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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektroskopischen Messwerterfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern eines Messobjektes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Mit derartigen Vorrichtungen zur spektroskopischen Messwerterfassung ist es möglich, berührungslose spektroskopische Messungen in vielen technischen Gebieten, wie beispielsweise der Prozessüberwachung in der Bio- und Lebensmittelindustrie, der petrochemischen Industrie oder Medizintechnik durchzuführen. Zur spektralen Vermessung von Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen in Reflektion oder Transflektion werden vorwiegend FT-(Fourier-Transform) oder Gitter-Spektrometer, oftmals auch mit Faserkopplung verwendet. Da für viele Analyte beziehungsweise Messobjekte aussagekräftige und eindeutige informationstragende spektrale Banden im infraroten elektromagnetischen Spektrum auftreten, wird häufig im sogenannten nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von 1 μm bis 2,5 μm beziehungsweise im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen von 2,5 μm bis 50 μm gemessen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen und im weitesten Sinn um eine Konzentrationsmessung von Molekülen in der Probe. Bei den Messanordnungen im Stand der Technik wird dabei die durch eine Messprobe transmittierte beziehungsweise von der Messprobe reflektierte elektromagnetische Strahlung gemessen. Hierbei kommen vorwiegend FTIR- und Gitterspektrometer in Reflektionsanordnung zur Anwendung. Der quasi Laborstandard für solche Messungen wird durch Fourier-Transformgeräte gebildet, welche auf einem scannenden oder pendelnden Michelson-Interferometer beruhen. Diese Geräte verfügen über einen sehr großen Spektralbereich bei gleichzeitig großer spektraler Auflösung und einem guten Signalrauschverhältnis. Allerdings sind solche Geräte durch ihren aufwendigen scannenden optischen Spektralapparat sehr teuer und zudem vibrationsanfällig und für den Einsatz als portable Geräte aufgrund von Vibrationen, Temperaturschwankungen und in der Umgebung auftretenden Staub ungeeignet.
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Allerdings sind aus dem Stand der Technik auch Vorrichtungen mit Spektralapparaten basierend auf linear variablen Filtern oder ähnlichen optischen Filterkombinationen bekannt, welche in Verbindung mit Zeilen- oder Flächendetektoren kompakt, robust und kostengünstig hergestellt werden können, so dass eine Verwendung als portables Gerät auch bei extremen Umwelteinflüssen durchaus möglich ist. Solche Geräte verfügen in der Regel über einen eingeschränkten Spektralapparat und im Vergleich zum FTIR-Spektrometer über eine reduzierte spektrale Auflösung. So offenbart beispielsweise die
US 5,166,755 A eine Vorrichtung zur spektroskopischen Messwerterfassung zur Analyse von polychromatischem Licht mit einem linear variablen Filter. Die an der Ausgangsseite des Filters zur Verfügung gestellten, verschiedenen Wellenlängen treffen dabei auf einen Detektor, welcher in Zeilenform ausgebildet ist. Allerdings lassen sich mit einer solchen Vorrichtung keine besonders guten Leistungsdaten erzielen, insbesondere durch ein ungünstiges Signal-Rauschverhältnis, wobei zu zudem eine definierte geometrische Position der Messprobe nicht zu erfassen ist.
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Aus der
WO 2013/023637 A2 und der
US 5,684,582 A sind Vorrichtungen mit allen Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt.
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Ferner ist aus der
US 6,244,416 B1 eine Vorrichtung zur spektroskopischen Messwerterfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern eines Messobjektes bekannt, mit in einem in einem Gehäuse angeordneten Emitter zur Emission elektromagnetischer Strahlungauf einen Messbereich, einem in dem Gehäuse angeordneten Spektralapparat zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder mehrerer Wellenlängenbereiche der von dem Messbereich ausgehenden elektromagnetischen Strahlung, einem in dem Gehäuse angeordneten Detektor zur Detektion der durch den Spektralapparat transmittierten elektromagnetischen Strahlung, einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Vorrichtung und zur Messwerterfassung und -verarbeitung, wobei zwischen dem Messbereich und dem Spektralapparat verschiedene optische Komponenten in dem Gehäuse angeordnet sind.
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Weiterhin ist es aus der
US 8,159,668 B2 bekannt, derartige optische Komponenten als eine Abbildungsoptik auszubilden.
