DE102008058785B4

DE102008058785B4 - process microscopes

Info

Publication number: DE102008058785B4
Application number: DE102008058785.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hampel; Martin Tschofen; Frank Barthel
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: DE102008058785A1

Abstract

Prozessmikroskop zum Erfassen eines Prozessmediums mit einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, wobei – die Beleuchtungseinheit in einem ersten Wärmeleitzylinder (3) untergebracht ist, wobei der erste Wärmeleitzylinder (3) in einem ersten äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Kameraeinheit in einem zweiten Wärmeleitzylinder (3) untergebracht ist, wobei der zweite Wärmeleitzylinder (3) in einem zweiten äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Beleuchtungseinheit aus einer Lichtquelle (5) und einer Beleuchtungsoptik (6) besteht, die derart hintereinander innerhalb des ersten Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Beleuchtungsoptik (6) dem Prozessmedium zugewandt ist, und – die Kameraeinheit aus einer Kamera (10) und einer Abbildungsoptik (9) besteht, die derart hintereinander innerhalb des zweiten Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Abbildungsoptik (9) dem Prozessmedium zugewandt ist.Process microscope for detecting a process medium with a lighting unit and a camera unit, wherein - the lighting unit is housed in a first Wärmeleitzylinder (3), wherein the first Wärmeleitzylinder (3) in a first outer protective cylinder (1) is arranged, - the camera unit in a second Wärmeleitzylinder (3) is housed, wherein the second Wärmeleitzylinder (3) in a second outer protective cylinder (1) is arranged, - the lighting unit consists of a light source (5) and an illumination optical system (6), one behind the other within the first Wärmeleitzylinders ( 3) are arranged so that when operating the process microscope, the illumination optics (6) faces the process medium, and - the camera unit consists of a camera (10) and an imaging optics (9), which are arranged one behind the other within the second Wärmeleitzylinders (3) in that when operating the process microscope the imaging opt ik (9) facing the process medium.

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur optischen Visualisierung und Vermessung von mikroskopischen Vorgängen in Prozessen bei hoher Temperatur und/oder hohem Druck.The invention relates to arrangements for optical visualization and measurement of microscopic processes in processes at high temperature and / or high pressure.

In vielen Industriezweigen, wie der Chemie-, Bio-, Pharma-, Umwelt- und Energieverfahrenstechnik sind chemische und physikalische Prozesse mittels geeigneter Prozessinstrumentierung zu beobachten, zu überwachen und zu steuern. Dies trifft insbesondere auf Stoffgemischströmungen in der Chemieverfahrenstechnik, der Bioverfahrenstechnik und der Lebensmittelherstellung zu.In many branches of industry, such as chemical, biotechnology, pharmaceutical, environmental and energy process engineering, chemical and physical processes can be observed, monitored and controlled by means of suitable process instrumentation. This applies in particular to mixtures of substances in chemical process engineering, bioprocess engineering and food production.

Mikroskopie-Beobachtungssysteme sind dabei von besonderem Interesse, da sie dynamische Vorgänge auf mikroskopischen Skalen, etwa die Vitalität von Mikroben, die Ausbildung von Biofilmen oder das Wachstum von Partikeln, einer Beobachtung zugänglich machen. Aus der Literatur ist eine Vielzahl prozessmikroskopischer Systeme bekannt. Zumeist bestehen diese Lösungen aus einer einfachen Kombination einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit mit einer abbildenden Optik. Alle bekannten Lösungen können nur bei ausreichend niedrigen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden, da immer Teile des abbildenden Systems (Optiken, Kunststoffteile) bzw. Elektronikbestandteile (LED-Beleuchtung, Kamerakomponenten) Limitationen bezüglich des Drucks und hauptsächlich der Temperatur unterliegen.Microscopy observation systems are of particular interest because they make dynamic processes on microscopic scales, such as the vitality of microbes, the formation of biofilms or the growth of particles, accessible to observation. From the literature, a variety of process microscopy systems is known. In most cases, these solutions consist of a simple combination of a lighting unit and a camera unit with an imaging optics. All known solutions can be used only at sufficiently low pressures and temperatures, since always parts of the imaging system (optics, plastic parts) or electronic components (LED lighting, camera components) are subject to limitations in terms of pressure and mainly the temperature.

