Will man die Zusammensetzung eines bestimmten Fluides ermitteln, ist es bislang notwendig, dieses Fluid in einer aufwendigen Reagenzanalyse in einem chemischen Labor zu untersuchen. Dies trifft jedoch nicht nur für die Zusammensetzung eines be- stimmten Fluides zu, sondern ebenso für seinen Zustand zur Ermittlung seiner Gebrauchsfähigkeit für einen bestimmten Zweck.

Hierbei ist es von besonderem Interesse, den Verschleißgrad von Fluiden aufgrund von Alterung und/oder Verschmutzung zu ermitteln, insbesondere wenn derartige Fluide im langfristigen Dauereinsatz einer ständigen oder wechselnden Beanspru- chung ausgesetzt werden. Derartige Beanspruchungen von Fluiden unterschiedlicher Art kommen im industriellen Einsatz, beispielsweise bei Schmier-und Kühlmitteln, e- benso vor wie bei jeglicher Art von Schmierung bei beweglichen Maschinen, insbe- sondere bei Verbrennungsmotoren, die in Automobile eingebaut werden. Auch die in derartigen Verbrennungsmotoren genutzten Kraftstoffe bzw. die Kraftstoffgemische unterliegen einem Alterungsprozeß, beispielsweise im Laufe einer Lagerung in einem zugehörigen Brennstofftank, oder weisen Verschmutzungen auf, beispielsweise auf- grund einer ungenügenden Reinigung des Brennstofftanks bei einem Sortenwechsel.

Da bislang nur aufgrund einer aufwendigen chemischen Analyse der Verschleißgrad von Motoröl festgestellt werden kann, und diese Analyse sehr teuer ist, ist es aus Si- cherheitsgründen unerläßlich, das Motoröl in regelmäßigen Abständen prophylaktisch auszuwechseln. Bislang ist ein regelmäßiges Auswechseln noch erheblich kosten- günstiger als die Reagenzanalyse des aktuellen Olzustands, selbst wenn das Motoröl noch nicht verschlissen ist. Dieses Vorgehen führt jedoch zu starken Umweltbelastun- gen aufgrund der enormen anfallenden Menge von Altöl.

Als Motoröl wird hierbei die Stoffklasse bezeichnet, die neben den Grundkomponen- ten aus Mineralöl noch Additive wie Viskositats-Index-Verbesserer (VI), Disper- gierstoffe, Verschleißinhibitoren, Antioxidantien sowie Korrosionsschutzstoffe und/oder andere Zusätze enthalten. Auch synthetische Alternativstoffe fallen unter diesen Begriff ebenso wie natürliche Ole und Fette.

Darüber hinaus besteht derzeit keine Möglichkeit den chemischen Zustand eines Kraftstoffes bzw. eines Kraftstoffgemisches auf einfache Weise vor einer Nutzung zu bestimmen bzw. während einer Nutzung zu kontrollieren insbesondere nach einer längeren Lagerung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Analysevorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Zustand des Fluides jederzeit und effektiver als bislang ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch : eine Analysevorrichtung zur optischen Untersuchung von Fluiden, insbesondere von Kraftstoffen und Schmierstoffen wie Ole oder Fette mit einem zwischen einer Licht- quelle und einem Lichtsensor angeordneten optischen Leiter, wobei der optische Lei- ter zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt steht ; sowie durch ein Analyseverfahren zur optischen Untersuchung von Fluiden, insbesondere von Kraftstoffen und Schmierstoffen wie Ölen oder Fetten, das folgende Schritte aufweist : Aussenden von Lichtstrahlen von einer Lichtquelle, Weiterleiten der ausgesandten Lichtstrahlen durch einen optischen Leiter hindurch, Aufnehmen der Lichtstrahlen von einem Lichtsensor, und Auswerten der von dem Lichtsensor erfaßten Strahlen, wobei der optische Leiter zumindest teilweise mit dem Fluid in Berührung gebracht wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Verfah- ren kann insbesondere der Verschleißgrad von Fluiden hierbei insbesondere auch von 01, Motoröl und anderen Kühl-Schmierstoffen bestimmt werden, indem die Ände- rung der optischen Eigenschaften des Fluides, insbesondere seines Absorptionsver- haltens aufgrund seiner Nutzung spektral detektiert wird. Aufgrund der möglichen Se- Aktivität und Sensitivität ist das erfindungsgemäße Verfahren den herkömmlichen Verfahren überlegen, da es reagentienfrei spektroskopisch auch während des Einsat- zes des Fluides durchgeführt werden kann.