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Die
DE 103 16 514 A1 zeigt ferner eine Vorrichtung zur IR-spektrometrischen Analyse eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums mit einer Prozesssonde, welche eine ATR-Sonde als Reflexionselement aufweist, mit einem Linear-Variablen Filter, zumindest einem Detektorelement und einer Regel-/Auswerteeinheit, wobei zumindest eine Lichtquelle vorgesehen ist, deren Licht über eine Kollimieroptik in die ATR-Sonde eingekoppelt wird, wobei zumindest ein Lichtwellenleiter mit einem Lichteingangsabschnitt und einem Lichtausgangsabschnitt vorgesehen ist, wobei das Licht über den Lichtausgangsabschnitt des Lichtwellenleiters in einen definierten Bereich des Linear-Variablen Filters geleitet wird, wobei das Detektorelement und das Linear-Variable Filter über näherungsweise die Länge des Linear-Variablen Filters relativ zueinander bewegbar angeordnet sind und wobei die Regel-/Auswerteeinheit anhand der von dem Detektorelement gelieferten Messwerte das Spektrum des Mediums bestimmt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, dass gesteigerte Leistungsdaten, insbesondere ein deutlich gesteigertes und verbessertes Signal-Rauschverhältnis verwirklicht werden kann, bei dem zudem eine geometrisch definierte Position des Messobjekts erfasst werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur spektroskopischen Messwerterfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern eines Messobjektes weist dabei Folgendes auf: Wenigstens einen in oder an einem Gehäuse angeordneten Emitter zur Emission elektromagnetischer Strahlung auf einen Messbereich, wenigstens einen in dem Gehäuse angeordneten Spektralapparat zur Selektion und/oder Ausblendung einzelner oder mehrerer Wellenlängenbereiche der von dem Messbereich ausgehenden elektromagnetischen Strahlung, wenigstens einen in dem Gehäuse angeordneten Detektor zur Detektion der durch den wenigsten einen Spektralapparat transmittierten elektromagnetischen Strahlung und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Vorrichtung zur Messwerterfassung und -verarbeitung.
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Um eine geometrisch definierte Position des Messbereichs erfassen zu können, ist zwischen dem Messbereich und dem Spektralapparat eine erste Abbildungsoptik an oder in dem Gehäuse angeordnet. Diese Abbildungsoptik ist vorzugsweise aus einer fokussierenden oder kollimierenden Optik, wie beispielsweise einem oder mehreren Reflektoren, Linsen oder einer Kombination daraus gebildet. Diese Abbildungsoptik erlaubt die Abbildung des Messbereiches auf dem Spektralapparat, wobei auch eine chromatische und/oder sphärische Aberration oder Streulicht, welche zu Abbildungsfehlern bei der Abbildung des Messbereiches auf dem Spektralapparat führen könnten, korrigiert werden können. Zudem ist es durch eine solche zwischen Messbereich und Spektralapparat angeordnete Abbildungsoptik möglich, ein deutlich gesteigertes Signal-Rauschverhältnis und somit eine höhere Qualität des durch den Detektor beziehungsweise den Spektralapparat aufgenommen Spektrums zu erzielen. Durch diese Qualitätssteigerung des zu messenden Spektrums beziehungsweise Signals ist auch das Ergebnis bei einer quantitativen Messung, beispielsweise bei einer Konzentrationsmessung, mit einem deutlich geringeren Fehler behaftet. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse der Vorrichtung geschlossen, so dass alle Elemente in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei an einem Deckel des Gehäuses über dem Messbereich ein ATR-Element (attenuated total reflection Element) angeordnet ist, um welches das Messobjekt anordnenbar ist. Dieses ATR-Element ist vorteilhafterweise als eine Faser oder ein Kristall ausgebildet, welche/welcher mit einem Ende über dem Messbereich angeordnet ist und mit einem anderen Ende von dem Deckel des Gehäuses weg weist. Das von dem Deckel weg weisende Ende des ATR-Elementes ist dabei mit einem Reflektor beziehungsweise Spiegel ausgestattet, der die dort auftreffende elektromagnetische Strahlung wieder in Richtung des Messbereichs reflektiert.
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Bei solchen ATR-Elementen wird der Effekt ausgenutzt, dass ein Strahl elektromagnetischer Strahlung an der Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium und einem optisch dünneren Medium total reflektiert wird, wenn der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung den Grenzwinkel für die Totalreflektion überschreitet, wobei der Brechungsindex des optisch dichteren Mediums größer dem Brechungsindex des optisch dünneren Mediums ist. Bei der Totalreflektion tritt das Phänomen auf, dass die elektromagnetische Strahlung an der Auftreffstelle in das dünnere Medium austritt und dann bis zu einer Stelle als Oberflächenwelle an dem dichteren Medium vorbeiläuft und anschließend wieder in das optisch dichtere Medium zurückkehrt. Erfolgt dabei keine Absorption in dem optisch dünneren Medium, so wird die elektromagnetische Strahlung ungeschwächt total reflektiert. Absorbiert das optisch dünnere Medium jedoch die eindringende elektromagnetische Strahlung, so tritt eine Schwächung der total reflektierten elektromagnetischen Strahlung auf. Diese Schwächung ist abhängig von der absorbierten Wellenlänge und kann so zur sogenannten internen Reflektionsspektroskopie herangezogen werden. Bestimmt man das Transmissions- oder Extensionsspektrum der total reflektierten Strahlung, so erhält man Aufschluss über die Zusammensetzung des optisch dünneren Mediums, hier des Messobjektes.