Systemlösungen für Prozesse mit Temperaturen oberhalb 50°C sehen daher immer eine genügende räumliche Trennung der temperaturempfindlichen Bauteile vom Prozessort vor. Dies ist aber oft ein Nachteil, da besonders die Übertragung des Bildes vom Prozessort zur Kameraeinheit über lange Distanzen mittels einer temperaturunempfindlichen Optik zu hohen Lichtverlusten im Strahlengang führt. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass aufgrund des Lichtverlustes lange Belichtungszeiten der Kamera erforderlich sind, die es nicht möglich machen, schnelle Prozesse scharf abzubilden.System solutions for processes with temperatures above 50 ° C therefore always provide a sufficient spatial separation of the temperature-sensitive components from the processor. However, this is often a disadvantage, since especially the transmission of the image from the processor to the camera unit over long distances by means of a temperature-insensitive optics leads to high light losses in the beam path. Under certain circumstances, this can lead to long exposure times of the camera due to the loss of light, which do not make it possible to focus on fast processes.

Die DE 100 16 838 A1 beschreibt eine in-situ Mikroskopvorrichtung für Reaktoren mit einem Tauchrohr, das einen Einlass zum Einlassen von Probenmaterial oder Reinigungsmittel aufweist, einem Mikroskopaußenrohr und einer außerhalb des Tauchrohrs angeordneten Kamera. Die DE 100 52 384 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ermitteln von Partikeleigenschaften in einem fluiden Medium, wobei die Vorrichtung mittels einer CCD-Kamera, einer Beleuchtungseinrichtung und eines optischen Filters zum Aufnehmen von Partikeln in einem Messvolumen ausgebildet ist. Die DE 40 32 002 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur mikroskopischen Analyse einer Kulturbrühe in einem Bioreaktor mit einer Lichtquelle, einem Mikroskop und einer Videokamera. Die DE 196 33 963 A1 betrifft eine Sonde zur optischen Erfassung fluidisierter Partikel oder Tropfen mit einer Fassung zur Befestigung an einer Kamera und einem stabförmigen Hohlkörper mit einer Lichtquelle, in dem ein Messvolumen ausgebildet ist. In „An in situ probe for on-line monitoring of cell density and viability an the basis of dark field microscopy in conjunction with image processing and supervised machine learning” (N. Wei et al., Biotechnology and bioengineering, Vol. 97, S. 1489 ff.) wird eine Vorrichtung zum Erfassen von Fermentationsprozessen mittels Dunkelfeldmikroskopie beschrieben. Die DE 29 45 241 A1 beschreibt eine kalorimetrische Sonde.The DE 100 16 838 A1 describes an in-situ microscope device for reactors with a dip tube having an inlet for introducing sample material or cleaning agent, a microscope outer tube and a camera arranged outside the dip tube. The DE 100 52 384 A1 describes a device for determining particle properties in a fluid medium, wherein the device is formed by means of a CCD camera, a lighting device and an optical filter for receiving particles in a measuring volume. The DE 40 32 002 A1 describes a device for the microscopic analysis of a culture broth in a bioreactor with a light source, a microscope and a video camera. The DE 196 33 963 A1 relates to a probe for the optical detection of fluidized particles or drops with a socket for attachment to a camera and a rod-shaped hollow body with a light source in which a measuring volume is formed. Wei et al., Biotechnology and bioengineering, Vol. 97, pp. "In situ assay for on-line monitoring of cell density and viability at the basis of dark field microscopy in conjunction with image processing and supervised machine learning" 1489 ff.) Describes a device for detecting fermentation processes by means of dark field microscopy. The DE 29 45 241 A1 describes a calorimetric probe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung für ein Prozessmikroskop anzugeben, bei dem die Kameraeinheit möglichst nah am Prozessort angeordnet ist. Dabei soll die Anordnung durch konstruktive Gestaltung in der Lage sein, die Kameraeinheit vor unzulässig hohen Temperaturen, die am Prozessort auftreten können, zu schützen und ohne gleichzeitig einen starken Wärmeentzug aus dem Prozessmedium über eine aktive Kühlung des Konstruktionsmaterials des Prozessmikroskops zu verursachen.The object of the present invention is to specify an arrangement for a process microscope, in which the camera unit is arranged as close as possible to the processing location. The arrangement should be able to protect the camera unit against impermissibly high temperatures which may occur at the processing location and without at the same time causing a great deal of heat extraction from the process medium via active cooling of the construction material of the process microscope.

