DE9001289U1

DE9001289U1 - Gas sensor

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

Description

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GR 89 G 3055 DE Siemens AktiengesellschaftGR 89 G 3055 DE Siemens Aktiengesellschaft

Gassensor 5Gas sensor 5

Die Neuerung bezieht sich auf einen faseroptischen Gassensor mit einem Lichtwellenleiter aus einer zylindrischen Faser, die zwischen einem Sender und einem Empfanger angeordnet ist und die mit einem sntmantelten Teil eine Meßstrecke üildet, die von einem Gasbehälter umgeben ist.The innovation relates to a fiber optic gas sensor with an optical waveguide made of a cylindrical fiber, which is arranged between a transmitter and a receiver and which, with a coated part, forms a measuring section that is surrounded by a gas container.

Es ist bekannt, daß die Änderung der elektrischen Eigenschaften, beispielsweise die Änderung der Dielektrizitätskonstanls; oder der elektrische Leitfähigkeit, eines Sensormaterials zurIt is known that the change in the electrical properties, for example the change in the dielectric constant; or the electrical conductivity, of a sensor material leads to Messung vor Gasen oder Dämpfe &igr; herangezogen werden kann, In einfacher Weise l_;Hßt sich di«»3r Effsk · beispielsweise mit einem G&sensor in der Form eines Kondensators zur Messung der Luftfeuchtigkeit ausnutzen. Das »■*:-;jrabt jrbierende Dielektrikum wire auf einer Metallelektrode aufgebracht. Die zweiteThe effect can be used to measure gases or vapors in a simple manner _, for example with a G sensor in the form of a capacitor to measure the humidity. The dielectric which is applied to a metal electrode. The second Elektrode des Kondensators wird in Form eines porösen, wasserdampfdurchlässigen Metallfilms auf das Dielektrikum aufgebracht, das unter der Einwirkung eines Gases seine Dielektrizitätskonstante ändert. Die entsprechende Änderung der Kapazität dient dann als Sensorsignal.The capacitor electrode is applied to the dielectric in the form of a porous, water vapor-permeable metal film, which changes its dielectric constant under the influence of a gas. The corresponding change in capacitance then serves as a sensor signal.

Lichtwellenleiter aus einer Faser sind im allgemeinen mit einer Hülle (cladding) aus Kunststoff, insbesondere einem Polymer, versehen. Diese Hülle kann gegebenenfalls noch von einem Mantel (coating) umgeben sein, der ebenfalls aus einem Kunststoff beOptical fibers made of one fiber are generally provided with a cladding made of plastic, especially a polymer. This cladding can optionally be surrounded by a coating, which is also made of plastic. steht, der unter der Handelsbezeichnung "Tefzel" bekannt ist. Damit man eine Totalreflexion der Strahlung an der Grenzfläche Kern/Mantel erhält und dadurch eine Lichtleitung im Kern ermöglicht wird, muß die Brechzahl n, der Faser größer sein als die Brechzahl n₂ der Hülle. Durch eine starke Biegung oder gegebewhich is known under the trade name "Tefzel". In order to achieve total reflection of the radiation at the core/cladding interface and thus enable light to be transmitted in the core, the refractive index n, of the fiber must be greater than the refractive index n ₂ of the cladding. By means of a strong bend or given nenfalls Wickeln einer Spule aus der Faser kann die Empfind-If necessary, winding a coil from the fiber can increase the sensitivity

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Kin 2 Koe / 21.12.1989 ...
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" =" 2 '" "'· GR"89^lG 3055 DE lichkeit des Gassensors an der Meßstrecke erhöht werden."=" 2 '""'·GR"89 ^l G 3055 DE The sensitivity of the gas sensor on the measuring section can be increased.

Die Neuerung geht aus von der Erkenntnis, daß man einen Gassensor mit hoher Empfindlichkeit erhält, wenn der Querschnitt des Lichtleiters an der Meßstrecke vermindert wird und zugleich eine Sensorschicht verwendet wird, die einen Reflektor bildet, dessen Reflexionsvermögen sich unter der Einwirkung des Gases ändert.The innovation is based on the realization that a gas sensor with high sensitivity can be obtained if the cross-section of the light guide is reduced at the measuring section and at the same time a sensor layer is used that forms a reflector, whose reflectivity changes under the influence of the gas.