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Um die Qualität des Messergebnisses noch einmal deutlich zu erhöhen, ist es nach einem ersten weiteren Gedanken der Erfindung vorgesehen, zwischen dem wenigstens einen Emitter und dem Messbereich eine zweite Abbildungsoptik an oder in dem Gehäuse anzuordnen. Durch diese zweite Abbildungsoptik kann die von dem wenigstens einen Emitter emittierte elektromagnetische Strahlung fokussiert werden und somit sehr gezielt auf den Messbereich abgebildet werden. Diese zweite Abbildungsoptik erlaubt damit die Einstellung der Geometrie des Messbereiches. Der Messbereich kann dabei in einfachster Form kreisrund ausgebildet sein, wobei allerdings auch komplexere Formen über diese Abbildungsoptik realisiert werden können. Ziel dieser Abbildungsoptik ist im Weiteren eine maximale Intensität der elektromagnetischen Strahlung im Messbereich bereitstellen zu können. Auch diese Abbildungsoptik kann zur Korrektur von Abbildungsfehlern aufgrund chromatischer oder sphärischer Aberration oder Streulicht, hier allerdings zwischen Emitter und Messbereich, verwendet werden.
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Hinsichtlich der ersten zwischen Messbereich und Spektralapparat angeordneten Abbildungsoptik hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese durch eine Linsenoptik, insbesondere eine einzelne Linse oder ein Linsenduplet, ein Linsentriplet oder ein Objektiv auszubilden. Hinsichtlich der zweiten zwischen dem wenigstens einen Emitter und dem Messbereich angeordneten Abbildungsoptik hat es sich bewährt, diese ebenfalls durch eine Linsenoptik entsprechend der ersten Abbildungsoptik auszubilden. Allerdings ist es hierbei auch möglich, diese zweite Abbildungsoptik als einen parabolischen oder elliptischen Reflektor oder auch als ein Mikrolinsenarray auszubilden. Hierdurch ist es möglich, die Stärke und Geometrie des Strahls der elektromagnetischen Strahlung an den Messbereich und die Messaufgabe anzupassen. Insofern kann dadurch eine geometrische Selektivität der Messung erreicht werden, wobei das Signal-Rauschverhältnis deutlich gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Es können daher eine Vielzahl von Messaufgaben durchgeführt werden, die mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen realisierbar sind.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine spektroskopische Messwerterfassung eines Analyts möglich, welcher aus Feststoffen, Pasten, Fluiden oder auch Gasen bestehen kann. Bei dem Messobjekt kann es sich dabei um ein statisches oder auch bewegtes Objekt handeln. Bei einer Bewegung des Messobjektes kann die spektrale Datenerfassung über ein Triggersignal, welches über eine Schnittstellenverbindung eingespielt wird, mit dem Messobjekt synchronisiert werden. Dadurch ist es möglich, eine spektrale Karte des Messobjektes zu erstellen und diese einer nachgelagerten Datenverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Typische Messobjekte sind beispielsweise Fett, Öl, Treibstoff, Beschichtungen (Coatings), technische Oberflächen, Fleisch, Haut, Körpersekrete, Medikamente, Salben, Pasten, Kosmetika, Agrarerzeugnisse, Lebensmittel, Fermentationsprodukte, Wasser, Abwasser oder dergleichen mehr.
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Dazu weist die Steuereinrichtung wenigstens einen Mikroprozessor und wenigstens eine Schnittstelle zur Kommunikation mit anderen Einrichtungen auf. Die Schnittstelle beziehungsweise die Schnittstellen können sowohl verkabelt als auch per Funkverbindung Daten übertragen. Beispielhaft seien hier nur folgende physikalische Schnittstellen genannt: USB, Ethernet, RS232, RS485, CAN, Feldbusse, Bluetooth, WLAN und ZigBee. Über eine Erweiterungsschnittstelle können zudem die Busse I2C und SPI und GPIOs eines zentralen oder peripher eingebundenen Controllers beziehungsweise Mikroprozessors für spezifische Erweiterungen nach außen geführt werden. Vorzugsweise erfolgt dabei die Kommunikation über eine verschlüsselte Verbindung.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist dem wenigstens einen Emitter eine Temperaturregelung zugeordnet. Da für Vorrichtungen zur spektroskopischen Messwerterfassung von physikalischen und/oder chemischen Parametern eines Objektes als Emitter häufig LEDs im UV/VIS-Bereich, teilweise auch noch im NIR-Bereich und auch MIR-Bereich verwendet werden, wird innerhalb der Vorrichtung Wärme erzeugt. Diese in der Vorrichtung erzeugte Wärme wirkt sich nachteilig auf die Stabilität des Gesamtsystems während der Messwerterfassung aus. Um diesen Effekt zu minimieren, stehen aktive und passive Methoden der Wärmeabfuhr zur Verfügung. Bei einer passiven Variante wird die Wärme des wenigstens einen Emitters beispielsweise über einen Heatpipe an das Gehäuse abgeleitet, welches ebenfalls über geeignete Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr, welche dem Fachmann bekannt sind, verfügt. Bei einer aktiven Variante wird die Wärme über ein thermoelektrisches Element an das Gehäuse abgeleitet. In beiden Fällen ist das Gehäuse thermisch vom Spektralapparat entkoppelt.
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Eine optionale Temperaturregelung kann zudem dem wenigstens einen Detektor zugeordnet sein. Diese kann ebenfalls wie die Temperaturregelung des wenigstens einen Emitters sowohl aktiv als auch passiv ausgebildet sein.
