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Die
Erfindung betrifft Messkopfanordnungen faseroptischer Sonden für
die diffuse Reflektion zur optischen Analyse von flüssigen
oder festen Medien, letztere insbesondere auch im pulverförmigen
Zustand, bei der die Medien mit einem Teil der Fasern eines Bündels
bestrahlt werden, während die anderen Fasern einen Teil
der vom Medium diffus reflektierten Strahlung empfangen und einer
spektralen Analyse zuführen. Dafür wird das im
Bereich des Messkopfes zusammengefasste Bündel in geeigneter
Weise in ein Bestrahlungs- und ein Empfangsbündel geteilt.
Betrachtet wird dabei vorzugsweise der sogenannte Quarz Spektralbereich
von 0,19 μm bis 2,5 μm Wellenlänge, weil
in der Regel Quarz/Quarz Fasern eingesetzt werden.
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Derartige
Sonden sind bekannt. Man unterscheidet Sonden für die diffuse
Reflektion ohne und mit Linsenvorsatz. Ohne Linsenvorsatz sollte
der Arbeitsabstand vergleichbar mit dem Durchmesser des Faserbündels
sein, wobei das Bündel häufig, mit einem Schutzfenster
versehen, direkt in das zu diagnostizierende Medium getaucht wird.
Mit Linsenvorsatz erreicht man, dass sich das Medium in hinreichend
großer Entfernung von der Linse befinden kann.
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In
der Regel wird das relative Remissionsvermögen des Mediums
r(λ) gegen einen nicht absorbierenden Standard, wie MgO
oder Bariumsulfat, ermittelt. Das Referenzsignal R(λ) trägt
die Wellenlängenabhängigkeit des Analysegerätes
und der Fasern, so dass über eine Quotientenbildung nur
die dem Signal S(λ) durch das Medium aufgeprägte spektrale
Abhängigkeit erhalten wird. Es gilt r(λ) = S(λ)/R(λ).
Häufig erfolgt die Darstellung in log(1/r(λ)) als
scheinbare Extinktion oder Absorbanz.
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In
den Sonden für die diffuse Reflektion werden entweder homogene
Faserbündel, die aus einer Vielzahl gleicher Einzelfasern
bestehen, oder inhomogen Faserbündel eingesetzt. Inhomogen
Faserbündel haben in der Regel eine 1 + X Anordnung, d. h.
um eine dickere Faser, die vorzugsweise dem Empfang dient, ist ein
Kranz kleinerer Bestrahlungsfasern angeordnet. Im Grenzfall handelt
es sich um eine 1 + 6 Anordnung gleich großer Fasern. Im
homogenen Faserbündel haben die Einzelfasern in der Regel
geringe Kerndurchmesser (100 μm und kleiner). Selten werden
Fasern mit 200 μm Kerndurchmesser eingesetzt. Die Bestrahlungs-
und Empfangsfasern sind dabei über die geschliffen und
polierte Stirnfläche des homogenen Bündels statistisch
gemischt verteilt.
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In
der Druckschrift
US 5166756 wird
eine Sonde mit homogenem Faserbündel ohne Vorsatzoptik
beschrieben. Derartige Bündel benötigen einen gewissen
Abstand zum zu diagnostizierenden Medium, damit eine Überlappung
der Abstrahlkegel von Bestrahlungs- und Empfangsfasern vorliegt.
Vorteilhafterweise löst man dies mit einem ohnehin häufig notwendigen
Schutzfenster. Im konkreten Fall wird dafür ein Saphirstab
eingesetzt, dessen eine Seite senkrecht zur Stabachse angeordnet
und über Immersionsöl an die Stirnfläche
des Faserbündels gekoppelt ist. Die dem Medium zugewandte
Seite ist zur optischen Achse geneigt, um zu vermeiden, dass reguläre
(spiegelnde) Reflektionen an den optischen Flächen in den
Empfangskanal gelangen, was ansonsten die Absorbanz deutlich reduzieren
würde. Man setzt dicke Faserbündel und damit auch
dicke Empfangsbündel ein. Dafür benötigt
man Spektrometer mit entsprechend großflächigen
Einzelempfängern, wie etwa FT-NIR Spektrometer oder Schwenkgitter
Spektrometer. Kompakte, äußerst prozesstaugliche,
schnelle und vor allem auch kostengünstige Diodenarray
Spektrometer sind dafür wegen der vorhandenen Pixeldimensionen
schlecht geeignet.
