In
DE 198 56 591 A1 wird
eine Lichtleiter gekoppelte ATR-Tauchsonde beschrieben, wobei das Sondenelement über eine
Dichtung das Sondenkörpergehäuse verschließt. Das
Sondenelement wird hierbei über
einen entlang der Lichtleiterachse wirkenden Federmechanismus gegen
elastische Dichtmittel am Ende des Sondenkopfgehäuses gedrückt. Der Federmechanismus sorgt
dabei für
einen Ausgleich der Längenausdehnung
des Sondenkopfgehäuses
und des über
eine Dichtung eingefassten Sondenelementes und hält gleichzeitig die Lichtleiterenden über einen
weiten Temperaturbereich in konstanten Abstand zum Sondenelement.
In
US5923808 wird eine temperaturfeste, Lichtleiter
gekoppelte ATR-Tauchsonde beschrieben, die über eine aktive Kühlung auf
konstantem Temperaturniveau gehalten wird. Die Kühlung erfolgt über Stickstoffspülung. Zusätzlich erfolgt
eine Temperaturentkopplung zwischen Sondenelement und Lichtleiter über ein
infrarottransparentes und im entsprechenden Temperaturbereich stabiles
optisches Element. Die eingesetzten Lichtleiter sind auf der Basis von
Chalkogenidverbindungen.
In
DE10123294 wird eine Infrarot-Messsonde
bestehend aus einem ATR-Diamantelement
und einer Silberhalogenid Lichtleiteroptik beschrieben. Die aus
dem Lichtleiter austretende Infrarotstrahlung wird über eine
Mikrooptik in das Sondenelement eingekoppelt.
In
US 5,185,834 ist eine ATR-Messsonde
für die
Infrarotspektroskopie mit einem Sondenkörper für 2 interne Reflexionen gezeigt.
Der Sondenkörper
besteht vorzugsweise aus ZnSe und hat auf der einen Seite eine Linse
aufgeformt. Der strahlzuführende und
strahldetektierende Lichtleiter wird in festem Abstand zum Sondenkörper in
einem justierbaren Halter fixiert.
In
US 5,585,634 wird eine faseroptische
Infrarot-Messsonde mit einem Lichtleiterabschnitt als ATR-Sondenelement
offengelegt. Der Lichtleiterabschnitt ist in Epoxidharz eingebettet
und ein plan geformter Teil des Lichtleiterabschnitts wirkt als
empfindliche Sensorfläche.
Darüber hinaus
werden im Stand der Technik hohlleiterbasierte Tauchsonden (z.B.
von den Firmen Axiom und Mettler-Toledo) beschrieben, die im Temperaturbereich
von –100°C bis 300°C einsetzbar sind.
In diesen Sonden wird die Infrarotstrahlung über Spiegeloptiken zum Sondenelement
geleitet und von dort zum Detektor. Im Bereich des Sondenkopfes werden
nur Materialien eingesetzt, die im gewünschten Temperaturbereich nahezu
gleiche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Alternativ werden die zu
verbindenden Komponenten über
Dichtringsysteme zusammengefügt.
Alle
im Stand der Technik beschriebenen Lichtleiter gekoppelten Infrarot-Messsonden weisen einige
Nachteile auf.
IR-Messsonden,
bestehend aus starren Spiegelarmsystemen, sind zwar temperaturstabil, aber
nicht flexibel, justierempfindlich und haben nur eine sehr kurze
Reichweite.
Dagegen
sind lichtleiterbasierte IR-Messsonden flexibel, kompakt und haben
eine deutlich größere Reichweite.
Die im Stand der Technik beschriebenen IR-Messsonden sind jedoch ohne aktive Kühlung nur über einem
sehr engen Temperaturbereich einsatzfähig, da sie keine Möglichkeiten
für eine Längenausdehnung
der Lichtleiter vorsehen.