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Nach einem anderen Gedanken der Erfindung ist der wenigstens eine Emitter dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung im ultravioletten und/oder im nahen infraroten und/oder im mittleren infraroten und/oder im sichtbaren Spektrum zu emittieren. Neben schmalbandigen Lichtquellen, wie etwa Lasern werden vorwiegend breitbandige Lichtquellen, wie LEDs oder thermische Emitter verwendet. Die Wahl des Emitters hängt dabei immer von der jeweiligen Vorrichtungskonfiguration ab. Die Vorrichtung kann je nach Wahl des Spektralapparates in den Frequenzbändern UV, VIS, NIR und MIR verwendet werden. Somit können mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl Fluoreszenz-Messungen, Raman-Messungen, NIR-Messungen als auch MIR-Messungen durchgeführt werden. Der Betriebsmodus der Vorrichtung kann dabei zwischen statisch (nicht gepulster Emitter) oder gepulst (gepulster Emitter) umgeschaltet werden. Dabei können beim gepulsten Betrieb weitere Betriebsmodi definiert werden. Beispielsweise können mehrere Anregungswellen durch ein serielles Anschalten einzelner Emitter zu einem differenzierten spektralen Bild zusammengesetzt werden. Dabei wird zu jeder Anregungswellenlänge ein passendes Spektrum erfasst und nach der Sequenz die erfassten Einzelspektren pro Anregungswelle zu einem Gesamtspektrum fusioniert. Die Fusionierung kann dabei direkt auf einem integrierten Mikroprozessor innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen oder in einer über die Schnittstellenverbindung angeschlossenen Software auf einer externen Recheneinheit. Die Integrationszeit des Detektors ist dabei an die Modulationsfrequenz der Emitter gekoppelt. Durch das serielle Durchschalten der Anregungswellenlängen wird die Selektivität des Messsystems signifikant erhöht. So kann eine multispektrale Erfassung eines Messobjektes auf Basis einer solchen Messwerterfassung durchgeführt werden. Hierbei ist es auch möglich, durch die technologische Schnittmenge verschiedener Messmethoden, beispielsweise von Fluoreszenz- und Raman-Messungen, hybride Systeme zu generieren, bei denen beispielsweise eine hybride Anregung, bestehend aus LED und/oder Laser und/oder gefilterten breitbandigen elektromagnetischen Strahlungswellen konfiguriert werden.
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Zudem ist auch eine multispektrale Erfassung eines Messobjektes auf Basis einer bestimmten Messmethode, wie beispielsweise Fluoreszenz- oder Raman-Messungen möglich.
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Wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im nahen Infrarotbereich (800 μm bis 2,5 μm) eine Messwerterfassung durchgeführt, kommen vorwiegend breitbandige Lichtquellen wie etwa LEDs oder thermische Emitter zum Einsatz. Auch diese Emitter sind in den Betriebsmodi statisch oder gepulst betreibbar. Im statischen Betrieb werden alle Emitter dauerhaft eingeschaltet und die Stärke der elektromagnetischen Strahlung kann durch das Zuschalten einzelner Emitter oder durch Stimmen aller Emitter eingestellt werden. Im gepulsten Betrieb werden alle oder eine Teilmenge der Emitter moduliert betrieben. Die Modulation kann dabei elektrisch oder mechanisch erfolgen. Die Modulation der elektromagnetischen Strahlung wird dabei an die Integrationszeit des Detektors und/oder die Bewegung des Messobjekts gekoppelt. Typische Detektoren sind hierbei pyroelektrische-, PbS-, PbSe-, InGaAs- oder CMOS-Detektoren. Pyroelektrische Detektoren benötigen prinzipbedingt ein differenzielles Messsignal, wodurch bei diesem Detektor eine Modulation der Bestrahlung durchgeführt werden muss. Dies kann durch elektrisches An- und Ausschalten oder mechanisches Ausblenden, beispielsweise durch ein Choppen oder Modulieren, durchgeführt werden. Bei einer bewegten Messung (bewegtes Messobjekt) und bei einer passenden Oberflächenbeschaffenheit des Messobjektes kann ein statischer Emitter verwendet werden, um das benötigte differenzielle Messsignal vom bewegten Messobjekt und dessen räumlich unterschiedlichen Reflektions- beziehungsweise Transflektionseigenschaften erzeugt werden.
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Auch im mittleren Infrarotbereich kommen vorwiegend breitbandige Emitter wie zum Beispiel thermische Emitter zum Einsatz. Auch hier sind wieder die unterschiedlichen Betriebsmodi statisch und gepulst möglich.
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Um die Ausgangsstrahlungsleistung des wenigstens einen Emitters konstant zu halten, wird diese über eine Leistungsregelung stabilisiert. Diese Leistungsregelung verwendet dazu die Leistungsaufnahme des Emitters und/oder die Strahlungsleistung der elektromagnetischen Strahlung als Rückkopplung.
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Der Messbereich der Vorrichtung kann dabei durch die bereits zuvor beschriebenen Abbildungsoptiken in seiner Geometrie beeinflusst werden. Die zwischen Emitter und Messbereich angeordnete Abbildungsoptik fokussiert dabei die elektromagnetische Strahlung auf den Messbereich und sorgt dabei für eine optimale Stärke der elektromagnetischen Strahlung. Über den Winkel der Emitter zum Messbereich kann dessen räumliche Position vor dem Detektor eingestellt werden.
