[go: up one dir, main page]

WO2008014937A1 - Optische messzelle - Google Patents

Optische messzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2008014937A1
WO2008014937A1 PCT/EP2007/006673 EP2007006673W WO2008014937A1 WO 2008014937 A1 WO2008014937 A1 WO 2008014937A1 EP 2007006673 W EP2007006673 W EP 2007006673W WO 2008014937 A1 WO2008014937 A1 WO 2008014937A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
measuring cell
sample chamber
light radiation
optical measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/006673
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Gindele
Markus Holzki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Original Assignee
Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH filed Critical Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Publication of WO2008014937A1 publication Critical patent/WO2008014937A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0303—Optical path conditioning in cuvettes, e.g. windows; adapted optical elements or systems; path modifying or adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/031—Multipass arrangements

Definitions

  • the invention relates to an optical measuring cell for measuring the extinction of light radiation in fluids.
  • the signal of a light source is guided via an optical fiber or via a free-ray optics to a sample channel.
  • the signal radiates through the sample channel and is guided on one exit side again, according to the signal coupling, to further analysis or evaluation systems.
  • the irradiated channel length or geometric path length is fixed in this case to a certain length.
  • the associated optical transmission path length is fixed in this case to a certain length.
  • An adaptation of the optical transmission path length to the change to be investigated takes place via the change in the geometric length of the cell.
  • the measurement of low concentrations or concentration changes at low concentrations by absorption of the light radiation is carried out with a measuring cell with a geometrically long path length, the measurement of a high concentration or concentration changes at high concentrations with a geometrically small path length.
  • WO 99/63369 A1 discloses a flow cell for the optical analysis of liquid dairy and food products with infrared radiation. At opposite ends of the flow cell, optical fiber cables equipped with a sapphire window are placed. Via the first fiber cable, light radiation coming from an infrared source is coupled into the flow cell and decoupled from the flow cell via the second fiber cable. The distance of the fiber cables is adjustable, whereby the geometric and thus optical transmission path length of the flow cell can be varied and is thus adaptable to different measuring tasks.
  • a monolithic optical multiple reflection cell is specified with an oval sample chamber whose walls are formed in partial areas as mirror surfaces.
  • a light beam coupled in via an inlet opening is coupled out of the sample chamber at a discharge opening only after multiple reflection and thus a very long optical transmission path length.
  • analytical investigations of gas compositions and gas concentrations can be carried out with a relatively compact sample chamber with short geometric path length, which are not feasible with short optical transmission path lengths.
  • the subject of DE 42 14 840 A1 is a measuring cell with an optical light source and with different absorption path lengths for detecting one substance each.
  • the spectral component of the light radiation relevant for the substance detection is reflected several times in the cell and then detected. This means that different spectral bands undergo a different optical absorption path.
  • the spectral separation takes place via interference filters within the measuring cell.
  • the object of the invention is to provide a compact optical measuring cell for measuring the extinction of light radiation in a fluid, which can be used over a wide measuring range.
  • fluid is understood below to mean liquid and gaseous media, as well as mixtures of various liquids and / or gases, as well as dispersions, suspensions, emulsions or aerosols.
  • light radiation essentially comprises light radiation from the UV range into the infrared range with wavelengths of 200 nm to 12 ⁇ m, particularly preferably with wavelengths in the ranges 350 nm to 1100 nm and 1200 nm to 6 ⁇ m.
  • thermal radiators with a continuous radiation pattern and, in the infrared range, to use light sources, possibly in combination with filters, to be able to use individual narrow wavelength ranges as light radiation.
  • Significant proportions of the light radiation means that at least 10%, preferably at least 25% and particularly preferably at least 50% of the portions of the light radiation are included.
  • Absorbance is generally composed of absorption, scattering, diffraction and reflection of light radiation and is wavelength dependent.
  • the extinction can be given as a numerical value as a negative decadic logarithm of the transmittance. Description of the invention
  • the object of the invention is achieved by an optical measuring cell for carrying out measurements of the extinction of light radiation in fluids, wherein the optical measuring cell in a sample filled with a fluid or a fluid through a sample chamber, a first optical element for the coupling of light radiation in the Sample chamber, which is at least partially permeable to light radiation coming from outside the sample chamber and light radiation from the interior of the sample chamber at least partially reflected back into the sample chamber and a second optical element, which is designed such that there is a first portion of the light radiation coming from the sample chamber reflected substantially in the direction of the first optical element and decouples a further portion of the sample chamber has.
  • the optical measuring cell according to the invention is provided as part or replacement part of a measuring device, wherein the measuring device can also have a light source and a detector for measuring the light radiation emerging from the sample chamber. Furthermore, the measuring device may also include an electronics downstream of the detector, which further processes, evaluates and / or displays the measured values obtained at the detector.
  • the light source and / or detector can also each be components of the optical measuring cell.
  • a light source for example in the form of a thermal radiator, an LED or another light source, is arranged outside the sample chamber in the vicinity and with an optical connection to the first optical element on the optical measuring cell.
  • a detector for example, in a CCD array or a photocell, outside the sample chamber in the vicinity and with optical connection to the second optical element at the optical measuring cell can be arranged.
  • optical measuring cell designed according to the invention, light radiation having a simple optical transmission path length and the multiple optical transmission path length is coupled out at the same time on the second optical element and on a subsequent detector or sensor superimposed, that is coupled to the second optical element simultaneously and spatially superimposed light radiation with different optical path length.
  • light beams with a simple and approximately three times the optical transmission path length are simultaneously coupled out.
  • the information obtained at the detector thus simultaneously contains the information of the extinction of the light radiation in the fluid after single and multiple or preferably approximately three times the optical transmission path length. In this way, changes in the fluid or fluids with divergent properties over a much larger range of parameters are to be determined than with the known devices, each measuring only the extinction obtained over an optical transmission path length.
  • the proportions of light radiation with single and multiple optical transmission path lengths are determined, which are measured together on a detector.
  • the first optical element is preferably designed such that it reflects at least significant portions of the light radiation coming from the sample chamber back into the sample chamber.
  • the measuring cell can be adapted to the measuring tasks.
  • the ratio of single to multiple optical transmission path length will be in the range from 10: 1 to 1:10, particularly preferably in the range from 3: 1 to 1: 3.
  • the optical measuring cell with the decoupling of the light radiation with a single and multiple optical transmission path length on an optical element, only one detector or sensor is required. An electronic system for processing and evaluating the measured values obtained at the detector is also sufficient.
  • such a designed optical measuring cell can build very compact, since different optical transmission path lengths (single and multiple) are measured with a geometric path length and fewer components than in measuring cells with multiple, different optical transmission paths are needed. If it is an optical measuring cell through which a fluid flows during operation, this can be used for on-line, in-line and at-line measurements and / or continuous measurement of a fluid.
  • the first and / or second optical element for the light radiation on transparent / transparent and reflective / mirrored areas.
  • the portion of the light radiation from the sample chamber which impinges on light transmissive areas of the second optical element is coupled out of the sample chamber, i.
  • the translucent area light radiation with single and multiple optical path lengths is coupled out simultaneously and spatially superimposed.
  • the portion of the light radiation from the sample chamber which strikes the reflective areas of the second optical element is reflected again into the sample chamber substantially in the direction of the first optical element.
  • the optical elements are arranged opposite one another, preferably in the walls of the sample chamber.
  • the elements are preferably arranged symmetrically on an optical axis.
  • the optical elements have components for beam shaping, such as, for example, lenses, reflectors, gratings, filters and / or prisms.
  • the light radiation of a light source coupled into the sample chamber on the first optical element is directed with suitable components, such as, for example, lenses, substantially directly in the direction of the second optical element.
  • the optical elements can have light attenuation components and filters for spectral filtering.
  • optical measuring cell provides that the components of the optical elements at least partially light radiation reflective and / or partially translucent and transparent to light radiation
  • the components can have reflective layers or masks can be used as independent, further components for shading or reflection of light radiation.
  • the inner walls of the sample chamber may be equipped with a light radiation absorbing surface.
  • a light radiation absorbing surface In this way, only light radiation, which passes directly through the sample chamber, and light radiation, which is coupled out after a first or further reflections between the optical elements, on the detector.
  • Light-absorbing surface areas are formed, for example, by blackened surfaces, surface coatings and / or surface treatments.
  • the optical measuring cell is preferably made of non-transparent materials, such as metals, plastics, glass and / or ceramic.
  • the optical elements or the components of the optical elements can be made of any material transparent to the light radiation, such as glass, sapphire, semiconductor materials and / or plastic.
  • the reflective coating of the optical components, preferably the lenses, can be done with silver, aluminum, gold or other metals, or with semiconductors or other reflective materials.
  • the focal length of the first lens or all components of the optical element for coupling the light radiation into the sample chamber is preferably greater than the geometric path length of the sample chamber.
  • the focal length of the lenses or all optical components of the optical elements for coupling and decoupling the light radiation is in this case preferably matched to one another in the direction from the first to the second lens or from the first to the second optical element a common focus outside the sample chamber to have.
  • the distance from the first lens to the second lens is particularly preferably selected such that the first lens lies within the focal length of the second lens.
  • the focal length of the first lens is chosen in this case such that the focal length is greater than the distance between the first and the second lens and the focal point is outside the sample chamber.
  • concave, convex, plano-convex, plano-concave, spherical, aspherical lenses, paraboloidal, ellipsoidal lenses, cylindrical lenses, surfaces with two or more different spheres can be arranged concentrically, for example, or even freeform surfaces can be used.
  • lenses and / or reflectors within an optical element as both beam shaping and beam directing components for coupling and uncoupling the light beam minimizes the number of components required.
  • Shaping by a ray is understood in this context to mean that light radiation is focused, collimated, dispersed or scattered.
  • beam the change of the propagation direction of the light beam is understood, for example by reflection or refraction.
  • the detector may be part of the second optical element, for example an integrated component of a lens.