Sie
bestehen in der Regel aus einem Sondenelement, einem Beleuchtungslichtleiter
und einem Detektionslichtleiter, die beide entweder fest mit dem Sondenelement
verbunden oder vor dem Sondenelement am Sondenkopfgehäuse fixiert
sind. Auf Grund der extrem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen Sondenelement, umgebenden Sondenkopfgehäuse und Lichtleiter, ist eine
Fixierung der Lichtleiter am Sondenkopfgehäuse oder am Sondenelement,
sowie in den obigen Erfindungen beschrieben, für Anwendungen, die sich nicht
in einem engen Temperaturbereich abspielen, nur dann geeignet, wenn
der Sondenkopf aktiv gekühlt
wird. Ohne aktive Kühlung
dehnt sich der Lichtleiter stärker
aus als die Halterung in die er fixiert ist sowie das ihn umgebende
Hüllmaterial.
Falls die Ausdehnungskoeffizienten des Lichtleiters und der Befestigung
sehr verschieden sind, führt
dies, je nach mechanischer Beschaffenheit der Lichtleiter, zur Zerstörung des
Lichtleiters durch Bruch oder dauerhafter, plastischer Verformung.
Auf
der anderen Seite ist die Einstellung einer definierten Temperatur
durch aktive Kühlung
des Messkopfes sehr aufwändig
und verfälscht
unter Umständen
das Messergebnis.
Polykristalline
Silberhalogenidverbindungen wie z.B. AgCl-AgBr haben z.B. einen
Audehnungskoeffizienten von typischerweise 35·10^-6, während z.B. SiO2-basierte Glaslichtleiter,
die im nahinfraroten Spektralbereich eingesetzt werden, einen etwa
2 Größenordnungen
kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Messsonden
basierend auf Glaslichtleitern erfordern daher eine komplett andere
Konfektionierungstechnologie im Vergleich zu Lichtleitern aus polykristallinem
Silberhalogenidmaterial. Kommerziell verfügbare Glasslichtleitersonden,
die im Temperaturbereich bis 180°C
eingesetzt werden, können
z.B. mit Hochtemperatur-Klebstoffen
auf Epoxidharzbasis dauerhaft und beständig vor dem Sondenelement
fixiert werden.
Silberhalogenide
sind im Gegensatz zu anderen als Lichtleitermaterialien eingesetzten
infrarottransparenten Materialien wie z.B. Chalkogenid-Glaslichtleitern
auch dauerhaft von –150°C bis 250°C temperaturstabil
und eignen sich daher bei geeigneter Konfektionierung für den Einsatz
in diesem Temperaturbereich.
Es
ist die Aufgabe der Erfindung eine IR-Messsonde sowie ein Messsystem
mit einer IR-Messsonde anzugeben, die über einen weiten Temperaturbereich
ohne aktive Kühlung
einsatzfähig ist
und trotzdem die Vorteile einer Lichtleiteroptik aufweist, wie z.B.
Flexibilität,
Kompaktheit, einfache Bedienbarkeit und Multiplexfähigkeit.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch Anspruch 1 und ein Messsystem nach Anspruch 10. Abhängige Ansprüche beziehen
sich auf vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist das
dem Sondenelement zugewandten Beleuchtungs- und Detektionslichtleiterende
so gelagert, dass sie sich bei Erwärmung und Abkühlung des
Sondenkopfgehäuses elastisch,
d.h. ohne plastische Verformung verlängern und verkürzen kann.
Dies wird z.B. dadurch erzielt, dass das Sondenkopfgehäuse ein
Volumen umschließt,
dass die zerstörungsfreie
Verlängerung
der Lichtleiter z.B. durch elastisches Ausweichen der Lichtleiter
in seitlicher Richtung erlaubt. Eine plastische Verformung der Lichtleiter
führt zu
einer Degradation der Transmissionseigenschaften der Lichtleiter
und kann durch eine ausreichend große Dimensionierung des Ausweichvolumens
vermieden werden.
