DE102009008232A1 - Device and method for connecting an optical measuring device to a measuring volume - Google Patents

Device and method for connecting an optical measuring device to a measuring volume Download PDF

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Marina Dipl.-Ing. Gaastra
Thomas Dr.-Ing. Bartnitzki
Karl Prof. Nienhaus
Tobias Dipl.-Phys. Kuhlen
Peter Dr. Jander
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium strömt. Die Einrichtung weist eine Trennwand zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung vom Messvolumen und ein optisches Element für den Durchtritt optischer Strahlung auf, das eine in der Trennwand ausgebildete Öffnung verschließt. Auf einer Seite der Trennwand ist ein rohrförmiger Vorsatz derart über dem optischen Element angebracht, dass ein Licht- oder Laserstrahl von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz in das Messvolumen gelangen kann. Im rohrförmigen Vorsatz und/oder in einem Verbindungselement zwischen dem rohrförmigen Vorsatz und der Trennwand sind eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen ausgebildet, über die Umgebungsluft von außerhalb des Messvolumens in den rohrförmigen Vorsatz nachströmen kann. Die Einrichtung und das Verfahren ermöglichen auf einfache und kostengünstige Weise eine Messung mit einer optischen Messeinrichtung, bei der eine Verschmutzung des optischen Elementes durch das zu vermessende Medium verhindert wird.The present invention relates to a device and a method for connecting an optical measuring device to a measuring volume in which a medium to be measured flows. The device has a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume and an optical element for the passage of optical radiation, which closes an opening formed in the partition wall. On one side of the dividing wall, a tubular attachment is mounted over the optical element such that a light or laser beam can enter the measurement volume from an opposite side of the dividing wall through the optical element and the tubular attachment. In the tubular attachment and / or in a connecting element between the tubular attachment and the partition, one or more air access openings are formed, via which ambient air can flow from outside the measuring volume into the tubular attachment. The device and the method enable in a simple and cost-effective manner a measurement with an optical measuring device, in which contamination of the optical element is prevented by the medium to be measured.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium strömt, mit einer Trennwand zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung von dem Messvolumen, einem optischen Element für den Durchtritt optischer Strahlung, das eine in der Trennwand ausgebildete Öffnung verschließt, und einem rohrförmigen Vorsatz, der auf einer Seite der Trennwand derart vor dem optischen Element angeordnet ist, dass ein Laser- oder Lichtstrahl von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand durch das optische Element und den Vorsatz in das Messvolumen gelangen kann.The The present invention relates to a device and a method for connecting an optical measuring device to a measuring volume, in which a medium to be measured flows, with a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume, an optical element for the passage of optical radiation, which closes an opening formed in the partition wall, and a tubular attachment on one side of the Partition wall is arranged in front of the optical element such that a laser or light beam from one opposite Side of the partition by the optical element and the attachment in the measuring volume can reach.

Optische Messeinrichtungen werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt, um beispielsweise die Materialzusammensetzung oder andere Eigenschaften eines Mediums in einem Messvolumen zu vermessen. Dies kann beispielsweise mit spektroskopischen Messtechniken erfolgen. Eine beispielhafte Anwendung befasst sich mit der Online-Analyse von Staubpartikeln in der Bohrtechnik und der untertägigen Materialgewinnung mittels Walzenladern. Dabei werden Staubpartikel während des Bohr/Gewinnungsprozesses mit LIES (Laser-induzierte Breakdown Spektroskopie) analysiert und der Gehalt der Elemente in einer angesaugten Staubprobe in Echtzeit bestimmt. Die Schnittstelle zwischen der optischen Messeinrichtung und dem zu analysierenden Medium sollte eine luft- und wasserdichte Trennung gewährleisten und gleichzeitig den optischen Durchtritt der Laser- und Plasmastrahlung erlauben. Zu diesem Zweck wird die optische Messeinrichtung über eine Trennwand mit einer darin angeordneten Quarzglasscheibe von dem Messvolumen abgetrennt.optical Measuring equipment is used in many technical areas, for example, the material composition or other properties to measure a medium in a measuring volume. This can be, for example done with spectroscopic measurement techniques. An exemplary Application deals with the online analysis of dust particles in drilling technology and underground material extraction by means of shearer loaders. This dust particles are during the drilling / recovery process with LIES (laser-induced breakdown Spectroscopy) and the content of the elements in a sucked Dust sample determined in real time. The interface between the optical measuring device and the medium to be analyzed should ensure an air and watertight separation and at the same time the optical transmission of the laser and plasma radiation allow. For this purpose, the optical measuring device via a Partition wall with a quartz glass pane arranged therein Measurement volume separated.