So ist beispielsweise eine kontinuierliche Motorölkontrolle während der Fahrt möglich, so daß ein Olwechsel nur noch dann durchgeführt werden muß, wenn das Motoröl entsprechende Verschleißerscheinungen aufweist, weshalb ein zyklischer Olaus- tausch in festen Abständen entbehrlich wird.

Die Analyse der Fluide basiert auf einer Sonderform der Evaneszentfeldspektrosko- pie, der ATR (Attenuated Total Reflection)-Spektroskopie mit einem beschichteten Faserwellenleiter als möglichem Sensorprinzip. Die ATR-Spektroskopie basiert dar- auf, daß Licht in einem Lichtleiter transportiert wird, dessen äußere Oberfläche zu- mindest teilweise in Kontakt mit der Probe steht.

Der Brechungsindex im Lichtleiter (in Relation zu dem Brechungsindex in der Probe) und der Reflektionswinkel des Lichtes an der Grenzfläche müssen dabei so gewählt sein, daß Totalreflexion des Lichtes stattfindet. Bei der Totalreflexion dringt eine eva- neszente Welle in das benachbarte Medium (die Probe) ein. Eine dabei auftretende Absorption führt zu einer Schwächung der Intensität des in dem Lichtleiter transpor- tierten Lichtes. Diese Lichtschwächung kann wellenlängenabhängig ausgewertet wer- den, um aus dem Spektrum Informationen über die Zusammensetzung und den Zu- stand der Probe zu gewinnen.

Bezüglich der weiteren Einzelheiten zu ATR-Spektroskopie wird auf die WO 99/07277 verwiesen, in der das Verfahren zur Bestimmung eines Analyten in vitro im Körper ei- nes Patienten auf dem Gebiet der Medizintechnik näher beschrieben wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in bevorzugter Weise eine mit einem Polymer beschichtete ATR-Faser, durch die Infrarotstrahlung geführt wird, verwendet.

Hierbei können in diese spezielle Beschichtung der Faser die für die Beurteilung des Olzustandes charakteristischen Bestandteile des Motoröls eindiffundieren und mit der Faser in Kontakt gelangen, wohingegen restliche Olbestandteile wie Metallteile, Ruß- partikel etc. zurückgehalten werden können. Beispielsweise ist mit dem erfindungs- gemäßen Verfahren ein möglicher Wasseranteil und/oder ein möglicher Kraftstoffan- teil im Motoröl spektroskopisch zugänglich, wobei ein detektierter Wasser-und/oder Kraftstoffanteil einen wichtigen Rückschluß auf die Motorölqualität erlaubt. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung hierdurch eine besonders hohe Selekti- vität der Messung, was sich auch positiv auf ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit auswirkt.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 23.

Weitere bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unter- ansprüchen 25 bis 37 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen, beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beschichteten Faserwellenleiters, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines beispielhaften Aufbaus der erfindungsge- mäßen Analysevorrichtung, und Fig. 3 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung im Meßbetrieb.

Wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt, umfaßt eine Analysevorrichtung 1 eine Lichtquelle 2, die vorzugsweise als Infrarotstrahlungsquelle ausgebildet ist. Jedoch ist auch jeder andere Weilenlängenbereich denkbar. Vorzugsweise findet ein Glühstrahler Verwen- dung, der auf Emissionen im gewünschten Wellenlangebereich selektiert ist. Unmit- telbar davor ist ein Amplitudenmodulator 5, der auch als Chopper bezeichnet wird, angeordnet, wobei der Amplitudenmodulator 5 eine fest gewählte Frequenz, die sog.