Darüber hinaus
werden die Lichtleiter über einen
weiten Temperaturbereich in definiertem lateralen und axialen Abstand
zum Sondenelement gehalten. Reproduzierbare Messergebnisse sind
nur möglich,
wenn sich die Position der Lichtleiterenden relativ zum Sondenelement
während
der Verfolgung einer Laborreaktion nicht verändert. Dies wird über eine
Rückstellkraft,
die entlang der Lichtleiterachse wirkt, realisiert.
Als
Sondenelement sind Attenuated Total Reflection (ATR) Elemente, Transmissions-
und Reflektionselemente vorteilhaft. Insbesondere ATR-Elemente müssen regelmäßig unter
erhöhten
Sondenkopftemperaturbedingungen eingesetzt werden. Eine aktive Kühlung kühlt nicht
nur die temperaturempfindlichen Lichtleiter sondern auch das Sondenelement
und damit die Meßumgebung.
Da ATR-Messungen nur in einer wenige Mikrometer dicken Schicht um
das ATR- Element
stattfinden, würden diese
Messungen bei aktiver Kühlung
falsche Ergebnisse liefern. ATR-Messungen bei erhöhter oder
erniedrigter Temperatur machen somit nur ohne aktive Kühlung Sinn.
Die erfindungsgemäße IR-Messsonde liefert
unverfälschte
Messdaten ohne aktive Kühlung im
Temperaturbereich –150°C bis 250°C.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden polykristalline Silberhalogenid-Lichtleiter mit einer Kern-Mantelstruktur
eingesetzt. Diese Lichtleiter sind hinreichend flexibel und im Temperaturbereich von –150°C bis 250°C dauerhaft
einsetzbar.
Lichtleiter
mit einem rechteckigen Querschnitt sind besonders vorteilhaft, da
sie besser auf die Querschnittsfläche des Sondenelementes angepasst
werden können
und ausserdem flächig
untereinander kontaktieren und befestigt werden können. Eine
flächige
Befestigung verbessert die Reproduzierbarkeit der Messdaten.
Lichtleiter
mit einer reinen Kernstruktur, so genannte Kernlichtleiter, haben
eine höhere
numerische Apertur und damit einen prinzipiell höheren Strahldurchsatz als Kern-Mantel-Lichtleiter.
Insbesondere dort, wo IR-Messsonden mit kurzen, starrem oder nahezu
starrem Aufbau gefordert sind, liefern Kernlichtleiter deutlich
bessere Messergebnisse hinsichtlich des Signal zu Rauschverhältnisses
im Spektralbereich von 2 μm
bis 8 μm
Wellenlänge.
Der
Einsatz von einkristallinen Lichtleiterabschnitten, zumindest im
temperierten Bereich des Sondenkopfes, erlaubt den Einsatz der IR-Messsonde
im Temperaturbereich bis 350°C.
Bevorzugt
sind die beiden Lichtleiterenden ohne optischen Spalt fest mit dem
Sondenelement verbunden. Dies garantiert einen maximalen Strahldurchsatz,
da keine Fresnel-Strahlungsverluste auftreten. Die spaltfreie Kopplung
kann über
eine Schicht realisiert werden, deren Brechungsindex zwischen dem
Brechungsindex des Sondenelementes und der Lichtleiter liegt.
Eine
alternative Kopplungsmöglichkeit
zwischen Lichtleiter und Sondenelement sieht keine Fixierung im
Bereich des Sondenelement vor. Diese Variante hat den Vorteil, das
der Lichtleiter sehr leicht ausgetauscht werden kann. Dies ist dann
vorteilhaft, z.B. wenn die Sonde für Anwendungen in unterschiedlichen
Spektralbereichen eingesetzt werden soll.
Sind
Beleuchtungs- und Detektionslichtleiter vor dem Sondenelement fest
miteinander verbunden, jedoch nicht mit dem Sondenkopfgehäuse, verbessert
dies die Reproduzierbarkeit der Strahlungskopplung zwischen Lichtleiter
und Sondenelement, da keine relative Verschiebung zwischen beiden
Lichtleitern auftreten kann.