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Der Spektralapparat bildet dabei das Rückgrat der kompletten Messwerterfassung und besteht im Wesentlichen aus einem dispersiven Element, dem ein Detektor mit nachgeschaltet ist. Das dispersive Element kann dabei als Bandpassfilter oder linear variabler Filter oder eine Kombination aus beidem ausgebildet sein, während der Detektor als Einzeldetektor, Zeilendetektor, Flächendetektor oder einer Kombination daraus ausgebildet sein kann.
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Ein linear variabler Filter als dispersives Element erzeugt eine lineare Wellenlängenaufspaltung über seine lineare Ausdehnung auf und deckt in der Regel dabei eine Oktave, beispielsweise von 5,5 μm bis 11 μm ab. Unter diesem linear variablen Filter wird ein Zeilendetektor oder ein Flächendetektor angeordnet mit dem anschließend die durch den linear variablen Filter hindurchgetretene elektromagnetische Strahlung detektiert wird.
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Es ist auch möglich, zwei parallel geschaltete linear variable Filter oder Bandpassfilter zu verwenden, wobei dem nachgeschaltet wiederum ein Zeilen- oder Flächendetektor angeordnet ist. Werden zwei linear variable Filter verwendet und befinden sich darunter Zeilendetektoren, so kann eine weitere zusätzliche Oktave, beispielsweise von 2,5 μm bis 5 μm abgedeckt werden. Folglich verdoppelt sich bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der abgedeckte Spektralbereich.
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Alternativ ist es natürlich auch möglich, ergänzend zu einem linear variablen Filter weitere Bandpassfilter zu verwenden. Diese Bandpassfilter sind in der Regel in einem Spektralbereich außerhalb des vom linear variablen Filter abgedeckten Spektralbereichs selektiv und können so zusätzlich spektrale Datenpunkte erfassen. Die Anordnung des linear variablen Filters und der Bandpassfilter können dabei parallel erfolgen. Als Detektor kann hierbei ebenfalls wieder ein Zeilendetektor aber auch diskrete Detektorelemente oder auch eine Kombination von beiden eingesetzt werden. Ebenso kann allerdings hier auch ein Flächendetektor zur Anwendung kommen, welcher sowohl Daten des linear variablen Filters als auch des Bandpassfilters erfasst.
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Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verfügt über die grundlegenden Funktionen zur Steuerung der Vorrichtung und daran angeschlossene Peripherie (zum Beispiel Pumpen, Ventile, Drehgeber, Motoren oder dergleichen) zur Messwerterfassung und -verarbeitung, zur Kommunikation, zur Verarbeitung, Interpretation und Speicherung der spektralen Messwerte. Dazu sind eine oder mehrere Mikroprozessoren und Speicherbausteine auf einer Leiterplatine enthalten und miteinander vernetzt. Die Elektronik ist außerdem in der Lage, über eine verschlüsselte Verbindung mit einer Gegenstelle, beispielsweise Personal-Computer, Maschinensteuerung, Leitsystem, mobiles Endgerät, Internet-Server oder dergleichen zu kommunizieren. Die zur Interpretation der gemessenen spektralen Daten notwendigen Informationen werden in sogenannten Modellen zusammengefasst, welche ebenfalls in verschlüsselter Form Übertragen und zur Berechnung auf dem Mikroprozessor entschlüsselt werden. Diese Modelle können Peak-Flächenberechnungen, multivariate (chemometrische) Modelle oder eine Mischung beider sein. Generell ist das System multiparameterfähig, was bedeutet, dass ausgehend von einem gemessenen Spektrum mehrere Zielgrößen, wie beispielsweise Säuregehalt, Proteinkonzentration oder dergleichen, berechnet werden können. Diese Berechnung verfügt zudem über ein Qualitätsmaß, welches die Genauigkeit der Berechnung wiedergibt und somit als Vertrauensmaß der Messung fungiert. Neben den soeben beschriebenen quantitativen Berechnungen von Zielgrößen können auch qualitative Aussagen getroffen werden. So wird zum Beispiel ein Vergleich zu einem vorher hinterlegten Referenzspektrum berechnet und somit die spektrale Veränderung bestimmt. Somit ist eine Zuordnung des gemessenen Spektrums zu einer vorher hinterlegten Referenz möglich. So kann beispielsweise eine unbekannte Probe identifiziert werden oder eine Probe einer bestimmten Referenzgruppe zugeordnet werden. Es ist ebenfalls eine gut/schlecht Einteilung von Proben möglich.
