DE9001289U1

DE9001289U1 - Gassensor

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Publication number: DE9001289U1
Application number: DE9001289U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-05
Publication date: 1990-04-12
Anticipated expiration: 2000-02-06

Description

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GR 89 G 3055 DE Siemens Aktiengesellschaft

Gassensor 5

Die Neuerung bezieht sich auf einen faseroptischen Gassensor mit einem Lichtwellenleiter aus einer zylindrischen Faser, die zwischen einem Sender und einem Empfanger angeordnet ist und die mit einem sntmantelten Teil eine Meßstrecke üildet, die von einem Gasbehälter umgeben ist.

Es ist bekannt, daß die Änderung der elektrischen Eigenschaften, beispielsweise die Änderung der Dielektrizitätskonstanls; oder der elektrische Leitfähigkeit, eines Sensormaterials zur Messung vor Gasen oder Dämpfe &igr; herangezogen werden kann, In einfacher Weise l_;Hßt sich di«»3r Effsk · beispielsweise mit einem G&sensor in der Form eines Kondensators zur Messung der Luftfeuchtigkeit ausnutzen. Das »■*:-;jrabt jrbierende Dielektrikum wire auf einer Metallelektrode aufgebracht. Die zweite Elektrode des Kondensators wird in Form eines porösen, wasserdampfdurchlässigen Metallfilms auf das Dielektrikum aufgebracht, das unter der Einwirkung eines Gases seine Dielektrizitätskonstante ändert. Die entsprechende Änderung der Kapazität dient dann als Sensorsignal.

Lichtwellenleiter aus einer Faser sind im allgemeinen mit einer Hülle (cladding) aus Kunststoff, insbesondere einem Polymer, versehen. Diese Hülle kann gegebenenfalls noch von einem Mantel (coating) umgeben sein, der ebenfalls aus einem Kunststoff be steht, der unter der Handelsbezeichnung "Tefzel" bekannt ist. Damit man eine Totalreflexion der Strahlung an der Grenzfläche Kern/Mantel erhält und dadurch eine Lichtleitung im Kern ermöglicht wird, muß die Brechzahl n, der Faser größer sein als die Brechzahl n₂ der Hülle. Durch eine starke Biegung oder gegebe nenfalls Wickeln einer Spule aus der Faser kann die Empfind-

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Kin 2 Koe / 21.12.1989 ...
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" =" 2 '" "'· GR"89^lG 3055 DE lichkeit des Gassensors an der Meßstrecke erhöht werden.

Die Neuerung geht aus von der Erkenntnis, daß man einen Gassensor mit hoher Empfindlichkeit erhält, wenn der Querschnitt des Lichtleiters an der Meßstrecke vermindert wird und zugleich eine Sensorschicht verwendet wird, die einen Reflektor bildet, dessen Reflexionsvermögen sich unter der Einwirkung des Gases ändert.

Die Aufgabe wird nun gemäß der Neuerung gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Einwirkung des Gases ändert sich der Absorptionskoeffizient der Sensorschicht, die einen Reflektor bildet, dessen Reflexionsvermögen sich unter der Einwirkung von Gasen oder Dämpfen ändert. Dieser Sensor ist zur quantitativen Bestimmung von Gasen, insbesondere von polaren organischen Lösungsmitteldämpfen geeignet, Photometrisch gemessen wird die Farbreaktion der Sensorschicht. Durch die Querschnittsänderung erhält man eine große Intensitätsänderung des Lichtstrahls bei gegebener Änderung der Gaskonzen- tration sowie eine kurze Ansprechzeit.

Durch die an sich bekannte Krümmung des Lichtleiters an der Meßstrecke kann die Empfindlichkeit des Gassensors erhöht werden. Die Enden des Lichtleiters können vorzugsweise jeweils mit einem topfförmigen Schuh versehe/t sein, der mit dem Sender bzw. mit dem Detektor eine Baueinheit bildet.