Allerdings tritt bei der obigen Anwendung das Problem auf, dass sich die Quarzglasscheibe innerhalb kürzester Zeit durch das vorbeiströmende, zu analysierende Gas-Staub-Gemisch zusetzt und die Analyse verhindert. Eine ähnliche Problematik der Verschmutzung optischer Komponenten tritt bei zahlreichen anderen Einsatzgebieten von optischen Messeinrichtungen ebenfalls auf. Es ist daher erforderlich, geeignete Maßnahmen vorzusehen, um die Verschmutzung der optischen Komponenten während der Messung zu verhindern. Zu dem sollte gewährleistet werden, dass sich während der Messung kein Streupartikel zwischen dem Laserfokus und somit dem Messort und der optischen Komponente befindet.Indeed occurs in the above application, the problem that the quartz glass within a short time by the passing, too adds analyzing gas-dust mixture and prevents the analysis. A similar problem of contamination of optical components occurs in numerous other applications of optical measuring equipment also on. It is therefore necessary to take appropriate measures to provide for the pollution of the optical components during to prevent the measurement. To that should be guaranteed be that during the measurement no scattering particles between the laser focus and thus the measuring location and the optical Component is located.

Es sind zahlreiche Einrichtungen bekannt, die optische Komponenten durch den Einsatz von Inertgas, von speziellen Beschichtungen, mittels Flüssigkeiten oder durch Druckluft freihalten. Nachteile dieser bekannten Maßnahmen sind zusätzliche Kosten und ein höherer Aufwand durch den Einsatz von Inertgas oder Druckluft sowie ein mögliches Verkleben oder eine Veränderung der optischen Eigenschaften beim Einsatz von Flüssigkeiten. Beschichtungen können leicht abgetragen werden, wirken nicht immer zuverlässig und können die optischen Eigenschaften des Materials der optischen Komponente beeinflussen.It Many facilities are known, the optical components through the use of inert gas, special coatings, by means of Keep liquids or compressed air free. Disadvantages of this known measures are additional costs and a higher effort through the use of inert gas or Compressed air and a possible sticking or a change the optical properties when using liquids. Coatings can be easily removed, do not work always reliable and can the optical properties of the material of the optical component.

Die DE 26 50 123 A1 beschreibt einen Vorsatz zur Verminderung der Verschmutzung eines Objektives zur Strahlfokussierung durch Materialdämpfe. Der Vorsatz ist rohrförmig ausgebildet, umschließt das Objektiv auf einer Seite und weist an einer dem Objektiv gegenüberliegenden Öffnung eine Innenwand mit einem zahnförmigen Profil auf. Bei diesem Vorsatz wird ausgenutzt, dass das beim Auftreffen eines Laserstrahls verdampfende Probenmaterial ein rasch expandierendes Mikroplasma ausbildet, von dem ein Teil in den Innenraum des Vorsatzes gelangt. Dadurch wird die im Innenraum befindliche Luft komprimiert und die Ausbreitung des Plasmas gehemmt. Durch die besondere Formgebung der Öffnung wird erreicht, dass es beim Eintritt des Mikroplasmas in den Vorsatz zu einer Wirbelbildung bei gleichzeitiger Plasmaabkühlung kommt, so dass nur noch ein kleiner Anteil des verdampften Materials auf das Objektiv gelangen kann. Ein derartiger Vorsatz eignet sich jedoch nicht zum Abhalten von Staubpartikeln bei der oben genannten beispielhaften Anwendung.The DE 26 50 123 A1 describes an intent to reduce the contamination of a lens for beam focusing by material vapors. The attachment is tubular, enclosing the lens on one side and has an inner wall with a tooth-shaped profile on an opening opposite the lens. In this intent, it is exploited that the sample material evaporating on impact of a laser beam forms a rapidly expanding microplasma, of which a part passes into the interior of the attachment. As a result, the air in the interior is compressed and inhibited the spread of the plasma. Due to the special shape of the opening is achieved that it comes at the onset of microplasma in the intent to vortex formation with simultaneous plasma cooling, so that only a small proportion of the evaporated material can reach the lens. However, such a header is not suitable for holding dust particles in the above-mentioned exemplary application.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit denen ohne zusätzlichen Aufwand auch das Absetzen von Staubpartikeln auf einem optischen Element der Einrichtung verhindert und die Strecke zwischen dem optischen Element und dem Ort der Messung bzw. der Analyse im wesentlichen frei von Staub gehalten werden kann.The The object of the present invention is a device for connecting an optical measuring device to a measuring volume and an associated method, with which without additional effort and the deposition of dust particles on an optical element of the device prevents and the route between the optical element and the location of the measurement or the Analysis can be kept substantially free of dust.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Einrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The Task is with the device and the method according to the Claims 1, 2 and 9 solved. advantageous Embodiments of the device and the method are the subject the dependent claims or can be the following description and the embodiment remove.