Die Erfindung betrifft Prozessmikroskope gemäß den unabhängigen Ansprüchen, Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Demgemäß können insbesondere die Nachteile bekannter Lösungen durch folgende Merkmale überwunden werden:

– Beleuchtungsoptik und Kamera sind in einem einzigen bzw. in getrennten Schutzkörpern untergebracht, innerhalb derer eine Vakuumkammer für eine optimale thermische Isolation sorgt.
– Die durch die Vakuumkammer gestrahlte bzw. über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme wird von den innen liegenden Strukturen des Prozessmikroskops über eine wärmeleitende Zylinderringstruktur und einen daran angeschlossenen Kühlkörper abgeführt.

The invention relates to process microscopes according to the independent claims, embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims. Accordingly, in particular the disadvantages of known solutions can be overcome by the following features:

- Lighting optics and camera are housed in a single or in separate protective bodies, within which a vacuum chamber ensures optimum thermal insulation.
The heat radiated through the vacuum chamber or conducted via existing material connections is dissipated by the internal structures of the process microscope via a thermally conductive cylinder ring structure and a heat sink connected thereto.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Abbildungen zeigen jeweils einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen ProzessmikroskopsThe invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. The figures each show a longitudinal section of the process microscope according to the invention

1: mit getrennter Beleuchtungs- und Kameraeinheit bzw. 1 with separate lighting and camera unit or

2: mit verbundener Beleuchtungs- und Kameraeinheit. 2 : with connected lighting and camera unit.

Das Prozessmikroskop besteht aus einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, die getrennt (1) oder miteinander verbunden (2) angeordnet sein können. Vorteilhafterweise wird eine zylindrische Form für den Schutzkörper gewählt, deshalb ist im Weiteren von Schutzzylinder die Rede. Auch alle anderen inneren Komponenten, z. B. Wärmeleitzylinder, sind nicht an die zylindrische Form gebunden.The process microscope consists of a lighting unit and a camera unit, which are separated ( 1 ) or interconnected ( 2 ) can be arranged. Advantageously, a cylindrical shape is selected for the protective body, therefore, in the following of protective cylinder is mentioned. All other internal components, such. B. Wärmeleitzylinder are not bound to the cylindrical shape.

Die beiden Einheiten haben einen ähnlichen Aufbau. Sie bestehen aus einem äußeren Schutzzylinder (1), sowie einem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3), der die optoelektronischen Funktionskomponenten umhüllt. Zwischen dem äußeren Schutzzylinder (1) und dem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3) ist eine zylindrische Vakuumkammer (2) angeordnet, die eine thermische Isolation der inneren Komponenten gewährleistet. Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit sind jeweils vom Prozessmedium (12) durch Schutzfenster (7) getrennt, welche zum Beispiel aus Saphirglas bestehen können. Diese sind in geeigneter Weise, zum Beispiel durch eine Verschraubung über eine Dichtung (8) oder Verklebung oder Verschweißen oder ähnliches, mit dem äußeren Schutzzylinder (1) druckfest verbunden.The two units have a similar structure. They consist of an outer protective cylinder ( 1 ), and an internal heat conduction cylinder ( 3 ), which envelops the optoelectronic functional components. Between the outer protective cylinder ( 1 ) and the internal heat conduction cylinder ( 3 ) is a cylindrical vacuum chamber ( 2 ), which ensures thermal insulation of the internal components. Lighting unit and camera unit are each from the process medium ( 12 ) through protective windows ( 7 ), which may be made of sapphire glass, for example. These are suitably, for example, by a screwing over a seal ( 8th ) or gluing or welding or the like, with the outer protective cylinder ( 1 ) connected pressure resistant.

