DE102013219932A1

DE102013219932A1 - Optische Messvorrichtung und Messverfahren

Info

Publication number: DE102013219932A1
Application number: DE201310219932
Authority: DE
Inventors: Hans Meyer; Andrey Bogomolov
Original assignee: J & M Analytik AG
Current assignee: J & M Analytik AG
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: DE102013219932B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Charakterisierung eines streuenden Mediums, mit mindestens einer Lichtquelle (1) und mindestens einem mit der Lichtquelle (1) in optischer Verbindung stehendem Beleuchtungsfenster (3') zur Beleuchtung des Mediums, mindestens einem mit einem Detektor (71, 72, 73, 74) in optischer Verbindung stehenden Empfangsfenster (80–86) zur Aufnahme der an dem Medium gestreuten Strahlung. Dabei sind mindestens zwei Empfangsfenster (80–86) vorhanden, welche in einer festen räumlichen Beziehung zu dem Beleuchtungsfenster (3') stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Charakterisierung eines streuenden Mediums. Derartige Messvorrichtungen werden insbesondere für die Untersuchung von Pulvern oder auch Flüssigkeiten wie Suspensionen oder Emulsionen verwendet. Üblicherweise wird dabei die Absorptionscharakteristik des streuenden Mediums ausgenutzt. So ist beispielsweise in dem Europäischen Patent EP 1 444 501 B1 ein spektroskopisches Flüssigkeitsanalysegerät beschrieben, bei welchem unter anderem eine Transmissionsmessung vorgenommen wird.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist es, dass regelmäßig eine Kalibrierung der Messvorrichtungen beispielsweise mittels eines Referenzmediums vorgenommen werden muss, wodurch eine kontinuierliche Messung eines Mediums erschwert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte, einfach aufgebaute und robuste Messvorrichtung bzw. ein Messverfahren anzugeben, bei welcher bzw. bei welchem eine gesonderte Referenzmessung nicht erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Messvorrichtung mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im unabhängigen Anspruch 8 genannten Merkmalen. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Varianten und Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung zur Charakterisierung eines streuenden Mediums zeigt mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein mit der Lichtquelle in optischer Verbindung stehendes Beleuchtungsfenster zur Beleuchtung des Mediums. Daneben zeigt die Messvorrichtung mindestens ein mit einem Detektor in optischer Verbindung stehendes Empfangsfenster zur Aufnahme der an dem Medium gestreuten Strahlung. Dabei sind mindestens zwei Empfangsfenster vorhanden, welche in einer festen räumlichen Beziehung zu dem Beleuchtungs-fenster stehen. Durch die bekannte räumliche Anordnung der Fenster zueinander wird es erfindungsgemäß möglich, auf einfache Weise insbesondere eine Winkelabhängigkeit der Streuintensität des eingestrahlten Lichtes zu ermitteln.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Empfangsfenster und das Beleuchtungsfenster in derselben Ebene angeordnet. Dabei können die Fenster insbesondere auch derart ausgerichtet sein, dass die Normalen auf den Fensteroberflächen parallel zu einander verlaufen; d. h., dass sowohl das Beleuchtungsfenster wie auch die Empfangsfenster dieselbe ”Blickrichtung” aufweisen. Allerdings ist die Anordnung der Fenster in derselben Ebene nicht zwingend – auch eine Anordnung auf einer nicht ebenen Fläche, beispielsweise einer Kugelschale ist denkbar. Daneben können sowohl Beleuchtungsfenster als auch Empfangsfenster als Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsflächen eines Faserbündels ausgebildet sein.
Insbesondere können die Empfangsfenster und das Beleuchtungsfenster auf einer Geraden angeordnet sein, so dass des Beleuchtungsfenster und die Empfangsfenster eine Art von linearem Array ausbilden.
Dadurch, dass die Lichtquelle geeignet ist, wahlweise Licht in unterschiedlichen Spektralbereichen zu emittieren, kann die Präzision der Messung erhöht werden. Hierzu kann die Lichtquelle mindestens zwei Einzellichtquellen wie beispielsweise LED's aufweisen, durch welche Licht in unterschiedlichen Spektralbereichen insbesondere des sichtbaren Spektrums emittiert werden kann. Auch die Verwendung von Lichtquellen, die Licht außerhalb des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums emittieren, beispielsweise im ultravioletten oder nah-infraroten Spektralbereich, ist denkbar.