Chopperfrequenz aufweist und eine Amplitude einer von dem Glühstrahler ausge- sandten Strahlung moduliert. Der Amplitudenmodulator 5 kann hierbei als ein Flügel- radchopper ausgeführt sein. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, die Wellenlänge der e- mittierten Strahlen über ein Bragg-Gitter zu selektieren. Hierbei kann die Selektion auch erst stattfinden, bevor die Strahlung in einen optischen Leiter 4 eindringt, auf den die Selektiervorrichtung aufgeprägt worden ist. Bevor die von dem Glühstrahler aus- gesandten Strahlen in den optischen Leiter 4 eintreten, durchlaufen sie einen Kolli- mator 6, indem sie parallelisiert werden. Sodann durchlaufen die Strahlen eine Filter- einrichtung 7. Diese kann beispielsweise als radförmige Filtereinrichtung ausgebildet sein, in der verschiedene Bandpaßfilter aufgenommen sind, die abwechselnd in den Strahlengang gesetzt werden können, um so Untersuchungen des Fluides auf unter- schiedliche Bestandteile oder Merkmale zu ermöglichen. Nach Durchlauf der Filterein- richtung 7 werden die von der Lichtquelle 2 ausgesandten Strahlen gebündelt und auf eine erste Stirnseite bzw. Faserfacette des optischen Leiters 4 fokussiert. Der opti- sche Leiter der zumindest teilweise mit dem Meßfluid 8 an seiner Außenseite in Kon- takt steht, wird von den Strahlen bis zu seiner zweiten Faserfacette durchlaufen. Die aus der zweiten Faserfacette des optischen Leiters 4 austretende Strahlung wird auf den Strahlungsempfänger, den Lichtsensor 3, abgebildet. Der Lichtsensor 3 kann als infrarotsensitiver pyroelektrischer Detektor oder als Thermopile ausgebildet sein.

Vorzugsweise wird die Analysevorrichtung 1, wie in Fig. 3 dargestellt, aufgebaut bzw. angeordnet. Die gesamte Optik und Elektronik befindet sich hierbei in einem separa- ten Gehäuse 14. Der optische Leiter 4 tritt hierbei aus dem Gehäuse aus und taucht in das zu untersuchende Fluid 8, beispielsweise ein Motoröl, zumindest teilweise ein, bevor er wieder in das Gehäuse 14 eintritt. Um evtl. mechanische Beschädigungen des optischen Leiters 4 zu vermeiden, umgibt ein Schutzzylinder oder Schutzmantel 12 den optischen Leiter 4, wobei das Fluid 8 durch in dem Schutzmantel 12 ausgebil- dete Durchtrittsöffnungen 13 in diesen eindringen kann, und mit dem optischen Leiter 4 in Berührung gelangt.

Da davon auszugehen ist, daß das Niveau des Meßfluides 8 nicht konstant bleibt und daher nicht die gesamte Länge des optischen Leiters benetzt wird, ist der optische Leiter vorzugsweise U-förmig oder V-förmig ausgebildet, wobei an seinem gekrümm- ten bzw. angespitzten Ende ein Meßabschnitt 10 vorgesehen ist. Bei vertikaler Anord- nung der Analysevorrichtung 1 ist hierbei das Gehäuse 14 vorzugsweise am höchsten Punkt angeordnet, von dem sich der optische Leiter 4 nach unten hin erstreckt, so daß der Meßabschnitt 10 an der tiefsten Stelle der Analysevorrichtung liegt, wie in Fig.

3 gezeigt.

Die zweite Faserfacette, die das Lichtsignal bzw. die Lichtstrahlen an den Lichtsensor 3 abgeben, ist innerhalb des Gehäuses 14 in etwa auf gleicher Höhe wie die erste Fa- serfacette des optischen Leiters 4 angeordnet. Die eintreffende Strahlungsleistung wird von dem Lichtsensor 3 nachgewiesen und in ein Meßsignal umgewandelt, das von einer nachgeschalteten Meßelektronik für Modulation und Signalverarbeitung weiter verarbeitet werden kann...

