DE102008064173A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien über optische Spektroskopie mittels breitbandiger Lichtquellen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien über optische Spektroskopie mittels breitbandiger Lichtquellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung von teilweise unstabilisierten Breitbandlichtquellen zum genauen Messen von teilweise breitbandig absorbierenden Stoffen mittels referenzierenden Messzellen. Um eine kostengünstige, hochauflösende und gleichzeitig schnelle spektografische Vorrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen in fluiden oder gasförmigen Medien zu schaffen, die auch für rauhe Umgebungen geeignet ist, wird das von den Breitbandlichtquellen (1) über Lichtführungsoptiken abgestrahlte Licht durch die Messstrecke der selbstreferenzierenden Messzelle (20, 30, 40) oder nur teilweise durch eine Messzelle (10) einem Messdetektor (Fotoempfänger 11) und teilweise über einen Referenzpfad (Lichtwellenleiter 8) einem Referenzdetektor (Fotoempfänger 15) zugeleitet, und zur Homogenisierung der zeitlichen und örtlich schwankenden Abstrahlcharakteristik der Breitbandlichtquellen (1) ist jedem Lichtwellenleiter (2, 4, 7, 8) ein Modenkoppler (5, 9, 14) zugeordnet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Referenzierung in der optischen Absorptionsspektroskopie mit Breitbandlichtquellen zur Bestimmung der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien und auf eine Vorrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen in gasförmigen oder fluiden Medien innerhalb der Messtrecke einer Messzelle mittels Absorptionsspektroskopie von Breitbandlichtquellen über Lichtführungsoptiken abgestrahltem Licht. Die Vorrichtung dient unter anderem zum Messen von Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxyd (NO2), Schwefeldioxyd (SO2), Ozon (O3), sowie Komponenten in fluiden Medien und dgl., für Verbrennungsmotoren, insbesondere bei der online Überwachung von Dieselmotoren, in der Umweltmesstechnik, in der Medizintechnik bspw. zur Messung der Atemluft u. dgl.
  • Zum Messen von Stoffkonzentrationen sind spektroskopische Messungen mit Hilfe von Breitbandlichtquellen und spektral selektiven Empfängern, wie z. B. Spektrometern oder gefilterten Fotoempfängern, bekannt. Darüber hinaus ist es üblich, spektral selektive Quellen, wie z. B. Laser oder gefilterte Breitbandlichtquellen, über eine Messstrecke auf gefilterte oder ungefilterte Empfänger zu leiten, um so z. B. Gase und Flüssigkeiten zu charakterisieren. Eine logische Folgerung hieraus ist der Einsatz von ohnehin spektral selektiven LED- Lichtquellen mit und ohne optische Filter. LEDs sind hierbei als Breitbandlichtquellen zu verstehen, da sie im Gegensatz zu Linienlichtquellen (z. B. Laser) ein vergleichsweise breites Frequenzspektrum abstrahlen. Der Einsatz von Lichtführungsoptiken, z. B. Lichtwellenleitern (LWL), zur mechanischen und thermischen Entkopplung bzw. zur räumlichen Trennung von Messort und Sende-/Empfangseinheit ist ebenfalls in der Sensorik bekannt.
  • Das grundlegende Messprinzip der optischen Spektroskopie basiert auf der Extinktionsmessung von Licht, welches eine Messzelle durchlaufen hat. Der Rückschluss auf eine definierte Stoffmengenkonzentration in der Messzelle ist also nur ein indirektes Verfahren. Messsicherheit kann durch den Einsatz zusätzlicher, so genannter Referenzwellenlängen, erreicht werden, wobei die spektrale Charakteristik des zu messenden Stoffes ausgenutzt wird. Diese Aussagen führen beispielsweise zu einem Messaufbau, der in 5 im Aufsatz von M. Degner und H. Ewald „Low cost sensor for online detection of harmful diesel combustion gases in UV-VIS region" [SPIE Photonics Europe 2006, Photonics in the Automobile II, ISBN 0-8194-6254-3, FR Strasbourg, 04/2006] dargestellt ist. Neben breitbandigen Quellen werden in der Spektroskopie für hohe Auflösungen sehr viel häufiger durchstimmbare Laserquellen eingesetzt. Eine Absorptionsbande des gesuchten Stoffes wird dabei mittels der Laserlinie gescannt. Vereinfacht gesehen ist die Intensität des empfangenen Lichtes außerhalb der Absorptionsbande dabei als Referenz zur Intensität an der Stelle der Absorptionsbande zu sehen, da im Bereich der Absorptionsbande die Lichtintensität geschwächt wird.