Für die Gestaltung der Lichtquelle bzw. der Einzellichtquelten gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. So ist es beispielsweise denkbar, eine Vielzahl verschiedener Halbleiterlichtquellen auf einem gemeinsamen Substrat anzuordnen. Auch die Verwendung einer durchstimmbaren Lichtquelle wie beispielsweise einer Weißlichtquelle in Verbindung mit einem Monochromator ist hier denkbar.
Zur optischen Verbindung können Lichtwellenleiter, insbesondere Fasern, vorhanden sein. Allerdings ist eine optische Verbindung über Lichtwellenleiter nicht zwingend. Unter bestimmten Voraussetzungen kann auf die Verwendung von Lichtwellenleitern verzichtet werden. Im Extremfall ist es sogar denkbar, den gesamten Emissions- und Detektionsteil der Messvorrichtung hochintegriert, ggf. sogar auf einem einzigen Chip, zu realisieren. Diese Ausführungsform ist insbesondere für medizinische Anwendungen wie beispielsweise in vivo-Untersuchungen von Blut oder anderen Körperflüssigkeiten denkbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Charakterisierung eines streuenden Mediums wird das Medium mittels einer Lichtquelle durch ein Beleuchtungsfenster beleuchtet. Die Intensität der von dem Medium zurückgestreuten optischen Strahlung wird nachfolgend an mindestens zwei Empfangsfenstern erfasst. Dabei stehen die Empfangsfenster in einer festen räumlichen Beziehung zu dem Beleuchtungsfenster; sie können insbesondere in derselben Ebene angeordnet sein.
Bei der Charakterisierung des Mediums kann ein Quotient aus an zwei Empfangsfenstern gleichzeitig empfangenen Intensitäten gebildet werden. Die Quotientenbildung hat dabei den Vorteil, dass Intensitätsschwankungen der Lichtquelle keinen störenden Einfluss auf die Qualität der Messung haben können, da lediglich noch Relativwerte von Intensitäten zueinander betrachtet werden. Es ist auch denkbar, die empfangenen Intensitäten auf andere Weise zueinander in Bezug zu setzen.
Bei dem Medium kann es sich um ein Kolloid, insbesondere eine Suspension oder eine Emulsion wie beispielsweise Milch handeln.
Insbesondere kann der Fett- oder der Eiweißgehalt oder eine sonstige Eigenschaft der Milch bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft kann die Charakterisierung der Milch im Zuge eines Melkprozesses vorgenommen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste exemplarische Ausführungsform der Erfindung,
2 eine weitere exemplarische erfindungsgemäße Anordnung; und
3 eine beispielhaft aufgenommene Spektrencharge für eine Kalibrationsmessung.
1 zeigt eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung. Im gezeigten Beispiel weist die optische Messvorrichtung ein in der Figur nicht gesondert bezeichnetes Beleuchtungsfenster sowie vier ebenfalls nicht gesondert bezeichnete Empfangsfenster auf. Das Beleuchtungsfenster ist dabei an einem Sondenfenster 4 angeordnet, welches einem Probenvolumen 5 zugewandt ist. Im vorliegenden Beispiel besteht das Beleuchtungsfenster im Wesentlichen aus der in der Figur nicht explizit dargestellten und nicht näher bezeichneten Austrittsfläche des als Beleuchtungsfaser 3 ausgebildeten Lichtwellenleiters, welche als Quarzglasfaser mit einem Kerndurchmesser von ca. 600 μm ausgebildet sein kann. Die Beleuchtungsfaser 3 selbst steht über die als Einkoppelfasern 20, 21, 22, 23 und 24 ausgebildeten Lichtwellenleiter mit den im vorliegenden Beispiel als LED's 10, 11, 12, 13, 14 ausgebildeten Einzellichtquellen der Lichtquelle 1 in optischer Verbindung. Die LED's 10, 11, 12, 13, 14 sind dabei derart gewählt, dass sie im Wesentlichen monochromatisches Licht im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich emittieren können, wobei im vorliegenden Beispiel durch jede LED ein anderer Teil des genannten Spektralbereiches adressiert werden kann. Auch eine Verwendung elektromagnetischer Strahlung aus anderen Spektralbereichen ist denkbar.