  • the optical measuring cell can be designed as a replacement part of a measuring device, wherein the optical measuring cell is, for example, used in a suitable recording of the measuring device.
  • the measuring device then comprises further components, such as light source, detector and / or optical grids, which are permanently mounted or likewise form exchangeable components of the measuring device.
  • the measuring cell can therefore be adapted and easily inserted into the measuring device or replaced in the event of wear and dirt, without having to replace all or expensive components.
  • an adjustment of the individual components of the Measuring device can be facilitated by receiving the components in corresponding recesses in a platform in this way or completely avoided completely passive adjustment.
  • the further components of a measuring device such as light source, detector and / or other components, may be integrated components of the optical measuring cell.
  • This compact design can form a complete measuring device.
  • the measuring devices equipped with the optical measuring cell according to the invention can be used, for example, by a spectrometer as part of the measuring device for the spectrally resolved measurement of the extinction.
  • the optical measuring cell preferably contains a flow-optimized sample chamber in order to avoid dead volumes and turbulences. Because of this measurements could have undesirable fluctuations or at least temporarily falsified and the pressure loss can be increased unnecessarily. Consequently, abrupt changes in cross section, sharp edges and undercuts in the shaping of the sample chamber in the direction of flow are avoided.
  • the optical measuring cell from at least one or more molded components, for example injection-molded components, wherein the optical elements can be integrated in these components, as indicated similarly in German patent application DE 102005062174 (not yet published).
  • the components containing the optical measuring cell may also contain other components, such as fluid channels, reaction chambers, fluid mixers, etc., and form individual parts of a so-called lab-on-a-chip.
  • a splitting of the light beam in the sample chamber into spectral components can take place upon entry of the light radiation via the first optical element, the respective spectral components being directed in the direction of different second optical elements and there are coupled and superimposed on each single and multiple optical transmission path length.
  • Figure 2 cross-sectional view of a first embodiment of an optical measuring cell according to the invention
  • FIG. 3 a shows a first side view of a further embodiment of an optical measuring cell according to the invention
  • FIG. 3b shows a cross-sectional view of the embodiment of the optical measuring cell shown in FIG. 3a along the section line A-A contained in FIG. 3a
  • FIG. 3c shows a second side view of the embodiment of the optical measuring cell shown in FIG. 3a and FIG. 3b
  • FIG. 3d second cross-sectional representation of the embodiment of the optical measuring cell shown in FIGS. 3a-3c along the section line BB contained in FIG. 3c
  • FIG. 4 Top view of a measuring device with optical measuring cell
  • FIG. 5 shows the normalized radiation intensity as a function of
  • FIG. 6 shows measurement results with a measuring device according to FIG. 4 with an optical measuring cell according to the invention and a spectrometer
  • FIG. 8 Measurement results for the measurement of a chromium sulfate solution with logarithmic Y axis
  • FIG. 1 schematically shows an optical measuring cell (10) in cross-section with the beam guide, a first (1) and second optical element (2) and a sample chamber (3).
  • the beam propagation is schematically indicated by arrows.
  • a first optical element (1) for coupling the light radiation into the sample chamber (3) the light radiation emanating from a light source (7) in the direction of the sample chamber (3) is introduced into the sample chamber (3) via a first planoconvex lens (1) optical measuring cell (10) coupled.
  • the first plano-convex lens (1) is convex on its side facing away from the sample chamber (3) and provided with a reflective surface layer (11) outside a central, circular area (12) concentric with the optical axis (9), so that only the part the light radiation from the light source is coupled into the sample chamber (3) which strikes the central region (12) of the first lens (1).
  • the light radiation is coming from the light source (7) initially divergent and is refracted at the convex surface of the first lens (1) and directed in the direction of the second optical element (2).
  • the second optical element (2) is also embodied in the form of a plano-convex lens (2) in this exemplary embodiment.
  • the convex side of the lens (2) lies on the side facing away from the sample chamber (3) and also has a reflective surface (13) outside of a central, circular region (14) concentric with the optical axis (9).
  • the light radiation coming from the first optical element (1) and striking the mirrored region (13) of the second lens (2) is again reflected and collimated in the direction of the first optical element (1), so that the Light radiation with the least possible loss through the optical cell (10) can be directed (extinction losses excluded by the fluid).
  • the portion of the light radiation which strikes the second lens (2) in the central, transparent region (14) is decoupled from the sample chamber (3) and directed in the direction of a focal point (4).
  • the portion of the light radiation reflected at the second lens (2) traverses the sample chamber (3) a second time and is reflected and focused by the first lens (1) in the direction of the transparent surface areas (14) of the second lens (2).
  • the convergent light radiation is focused after the renewed transmission through the sample chamber (3) through the second lens (2) outside the sample chamber (3) in the focal point (4).
  • the focal length of the first lens (1) is greater than the lens pitch of the first (1) and second lenses (2), so that the radiation is focused at a focal point (4) outside the cell.
  • the optical transmission path length for the reflected portion of the radiation with respect to the geometric path length of the sample chamber (3) is extended by a factor of 3 to 3.5 (the influence of the refractive index of Fluids are ignored here).
  • the measurement sensitivity for this radiation fraction is increased by a corresponding factor compared to a measurement of the light extinction with a simple transmission path length of the sample chamber filled with a fluid to be measured.
  • the radiation fraction coupled out of the sample chamber (3) after the above-mentioned beam guidance is superimposed in the common focal point (4) with a further radiation component which is decoupled after the third pass through the sample chamber.
  • the two radiation components are now coupled in, for example in an optical system (eg spectrometer), spectrally split and detected.
  • This embodiment of an optical measuring cell (10) coupled to a spectrometer is shown in FIG.
  • FIG. 2 shows an embodiment according to the invention of an approximately trapezoidal optical measuring cell (10) in plan view with a fluid inlet connection (21) and fluid outlet connection (22).
  • the fluid connections (21, 22) are designed here as threaded bores (23) for receiving fluid lines (not shown).
  • the optical elements (1, 2) for coupling and uncoupling the light radiation are arranged opposite one another in side walls (15) of the sample chamber (3) in precisely fitting recesses (25, 26) of the measuring cell (10).
  • the light source (7) is also included in this embodiment.
  • the light source (7) is a thermal radiator.
  • the fluid flowing through the sample chamber (3) during operation of the optical measuring cell (10) is irradiated by the light beam coupled to the first optical element (1) essentially perpendicular to its direction of flow.
  • a lens (1) provided on its side facing away from the sample chamber (3) is provided with a reflective layer (11) as an optical element (1) for coupling and simultaneous shaping used by the light beam.
  • a lens (2) is used to decouple the light beam, which is permeable to light radiation around its optical axis on its side facing away from the sample chamber (3) only in the inner circular region (14) and has a mirrored ring around the center Surface (13).
  • a detector (16) is also attached to the passing through the transparent area of the second lens (2)
  • FIGS. 3a to 3d show a further optical measuring cell (10) with improved flow properties for the fluid flowing through the optical measuring cell (10) during operation in several sectional drawings.
  • the better flow characteristics are that e.g. the complete flow through the sample chamber (3) without a relevant dead volume, turbulence, etc. is achieved.
  • the optical measuring cell (10) shown is tested up to a pressure of 3 bar, but by design adjustments of this embodiment, applications at much higher pressure ranges are possible.
  • the optical measuring cell (10) contains the sample chamber (3), which flows through in operation, the holder for the optical elements (1, 2). Images for the light source and a coupling region to a subsequent analysis system are in this embodiment not part of the optical measuring cell (10) itself, but, as shown in the following in Figure 4 embodiment, part of the entire measuring device (5).
  • FIG. 3a shows a side view of the optical measuring cell (10) from the side of the fluid inlet (21) and fluid outlet (22).
  • FIG. 3b shows a sectional drawing of the optical measuring cell (10) along the section line AA contained in FIG. 3a.
  • the recesses (25, 26) for the optical elements (1, 2) are also shown thereon.
  • FIG. 3c shows a side view of the optical measuring cell (10), in which the recess (25) for the first optical element and the sample chamber (3) can be seen.
  • FIG. 3d shows a sectional drawing of the optical measuring cell (10) along the section line BB contained in FIG. 3c.
  • the individual components of the measuring device (5) such as optical measuring cell (10), mirror (17, 18, 19), optical grating (20) and CCD sensor (16) of the spectrometer (6), and light source (7) are respectively inserted into the exact recesses of a platform (8) and are fixed and sealed by placing a flat lid (not shown) in the measuring device (5).
  • the optical measuring cell (10) is interchangeable in this example and can be changed or replaced separately from other components of the measuring device (5).
  • the arrangement of the components in accurate recordings of a platform (8) allows precise production and alignment of the components to each other without special manufacturing methods.
  • the sample chamber (3) is continuously flowed through by a liquid, so that an on-line measurement can be carried out.
  • the light beam coming from the optical measuring cell (10) is reflected by two mirrors (17, 18) onto an optical grating (20), separated spectrally and transmitted to the detector (16) via another mirror (19). focused and detected.
  • FIG. 5 shows a comparison of the normalized intensity profile of a light beam transmitted through an optical measuring cell as a function of the concentration and for different optical path lengths.
  • the graphs I (L1) and 1 (10L1) describe the intensity profile for the passage of a light beam once or 10 times through one with a Fluid filled sample chamber of an optical measuring cell.
  • the intensity attenuation I (L1) is small for small concentration differences at a first concentration d.
  • the possible concentration resolution is low for a simple cell passage of the light signal at low concentrations.
  • the intensity attenuation at 1 (10L1) in the range of the same concentration d is significantly greater and thus the concentration resolution much higher.
  • FIG. 6 shows the extinction spectra of air (Air) and various engine oils (V%), Wherein the first and the second measurement are respectively identified at the end of the identity numbers in the legend by an a or b.
  • the experiment with an optical measuring cell according to the invention shows an extended detectable concentration range with a clear deviation from the simple exponential curve from c ⁇ 4000 ppm.
  • the experimental results (denoted in Figure 8 as measured values and shown in the form of dots) are over a two-fold exponential decrease describe. The reason for this is the superimposition of the signals of the two optical path lengths within the measuring cell. Two exponents therefore determine the experimental course.
  • a simple exponential drop would result and the resolution of the transmission values at high concentrations would be significantly reduced.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Optische Messzelle (10) zur Messung der Extinktion von Lichtstrahlung in einem Fluid, wobei die optische Messzelle (10) eine im Betrieb mit einem Fluid gefüllte oder von einem Fluid durchflossene Probenkammer (3), ein erstes optisches Element (1 ) für die Einkopplung der Lichtstrahlung in die Probenkammer (3), welches zumindest teilweise durchlässig für von außerhalb der Probenkammer (3) kommende Lichtstrahlung ist und Lichtstrahlung aus dem Inneren der Probenkammer (3) zumindest teilweise wieder in die Probenkammer (3) reflektiert, ein zweites optisches Element (2), welches derart ausgebildet ist, dass es einen ersten Anteil der aus der Probenkammer (3) kommenden Lichtstrahlung im Wesentlichen in Richtung des ersten optischen Elements (1) reflektiert und einen weiteren Anteil aus der Probenkammer (3) auskoppelt, aufweist.