  • Nachteilig hierbei ist, dass sich mit Hilfe der so genannten Laserspektroskopie zwar hohe Konzentrations-Auflösungen erzielen lassen. Die Anzahl der zu detektierenden Stoffe ist jedoch durch das Vorhandensein einer geeigneten Laserquelle bei den entsprechenden Stoffinteraktionswellenlängen eingeschränkt. Zudem sind diese Anordnungen oft sehr teuer, wenig robust und somit nicht für Massenanwendungen in der Sensorik tauglich.
  • Der Einsatz von Breitbandlichtquellen führt in Kombination mit Spektrometern ebenfalls zu kostenintensiven und zudem nicht sehr sensitiven Messaufbauten. Hierbei wird das gesamte Spektrum der Breitbandlichtquelle mit dem Spektrum nach Durchtritt durch die Messzelle verglichen. Gefilterte Breitbandlichtquellen und speziell die LEDs sind dagegen eine eher kostengünstige Alternative. Das generelle Problem der Anordnungen mit breitbandigen Lichtquellen ist die spektrale und zeitliche Schwankung der Lichtintensität bzw. Abstrahlcharakteristik, wodurch die Auflösung und vor allem die maximal erreichbare Genauigkeit stark eingeschränkt werden. Außerdem sind aufgrund der begrenzten spektralen optischen Leistungsdichte (abgesehen von einigen sehr speziellen LEDs) hohe Messzeiten erforderlich, um so hohe Auflösungen zu erzielen.
  • Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges, hoch auflösendes und gleichzeitig schnelles spektroskopisches Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen in gasförmigen oder fluiden Medien zu schaffen, welches bzw. welche robust gegenüber äußeren Einflüssen ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Verfahrensanspruches dadurch, dass das von den Breitbandlichtquellen abgestrahlte Licht teilweise durch die Messstrecke einer selbstreferenzierenden Messzelle einem Messdetektor und nur teilweise durch einen Referenzpfad einem Referenzdetektor zugeleitet wird, wobei Messstrecke und Referenzpfad teilweise identisch und der Messdetektor und der Referenzdetektor identisch sind, und die Einflüsse der Abstrahlcharakteristik der Breitbandlichtquellen und der Modenwichtung der optischen Komponenten durch Modenkoppler in den Lichtpfaden beseitigt werden. Die Lösung der Aufgabe ergibt sich gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Vorrichtungsanspruches dadurch, dass das von den Breitbandlichtquellen über Lichtführungsoptiken abgestrahlte Licht durch die Messstrecke der selbstreferenzierenden Messzelle oder nur teilweise durch eine Messzelle einem Messdetektor und teilweise über einen Referenzpfad einem Referenzdetektor zugeleitet wird und dass zur Homogenisierung der zeitlichen und örtlich schwankenden Abstrahlcharakteristik der Breitbandlichtquellen den Lichtführungsoptiken bzw. Lichtpfaden ein Modenkoppler zugeordnet ist. Diese Modenkoppler sollten dabei so ausgelegt sein, dass sie eine möglichst geringe Dämpfung oder Streuung aufweisen. Dabei werden typischerweise kostengünstige spektral selektive Breitbandlichtquellen benutzt, deren Licht über eine Lichtführung in die Messstrecke eingekoppelt und spektral selektiv ausgewertet wird.