Als Sensorschicht geeignet sind Phthalide, insbesondere substituierte Phthalide, vorzugsweise 3-(N-Methyl-3-indolyl)-6- dimethylaft'inophthalid, sowie 3,3-Diphenylphthalide, beispielsweise 3,3-Bls(p-dimethylaminophenyl)-6-dlmethylaminophthalid, das unter der Bezeichnung Kristallviolettlacton bekannt 1st oder S-ip-DimethylaminophenyD-S-ip-methoxyphenyD-o-diTiethylaminophthalid.

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Zur weiteren Erläuterung der Neuerung wird -iuf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Gassensors gemäß der Neuerung schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt eine besondere Ausführungsform des Gassensors.

In der Ausführungsform eines faseroptischen Gassensors gemäß Figur 1 ist ein Lichtleiter 2 aus einer sogenannten Stufenindexfaser vorgesehen, deren Kern und Hülle (cladding) aus unterschiedlichem Material bestehen. Der Kern besteht aus einer zylindrischen, gegen Lösungsmitteldämpfe beständigen Faser mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise etwa 0,5 bis 0,7 mm, und ist mit einer Hülle 3 und gegebenenfalls noch einem Mantel 4 versehen. Der Lichtleiter 2 mit einer Länge von beispielsweise einigen Metern verbindet einen Sender 6, der vorzugsweise eine Lumineszenzdiode LED (light emission diode) sein kann, mit einem Empfänger 8, der beispielsweise ein Halbleiter-Detektor, vorzugsweise eine Photodiode oder auch ein Phototransistor sein kann. Eine MeBstrecke 10 mit einer Länge L von beispielsweise etwa 2 bis 10 cm, insbesondere etwa 6 cm, wird von einem Teil des Lichtleiters 2 gebildet, der mit einer Sensorschicht 12 versehen ist, die aus einem Material mit reversibler Änderung seiner optischen Eigenschaften besteht und vorzugsweise ein Gemisch aus mindestens einem Phthalid und min destens einer sauren verbindung enthalten kann, von den beiden Enden der Meßstrecke 10 ist der Durchmesser des Lichtleiters 2 von beispielsweise 0,6 mm zur Mitte M wenigstens annäherno kontinuierlich vermindert auf einen Durchmesser von beispielsweise etwa 0,2 mm. Wie in der Figur angedeutet ist, wird mit abneh mendem Durchmesser des Lichtleiters 2 innerhalb der Meßstrecke die Zahl der Reflexionen eines Lichtstrahls IA entsprechend erhöht. Die Meßstrecke 10 ist von einem hchlzylindrischen Gehäuse 16 umgeben, das mit einer Gaszuführung 17 und einer Gasabführung 18 versehen ist.

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" ' ' 4 ' GR 89 G 3055 DE Der Sender 6 ist mit elektrischen Anschlüssen 21 versehen und kann vorzugsweise ein gemeinsames Bauteil mit einem topfförmigen Schuh 23 bilden, das aus Kunststoff bestehen kann und auf den Mantel 4 am Ende des Lichtleiters 2 aufgeschoben ist und ^ dadurch eine gute Einkopplung der Strahlung des Senders 6 in den Lichtleiter 2 bewirkt. In gleicher Weise ist der Empfänger &thgr; mit elektrischem Anschlüssen 22 versehen und bildet ein gemeinsames Bauteil mit einem topfförmigen Schuh 24, der auf den Mantel 4 am anderen Ende des Lichtleiters 2 aufgeschoben ist.

Das Material der Sensorschicht 12 wird so gewählt, daß sein Brechungsindex n&ldquor; kleiner ist als der Brechungsindex des Kerns des Lichtleiters 2, der vorzugsweise aus einer Glasfaser, jedoch gegebenenfalls auch aus einer Plastikfaser bestehen kann. Eine Totalreflexion des Lichtstrahls 14 an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche des Lichtleiters 2 und der Sensorsphicht 12 erhält man bei einem Einfallswinkel 0, wenn sin &thgr; = ■=— ist.