Die Aufgabe wird nun gemäß der Neuerung gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Einwirkung des Gases ändert sich der Absorptionskoeffizient der Sensorschicht, die einen Reflektor bildet, dessen Reflexionsvermögen sich unter der Einwirkung von Gasen oder Dämpfen ändert. Dieser SensorThe problem is now solved according to the innovation with the characterizing features of claim 1. The effect of the gas changes the absorption coefficient of the sensor layer, which forms a reflector whose reflectivity changes under the effect of gases or vapors. This sensor ist zur quantitativen Bestimmung von Gasen, insbesondere von polaren organischen Lösungsmitteldämpfen geeignet, Photometrisch gemessen wird die Farbreaktion der Sensorschicht. Durch die Querschnittsänderung erhält man eine große Intensitätsänderung des Lichtstrahls bei gegebener Änderung der Gaskonzen-is suitable for the quantitative determination of gases, especially polar organic solvent vapors. The color reaction of the sensor layer is measured photometrically. The change in cross-section results in a large change in the intensity of the light beam for a given change in the gas concentration. tration sowie eine kurze Ansprechzeit.tration and a short response time.

Durch die an sich bekannte Krümmung des Lichtleiters an der Meßstrecke kann die Empfindlichkeit des Gassensors erhöht werden. Die Enden des Lichtleiters können vorzugsweise jeweils mit einem topfförmigen Schuh versehe/t sein, der mit dem Sender bzw. mit dem Detektor eine Baueinheit bildet.The sensitivity of the gas sensor can be increased by the known curvature of the light guide at the measuring section. The ends of the light guide can preferably each be provided with a cup-shaped shoe, which forms a structural unit with the transmitter or the detector.

Als Sensorschicht geeignet sind Phthalide, insbesondere substituierte Phthalide, vorzugsweise 3-(N-Methyl-3-indolyl)-6-Phthalides, especially substituted phthalides, preferably 3-(N-methyl-3-indolyl)-6- dimethylaft'inophthalid, sowie 3,3-Diphenylphthalide, beispielsweise 3,3-Bls(p-dimethylaminophenyl)-6-dlmethylaminophthalid, das unter der Bezeichnung Kristallviolettlacton bekannt 1st oder S-ip-DimethylaminophenyD-S-ip-methoxyphenyD-o-diTiethylaminophthalid.dimethylaminophthalide, and 3,3-diphenylphthalides, for example 3,3-bis(p-dimethylaminophenyl)-6-dimethylaminophthalide, which is known under the name crystal violet lactone or S-ip-dimethylaminophenyD-S-ip-methoxyphenyD-o-diethylaminophthalide.

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i GR'89 G 3055 DE i GR'89 G 3055 EN

Zur weiteren Erläuterung der Neuerung wird -iuf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Gassensors gemäß der Neuerung schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt eine besondere Ausführungsform des Gassensors.To further explain the innovation, reference is made to the drawing, in which Figure 1 schematically illustrates an embodiment of a fiber optic gas sensor according to the innovation. Figure 2 shows a special embodiment of the gas sensor.