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Die Steuereinrichtung ist ebenfalls dazu ausgebildet, sowohl Rohdaten, wie auch berechnete Zielgrößen oder sonstige Auswertungen auf einem Speicher gegebenenfalls in verschlüsselter Form über einen längeren Zeitraum zu speichern. Weiterhin sind eine Vielzahl unterschiedlicher Datenverarbeitungsmethoden, wie beispielsweise Rauschunterdrückung, Fehlerkorrektur, spektrale Datenverarbeitung oder dergleichen, direkt auf dem Mikroprozessorboard durchführbar. Die berechneten Daten können zum Beispiel über einen integrierten Web-Server in verschiedensten Applikationen bereitgestellt werden. Ebenfalls ist eine drahtlos Anbindung an ein mobiles Endgerät möglich, welches das Messsystem über eine Applikation ansteuert und die Messdaten darstellt, teilberechnet und interpretiert und/oder komplett selbständig auswertet.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1: ein Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2: die nicht erfindungsgemäße Vorrichtung der 1 in einer Draufsicht,
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3: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 bis 10: verschiedene Ausführungsbeispiele eines Spektralapparates, wie er in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung findet und
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11 bis 13: verschiedene Kombinationen aus Spektralapparat und Detektor, wie sie in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung finden.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 10 mit einer darin angeordneten Steuereinrichtung 6, einer Mehrzahl von Emittern 2 zur Emission elektromagnetischer Strahlung 60, einer Abbildungsoptik 7, welche von einem Messobjekt 1 ausgesandte elektromagnetische Strahlung 61 in gewünschter Weise abbilden kann, einem Spektralapparat 4 zur spektralen Auflösung der durch die Abbildungsoptik 7 abgebildeten elektromagnetischen Strahlung 61 und einem dem Spektralapparat 7 nachgeschalteten Detektor 5.
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Ferner weist dieses nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel Temperaturregelungen 35 für jeden Emitter 2 auf, wodurch es möglich ist, die Abwärme der Emitter 2 während des Betriebs der Vorrichtung abzuleiten, so dass sich ein mögliches Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund von Temperaturschwankungen während einer Messung nicht verschlechtert, da alle Emitter 2 elektromagnetische Strahlung 60 mit einer nicht zu vernachlässigenden Wärmeentwicklung erzeugen, welche sich nachteilig auf die Stabilität des Gesamtsystems auswirkt. Zur Temperaturregelung stehen dabei aktive und passive Methoden zur Verfügung, wobei die passive Variante die Wärme beispielsweise über eine Heatpipe an das Gehäuse 10 ableitet, welches ebenfalls über geeignete Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr verfügt, die bei diesem Ausführungsbeispiel allerdings nicht weiter dargestellt sind. Bei einer möglichen aktiven Variante der Temperaturregelung 35 wird die Wärme über ein thermoelektrisches Element an das Gehäuse 10 abgeleitet.
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In dem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der 1 weist auch der Detektor 5 eine Temperaturreglung 40 auf, welche ebenfalls die Wärme an das Gehäuse 10 ableitet, um den Detektor 5 bestmöglich auf einem gleichbleibenden Temperaturniveau zu halten, damit auch hier das Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund von Temperaturschwankungen bzw. einer Temperaturdrift möglichst gering beziehungsweise konstant gering gehalten wird. Die Temperaturregelung 40 ist dabei vorzugsweise als ein thermoelektrisches Element ausgebildet, wodurch eine aktive Temperaturregelung möglich ist.
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Die Steuereinrichtung 6 dieses Ausführungsbeispiels verfügt über die grundlegenden Funktionen zur Steuerung der gesamten Vorrichtung und einer daran angeschlossenen Peripherie, wie beispielsweise Pumpen, Ventile, Drehgeber, Motoren oder dergleichen. Ferner wird durch die Steuereinrichtung 6 die Messwerterfassung und Verarbeitung sowie die Kommunikation mit der Peripherie und gegebenenfalls die Verarbeitung, Interpretation und Speicherung der spektralen Messwerte gesteuert. Dazu sind ein oder mehrere hier nicht dargestellte Mikroprozessoren und Speicherbausteine auf einer Leiterplatte der Steuereinrichtung 6 enthalten und miteinander vernetzt. Die Elektronik der Steuereinrichtung 6 ist außerdem in der Lage über eine verschlüsselte Verbindung mit einer Gegenstelle, beispielsweise einem PC, einer Maschinensteuerung, einem Leitsystem, einem mobilen Endgerät, einem Internet-Server oder dergleichen, zu kommunizieren.
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Zur Durchführung einer spektralen Messung emittieren die Emitter 2 elektromagnetische Strahlung 60 auf einen Messbereich 3 eines Messobjektes 1. Die elektromagnetische Strahlung 60 kann dabei mittels den Emittern 2 zugeordneten Abbildungsoptiken 8 sehr exakt auf den Messbereich 3 fokussiert werden. Solche Abbildungsoptiken 8 können wie in diesem Ausführungsbeispiel als Reflektoren abgebildet sein. Von dem Messbereich 3 des Messobjektes 1 wird nachfolgend die elektromagnetische Strahlung 61 in Richtung der Abbildungsoptik 7 abgestrahlt. Die elektromagnetische Strahlung 61 ist dabei gegenüber der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 60 verändert, da durch das Messobjekt gewisse spektrale Bereiche absorbiert wurden. Die Abbildungsoptik 7 und die Emitter 2 sind dabei an der Gehäuseaußenseite des Gehäuses 10 angeordnet, so dass der Spektralapparat 4 und der Detektor 5 innerhalb des Gehäuses 10 geschützt untergebracht sind. Die elektromagnetische Strahlung 61 wird mit Hilfe der Abbildungsoptik 7 auf den Spektralapparat 4 abgebildet. Vorzugsweise ist der Spektralapparat 7 als dispersives Element ausgebildet, mit dem eine lineare Wellenlängenaufspaltung über die Ausdehnung des Spektralapparates 4 möglich ist. Die mit Hilfe des Spektralapparates 4 erzeugte Wellenlängenaufspaltung wird mittels eines Detektors 5 gemessen und das entsprechende Spektrum mit Hilfe der Steuereinrichtung 6 weiter verarbeitet.
