DE102005035932A1 - Optischer Sensor für in-situ Messungen - Google Patents

Abstract

Ein optischer Sensor (1) umfasst: eine Messkammer (3), die mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist; ein Sensorgehäuse (2), mindestens eine Lichtquelle (21); mindestens einen Photodetektor (22), wobei die Lichtquelle und der Photodetektor in dem Sensorgehäuse (2) angeordnet sind, ein Messpfad von der Lichtquelle durch die Messkammer (3) zu dem Photodetektor verläuft und der Messpfad über mindestens ein erstes Fenster (6, 7) in einer Oberfläche des Sensorgehäuses (2) in die Messkammer (3) eintritt und aus der Messkammer austritt; wobei ferner der optische Sensor ferner einen Filter (11) aufweist, durch welchen der Zufluss bzw. Abfluss des Messmediums zur Messkammer erfolgt. Der optische Sensor (1) kann weiterhin eine Druckleitung (9), die in Fließverbindung mit der Messkammer (3) steht, umfassen, um das Messmedium durch den Filter (11) in die Messkammer zu saugen oder aus der Messkammer zu blasen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor für in-situ Messungen, insbesondere für in-situ Messungen in Medien, die neben dem eigentlichen Analyten Verunreinigungen enthalten, die der Messung des Analyten entgegenstehen. Derartige optische Sensoren sind beispielsweise spektrometrische Sensoren oder photometrische Sensoren, wie Nitratsensoren, die auf einer UV-Absorptionsmessung beruhen, oder Sensoren die einen spektralen Absorptionskoeffizienten oder einen anderen Summenparameter bestimmen.
• Optische Sensoren für in-situ Messungen weisen gewöhnlich ein Sensorgehäuse auf, in dessen Innenraum mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Photodetektor vorhanden ist, wobei ein Messpfad von der Lichtquelle durch eine Messkammer zu dem Photodetektor verläuft, wobei die Messkammer mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist, und der Messpfad über mindestens ein Fenster in einer Oberfläche des Gehäuses in die Messkammer eintritt und aus der Messkammer austritt Häufig enthält das zu analysierende Messmedium, beispielsweise Abwasser, neben den eigentlichen Analyten Verunreinigungen wie Belebtschlammpartikel, welche durch Streuung oder andere Absorptionsprozesse die eigentliche Messung beeinträchtigen und zudem die Fenster im Messpfad verschmutzen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor für in-situ Messung bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den optischen Sensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
• Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst eine Messkammer und ein Sensorgehäuse, in dessen Innenraum mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Photodetektor vorhanden ist, wobei ein Messpfad von der Lichtquelle durch die Messkammer zu dem Fotodetektor verläuft, wobei die Messkammer mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist, und der Messpfad über mindestens ein Fenster in einer Oberfläche des Gehäuses in die Messkammer eintritt und aus der Messkammer austritt; wobei der optische Sensors ferner einen Filter aufweist, durch welchen der Zufluss bzw. Abfluss des Messmediums zur Messkammer erfolgt.
• In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße optische Sensor eine Druckleitung, die in Fließverbindung mit der Messkammer steht, um das Messmedium durch den Filter in die Messkammer zu saugen oder aus der Messkammer zu blasen. Die Druckleitung kann beispielsweise durch das Gehäuse des optischen Sensors geführt werden und in einer Öffnung im Bereich der Messkammer münden.
• Insoweit als die optischen Sensoren für in-situ Messungen gewöhnlich in einer Wassertiefe von etwa einem Meter eingesetzt werden sind die Druckanforderungen an die Druckleitung verhältnismäßig gering, eine Evakuierung auf etwa 0,3 bar reicht ohne weiteres aus, um mit der resultierenden Druckdifferenz ein wässriges Medium durch den Filter in die Messkammer zu saugen, und ein Überdruck von beispielsweise 1 bar ist geeignet um die Messkammer wieder auszublasen. Die genannten Druckwerte ergeben lediglich Größenordnungen an, und sind selbstverständlich in Abhängigkeit der Porengröße der Filter sowie der Einsatztiefe der optischen Sensoren im Rahmen des fachmännischen Könnens anzupassen.