Description

Optische Messzelle
Die Erfindung betrifft eine optische Messzelle zur Messung der Extinktion von Lichtstrahlung in Fluiden.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik werden bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von Fluiden und die Messung von Veränderungen dieser Eigenschaften bspw. durch sich verändernde Stoffkonzentrationen, Farbänderungen, Alterungs- und / oder Reaktionsprozesse angegeben.
Zur Messung der optischen Eigenschaften des Fluids wird hierbei meistens das Signal einer Lichtquelle über eine optische Faser oder über eine Freistrahloptik zu einem Probenkanal geführt. Das Signal durchstrahlt den Probenkanal und wird an einer Austrittsseite wieder, entsprechend der Signaleinkopplung, zu weiteren Analyse- bzw. Auswertesystemen geführt. Die durchstrahlte Kanallänge oder auch geometrische Weglänge ist in diesem Fall auf eine bestimmte Länge festgelegt. Ebenso die damit verbundene optische Transmissionsweglänge. Eine Anpassung der optischen Transmissionsweglänge an die zu untersuchende Veränderung erfolgt über die Änderung der geometrischen Länge der Zelle.
Die Messung von geringen Konzentrationen oder Konzentrationsänderungen bei geringen Konzentrationen durch Absorption der Lichtstrahlung erfolgt mit einer Messzelle mit einer geometrisch großen Weglänge, die Messung einer hohen Konzentration oder Konzentrationsänderungen bei hohen Konzentrationen mit einer geometrisch kleinen Weglänge. Stand der Technik
In der WO 99/63369 A1 wird eine Durchflusszelle für die optische Analyse von flüssigen Molkerei- und Lebensmittelprodukten mit Infrarotstrahlung angegeben. An gegenüberliegenden Enden der Durchflusszelle werden optische Faserkabel, die mit einem Saphirfenster ausgestattet sind, angeordnet. Über das erste Faserkabel wird Lichtstrahlung von einer Infrarotquelle kommend in die Durchflusszelle eingekoppelt und über das zweite Faserkabel wieder aus der Durchflusszelle ausgekoppelt. Der Abstand der Faserkabel ist regulierbar, wodurch die geometrische und damit auch optische Transmissionsweglänge der Durchflusszelle variierbar ist und derart anpassbar an unterschiedliche Messaufgaben ist.
In der DE 102 16 047 A1 wird eine monolithische optische Mehrfachreflexionszelle angegeben mit einer ovalen Probenkammer deren Wände in Teilbereichen als Spiegelflächen ausgeformt sind. Ein über eine Eintrittsöffnung eingekoppelter Lichtstrahl wird erst nach vielfacher Reflexion und damit sehr langer optischer Transmissionsweglänge an einer Austrittsöffnung aus der Probenkammer ausgekoppelt. Auf diese Weise können mit einer relativ kompakten Probenkammer mit kurzer geometrischer Weglänge analytische Untersuchungen zu Gaszusammensetzungen und Gaskonzentrationen erfolgen, die mit kurzen optischen Transmissionsweglängen nicht durchführbar sind.
Gegenstand der DE 42 14 840 A1 ist eine Messzelle mit einer optischen Lichtquelle und mit verschiedenen Absorptionsweglängen zum Nachweis jeweils einer Substanz. Je nach Absorptionsverhalten der Substanz wird der für den Stoffnachweis relevante spektrale Anteil der Lichtstrahlung mehrfach in der Zelle reflektiert und dann detektiert. Das bedeutet, dass unterschiedliche spektrale Bänder einen unterschiedlichen optischen Absorptionsweg durchlaufen. Die spektrale Trennung erfolgt über Interferenzfilter innerhalb der Messzelle. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine kompakte optische Messzelle zur Messung der Extinktion von Lichtstrahlung in einem Fluid anzugeben, die über einen großen Messbereich einsetzbar ist.
Definitionen
Nachfolgend werden unter dem Begriff Fluid flüssige und gasförmige Medien, sowie Mischungen verschiedener Flüssigkeiten und / oder Gase sowie Dispersionen, Suspensionen, Emulsionen oder Aerosole verstanden.
Der Begriff Lichtstrahlung umfasst im Wesentlichen Lichtstrahlung aus dem UV- Bereich bis in den Infrarotbereich mit Wellenlängen von 200 nm bis 12 μm besonders bevorzugt mit Wellenlängen in den Bereichen 350 nm bis 1100nm und 1200 nm bis 6 μm. Im Bereich des im Wesentlichen sichtbaren Lichts werden vorzugsweise thermische Strahler mit einem kontinuierlichen Abstrahlverhalten gewählt und im Infrarotbereich Lichtquellen, eventuell in Kombination mit Filtern, um einzelne enge Wellenlängenbereiche als Lichtstrahlung nutzen zu können.
Wesentliche Anteile der Lichtstrahlung bedeutet, dass zumindest 10 %, bevorzugt mindestens 25 % und besonders bevorzugt mindestens 50% der Anteile der Lichtstrahlung umfasst sind.
Extinktion setzt sich im Allgemeinen zusammen aus Absorption, Streuung, Beugung und Reflexion von Lichtstrahlung und ist wellenlängenabhängig. Die Extinktion kann bei der Angabe als Zahlenwert als negativer dekadischer Logarithmus des Transmissionsgrades angegeben werden. Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine optische Messzelle für die Durchführung von Messungen der Extinktion von Lichtstrahlung in Fluiden, wobei die optische Messzelle eine im Betrieb mit einem Fluid gefüllte oder von einem Fluid durchflossene Probenkammer, ein erstes optisches Element für die Einkopplung von Lichtstrahlung in die Probenkammer, welches zumindest teilweise durchlässig für von außerhalb der Probenkammer kommende Lichtstrahlung ist und Lichtstrahlung aus dem Inneren der Probenkammer zumindest teilweise wieder in die Probenkammer reflektiert und ein zweites optisches Element, welches derart ausgebildet ist, dass es einen ersten Anteil der aus der Probenkammer kommenden Lichtstrahlung im Wesentlichen in Richtung des ersten optischen Elements reflektiert und einen weiteren Anteil aus der Probenkammer auskoppelt, aufweist.
Die erfindungsgemäße optische Messzelle ist als Teil bzw. Austauschteil einer Messvorrichtung vorgesehen, wobei die Messvorrichtung auch eine Lichtquelle sowie einen Detektor zur Messung der aus der Probenkammer austretenden Lichtstrahlung aufweisen kann. Weiterhin kann die Messvorrichtung auch eine dem Detektor nachgeordnete Elektronik enthalten, die die am Detektor erhaltenen Messwerte weiterverarbeitet, auswertet und / oder darstellt. Lichtquelle und / oder Detektor können auch jeweils Bestandteile der optischen Messzelle sein. Hierzu ist eine Lichtquelle, bspw. in Form eines thermischen Strahlers, einer LED oder einer anderen Leuchtquelle, außerhalb der Probenkammer in Nähe und mit einer optischen Verbindung zum ersten optischen Element an der optischen Messzelle angeordnet. Ebenso kann ein Detektor, bspw. in ein CCD-Array oder eine Photozelle, außerhalb der Probenkammer in Nähe und mit optischer Verbindung zum zweiten optischen Element an der optischen Messzelle angeordnet sein.
Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Messzelle wird am zweiten optischen Element Lichtstrahlung mit einer einfachen optischen Transmissionsweglänge und der mehrfachen optischen Transmissionsweglänge gleichzeitig ausgekoppelt und auf einem nachfolgenden Detektor oder Sensor überlagert, d.h. am zweiten optischen Element wird gleichzeitig und räumlich überlagert Lichtstrahlung mit unterschiedlicher optische Weglänge ausgekoppelt. Bevorzugt werden Lichtstrahlen mit einfacher und in etwa dreifacher optischer Transmissionsweglänge gleichzeitig ausgekoppelt. Die am Detektor erhaltene Information enthält damit gleichzeitig die Information der Extinktion der Lichtstrahlung im Fluid nach einfacher und mehrfacher bzw. bevorzugt in etwa dreifacher optischer Transmissionsweglänge. Auf diese Weise sind Änderungen des Fluids oder der Fluide mit voneinander abweichenden Eigenschaften über einen wesentlich größeren Parameterbereich zu bestimmen als mit den bekannten Vorrichtungen, die jeweils nur die über eine optische Transmissionsweglänge erhaltene Extinktion messen.
Durch die Wahl der Größe und Form der reflektiven und der durchlässigen Bereiche auf den optischen Elementen werden die Anteile der Lichtstrahlung mit einfacher und mehrfacher optischer Transmissionsweglänge festgelegt, die auf einem Detektor gemeinsam gemessen werden. Das erste optische Element ist bevorzugt derart ausgebildet, dass es zumindest wesentliche Anteile der aus der Probenkammer kommenden Lichtstrahlung wieder in die Probenkammer reflektiert. Durch eine geeignete Wahl der genannten Parameter kann die Messzelle an die Messaufgaben angepasst werden. In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Messzelle wird das Verhältnis von einfacher zu mehrfacher optischer Transmissionsweglänge im Bereich 10:1 bis 1 :10 liegen, besonders bevorzugt im Bereich 3:1 bis 1 :3.
Weiterhin wird beim erfindungsgemäßen Aufbau der optischen Messzelle mit der Auskopplung der Lichtstrahlung mit einfacher und mehrfacher optischer Transmissionsweglänge an einem optischen Element lediglich ein Detektor oder Sensor benötigt. Auch eine Elektronik zur Verarbeitung und Auswertung der am Detektor erhaltenen Messwerte reicht aus. Zusätzlich kann eine derart gestaltete optische Messzelle sehr kompakt bauen, da unterschiedliche optische Transmissionsweglängen (einfache und mehrfache) mit einer geometrischen Weglänge gemessen werden und weniger Bauteile als bei Messzellen mit mehreren, voneinander abweichenden optischen Transmissionswegen benötigt werden. Sofern es sich um eine im Betrieb von einem Fluid durchflossene optische Messzelle handelt, kann diese für On-line-, In-line und at-line-Messungen und / oder kontinuierlichen Messung eines Fluids eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Messzelle weist das erste und / oder zweite optische Element für die Lichtstrahlung durchlässige / transparente und reflektierende / verspiegelte Bereiche auf. Auf diese Weise wird der Teil der Lichtstrahlung aus der Probenkammer der auf lichtdurchlässige Bereiche des zweiten optischen Elements auftrifft aus der Probenkammer ausgekoppelt, d.h. am lichtdurchlässigen Bereich wird Lichtstrahlung mit einfacher und mehrfacher optischer Weglänge gleichzeitig und räumlich überlagert ausgekoppelt. Der Anteil der Lichtstrahlung aus der Probenkammer, der auf die reflektierenden Bereiche des zweiten optischen Elements trifft wird erneut in die Probenkammer im Wesentlichen in Richtung des ersten optischen Elements reflektiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Elemente einander gegenüberliegend, vorzugsweise in den Wänden der Probenkammer, angeordnet. Die Elemente sind vorzugsweise auf einer optischen Achse symmetrisch angeordnet. Es ist allerdings auch möglich einen Strahlengang unter Einbeziehung reflektierend ausgestalteter Wandbereiche der Probenkammer zu realisieren. Auf diese Weise können mit kompakten optischen Messzellen auch noch größere optische Transmissionsweglängen erreicht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Messzelle weisen die optischen Elemente Komponenten zur Strahlformung, wie zum Beispiel Linsen, Reflektoren, Gitter, Filter und / oder Prismen, auf. Die am ersten optischen Element in die Probenkammer eingekoppelte Lichtstrahlung einer Lichtquelle wird mit geeigneten Komponenten, wie bspw. Linsen, im Wesentlichen direkt in Richtung des zweiten optischen Elements gelenkt. Weiterhin können die optischen Elemente Komponenten zur Lichtabschwächung sowie Filter zur spektralen Filterung aufweisen.
Weitere Ausführungsformen der optischen Messzelle sehen vor, dass die Komponenten der optischen Elemente zumindest teilweise Lichtstrahlung reflektierende und / oder für Lichtstrahlung teiltransparente und oder transparente
Oberflächenbereiche aufweisen. Die Komponenten können hierzu reflektierende Schichten aufweisen oder es können Masken als eigenständige, weitere Komponenten zur Abschattung oder Reflektion von Lichtstrahlung genutzt werden.
Zur Vermeidung der Beeinflussung der Messung durch unkontrolliert innerhalb der Probenkammer verlaufende Lichtstrahlung können die Innenwände der Probenkammer mit einer Lichtstrahlung absorbierenden Oberfläche ausgestattet sein. Auf diese Weise gelangt nur Lichtstrahlung, die auf direktem Wege durch die Probenkammer gelangt, und Lichtstrahlung, die nach einer ersten oder weiteren Reflektionen zwischen den optischen Elementen ausgekoppelt wird, auf dem Detektor. Lichtabsorbierende Oberflächenbereiche werden bspw. gebildet durch geschwärzte Flächen, Oberflächenbeschichtungen und / oder Oberflächenbearbeitungen.
Die optische Messzelle besteht vorzugsweise aus nicht transparenten Materialen, wie Metallen, Kunststoffen, Glass und / oder Keramik. Die optischen Elemente bzw. die Komponenten der optischen Elemente können aus jedem für die Lichtstrahlung transparenten Material gefertigt sein, wie beispielsweise Glass, Saphir, Halbleitermaterialien und / oder Kunststoff. Die reflektierende Beschichtung der optischen Komponenten, vorzugsweise der Linsen, kann mit Silber, Aluminium, Gold oder andern Metallen oder mit Halbleitern oder anderen reflektierenden Materialien erfolgen.
Bei Verwendung von Linsen als optische Komponenten der optischen Elemente ist die Brennweite des ersten Linse oder aller Komponenten des optischen Elements zur Einkopplung der Lichtstrahlung in die Probenkammer vorzugsweise größer als die geometrische Weglänge der Probenkammer. Die Brennweite der Linsen oder aller optischen Komponenten der optischen Elemente zur Ein- und Auskopplung der Lichtstrahlung ist in diesem Fall bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass sie in Richtung von der ersten zur zweiten Linse oder vom ersten zum zweiten optischen Element einen gemeinsamen Brennpunkt außerhalb der Probenkammer haben. Besonders bevorzugt wird bei der Verwendung von Linsen als optische Elemente der Abstand von der ersten Linse zur zweiten Linse derart gewählt, dass die erste Linse innerhalb der Brennweite der zweiten Linse liegt. Die Brennweite der ersten Linse wird in diesem Fall derart gewählt, dass die Brennweite größer als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse ist und der Brennpunkt außerhalb der Probenkammer liegt.
