DE102006036947B4

DE102006036947B4 - Spektralmeßgerät in kompakter Bauweise zur ATR-interferometrischen hochauflösenden spektralen Bestimmung von Ölarten, sowie sonstiger Flüssigkeiten, deren Metabolite und anderer Inhaltsstoffe

Info

Publication number: DE102006036947B4
Application number: DE102006036947A
Authority: DE
Inventors: Rudolf H Dittel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-08-05
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2026-08-06
Also published as: DE102006036947A1

Abstract

Spektralmeßgerät in kompakter Bauweise zur ATR-interferometrischen hochauflösenden spektralen Bestimmung von Ölarten und deren Metabolite,
wobei
der Durchgang der Meßstrahlung durch ein ATR-Element erfolgt und die Meßsubstanz direkt mit dem ATR-Element in Berührung steht oder von dieser durch eine strahlungstransparente Trennwand abgesondert ist,
gekennzeichnet durch ein Kompaktinterferometer, in das die aus dem ATR-Element austretende Messstrahlung eingeleitet und in diesem kaskadenförmig zu einem Reflektionsspiegel geleitet und von diesem ebenfalls kaskadenförmig zur Eintrittsöffnung dergestalt zurückgeleitet wird, daß durch die gegenseitige Beeinflussung der sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Strahlen sich Interferenztexturen ergeben, die mit Hilfe einer Periodizitätsanalyse zur Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens der Meßstrahlung verwendet werden.