1 üer Lichtstrahl 14 tritt aus dem Lichtleiter 2 in einen gewissen Oberflächenbereich der inneren Oberfläche, die sogenannte effektive Schichtdicke der Sensorschicht 12, ein und wird dann zum Lichtleiter 2 reflektiert. Mit einem kleinen Einfallswinkel 0 erhält man eine große effektive Schichtdicke. Das Sensormaterial ist so gewählt, daß die Sensorschicht 12 ihr Absorptionsmaximum im Emissionsbereich des Senders 6 hat, dessen Strahlung beispielsweise eine Wellenlänge von 590 oder 630 nm haben kann. Da die Empfindlichkeit des faseroptischen Sensors mit der Zahl der Reflexionen N an der Meßstrecke 10 steigt, soll

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darin ist L die Länge der Meßstrecke 10, die vorzugsweise etwa 5 bis 7 cm betragen kann, und D der Durchmesser des Kerns der als Lichtleiter 2 verwendeten Stufenindexfaser, der beispielsweise etwa 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise etwa 0,4 bis 0,8 mm, ins-

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besondere etwa 0,6 mm betragen kann und der bis zur Mitte M der Meßstrecke 10 auf wenigstens die Hälfte, vorzugsweise wenigstens ein Drittel, d.h. bei einem Kerndurchmesser von etwa 0,6 mm auf etwa 0,2 mm, vermindert wird. 5 In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist ein Lichtleiter 2 mit gekrümmter Meßstrecke 10 vorgesehen, die etwa einen Halbkreis bildet und in diesem Bereich mit der Sensorschicht 12 versehen ist. Eine Ausführungsform mit dieser gekrümmten Meßstrecke hat den Vorteil, daß durch die Krümmung die Empfindlichkeit des faseroptischen Sensors erhöht wird und daß außerdem Sender und Empfänger 8, denen im allgemeinen eine in der Figur nicht dargestellte gemeinsame Elektronik zugeordnet ist, nahe beieinanderliegen.

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Claims

6 GR 89 G 3055 DF Schutzansprücfte

1. Faseroptischer Gassensor mit einem Lichtleiter, der zwischen einem Sender und einem Empfänger angeordnet ist und der mit einem entmantelten Teil eine Meßstrecke bildet, die von einem Gasbehälter umgeben ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der zylindrische Lichtleiter (2) bildet mit einer Hülle (3) eine Stufenindexfaser,

b) an der Meßstrecke (10) ist der Durchmesser des Lichtleiteis (2) von den beiden Enden der Meßstrecke zur Mitte (M) hin wenigstens annähernd gleichmäßig vermindert,

c) an der Meßstrecke (10) ist der Lichtleiter (2) mit einer Sensorschicht (12) mit reversibler Änderung seiner optischen Eigenschaften beim Einwirken von Gasen versehen, die aus einem Gemisch aus mindestens einem Phthalid und mindestens einer sauren Verbindung besteht und die im Emissionsbereich des Senders (6) ihr Absorptionsmaximum hat (Figur 1).

2. Gassensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gebogene Meßstrecke (10) (Figur 2).

3. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden des Lichtleiters (2) jeweils mit einem topfförmigen Schuh (25, 24) versehen sind, die mit dem Sender (6) bzw. dem Empfänger (8) eine Baueinheit bilden.

4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (6) und Empfänger (8) jeweils mit einem Schuh verbunden sind.

5. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensorschicht (12) aus einem substituierten Phthalid besteht.,

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6. Gassensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet

durch eine Sensorschicht (12) aus 3-(N-Methyl-3-indolyl)-6-dimethylaminophthalid.

7. Gassensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Sensorschicht (12) aus einem 3,3-Diphenylphthalid.

8. Gassensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Sensorschicht (12) aus 3,3-Bis(p-dimethylaminophe nyl)-6-dimethylaminophthalid.

9. Gassensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Sensorschicht (12) aus 3-(p-Dimethylaminophenyl)-3-(p-methoxyphenyl)-6-ciimethylaminophthalid.

10. Gassensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch phenolische Säuren als saure Verbindung.

11. Gassensor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan.

12. Gassensor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Hydroxy-(phenyl)-bis(p-hydroxyphenyl)-methan.

13. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn, zeichnet , daß das Sensormaterial der Sensorschicht (12) in eine Matrixsubstanz eingebettet ist.

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