Bei der Verwendung von Linsen als optische Komponenten können beispielsweise konkave, konvexe, plankonvexe, plankonkave, sphärische, asphärische Linsen, paraboloide, ellipsoide Linsen, Zylinderlinsen, Oberflächen mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Sphären konzentrisch angeordnet oder auch Freiformflächen Verwendung finden.
Durch die Verwendung von Linsen und / oder Reflektoren innerhalb eines optischen Elementes sowohl als Strahl formende als auch Strahl lenkende Komponenten für die Ein- und Auskopplung des Lichtstrahls wird die Anzahl der benötigten Komponenten minimiert. Unter Strahl formend wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass Lichtstrahlung fokussiert, kollimiert, dispergiert oder gestreut wird. Unter Strahl lenkend wird dagegen die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, beispielweise durch Reflektion oder Brechung verstanden.
Der Detektor kann in einer weiteren Ausführungsform Teil des zweiten optischen Elements sein, bspw. integrierter Bestandteil einer Linse.
Die optische Messzelle kann als Austauschteil einer Messvorrichtung ausgebildet sein, wobei die optische Messzelle bspw. in eine passende Aufnahme der Messvorrichtung eingesetzt wird. Die Messvorrichtung umfasst neben der Messzelle dann weitere Bestandteile, wie Lichtquelle, Detektor und/oder optische Gitter, die fest montiert oder ebenfalls austauschbare Bestandteile der Messvorrichtung bilden. Die Messzelle kann daher je nach Anwendung angepasst und einfach in die Messvorrichtung eingesetzt werden oder bei Verschleiß, Verschmutzung ersetz werden, ohne dass alle oder kostspielige Komponenten ersetzt werden müssen. Auch eine Justierung der einzelnen Komponenten der Messvorrichtung kann durch Aufnahme der Bestandteile in entsprechende Ausnehmungen in einer Plattform auf diese Weise erleichtert oder bei vollständig passiver Justage gar komplett vermieden werden.
In einer alternativen Ausführungsform können die weiteren Bestandteile einer Messvorrichtung, wie Lichtquelle, Detektor und / oder andere Bestandteile, integrierte Bestandteile der optischen Messzelle sein. Dieser kompakte Aufbau kann eine vollständige Messvorrichtung bilden.
Die mit der erfindungsgemäßen optischen Messzelle ausgestatteten Messvorrichtungen können bspw. durch ein Spektrometer als Bestandteil der Messvorrichtung zur spektral aufgelösten Messung der Extinktion genutzt werden.
Die optische Messzelle enthält vorzugsweise eine strömungsgünstig ausgeformte Probenkammer, um Todvolumina und Verwirbelungen zu vermeiden. Denn durch diese könnten Messungen unerwünschte Schwankungen aufweisen oder zumindest zeitweise verfälscht sowie der Druckverlust unnötig erhöht werden. Es werden folglich abrupte Querschnittsänderungen, scharfe Kanten und Hinterschneidungen bei der Ausformung der Probekammer in Fließrichtung vermieden.
Es ist weiterhin möglich die optische Messzelle aus mindestens einem oder mehreren abgeformten Bauteilen, bspw. spritzgegossenen Bauteilen, aufzubauen, wobei die optischen Elemente in diesen Bauteilen integriert sein können, wie ähnlich auch in der deutschen Patentanmeldeschrift DE 102005062174 (noch unveröffentlicht) angegeben. Demnach können die die optische Messzelle enthaltenden Bauteile auch weitere Komponenten, wie Fluidkanäle, Reaktionskammern, Fluidmischer usw. enthalten und Einzelteile eines so genannten Lab-on-a-Chip bilden.
In einer weiteren Ausführungsform der optischen Messzelle kann beim Eintritt der Lichtstrahlung über das erste optische Element eine Aufspaltung des Lichtstrahls in der Probenkammer in spektrale Anteile erfolgen, wobei die jeweiligen spektralen Anteile jeweils in Richtung unterschiedlicher zweiter optischer Elemente gelenkt und dort jeweils nach einfacher und mehrfacher optischer Transmissionsweglänge ausgekoppelt und überlagert werden.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen, der dazugehörigen Figuren und der mit erfindungsgemäßen Ausführungen der optischen Messzelle erhaltenen Messergebnisse.
Figuren
Figur 1 Schema der Strahlführung in einer erfindungsgemäßen optischen
Messzelle in Querschnittsdarstellung
Figur 2 Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Messzelle
Figur 3a erste Seitenansicht einer weiteren, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer optischen Messzelle
Figur 3b Querschnittsdarstellung der in Figur 3a gezeigten Ausführungsform der optischen Messzelle entlang der in Figur 3a enthaltenen Schnittlinie A-A
Figur 3c zweite Seitenansicht der in Figur 3a und Figur 3b gezeigten Ausführungsform der optischen Messzelle
Figur 3d zweite Querschnittsdarstellung der in den Figuren 3a - 3c gezeigten Ausführungsform der optischen Messzelle entlang der in Figur 3c enthaltenen Schnittlinie B-B Figur 4 Draufsicht auf eine Messvorrichtung mit optischer Messzelle und
Spektrometer
Figur 5 Darstellung der normierten Strahlungsintensität in Abhängigkeit der
Konzentration bei unterschiedlichen Transmissionsweglängen
Figur 6 Messergebnisse erhalten mit einer Messvorrichtung gemäß Figur 4 mit einer erfindungsgemäßen optischen Messzelle und einem Spektrometer
Figur 7 Messergebnisse für Konzentrationsmessungen einer Lösung mit
Chrom
Figur 8 Messergebnisse für die Messung einer Chromsulfat-Lösung mit logarithmischer Y-Achse
In Figur 1 ist eine optische Messzelle (10) im Querschnitt mit der Strahlführung, einem ersten (1) und zweiten optischen Element (2) sowie einer Probenkammer (3) schematisch dargestellt. Die Strahlausbreitung wird durch Pfeile schematisch angedeutet.
An einem ersten optischen Element (1) zur Einkopplung der Lichtstrahlung in die Probenkammer (3) wird die von einer Lichtquelle (7) in Richtung der Probenkammer (3) ausgehende Lichtstrahlung über eine erste plankonvexe Linse (1) in die Probenkammer (3) der optischen Messzelle (10) eingekoppelt. Die erste plankonvexe Linse (1) ist an ihrer von der Probenkammer (3) abgewandten Seite konvex und außerhalb eines zentralen, kreisförmigen Bereichs (12) konzentrisch zur optischen Achse (9) mit einer reflektierenden Oberflächenschicht (11) versehen, so dass nur der Teil der Lichtstrahlung von der Lichtquelle in die Probenkammer (3) eingekoppelt wird, der auf den zentralen Bereich (12) der ersten Linse (1) trifft. Die Lichtstrahlung ist von der Lichtquelle (7) kommend zunächst divergent und wird an der konvexen Oberfläche der ersten Linse (1) gebrochen und in Richtung des zweiten optischen Elements (2) gelenkt.