Im folgenden wird anhand Fig. 1 der optische Leiter 4 näher beschrieben. Vorzugs- weise ist der optische Leiter 4 als beschichteter Phasenwellenleiter ausgebildet. Ins- besondere kann eine mit einem Polymer beschichtete ATR-Faser zum Einsatz kom- men. Die Beschichtung ist hierbei auf die zu messenden Eigenschaften des Fluides abgestimmt. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Faserwellenleiter mit einer dünnen Schicht 9 eines entsprechend ausgewählten Polymers an seiner Mantelfläche verse- hen, die von dem zu analysierenden Fluid 8 umgeben ist. Die Schichtdicke ist hierbei so zu wählen, daß das Evaneszentfeld nicht bis in dieses umgebende Fluid 8 reicht.

Andererseits soll die Schichtdicke möglichst gering gewählt werden, da nur so ein hin- reichend schneller Anreicherungsprozeß ermöglicht werden kann, bei dem das Fluid 8 durch die Beschichtung 9 bis zur ATR-Faser hindurchdiffundieren kann.

Entscheidend ist die Wahl eines geeigneten Polymers, das im Gegensatz zur bisheri- gen Wasseranalytik nur spezielle Bestandteile des zu messenden Fluides, insbeson- dere des Schmierstoffes wie eines Öls oder Fettes anreichert.

Als Polymer eignet sich hierzu insbesondere Polyurethan und/oder modifizierte Polyu- rethane, beispielsweise solche, bei denen die OH-Komponente gegen eine NH2- Komponente ausgetauscht ist. Für einen Nachweis von Abbauprodukten bei Schmier- stoffen, insbesondere acider Veränderungen eines zu untersuchenden Schmieröles, ist es vorteilhaft, wenn in die Polymerstruktur basische Komponenten eingebaut wer- den.

In der Praxis geschieht die Adaption an das zu untersuchende Fluid 8 bzw. der darin enthaltenen Analyten, die durch die Polymerschicht bis zu den Faserwellenleitern hin- durchdringen sollen, indem die Schicht gerade zusammen mit diesem Analyt gebildet wird. Beispielsweise geschieht dies durch Mischen eines Motorenöls mit den entspre- chenden Schichtbildern, insbesondere einem Manomer oder Prepolymer. Die Schichtzusammensetzung sollte derart gewählt werden, daß der Analyt wie auch das gesamte Fluid inert zu dieser Schicht ist, damit diese weder abgebaut noch sonstwie chemisch verändert wird.

Grundsätzlich kann praktisch jede Beschichtung 9 eingesetzt werden, in die eine Mat- rix mit Kavitäten und/oder Diffusionskanälen aufgebracht werden kann, die an einen zu bestimmenden Bestandteil des Fluides 8 angepaßt sind. So kann der zu untersu- chende Analyt des Fluides 8 entsprechend dessen Konzentration eingelagert bzw. bei einer niedrigen Konzentration des Analyten in dem Fluid wieder ausgelagert werden.

Das Herstellen solcher adaptierter Beschichtungen 9 kann als molekulares Prägen geschehen, wodurch sich die Beschichtung industriell kostengünstig fertigen iäßt. Der so beschriebene Aufbau einer mit Kavitäten bzw. Diffusionskanälen versehenen Be- schichtung 9 umgibt den optischen Leiter vorzugsweise nur im Bereich des Me- ßabschnittes 10, der in jedem Fall kontinuierlich von dem zu untersuchenden Fluid umgeben ist. Hierdurch wird verhindert, daß durch eine Veränderung des Niveaus des zu messenden Fluides Meßfehler durch eine Variation der Länge der Meßstrecke auftreten. Der übrige Bereich des optischen Leiters 4 außerhalb der Meßstrecke 10 ist vorzugsweise mit einem undurchdringlichen Überzug versehen. Es ist auch möglich, mehrere Meßabschnitte 10 mit unterschiedlichen molekularen Prägungen für unter- schiedliche charakteristische Bestandteile des zu untersuchenden Fluides 8 neben- einander an mehreren Meßabschnitten 10 anzuordnen. Die Beschichtung 9 ist hierbei jeweils vorzugsweise derart ausgestaltet, daß sie den jeweiligen Analyten in dem Fluid 8 möglichst hoch anreichert, wobei sie gleichzeitig für Störkomponenten wie Rußpartikel abweisend wirkt. Die Absorptionsbanden des Beschichtungsmaterials ü- berlappen. sich vorzugsweise mit denen des Fluides, z. B. Motoröl, charakteristischen möglichst wenig. Der Meßabschnitt 10 des optischen Leiters 4 ist vorzugsweise als stark gekrümmte Faser in der Form einer Spitze oder eines Bogens am tiefsten Punkt des optischen Leiters ausgebildet, was eine höhere Strahlungsauskopplung und damit eine höhere Empfindlichkeit zur Folge hat. Die spektrale Auswertung mehrerer Wel- lenlängen gewährleistet hierbei eine Referenzbildung während des Meßvorganges, wie in Fig. 1 anhand von Feldverteilungen in verschiedenen Moden 16 gezeigt ist.

