenfalls über eine Optik 6 durch ein Sendefenster 7 in das zu untersuchende Fluid 2 ''und über ein Empfangsfenster.8 und eine allfälli- ge Optik 9 zum Detektor 5 gerichtet. Aus dem Verhältnis der Intensität des durch den Detektor 5 empfangenen Lichts und der Intensität des von der Lichtquelle 4 ausgesandten Lichts, kann über das Beer-Lambert 1 sehe Gesetz auf die Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe im Fluid 2 rückgeschlossen werden.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Spektro- meters 1, wobei die Lichtquelle 4 durch eine Vielzahl von
Leuchtdioden 10 gebildet ist, welche Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen Δλι das Licht aussenden. Durch die Verwendung von Leuchtdioden 10 anstelle üblicher Blitzlampen oder Deuterium-Lampen kann die zugehörige Elektronik und Spannungsversorgung wesentlich einfacher und kleiner aufgebaut werden und somit das Spektrometer 1 einfach miniaturisiert und kostengünstig hergestellt werden. Die Leuchtdioden 10 sind vorzugsweise in einer entsprechenden Halterung 13 angeordnet, welche anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben wird. Gegenüber den Leuchtdioden 10 ist ein Kompensationsdetektor 12 angeordnet, der vorzugsweise durch eine Kompensationsdiode gebildet ist. Der Kompensationsdetektor 12 dient zur Kompensation der Alterung der Leuchtdioden 10 sowie deren Temperaturempfindlichkeit. Auch der Kompensationsdetektor 12 ist vorzugsweise in einer entsprechenden Halterung 14 angeordnet, welche anhand der Fig. 5 beschrieben wird. Die Licht¬ strahlen der Leuchtdioden 10 gelangen über eine Optik 6,
allenfalls eine Blende 15 und eine Bündeloptik 16 zum Sendefenster 7 in das zu untersuchende Fluid 2. Nach dem Durchtritt durch das Fluid 2 gelangen die Lichtstrahlen über das Empfangsfenster 8 zum Detektor 5. Die Leuchtdioden 10 werden beispielsweise im Zeitmultiplexverfahren (TDMA) sequentiell angesteuert und die Messungen der verschiedenen Wellenlängenbereiche Δλι hintereinander vorgenommen. Anstelle des Zeitmultiplexverfahrens (TDMA) sind auch Raummultiplex (SDMA)- Frequenzmultiplex (FDMA)- oder Codemultiplex (CDMA) -Verfahren denkbar. Die Leuchtdioden 10 sind im Wesentlichen nebeneinander in der Halterung 13 angeordnet, wobei vorzugsweise jene Leuchtdioden 10 mit der geringsten
Strahlungsleistung des ausgesandten Lichts mittig angeordnet und die Leuchtdioden 10 mit höherer Strahlungsleistung des ausgesandten Lichts außen angeordnet sind. Zur Korrektur von Linsenfehlern der Optik 6 und Bündeloptik 16 können die äußeren Leuchtdioden .10 in der Halterung 13 gekippt ausgeführt sein. Zur Messung der Trübe des zu untersuchenden Fluids 2 kann auch quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichts zwischen dem Sendefenster 7 und dem Empfangsfenster 8 im Messbereich ein weiterer Detektor 17 angeordnet sein. Darauf wird in Fig. 8 noch näher eingegangen. Das gegenständliche Spektrometer 1 zeichnet sich durch einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau aus und ermöglicht die Untersuchung relevanter Inhaltsstoffe eines Fluids 2 in jenen Wellenlängenbereichen λ± für die Leuchtdioden 10 oder Laserdioden erhältlich sind.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Halterung 13 für die Leuchtdioden 10, umfassend eine Reihe von Öffnungen 18 für die Leuchtdioden 10, die entsprechend an die Größe der Leuchtdioden 10 angepasst sind. Wie dem Schnittbild gemäß Fig. 4 entlang der Schnittlinie IV- IV aus Fig. 3 entnommen werden kann, sind die Öffnungen 18 für die Leuchtdioden 10 etwas zurückversetzt angeordnet, sodass vor den Leuchtdioden 10 Kanäle entstehen, die eine parallele Ausrichtung des Lichts der Leuchtdioden 10 bewir¬ ken .
Fig. 5 zeigt die zur Halterung 13 für die Leuchtdioden 10 gemäß den Fig. 3 und 4 zugehörige Halterung 14 für den Kompensations¬ detektor 12, wobei korrespondierend zu den Öffnungen 18 in der Halterung 13 für die Leuchtdioden 10 Öffnungen 19 angeordnet sind, durch die das von den Leuchtdioden 10 ausgesandte Licht hindurchtreten kann. In der Mitte der Halterung 14 ist eine weitere Öffnung 20 platziert, in welcher der Kompensationsdetektor 12 angeordnet wird.
In den Fig. 6 und 7 ist eine Blende 21 in Form eines Kollimators dargestellt, wie sie zur Ausrichtung der Lichtstrahlen und al¬ lenfalls zur Unterdrückung von Fremdlicht vor dem Detektor 5 eingesetzt werden kann. Die Blende 21 umfasst mehrere im Wesentlichen in Richtung der Lichtstrahlen angeordnete Wandelemente 22 aus einem für das Licht der Leuchtdioden 10 undurchsichtigen und reflexfreien Material. Zwischen den Wandelementen 22 sind Kanäle 23 gebildet durch welche das Licht zum Detektor 5 tritt. Die Wandelemente 22 können wabenartig oder gitterartig angeordnet sein bzw. durch Herstellung der Kanäle 23 entstehen. Diese Realisierung einer Blende 21 ist relativ einfach herstellbar und. bewirkt bei entsprechend geeigneter Wahl der Länge und der
Durchmesser der Kanäle 23 eine Signalverbesserung.