Das zweite optische Element (2) ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in Form einer plankonvexen Linse (2) ausgeführt. Die konvexe Seite der Linse (2) liegt auf der von der Probenkammer (3) abgewandten Seite und weist ebenfalls außerhalb eines zentralen, kreisförmigen Bereichs (14) konzentrisch zur optischen Achse (9) eine spiegelnde Oberfläche (13) auf. Am zweiten optischen Element (2) wird die vom ersten optischen Element (1) kommende und auf den verspiegelten Bereich (13) der zweiten Linse (2) treffende Lichtstrahlung wieder in Richtung des ersten optischen Elements (1) reflektiert und kollimiert, so dass die Lichtstrahlung mit einem möglichst geringen Verlust durch die optische Zelle (10) gelenkt werden kann (Extinktionsverluste durch das Fluid ausgenommen). Der Anteil der Lichtstrahlung der im zentralen, transparenten Bereich (14) auf die zweite Linse (2) trifft, wird aus der Probenkammer (3) ausgekoppelt und in Richtung eines Brennpunktes (4) gelenkt. Der an der zweiten Linse (2) reflektierte Anteil der Lichtstrahlung durchquert die Probenkammer (3) ein zweites Mal und wird von der ersten Linse (1) in Richtung der transparenten Oberflächenbereiche (14) der zweiten Linse (2) reflektiert und fokussiert. Die konvergente Lichtstrahlung wird nach der erneuten Transmission durch die Probenkammer (3) durch die zweite Linse (2) außerhalb der Probenkammer (3) im Brennpunkt (4) fokussiert. Die Fokuslänge der ersten Linse (1) ist größer als der Linsenabstand der ersten (1) und zweiten Linse (2), so dass die Strahlung in einem Brennpunkt (4) außerhalb der Zelle fokussiert wird.
Durch die Faltung des Strahlengangs mit den teilweise reflektiv beschichteten Linsen (1 , 2) wird die optische Transmissionsweglänge für den reflektierten Anteil der Strahlung gegenüber der geometrischen Weglänge der Probenkammer (3) um einen Faktor 3 - 3,5 verlängert (Der Einfluss des Brechungsindex des Fluids sei hier außer acht gelassen). Dadurch ist die Messempfindlichkeit für diesen Strahlungsanteil gegenüber einer Messung der Lichtextinktion bei einfacher Transmissionsweglänge der mit einem zu vermessenden Fluid gefüllten Probenkammer um einen entsprechenden Faktor erhöht. Der nach der o.a. Strahlführung bereits nach einem Durchgang aus der Probenkammer (3) ausgekoppelte Strahlungsanteil wird mit einem weiteren Strahlungsanteil, der nach dem dritten Durchgang durch die Probekammer ausgekoppelt wird, im gemeinsamen Brennpunkt (4) überlagert. Am Brennpunkt (4) werden nun die beiden Strahlungsanteile beispielsweise in ein optisches System (z.B. Spektrometer) eingekoppelt, spektral aufgespalten und detektiert. Diese Ausführungsform einer optischen Messzelle (10) gekoppelt mit einem Spektrometer wird in Figur 4 dargestellt.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer in etwa trapezförmigen optischen Messzelle (10) in der Draufsicht mit einem Fluideingangsanschluss (21) und Fluidausgangsanschluss (22). Die Fluidanschlüsse (21 , 22) sind hier als Gewindebohrungen (23) zur Aufnahme von Fluidleitungen (nicht dargestellt) ausgebildet. Das Fluid durchströmt im Betrieb die im Zentrum der optischen Messzelle (10) liegende Probenkammer (3) von rechts nach links. Die optischen Elemente (1 , 2) zur Ein- und Auskopplung der Lichtstrahlung sind gegenüberliegend in Seitenwänden (15) der Probenkammer (3) in passgenauen Ausnehmungen (25, 26) der Messzelle (10) angeordnet. In der Ausnehmung (25) für das erste optische Element (1 ) ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls die Lichtquelle (7) enthalten. Bei der Lichtquelle (7) handelt es sich um einen thermischen Strahler. Das im Betrieb der optischen Messzelle (10) durch die Probenkammer (3) strömende Fluid wird im Wesentlichen senkrecht zu seiner Fließrichtung von dem am ersten optischen Element (1) eingekoppelten Lichtstrahl durchstrahlt. In der in Figur 2 gezeigten Ausführung der optischen Messzelle (10) wird gemäß Figur 1 eine auf ihrer der Probenkammer (3) abgewandten Seite mit einer reflektierenden Schicht (11) versehene Linse (1) als optisches Element (1 ) zur Einkopplung und gleichzeitigen Formung des Lichtstrahls genutzt. Auch zur Auskopplung des Lichtstrahls wird in diesem Fall eine Linse (2) verwendet, welche an ihrer der Probenkammer (3) abgewandten Seite lediglich im inneren kreisförmigen Bereich (14) um die optische Achse für Lichtstrahlung durchlässig ist und ringförmig um das Zentrum herum eine verspiegelte Oberfläche (13) aufweist. In der Ausnehmung (26) für die zweite Linse (2) ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Detektor (16) angebracht der die durch den transparenten Bereich der zweiten Linse (2) passierende
Lichtstrahlung empfängt.
Figur 3a bis 3d zeigt eine weitere optische Messzelle (10) mit verbesserten Strömungseigenschaften für das im Betrieb durch die optische Messzelle (10) strömende Fluid in mehreren Schnittzeichnungen. Die besseren Strömungseigenschaften bestehen darin, dass z.B. die komplette Durchströmung der Probenkammer (3) ohne ein relevantes Todvolumen, Verwirbelungen usw. erreicht wird. Die gezeigte optische Messzelle (10) ist bis zu einem Druck von 3 bar getestet, allerdings sind durch konstruktive Anpassungen dieses Ausführungsbeispiels auch Anwendungen bei wesentlich höheren Druckbereichen möglich. Die optische Messzelle (10) beinhaltet die im Betrieb durchflossene Probenkammer (3), die Halterung für die optischen Elemente (1 ,2). Aufnahmen für die Lichtquelle und ein Ankopplungsbereich an ein sich anschließendes Analysesystem sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht Bestandteil der optischen Messzelle (10) selbst, sondern, wie im folgenden in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, Teil der gesamten Messvorrichtung (5).
In Figur 3a wird eine Seitenansicht der optischen Messzelle (10) von der Seite des Fluidein- (21 ) und Fluidausgangs (22) gezeigt. In Figur 3b ist eine Schnittzeichnung der optischen Messzelle (10) entlang der in Figur 3a enthaltenen Schnittlinie A-A dargestellt. Neben dem geschnitten Fluidein- (21 ) und Fluidausgang (22) sind hierauf auch die Ausnehmungen (25, 26) für die optischen Elemente (1 , 2) dargestellt. In Figur 3c wird eine Seitenansicht der optischen Messzelle (10) gezeigt, darin ist die Ausnehmung (25) für das erste optische Element sowie die Probenkammer (3) zu erkennen. In Figur 3d ist schließlich eine Schnittzeichnung der optischen Messzelle (10) entlang der in Figur 3c enthaltenen Schnittlinie B-B dargestellt. Zu erkennen ist hier, dass der Fluideingang (21) in der optischen Messzelle unten, am unteren Rand der Probenkammer (3) liegt und der Fluidausgang (22) am oberen Rand der Probenkammer (3) liegt, so dass bei einer Befüllung der Probenkammer (3) Luft aus der Probenkammer (3) vollständig verdrängt wird. Ein Beispiel für die Integration der erfindungsgemäßen optischen Messzelle (10) in eine Messvorrichtung (5) mit Spektrometer (6) wird in Figur 4 schematisch in der Draufsicht zeigt. Der Strahlengang in der Messvorrichtung (5) ist ebenfalls nur schematisch durch Pfeile mit unterbrochener Linie angedeutet. Die bereits in Figur 3 dargestellte optische Messzelle (10) ist bei dieser Messvorrichtung (5) auf einer Plattform (8) mit dem Spektrometer (6) montiert. Die einzelnen Komponenten der Messvorrichtung (5), wie optische Messzelle (10), Spiegel (17, 18 , 19), optisches Gitter (20) und CCD-Sensor (16) des Spektrometers (6), sowie Lichtquelle (7) sind jeweils in passgenaue Ausnehmungen einer Plattform (8) eingesetzt und werden durch Aufsetzen eines flachen Deckels (nicht dargestellt) in der Messvorrichtung (5) fixiert sowie abgedichtet.
