Die Erfindung richtet sich auf einen Fluidkonzentrationsmesssensor
mit mindestens einen Messraum, und diesem zugeordnet mindestens einer Strahlungsquelle,
mindestens einer Reflektionsfläche und mindestens einem Detektor.
Sensoren zur Messung einer Fluidkonzentration, insbesondere zur Messung
einer Gaskonzentration, werden hauptsächlich in medizinischen und biologischen
Anwendungsbereichen oder in der Branddetektion eingesetzt. Eine derartige Detektion
kann auf Basis elektrochemischer Messungen, Messungen auf Indikatorbasis, Messungen
unter Zuhilfenahme von Halbleitertechnikbauelementen oder fotometrischen Messverfahren
durchgeführt werden.
Bei den fotometrischen Messverfahren ist es weiterhin bekannt, Ein-
und Mehrstrahlsysteme sowohl dispersiver als auch nicht dispersiver Natur einzusetzen.
Fotometrische Messverfahren basieren in der Regel auf dem Messprinzip, dass eine
von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung das zu detektierende Fluid, beispielsweise
ein Gas, durchsetzt, mit diesem zum Teil wechselwirkt und anschließend von
einem Detektor detektiert und in ein auswertbares Signal umgewandelt wird. Aufgrund
einer Absorption der Strahlung in spezifischen Wellenlängenbereichen durch
die zu detektierenden Liquidmoleküle/-atome, kann eine Liquidskonzentrationsmessung
durchgeführt werden.
Für hohe Empfindlichkeiten sind bei diesem Messprinzip lange
Absorptionswege, d.h. primär lange Lichtwege, also ein relativ großer
Abstand zwischen Strahlungsquelle und Detektor, vorteilhaft. Bei kürzeren Absorptionsstrecken
ist das Messsignal, insbesondere auch das Signal-Rausch-Verhältnis, unzureichend
gering. Um die Lichtwege zu vergrößern, können eine Vielzahl von
Reflektoren, wie beispielsweise Spiegel, angeordnet werden, die die von der Strahlungsquelle
ausgehende Strahlung reflektieren. Durch Verwendung derartiger einzelner Reflektoren
kann zwar zunächst die Absorptionsstrecke verlängert werden, es treten
im Allgemeinen jedoch Mehrkosten durch die Vielzahl von erforderlichen Reflektoren
auf. Weiterhin ist eine optische Justage, gegebenenfalls auch eine nachträgliche
Korrektur der Anordnung der Reflektoren zueinander, erforderlich. Zudem werden –
je nach Anzahl der Reflektoren – die Abmessungen eines Fluidkonzentrationsmesssensors
unhandlich groß und dieser entsprechend schwer und unhandlich.
In der DE 10 2004 010
757 A1 ist ein Gassensor zur Messung mindestens einer Gaskonzentration
durch Absorption infraroter Strahlung in einem Gas bekannt. Dabei ist nur eine einzige
elliptische Reflektionsfläche vorgesehen, in deren Brennpunkten infrarot-Strahlungsquellen
und –Detektoren angeordnet sind. Durch eine derartige Ausbildung der Reflektionsfläche
in einer elliptischen Form wird der zwischen der Reflektionsfläche und dem
Substrat gebildete Messraum effektiv vergrößert. Konstruktionsbedingt
erlaubt eine derartige Reflektionsfläche pro Strahl nur eine einmalige Reflektion
an der Reflektionsfläche, bevor dieser auf den Detektor gelangt. Eine hinreichend
große Absorptionsstrecke bei einer geringen Baugröße wird daher nicht
erzielt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu
schaffen, die es ermöglicht, einen kompakten und effizienten Fluidkonzentrationsmesssensor
bereitzustellen.
Bei einem Fluidkonzentrationsmesssensor der eingangs beschriebenen
Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens
eine Reflektionsfläche einen eine im wesentlichen spiralartige Kurve beschreibenden
Bereich aufweist.
Ein solcher Fluidkonzentrationsmesssensor mit mindestens einer Reflektionsfläche,
die in einer Querschnittsansicht einen eine im wesentlichen spiralartige Kurve beschreibenden
Bereich aufweist, ermöglicht eine Mehrzahl von Reflektionen pro Strahl, bevor
dieser auf den Detektor gelangt, so dass die Absorptionsstrecken effektiv verlängert
werden, ohne die Bauform eines solchen Fluidkonzentrationsmesssensor zu vergrößern.