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Will
man mit einer Vorsatzoptik große Entfernungen zum zu diagnostizierenden
Medium realisieren, so muss man dafür eine deutliche Reduzierung des
Signals in Kauf nehmen. Infolgedessen integriert man häufig
die Lichtquelle in den Messkopf und realisiert nur den Empfang faseroptisch.
Das führt auch geometrisch zu einer deutlichen Trennung
von Bestrahlungs- und Empfangskanal, was, da man für eine Überlappung
beider Kanäle im Diagnostikbereich sorgen muss, zu einer
deutlichen Abstandsabhängigkeit der Messanordnung führt,
die wirksam nur im räumlich eng begrenzten Überlappungsbereich ist.
Beispielhaft seien dafür die Druckschriften
DE 198 57 896 C1 ,
DE 102 33 375 A1 und
DE 10 2006 018287
B4 genannt.
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DE 198 57 896 C1 beschreibt
ein Verfahren für spektroskopische Messungen an Materialschüttungen
auf Förderbändern. Die Lichtquellen werden mit
Linsen kollimiert. Spezielle mechanische Vorrichtungen sorgen für
eine hinreichende Ebenheit des Schüttgutes. In der Druckschrift
DE 102 33 375 A1 werden
die Lichtquellen durch elliptische Konkavspiegel oder elliptische
Zylinderspiegel auf das Medium abgebildet. Der Arbeitsabstand ist
durch die Halbachsen der Ellipse festgelegt. Die Empfangskanäle
werden über Umlenkspiegel aus der Bestrahlung ausgekoppelt,
was die Bestrahlungsstärke reduziert. Deshalb wurden in
der
DE 10 2006
018 287 B4 , in der ebenfalls ein elliptischer Zylinderspiegel
Verwendung findet, die Empfangskanäle so angeordnet, dass
die optischen Achsen der Empfangskanäle in der Symmetrieebene
der Bestrahlung liegen.
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In
den zitierten Druckschriften wird bei homogener Ausleuchtung durch
geeignete Maßnahmen, insbesondere durch die Trennung von
Bestrahlungs- und Empfangskanal, die direkte Rückkopplung
der Bestrahlung in den Empfangskanal weitestgehend unterdrückt.
Was bleibt, ist anzumerken, dass die relative Remission sowohl durch
den Streukoeffizienten als auch durch den Absorptionskoeffizienten
des zu diagnostizierenden Mediums, z. B. ein pulverförmiges
Medium, definiert wird. Mit abnehmender Korngröße
nimmt der Streukoeffizient zu und damit die Eindringtiefe in das
Pulver ab. In dem für das Medium charakteristischen Spektralbereich
nimmt die relative Remission zu und die Absorbanz ab, was die Diagnostikmöglichkeiten
einschränkt.
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Die
direkte Integration der Lichtquelle bedingt, neben den genannten
Nachteilen, einen vergleichsweise sehr voluminösen Aufbau
des Messkopfes. Will man unter extremen Bedingungen arbeiten, etwa
bei hohen Temperaturen oder in explosionsgefärdeter Umgebung,
und ist der zur Verfügung stehende Platz für die
Sonde klein oder das Medium schwer zugänglich, setzt man
vorteilhafterweise rein faseroptisch gekoppelte, kompakte Messköpfe
ein.
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In
der Druckschrift
US 5818996 wir
ein homogenes Faserbündel, vergleichbar dem in
US 5166756 , mit Vorsatzoptik
betrachtet, mit dem Ziel, das Faserbündel möglichst
weit von einem bei hoher Temperatur befindlichen Medium entfernt
anzuordnen. Das Bündel besteht aus Bestrahlungs- und Empfangsfasern,
die im Verhältnis 1:1 statistisch gemischt sind. Es werden
Plankonvexlinsen verwendet. Ohne explizit genannt zu sein, kann
man aus den Zeichnungen ableiten, dass die Plankonvexlinsen aus
Saphir oder einem ähnlich hoch brechenden Material bestehen,
was zu starken Reflektionsverlusten an den optischen Flächen
führt. Abgesehen von den Strahlungsverlusten führen
die Rückreflektionen zu einem starken schädlichen
Untergrund bei der Messung der diffusen Reflektion. Ein wesentlicher
Teil der Schrift befasst sich mit der Vermeidung störender Rückreflektionen.