Innerhalb des Wärmeleitzylinders (3) sind die temperatur- und druckempfindlichen Komponenten angeordnet. Dies sind die Lichtquelle (5) mit vorgesetzter Beleuchtungsoptik (6) in der Beleuchtungseinheit sowie die Abbildungsoptik (9) und die Kamera (10) in der Kameraeinheit. Die elektrischen Kabel (11) verlassen die Beleuchtungseinheit bzw. die Kameraeinheit am prozessfernen Ende des Bauteils. Auf der dem Prozessort abgewandten Seite von Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit ist jeweils ein Kühlkörper (4) am äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet, der die durch die Vakuumkammer gestrahlte bzw. über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme vom Wärmeleitzylinder (3) an die Umgebung abführt. Die beiden Teile, Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit, des Prozessmikroskops sind einzeln in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Einschraubung in die Gefäßwand (13), in das Prozessmedium (12) eingebracht und gegenüberliegend angeordnet, so dass sich ein Beobachtungsspalt (14) im Prozessmedium (12) ergibt, in welchem das Prozessmikroskop Bilder aufzeichnen kann.Within the heat conduction cylinder ( 3 ), the temperature and pressure sensitive components are arranged. These are the light source ( 5 ) with pre-set illumination optics ( 6 ) in the illumination unit and the imaging optics ( 9 ) and the camera ( 10 ) in the camera unit. The electrical cables ( 11 ) Leave the lighting unit or the camera unit at the process remote end of the component. On the side facing away from the processor side of lighting unit and camera unit is in each case a heat sink ( 4 ) on the outer protective cylinder ( 1 ), which directs the heat radiated through the vacuum chamber or via existing material connections heat from the heat conducting cylinder ( 3 ) dissipates to the environment. The two parts, lighting unit and camera unit, the process microscope are individually in a suitable manner, for example by screwing into the vessel wall ( 13 ), into the process medium ( 12 ) and arranged opposite one another so that an observation gap ( 14 ) in the process medium ( 12 ), in which the process microscope can record images.

Für eine Variante mit verbundener Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit (2) ist der Aufbau so gewählt, dass äußerer Schutzzylinder (1), Vakuumkammer (2) und Wärmeleitzylinder (3) die Komponenten Lichtquelle (5), Beleuchtungsoptik (6), Beobachtungsspalt (14), Abbildungsoptik (9) und Kamera (10) umhüllen. Der Beobachtungsspalt (14) ist als Durchbruch durch den äußeren Schutzzylinder sowie den Wärmeleitzylinder (3) gestaltet. Das Prozessmedium (12) kann diesen Durchbruch durchdringen. Der Durchbruch ist mit Material ausgekleidet, welches als Barriere zwischen Prozessmedium (12) und dem Volumen innerhalb des äußeren Schutzzylinders (1) dient. Das elektrische Kabel (11) der Beleuchtungseinheit wird zur Kameraeinheit durch die Vakuumkammer (2) oder einen zusätzlichen Kanal geführt. Die bzw. der Wärmeleitzylinder (3) ist ebenfalls mit einem externen Kühlkörper (4) verbunden.For a variant with connected lighting unit and camera unit ( 2 ), the structure is chosen so that outer protective cylinder ( 1 ), Vacuum chamber ( 2 ) and Wärmeleitzylinder ( 3 ) the components light source ( 5 ), Illumination optics ( 6 ), Observation gap ( 14 ), Imaging optics ( 9 ) and camera ( 10 wrap). The observation gap ( 14 ) is as a breakthrough by the outer protective cylinder and the Wärmeleitzylinder ( 3 ) designed. The process medium ( 12 ) can penetrate this breakthrough. The breakthrough is lined with material that acts as a barrier between process media ( 12 ) and the volume within the outer protective cylinder ( 1 ) serves. The electric cable ( 11 ) of the lighting unit becomes the camera unit through the vacuum chamber ( 2 ) or an additional channel. The or the Wärmeleitzylinder ( 3 ) is also equipped with an external heat sink ( 4 ) connected.

Zusätzlich kann die Vakuumkammer bei beiden Varianten auch von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, die zusätzlich zum Kühlkörper (4) verwendet wird.In addition, the vacuum chamber can be traversed in both variants by a cooling liquid, which in addition to the heat sink ( 4 ) is used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: äußerer Schutzzylinderouter protection cylinder
22: Vakuumkammervacuum chamber
33: WärmeleitzylinderWärmeleitzylinder
44: Kühlkörperheatsink
55: Lichtquellelight source
66: Beleuchtungsoptikillumination optics
77: Schutzfensterproof windows
88th: Dichtungpoetry
99: Abbildungsoptikimaging optics
1010: Kameracamera
1111: elektrisches Kabelelectrical cable
1212: Prozessmediumprocess medium
1313: Gefäßwandvessel wall
1414: Beobachtungsspaltobservation gap

Claims

Process microscope for detecting a process medium with a lighting unit and a camera unit, wherein - the lighting unit in a first Wärmeleitzylinder ( 3 ), wherein the first heat-conducting cylinder ( 3 ) in a first outer protective cylinder ( 1 ) is arranged, - the camera unit in a second Wärmeleitzylinder ( 3 ), wherein the second heat-conducting cylinder ( 3 ) in a second outer protective cylinder ( 1 ), - the illumination unit from a light source ( 5 ) and an illumination optics ( 6 ), which in such a way within the first Wärmeleitzylinders ( 3 ) are arranged such that when operating the process microscope, the illumination optics ( 6 ) facing the process medium, and - the camera unit from a camera ( 10 ) and an imaging optics ( 9 ), which in such a way within the second Wärmeleitzylinders ( 3 ) are arranged such that during operation of the process microscope the imaging optics ( 9 ) facing the process medium.