Damit wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Strahlung mit den in dem Messraum
vorhandenen Liquidmolekülen/-atomen wechselwirkt. Die Wechselwirkung hat eine
Absorption in einem bestimmten Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung
zur Folge, welche von dem Detektor detektiert wird. Das von dem Detektor ausgehende
Signal kann anschließend ausgewertet und eine Konzentration des zu messenden
Fluids kann bestimmt werden. Durch die verlängerte Absorptionsstrecke steigt
im Mittel die Wechselwirkung zwischen Strahlung und der zu detektierenden Moleküle/Atome
an, so dass das Messignal verbessert und zudem eine geringe Konzentration nachgewiesen
wird. Somit wird die Effektivität des Fluidkonzentrationsmesssensors erhöht,
da die Messgenauigkeit zunimmt und der Messbereich insbesondere in Richtung geringer
Konzentration erweitert wird.
Die Geometrie der mindestens einen in der einen Querschnittsansicht
einen eine spiralartige Kurve beschreibenden Bereich aufweisenden Reflektionsfläche
ermöglicht erfindungsgemäß bereits eine geringe Selbstabsorption
der von der mindestens einen Strahlungsquelle emittierten Strahlung durch die mindestens
eine Strahlungsquelle. Sie kann dahingehend weiter optimiert werden, dass die Strahlengänge
bei einer Reflektion an der mindestens einen Reflektionsfläche zumindest nahezu
vollständig an der mindestens einen Strahlungsquelle vorbeigeführt
werden, was eine Selbstabsorption weiter verringert oder gar verhindert.
Die Anzahl der Windungen der in der einen Querschnittsansicht im wesentlichen
spiralartigen Kurve ist beliebig und kann auch nicht-ganze Windungszahlen aufweisen.
Als besonders effektiv auch im Hinblick auf die Abmessungen hat sich eine spiralartige
Geometrie herausgestellt, die im Wesentlichen nur eine Windung aufweist.
Weiterhin ist die Größe, Position und Ausgestaltung des
mindestens einen Messraums, der mindestens einen Strahlungsquelle und/oder des mindestens
einen Detektors frei wählbar, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen dieser
und weiterer Bauteile, Elemente und Vorrichtungen aus den Unteransprüchen ergeben.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine
Reflektionsfläche als mindestens ein kontinuierliches Reflektionsflächenelement
und/oder als eine Mehrzahl von einzelnen Reflektionsflächenelementen ausgebildet.
Bei einer kontinuierlich, bevorzugterweise einstückig ausgebildeten Reflektionsfläche
wird eine Dejustage, wie ein Verschieben oder Verdrehen mehrerer, einzelner Reflektoren
im Wesentlichen vermieden. Sofern notwendig, kann ein oder können mehrere Bereiche
– unabhängig ob dieser Bereich oder diese Bereich die im wesentlichen
spiralartige Kurve beschreiben – der Reflektionsfläche beispielsweise
zur Optimierung der Reflektionswege mit zusätzlichen, einzelnen Flächenelementen
ausgebildet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens
eine Strahlungsquelle, vorzugsweise zentral, innerhalb eines von der Reflektionsfläche
umgebenen Bereichs angeordnet. Mittels einer solchen Anordnung wird beispielsweise
nahezu die gesamte von der beispielsweise mindestens einen Strahlungsquelle emittierte
Strahlung an der Reflektionsfläche reflektiert und gelangt schließlich
unter weitest gehender Vermeidung von Strahlungsverlusten zu dem mindestens einen
Detektor. Ferner ist es bei einer solchen Anordnung ohne großen Aufwand möglich,
eine Selbstabsorption durch ein optimiertes Ausbilden der erfindungsgemäßen
Reflektionsfläche zu reduzieren oder gar zu verhindern.
Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Detektor
im wesentlichen an einem nach außen auslaufenden Endbereich der Reflektionsfläche
angeordnet. Eine Anordnung mindestens eines Detektors in einem derartigen, nach
außen auslaufenden Endbereich der Reflektionsfläche erlaubt besonders
einfach eine nahezu vollständige Detektion der von der mindestens einen Strahlungsquelle
ausgehenden und an der Reflektionsfläche reflektierten Strahlung. Zudem wird
der Detektor vor der nicht-reflektierten, also der direkt von der Strahlungsquelle
emittierten Strahlung abgeschirmt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reflektionsfläche
in der einen Querschnittsansicht einen im wesentlichen mindestens zwei parallel
zueinander verlaufende Geraden beschreibenden Bereich auf. Eine solche Weiterbildung,
die sich bevorzugt an dem nach außen auslaufenden Arm einer in der Querschnittsansicht
einen eine im wesentlichen spiralartige Kurve beschreibenden Bereich aufweisenden
Reflektionsfläche anschließt oder eine solchen Arm zumindest teilweise
ersetzt oder erweitert, kann bevorzugt als ein die von der mindestens einen Strahlungsquelle
ausgehende und an der Reflektionsfläche reflektierte Strahlung leitender Bereich
dienen.
Bevorzugt ist die Erfindung derart ausgestaltet, dass der Endbereich
von dem in der einen Querschnittsansicht im wesentlichen mindestens zwei parallel
zueinander verlaufenden Geraden beschreibenden Bereich gebildet ist. Durch eine
derartige Ausbildung des Endbereichs kann die emittierte, reflektierte und teilweise
absorbierte Strahlung effektiv auf den Detektor geleitet werden. Ein an einem derartig
ausgebildeten Endbereich angeordneter Detektor ist vor der nicht-reflektierten Strahlung
effektiv abgeschirmt. So kann verhindert werden, dass zumindest ein Teil der nicht-reflektierten
Strahlung – die eine geringe Absorptionsstrecke aufweist – nicht auf
den Detektor gelangt.
Weiterhin sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mindestens
zwei Strahlungsquellen nebeneinander angeordnet. Dabei können Strahlungsquellen
mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen angeordnet werden, welche für
bestimmte, zu detektierende Fluide geeignet sind. Aber auch Strahlungsquellen mit
gleichen Wellenlängenbereichen können nebeneinander angeordnet werden,
wobei dadurch die Gesamtintensität der Strahlung erhöht wird. Besonders
bevorzugt sind die mindestens zwei Strahlungsquellen entlang einer Symmetrieachse
des Messraums bzw. der mindestens einen Reflektionsfläche nebeneinander angeordnet.
Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Detektoren
nebeneinander angeordnet. Entsprechend der verwendeten mindestens einen Strahlungsquelle
können jeweils zu den Wellenbereichen der mindestens einen Strahlungsquelle
passende Detektoren verwendet werden. Somit können Konzentrationen von unterschiedlichen
Fluiden gemessen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der
Fluidkonzentrationsmesssensor ein, vorzugsweise mehrteiliges Gehäuse auf. Damit ist
es möglich, den Fluidkonzentrationsmesssensor gegen Einwirkungen von außen
zu schützen und gleichzeitig für Wartungen beispielsweise an der mindestens
einen Strahlungsquelle oder dem mindestens einen Detektor zu öffnen und wiederzuverschließen.
Das Gehäuse besteht bevorzugt aus drei Elementen, nämlich einem Deckel-,
einem Mittel- und einem Bodenelement, so dass der Fluidkonzentrationsmesssensor
in einem kompakten Gehäuse untergebracht werden kann.
Weiterhin bevorzugt bildet gemäß einer Ausgestaltung der
Erfindung ein Teil des Gehäuses die mindestens einen Reflektionsfläche
aus und/oder umfasst die mindestens eine Reflektionsfläche. Damit kann eine
integrale Einheit zwischen dem die mindestens eine Strahlungsquelle und/oder den
mindestens einen Detektor aufweisenden Gehäuse und der mindestens einen Reflektionsfläche
ausgebildet werden, womit die Notwendigkeit einer Justage der in dem Fluidkonzentrationsmesssensor
angeordneten Bauelemente weiter verringert wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse
mindestens einen mit dem Messraum in fluiführender Verbindung stehenden Fluidein-
und/oder -auslass auf. Über den mindestens einen Ein- und/oder Auslass kann
ein Fluid in den Messraum einströmen und/oder eindiffundieren, so dass dessen
Konzentration detektiert werden kann.