Die vorgeschlagene Einrichtung weist eine Trennwand zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung von dem Messvolumen auf, in oder an der ein optisches Element für den Durchtritt optischer Strahlung durch die Trennwand angeordnet ist, das eine Öffnung in der Trennwand verschließt. Ein rohrförmiger Vorsatz ist derart auf einer Seite der Trennwand vor dem optischen Element angeordnet und ggf. mit dieser verbunden, dass ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz hindurch in das Messvolumen gelangen kann. Die Trennwand kann dabei beispielsweise ein geschlossenes Gehäuse für die Messeinrichtung bilden. Bei dem optischen Element kann es sich um eine Scheibe, beispielsweise um eine Quarzglasscheibe, oder auch um ein für die Messung erforderliches Element, beispielsweise eine Linse zur Fokussierung eines Laserstrahls, handeln. Das optische Element kann hierbei in die Öffnung der Trennwand eingelassen oder über der Öffnung der Trennwand aufgebracht sein. Der rohrförmige Vorsatz ist eine Komponente mit beidseitigen Öffnungen, die in der vorliegenden Patentanmeldung unterschiedliche Querschnittsformen und Größen haben können. Der rohr förmige Vorsatz kann einen kreisrunden Querschnitt wie ein herkömmliches Rohr oder auch andere Querschnittsformen, beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform, aufweisen. Insbesondere kann sich der rohrförmige Vorsatz im Querschnitt auch vom optischen Element ausgehend bis zur gegenüberliegenden Öffnung verjüngen. Das besondere Merkmal der vorgeschlagenen Einrichtung besteht darin, dass in dem rohrförmigen Vorsatz und/oder zwischen dem rohrförmigen Vorsatz und der Trennwand eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen ausgebildet sind, über die Umgebungsluft von außerhalb des Messvolumens in den rohrförmigen Vorsatz nachströmen kann.The proposed device has a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume, in or on which an optical element for the passage of optical radiation is arranged through the dividing wall, which closes an opening in the dividing wall. A pipe shaped attachment is so arranged on one side of the partition in front of the optical element and possibly connected to this, that a light beam, in particular a laser beam, can pass from an opposite side of the partition through the optical element and the tubular attachment into the measuring volume. The partition can form, for example, a closed housing for the measuring device. The optical element can be a pane, for example a quartz glass pane, or else an element required for the measurement, for example a lens for focusing a laser beam. The optical element can in this case be introduced into the opening of the dividing wall or applied over the opening of the dividing wall. The tubular attachment is a component with two-sided openings, which may have different cross-sectional shapes and sizes in the present patent application. The tubular attachment may have a circular cross section as a conventional tube or other cross-sectional shapes, for example, a rectangular cross-sectional shape. In particular, the tubular attachment can also taper in cross section from the optical element to the opposite opening. The special feature of the proposed device is that in the tubular attachment and / or between the tubular attachment and the partition one or more air access openings are formed, can flow over the ambient air from outside the measuring volume in the tubular attachment.

In einer alternativen Ausgestaltung kann die vorgeschlagene Einrichtung auch ohne Trennwand ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltung weist die Einrichtung lediglich ein optisches Element für den Durchtritt optischer Strahlung und einen rohrförmigen Vorsatz auf, der derart vor dem optischen Element angeordnet und ggf. mit diesem verbunden ist, dass ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz hindurch in das Messvolumen gelangen kann. Das optische Element kann hierbei ein offenes Ende des Vorsatzes verschließen, beispielsweise auf dieses Ende aufgeklebt oder an dieses Ende angeklemmt sein. Der rohrförmige Vorsatz sowie das optische Element können hierbei in gleicher Weise ausgebildet sein wie in der vorangehend erläuterten Ausgestaltung mit Trennwand. Auch hier besteht das besondere Merkmal der vorgeschlagenen Einrichtung darin, dass in dem rohrförmigen Vorsatz und/oder zwischen dem rohrförmigen Vorsatz und optischen Element eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen ausgebildet sind, über die Umgebungsluft, ggf. gefiltert, von außerhalb des Messvolumens in den rohrförmigen Vorsatz nachströmen kann.In an alternative embodiment, the proposed device be formed without a partition. In this embodiment the device merely an optical element for the passage optical radiation and a tubular attachment, the arranged in front of the optical element and possibly with this connected to a light beam, in particular a laser beam, through the optical element and the tubular attachment can get into the measurement volume. The optical element can hereby close an open end of the intent, for example glued to this end or clamped to this end. The tubular attachment and the optical element can be designed in the same way as in the previous explained embodiment with partition. Again, there is the special feature of the proposed device is that in the tubular attachment and / or between the tubular Attachment and optical element formed one or more air access openings are, via the ambient air, possibly filtered, from outside of the measuring volume flow into the tubular attachment can.