  • Ein Problem bei den bekannten Strahlteilungen für die Spektroskopie ist, dass die beiden Teilströme nicht mit ausreichender Genauigkeit zueinander stabil gehalten werden können. Dies kommt aufgrund der zeitlich veränderlichen örtlichen Fluktuation der abgestrahlten Intensität des Lichtes zu Stande. Die momentane Aufteilung des Lichtes ist dabei von der momentanen, zeitlich veränderlichen inhomogenen Abstrahlcharakteristik der Breitbandlichtquellen abhängig. Erfindungsgemäß erfolgt die Homogenisierung der Abstrahlcharakteristik durch die Verwendung der Modenkoppler. Die anschließende Aufteilung des Lichtes ist somit nicht mehr von der schwankenden Intensitätsverteilung der Lichtquelle abhängig. Das eingestrahlte Licht „vergisst” quasi, wo es herkommt. Prinzipiell können hierfür Streuplatten (Milchglas, Diffusor) eingesetzt werden, wobei jedoch mit einem erheblichen Intensitätsverlust zu rechnen ist. Erfindungsgemäß wird die Modenkopplung über die Modenkoppler in den Lichtführungsoptiken bzw. Lichtpfaden vorgenommen. Hierfür bieten sich Lichtwellenleiter an, da in diesen Modenkoppler integriert werden können. Hierfür gibt es unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten, wie z. B. Nutzung sehr langer Fasern, Taper, mehrdimensionale Biegekoppler und dgl. Mit den Modenkopplern wird ein effizientes, optisches Bauelement zur Homogenisierung der Abstrahlcharakteristik verwendet.
  • Erfindungsgemäß werden die verbleibenden zeitlichen Schwankungen der gefilterten Breitbandlichtquellen, insbesondere LEDs, mit Hilfe einer geeigneten Referenzanordnung kompensiert, d. h. die durch die Messanordnung und Umgebung bedingten Störgrößen werden gegenüber der Zielgröße kompensiert. Somit ist die Messsignalsicherheit wesentlich größer und speziell dadurch werden höhere Messgenauigkeiten/Auflösungen erreicht.
  • Durch den Einsatz der Modenkoppler, ausgeführt z. B. als Ringkoppler, und der Faserkoppler zur Teilung des Lichtes wird eine quellenunabhängige, robuste und somit exakte Referenzierung ermöglicht um so z. B. Gaskonzentrationen von unter 1 ppm bei einer Absorptionslänge von wenigen Zentimetern bei einer Messzeit von wenigen Millisekunden zu messen.
  • Darüber hinaus sieht die Erfindung in einer weiteren Ausführungsform eine selbstreferenzierende Messanordnung vor, um so die gewünschten Genauigkeiten zu erreichen. Auch hier werden zunächst die Kopplung und Modenmischung der einzelnen Lichtquellen mit Hilfe von Faseroptiken genutzt, um für alle Wellenlängen einen möglichst gleichen Pfad durch die optische Messzelle zu erhalten. Somit wirken sich Störeinflüsse in der Zelle z. B. auf die Absorptions- und Referenzwellenlängen in gleicher Weise aus. Im Gegensatz zu dem voranstehend beschriebenen Messaufbau wird hier auf Lichtteilung und somit auf einen zweiten Empfangskanal zur Referenzierung verzichtet. Stattdessen wird die effektive Absorptionslänge der Messzelle verändert (selbstreferenzierend) und somit das Messsignal in definierter Weise moduliert wie es durch Störungen nicht möglich ist. Der durch den Empfangsteil aufgenommene Signalverlauf kann entsprechend demoduliert werden. Hierdurch werden zumindest zwei Signale generiert, die zur Referenzierung jeder einzelnen Wellenlänge dienen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der gesamte optische Pfad außerhalb der Messzelle derselbe ist und nur innerhalb der Messzelle durch die Modulation verändert wird. Dadurch ist nur eine Empfangseinheit notwendig, es müssen nicht zwei gleichartige Empfänger realisiert werden. Somit wirken sich Empfangsstörungen in gleicher Weise auf das Referenz- wie auf das Messsignal aus. Nachteilig ist hier der komplexere Aufbau der Messzelle.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann durch aktives Umschalten bzw. Kippen oder Rotieren einer kleinen, in die Messzelle eingesetzten Glasplatte die Weglänge durch das zu messende Medium variiert und somit eine Referenz durch das Messvolumen erzeugt werden. Durch die mögliche Verwendung eines Hohlspiegels als Reflektor werden weiterhin wellenabhängige Störeffekte der Dispersion minimiert.
  • Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der selbstreferenzierenden Messzelle wird ein Teil des Lichtes direkt an einem ersten Spiegel zum Empfänger reflektiert. Ein zweiter Teil wird weitergeleitet und in Abhängigkeit von der Rotorstellung über einen zweiten Spiegel zum Empfänger reflektiert. Dieser Rotor wird z. B. durch die Strömung des zu messenden Mediums angetrieben und moduliert somit die effektive Weglänge. Auch hier liegt ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Referenzanordnungen in der Bildung der Referenz innerhalb der Messzelle, wodurch es möglich wird, dass Störungen in gleicher Weise auf die Referenz und den Messpfad einwirken, wodurch eine starke Störgrößenunterdrückung gewährleistet wird.
  • Speziell für gasförmige Medien kann eine weitere Art der Referenzierung realisiert werden, indem das indirekte Verfahren der optischen Spektroskopie auf einen anderen direkten Sensoreffekt überführt wird. Durch zusätzlich Modulation der Messgröße, z. B. durch Variation des Druckes, ändern sich die Volumenkonzentration des Gases und somit die detektierten Extinktionsmesswerte der einzelnen Quellen. Nimmt man synchron die Variation dieses zusätzlichen physikalischen Effektes bspw. unter Nutzung eines kommerziellen Sensors auf (z. B. den Druck) So lässt sich der Effekt der Modulation nutzen um das gesamte System sehr genau zu referenzieren, Störungen werden so unterdrückt und die realen Konzentrationsmesswerte bei Normdruck ermittelt. Da in vielen Systemen Druckschwankungen innert sind, ist dies eine sehr einfache und effektive Methode zur Selbstreferenzierung der Messzelle.
  • Als ein Anwendungsfall der oben beschriebenen Verfahren zur Referenzierung und zur Realisierung kostengünstiger, hochgenauer spektroskopischer Sensoren, wird hier der Abgassensor für Verbrennungsprozesse bzw. -motoren auf der Basis von neuartigen UV-LEDs angeführt. Dieser Sensor ist auch konstruktiv für den Einsatz in extrem rauer Umgebung, wie z. B. dem Abgaskanal eines Pkw geeignet und erprobt (u. a. hohe Temperaturen, Vibrationen, chemisch aggressive Medien).
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen in gasförmigen oder fluiden Medien ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine prinzipielle Darstellung der ersten Ausführungsform,
  • 2 eine prinzipielle Darstellung der zweiten und dritten Ausführungsform,
  • 3 einen prinzipiellen Längsschnitt durch eine selbstreferenzierende Messzelle gemäß der zweiten, in 2 dargestellten Ausführungsform mit Hilfe eines kippenden Glasplättchens und
  • 4 einen prinzipiellen Längsschnitt durch eine zweite selbstreferenzierende Messzelle gemäß der zweiten, in 2 dargestellten Ausführungsform.
  • Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Stoffenkonzentrationen in Medien umfasst 1 ... n spektral selektive breitbandige Lichtquellen 1, bspw. LEDs, die über Lichtwellenleiter 2 einem ersten Faserkoppler 3 zugeführt, dort gemischt und auf einen Lichtpfad gekoppelt werden. Ein an den ersten Koppler 3 angeschlossener Lichtwellenleiter 4 ist über einen Modenkoppler 5 einem zweiten Faserkoppler 6 (z. B. 75/25) zugeführt. Von diesem gehen zwei weitere Lichtwellenleiter 7 und 8 ab, von denen der Lichtwellenleiter 7 über einen Modenkoppler 9 zu einer das zu messende Medium enthaltenden Messzelle 10, weiter zu einem ersten Fotoempfänger 11, zu einem A/D-Wandler 12 und dann zu einem Rechner 13, z. B. einem μC oder einem DSP geführt ist. Der weitere Lichtwellenleiter 8 führt das Quellenlicht über einen Modenkoppler 14 zu einem zweiten Fotoempfänger 15, einem A/D-Wandler 16 und dann zu dem o. g. Rechner. Durch geeignete Signalverarbeitung, z. B. Referenzierung durch Vergleich der beiden Empfangskanäle, wird eine faseroptische Referenzierung ermöglicht. Somit ist eine sehr genaue Konzentrationsmessung der in der Messstrecke der Messzelle 10 befindlichen Stoffe realisierbar. Die elektronische Ansteuerung der spektral selektiven Lichtquellen erfolgt über den o. g. Rechner via Ansteuerleitung 18, was günstig für synchrone Ansteuerung und Signalaufnahme bzgl. hoher Messraten ist.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Homogenisierung der Abstrahlcharakteristik der 1 ... n spektral selektiven Lichtquellen 1 durch die Verwendung der Modenkoppler 5, 9, 14. Die anschließende Aufteilung des Lichtes ist somit nicht mehr von der schwankenden Intensitätsverteilung der Lichtquellen 1 abhängig. Das eingestrahlte Licht ”vergisst” quasi, wo es herkommt. Dabei wird die Modenkopplung hier über die Modenkoppler 5, 9, 14 in den optischen Lichtwellenleitern 2, 4, 7, 8 eingesetzt. Hierfür gibt es unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten, wie z. B. Nutzung sehr langer Fasern, Taper, mehrdimensionale Biegekoppler und dgl. Mit den Modenkopplern 5, 9, 14 wird ein effizientes optisches Bauelement zur Homogenisierung der Abstrahlcharakteristik verwendet.
  • Die Schwankungen der gefilterten spektral selektiven breitbandigen Lichtquellen 1 ... n, insbesondere LEDs, werden mit Hilfe der Referenzanordnung, bestehend aus dem Lichtpfad des Lichtwellenleiters 8, mit Modenkoppler 14 und dem zweiten Fotoempfänger 15 sowie dem zugehörigen A/D-Wandler 16 mit entsprechender Signalverarbeitung, im Rechner 13 kompensiert. Die durch die Messanordnung und Umgebung bedingten Störgrößen werden somit gegenüber der Zielgröße unterdrückt. Die Messsignalsicherheit ist daher wesentlich größer und speziell dadurch werden höhere Messgenauigkeiten/Auflösungen erreicht. Durch den Einsatz der Modenkoppler 5, 9, 14, ausgeführt z. B. als Ringkoppler, und der Faserkoppler 3, 6 zur Teilung des Lichtes wird eine quellenunabhängige, robuste und somit exakte Referenzierung ermöglicht, um so z. B. Gaskonzentrationen von unter 1 ppm bei einer Absorptionslänge von wenigen Zentimetern bei einer Messzeit von wenigen Millisekunden zu messen.
  • Die in 2 gezeigte Darstellung der zweiten Ausführungsform umfasst in gleicher Weise wie die in 1 gezeigte erste Ausführungsform die 1 ... n spektral selektiven breitbandigen Lichtquellen 1, die Lichtwellenleiter 2, den Faserkoppler 3, den Modenkoppler 5, die Lichtwellenleiter 4, 7, die Messzelle 20 mit der Messstrecke, den Fotoempfänger 11, den A/D-Wandler 12 und den Rechner 13. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nach 1 fehlt hier die faseroptische Lichtaufteilung mit dem Referenzpfad. Hier ist die Messzelle 20 selbstreferenzierend ausgeführt, dazu wird der Lichtpfad bspw. entsprechend der Darstellungen in 3 bzw. 4 oder entsprechend der dritten Ausführungsform moduliert. Zum Zwecke der Detektion der zuletzt genannten Modulation ist der Sensor 21 mit der Messleitung 19 integriert, welche genau wie der Fotoempfänger dem Rechner Messwerte zuführt. Im Rechner findet eine entsprechende Demodulation der Messsignale statt, mit deren Ergebnis die Referenzierung erfolgt.