Description

1. Bezeichnung des Gegenstands
Bei dem Gegenstand des Gebrauchsmusters handelt es sich um ein gegenüber dem Stand der Technik äußerst kompakt gebautes Gerät, mit dessen Hilfe Ölarten, und sonstige Flüssigkeiten, deren Metabolite und sonstige Inhaltsstoffe, durch Anwendung einer ATR-interferometrischen Meßmethode spektral hochauflösend bestimmt werden können.
2. Beschreibung des Gerätes
2.1 Klassifizierung des Gerätezwecks
Die Zweckbestimmung des neuartigen Meßsystems ist die unmittelbare, qualitative und quantitative, quasi zeitverzugsfreie, hochspezifische Identifizierung natürlicher und synthetischer Flüssigkeiten, sowie die Ermittlung der chemischen und physikalischen Zusammensetzung, der Inhaltsstoffe und der Konzentration durch Messung spektraler Signaturen. Die zur Anwendung gebrachte Meßmethode gehört zur Kategorie der sogenannten aktiven Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, daß das Meßobjekt, also die Flüssigkeit, mit Strahlung einer bestimmten Eigenschaftsausprägung direkt oder indirekt beaufschlagt wird und mit dem Meßobjekt in Wechselwirkung tritt. Aus den sich dabei ergebenden Änderungen der Strahleigenschaften können die charakteristischen Parameter des Meßobjekts abgeleitet werden.
Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um ein Gerät, bei dem die Meßvorrichtung mit den nachzuweisenden Substanzen und Inhaltsstoffen in Berührung gebracht wird. Unter bestimmten Voraussetzungen kann die Meßwertbestimmung auch durch eine Trennwand hindurch erfolgen. Bei dieser Anwendung muß weder das Meßverfahren noch der grundlegende Aufbau des Meßgerätes verändert werden.
Im vorliegenden Fall wird die Anwendung des Meßverfahrens und der Einsatz des Gerätes für natürliche und synthetisch hergestellte Öle dargelegt. Grundsätzlich kann dieses Meßverfahren und das Gerät in analoger Weise auch für andere Flüssigkeiten zur Anwendung gebracht werden.
2.2 Stand der Technik
Das hier behandelte neuartige Bestimmungssystem kombiniert die grundlegenden Funktionsprinzipien eines ATR-Elements (ATR = Attenuated Total Reflection, Abgeschwächte Totalreflektion) mit dem Verfahren der Fourier-Interferometrie. Durch eine geeignete technische Auslegung des Interferometers werden dabei kompakte Bauweisen des Gesamtgerätes erreicht.
Um die Nachteile – insbesondere die hohen Leistungsverluste – zu vermeiden, die sich bei Reflektion von Strahlung am oder bei Transmission von Strahlung durch das Meßobjekt ergeben, wird beim vorliegenden Gerät die Meßstrahlung mit Hilfe eines ATR-Elements mit dem Meßobjekt in Wechselwirkung gebracht. Durch die für das ATR-Element charakteristische Totalreflektion tritt dabei kein Energieverlust beim Durchgang der Strahlung durch das Meßobjekt auf. Es werden lediglich die auf Anregung der Substanzmoleküle beruhenden wellenlängen- und stoffspezifischen Anteile (im Evaneszentfeld der Strahlung) absorbiert. Aus den dergestalt teilweise oder vollständig absorbierten Wellenlängenanteilen kann auf die Art der Flüssigkeit (also z. B. der Öle und Ölgemische), deren Zusammensetzung, deren Inhaltsstoffe und deren Konzentration geschlossen werden.
Durch Verwendung eines ATR-Elements wird die Strahlung mit dem Meßobjekt intensiv in Berührung gebracht kommt, es tritt keine Abschwächung der Strahlenintensität ein und folglich wird damit die Bereitstellung eines leistungsstarken Meßsignals sichergestellt.
Ein signifikanter Vorteil dieser Meßstrahlführung durch ein ATR-Element besteht darin, daß es selbst bei starker Hintergrundabsorption der Meßstrahlung (z. B. durch Inhaltsstoffe oder Verschmutzung der Ölsubstanz) zu keiner Minderung oder Verfälschung des Meßsignals kommt. Dies bedeutet, daß störende Komponenten aus der Meßprobe vor Durchführung der Messung – wie bei anderen strahlenspektroskopischen Messungen üblich – nicht entfernt werden müssen. Liegen hohe Rußanteile vor, dann ist auch die ansonsten erforderliche Verdünnung der Meßsubstanz, zum Beispiel mit Frischöl, zur Minderung der Konzentration ebenfalls nicht notwendig. Grundsätzlich können damit die Ölproben unmittelbar und direkt für die Analyse verwendet werden, ohne daß hierzu irgendwelche Aufbereitungen der Probensubstanz vorgenommen werden müssen.
Durch die Verwendung des ATR-Elements können die spektroskopischen Eigenschaften über den gesamten Wellenlängenbereich hinweg oder in einem Ausschnitt davon untersucht werden. Damit wird jedoch nicht gleichzeitig die für die Charakterisierung der Meßsubstanz und der Inhaltsstoffen erforderliche hohe spektrale Auflösung einzelner spektraler Energiebänder erreicht.
Zur Steigerung des spektralen Auflösungsvermögens über den gesamten Wellenlängenbereich oder einen Teilbereich davon wird die aus dem ATR-Element austretende Strahlung in einer neuartigen Vorrichtung in Anlehnung an die Funktionsweise eines Michelson-Interferometers verwendet.
In seiner herkömmlichen Ausführung besteht dieser Interferenzgenerator aus einem Strahlteiler und zwei Reflektionsspiegeln, von denen der dem Strahlungssensor gegenüber liegende Spiegel transversal beweglich ist. Durch diese Anordnung und die Bewegung eines Spiegels ergeben sich periodische Interferenzmuster, aus denen mit Hilfe einer Fourieranalyse die Energieanteile durch die einzelnen Wellenlängen ermittelt werden.
Das spektrale Auflösungsvermögen ist dabei durch die (doppelte) Weglänge der Strahlung zwischen Strahlteiler und dem beweglichen Spiegel beeinflußt. Diese Gesetzmäßigkeit erfordert zur Erreichung einer hohen spektralen Auflösung größere Bewegungslängen des beweglichen Spiegels und fährt damit zu erheblichen Baulängen des Interferenzgenerators.