Für die optionale Filterung der Umgebungsluft können eine oder mehrere Filter an oder in den Luftzugangsöffnungen angeordnet sein.For the optional filtering of the ambient air can be one or a plurality of filters arranged on or in the air access openings be.

Unter der Umgebungsluft wird hierbei die Luft verstanden, die außerhalb des Messvolumens in der Umgebung des optischen Elementes vorhanden ist. Dies kann auch Reinluft sein, mit der die Umgebung des optischen Elementes, insbesondere im Bereich der Luftzugangsöffnungen, befüllt ist. Wesentlich hierbei ist lediglich, dass diese Luft alleine durch den im Vorsatz durch die Strömung des zu vermessenden Mediums hervorgerufenen Unterdruck in den Vorsatz gesaugt wird, so dass weder Druckluft noch andere Hilfsmittel zu diesem Zweck eingesetzt werden müssen.Under The ambient air is understood to mean the air outside of the measuring volume in the vicinity of the optical element is present. This can also be clean air, with which the environment of the optical Element, in particular in the area of the air access openings, is filled. Essential here is only that this Air alone by the intent in the flow of the negative pressure induced in the intent to medium to be measured is sucked, so that neither compressed air nor other aids too must be used for this purpose.

Die vorgeschlagene Einrichtung wird an zu messenden Medien eingesetzt, die im Messvolumen an der Einrichtung vorbei strömen. Durch den rohrförmigen Vorsatz vor dem optischen Element wird zum einen erreicht, dass das Medium, beispielsweise eine Luftströmung mit Staubpartikeln, nicht oder nur in einem kleinen Bereich vor dem Vorsatz zwischen dem Ort der Messung und dem optischen Element hindurch strömen kann. Der Ort der Messung ist hierbei in der Regel der Fokus des durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz in das Messvolumen gerichteten Licht- oder Laserstrahls, der vor der dem optischen Element gegenüberliegenden Öffnung des Vorsatzes liegt. Durch das an dieser Öffnung vorbeiströmende Medium wird zudem ein Unterdruck innerhalb des rohrförmigen Vorsatzes erzeugt, durch den Umgebungsluft über die eine oder mehreren Luftzugangsöffnungen angesaugt wird. Es entsteht damit eine vom optischen Element zur gegenüberliegenden Öffnung des rohrförmigen Vorsatzes gerichtete Luftströmung, die verhindert, dass Staubpartikel oder andere unerwünschte Materialien des zu vermessenden Mediums auf das optische Element gelangen. Es wird somit kein spezielles zusätzliches Medium, wie beispielsweise Druckluft, Inertgas oder eine Reinigungsflüssigkeit benötigt, um das optische Element von Verschmutzung freizuhalten. Umgebungsluft ist in nahezu allen Anwendungen vorhanden und wird durch die Ausgestaltung der Einrichtung während der Messung automatisch durch den entstehenden Unterdruck angesaugt. Dieser Unterdruck in Kombination mit der beschriebenen geometrischen Anordnung ermöglicht das Freihalten des optischen Elementes und des optischen Strahlenganges in einfacher und kostengünstiger Weise. Die optischen Eigenschaften werden dabei nicht verändert. Zudem wird der Wartungsaufwand durch den Verzicht auf zusätzliche Medien sehr gering gehalten.The proposed device is used on media to be measured, which flow past the device in the measuring volume. By the tubular attachment in front of the optical element is on the one hand, that the medium, for example, an air flow with dust particles, not or only in a small area the intent between the location of the measurement and the optical element can flow through it. The place of measurement is here in usually the focus of the through the optical element and the tubular Intent in the measurement volume directed light or laser beam, the front of the optical element opposite opening the intent lies. By flowing past this opening Medium is also a negative pressure within the tubular Intent generated by the ambient air over the one or several air inlet openings is sucked. It arises thus one from the optical element to the opposite opening directed to the tubular attachment air flow, which prevents dust particles or other unwanted Materials of the medium to be measured on the optical element reach. There is thus no special additional medium, such as compressed air, inert gas or a cleaning fluid needed to keep the optical element free from contamination. Ambient air is present in almost all applications and will by the design of the device during the measurement automatically sucked by the resulting negative pressure. This Negative pressure in combination with the described geometric arrangement allows the keeping of the optical element and the optical beam path in a simpler and more cost-effective Wise. The optical properties are not changed. In addition, the maintenance effort by waiving additional Media kept very low.