Detektions-
und Beleuchtungslichtleiter werden über eine Rückstellkraft in einer definierten
Position vor dem Sondenelement gelagert. Damit diese Rückstellkraft
wirken kann, müssen
die Lichtleiter an einer Stelle des Sondenkopfgehäuses, die
außerhalb des
Ausdehnungsbereiches und hinter des die Rückstellkraft erzeugenden Elementes
liegt, fixiert werden.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden der Beleuchtungs- und/oder der Detektionslichtleiter
auf ihrer gesamten Länge
nur an einem Punkt zwischen Ein- bzw. Auskoppelende und Sondenelement
mit der Umgebenden Hülle
verbunden, wobei die umgebende Hülle
das Sondenkopfgehäuse,
die flexiblen Lichtleiterschutzhüllen
oder die Lichtleiterstecker sein können. Insbesondere für IR-Messsonden
mit sehr kurzen, z.B. in der Anwendung kaum bzw. nicht bewegten
Lichtleiterabschnitten mit einer Länge kleiner 1 m, ist eine Fixierung
an mehr als einem Punkt nachteilig.
Bevorzugt
wird die Rückstellkraft
durch elastische Biegung des Beleuchtungs- und Detektionslichtleiters
im starren Sondenkopfgehäuse
erzeugt. Hierzu muß das
Sondenkopfgehäuse
so ausgelegt sein, das ausreichend Platz für eine weitere elastische Verformung
der Lichtleiter, in Folge der Temperaturausdehnung, bis zur maximal
möglichen
Temperatur zur Verfügung
steht.
Falls
das zur Verfügung
stehende Sondenkörpervolumen
sehr klein gehalten werden muß,
ist die Realisierung der Rückstellkraft über eine
moderate plastische Biegung vorteilhaft. Unter moderate Biegungen
sind Krümmungsradien
von mehr als 30 mm zu verstehen. Sehr kleine Sondenkörper sind vorteilhaft
z.B. wenn IR-Messsonden mit starren Strahltransferoptiken eingesetzt
werden müssen. Derartige
IR-Messsonden sind
bevorzugt in einem durchgehenden starren Gehäuse konfektioniert.
Die
Realisierung der Federkraft über
eine axial wirkende elastische Federkraft ist dann vorteilhaft,
wenn der Sondenkörper
eine sehr schlanke, lang gezogene z.B. zylindrische Form hat, insbesondere
bei einem Längen-
zu Durchmesserverhältnis des
Sondenkörpers
von mehr als 25. Wird der Lichtleiter hinter dem lang gezogenen
Sondenkörper
in einem flexiblen Schutzschlauch mit einer Länge von mindestens 0.3 m und
einem Innendurchmesser von mehr oder gleich dem 2-fachen Lichtleiterdurchmesser
geführt,
muss kein Ausdehnungsvolumen, dass den Aussendurchmesser des schlanken
Sondenkörpers überschreitet,
bereitgestellt werden. Derartige IR-Messsonden können bevorzugt auch in einem durchgehenden
starren Rohr konfektioniert werden.
Insbesondere
in chemischen und biotechnologischen Anwendungen sind Reaktionstemperaturen
im Bereich von –150°C und 250°C möglich. Die eingesetzten
IR-Messsonden müssen
in diesem Temperaturbereich nicht nur beständig sein, sondern darüber hinaus
auch reproduzierbare Messdaten liefern. In diesem Temperaturbereich ändert sich
die Länge
von Silberhalogenid-Lichtleitern (Ausdehnungskoeffizient: 40·10^-6)
auf einer Länge
von 20 cm im Bereich von etwa 3,5 mm, d.h. das Ausdehnungsvolumen
im Sondenkörper
muß entsprechend ausgelegt
sein.