Fig. 8 zeigt das Prinzip der Trübemessung, wobei anstelle eines weiteren Detektors 17 im Wesentlichen 90° zur Lichtausbreitungsrichtung entsprechend Fig. 2 eine Lichtquelle 24 im Wesentlichen 90° zur Ausbreitungsrichtung des Messstrahls angeordnet wird. Das Licht der Lichtquelle 24 tritt über ein Austrittsfenster 25 in den Messbereich für das Fluid 2 und wird in Abhängigkeit der Trübe des Fluids 2 vom Detektor 5 erfasst. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber jener in Fig. 2 dargestellten Variante ist, dass nur ein Detektor 5 bzw. Detektor-Array erforderlich ist.
Bei der Variante gemäß Fig. 2 mit zwei Detektoren 5, 17 ist es von Vorteil die Detektoren 5, 17 und allenfalls auch den Kompensationsdetektor 12 thermisch zu koppeln, was über ein entsprechend gut wärmeleitendes Material 26 geschehen kann, wie in Fig. 9 skizziert. Durch diese thermische Kopplung wird gewährleistet, dass sich die Detektoren 5, 17 und der Kompensationsdetektor 12 im Wesentlichen auf derselben Temperatur befinden und somit keine Messfehler durch Temperaturunterschiede auftreten können.
Schließlich zeigt Fig. 10 eine schematische Ansicht auf die Lichtquelle 4 des gegenständlichen Spektrometers 1, umfassend mehrere Leuchtdioden 10, vor welchen Filterelemente 27 angeord¬ net sind. Die entsprechenden Bandpassfilter weisen im Durchlassbereich eine hohe Transmission auf und im Sperrbereich außerhalb des gewünschten Wellenlängenbereichs Δλι eine geringe Transmission. Damit können relativ breitbandige Leuchtdioden 10 schmalban- diger gemacht werden, wodurch diese eine bessere Selektivität aufweisen. Die Filterelemente 27 werden zwischen den Leuchtdioden 10 und dem Kompensationsdetektor 12 angeordnet und können auch gegebenenfalls direkt an den Leuchtdioden 10 angeordnet bzw. aufgedampft werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Spektrometer (1) zur Untersuchung der Inhaltsstoffe eines Fluids (2), mit einem Gehäuse (3) mit darin angeordneter Lichtquelle (4) und einem darin angeordneten Detektor (5), wobei das Licht der Lichtquelle (4) mit einem vorgegebenen Spektralbereich (Δλ) durch ein Sendefenster (7) durch das zu untersuchende Fluid (2) und durch ein Empfangsfenster (8) zu dem Detektor (5) geführt wird, wobei die Lichtquelle (4) durch mehrere, mit einer Steuerelektronik (11) verbundene Leuchtdioden (10) gebildet ist, welche Leuchtdioden (10) zur Aussendung von Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche (ΔλΑ) innerhalb des vorgegebenen Spektralbereichs (Δλ) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) zum Empfang des Lichts im gesamten vorgegebenen Spektralbereich (Δλ) und die Steuerelektronik (11) zur sequentiellen Ansteuerung der Leuchtdioden (10) ausgebildet ist, und gegenüber den Leuchtdioden (10) ein mit der Steuerelektronik (11) verbundener Kompensationsdetektor (12) angeordnet ist.
2. Spektrometer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Leuchtdioden (10) Filterelemente (27) zum Filtern des Lichts in den jeweiligen Wellenlängenbereichen (ΔλΑ) der Leuchtdioden (10) angeordnet sind.
3. Spektrometer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Leuchtdioden (10) zumindest eine Optik (16) zum Bündeln der Lichtstrahlen angeordnet ist.
4. Spektrometer (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Leuchtdioden (10) zur Korrektur von Linsenfehlern der Optik (16) gekippt angeordnet sind.
5. Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jene Leuchtdiode (n) (10) mit der geringsten Strahlungsleistung des ausgesandten Lichts im Wesentlichen zentral angeordnet ist (sind) und die Leuchtdioden (10) mit höherer Strahlungsleistung des ausgesandten Lichts um diese zumindest eine Leuchtdiode (10) angeordnet sind.
6. Spektrometer (1) nach einem der ' Ansprüche 1 bis. 5, dadurch - ii - gekennzeichnet, dass vor dem Detektor (5) eine Blende (21) angeordnet ist.
7. Spektrometer (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (21) mehrere in Richtung der Lichtstrahlen angeordnete Wandelemente (22) gebildet ist, welche Wandelemente (22) aus einem für das Licht der Leuchtdioden (10) undurchsichtigen und reflexfreien Material gebildet sind.
8. Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Trübheit des Fluids (2) zwischen dem Sendefenster (7) und dem Empfangsfenster (8) ein weiterer Detektor (17) oder eine weitere Leuchtdiode (24) im Wesentlichen quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet ist .
9. Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detektoren (5, 17) und der Kompensationsdetektor (12) thermisch miteinander gekoppelt sind.
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