Bei dem Einsatz dieser Einrichtung muss zum einen sichergestellt werden, dass das zu vermessende Medium, beispielsweise ein Gas-Staub-Gemisch, an der dem optischen Element abgewandten Öffnung des rohrförmigen Vorsatzes vorbeiströmt, um den Unterdruck im Vorsatz zu erzeugen. Dies ist bei der in der Beschreibungseinleitung genannten Anwendung der Online-Analyse von Staubpartikeln in der Bohrtechnik in der Regel ohnehin der Fall, da das Gas-Staub-Gemisch dort über entsprechende Rohre oder Schläuche abgesaugt wird. In Fällen, in denen eine Strömung nicht von vorne herein vorliegt, wie beispielsweise bei der untertägigen Materialgewinnung, wird diese Strömung durch zusätzliche Mittel im Messvolumen erzeugt, beispielsweise durch eine Pumpe oder ein Gebläse.When using this device, on the one hand, it must be ensured that the medium to be measured, for example a gas-dust mixture, on the optical element opposite opening of the tubular attachment flows past to generate the negative pressure in the attachment. This is usually the case anyway in the application of the online analysis of dust particles in the drilling technique mentioned in the introduction, since the gas-dust mixture is extracted there via corresponding pipes or hoses. In cases in which a flow is not present from the outset, such as in the underground material extraction, this flow is generated by additional means in the measuring volume, for example by a pump or a fan.

Der rohrförmige Vorsatz kann hierbei auf die Außenseite der Trennwand aufgesetzt oder auch in die Trennwand integriert sein. In der Ausgestaltung ohne Trennwand kann das optische Element bspw. in das entsprechende offene Ende des Vorsatzes eingesetzt oder auf dieses Ende aufgebracht sein. Beim Einsatz der Einrichtung an einem durch eine Kammer oder ein Rohr strömenden Medium kann der rohrförmige Vorsatz mit seiner vom optischen Element abgewandten Öffnung durch eine Öffnung in der Wandung des Rohrs oder der Kammer eingeführt werden. Der rohrförmige Vorsatz wird dabei über seinen Umfang vorzugsweise staub- oder luftdicht mit der Kammer- oder Rohrwandung verbunden, wobei die Luftzugangsöffnungen außerhalb der Kammer oder des Rohres liegen. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Kammer oder einen Rohrabschnitt als Teil der vorliegenden Einrichtung vorzusehen, der das Messvolumen festlegt. Das zu vermessende Medium wird dann in diese Kammer bzw. diesen Rohrabschnitt eingeleitet.Of the tubular attachment can here on the outside the partition mounted or integrated into the partition. In the embodiment without a partition, the optical element can, for example. inserted into the corresponding open end of the intent or on this end be applied. When using the device on a through a chamber or a tube flowing medium can the tubular attachment with its from the optical element opposite opening through an opening in the Wall of the pipe or chamber are introduced. Of the tubular intent is doing about its scope preferably dustproof or airtight with the chamber or tube wall connected, with the air access openings outside the chamber or tube lie. Of course it is It is also possible to use a chamber or pipe section as Part of the present device to provide the measuring volume sets. The medium to be measured is then in this chamber or initiated this pipe section.

Der rohrförmige Vorsatz ist vorzugsweise konusförmig ausgebildet, wobei er sich vom optischen Element ausgehend zur gegenüberliegenden Öffnung verjüngt. Die Öffnungsdurchmesser beider Seiten des rohrförmigen Vorsatzes sind vorzugsweise an die Strahldimensionen des Licht- oder Laserstrahls angepasst, der bspw. auf eine Stelle im Abstand von bis zu 50 mm vor der Öffnung des rohrförmigen Vorsatzes in das Messvolumen fokussiert wird. Eine ähnliche Wirkung lässt sich auch mit einem rohrförmigen Vorsatz erreichen, der sich nicht verjüngt, jedoch an der dem optischen Element gegenüberliegenden Seite bis auf eine entsprechend kleine Öffnung für den Durchtritt des Licht- oder Laserstrahls geschlossen ist.Of the tubular attachment is preferably cone-shaped formed, starting from the optical element to the opposite opening rejuvenated. The opening diameter of both sides of the tubular attachment are preferably to the beam dimensions adapted to the light or laser beam, the example. On a site at a distance of up to 50 mm before the opening of the tubular Intent is focused in the measurement volume. A similar Effect can also be achieved with a tubular To achieve intent, which does not rejuvenate, but at the the optical element opposite side up a correspondingly small opening for the passage of the light or laser beam is closed.