Setzt man Quarz/Quarz Fasern voraus, so führt die bevorzugte
Variante zur Vermeidung störender Rückreflektionen
zu einem zusätzlichen Strahlungsverlust von ca. 15% und
zwar vorzugsweise im Winkelbereich stabiler geführter Moden
der Fasern.
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In
der Druckschrift
US 5818996 wird
neben der bevorzugten Variante eines Linsenkondensors auch eine
Einzellinse als Vorsatzoptik betrachtet. Dabei soll sich auch im
letzteren Fall das zu untersuchende Medium im Bildbereich des Faserbündels
befinden, um die Schärfentiefe für Abstandsfluktuationen
nutzen zu können. Die in der Schrift in diesem Zusammenhang
geführte Diskussion ist zumindest im konkreten Fall nicht
stichhaltig. Bedingt durch das dicke, homogene Faserbündel
und die schlechten Abbildungseigenschaften der Plankonvexlinsen
hat man praktisch eine homogen ausgeleuchtete Fläche auf
dem Medium. Ein wesentlicher Teil des empfangenen remittierten Signals
kommt von der Streuung an der Grenzfläche des Mediums.
Der mit der das Medium charakterisierenden Absorption behaftete Streuanteil
ist vergleichsweise gering.
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In
der Druckschrift
DE
10 2006 052210 B3 werden faseroptische Sonden für
die diffuse Reflektion behandelt, die für eine Arbeitstemperatur
von bis zu 1000°C ausgelegt sind. Darunter befindet sich auch
eine faseroptische Sonde mit Linsenvorsatz. Konkret wird als Ausführungsbeispiel
ein 1 + 9 Faserbündel mit einer Plankonvexlinse aus Quarzglas
diskutiert. Das inhomogen (vgl.
4a1)
Faserbündel 1 + X bewirkt, im Unterschied zum homogenen
Bündel in
US 5818996 ,
dass sich das maximale Remissionssignal zwischen dem Bildabstand
des Faserbündels und der Linse befindet. Unter bestimmten
Bedingungen ändert sich das Remissionssignal in einem Abstandsintervall
um den Abstand für das Maximum nur sehr wenig. Man spricht
von einer Signaltiefenschärfe. Die Lage und die Ausprägung
dieser Plateauphase wird vorwiegend durch die Brennweite und die freie
Apertur der Linse, dem Durchmesser und die Struktur des inhomogenen
Faserbündels 1 + X, sowie dem verwendeten Abbildungsmaßstab
definiert. Vorteilhafterweise eignet sich das 1 + X Bündel
auch sehr gut für Diodenarray Spektrometer. Die Verwendung
von Quarz statt Saphir reduziert zwar die Rückreflektion
deutlich, trotzdem bleibt das ein Problem für die Realisierung
einer maximalen Absorbanz für das jeweilige Medium. Ausserdem
ist das oben dargestellte Verhältnis der Streuung ohne
und mit Absorptionsanteil auch in dieser Anordnung für
die Absorbanz hinderlich.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Messkopfanordnung
für eine faseroptische Sonde für die diffuse Reflektion
zu entwickeln, der in einem breiten Spektralbereich eine deutlich ausgeprägte
Absorbanz auch für feinkörnige pulverförmige
Medien ermöglicht, eine große Entfernung zum zu
diagnostizierenden Medium gestattet und auf diesem im Vergleich
zu seinen Abmaßen eine relativ große Fläche
erfasst, dabei kompakt aufgebaut und für Diodenarray Spektrometer
als Analysegerät geeignet ist, sowie eine reine faseroptische
Kopplung besitzt, die durchgängig eine Terminierung mit
FSMA Steckern vom Typ 905 erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im
kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bis 7 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Nachfolgend
werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung
ohne (a) und mit (b) Schutzrohr,
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2 die
spektrale Abhängigkeit der Remission von Glucose für
die Plateauphase verschiedener Ausführungsformen der Erfindung,
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3 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ohne (a) und mit (b) Schutzrohr,
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4 verschiedene
erfindungsgemäße Faserbündelstrukturen
mit einer Empfangsfaser als 1 + X Anordnungen (a) und mit maximaler
Beleuchtung (c), sowie vielen Empfangsfasern als geordnet strukturierte
homogene Bündel mit einer Einfachring- (b) und einer Doppelringstruktur
(d),
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5 die
spektrale Abhängigkeit der Absorbanz von Kartoffelstärke
für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
bei verschiedenen Abständen zum Medium,
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6 eine
schematische Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ohne (a) und mit (b) Schutzrohr, wobei in (b) Strahlengänge
für einen speziellen Fall gezeigt werden, und
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7 die
spektrale Abhängigkeit der Remission von Glucose für
eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
bei verschiedenen Abständen zum Medium.