Im vorliegenden Fall wird eine technische Ausführung des Interferometers zur Erreichung hoher spektraler Auflösung verwendet, die durch Mehrfachumlenkung und Teilauskopplung des Strahlengangs baulich sehr kompakt ausgeführt ist und mit deren Hilfe die mit den bisher üblichen Auslegungen erreichten höchsten spektralen Auflösungen bei vergleichbaren Baugrößen noch übertroffen werden.
Durch Kombination des ATR-Elements mit dem kompakten Interferometer wird eine weitgehend störungsfreie hochauflösende Messung spektraler Signaturen von Ölen und deren Metabolite und sonstigen Inhaltsstoffen ohne besondere Vorbereitung der Meßprobe ermöglicht. Damit erweist sich das Meßverfahren als besonders geeignet für einen direkten Einsatz an Maschinen während des Betriebes. Der einfache Aufbau macht die Meßapparatur zudem auch unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen sowie Temperatur- und Druckvariationen.
Folgende, den Stand der Technik wiedergebende Entgegenhaltungen kommen dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung am nächsten:
Patent DE 40 38 354 C2
ATR:
Es wird eine Silberhalogenid-Lichtleitfaser mit ATR-Eigenschaften verwendet. Eine Steigerung des ATR-Effekts erfolgt durch Verlängerung des Lichtweges infolge Wicklung und Faltung der Lichtleitfaser. Dadurch wird jedoch keine Erhöhung der radiometrischen Auflösungsvermögens erreicht.
Interferometrie:
Nach Anspruch 14 ist die ATR-Meßsonde dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines Infrarotspektrometers, insbesondere für die FTIR-Spektrometrie ist. Der Aufbau des FTIR-Spektrometers wird nicht spezifiziert, insbesondere wird nicht dargelegt, nach welchem Verfahren und mit welchem Gerätekonzept die interferometrischen Effekte erzielt werden.
Patent US 5 889 683 A
ATR:
Die Verwendung eines ATR-Elements wird nur in Zusammenhang mit einem Messbeispiel (Spalte 9; „Application of the Present Invention...") zur Erfassung des IR-Spektrums erwähnt, nicht aber als wesentlicher Teil des Gerätes erklärt.
Interferometrie:
Es wird das FTIR-Verfahren nur als ein mögliches Verfahren der Spektrenauswertung erwähnt (Spalte 10; „This method can be employed..."). Es wird nicht dargelegt, auf welche Art der interferometrische Effekt erzielt wird.
Patentanmeldung DE 102 14 781 A1
ATR:
Es wird mindestens ein ATR-Element verwendet.
Interferometrie:
Das aufgenommene Interferogramm wird mit Hilfe einer FTIR-Methode ausgewertet. Zur Art der Erzeugung des Interferogramms und zur Auslegung des entsprechenden Gerätes werden keine Angaben gemacht. Insbesondere wird kein Hinweis gegeben, dass die Strahlführung in der Einheit zur Erzeugung des Interferenzmusters zur Erreichung eines geringen Bauvolumens kaskadenförmig erfolgt und die Weglänge der Strahlengänge im Interferometergerät zwischen zwei Extremwerten kontinuierlich einstellbar ist.
Patent DE 195 02 134 C2
ATR:
Es wird mindestens ein ATR-Element verwendet. Die Messvorrichtung ist dergestalt aufgebaut, dass sie sich nur zur Vermessung von Proben in festem Aggregatzustand eignet.
Interferometrie:
Das aufgenommene Interferogramm wird mit Hilfe einer FTIR-Methode ausgewertet. Zur Art der Erzeugung des Interferogramms und zur Auslegung des entsprechenden Gerätes werden keine Angaben gemacht. Nach Darstellung in 1 handelt es sich dabei um ein Interferometer in einer nichtkompakten Bauweise; insbesondere erfolgt die Strahlenführung zur Erreichung eines geringen Bauvolumens nicht kaskadenförmig.
Patent DE 199 49 953 C2
ATR:
Es wird nicht das ATR-Element an sich, sondern eine Messzelle/Haltevorrichtung zur Aufnahme eines ATR-Elements dargelegt.
Interferometrie:
Die Verwendung eines Interferometers wird nur angedeutet. Insbesondere wird nicht dargelegt, nach welchem Verfahren und mit welcher Gerätekonfiguration die interferometrischen Effekte erzielt werden.
Patent US 5 338 935 A
ATR:
Es wird nicht das ATR-Element an sich, sondern eine Messzelle/Haltevorrichtung zur Aufnahme eines ATR-Elements dargelegt.
Interferometrie:
Die Verwendung eines Interferometers wird nur angedeutet. Insbesondere wird nicht dargelegt, nach welchem Verfahren und mit welchem Gerät die interferometrischen Effekte erzielt werden.
Patent US 5 362 445 A
ATR:
Es wird mindestens ein ATR-Element verwendet.
Interferometrie:
Das aufgenommene Interferogramm wird mit Hilfe einer FTIR-Methode ausgewertet. Zur Art der Erzeugung des Interferogramms und zur Auslegung des entsprechenden Gerätes werden keine Angaben gemacht. Nach Darstellung in 1 handelt es sich dabei um ein Interferometer in einer nichtkompakten Bauweise; insbesondere erfolgt die Strahlenführung zur Erreichung eines geringen Bauvolumens nicht kaskadenförmig.
Patent US 5 436 454 A
ATR:
Es wird eine Lichtleitfaser mit ATR-Eigenschaften verwendet. Eine Steigerung des ATR-Effekts wird durch eine stark gekrümmte Oberfläche und damit erhöhter Häufigkeit der internen Reflektion des Strahlenganges erreicht. Daraus ergibt sich jedoch keine Erhöhung des radiometrischen Auflösungsvermögens.
Interferometrie:
Das aufgenommene Interferogramm wird mit Hilfe einer FTIR-Methode ausgewertet. Es werden kommerziell verfügbare Interferometriegeräte als geeignet angeführt. Es handelt sich dabei um ein Interferometer in einer nichtkompakten Bauweise; insbesondere erfolgt die Strahlenführung zur Erreichung eines geringen Bauvolumens nicht kaskadenförmig.
Patentanmeldung WO 2005/124300 A1
ATR.
Es wird ein ATR-Element verwendet, wobei die zu vermessende flüssige Substanz einer Ultraschallbeaufschlagung ausgesetzt wird.
Interferometrie:
Die Verwendung eines Interferometers wird nur angedeutet. Insbesondere wird nicht dargelegt, wie und mit welchem Gerät die interferometrischen Effekte erzielt werden; Insbesondere erfolgt die Strahlenführung zur Erreichung eines geringen Bauvolumens nicht kaskadenförmig.
2.3 Leistungsfähigkeit des Geräts und des Verfahrens