Die vorgeschlagene Einrichtung sowie das zugehörige Verfahren eignen sich beispielsweise für die Online-Analyse von Staubpartikeln in der Bohrtechnik und der untertägigen Materialgewinnung mittels Walzenladern, wobei die Messeinrichtung vorzugsweise für die Durchführung von LIES ausgebildet ist. Diese umfasst dann unter anderem einen Laser, eine vor dem Laser angeordnete Optik zur Fokussierung des Laserstrahls auf einen Ort vor der Austrittsöffnung des rohrförmigen Vorsatzes und ein Spektrometer als Analyseeinheit zur Bestimmung der vom Plasma emittierten Spektrallinien und damit der im Medium enthaltenen Elemente.The proposed device and the associated procedure For example, they are suitable for the online analysis of dust particles in drilling technology and underground material extraction by means of shearer loaders, wherein the measuring device preferably for the implementation of LIES is formed. This includes then, inter alia, a laser, arranged in front of the laser optics for focusing the laser beam to a location in front of the outlet opening of the tubular attachment and a spectrometer as an analysis unit for determining the spectral lines emitted by the plasma and thus the elements contained in the medium.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorgeschlagene Einrichtung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The proposed device and the associated procedure be in the following with reference to an embodiment in Connection with the drawings briefly explained again. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung; und 1 a schematic representation of the operation of the proposed device; and

2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung im Querschnitt. 2 a representation of an embodiment of the device in cross section.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt stark schematisiert die Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens. In diesem Beispiel soll ein durch ein Rohr 1 strömendes Staub-Luft-Gemisch 2 vermessen werden, um die Materialzusammensetzung des Staubs zu ermitteln. Das Staub-Luft-Gemisch 2 wird hierbei über eine nicht dargestellte Pumpe in Pfeilrichtung durch das Rohr 1 gesaugt oder geblasen. Die Messung erfolgt mit einem Laserstrahl 3, der in das Messvolumen auf einen Ort 4 fokussiert wird. Hierzu ist in der Seitenwand des Rohrs 1 eine Öffnung vorgesehen, durch die die vorgeschlagene Einrichtung mit dem optischen Fenster 5 und dem aufgesetzten, in diesem Falle konusförmigen Vorsatz 6 zum Teil eingeführt wird. Durch die Fokussierung des Laserstrahls 3 wird am Messort 4 ein Plasma erzeugt, dessen emittierte Strahlung wiederum durch den konusförmigen Vorsatz 6 und das optische Fenster 5 hindurch treten und zur Analyse in ein nicht dargestelltes Spektrometer gelangen kann. 1 shows very schematically the operation of the proposed device and the associated method. In this example, a through a pipe 1 pouring dust-air mixture 2 be measured to determine the material composition of the dust. The dust-air mixture 2 This is done via a pump, not shown in the arrow direction through the pipe 1 sucked or blown. The measurement is done with a laser beam 3 in the measuring volume in one place 4 is focused. This is in the sidewall of the tube 1 provided an opening through which the proposed device with the optical window 5 and the attached, in this case conical intent 6 partly introduced. By focusing the laser beam 3 will be at the measuring location 4 generates a plasma whose emitted radiation in turn by the cone-shaped intent 6 and the optical window 5 pass through and can get into an unillustrated spectrometer for analysis.

Durch die Strömung des Staub-Luft-Gemisches 2 an dem dem optischen Fenster 5 gegenüberliegenden Ende des konusförmigen Vorsatzes 6 wird innerhalb des konusförmigen Vorsatzes 6 ein Unterdruck erzeugt, über den Umgebungsluft 7 aus der Umgebung außerhalb des Rohres 1 angesaugt wird. Dadurch ergibt sich innerhalb des konusförmigen Vorsatzes 6 ein vom optischen Fenster 5 zur Austrittsöffnung des konusförmigen Vorsatzes 6 gerichteter Luftstrom, wie dies durch die Pfeile in dem konusförmigen Vorsatz 6 in der 1 angedeutet ist.Due to the flow of the dust-air mixture 2 at the optical window 5 opposite end of the cone-shaped intent 6 becomes within the cone-shaped intent 6 creates a negative pressure, over the ambient air 7 from the environment outside the pipe 1 is sucked. This results within the cone-shaped intent 6 one from the optical window 5 to the outlet opening of the cone-shaped intent 6 directed airflow, as indicated by the arrows in the cone-shaped attachment 6 in the 1 is indicated.