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In
der 1 ist der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen
Messkopfanordnung einer faseroptischen Sonde für die diffuse
Reflektion in der Ausführungsform mit einer Plankonvexlinse
(1) dargestellt. Die Linse (1) ist in einem vorzugsweise
zylindrischen Gehäuse (11) eingepasst und dort
mit einer Linsenklemme (12) fixiert. Vor der Linse befindet
sich eine Blende (12a), die in der Regel in die Linsenklemme
(12) integriert wird. Auf der gegenüberliegenden Gehäuseseite
ist eine FSMA Kopplung (13) axisymmetrisch zum Gehäuse
(11) angeordnet. Sie ist in Achsenrichtung verschiebbar
und wird mit den Fixierstiften (14) arretiert. Die gesamte
Baugruppe wird durch eine Überwurfmutter (15)
geschützt, die gleichzeitig eine Zentnermutter (16)
kontert. Mit der Zentriermutter (16) kann der Messkopf
gegebenenfalls vakuumdicht z. B. in einen Reaktor eingepasst und
fixiert werden, z. B. mit einer Swagelok Dichtung (nicht gezeigt).
Für komplizierte Umgebungsbedingungen wird die Zentnermutter
durch ein Schutzrohr (17) ersetzt, in dass mit Hilfe eines
Zentrierringes (18) ein Fenster (19) unter einem
Winkel von vorzugsweise 20° eingepasst ist, wobei das Fenster
in der Regel durch eine Klebung vakuumdicht mit dem Schutzrohr verbunden
wird. Das Fenster (19) besteht vorzugsweise aus Quarzglas,
kann aber auch aus einem anderen im bevorzugten Spektralbereich
optisch transparenten Material, z. B. Saphir; gefertigt sein. Die
gezeigte Messkopfanordnung ist erst mit einem Faserbündel,
dass sowohl Bestrahlungs- als auch Empfangsfasern aufweist, komplett.
Dabei ist es für die Erfindung erheblich, dass es sich
dabei um die in der 4 gezeigten Bündel
handelt, d. h. entweder um inhomogen Bündel in 1 + X Anordnung
oder geordnet strukturierte homogene Bündel. Hier sollen
zunächst inhomogen Bündel mit einer Empfangsfaser
betrachtet werden (4a). Bekanntlich
kann man mit diesen Bündeln, bei denen das maximale Remissionssignal
Smax oder Rmax bei einem Abstand des zu diagnostizierenden Mediums
auftritt, der zwischen Linse und Bild der Stirnfläche des
Faserbündels liegt, eine ausgeprägte Plateauphase
realisieren. Lage und Ausprägung der Plateauphase hängen
neben der Brennweite der Linse und deren freier Apertur, speziell
fixiert durch die Blende (12a), von der Struktur und dem
Durchmesser des Faserbündels, sowie vom Abbildungsmaßstab
ab. Es hat sich gezeigt, dass bei fester Brennweite der Linse beim Übergang von
den in 4a gezeigten Strukturen von
a1 über a2 zu a3 bei etwa gleich ausgeprägter
Plateauphase, diese in immer kürzeren Abständen
von der Linse auftritt, wobei der dafür notwendige Abbildungsmaßstab
variiert. Deshalb hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die FSMA
Kopplung (13) entlang der Linse verschieben zu können,
um den Messkopf an die jeweilige Messaufgabe optimal anpassen zu
können.