In der Ausführungsform eines faseroptischen Gassensors gemäß Figur 1 ist ein Lichtleiter 2 aus einer sogenannten Stufenindexfaser vorgesehen, deren Kern und Hülle (cladding) ausIn the embodiment of a fiber optic gas sensor according to Figure 1, a light guide 2 is provided from a so-called step index fiber, the core and cladding of which are made of unterschiedlichem Material bestehen. Der Kern besteht aus einer zylindrischen, gegen Lösungsmitteldämpfe beständigen Faser mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise etwa 0,5 bis 0,7 mm, und ist mit einer Hülle 3 und gegebenenfalls noch einem Mantel 4 versehen. Der Lichtleiter 2 mit einer Länge vondifferent material. The core consists of a cylindrical fiber resistant to solvent vapors with a diameter of about 0.2 to 1 mm, preferably about 0.5 to 0.7 mm, and is provided with a sheath 3 and optionally a jacket 4. The light guide 2 with a length of beispielsweise einigen Metern verbindet einen Sender 6, der vorzugsweise eine Lumineszenzdiode LED (light emission diode) sein kann, mit einem Empfänger 8, der beispielsweise ein Halbleiter-Detektor, vorzugsweise eine Photodiode oder auch ein Phototransistor sein kann. Eine MeBstrecke 10 mit einer Länge Lfor example, several meters connects a transmitter 6, which can preferably be a luminescence diode LED (light emission diode), with a receiver 8, which can for example be a semiconductor detector, preferably a photodiode or a phototransistor. A measuring section 10 with a length L von beispielsweise etwa 2 bis 10 cm, insbesondere etwa 6 cm, wird von einem Teil des Lichtleiters 2 gebildet, der mit einer Sensorschicht 12 versehen ist, die aus einem Material mit reversibler Änderung seiner optischen Eigenschaften besteht und vorzugsweise ein Gemisch aus mindestens einem Phthalid und minof, for example, about 2 to 10 cm, in particular about 6 cm, is formed by a part of the light guide 2, which is provided with a sensor layer 12, which consists of a material with a reversible change in its optical properties and preferably a mixture of at least one phthalide and at least destens einer sauren verbindung enthalten kann, von den beiden Enden der Meßstrecke 10 ist der Durchmesser des Lichtleiters 2 von beispielsweise 0,6 mm zur Mitte M wenigstens annäherno kontinuierlich vermindert auf einen Durchmesser von beispielsweise etwa 0,2 mm. Wie in der Figur angedeutet ist, wird mit abnehat least one acidic compound, from the two ends of the measuring section 10, the diameter of the light guide 2 is, for example, 0.6 mm to the center M, at least approximately continuously reduced to a diameter of, for example, about 0.2 mm. As is indicated in the figure, with decreasing mendem Durchmesser des Lichtleiters 2 innerhalb der Meßstrecke die Zahl der Reflexionen eines Lichtstrahls IA entsprechend erhöht. Die Meßstrecke 10 ist von einem hchlzylindrischen Gehäuse 16 umgeben, das mit einer Gaszuführung 17 und einer Gasabführung 18 versehen ist.As the diameter of the light guide 2 within the measuring section increases, the number of reflections of a light beam IA increases accordingly. The measuring section 10 is surrounded by a hollow cylindrical housing 16, which is provided with a gas supply 17 and a gas outlet 18.

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" ' ' 4 ' GR 89 G 3055 DE Der Sender 6 ist mit elektrischen Anschlüssen 21 versehen und kann vorzugsweise ein gemeinsames Bauteil mit einem topfförmigen Schuh 23 bilden, das aus Kunststoff bestehen kann und auf den Mantel 4 am Ende des Lichtleiters 2 aufgeschoben ist und ^ dadurch eine gute Einkopplung der Strahlung des Senders 6 in den Lichtleiter 2 bewirkt. In gleicher Weise ist der Empfänger &thgr; mit elektrischem Anschlüssen 22 versehen und bildet ein gemeinsames Bauteil mit einem topfförmigen Schuh 24, der auf den Mantel 4 am anderen Ende des Lichtleiters 2 aufgeschoben ist." ' ' 4 ' GR 89 G 3055 DE The transmitter 6 is provided with electrical connections 21 and can preferably form a common component with a cup-shaped shoe 23, which can be made of plastic and is pushed onto the jacket 4 at the end of the light guide 2 and ^ thereby ensures good coupling of the radiation from the transmitter 6 into the light guide 2. In the same way, the receiver &thgr; is provided with electrical connections 22 and forms a common component with a cup-shaped shoe 24, which is pushed onto the jacket 4 at the other end of the light guide 2.