• Das Filterelement kann beispielsweise hülsenförmig gestaltet sein, um auf ein zylindrisches Sensorgehäuse aufgeschoben zu werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Messkammer als schlitzförmige Küvette in der Mantelfläche eines zylindrischen Sensorgehäuses ausgebildet ist. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung hat das Sensorgehäuse einen Durchmesser von etwa 40mm und das hülsenförmige Filterelement einen Durchmesser von etwa 50mm, wobei im wesentlichen die Mantelfläche des hülsenförmigen Filterelementes als Filter aktiv ist. Das Filterelement hat eine axiale Ausdehnung von etwa 20 bis 30mm bei einer axialen Dimension der Messkammer vom nicht mehr als 5mm. Als Filtermaterial sind verschiedene poröse Materialien geeignet, beispielsweise Polyamid, Polyethylen oder PVDF, sowie andere Kunststoffe mit einer Porengröße zwischen etwa 10 μm und etwa 30 μm. Gleichermaßen sind metallische Filter, beispielsweise Spaltfilter aus Stahl etwa 10 μm bis 50 μm Porengröße geeignet.
• Falls kleinere Kontaminanten auszufiltern sind, kommen auch Membranfilter mit einer Porengröße zwischen etwa 0,2 μm und 0,45 μm in Betracht.
• Der erfindungsgemäße optische Sensor ist beispielsweise ein spektrometrischer Sensor oder photometrischer Sensor, insbesondere ein Nitratsensor, der auf einer UV-Absorptionsmessung beruht, oder ein Sensor die einen spektralen Absorptionskoeffizienten oder einen anderen Summenparameter bestimmt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt:
• 1: einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäßen photometrischen Sensor für in-situ Messungen.
• Der photometrische Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches einen wesentlichen zylindrischen Aufbau aufweist.
• In der Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses ist eine schlitzförmige Messkammer 3 ausgebildet. Das Gehäuse 2 weist im Bereich der Messkammer 3 Öffnungen auf, die in einer ersten Messkammerwand 4, einer der ersten Messkammerwand 4 gegenüberliegenden zweiten Messkammerwand 5 und in dem Boden 8 der Messkammer 3 vorgesehen sind. In der Öffnung im Boden 8 der Messkammer mündet eine Druckleitung, über die mittels einer (hier nicht dargestellten) Pumpe wahlweise ein Unterdruck oder Überdruck angelegt werden kann.
• Die Öffnung in der ersten und zweiten Messkammerwand 4, 5, sind durch ein erstes bzw. zweites Quarzfenster 6, 7 mediendicht verschlossen. Das Licht des Messpfads wird durch das erste bzw. das zweite Fenster 6, 7 in die Messkammer ein- bzw. in die Messkammer ausgekoppelt. Im Falle eines Nitratsensors kann beispielsweise eine Xenonblitzlampe als Lichtquelle 21 vorgesehen sein, deren Licht entlang des Messpfads zu einem Detektor 22 in dem Gehäuse 2 geführt wird. Einzelheiten zur optischen Messung von Analyten sind dem Fachmann geläufig und brauchen hier nicht weiter erläutert zu werden.
• Der erfindungsgemäße Sensor umfasst weiterhin eine Filtereinheit 10, die eine im wesentlichen zylindrische Hülse 11 aufweist. Die Hülse 11 kann beispielsweise auf das Sensorgehäuse aufschiebbar gestaltet sein, wobei die Hülse 11 erste und zweite ringförmige Stirnflächenscheiben 12, 13 aufweist, an deren Innenrand jeweils eine Dichtung 14, 15 zur Abdichtung des Ringspalts zur Mantelfläche des Sensorgehäuses 2 vorgesehen ist, so dass zwischen den Stirnflächen und der Mantelfläche des Sensors kein Medium in die Messzelle gelangen kann. Im Ausführungsbeispiel ist jeweils eine umlaufende Silikondichtung vorgesehen, es kommen aber gleichermaßen O-Ring-Dichtungen, Formdichtungen oder Flachdichtungen in Frage, wobei vorzugsweise für die gewählten Dichtungen entsprechende Einspannflächen an den Stirnflächenscheiben bzw. an der Mantelfläche des Sensorgehäuses 2 vorgesehen werden.