Process microscope according to claim 1, characterized in that between the first outer protective cylinder ( 1 ) and the first heat conducting cylinder ( 3 ) and between the second outer protective cylinder ( 1 ) and the second Heat conduction cylinder ( 3 ) each have a vacuum chamber ( 2 ) is arranged.

Process microscope according to claim 1 or 2, characterized in that the first and the second heat-conducting cylinder ( 3 ) each with a heat sink ( 4 ) connected through the vacuum chamber ( 2 ) radiated and / or conducted via existing material compounds heat from the respective heat conducting cylinder ( 3 ) dissipates to the environment.

Process microscope according to one of claims 1 to 3, characterized in that the process microscope protective window ( 7 ) for separating the illumination and the camera unit from the process medium ( 12 ) having.

Process microscope according to claim 4, characterized in that - the first outer protective cylinder and the second outer protective cylinder each have one to turn to the process medium ( 12 ) provided end face, each with one of the protective window ( 7 ), which by means of suitable methods pressure-tight with the respective protective cylinder ( 1 ), so that penetration of the process medium ( 12 ) in the interior of the respective protective cylinder ( 1 ) is prevented.

Process microscope according to claim 2, characterized in that between the first outer protective cylinder ( 1 ) and the first heat conducting cylinder ( 3 ) and between the second outer protective cylinder ( 1 ) and the second Wärmeleitzylinder ( 3 ) space is traversed by a cooling medium.

Process microscope for detecting a process medium with a lighting unit and a camera unit, wherein - the lighting unit and the camera unit in a common Wärmeleitzylinder ( 3 ), wherein the heat conducting cylinder ( 3 ) in an outer protective cylinder ( 1 ), - the illumination unit from a light source ( 5 ) and an illumination optics ( 6 ), which in such a way within the Wärmeleitzylinders ( 3 ) are arranged such that when operating the process microscope, the illumination optics ( 6 ) facing the process medium, and - the camera unit from a camera ( 10 ) and an imaging optics ( 9 ), which in such a way within the Wärmeleitzylinders ( 3 ) are arranged such that during operation of the process microscope the imaging optics ( 9 ) facing the process medium.

Process microscope according to claim 7, characterized in that between the outer protective cylinder ( 1 ) and the heat conducting cylinder ( 3 ) a vacuum chamber ( 2 ) is arranged.

Process microscope according to claim 7 or 8, characterized in that the heat-conducting cylinder ( 3 ) with a heat sink ( 4 ) connected through the vacuum chamber ( 2 ) blasted and / or conducted over existing material compounds heat from the heat conducting cylinder ( 3 ) dissipates to the environment.

Process microscope according to one of claims 7 to 9, characterized in that the process microscope protective window ( 7 ) for separating the illumination unit and the camera unit from the process medium ( 12 ) having.

Process microscope according to claim 10, characterized in that - the outer protective cylinder ( 1 ) and the Wärmeleitzylinder ( 3 ) between the illumination optics ( 6 ) and the imaging optics ( 9 ), so that the process medium ( 12 ) within the breakthrough becomes observable, - the breakthrough is lined with material inside, which creates a pressure-tight barrier between the process medium ( 12 ) and the interior of the outer protective cylinder ( 1 ), - in the region of the aperture in each case directly in front of the illumination optics ( 6 ) and the imaging optics ( 9 ) the protective windows ( 7 ), by which the observation of the process medium ( 12 ) in the observation gap defined by the breakthrough ( 14 ), and - to the light source ( 5 ) running electrical cables ( 11 ) through the vacuum chamber ( 2 ), if referred back to claim 8, or an additional channel.

Process microscope according to claim 8, characterized in that between the protective cylinder ( 1 ) and the heat conducting cylinder ( 3 ) space is traversed by a cooling medium.