(dargestellt am Beispiel von Messungen an Ölen)

Bestimmung der Ölart und der Ölmischung
Grundsätzlich ist die neuartige Methode und das Gerät zur Identifizierung aller Ölarten und Ölmischungen geeignet. Die im folgenden aufgeführten Spektralbereiche sind bezüglich ihrer Verwendung sehr allgemein ausgewählt und sie beziehen sich bevorzugt auf technisch verwendete synthetische Öle. Hierzu gehören, neben anderen Verwendungen, auch Öle für

– Getriebe (auch bei Windkraftanlagen),
– Kolbenmotoren und Strömungsmaschinen,
– Transformatoren,
– Hydraulische Anlagen.
– Fahrzeug- und Motorprüfstände
– Kühlschmierstoffe.

Für die Identifizierung und Unterscheidung verschiedener Ölsorten und Ölmarken sind Messungen über größere Spektralbereiche und ein Vergleich der gemessenen mit vordem experimentell ermittelten Spektralsignaturen erforderlich.
Die unten aufgeführten Spektralbereiche und die erreichbare hohe spektrale Auflösung erlauben die Identifizierung von Zusatzstoffen und von Zerfallsprodukten des Öls. Insbesondere lassen sich die Ursachen für eine Öldegradation und für das Vorhandensein von Fremdsubstanzen ableiten.
Bestimmung von Zerfallsprodukten
Oxidation

Auftretend vor allem in Zusammenhang mit Verbrennungsvorgängen und Hochtemperaturbelastungen.
Verursacht durch hohe Temperaturen und/oder hohe Drücke in Gegenwart von Sauerstoff.
Produktklassen: Ketone, Ester, Aldehyde, Carbonate, Carboxilsäuren und weitere;
Auswirkungen: Öl nimmt hohen Säurewert an, Förderung der Korrosion von Metallen, Zunahme der Ölviskosität;
Spektralbereich: 1800 cm^–1 bis 1670 cm^–1;
Mögliche Zusatzbewertung: Oxidationsniveau des Öls, quantifiziert durch TAN-Wert (TAN = Total Acid Number);

Nitrifzierung

Auftretend vor allem in Zusammenhang mit Verbrennungsvorgängen und Hochtemperaturbelastungen.
Verursacht durch hohe Temperaturen und/oder hohe Drücke in Gegenwart von Sauerstoff und Stickstoff;
Produktklassen: NO, NO₂, N₂O₄ und weitere;
Auswirkungen: Erhöhung der Viskosität (Ölverdickung), Steigerung der Säurewerte, Annahme von firnis-, lackähnlicher Konstitution;
Spektralbereich: 1650 cm^–1 bis 1600 cm^–1;

Sulphatisierung

Verursacht durch Schwefelkomponenten im Rohöl oder in Additiven in Schmierölen;
Produktklassen: SO₂, SO₃ und weitere;
Auswirkungen: Durch Reaktion mit Wasser Bildung von organischen und anorganischen Säuren, wie z. B. H₂SO₄;
Spektralbereiche: 1180 cm^–1 bis 1120 cm^–1;

Zusatzstoffe
Additive
Additive dienen zur Verbesserung der Öleigenschaften.

Stoffklassen: Verdünner, aliphatische Substanzen, z. B. Octane, aromatische Verbindungen;
Produktklassen: durch chemische Wandlung ändern sich die chemischen Verbindungen der Additive und damit die Eigenschaften des Öls;
Spektralbereiche: Messungen über breite Spektralbereiche von etwa 650 cm^–1 bis 950 cm^–1 erforderlich zu Vergleichszwecken für die Feststellung zeitlicher Änderung der Additivbestandteile und der Additivdegradation;

Beispiel Glykol

Spektralbereiche: etwa 3000 cm^–1 bis 3200 cm^–1 und 1070 cm^–1 bis 1080 cm^–1 und 1025 cm^–1 bis 1045 cm^–1 und 870 cm^–1 bis 890 cm^–1; der Glykolanteil wird positiv/negativ bewertet;

Fremdstoffe
Wasser

Herkunft durch Kondensation, Kühlleitungsleck (Haarrisse, defekte Kopfdichtung), Wasser ist unter bestimmten Bedingungen in Öl leicht löslich und wirkt dispersiv;
Auswirkungen: Minderung der Schmier- und Kühleigenschaften des Öls;
Spektralbereiche: Wasser verursacht starke Absorption der Strahlung im nahen Infrarotbereich. Das
Vorhandensein der Absorptionsbanden von Wasser deutet auf die Minderung ölspezifischer Eigenschaften hin; breitbandige Absorptionsbanden von etwa 3000 cm^–1 bis 3800 cm^–1 und 1600 cm^–1 bis 1700 cm^–1;