  • In der zweiten Ausführungsform nach 2 ist somit eine selbstreferenzierende Messzellenanordnung vorgesehen, um so eine Quellunabhängigkeit und somit die gewünschten Genauigkeiten zu erreichen. Auch hier werden zunächst die Kopplung im Faserkoppler 3 und die Modenmischung der einzelnen Lichtquellen 1 mit Hilfe von Faseroptiken in dem Modenkoppler 5 genutzt, um für alle Wellenlängen einen möglichst gleichen Pfad durch die optische Messzelle 20 der Messstrecke zu erhalten. Somit wirken sich Störeinflüsse in der Messzelle 20 z. B. auf die Absorptions- und Referenzwellenlängen in gleicher Weise aus.
  • Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform nach 1 wird hier auf Lichtteilung und somit auf einen zweiten Empfangskanal zur Referenzierung verzichtet. Stattdessen wird die effektive Absorptionslänge der Messzelle verändert (selbstreferenzierend) und somit das Messsignal in definierter Weise moduliert, wie es durch Störungen nicht möglich ist. Der durch den einen Empfangsteil aufgenommene Signalverlauf kann entsprechend demoduliert werden. Hierdurch werden zumindest zwei Signale generiert, die zur Referenzierung jeder einzelnen Wellenlänge dienen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der gesamte optische Pfad außerhalb der Messzelle 20 derselbe ist und nur innerhalb der Messzelle 20 durch die Modulation verändert wird. Dadurch ist nur eine Empfangseinheit notwendig, es müssen nicht zwei gleichartige Empfänger realisiert werden. Somit wirken sich Empfangsstörungen in gleicher Weise auf das Referenz- wie auf das Messsignal aus. Nachteilig ist hier der komplexere Aufbau der Messzelle 30, 40.
  • Speziell für gasförmige Medien kann eine weitere Art der Referenzierung realisiert werden, indem das indirekte Verfahren der optischen Spektroskopie mit Hilfe einer einfachen Messzelle wie sie in Anwendungsfall 1 beschrieben ist auf einen anderen direkten Sensoreffekt überführt wird. Dies wird durch zusätzliche Modulation der Messgröße, z. B. durch Variation des Druckes realisiert, so ändern sich die Volumenkonzentration des Gases und somit die detektierten Extinktionsmesswerte der einzelnen Quellen. Nimmt man synchron die Variation dieses zusätzlichen physikalischen Effektes bspw. unter Nutzung eines kommerziellen Sensors 21 auf (z. B. den Druck), so lässt sich der Effekt der Modulation nutzen, um das gesamte System sehr genau zu referenzieren, Störungen werden so unterdrückt und die realen Konzentrationsmesswerte bei Normdruck ermittelt. Da in vielen Systemen Druckschwankungen innert sind, ist dies eine sehr einfache und effektive Methode zur Selbstreferenzierung der Messzelle.