Eine
Temperaturstabilität
oberhalb von 250°C
ist erzielbar, wenn die Lichtleiter im Bereich des Sondenkopfes
vakuum- bzw. gasdicht konfektioniert werden.
Das
Signal- zu Rauschen der IR-Messsonde lässt sich deutlich verbessern,
wenn die IR-Strahlung über
eine Mikrolinse, die auf dem Lichtleiterende des Einkoppel- und/oder Detektionslichtleiters
aufgeformt ist, in das Sondenelement ein- bzw. ausgekoppelt wird.
Ein besonders hoher Strahldurchsatz wird erzielt, wenn mindestens
das Einkoppellichtleiterende mit einer Linse versehen ist, deren
Brennweite mehr als das 0,3-fache des optischen Strahlweges zwischen
Ein- und Detektionslichtleiterende beträgt.
Im
Gegensatz zu IR-Messsonden aus dem Stand der Technik, kann die erfindungsgemäße IR-Messsonde
sehr leicht mit Hilfe von konventionellen IR-Optiken an beliebige FTIR-Spektrometer,
dispersive IR-Spektrometer, IR-Filterspektrometer
oder auch IR-Laserlichtquellen angeschlossen werden. Der hohe Strahldurchsatz
und die optischen Eigenschaften, wie numerische Apertur und Lichtleiterdurchmesser,
der Lichtleiter erfordern keine speziellen gerätespezifischen Anpassungen.
Die
erfindungsgemäße IR-Messsonde
kann ohne zusätzliche
Koppeloptiken an ein IR-Detektorelement bzw. an eine Laser- bzw.
gefilterte Lichtquelle angeschlossen werden. Hierdurch wird der
Strahldurchsatz erheblich verbessert. Ausserdem entfällt mindestens
eine optische Komponente, wodurch neben den Kosten auch der Justieraufwand
reduziert wird.
Hochempfindliche
IR-Detektorelemente werden auf flüssig Stickstoff Temperatur
abgekühlt.
Eine direkte Ankopplung des Detektionslichtleiters ist dann besonders
verlustarm, wenn der Detektionslichtleiter vor dem Detektorelement
ein Ausdehnungsvolumen zur Verfügung
hat.
Nachfolgend
werden zwei Ausführungsformen
der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen
1a eine
Schnittzeichnung durch einen Sondenkopf der erfindungsgemäßen IR-Messsonde bei Raumtemperatur
1b eine
Schnittzeichnung durch einen Sondenkopf der erfindungsgemäßen IR-Messsonde bei einer
Maximaltemperatur von 250°C
2a eine
detailierte Schnittzeichnung durch eine bevorzugte Ausführungsform
der Sondenkopfspitze.
2b Ansicht
der Sondenkopfspitze aus Richtung A
3 eine
Schnittzeichnung durch eine erfindungsgemäße IR-Messsonde mit fest angeschlossenem
stickstoff gekühlten
IR-Detektor
In 1 ist ein Querschnitt durch das Sondenkopfgehäuse (12)
der erfindungsgemäßen IR-Messsonde
dargestellt, wobei 1a den Verlauf der Lichtleiter
bei Raumtemperatur und 1b bei 250°C dargestellt. Bei den eingesetzten
Lichtleitern handelt es sich um Silberhalogenidlichtleiter mit einem
Kerndurchmesser von 0,9 mm und einem Manteldurchmesser von 1 mm.
Beleuchtungs- (13) und Detektionslichtleiter (14)
befinden sich im Sondenkopfgehäuse
(12), an dessen einem Ende das Sondenelement (11),
ein 90° Diamant
ATR-Prisma mit rechteckiger Querschnittfläche, eingefasst ist. Beleuchtungs-
(13) und Detektionslichtleiter (14) werden bei
Raumtemperatur (T = 20°C)
in einer plastischen Biegung (24) mit einem Biegeradius
von 40 mm und mit geringer Vorspannung am Lichtleiteraustritt (18)
des Sondenkopfgehäuses
(12) eingeklebt. Die Vorspannung muß so stark gewählt werden,
dass die Endflächen
(15 und 16) des Beleuchtungs- (13) und
Detektionslichtleiters (14) auch bei –150°C noch auf das Diamantprisma
(11) gepresst werden.