Schließlich weist das Gehäuse in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung mindestens eine Aufnahmerichtung für die mindestens eine Strahlungsquelle
und/oder mindestens eine Aufnahmeeinrichtung für den mindestens einen Detektor
auf. Somit ist es möglich, die Position der mindestens einen Strahlungsquelle
und/oder des mindestens einen Detektors genau und permanent festzulegen. Zudem kann
bei Bedarf eine Auswechslung der mindestens einen Strahlungsquelle und/oder des
mindestens einen Detektors durchgeführt werden, ohne dass diese anschließend
neu ausgerichtet werden müssen.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in
ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption
keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten
Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung
der zugehörigen Zeichnung, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen
Fluidkonzentrationsmesssensors mit einem möglichen Strahlengang;
2 eine perspektivische Ansicht eines Fluidkonzentrationsmesssensors
mit abgehobenem Deckel;
3 eine perspektivische Ansicht eines Fluidkonzentrationsmesssensors
mit abgehobenem Deckel und
4 eine Draufsicht auf ein Boden-, Mittel-, und Deckelelement
eines erfindungsgemäßen Fluidkonzentrationsmesssensors.
Bei der Ausführungsform nach 1 umfasst
der Fluidkonzentrationsmesssensor 100 ein Gehäuse 120, eine
Strahlungsquellenaufnahme 132 mit einer in dieser angeordneten Strahlungsquelle
140, eine Detektoraufnahme 134 mit einem in dieser angeordneten
Detektor 180 sowie eine Reflektionsfläche 160 mit einem in
dieser Querschnittsansicht eine im Wesentlichen spiralartige Kurve beschreibenden
Bereich. Von der Reflektionsfläche sowie von dem Gehäuse eingeschlossen
ist ein Messraum 162, in welchem das zu detektierende Fluid einströmt
oder eindiffundiert. Ausgehend von der Strahlungsquelle 140, welche beispielsweise
eine Infrarot LED sein kann und welche in diesem Fall infrarote Strahlung in Form
von Kugelwellen emittiert – von denen ein beliebiger, in der Querschnittsebene
verlaufender Strahlengang 142 dargestellt ist – wird die emittierte
Strahlung mehrfach an der Reflektionsfläche 160 reflektiert. Durch
eine derartige Mehrfachreflektion wird der effektive Absorptionsweg in Bezug auf
die Abmessungen des Fluidkonzentrationsmesssensors 100 um ein Vielfaches
vergrößert. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil der emittierten
Strahlung auf ein zu detektierendes Fluidmolekül/-atom trifft und mit diesem
wechselwirkt. Ein solches Fluidmolekül/-atom kann beispielsweise ein Kohlenmonoxidmolekül
eines zu detektierenden Kohlenmonoxidgases sein. Trifft zumindest ein Teil der Strahlung
auf ein solches Molekül und wechselwirkt diese mit diesem, so wird ein bestimmter
Wellenlängenbereich der Strahlung von den zu detektierenden Atomen/Molekülen
absorbiert. Eine solche Veränderung im Wellenlängenbereich kann von dem
Detektor 180 detektiert und anschließend in ein auswertbares Signal
umgewandelt werden. Aus dem Verhältnis der von der Strahlungsquelle emittierten
Strahlung und der durch den Detektor nachweisbaren Absorption kann eine Konzentrationsmessung
von beispielsweise einem Kohlenmonoxidgas durchgeführt werden.
Durch die Verlängerung des Absorptionsweges
können auch geringe Mengen des zu messendes Fluids nachgewiesen werden. Zudem
ist die Messgenauigkeit und die Effektivität des Fluidkonzentrationsmesssensors
100 besonders hoch. Außerdem ist eine Justage bzw. Rekalibrierung
der Reflektionsflächen zueinander nicht notwendig, wenn – wie in
1 dargestellt – die Reflektionsfläche im
Wesentlichen einstückig ist. Um die Strahlung zu leiten, so dass diese möglichst
vollständig auf den mindestens einen Detektor 180 geleitet wird, ist
in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform in der dargestellten Querschnittsansicht
ein im Wesentlichen zwei parallel zueinander verlaufende Geraden beschreibender
Bereich 190 vorhanden, der sich im Wesentlichen an dem nach außen
auslaufenden Arm der Spiral anschließt. Die Detektoraufnahme 134 ist
mitsamt des Detektors 180 an den nach außen auslaufenden Endbereich
190 der Reflektionsfläche 160 angeordnet, so dass die emittierte
Strahlung nach der Reflexion an den Reflektionsflächen 160 auf den
Detektor gelangt.
Die Reflektion findet an den Reflektionsflächen 160
statt, ohne dass eine brechende Optik eingesetzt werden müsste. Damit ist es
möglich, auch den Wellenlängenbereich, der vom Glas oder anderen Materialien
absorbiert wird, analytisch zu nutzen.