Darüber hinaus ist der optische Leiter 4 vorzugsweise mit einer Heizvorrichtung 11 umgeben, wodurch der optische Leiter 4 leichter wieder gereinigt werden kann, da ei- ne Erwärmung zur Einigung der Kavitäten und Diffusionskanäle der Beschichtung 9 beiträgt. Der mechanische Aufbau der Analysevorrichtung 1 ist hierbei vorzugsweise derart, daß sich der optische Leiter 4 durch eine Steck-bzw. Schraubverbindung oder einen ähnlich geeigneten Mechanismus auswechseln läßt. Der optische Leiter 4 ist hierbei zumindest teilweise von einem Schutzzylinder bzw.-Mantel 12 umgeben, der eine mechanische Beschädigung des optischen Leiters außerhalb des Gehäuses 14 verhindert. Dieser Schutzzylinder 12 ist vorzugsweise ebenfalls mittels einer Schraub- Steck, Steck-oder anderen Verbindung mit dem optischen Leiter 4 oder dem Gehäu- se 14 abnehmbar verbunden. Die Innenwand des Schutzzylinders 12 weist vorzugs- weise eine schneckenartige Oberfläche auf, um einen Austausch des Motoröis bzw. des zu untersuchenden Fluides 8 in der Umgebung des optischen Leiters, insbeson- dere des Meßabschnittes 10, zu gewährleisten.

Aufgrund der Untersuchungsergebnisse der Analysevorrichtung ist es auch möglich, den Olstand durch Zugabe von unverbrauchtem Motoröl zu dem bereits abgenutzten Motoröl oder Meßfluid zu ermitteln. Auch ist es denkbar, daß der Meßabschnitt 10 ü- ber die gesamte Länge bzw. Höhe des optischen Leiters ausgebildet ist, so daß über eine Veränderung des benetzten Meßabschnittes 10 aufgrund eines unterschiedlichen Niveaus eine Motorölstandsmessung bzw. einen Füllstandmessung eines Kraftstoffes möglich ist. Vorzugsweise wird hierbei der optische Leiter 4 bzw. sein Meßabschnitt 10 an der tiefsten Stelle einer Ölwanne oder eines Olsumpfes bzw. eines entspre- chenden Behältnisses einer anderen Meßflüssigkeit angeordnet. Auch ist die Anord- nung an der Spitze eines Ölmeßstabes denkbar.

Hierbei kann die Verarbeitungselektronik 15 weiterhin so eingestellt werden, daß sie eine Neukalibrierung der Analysevorrichtung automatisch vornimmt, sobald sie ein Nachfüllen des Meßfluides 8 aufgrund erhöhten Niveaus oder veränderter Meßwerte feststellt.

Aufgrund der oben beschriebenen Analysevorrichtung zur optischen Untersuchung von Fluiden, insbesondere Kraftstoffen und Schmierstoffen wie Ole oder Fette ist es möglich, eine On-Line und On-Board-Analyse für Kraftstoff, Motoröl und/oder andere Schmier-und Kühlmittel in einem Fahrzeug während des Betriebes vorzunehmen. Da ein turnusmäßiger Ölwechsel aufgrund der kontinuierlichen Olzustandsmessung somit entbehrlich wird, verringern sich die Betriebskosten und die durch die Entsorgung ve- ranlaßten Umweltprobleme erheblich. Aufgrund der geringen möglichen Abmessung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sowohl ein mobiler wie auch ein stationärer Einsatz jederzeit denkbar.