Dieser Luftstrom verhindert das Eintreten von Staub in den konusförmigen Vorsatz, so dass das optische Fenster 5 nicht durch Staub zugesetzt wird. Gleichzeitig sorgt der konusförmige Vorsatz 6 dafür, dass zwischen dem Messort 4 und dem optischen Fenster 5 kein störendes Staub-Luft-Gemisch auftritt, das die Laserstrahlung sowie die zu detektierende Plasmastrahlung schwächen würde.This airflow prevents the entry of dust into the cone-shaped header, allowing the optical window 5 not added by dust. At the same time, the cone-shaped attachment ensures 6 for being between the site 4 and the opti window 5 no disturbing dust-air mixture occurs, which would weaken the laser radiation as well as the plasma radiation to be detected.

2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung im Querschnitt senkrecht zur Strömung des Staub-Luft-Gemisches. In der Figur ist das Rohr 1 zu erkennen, durch das das Staub-Luft-Gemisch strömt. Die vorliegende Einrichtung weist in diesem Fall eine Trennwand 8 auf, in der Lufteintrittskanäle 9 für den Eintritt von Umgebungsluft in den konusförmigen Vorsatz 6 ausgebildet sind. In der Trennwand 8 ist in einer entsprechenden Öffnung ein optisches Fenster 5 eingesetzt. Dies kann, wie im vorliegenden Beispiel, über entsprechende Dichtungsringe 10 und einen Halterungsring 11 erfolgen, der auf der Innenseite auf die Trennwand 8 aufgeschraubt wird. Der konusförmige Vorsatz 6 kann beispielsweise eine zum optischen Element 5 gerichtete Öffnung mit einem Durchmesser von 25 bis 30 mm sowie eine davon abgewandte, zum Messvolumen gerichtete Öffnung von 1 bis 3 mm aufweisen. Der Fokus des Laserstrahls liegt in diesem Beispiel etwa 1 bis 3 mm außerhalb dieser Öffnung. Die Länge des Vorsatzes 6 beträgt in diesem Beispiel etwa 2 bis 3 cm. 2 shows a possible embodiment of the proposed device in cross-section perpendicular to the flow of the dust-air mixture. In the figure is the tube 1 to recognize, through which the dust-air mixture flows. The present device in this case has a partition wall 8th on, in the air intake ducts 9 for the entry of ambient air into the cone-shaped intent 6 are formed. In the partition 8th is an optical window in a corresponding opening 5 used. This can, as in the present example, via corresponding sealing rings 10 and a retaining ring 11 take place on the inside on the dividing wall 8th is screwed on. The cone-shaped intent 6 For example, it can be an optical element 5 directed opening with a diameter of 25 to 30 mm and one facing away from the measuring volume directed opening of 1 to 3 mm. The focus of the laser beam is in this example about 1 to 3 mm outside this opening. The length of the intent 6 is in this example about 2 to 3 cm.

Im vorliegenden Beispiel ist das Rohr 1, das beispielsweise auch ein flexibler Schlauch sein kann, über einen Abschnitt seiner Länge, in dem die Messung stattfinden soll, in die Einrichtung eingespannt. Hierzu ist eine Klemmeinrichtung 13 vorgesehen, die über entsprechende Spannmittel 12 mit der Trennwand 8 verbunden ist, wie dies aus 2 ersichtlich ist. Es versteht sich von selbst, dass der äußere Umfang des konusförmigen Vorsatzes 6 so in der Öffnung des Rohrs 1 eingesetzt ist, dass eine vorzugsweise staubdichte Verbindung gewährleistet ist.In the present example, the tube is 1 which, for example, can also be a flexible hose, is clamped into the device over a portion of its length in which the measurement is to take place. For this purpose, a clamping device 13 provided, which has corresponding clamping means 12 with the partition 8th connected like this 2 is apparent. It goes without saying that the outer circumference of the cone-shaped intent 6 so in the opening of the pipe 1 is used, that a preferably dustproof connection is ensured.

11
Rohrpipe
22
Staub-Luft-Gemisch bzw. Staub-Gas-GemischDust-air mixture or dust-gas mixture
33
Laserstrahl bzw. Lichtstrahllaser beam or light beam
44
MessortMeasuring location
55
optisches Fensteroptical window
66
konusförmiger Vorsatzconical intent
77
Umgebungsluftambient air
88th
Trennwandpartition wall
99
LuftzuführungskanäleAir supply ducts
1010
Dichtungsringeseals
1111
Halterungsringretaining ring
1212
Spannmittelclamping means
1313
Klemmeinrichtungclamper

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Claims (10)