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In
der 4a besteht die 1 + 9 Anordnung (4a1) aus einer Empfangsfaser mit Polyimid Coating
und einem Kerndurchmesser von 400 μm (400/440/470 PI) und
9 Beleuchtungsfasern mit Polyimid Coating und einem Kerndurchmesser
von 200 μm (22/220/245 PI), die 1 + 6 Anordnung (4a2) besteht aus 400/440/470 PI Fasern
und die 1 + 8 Anordnung (4a3) aus
einer 600/660 μm Empfangsfaser mit 400/440/470 PI Beleuchtungsfaser.
Alle Fasern sind Quarz/Quarz Faser.
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In
der Messkopfanordnung der 1 besteht
die Plankonvexlinse vorzugsweise aus Quarzglas, was sich für
die Aufgabenstellung als vorteilhaft erwiesen hat, vornehmlich wegen
der im unvergüteten Zustand vergleichsweise geringen Rückreflektion,
die als störender Untergrund auftritt, aber auch weil sie
in Form von UV-Quarz und IR-Quarz den eingangs genannten Spektralbereich
abdecken. Prinzipiell können aber auch andere optische
Materialien eingesetzt werden.
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In
der 2 wird die Messkopfanordnung der 1 mit
anderen Messkopfanordnungen verglichen. Als Testmedium dient Glucosepulver.
Dargestellt wird die normierte relative Remission im NIR Spektralbereich
bis 1‚7 μm Wellenlänge. Die Spektren
wurden mit einem Diodenarray Spektrometer (tec5 AG) aufgenommen.
Die Normierung erfolgte auf das jeweilige Maximum der relativen
Remission. Bariumsulfat diente als Referenz.
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In
der 2 steht PC25(1 + 6) für eine Plankonvexlinse
aus Quarzglas mit einer Brennweite von 25 mm, die mit einem 1 +
6 Faserbündel (4a2) kombiniert
wurde. A30 und A40 sind NIR-Achromate mit den Brennweiten 30 mm
und 40 mm mit den entsprechenden Faserstrukturen (4a).
Für PC25(1 + 6) liegt die Plateauphase in einem Abstand
von 95 mm von der Linse bei einer Signaltiefenschärfe (Signalschwankung
von +/–0,5%) von +/–25 mm. A30(1 + 6) hat seine
Plateauphase bei 153 mm mit einer Signaltiefenschärfe von
+/–20 mm. Das Spektrum für A40(1 + 8) wurde bei
einem Abstand von 212 mm aufgenommen und hat dort eine Signaltiefenschärfe von
+/–25 mm. Für die Darstellung wurden Spektren bei
vergleichbarer Struktur der Plateauphase ausgewählt. Die
Plateauphase ist natürlich für die einzelnen Messkopfanordnungen
variierbar. Es zeigte sich jedoch, dass die Relationen der Spektren
erhalten bleibt. Betrachtet man das Absorptionssignal bei 1,5 μm,
so zeigt die Anordnung A40(1 + 8) im Sinne der Aufgabenstellung
der Erfindung, eine möglichst große Absorbanz
zu erreichen, das beste Resultat. Bei dem Vergleich ist zu beachten,
dass die Plankonvexlinse unvergütet ist, während
die NIR-Achromate vergütet sind, d. h. eine Antireflexbeschichtung
in dem gezeigten Spektralbereich haben. Wie der Vergleich zwischen
den Achromaten deutlich macht, kann der höhere Signaluntergrund
durch die Rückreflektion an den optischen Grenzflächen
nicht die alleinige Ursache für die Absorptionsunterschiede
sein.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die sich
von der in 1 gezeigten darin unterscheidet,
dass hier ein Achromat (2) eingesetzt wird, der für
den entsprechenden spektralen Arbeitsbereich ausgelegt und darüer
hinaus Antireflexschichten hat. Bisher und im folgenden dient der
NIR Spektralbereich als Beispiel. Tatsächlich gilt die
Anordnung auch z. B. für den VIS Spektralbereich.
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Der
grundsätzliche mechanische Aufbau, der in 3 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform, ist gleich dem in 1.
Die Anordnung hat ein Gehäuse (21), eine Linsenklemme
(22) mit Blende (22a), eine in Achserrichtung
verschiebbare FSMA Kopplung (23), Fixierstifte (24)
dafür, eine Überwurfmutter (25) und eine
Zentnermutter (26) bzw. wahlweise ein Schutzrohr (27)
mit Zentrierring (28) und Fenster (29).