Ruß

Gebildet bei hohen Temperaturen, sauerstoffarmer Verbrennung; Überprüfung der Motoreinstellung erforderlich;
Auswirkungen: Änderung der Viskosität. Rußschlammbildung;
Spektralbereiche: detektierbar durch Streuungserscheinungen der Infrarotstrahlung, keine eigentliche Absorption der Strahlung; Messung über einen breiten Wellenlängenbereich; mit zunehmender Wellenzahl der Strahlung nimmt Streueffekt zu; Spektralbereiche: > 4000 cm^–1; von etwa 2000 cm^–1 bis etwa 2500 cm^–1;

Kraftstoff
Erhöhter Kraftstoffwert erfordert Überprüfung von Vergaser und Einspritzanlage;
Bestimmung des Zustands natürlicher Öle
Mit Hilfe dieses neuartigen Geräts können auch die Zustände natürlicher Öle bestimmt werden. So bildet z. B. Olivenöl unter der Einwirkung von Wärme und Sonnenlicht Metabolite von hoher Giftigkeit. Die Ausbildung und das Vorhandensein dieser Metabolite kann durch Messung der spektralen Absorption im ultravioletten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums bestimmt werden.
3. Aufbau des Gerätes
Das Gerät (1) besteht aus folgenden Einheiten:

– einer oder mehreren Strahlenquellen;
– einer optischen Komponente zur Zerlegung der Gesamtstrahlung in diskrete Spektralbereiche;
– einer optischen Komponente zur Erzeugung einer Wechselwirkung mit der zu vermessenden Substanz;
– einer optischen Komponente zur Erhöhung der spektralen Auflösung;
– einem oder mehreren Strahlungssensoren;
– Komponenten zur Pulsung und zur Polarisierung der Strahlung.
Darüber hinaus besteht das Gerät aus
– elektronischen Komponenten zur Aufbereitung und Auswertung der erfaßten Strahlungsinformationen;
– Komponenten zur Steuerung und Überwachung der Gerätefunktionen und zur Durchführung der Meß-, Aufbereitungs- und Auswerteprozesse;