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In der 2 ist das nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der 1 in einer Draufsicht aus der Richtung des Messbereichs 3 gezeigt. Wie hierbei deutlich zu erkennen ist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel acht Emitter 2 radial symmetrisch um die Abbildungsoptik 7 angeordnet. Dabei können die verschiedenen Emitter 2 elektromagnetische Strahlung 60 verschiedener Wellenlängen emittieren. Die Emitter 2 sind dabei derart gewählt, dass die emittierte elektromagnetische Strahlung 60 durch das Messobjekt 1, mit Ausnahme der absorbierten Spektralberei-che, derart reflektiert wird, dass die reflektierte elektromagnetische Strahlung 61 im spektralen Bereich des Spektralapparates 4 liegt. Nur so ist gewährleistet, dass die elektromagneti-sche Strahlung 61 durch den Spektralapparat 4 aufgespalten werden kann.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Zusätzlich zu dem nichterfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der 1 weist dabei das Gehäuse 10 einen Deckel 11 auf, durch welchen die Emitter 2 und die Abbildungsoptik 7 vor äußeren Einflüs-sen geschützt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die durch die Emitter 2 emittierte elektromagnetische Strahlung 60 auf einem Messbereich 3 fokussiert, auf welchem ein ATR Element 50 angeordnet ist. Das ATR Element 50 ist dabei mit seinem einen Ende 51 an dem Deckel 11 angeordnet, so dass die elektromagnetische Strahlung 60 in das ATR Element 50 eindringen kann. Das ATR Element 50 welches vorzugsweise aus einer Faser beziehungs-weise einem Kristall gebildet ist, weist dabei in einen das Messobjekt 1 aufweisenden Raum hinein und ist von dem Messobjekt 1 umgeben. Die in das ATR Element 50 eingetretene elektromagnetische Strahlung wird aufgrund der optischen Eigenschaften beziehungsweise der unterschiedlichen Brechungsindizes des Messobjekts 1 und des ATR Elementes 50 in das Messobjekt 1 hineingeleitet, wobei verschiedene spektrale Bereiche aufgrund der Zu-sammensetzung des Messobjektes 1 absorbiert werden. Die so veränderte elektromagnetische Strahlung tritt wieder in das ATR Element 1 ein und wird an einem Spiegel 55, der an dem anderen Ende 52 des ATR Elementes angeordnet ist, wieder in Richtung der Abbildungsoptik 7 reflektiert. Die so reflektierte elektromagnetische Strahlung 61 wird dann entsprechend der zuvor im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorgehensweise weiter verarbeitet.
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Wird mit einer derartigen Vorrichtung IR-Spektroskopie betrieben, so kann damit eine Ölanalyse zur Bestimmung des Ölzustandes in einer Maschine durchgeführt werden.
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Dabei wird die physikalische Absorption von infrarotem Licht, welches durch die Emitter 2 emittiert wird, durch im als Messobjekt 1 dienenden Öl enthaltenen Moleküle ausgenutzt. Jedes Molekül absorbiert Licht einer speziellen Wellenlänge. Die Stärke der Absorption ist dabei ein Maß für die Konzentration des jeweiligen Moleküls. Während der Alterung von Öl finden unterschiedliche Ab- und Umbauprozesse auf molekularer Ebene statt, welche mit einem IR-Spektrometer gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 messbar sind. Dabei kann der Ölzustand während des Betriebes der Maschine, in dem das Öl als Schmiermittel eingesetzt ist, online durchgeführt werden, ohne dass die Maschine außer Betrieb genommen bzw. das Öl entnommen werden muss.
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Ölalterung basiert generell auf den drei wechselwirkenden Mechanismen Grundölabbau, Additivabbau und Fremdstoffkontamination. Beim Grundölabbau wirken vorwiegend Oxidationsprozesse, welche durch Sauerstoff und Hitze angetrieben werden. Häufig verwendete Additive sind zum Beispiel Antischaumzusätze, Verschleißschutzadditive und Antioxidantien. Werden sie aktiv, reduziert sich die Konzentration im Öl und es entstehen Abbauprodukte. Eine Kontamination des Öls findet oftmals durch Wasser oder Fremdöl statt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 sind beispielsweise, aufgeschlüsselt nach Abbaumechanismus folgende Ölzustandsparameter ermessbar: Oxidation, Nitratation, Sulfatation und dergleichen im Grundölabbau, Zink, Molybdän, Phosphor, Calcium, Magnesium, Barium, Natrium und dergleichen im Additivabbau und Wasser, Fremdöl, Glykol, Ruß und dergleichen bei der Fremdstoffkontamination.
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In den 4 bis 10 sind verschiedene Spektralapparate 4, wie sie in der Erfindung Verwendung finden können, dargestellt.