Hinter
dem Sondenkopfgehäuse
(12) verlaufen Beleuchtungs- (20) und Detektionslichtleiter
(21) in einem flexiblen Schutzschlauch (19).
Bei
Erhöhung
der Temperatur im Bereich des Sondenelementes (T = 250°C) dehnen
sich Beleuchtungs- (13) und Detektionslichtleiter (14)
um ca. 2,5 mm aus und weichen in das Ausdehnungsvolumen (17)
des Sondenkopfgehäuses
aus. Gleichzeitig werden die Stirnflächen (15 und 16),
auf Grund der entlang der Lichtleiterachsen wirkenden Rückstellkraft, in
der Position vor dem Sondenelement gehalten.
In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform
der Lichtleiterendflächen
(26 und 27) und der Positionierungshilfsflächen (28)
vor dem Sondenelement (11) dargestellt. Über eine
Linse am Beleuchtungslichtleiterende (26) wird die IR-Strahlung in das Sondenelement
fokussiert eingekoppelt und über eine
Linse auf dem Detektionslichtleiterende (27) aufgesammelt.
Die Einkoppellinse (26) fokussiert die Strahlung etwa in
die Mitte des Diamantprismas, so das die gesamte Strahlung in den
Detektionsllichtleiter überführt wird.
Die Linse auf dem Detektionslichtleiter transformiert die auftreffende
Strahlung in niedrig-modige Strahlung, die dann sehr effizient im
Detektionslichtleiter weitergeleitet werden kann.
Die
vier konusförmigen
Positionierungshilfsflächen
(28) sorgen dafür,
das das Beleuchtungs- und das Detektionslichtleiterende selbstjustierend gelagert
sind und auch in der Ebene senkrecht zur Lichtleiterachse (22)
eine definierte Lage haben und bei Vibration oder sonstigen mechanischen
Erschütterungen
nicht lateral ausweichen können.
In 3 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der IR-Messsonde dargestellt. Beleuchtungs- (13) und Detektionslichtleiter
(14) werden bei Raumtemperatur (T = 20°C) in einer elastischen Biegung
(32) mit einem Biegeradius von 100 mm am Ende des halbkkreisförmig gebogenen
Teils (33) des Sondenkopfgehäuses (38) eingeklebt.
Bei Erwärmung
des ungebogenen Teils des Sondenkopfgehäuses (31) dehnen sich
die Lichtleiter in den gebogenen Teil des Sondenkopfgehäuses elastisch
aus.
Der
Innendurchmesser des gebogenen teils beträgt 3 mm und seine Länge 50 cm.
Er besteht aus einem plastisch verformbaren Rohrabschnitt, der in jedem
Biegeradius zwischen 100 mm (halbkreisförmig) und unendlich (gerade)
verformbar ist, d.h. der gerade Abschnitt des Sondenkopfgehäuses kann jede
Stellung zwischen senkrecht nach oben, waagerecht und senkrecht
nach unten einnehmen. Der Außendurchmesser
des geraden Sondenkörperabschnittes
(33) beträgt
3 mm und seine Länge
200 mm. Hinter dem eingeklebten elastisch gebogenen Detektionslichtleiterabschnitt
wird das Detektionslichtleiterende (36) in einer plastischen
Biegung über einem
90° Rohrflansch
(35) an ein flüssig
Stickstoff gekühltes
IR-Detektorelement (37) angekoppelt. Der Einkoppellichtleiter
hat hinter der Klebestelle (38) eine flexible Länge von
1 m bevor er in einem Faserstecker mündet, über den die IR-Messsonde an
eine IR-Lichtquelle bzw. ein IR-Spektrometer
angeschlossen werden kann.