3.1 Die Strahlenquellen
Zur Erfüllung der Meßaufgabe ist es erforderlich, Strahlung über den gesamten Wellenlängenbereich vom etwa 0,25 μm (ultraviolett) bis etwa 12 μm (thermisches Infrarot) lückenlos zur Anwendung zu bringen. Zudem ist es notwendig, daß die Strahlungsdichte über den gesamten genutzten Wellenlängenbereich mit genügend hoher Energie zur Verfügung gestellt wird.
Als Strahlungsquelle für den ultravioletten und den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums werden z. B. Dioden, zur Erzeugung der Strahlung im Infrarot-Bereich von etwa 0,76 μm bis etwa 12 μm werden sogenannte Schwarzkörper-Strahler verwendet.
3.2 Selektive Verwendung der optischen Elemente
Wegen der unterschiedlichen Weisen der Strahlungswechselwirkung mit den Materialien der optischen Bauelemente werden verschiedene Elemente jeweils selektiv eingesetzt, fallweise auch unter Umgehung von nicht benötigten optischen Komponenten.
3.3 Verbindung von Strahlenquelle zum Prisma
Entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlung wird mit Hilfe optischer Elemente eine Konzentration der Strahlungsdichte und eine Anpassung des Strahlungsquerschnitts zum Zwecke der Einleitung in das Dispersionselement vorgenommen.
3.4 Das Dispersionselement
Mit Hilfe eines Dispersionselements (z. B. eines Dispersionsprismas) wird eine Aufteilung der Strahlung in ihre Spektralanteile vorgenommen zum Zwecke der selektiven Verwendung einzelner begrenzter Spektralanteile aus der Gesamtspektrum der Strahlung.
3.5 Verbindung vom Dispersionselement zum Umlenkspiegel
Auf dem Weg vom Dispersionsprisma zum Umlenkspiegel wird ein begrenzter Spektralanteil mit Hilfe einer Blendenöffnung für die Weiterleitung zu einem Umlenkspiegel selektiert und die anderen Spektralanteile ausgeblendet. Auf dem Weg von der Blendenöffnung bis zum Umlenkspiegel wird gegebenenfalls eine Strahlformung mit Hilfe eines optischen Elements vorgenommen. Diese Strahlformgebung kann auch nach Weiterleitung über den Spiegel in Richtung auf das ATR-Element erfolgen.
3.6 Umlenkspiegel
Der Umlenkspiegel dient zur Ablenkung eines selektiven Spektralanteils in Richtung auf die Eintrittsfläche des ATR-Elements. Zwischen Umlenkspiegel und ATR-Prisma kann ein optisches Element zur Strahlformgebung eingebracht sein.
3.7 Strahlpulserzeuger
Mit Hilfe eines Strahlpulserzeugers wird die Strahlkontinuität zeitweise für eine bestimmte Zeitdauer unterbrochen. Die Zeitdauer der Unterbrechung und die Zeitdauer der ungehinderten Strahlausbreitung ist variabel bestimmbar.
3.8 Vor-Polaristor
Vor Eintritt des Strahls in das ATR-Element wird dieser entweder in einer zufallspolarisierten Ausprägung belassen oder ihm ein spezifischer Polarisationsmodus aufgeprägt.
3.9 ATR-Prisma und Probenkontakt
Mit Hilfe eines ATR-Elements tritt die Strahlung mit der Meßsubstanz in Wechselwirkung. Zu diesem Zweck wird das Probenmaterial entweder direkt mit dem Prisma in Kontakt gebracht oder von diesem durch ein für die Meßstrahlung transparentes Material abgesetzt. Die Beaufschlagung der Meßprobe kann entweder einseitig als auch beidseitig entlang des ATR-Elements erfolgen.
Die nach Wechselwirkung mit der Meßprobe nicht absorbierten Strahlungsanteile treten an dem der Eintrittsfläche entgegengesetzten Ende des ATR-Elements aus.
3.10 Nach-Polarisator
Nach Verlassen des ATR-Elements tritt der Strahl in eine Vorrichtung ein, die nur Strahlanteile mit einer bestimmte Polarisationsausprägung passieren läßt.
3.11 Kompaktinterferometer
Aufbau und Funktionsweise dieser Einheit wird unter 4. beschrieben.
3.12 Strahlungsmessung durch Sensorelemente
Nach Austritt der Strahlung aus dem genannten Kompaktinterferometer und nach Durchtritt oder ohne Durchtritt durch die dazugehörenden periphären optischen Elemente wird die Strahlung einem oder mehreren Sensorelementen zugeführt und deren Intensität wellenlängenabhängig erfasst.
Die Art der verwendeten Sensorelemente wird dabei durch die Wellenlänge der Strahlung und weitere Strahlungsparameter wie Polarisation und Pulsung bestimmt. Als geeignetes Sensorelement hat sich zumindest für den Infrarotbereich die Anwendung von Thermopile-Elementen erwiesen.
4. Beschreibung des Kompaktinterferometers.
Das Kompaktinterferometer (2) besteht aus mehreren tubusartig ineinander verschachtelten beweglichen Zylindern 1, wobei eine Abschlußfläche 2 fest fixiert und die gegenüberliegende Abschlußfläche 3 transversal beweglich ist.
Der von einem externen Strahlteiler 10 abgelenkte Strahl wird durch eine Öffnung 6 auf der fixierten Zylinderseite 2 eingeleitet. Innerhalb des Zylinders befinden sich mehrere Reflektionsspiegel 4, 5, dergestalt angeordnet, dass der eintretende Strahl 7 durch einen an der beweglichen Abschlußwand 3 angebrachten Reflektionsspiegel 5 auf einen ebenfalls auf der beweglichen Abschlußwand 3 angebrachten Spiegel 5 gelenkt und von diesem in Richtung auf einen gegenüberliegend, an der fixierten Abschlußwand 2 angebrachten Spiegel 4 weitergeleitet wird.
Auf der fixierten Abschlußwand 2 befindet sich ein weiterer Spiegel 4, der den Strahl senkrecht zur bisherigen Ausrichtung ablenkt bis der Strahl auf einen weiteren an der fixierten Abschlußwand angebrachten Spiegel 4 trifft und von dort wiederum in Richtung auf die bewegliche Abschlußwand 3 weitergeleitet wird.
Diese Richtungsumkehr des Strahls durch Reflektionsspiegel an der fixierten oder der beweglichen Abschlußwand wird mehrfach wiederholt. Die letzte Richtungsänderung des Strahls an der beweglichen Abschlußwand mit Hilfe eines senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgerichteten Spiegels 8 dient dazu, den Strahl über das gleiche Spiegelsystem wieder zur Strahleintrittsöffnung 6 zurückzureflektieren. Durch diese Öffnung tritt der Strahl schließlich in Richtung auf den Strahlteiler 10 wieder aus. Der in den Zylinder eintretende und der aus dem Zylinder austretenden Strahls ist dabei so zu führen, daß sich zur Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens geeignete Interferenzerscheinungen einstellen.
Wegen der mehrfachen Richtungsänderung des Strahls zwischen den beiden Abschlußwänden wird eine Weglängenvergrößerung zwischen Strahleintritt und Strahlaustritt erreicht, die über die Weglängen bei konventionell ausgelegten Interferenzeinheiten gleicher Baulänge hinausgeht.
Durch diese technische Auslegung ergibt sich bei gleicher Baulänge eine signifikante Erhöhung der Interferenzlänge und des spektralen Auflösungsvermögens, das damit weit über das Auflösungsvermögen bei (konventioneller) Einfachreflektion und der damit erforderlichen großer Bewegungslänge des Spiegels und damit Baulänge des Interferometers hinausgeht.
Der durch die Eintrittsöffnung 6 austretende Lichtstrahl durchquert den externen Strahlteiler 10 zur weiteren Verwendung.
Eine Variante dieser Konfiguration besteht darin, den Strahl oder Strahlanteile nicht durch die Eintrittsöffnung allein, sondern durch andere Öffnungen aus der feststehenden Wand austreten (und eintreten) zu lassen. Diese Strahlen können über einen Strahlteiler mit anderen Anteilen des ursprünglichen oder bereits durch Interferenzen veränderten Strahls in Wechselwirkung treten und damit zusätzliche Interferenzerscheinungen ausbilden. Durch diese Anordnung können unterschiedliche Interferenzbereiche aus der Gesamtmenge der Interferenzausprägungen herausgelöst und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Die wesentliche Neuheit dieser Auslegung eines Interferometers besteht in der Mehrfachreflektion des Strahls innerhalb des Zylinders, dem Strahlaustritt am Ort des Strahleintritts oder aus anderen Öffnungen und der Weiterverwendung des Strahls zur Erzeugung weiterer Interferenzausprägungen dergestalt, dass bei kompakter Bauweise der Einheit gegenüber jener mit konventioneller Einfachreflektion ein wesentlich höheres spektrales Auflösungsvermögen erreicht wird.
5. Mögliche Meßmodi
Die Messungen können in zwei verschiedene Modi durchgeführt werden:

a) es wird gleichzeitig der gesamte für die Messung erforderlichen Spektralbereich zur Erreichung einer Wechselwirkung mit dem Meßobjekt verwendet;
b) es wird jeweils nur ein begrenzter schmalbandiger Spektralbereich für die Messung verwendet, jedoch durch kontinuierliche Verschiebung des Frequenzbandes der gesamte erforderliche Spektralbereich vollständig abgedeckt;

Bei beiden Modi kann der Meßstrahl kontinuierlich oder gepulst und in einer bestimmten Polarisationsart oder zufallspolarisiert wirken.
Beim Modus b) bedient man sich zur Selektion des erforderlichen Spektralausschnitts eines dispersiven optischen Elements, z. B. eines Dispersionsprismas. Beim Modus a) wird dieses Dispersionsprisma aus dem Strahlengang ausgekoppelt.
6. Auslegung des Gerätes
Der wesentliche Vorteil dieses Gerätes besteht in der quasi energieverlust- und weitgehend störungsfreien Bestimmung des Absorptionsspektrums der Meßsubstanz und gleichzeitiger Erreichung eines signifikant hohen spektralen Auflösungsvermögens bei größter Kompaktheit der Gerätebauweise.
Wegen des geringen Gerätevolumens eignet sich dieses Gerät als mobiles Meßsystem zur Unterbringung in einem Behältnis von der Größe eines Aktenkoffers. Bei einer diesbezüglichen Anwendung wird jeweils eine Ölprobe aus einer Betriebsanlage entnommen und in die Meßapparatur eingebracht. Bereits nach einem Zeitraum von einer Minute ist das Meßergebnis im Hinblick auf die Ölart, die Ölmischung, die Inhaltsstoffe und deren Konzentration verfügbar. Besondere Vor- und Aufbereitungen der Meßprobe und Zusatzuntersuchungen naßchemischer Art sind nicht erforderlich.
Die Anwendung dies Meßverfahrens erlaubt auch eine kontinuierliche Bestimmung des Ölzustandes, wenn der Strahlengang mit dem Öl einer Betriebsanlage in Wechselwirkung gebracht wird. Somit ist es möglich, den Zustand des jeweils verwendeten Öls ohne Betriebsunterbrechung festzustellen.
Neben den Komponenten zur spektroskopischen Bestimmung des Ölzustandes lassen sich noch zusätzliche Einrichtungen an das Gerät anfügen, mit deren Hilfe auch die Viskosität, die Temperatur und die Dichte des Öls bestimmt werden können.