  • Die weitere Ausführungsform nach 3 zeigt die Messzelle 30, in der sich die zu messenden Stoffe befinden, mit Ein- und Ausgängen 31, 32 für das von den Lichtquellen 1 abgestrahlte und über den Lichtwellenleiter 4 und den Modenkoppler 5 der Messzelle 30 und von dieser über den Lichtwellenleiter 7 dem Fotoempfänger 11 zugeführte Licht. In die Messzelle 30 ist eine Glasplatte bzw. ein Glasplättchen 33 integriert, durch dessen Kippen oder Rotieren die effektive Weglänge durch das zu messende Medium in der Messzelle 30 umgeschaltet/variiert wird. In der Position II des Glasplättchens 33 folgt das Licht prinzipiell der Richtung, welche durch den Pfeil 38 markiert ist. In der Position I des Glasplättchens 33 folgt es den Pfeilen 39 auch über die Ein- und Ausgänge 35, 36. Somit wird eine Referenz durch die Interaktion mit dem Medium im Messvolumen der Messzelle 30 erzeugt. Vorteilhaft erweist sich hier, dass das Licht auf beiden Wegen, d. h. auf beiden Positionen I und II, dieselben optischen Komponenten durchlaufen hat. Durch die Verwendung eines Hohlspiegels 34 als Reflektor am rechten Ende der Messzelle 30 (3) werden wellenabhängige Effekte der Dispersion minimiert. Hier könnte jedoch auch ein Planspiegel eingesetzt werden, dann würde jedoch die optionale Glasplatte 37, die das Messvolumen begrenzt, durch eine Kollimatorlinse ersetzt werden.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 4 der selbstreferenzierenden Messzelle 40 wird ein Teil des über den Eingang 31 eingekoppelten und in der Kollimatorlinse 41 kollimierten Lichtes entsprechend der Richtung 45 am halbdurchlässigen Spiegel 42 reflektiert. Dieses reflektierte Licht tritt dann wieder durch die Kollimatorlinse 41, wird zum Ausgang 32 und schließlich zum Empfangsteil 11, 12, 13 geleitet. Ein zweiter Teil des eingekoppelten Lichtes passiert entsprechend der Richtung 46 den halbdurchlässigen Spiegel 42 und gelangt in das zweite Messvolumen II. In Abhängigkeit von der Orientierung eines Rotors 44 im optischen Pfad wird dieser Teil des Lichtes an einem Vollspiegel 43 (in 4 rechts) reflektiert und gelangt entsprechend der Reflexion 47 zum Ausgang 32 bzw. zur Empfangseinheit 11, 12, 13.
  • Der Rotor 44 wird z. B. durch die Strömung des zu messenden Mediums, welches die Messzelle 40 im Messvolumen II in Richtung der Pfeile 48 durchströmt, angetrieben. Die Flügel des Rotors 44 dienen der Lichtabschottung und modulieren somit die effektive Weglänge des Lichts bzw. entsprechend die Stärke der Interaktion des Lichtes mit dem Medium. Dabei befindet sich im Messvolumen I und II der Messzelle 40 dasselbe zu messende Medium.
  • Als ein Anwendungsfall der oben abgehandelten Verfahren zur Referenzierung und zur Realisierung kostengünstiger, hochgenauer spektroskopischer Sensoren, wird hier der Abgassensor für Verbrennungsprozesse bzw. -motoren auf der Basis von neuartigen UV-LEDs angeführt. Dieser Sensor ist auch konstruktiv für den Einsatz in extrem rauer Umgebung, wie z. B. dem Abgaskanal eines Pkw geeignet und erprobt (u. a. hohe Temperaturen, Vibrationen, chemisch aggressive Medien).
    • 1
    Lichtquelle
    2
    Lichtwellenleiter
    3
    Faserkoppler
    4
    Lichtwellenleiter
    5
    Modenkoppler
    6
    Faserkoppler
    7
    Lichtwellenleiter
    8
    Lichtwellenleiter
    9
    Modemkoppler
    10
    Messzelle
    11
    Fotoempfänger
    12
    Analog-/Digitalwandler (A/D-Wandler)
    13
    Rechner
    14
    Modenkoppler
    15
    Fotoempfänger
    16
    A/D-Wandler
    18
    Quellenansteuerleitung
    19
    Messleitung
    20
    referenzierende Messzelle
    22
    Sensor
    30
    Messzelle
    31
    Lichteingang für nicht stabilisierte Lichtquelle bzw. gestörte Zuleitung
    32
    Lichtausgang, zum Fotoempfänger
    33
    Glasplatte
    34
    Hohlspiegel als Reflektor
    35
    Eingang zur Lichtrückführung
    36
    Ausgang der Lichtrückführung
    37
    Optionale Glasplatte
    38
    Richtung des ersten Lichtpfades
    39
    Richtung des zweiten Lichtpfades
    40
    Messzelle
    41
    Kollimatorlinse
    42
    Halbdurchlässiger Spiegel
    43
    Vollspiegel
    44
    Rotor
    45
    Richtung des ersten Teillichtstromes
    46
    Richtung des zweiten Teillichtstromes
    47
    Reflexion des zweiten Teillichtstromes
    48
    Richtung der Anströmung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (8)

  1. Verfahren zur Referenzierung in der optischen Absoptionspektroskopie mit Breitbandlichtquellen zur Bestimmung der Stoffkonzentration in gasförmigen oder fluiden Medien, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Breitbandlichtquellen teilweise durch die Messstrecke einer Messzelle einem Messdetektor und teilweise durch einen Referenzpfad einem Referenzdetektor, wobei Messtrecke und Referenzpfad teilweise identisch und Messdetektor und Referenzdetektor identisch sind, zugeleitet wird und die Einflüsse der Abstrahlcharakteristik der Breitbandquellen und der Modenwichtung der optischen Komponenten durch Modenkoppler in den Lichtpfaden beseitigt werden.