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Weitere
besondere Merkmale der Messkopfanordnung mit einem Achromaten in
Kombination mit einem inhomogenen Faserbündel in 1 + X
Anordnung werden durch die
5 verdeutlicht.
Gezeigt wird die Absorbanz von Kartoffelstärke (Fa. Roquette
Typ Supra NP BACTERIO) für verschiedene Abstände
vom Achromaten ausgehend vom Signalmaximum (Smax) in Richtung des
Bildabstandes der Stirnfläche des Faserbündels.
Die Kurven wurden mit der Messkopfanordnung A40(1 + 8) aufgenommen. Als
Analyseeinrichtung diente wiederum ein Diodenarray Spektrometer
und Bariumsulfat als Referenz. Betrachtet man das Verhalten der
Kurven bei ca. 1,46 μm Wellenlänge, so erhält
man für Smax + 35 mm Signalgrößen, wie
sie für den gleichen Stärketyp mit einem homogenen
dicken Faserbündel ohne Linsenvorsatz (vergleichbar dem
in
US 5166756 ) erhält, wenn
man die Sonde in das Stärkepulver taucht und ein FT-NIR
Spektrometer für die Analyse einsetzt. In Bildnähe
(Smax + 50 mm) erhält man gar eine Absorbanz wie sie im
Vergleichsbeispiel des dicken homogenen Faserbündels mit
einem FT-NIR Spektrometer nur im Bereich von 1,94 μm Wellenlänge
erreicht wird. Nicht nur, dass es die Kombination A40(1 + 8) gestattet,
vergleichbare Regelgrößen (z. B. für
die Steuerung eines Trocknungsprozesses) mit einem Diodenarray Spektrometer
zu gewinnen, sie ermöglicht das auch noch für
die deutlich kostengünstigere Variante dieses Spektrometertyps
(Variante bis 1‚7 μm Wellenlänge). Allerdings
ist im Bildbereich die Signaltiefenschärfe gering. Um das
zu kompensieren bieten sich mechanische Vorrichtungen zur Einebnung
des Mediums an, wie sie z. B. in der Druckschrift
DE 198 57 896 C1 beschrieben
sind. Vorteilhafterweise sollte man in diesem Arbeitsregime den Messkopf
nicht auf die Plateauphase, sondern auf ein ausreichend großes
Remissionssignal ausrichten. Die für
5 eingesetzte
Messkopfanordnung A40(1 + 8) arbeitete mit einer Objektschnittweite
von 38,2 mm, was das Signalmaximum Smax auf einen Abstand von 185
mm bei einer Signaltiefenschärfe von +/–6 mm bei
einem Durchmesser der Bestrahlung von 11 mm setzt.
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Die
Tatsache, dass man mit der Messkopfanordnung der 1 zwar
ebenfalls eine Erhöhung der Absorbanz bekommt, die jedoch
deutlich geringer ausfällt (wenigstens 3 mal geringer,
je nach Messobjekt und Anordnung), legt die Vermutung nahe, dass
der Effekt durch die Güte der Abbildung hervorgerufen wird.