Claims

Spektralmeßgerät in kompakter Bauweise zur ATR-interferometrischen hochauflösenden spektralen Bestimmung von Ölarten und deren Metabolite, wobei der Durchgang der Meßstrahlung durch ein ATR-Element erfolgt und die Meßsubstanz direkt mit dem ATR-Element in Berührung steht oder von dieser durch eine strahlungstransparente Trennwand abgesondert ist, gekennzeichnet durch ein Kompaktinterferometer, in das die aus dem ATR-Element austretende Messstrahlung eingeleitet und in diesem kaskadenförmig zu einem Reflektionsspiegel geleitet und von diesem ebenfalls kaskadenförmig zur Eintrittsöffnung dergestalt zurückgeleitet wird, daß durch die gegenseitige Beeinflussung der sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Strahlen sich Interferenztexturen ergeben, die mit Hilfe einer Periodizitätsanalyse zur Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens der Meßstrahlung verwendet werden.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1, und dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem ATR-Element austretende Meßstrahlung direkt oder über optische Elemente dem Kompaktinterferometer zugeführt wird, wobei die zur Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens erforderliche Interferenzlänge durch Mehrfachreflektion des Meßstrahls innerhalb des Kompaktinterferometers erreicht wird.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2, und dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Meßstrahlung die Wellenlängenbereiche vom Ultravioletten bis zum thermischen Infrarotbereich kontinuierlich abdeckt.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2 und 3, und dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge durch verschiedene Strahlenquellen erzeugt und durch gleiche oder verschiedene optische Elemente geleitet wird.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2 und 3 und 4, und dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung auf der Wegstrecke von der Strahlenquelle bis zu einem Dispersionselement durch optische Elemente so konzentriert wird, daß sie eine erhöhte Leistungsdichte pro Flächeneinheit aufweist.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2 und 3 und 4 und 5, und dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl auf der Wegstrecke von der Strahlenquelle bis zu einem Dispersionselement durch optische Elemente geometrisch so geformt ist, daß er gesamtheitlich in das Dispersionselement eingeleitet wird.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2 und 3 und 4 und 5 und 6, und dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl unter einem wellenlängenabhängigen Winkel in das Dispersionselement so eingeleitet wird, daß er wellenlängenabhängig unter minimalem Austrittswinkel dispersiv in seine Spektralanteile zerlegt aus dem Dispersionselement austritt.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2 und 3 und 4 und 5 und 6 und 7, und dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl nach Austritt aus dem Dispersionselement auf einen Reflektorspiegel auftrifft und von diesem zu einem nachfolgenden optischen Element weitergeleitet wird.
Spektralmeßgerät nach Anspruch 1 und 2 und 3 und 4 und 5 und 6 und 7 und 8, und dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl unter Umgehung des Dispersionselements ohne vorherige Zerlegung in seine spektralen Anteile direkt auf den Reflektionsspiegel geleitet und von diesem zu einem nachfolgenden optischen Element weitergeleitet wird.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektionsspiegel dergestalt schwenkbar angebracht ist, daß die reflektierte Meßstrahlung auf eine Blendenöffnung und ein weiteres optisches Element so gerichtet ist, daß entweder bei vorhergehender Verwendung des Dispersionselements nur eine Teilmenge der Wellenlängen aus dem gesamten Wellenlängenumfang der Meßstrahlung durch die Blendenöffnung in Richtung auf das nachfolgende optische Element hindurchtritt, oder bei Umgehung des Dispersionselements die Meßstrahlung in ihrem gesamten Wellenlängenumfang durch die Blendenöffnung in Richtung auf das nachfolgende optische Element hindurchtritt und weitergeleitet wird.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung durch ein Element zur Strahlunterbrechung während einer bestimmten Zeitdauer bezüglich ihrer Leistung abgeschwächt oder vollständig an ihrer Fortführung gehindert wird oder sich vollständig unbehindert fortführt.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung nach Verlassen des Elements zur Strahlunterbrechung durch einen Polarisator hindurchtritt, wobei die Strahlung zufallspolarisiert ist oder ihr ein oder mehrere Polarisationsmodi aufgeprägt werden.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung nachfolgend in das ATR-Element eintritt, dort mit der Meßsubstanz direkt oder indirekt in Wechselwirkung tritt und nach Durchlaufen des ATR-Elements aus dem ATR-Element austritt.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl durch ein Polarisationselement hindurchtritt, wobei alle Polarisationsmodi beibehalten werden oder nur ein oder mehrere ausgewählte Polarisationsmodi selektiv weitergeleitet und die anderen Polarisationsmodi an der Weiterleitung gehindert werden.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung nach Durchgang durch einen Strahlteiler auf einen feststehenden Spiegel geleitet und von diesem wieder in Richtung des Strahlteilers weitergeleitet wird, wobei ein Anteil der Meßstrahlung in das Kompaktinterferometer eingeleitet und nach Austritt aus diesem in Richtung auf den Strahlteiler weitergeleitet wird.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die im Kompaktinterferometer interferierende Strahlung nach Durchtritt bzw. Reflektion am Strahlteiler in Richtung auf einen Strahlungssensor weitergeleitet wird.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung wellenlängenabhängig bezüglich ihrer Strahlcharakteristik mit Hilfe wellenlängen- und polarisationsspezifisch reagierender Sensoren erfaßt wird.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal einer Aufbereitung zur Minderung der Signalstörungen und zur Erhöhung der Signaleindeutigkeit unterzogen wird.
Spektralmeßgerät nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, und dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung und Darstellung der Signalauswertung in digitaler Form erfolgt.