• Die Hülse 11 kann beispielsweise einfach im Klemmsitz auf der Mantelfläche des Sensorgehäuses gehalten werden, oder gegebenenfalls durch weitere Sicherungsmaßnahmen, beispielsweise durch komplementäre Gewinde oder Rastmittel.
• Die Mantelfläche 16 der Hülse 11 umfasst ein Spaltfilter mit etwa 20 μm Porengröße.
• Zum Füllen der Messkammer mit einer zu untersuchenden Probe wird das von der Filtereinheit eingeschlossene Volumen mittels einer Druckleitung 9 evakuiert, bis das Messmedium durch die Mantelfläche 11 der Filtereinheit 10 in die Messkammer hineingesogen wird. Dabei kann auch eine gewisse menge des Messmediums in die Druckleitung 9 gelange, dies ist jedoch unschädlich, da die Druckleitung und die Messkammer 3 nach erfolgter Messung durch Anlegen von Überdruck an die Druckleitung ausgeblasen wird, wodurch sämtliches Medium wieder aus dem von der Filtereinheit umschlossenen Volumens herausgedrückt wird.
• Durch geeignete Ausrichtung der Austrittsöffnung der Druckleitung kann beim Ausblasen eine Reinigung der Quarzfenster erfolgen. Um eine optimale Reinigung von Quarzfenstern in größeren Abstand zueinander zu erzielen sind gegebenenfalls zwei Austrittsöffnungen vorzusehen, von denen eine erste Austrittsöffnung auf das erste Quarzfenster ausgerichtet ist und eine zweite Austrittsöffnung auf das zweite Quarzfenster.

Claims (10)

1. Optischer Sensor (1), umfassend: eine Messkammer (3), die mit einem zu analysierenden Medium befüllbar ist; ein Sensorgehäuse (2), mindestens eine Lichtquelle (21); mindestens ein Photodetektor (22), wobei die Lichtquelle und der Photodetektor in dem Sensorgehäuse (2) angeordnet ist, ein Messpfad von der Lichtquelle durch die Messkammer (3) zu dem Photodetektor verläuft, und der Messpfad über mindestens ein erstes Fenster (6, 7) in einer Oberfläche des Sensorgehäuses (2) in die Messkammer (3) eintritt und aus der Messkammer austritt; dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor ferner einen Filter (11) aufweist, durch welchen der Zufluss bzw. Abfluss des Messmediums zur Messkammer erfolgt.
2. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Druckleitung (9), die in Fließverbindung mit der Messkammer (3) steht, um das Messmedium durch den Filter (11) in die Messkammer zu saugen oder aus der Messkammer zu blasen.
3. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 2, wobei die Druckleitung durch das Gehäuse des optischen Sensors geführt ist.
4. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Filter (11) als hülsenförmiges Filterelement (10) gestaltet ist.
5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, wobei das Sensorgehäuse 5, einem im wesentlichen zylindrischen Aufbau aufweist.
6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, wobei die Messkammer (3) als schlitzförmige Küvette in der Mantelfläche eines zylindrischen Sensorgehäuses (2) ausgebildet ist.
7. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Filter (11) Polyamid, Polyethylen oder PVDF, oder andere Kunststoffe aufweist.
8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Filter (11) einen metallischen Werkstoff aufweist.
9. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Filter eine Porengröße zwischen etwa 0,2 μm und etwa 30 μm aufweist.
10. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor ein spektrometrischer Sensoren oder photometrischer Sensor ist.