Bei scharfer Abbildung misst man keine direkte Streuung von der
Oberfläche, sondern nur Licht, dass im Medium in den Bildbereich
der Empfangsfaser gestreut wird und daher stark mit einer Absorption
behaftet ist. Diese Erklärung wird auch durch die Messergebnisse
mit off-axis Parabolspiegeln gestützt. Derartige Spiegel
sind ebenso wie Achromate an sich bekannt. Man nutzt die wellenlängenunabhängigen
Abbildungseigenschaften spiegelnder Oberflächen indem man
Licht von außen (off-axis) in ein Spiegelsystem einkoppelt,
statt es durch ein Loch auf der optischen Achse einzubringen. Es
hat sich gezeigt, dass es für die Erfüllung der Aufgabe
der Erfindung von besonderem Vorteil ist, einen off-axis Parabolspiegel
mit geringer Achsenneigung als Vorsatzoptik für ein inhomogenes
Faserbündel einzusetzen. Die 6 zeigt
eine erfindungsgemäße Messkopfanordnung mit einem
30° off-axis Parabolspiegel.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
(6) wird ein 30° off-axis Parabolspiegel
(3) in ein Gehäuse (31) mit Hilfe eines Spiegelträgers
(32) und z. B. einem Gewindering als Klemme (33)
eingepasst. Der Grundkörper des Spiegels (3) ist
zylinderförmig und trägt auf seiner Vorderseite
als spiegelnde Oberfläche (30) einen Ausschnitt aus
einem entsprechenden Rotationsparaboloiden. Die konkrete Form des
Gehäuses (31) kann variieren, es ist nur zu gewährleisten,
dass zu der durch den Grundkörper des Spiegels (3)
gebildeten Achse in einem Winkel von 30° eine neue Achse
aufgebaut wird, die sich mit der Grundkörperachse auf der
spiegelnden Oberfläche (30) schneidet, dergestalt,
dass beide Achsen mit der Achse des besagten Rotationsparaboloiden
in einer Ebene liegen (hier die Zeichnungsebene), und auf der in
einem geeigneten Abstand von der spiegelnden Oberfläche
die Stirnfläche des Faserbündels (36)
senkrecht zu ihr angeordnet ist.
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Im
konkreten Fall der 6 ist das Gehäuse (31)
ein Drehteil, dessen äußere Kontur so gestaltet wurde,
dass an der durch die Brennweite des Rotationsparaboloiden definierten
Stelle unter einem Winkel von 30° zur Grundkörperachse
des Spiegels eine Bohrung gesetzt werden kann, die die 30° Achse
fixiert. In diese Bohrung ist eine Aufnahme (34) für
die FSMA Kopplung (35) eingebracht. Die FSMA Kopplung (35)
ist entlang der 30° Achse verschiebbar und wird durch Fixierstifte
(nicht gezeigt) in der Aufnahme (34) arretiert. Diese Baugruppe
wird durch eine Überwurfmutter (37) geschützt.
Ein Teil der Ferrule (36) des FSMA Steckers, der das Ende
des inhomogenen Faserbündels terminiert, ist ebenfalls
gezeigt. Die inneren Konturen des Gehäuses (31 sind
so gestaltet, dass sie die Strahlen im vorgesehenen Abstandsbereich
für die Faserstirnfläche nicht abschatten. Das Gehäuse
(31) hat an seinem vom Spiegel (3) entferntem
Ende eine Zentriermutter (38) mit den gleichen Aufgaben,
wie sie für die 1 bereits geschildert wurden.
Sie kann ebenfalls wahlweise durch ein Schutzrohr (39),
in das über einen Zentrierring (311) ein Fenster
(312) unter einem Winkel zur Strahlrichtung von vorzugsweise
20° eingebracht und durch eine Klebung oder eine andere
geeignete Fügetechnik mit dem Schutzrohr (39)
verbunden ist, ersetzt werden. Das Fenster besteht vorzugsweise
aus Quarz, kann aber auch aus einem anderen geeigneten optischen
Material gefertigt sein. Das Schutzroh (39) wird mit einem
Gewindering (310) fixiert. In der 6b sind
die äußeren Strahlen der Zeichnungsebene des Bestrahlungs-
und des Empfangsstrahlenbündels für eine Position
der Faserstirnfläche aufgetragen. Die in der 6 gezeigten
Relationen gelten beispielhaft für einen 30° off-axis
Spiegel der Brennweite 50,8 mm mit einem Durchmesser des Spiegelgrundkörpers
von 50,8 mm, sowie einem 1 + 8 Faserbündel (4a3), mit denen auch die in 7 gezeigten
Messergebnisse erhalten wurden. Im konkreten Fall handelte es sich
um einen 30° off-axis Spiegel mit Aluminium als spiegelnde
Oberfläche. In dieser Form ist der Messkopf mit entsprechenden UV-VIS
und VIS-NIR Quarzfaseroptiken praktisch im gesamten Quarz Spektralbereich
einsetzbar und gilt daher als besonders bevorzugte Messkopfanordnung.
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Die
in 7 gezeigten Kurven wurden für eine Messkopfanordnung
erhalten, bei der der Abstand der Faserstirnfläche von
der spiegelnden Oberfläche entlang der 30° Achse
(vgl. 6) 61,45 mm betrug. Als Analysegerät
diente wiederum ein Diodenarray Spektrometer (Fa. tec5 AG). In dieser Konfiguration
beträgt der Abstand für das maximale Signal (Smax)
für die Remission 347 mm von der spiegelnden Oberfläche.