Das Material der Sensorschicht 12 wird so gewählt, daß sein Brechungsindex n&ldquor; kleiner ist als der Brechungsindex des Kerns des Lichtleiters 2, der vorzugsweise aus einer Glasfaser, jedoch gegebenenfalls auch aus einer Plastikfaser bestehen kann. Eine Totalreflexion des Lichtstrahls 14 an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche des Lichtleiters 2 und der Sensorsphicht 12 erhält man bei einem Einfallswinkel 0, wenn sin &thgr; = ■=— ist.The material of the sensor layer 12 is selected such that its refractive index n" is smaller than the refractive index of the core of the light guide 2, which preferably consists of a glass fiber, but can also consist of a plastic fiber if necessary. A total reflection of the light beam 14 at the interface between the surface of the light guide 2 and the sensor layer 12 is obtained at an angle of incidence 0, when sin θ = ■=- .

1 üer Lichtstrahl 14 tritt aus dem Lichtleiter 2 in einen gewissen Oberflächenbereich der inneren Oberfläche, die sogenannte effektive Schichtdicke der Sensorschicht 12, ein und wird dann zum Lichtleiter 2 reflektiert. Mit einem kleinen Einfallswinkel 0 erhält man eine große effektive Schichtdicke. Das Sensormaterial ist so gewählt, daß die Sensorschicht 12 ihr Absorptionsmaximum im Emissionsbereich des Senders 6 hat, dessen Strahlung beispielsweise eine Wellenlänge von 590 oder 630 nm haben kann. Da die Empfindlichkeit des faseroptischen Sensors mit der Zahl der Reflexionen N an der Meßstrecke 10 steigt, soll1 The light beam 14 emerges from the light guide 2 into a certain surface area of the inner surface, the so-called effective layer thickness of the sensor layer 12, and is then reflected to the light guide 2. With a small angle of incidence 0, a large effective layer thickness is obtained. The sensor material is selected so that the sensor layer 12 has its absorption maximum in the emission area of the transmitter 6, whose radiation can have a wavelength of 590 or 630 nm, for example. Since the sensitivity of the fiber optic sensor increases with the number of reflections N on the measuring section 10,

30N =30N =

D x tanQD x tanQ

darin ist L die Länge der Meßstrecke 10, die vorzugsweise etwa 5 bis 7 cm betragen kann, und D der Durchmesser des Kerns der als Lichtleiter 2 verwendeten Stufenindexfaser, der beispielsweise etwa 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise etwa 0,4 bis 0,8 mm, ins-where L is the length of the measuring section 10, which can preferably be about 5 to 7 cm, and D is the diameter of the core of the step index fiber used as the light guide 2, which is for example about 0.2 to 1 mm, preferably about 0.4 to 0.8 mm, in total.

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5 GR 89 G 3055 DE5 GR 89 G 3055 EN

besondere etwa 0,6 mm betragen kann und der bis zur Mitte M der Meßstrecke 10 auf wenigstens die Hälfte, vorzugsweise wenigstens ein Drittel, d.h. bei einem Kerndurchmesser von etwa 0,6 mm auf etwa 0,2 mm, vermindert wird. 5 In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist ein Lichtleiter 2 mit gekrümmter Meßstrecke 10 vorgesehen, die etwa einen Halbkreis bildet und in diesem Bereich mit der Sensorschicht 12 versehen ist. Eine Ausführungsform mit dieser gekrümmten Meßstrecke hat den Vorteil, daß durch die Krümmung die Empfindlichkeit des faseroptischen Sensors erhöht wird und daß außerdem Sender und Empfänger 8, denen im allgemeinen eine in der Figur nicht dargestellte gemeinsame Elektronik zugeordnet ist, nahe beieinanderliegen. in particular, it can be about 0.6 mm and is reduced to at least half, preferably at least a third, i.e. to about 0.2 mm with a core diameter of about 0.6 mm, of the measuring section 10 up to the middle M. 5 In the embodiment according to Figure 2, a light guide 2 is provided with a curved measuring section 10 which forms approximately a semicircle and is provided with the sensor layer 12 in this area. An embodiment with this curved measuring section has the advantage that the sensitivity of the fiber optic sensor is increased by the curvature and that the transmitter and receiver 8, which are generally assigned a common electronics system (not shown in the figure), are located close to one another.