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4 zeigt dabei einen linear variablen Filter 20, welcher als dispersives Element dient und eine lineare Wellenlängenaufspaltung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 61 erzeugt. Ein solcher linear variabler Filter 20 deckt in der Regel eine Oktave, beispielsweise zwischen 5,5 μm und 11 μm ab. Unter einem solchen linear variablen Filter 20 wird vorzugsweise ein Detektor 5 in Form eines Zeilendetektors oder eines Flächendetektors verwendet. Detektor 5 und linear variabler Filter 20 sind dabei gemeinsam in einem Detektorgehäuse 12 angeordnet.
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5 zeigt einen Spektralapparat 4, der aus zwei parallel geschalteten linear variablen Filtern 20 und 21 gebildet ist. Der linear variable Filter 20 entspricht dabei dem linear variablen Filter 20 der 4, während der linear variable Filter 21 nunmehr eine zusätzliche Oktave, beispielsweise zwischen 2,5 μm und 5 μm abdecken kann. Durch eine solche Anordnung verdoppelt sich der abgedeckte spektrale Bereich der gesamten Messwerterfassung. Auch hierbei sind der Detektor 5 und der Spektralapparat 4 wieder in einem separaten Detektorgehäuse 12 angeordnet, wobei der Detektor 5 in dieser Darstellung nicht gezeigt ist und unter dem Spektralapparat angeordnet ist.. Der Detektor 5 kann in diesem Fall aus zwei Zeilendetektoren bestehen.
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Gemäß 6 ist es allerdings auch möglich, den Spektralapparat aus einem linear variablen Filter 20 und einem oder mehreren parallel geschalteten Bandpassfiltern 30 zu bilden. Diese Bandpassfilter 30 decken in der Regel einen Spektralbereich außerhalb des vom linear variablen Filter 20 abgedeckten Bereiches ab und können so zusätzlich spektrale Datenpunkte erfassen. Unterhalb eines solchen Spektralapparates 4 kann entweder ein Zeilendetektor oder diskrete Detektorelemente oder eine Kombination beider als Detektor 5 platziert werden. Ebenfalls kann auch ein Flächendetektor als Detektor 5 unter dieser Anordnung eingesetzt werden, welcher sowohl mit dem linear variablen Filter 20 als auch den Bandpassfiltern 30 entsprechend korrespondiert.
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zeigt eine zur ähnliche Ausbildung eines Spektralapparates 4. Allerdings sind hierbei die Bandpassfilter 30 dem linear variablen Filter 20 nicht parallel geschaltet, sondern liegen in der gleichen Ebene.
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Die 8 zeigt einen Spektralapparat 4, welcher ausschließlich aus Bandpassfiltern 30 aufgebaut ist.
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9 zeigt eine andere Ausführung eines Spektralapparates, welcher aus Bandpassfiltern 30 aufgebaut ist, die nebeneinander angeordnet sind.
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10 zeigt einen einfach aufgebauten Spektralapparat 4 in Form eines Fensters, wobei als Emitter 2 mehrere seriell getaktete, schmalbandige Emitter 2 gewählt sind. Hiermit können seriell erfasste spektrale Datenpunkte aufgezeichnet werden. Die Anzahl der Datenpunkte ist dabei abhängig von der Anzahl der seriell getakteten schmalbandigen Emitter 2.
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Die 11 bis 13 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines mit einem Spektralapparat 4 und einem Detektor 5 versehenen Detektorgehäuses 12 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 11 schließt dabei das Detektorgehäuse 12 in Richtung der Abbildungsoptik 7 mit dem Spektralapparat 4, der hierbei als linear variabler Filter 20 ausgebildet ist, ab. Hinter dem linear variablen Filter 20 ist innerhalb des Detektorgehäuses 12 der Detektor 5 angeordnet, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als Zeilendetektor ausgebildet ist.
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In 12 weist der Spektralapparat 4 sowohl einen linear variablen Filter 20 und einen in gleicher Ebene angeordneten Bandpassfilter 30 auf. Unterhalb dieses Spektralapparates 4 ist wiederum innerhalb des Detektorgehäuses 12 ein Detektor 5 angeordnet, der hier ebenfalls als Zeilendetektor ausgebildet ist, wobei ein Bereich 5a des Detektors mit dem linear variablen Filter 20 korrespondiert und ein Bereich 5b des Detektors 5 mit den Bandpassfiltern 30.
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Die Darstellung der 13 entspricht im Wesentlichen der der 12, wobei allerdings der Bereich 5b des als Zeilendetektor ausgebildeten Detektors 5 lediglich aus einem Pixel ausgebildet ist. Dadurch ist dieser Pixel deutlich größer strukturiert, so dass ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messobjekt
- 2
- Emitter
- 3
- Messbereich
- 4
- Spektralapparat
- 5
- Detektor
- 5a
- Bereich
- 5b
- Bereich
- 6
- Steuereinrichtung
- 7
- Abbildungsoptik
- 8
- Abbildungsoptik
- 10
- Gehäuse
- 9
- Schnittstelle
- 11
- Deckel
- 12
- Detektorgehäuse
- 20
- Linear variabler Filter
- 21
- Linear variabler Filter
- 30
- Bandpassfilter
- 35
- Temperaturreglung
- 40
- Temperaturreglung
- 50
- ATR-Element
- 51
- Ende
- 52
- Ende
- 55
- Spiegel
- 60
- elektromagnetische Strahlung
- 61
- elektromagnetische Strahlung