Man hat dabei eine Signaltiefenschärfe von +/–10
mm und einen Durchmesser der Bestrahlung von 15 mm. Die normierte
relative Remission ist dabei vergleichbar mit den Werten für die
Anordnung A40(1 + 8) (vgl. 2). Auch
hier beobachtet man eine deutlich Zunahme der Absorbanz, wenn man
das Medium in den Bildbereich für die Faseranordnung platziert,
wie man an der Kurve für Smax + 140 (Abstandszunahme in
mm) sehen kann.
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Die
in 6b gezeigten Strahlengänge
verdeutlichen einen Nachteil inhomogener Faserbündel, weil
naturgemäß der Empfang nicht den gesamten Bestrahlungsfleck
abdeckt, der sich insbesondere im Arbeitsregime maximaler Absorbanz
bemerkbar macht. Hier hat es sich als vorteilhaft erwiesen, geordnet
strukturierte homogene Faserbündel einzusetzen, wie sie
z. B. in der 4b gezeigt werden. Es handelt
sich dabei gewissermaßen um Bündel aus 1 + 6 inhomogenen
Faserbündeln, die z. B. entweder aus 200 μm Fasern
(4b1) oder 100 μm Fasern (4b2) bestehen können. Man erreicht
dadurch eine Homogenisierung der bestrahlten Fläche des Mediums
bezüglich des Empfangs. Dabei hat es sich herausgestellt,
dass wegen der verfügbaren Pixelstruktur von Diodenarrays
bei 200 μm Fasern 7 Empfangsfasern und bei 100 μm
Fasern 19 Empfangsfasern ein Optimum für den Lichtdurchsatz
darstellen. Beide Empfangsbündel lassen sich effektiv in
eine 600 μm Faser koppeln, so dass die Anordnungen in 4b1 und 4b2 vergleichbar
mit der 1 + 8 Anordnung (4a3) sind.
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Besonders
im Regime maximaler Absorbanz aber auch im Arbeitsregime der Plateauphase
wirkt sich eine Vergrößerung der Bestrahlungsstärke
aus. Dafür wurden die in 4c und
d gezeigten Faseranordnungen entwickelt. Sie erhalten die Vorteile
der inhomogenen Faserbündel und ermöglichen neben größeren
Signalen auch eine effektivere Ankopplung an verfügbare
Lichtquellen (z. B. Halogenlampen). Gleichzeitig sind sie entsprechend
der Aufgabe der Erfindung so dimensioniert, dass die Bündel
mit FSMA Steckern vom Typ 905 konfektioniert werden können.
In Erweiterung der 1 + 8 Anordnung (4a3)
besteht die Anordnung 4c aus 16 Stuck 400 μm- und 24 Stück
200 μm Bestrahlungsfasern. Die Anordnungen d1 und d2 in 4d stehen
wieder entsprechend für 200 μm und 100 μm
Fasern. Die Zahl der jeweiligen Empfangsfasern wurde aus den genannten
Gründen beibehalten. Wichtig ist, dass man ein Bündel
aus 1 + 12 inhomogenen Faseranordnungen hat.
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Abschließend
sei noch darauf hingewiesen, dass z. B. die 1 + 8 Anordnung der 4a3 unter Beibehaltung der 1 + X Struktur
durch dünnere Einzelfasern ersetzt werden kann, d. h. dass
die 600 μm Faser durch ein Bündel dünnerer
Einzelfasern ersetzt wird. Entsprechendes gilt dann für
den Ring aus Beleuchtungsfasern. Man erhält dadurch insgesamt ein
flexibleres inhomogenes Faserbündel, hat aber in der Regel
einen deutlich geringeren Lichtdurchsatz bei vergleichbaren Bündeldurchmessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5166756 [0005, 0010, 0030]
- - DE 19857896 C1 [0006, 0007, 0030]
- - DE 10233375 A1 [0006, 0007]
- - DE 102006018287 B4 [0006, 0007]
- - US 5818996 [0010, 0011, 0012]
- - DE 102006052210 B3 [0012]