Die optische Messzelle (10) ist in diesem Beispiel austauschbar und kann separat von anderen Bestandteilen der Messvorrichtung (5) gewechselt oder ersetzt werden. Die Anordnung der Komponenten in passgenauen Aufnahmen einer Plattform (8) ermöglicht eine präzise Fertigung und Ausrichtung der Komponenten zueinander ohne spezielle Fertigungsmethoden.
Im Betrieb dieser Vorrichtung wird die Probenkammer (3) kontinuierlich von einer Flüssigkeit durchflössen, so dass eine On-Iine-Messung durchgeführt werden kann. Innerhalb des Spektrometers (6) wird der Lichtstrahl aus der optischen Messzelle(10) kommend über zwei Spiegel (17, 18) auf ein optisches Gitter (20) reflektiert, spektral zerlegt und über einen weiteren Spiegel (19) auf den Detektor (16) fokussiert und detektiert. Durch den Abgleich der erhaltenen Extinktionsspektren mit Eichkurven können Veränderungen der zu vermessenden Fluide gegenüber einem Eichfluid bestimmt werden oder auch die Reinheit von Stoffen in Lösung.
In Figur 5 wird der normierte Intensitätsverlauf eines durch eine optische Messzelle transmittierten Lichtstrahls als Funktion der Konzentration und für verschiedene optische Weglängen im Vergleich dargestellt.
Die Graphen I(L1) bzw. 1(10L1) beschreiben den Intensitätsverlauf für den einmaligen bzw. 10-maligen Durchgang eines Lichtstrahls durch eine mit einem Fluid gefüllte Probenkammer einer optischen Messzelle. Die Intensitätsabschwächung I(L1 ) ist für kleine Konzentrationsunterschiede bei einer ersten Konzentration d gering. Dadurch ist die mögliche Konzentrationsauflösung bei einem einfachen Zelldurchgang des Lichtsignals bei kleinen Konzentrationen gering. Im Vergleich dazu ist die Intensitätsabschwächung bei 1(10L1) im Bereich der gleichen Konzentration d deutlich größer und somit die Konzentrationsauflösung wesentlich höher.
Bei hohen Konzentrationen im Bereich von c2 ist die Veränderung der Intensität der detektierten Lichtstrahlung bei 10-facher optische Weglänge 1(10L1) nicht mehr messbar, da das Signal unterhalb des Rauschens liegt. Dagegen ist das Signal I(L1) bei einfacher optische Weglänge bei c2 noch deutlich zu detektieren. Damit ist es bei einfacher optischer Weglänge möglich hohe Konzentration zu messen.
Bei den Messungen von kombinierter Lichtstrahlung, d.h. bei der Überlagerung von Lichtstrahlen mit einfacher und mehrfacher optischer Weglänge, erreicht man gegenüber den oben beschriebenen Messungen dagegen eine hohe und gleichmäßigere Auflösung bei der Messung über den gesamten Bereich der Konzentration, wie die Graphen für die kombinierte Messung der Lichtstrahlung mit ein- und zehnfacher (1(10*11 )+l(L1 ) bzw. ein- und fünffacher (1(5*11 )+l(L1) optischer Weglänge zeigen.
Ein Beispiel für die Messergebnisse mit der in Figur 4 gezeigten Messvorrichtung (5) ist in Figur 6 gezeigt. Die optische Messzelle (10) wurde in Kombination mit dem Spektrometer (6) über mehrere Monate zur Messung des Ölzustandes in einem Verbrennungsmotor getestet. Untersucht wurde hier der Alterungsprozess von Öl im sichtbaren Spektrum. Die optische Messzelle (10) zeigte dabei im Verlauf der Experimente keinerlei Beschädigungen oder Beeinträchtigung der Messergebnisse auf. Eine Verschmutzung der optischen Messzelle (10) ist im Durchflussbetrieb, auch beim Einsatz in einem Verbrennungsmotor, nicht erfolgt, wie durch die Wiederholungsmessungen in Figur 6 gezeigt. In Figur 6 werden die Extinktionsspektren von Luft (Air) und verschiedenen Motorölen (V...) dargestellt, wobei die erste und die zweite Messung jeweils am Ende der Identitätsnummern in der Legende durch ein a bzw. b gekennzeichnet werden. Es zeigt sich, dass mit der Messvorrichtung mit der optischen Messzelle sehr hohe Wiederholgenauigkeiten auch nach längeren Betriebszeiten erreicht werden und die Abweichungen kleiner als 2 % sind, die a- und b-Messungen folglich in Figur 6 zu großen Teilen annähernd deckungsgleich ausfallen.
Die Messung einer Konzentrationsreihe von Chrom ist in Figur 7 gezeigt. Gemessen ist die Konzentrationsreihe mit einem miniaturisierten Spektrometer kombiniert mit einer Messanordnung gemäß Figur 4. Figur 7 zeigt die normierte Intensität (normiert auf die Konzentration Null, Wasser) als Funktion der Detektorpixel, die gleichbedeutend sind mit der Wellenlänge. Bedingt durch die spektral selektive Absorption des Chroms nimmt mit zunehmender Chromkonzentration die detektierte Intensität, spektral abhängig, ab. Dabei wurde die Konzentration von c = 1000 ppm bis zu c = 28 ppm verringert. Ab einer Konzentration von c = 50 ppm lässt sich die Konzentration in diesen Messungen nicht mehr bestimmen. Dies ist jedoch bedingt durch das Signal Rausch Verhältnisses des Spektrometers und nicht durch die Messzelle. Die Messungen zeigen die Konzentrationsbestimmung eines gelösten Stoffes mittels der Messzelle.
Figur 8 zeigt die Messergebnisse mit einer Messanordnung nach Figur 4 von gelöstem Chromsulfat in Wasser für einen Konzentrationsbereich von c = 100 ppm bis 26000 ppm. Dargestellt ist die Transmission innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs, indem Chromsulfat absorbiert, als Funktion der Konzentration. Mit zunehmender Konzentration nimmt die Transmission durch die Messzelle ab. Theoretisch wird für die Transmission eine einfach exponentielle Abnahme erwartet (Lambert-Beer Gesetz). Die Transmissionswerte würden dann mit zunehmender Konzentration stark abnehmen (siehe theoretische Kurve: einfach exponentielle Abnahme). Eine zuverlässige Konzentrationsmessung wäre nur innerhalb eines kleinen Konzentrationsbereichs möglich. Das Experiment mit einer erfindungsgemäßen optischen Messzelle zeigt jedoch einen erweiterten detektierbaren Konzentrationsbereich mit einer deutlichen Abweichung von dem einfach exponentiellen Verlauf ab c ~ 4000 ppm. Die experimentellen Ergebnisse (in Fig.8 als gemessene Werte bezeichnet und in Form von Punkten dargestellt) sind über eine zweifach exponentielle Abnahme zu beschreiben. Grund hierfür ist die Überlagerung der Signale der zwei optischen Weglängen innerhalb der Messzelle. Zwei Exponenten bestimmen daher den experimentellen Verlauf. Bei nur einer optischen Weglänge würde sich dagegen ein einfach exponentieller Abfall ergeben und die Auflösung der Transmissionswerte bei hohen Konzentrationen wäre deutlich reduziert.
Bezugszeichen
1 erstes optisches Element
2 zweites optisches Element
3 Probenkammer
4 Brennpunkt
5 Messvorrichtung
6 Spektrometer
7 Lichtquelle
8 Plattform
9 optische Achse
10 optische Messzelle
11 reflektive Beschichtung des ersten optischen Elements
12 transparenter Bereich des ersten optischen Elements
13 reflektive Beschichtung des zweiten optischen Elements
14 transparenter Bereich des zweiten optischen Elements
15 Probenkammerwand
16 Detektor, CCD-Sensor
17 Spiegel
18 Spiegel
19 Spiegel
20 optisches Gitter
21 Fluideingang
22 Fluidausgang
23 Gewindebohrungen 24
25 Ausnehmung für erstes optisches Element
26 Ausnehmung für zweites optisches Element