Wie in der 1 dargestellt trifft der dargestellte
Strahlengang 142 nicht auf die Strahlungsquelle 140, so dass eine
Selbstabsorption weitgehend verhindert und andererseits nahezu die gesamte Strahlung
auf den Detektor geleitet werden. Eine solche Selbstabsorption kann im Wesentlichen
bereits dadurch verhindert werden, dass die Flächennormalen der Reflektionsfläche
160 nicht auf die Strahlungsquelle 140 gerichtet sind. Im einfachsten
Fall kann dies bereits durch eine bestimmte Position der Strahlungsquelle
140 erreicht werden. Weitergehende Optimierungen in diese Richtung berücksichtigen
darüber hinaus noch die Krümmung der Reflektionsfläche
160.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fluidkonzentrationsmesssensors
100. Dieser Fluidkonzentrationsmesssensor 100 ist im Wesentlichen
dreiteilig und weist ein Bodenelement 122, ein Mittelelement
124 sowie ein Deckelelement 126 auf. Das Mittelelement
124 bildet auch die Reflektionsfläche 160, die aus dem als
eine massive Platte ausgelegten Mittelelement 124 herausgearbeitet ist.
Um eine hohe Reflektivität der Reflektionsfläche 160 zu erreichen,
werden diese nach dem Herausarbeiten vorzugsweise vergütet. Als Vergütung
kommen insbesondere das Goldsputter-Verfahren oder auch ein Polieren der Oberflächen
in Betracht. Das Bodenelement 122, das Mittelelement 124 sowie
das Deckelelement 126 können miteinander verbunden werden (wie beispielsweise
mittels Verschrauben, Verkleben, etc.) und bilden zusammen das Gehäuse
120.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform
des Fluidkonzentrationsmesssensors in perspektivischer Ansicht dargestellt. Hierbei
wird das Gehäuse 120 wiederum aus einem Bodenelement 122
sowie einem Deckelement 126 und einem zwischen dem Bodenelement
122 und dem Deckelelement 126 angeordneten Mittelelement
124 gebildet. Das Mittelelement 124 besteht im Wesentlichen aus
einer bezüglich des Boden- und Deckelelements vertikal aufgestellten Fläche,
welche die Reflektionsfläche 160 bildet. Die vertikal aufgestellte
Fläche kann auf beliebige Art und Weise mit dem Bodenelement 122 bzw.
dem Deckelelement 126 verbunden werden. Ein Verschrauben oder Verkleben
bietet sich dabei an.
4 zeigt eine Draufsicht auf ein Bodenelement
122, ein Mittelelement 124 und ein Deckelelement 126.
Das Mittelelement 124 stellt wiederum die Reflektionsfläche
160 bereit, die beispielsweise aus dem Mittelelement 124 herausgearbeitet
werden kann. Bodenelement 122, Mittelelement 124 und Deckelelement
126 weisen in der bevorzugten dargestellten Ausführungsform Bohrlöcher
136 für Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben, auf, mit
welchen das Bodenelement 122, das Mittelelement 124 und das Deckelelement
126 beispielsweise zusammengeschraubt werden können. Des weiteren
kann in dem Bodenelement 122 und/oder in dem Deckelelement 126
ein Loch für einen oder mehrere Strahlungsquellen 140 vorgesehen sein.
Daneben sind im Deckelelement 126 Löcher für den Liquideinlass
128 bzw. den Liquidauslass 130 angeordnet, so dass das zu detektierende
Fluid, wie beispielsweise ein Kohlenmonoxidgas, in den Messraum einströmen
und/oder eindiffundieren kann. Dieses wechselwirkt dann mit der emittierten Strahlung,
welche anschließend detektiert wird. Auf diese Weise ist eine Fluidkonzentrationsmessung
möglich.
- 100
- Fluidkonzentrationsmesssensor
- 120
- Gehäuse
- 122
- Bodenelement
- 124
- Mittelelement
- 126
- Deckelelement
- 128
- Liquideinlass
- 130
- Liquidauslass
- 132
- Strahlungquellenaufnahme
- 134
- Detektoraufnahme
- 136
- Bohrlöcher
- 140
- Strahlungsquelle
- 142
- Strahlengang eines Strahls
- 160
- Reflektionsfläche
- 162
- Messraum
- 180
- Detektor
- 190
- auslaufender Endbereich