Einrichtung zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium (2) strömt, mit – einer Trennwand (8) zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung von dem Messvolumen, – einem optischen Element (5) für den Durchtritt optischer Strahlung, das eine in der Trennwand (9) ausgebildete Öffnung verschließt, und – einem rohrförmigen Vorsatz (6), der auf einer Seite der Trennwand (8) derart vor dem optischen Element (5) angeordnet ist, dass ein Laser- oder Lichtstrahl (3) von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand (8) durch das optische Element (5) und den Vorsatz (6) in das Messvolumen gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorsatz (6) und/oder zwischen dem Vorsatz (6) und der Trennwand (8) eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen (9) ausgebildet sind, über die Umgebungsluft (7) von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmen kann.Device for connecting an optical measuring device to a measuring volume in which a medium to be measured ( 2 ), with - a partition wall ( 8th ) for separating the optical measuring device from the measuring volume, - an optical element ( 5 ) for the passage of optical radiation, the one in the partition ( 9 ) formed opening closes, and - a tubular intent ( 6 ) located on one side of the partition ( 8th ) in front of the optical element ( 5 ) is arranged that a laser or light beam ( 3 ) from an opposite side of the partition ( 8th ) through the optical element ( 5 ) and the intent ( 6 ) can get into the measuring volume, characterized in that in the intent ( 6 ) and / or between the intent ( 6 ) and the partition ( 8th ) one or more air access openings ( 9 ) are formed, via the ambient air ( 7 ) from outside the measurement volume into the intent ( 6 ) can flow. Einrichtung zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium (2) strömt, mit – einem optischen Element (5) für den Durchtritt optischer Strahlung und – einem rohrförmigen Vorsatz (6), der derart vor dem optischen Element (5) angeordnet ist, dass ein Laser- oder Lichtstrahl (3) durch das optische Element (5) und den Vorsatz (6) in das Messvolumen gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorsatz (6) und/oder zwischen dem Vorsatz (6) und dem optischen Element (5) eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen (9) ausgebildet sind, über die Umgebungsluft (7) von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmen kann.Device for connecting an optical measuring device to a measuring volume in which a medium to be measured ( 2 ) flows, with - an optical element ( 5 ) for the passage of optical radiation and - a tubular attachment ( 6 ), which in such a way before the optical element ( 5 ) is arranged that a laser or light beam ( 3 ) through the optical element ( 5 ) and the intent ( 6 ) can get into the measuring volume, characterized in that in the intent ( 6 ) and / or between the intent ( 6 ) and the optical element ( 5 ) one or more air access openings ( 9 ) are formed, via the ambient air ( 7 ) from outside the measurement volume into the intent ( 6 ) can flow. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein offenes Ende des rohrförmigen Vorsatzes (6) verschließt.Device according to Claim 2, characterized in that the optical element has an open end of the tubular attachment ( 6 ) closes. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorsatz (6) von dem optischen Element (8) ausgehend konusförmig verjüngt.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the intent ( 6 ) of the optical element ( 8th ) tapered conically starting. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) ein Fenster ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optical element ( 5 ) is a window. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der einen oder den mehreren Luftzugangsöffnungen (9) ein Filter zur Filterung der Umgebungsluft angeordnet ist, die von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmt.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that on or in the one or more air access openings ( 9 ) a filter for filtering the ambient air is arranged, which from outside the measuring volume in the intent ( 6 ) flows. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strömung des Mediums am Messvolumen oder an oder in einer Zu- oder Ableitung für das Messvolumen angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a device for generating a Flow of the medium at the measuring volume or at or in one Inlet or outlet for the measuring volume is arranged. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatz (6) durch eine Öffnung in einer das Messvolumen zumindest teilweise umschließenden Begrenzungswand ragt und mit dieser vorzugsweise staub- oder luftdicht verbunden ist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the intent ( 6 ) protrudes through an opening in the boundary wall at least partially surrounding the measuring volume and is preferably connected to this dust or airtight. Verfahren zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Vorsatz (6) derart durch eine Öffnung in einer das Messvolumen zumindest teilweise umschließenden Begrenzungswand eingeführt und mit dieser vorzugsweise staub- oder luftdicht verbunden wird, dass über die Luftzugangsöffnung(en) (9) noch Umgebungsluft (7) von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmen kann.Method for connecting an optical measuring device to a measuring volume with a device according to one of claims 1 to 6, in which the intent ( 6 ) is introduced through an opening in a boundary wall which encloses the measurement volume at least partially and is preferably connected to it in such a way as to be dust-tight or air-tight, via the air access opening (s) (FIG. 9 ) still ambient air ( 7 ) from outside the measurement volume into the intent ( 6 ) can flow. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Strömung des zu messenden Mediums (2) erzeugt wird, die einen Unterdruck in dem Vorsatz (6) hervorruft.Method according to Claim 9, in which a flow of the medium to be measured ( 2 ) generating a negative pressure in the header ( 6 ).
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