  2. Vorrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen in gasförmigen oder fluiden Medien innerhalb der Messstrecke einer Messzelle mittels Absorptionsspektroskopie von Breitbandlichtquellen über Lichtführungsoptiken abgestrahltem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Breitbandlichtquellen (1) über Lichtführungsoptiken (2, 4, 7, 8) abgestrahlte Licht durch die Messstrecke der selbstreferenzierenden Messzelle (20, 30, 40) oder nur teilweise durch eine Messzelle (10) einem Messdetektor (Fotoempfänger 11) und teilweise über einen Referenzpfad (Lichtwellenleiter 8) einem Referenzdetektor (Fotoempfänger 15) zugeleitet wird und dass zur Homogenisierung der zeitlichen und örtlich schwankenden Abstrahlcharakteristik der Breitbandlichtquellen (1) jeder Lichtführungsoptik (2, 4, 7, 8) ein Modenkoppler (5, 9, 14) zugeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtführung über Lichtwellenleiter (2, 4, 7, 8) erfolgt und mehrere Lichtwellenleiter (2) über Lichtwellenleiterkoppler (3, 6) zu gemeinsamen Lichtwellenleitern (4, 7, 8) verbunden sind und hinter jedem Lichtwellenleiterkoppler (3, 6) ein Modenkoppler (5, 9, 14) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Breitbandlichtquellen (1) über die Lichtwellenleiter (2, 7, 8) abgestrahlte Licht durch die Messstrecke der Messzelle (20) einem Messdetektor (Fotoempfänger 11) zugeleitet wird und dass die Messstrecke der Messzelle (20) als selbstreferenzierende Messstrecke ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstreferenzierende Messstrecke nach Anspruch 4, in der Messzelle (30) durch ein kippendes oder rotierendes Glasplättchen (33) realisiert ist, wodurch die Interaktionslänge des zu messende Medium variiert/moduliert wird und somit eine Referenz erzeugt wird, wodurch Störungen unterdrückt und hohe Auflösungen erzielt werden.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Messzelle (30) ein Hohlspiegel (34) als Reflektor eingesetzt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstreferenzierende Messstrecke nach Anspruch 4 in einer Messzelle (40) über einen halbdurchlässigen Spiegel (42) und einen Vollspiegel (46) verfügt, wobei ein zusätzlicher Rotor, welcher durch das strömende zu messende Medium angetrieben ist und sich im optischen Pfad befindet, den Vollspiegel (43) zeitweise abschattet und somit die Interaktionslänge/das Messsignal moduliert, wodurch eine Referenzierung entsprechend Anspruch 1 realisiert wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstreferenzierende Messstrecke nach Anspruch 4 in einer Messzelle (10), in welcher das Messsignal durch einen zusätzlichen Einfluss (z. B. Druckvariation) in definierter Weise moduliert wird/ist, dies durch einen zusätzlichen Sensor detektiert und hiermit der optische aufgenommene Signalverlauf (Fotoempfänger 11) entsprechend demoduliert und somit das optische System referenziert wird.
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