Claims

Patentansprüche
Anspruch 1
Optische Messzelle (10) zur Messung der Extinktion von Lichtstrahlung in einem Fluid,
wobei die optische Messzelle (10)
eine im Betrieb mit einem Fluid gefüllte oder von einem Fluid durchflossene Probenkammer (3),
ein erstes optisches Element (1) für die Einkopplung der Lichtstrahlung in die Probenkammer (3), welches zumindest teilweise durchlässig für von außerhalb der Probenkammer (3) kommende Lichtstrahlung ist und Lichtstrahlung aus dem Inneren der Probenkammer (3) zumindest teilweise wieder in die Probenkammer (3) reflektiert,
ein zweites optisches Element (2), welches derart ausgebildet ist, dass es einen ersten Anteil der aus der Probenkammer (3) kommenden Lichtstrahlung im Wesentlichen in Richtung des ersten optischen Elements (1) reflektiert und einen weiteren Anteil aus der Probenkammer (3) auskoppelt,
aufweist.
Anspruch 2
Optische Messzelle (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder zweite optische Element (1 , 2) für die Lichtstrahlung durchlässige und reflektierende Bereiche aufweist. Anspruch 3
Optische Messzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (1 , 2) einander gegenüberliegend, vorzugsweise in den Wänden (15) der Probenkammer (3), angeordnet sind.
Anspruch 4
Optische Messzelle (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (1 , 2) Komponenten zur Strahlformung, wie zum Beispiel Linsen, Gitter und / oder Prismen, aufweisen.
Anspruch 5
Optische Messzelle (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten der optischen Elemente (1 , 2) zumindest teilweise Lichtstrahlung reflektierende Beschichtungen und / oder für Lichtstrahlung halbtransparente oder transparente Oberflächenbereiche (11 , 12, 13, 14) aufweisen.
Anspruch 6
Optische Messzelle (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände der Probenkammer zumindest teilweise mit einer Lichtstrahlung absorbierenden Oberfläche ausgestattet sind. Anspruch 7
Optische Messzelle (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messzelle (10) aus Materialien, wie Metall, Kunststoff, Glass und / oder Keramik, bestehen kann.
Anspruch 8
Optische Messzelle (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente bzw. die Komponenten der optischen Elemente aus jedem für das Lichtstrahlung transparenten Material gefertigt sein können, wie bspw. Glass, Saphir, Halbleitermaterialien oder Kunststoff.
Anspruch 9
Optische Messzelle (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch dass, die reflektierende Beschichtung der optischen Komponenten mit Silber, Aluminium, Gold oder andern Metallen oder mit Halbleitern oder anderen reflektierenden Materialien erfolgen.
Anspruch 10
Optische Messzelle (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten optischen Element (2) gleichzeitig Lichtstrahlung einfacher und mehrfacher optischer Transmissionsweglänge aus der Probenkammer (3) ausgekoppelt wird.
PCT/EP2007/006673 2006-07-29 2007-07-27 Optische messzelle Ceased WO2008014937A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200610035581 DE102006035581B3 (de) 2006-07-29 2006-07-29 Optische Messzelle
DE102006035581.4 2006-07-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008014937A1 true WO2008014937A1 (de) 2008-02-07

Family

ID=38670545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/006673 Ceased WO2008014937A1 (de) 2006-07-29 2007-07-27 Optische messzelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102006035581B3 (de)
WO (1) WO2008014937A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110114655A (zh) * 2016-11-11 2019-08-09 微波实验室技术股份公司 具有带多个光路的放电灯的分光计

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202008003977U1 (de) 2008-02-26 2009-07-02 Bürkert Werke GmbH & Co. KG Mikrospektrometer
CN102288582A (zh) * 2011-03-25 2011-12-21 深圳大学 大气气溶胶粒子管形弥漫装置
DE102012013241A1 (de) 2011-06-27 2012-12-27 Institut Für Photonische Technologien E.V. Mikrofluid-Durchflussküvette
CN104713852A (zh) * 2015-02-05 2015-06-17 中国民航大学 一种可控能见度大气模拟系统
DE102016204234A1 (de) 2016-03-15 2017-09-21 Robert Bosch Gmbh Mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung von chemischen, biochemischen und/oder biologischen Untersuchungen
DE102022108236A1 (de) * 2022-04-06 2023-10-12 CS INSTRUMENTS GmbH & Co. KG Optische Messzelle

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3588496A (en) * 1968-12-26 1971-06-28 Gen Electric Radiation analysis apparatus having an absorption chamber with partially reflective mirror surfaces
US3936196A (en) * 1974-10-21 1976-02-03 Spectrotherm Corporation Fluid chamber having manipulatable window elements
US5220402A (en) * 1989-06-21 1993-06-15 Harvey C. Nienow Multiple-path gas-absorption cell
US5977546A (en) * 1997-05-13 1999-11-02 Carlson; Lee Richard Self normalizing radiant energy monitor and apparatus for gain independent material quantity measurements

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2937352C2 (de) * 1979-09-13 1982-03-11 Müller, Gerhard, Prof. Dr.-Ing., 7080 Aalen Multipass-Anordnung
US5125742A (en) * 1990-07-25 1992-06-30 General Analysis Corporation Long path gas absorption cell
DE4214840A1 (de) * 1992-05-05 1993-11-11 Draegerwerk Ag Vorrichtung zur gleichzeitigen Analyse verschiedener Bestandteile eines Fluids
DE4434814A1 (de) * 1994-09-29 1996-04-04 Microparts Gmbh Infrarotspektrometrischer Sensor für Gase
JP3228080B2 (ja) * 1995-08-07 2001-11-12 富士電機株式会社 多重反射形試料セル
US6069694A (en) * 1998-05-29 2000-05-30 Foss Nirsystems, Inc. Flow cell
GB2349207A (en) * 1999-04-22 2000-10-25 Shimadzu Research Lab Measuring attenuation in the intensity of electromagnetic radiation
DE10216047A1 (de) * 2002-04-11 2003-10-23 Univ Albert Ludwigs Freiburg Monolithische Multi-Pass-Zelle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3588496A (en) * 1968-12-26 1971-06-28 Gen Electric Radiation analysis apparatus having an absorption chamber with partially reflective mirror surfaces
US3936196A (en) * 1974-10-21 1976-02-03 Spectrotherm Corporation Fluid chamber having manipulatable window elements
US5220402A (en) * 1989-06-21 1993-06-15 Harvey C. Nienow Multiple-path gas-absorption cell
US5977546A (en) * 1997-05-13 1999-11-02 Carlson; Lee Richard Self normalizing radiant energy monitor and apparatus for gain independent material quantity measurements

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110114655A (zh) * 2016-11-11 2019-08-09 微波实验室技术股份公司 具有带多个光路的放电灯的分光计

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006035581B3 (de) 2008-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69422669T2 (de) Vorrichtung und Methode zur optischen Bestimmung von Konzentrationen
EP0655128B1 (de) Spektroskopische systeme zur analyse von kleinen und kleinsten substanzmengen
EP2003441B1 (de) ATR-Sensor
DE3103476C2 (de)
AT510765B1 (de) Vorrichtung zur photometrischen bzw. spektrometrischen untersuchung einer flüssigen probe
EP3397948B1 (de) Vorrichtung zur analyse von einem sich in einem produktraum befindenden zu analysierenden gut
WO2008014937A1 (de) Optische messzelle
EP0938658A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur kombinierten absorptions- und reflektanzspektroskopie
DE4214840A1 (de) Vorrichtung zur gleichzeitigen Analyse verschiedener Bestandteile eines Fluids
DE4223840C2 (de) Refraktometer
DE69533119T2 (de) Spektroskopische Messvorrichtung zur Analyse von Medien
DE19523741C2 (de) Optische Detektoreinrichtung für eine strömende Probe
EP3270045B1 (de) Anordnung zum messen von gaskonzentrationen
DE2937352C2 (de) Multipass-Anordnung
AT406912B (de) Optische messanordnung zur bestimmung der transmissions- und streustrahlung
WO1992006366A1 (de) Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen bestimmung der zusammensetzung einer zu analysierenden probe
EP4133258B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum bestimmen frequenzabhängiger brechungsindizes
DE69209936T2 (de) Zweistrahldetektorsystem für Flüssigchromatographie
DE102017108552A1 (de) Spektrometrischer Messkopf mit mehreren Transmissionslicht-Eintrittsfenstern
DE19848120C2 (de) Einrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption von Gasen
DE10131724B4 (de) Optisches Absorptions-Messgerät
DE10118449C1 (de) Vorrichtung zur Überwachung einer Chemikalienströmung und Verwendung dieser Vorrichtung
EP4405667B1 (de) Tauchsonde mit variabler pfadlänge
DE2425877B2 (de) Trübungsmeßvorrichtung
AT523661A1 (de) Vorrichtung zur spektroskopischen Untersuchung von Fluiden

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07801459

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07801459

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1