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Claims

6 GR 89 G 3055 DF Protection claims

1. Fiber optic gas sensor with a light guide arranged between a transmitter and a receiver and which, with a stripped part, forms a measuring section which is surrounded by a gas container, characterized by the following features:

a) der zylindrische Lichtleiter (2) bildet mit einer Hülle (3)a) the cylindrical light guide (2) forms with a sheath (3) eine Stufenindexfaser,a step index fiber,

b) an der Meßstrecke (10) ist der Durchmesser des Lichtleiteis (2) von den beiden Enden der Meßstrecke zur Mitte (M) hin wenigstens annähernd gleichmäßig vermindert,b) on the measuring section (10), the diameter of the light guide (2) is reduced at least approximately uniformly from the two ends of the measuring section to the centre (M),

c) an der Meßstrecke (10) ist der Lichtleiter (2) mit einerc) at the measuring section (10) the light guide (2) is provided with a Sensorschicht (12) mit reversibler Änderung seiner optischen Eigenschaften beim Einwirken von Gasen versehen, die ausSensor layer (12) with reversible change of its optical properties when exposed to gases consisting of einem Gemisch aus mindestens einem Phthalid und mindestens einer sauren Verbindung besteht und die im Emissionsbereich des Senders (6) ihr Absorptionsmaximum hat (Figur 1).a mixture of at least one phthalide and at least one acidic compound and which has its absorption maximum in the emission range of the transmitter (6) (Figure 1).

2. Gassensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine gebogene Meßstrecke (10) (Figur 2).2. Gas sensor according to claim 1, characterized by a curved measuring section (10) (Figure 2).

3. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden des Lichtleiters (2) jeweils3. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the ends of the light guide (2) each mit einem topfförmigen Schuh (25, 24) versehen sind, die mit dem Sender (6) bzw. dem Empfänger (8) eine Baueinheit bilden.are provided with a pot-shaped shoe (25, 24) which form a structural unit with the transmitter (6) or the receiver (8).

4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (6) und Empfänger (8) jeweils4. Gas sensor according to claim 3, characterized in that the transmitter (6) and receiver (8) each mit einem Schuh verbunden sind.connected to a shoe.

5. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensorschicht (12) aus einem substituierten Phthalid besteht.,5. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the sensor layer (12) consists of a substituted phthalide.,

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6. Gassensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet6. Gas sensor according to claim 5, characterized

durch eine Sensorschicht (12) aus 3-(N-Methyl-3-indolyl)-6-dimethylaminophthalid.by a sensor layer (12) made of 3-(N-methyl-3-indolyl)-6-dimethylaminophthalide.

7. Gassensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Sensorschicht (12) aus einem 3,3-Diphenylphthalid.7. Gas sensor according to claim 5, characterized by a sensor layer (12) made of 3,3-diphenylphthalide.

8. Gassensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Sensorschicht (12) aus 3,3-Bis(p-dimethylaminophe8. Gas sensor according to claim 7, characterized by a sensor layer (12) made of 3,3-bis(p-dimethylaminophen nyl)-6-dimethylaminophthalid.nyl)-6-dimethylaminophthalide.

9. Gassensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Sensorschicht (12) aus 3-(p-Dimethylaminophenyl)-3-(p-methoxyphenyl)-6-ciimethylaminophthalid.9. Gas sensor according to claim 7, characterized by a sensor layer (12) made of 3-(p-dimethylaminophenyl)-3-(p-methoxyphenyl)-6-ciimethylaminophthalide.

10. Gassensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch phenolische Säuren als saure Verbindung.10. Gas sensor according to claim 1, characterized by phenolic acids as acidic compound.

11. Gas sensor according to claim 10, characterized by 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)propane.

12. Gassensor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Hydroxy-(phenyl)-bis(p-hydroxyphenyl)-methan.12. Gas sensor according to claim 10, characterized by hydroxy-(phenyl)-bis(p-hydroxyphenyl)-methane.

13. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn, zeichnet , daß das Sensormaterial der Sensorschicht (12) in eine Matrixsubstanz eingebettet ist.13. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the sensor material of the sensor layer (12) is embedded in a matrix substance.

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