Im Betrieb wird jeweils eine der gezeigten LED's 10 bis 14 aktiviert, aus welcher die emittierte optische Strahlung über die Einkoppelfasern 20 bis 24 und die Beleuchtungsfaser 3 in das Probenvolumen 5 eingestrahlt wird. Beim Probenvolumen kann es sich insbesondere ein Kolloid, insbesondere um eine Suspension oder Emulsion wie beispielsweise Milch, ein Pulver oder einen Festkörper handeln. Die von dem Probenvolumen zurückgestreute optische Strahlung tritt durch die in der 1 ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Empfangsfenster in die Empfangslichtwellenleiter 61 bis 64 ein. Mit den Empfangslichtwellenleitern 61 bis 64 verbunden sind die Detektoren 71 bis 74, durch welche Spannungswerte ausgegeben werden, die von der auf den jeweiligen Detektor einfallenden Strahlungsintensität abhängen. Aufgrund der bekannten räumlichen Lage der Empfangsfenster ergibt sich somit eine Information über die Abhängigkeit der gestreuten Intensität vom Streuwinkel, woraus sich wiederum Informationen über die Charakteristika des untersuchten Probenvolumens 5 gewinnen lassen.
In einem konkreten Messvorgang wird zunächst von einer der LED's 10–14 Licht einer bestimmten Wellenlänge emittiert und die auf die Empfangsfenster einfallenden Intensitäten werden in Form von Ausgangspannungen U₇₁, U₇₂, U₇₃ und U₇₄ detektiert. Nachfolgend werden die gemessenen Intensitäten pro Empfangsfenster zu einer gemessenen Intensität in einem bestimmten Empfangsfenster in Beziehung gesetzt. Insbesondere können die Quotienten U₇₂/U₇₁, U₇₃/U₇₁ und U₇₄/U₇₁ gebildet werden, so dass sich drei auf U₇₁ normierte relative Intensitäten in Abhängigkeit des Streuwinkels ermitteln lassen. Selbstverständlich kann prinzipiell auf jede der Detektorspannungen U_nm normiert werden. Der Vorteil der Normierung besteht darin, dass Intensitätsschwankungen der Lichtquelle bzw. einer der Lichtquellen 10 bis 14 nicht die Messung verfälschen können. Diese Messung wird gegebenenfalls für dieselbe Lichtquelle und nachfolgend für die weiteren Lichtquellen wiederholt, sodass im Ergebnis eine Vielzahl von Messpunkten in Abhängigkeit der Wellenlänge und des Streuwinkels vorliegt. Aus den ermittelten Werten kann beispielsweise durch das multivariate Modellieren zuverlässig auf die Inhaltsstoffe bzw. die prozentuale Verteilung der Inhaltsstoffe im Probenvolumen 5 zurückgeschlossen werden. So lassen sich beispielsweise Eiweiß- oder Fettanteile in Milch schnell und zuverlässig, insbesondere ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Referenzmessung, ermitteln.
Damit eignet sich die gezeigte Vorrichtung und das beschriebene Verfahren insbesondere auch für eine Bestimmung von Milchqualität bereits während eines Melkvorganges, solange die untersuchte Milch einer bestimmten Kuh zugeordnet werden kann, d. h. bevor die Milch einen Sammelbehälter erreicht hat. Auch das Vorliegen von Erkrankungen oder Leistungsabfällen der entsprechenden Kuh kann auf diese Weise schnell, sicher und mit vergleichsweise geringem Aufwand bereits bei dem Landwirt vorgenommen werden; insbesondere ermöglicht es die beschriebene Vorrichtung aufgrund ihrer kompakten Bauform auch, schnell eventuell problematische Milch auszusondern, bevor sie einen Sammelbehälter und damit den weiteren Produktionsprozess erreicht. Es versteht sich von selbst, dass die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Verfahren praktisch in jeder Stufe des Produktionsprozesses angewendet werden kann. Die bereits angesprochene kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht auch eine Realisation als Handheld-Gerät bzw. in Tankwagen.
Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung nicht auf die Analyse von Milch beschränkt, sondern es ist auch denkbar, praktisch jedes streuende Medium unter Verwendung der Erfindung zu charakterisieren. So kommt insbesondere auch eine Anwendung für die Analyse von Pulvern, bspw. als Ausgangsstoff für Tabletten, in Frage. Ferner kann die Erfindung beispielsweise

– in Bioreaktoren, insbesondere zur Herstellung von Biogas, Bier, Antibiotika o. Ä.
– zur Bestimmung der Charakteristika von Lacken bzw. Farben, insbesondere zur Bestimmung der Partikelgröße

2 zeigt eine weitere exemplarische erfindungsgemäße Anordnung. Das mit dem Computer 400 verbundene Spektrofotometer 300 steht über eine in der Figur nicht bezeichnete Lichtwellenleiterverbindung mit dem Multiplexer 200 in Verbindung, welcher seinerseits über eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern (ebenfalls nicht bezeichnet) mit dem Messkopf 100 verbunden ist. Der Messkopf 100 ist dabei auf das Probenvolumen 5' gerichtet. 2a zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung eine Frontansicht des Messkopfs 100. Während des Betriebs der gezeigten Anordnung wird über das Spektrofotometer 300 das Probenvolumen 5' durch das Beleuchtungsfenster 3' beleuchtet. Das durch das Beleuchtungsfenster 3' emittierte Licht kann entweder von einer Weißlichtquelle stammen oder von einer durchstimmbaren, schmalbandigen Quelle (beispielsweise einem External Cavity Laser o. Ä.) herrühren. Das aus dem Probenvolumen 5' zurückgestreute Licht wird nachfolgend über die Empfangsfenster 80 bis 86 aufgenommen. Im gezeigten Beispiel kann beispielsweise das Empfangsfenster 80 als Referenzfenster verwendet werden. Während des Betriebs wird für jedes der Empfangsfenster 80 bis 86 ein Spektrum aus einem bestimmten Wellenlängenbereich, beispielsweise aus dem Bereich von 400 bis 900 nm aufgenommen. Gut erkennbar in 2 ist die praktisch ebene Ausbildung der Frontseite des Messkopfs 100. Diese ebene Ausbildung ermöglicht einerseits das einfache Aufsetzen des Messkopfes 100 beispielsweise auf ein Schauglas und andererseits gewährleistet sie eine gute Reinigbarkeit der Stirnseite des Messkopfes 100.
3 zeigt exemplarisch eine aufgenommene Spektrencharge für eine Kalibrationsmessung. Aufgetragen ist jeweils der Logarithmus des Verhältnisses der gemessenen Intensitäten der einzelnen Empfangsfenster 81–86 zur gemessenen Intensität des Referenzfensters 80. Dabei wurde jeweils in einem Wellenlängenbereich von 400 bis 900 nm gemessen. Die aufgetragenen Kurven entsprechen jeweils einer bekannten Probe mit bekannter Partikelgröße, bekanntem Eiweiß- und bekanntem Fettanteil. Im vorliegenden Beispiel wurden 10 bekannte Proben vermessen; selbstverständlich kann prinzipiell eine unbegrenzte Zahl von Proben vermessen werden. Sehr gut erkennbar ist die hohe Abhängigkeit des gemessenen Spektrums vom Empfangsfenster 81–86 und damit vom Abstand des Empfangsfenster 81–86 vom Beleuchtungsfenster 3 und damit im Ergebnis die hohe Winkelabhängigkeit der aufgenommenen Spektren. Die spektralen Informationen aller Kanäle können für eine multivariate Kalibration verwendet werden (z. B. PLS-Regression). Das so erhaltene multivariate Regressionsmodell kann dann für die Vorhersage einer unbekannten Probe (z. B. Fett oder Protein) verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist hier, dass durch die Bildung des Verhältnisses der über die Empfangsfenster 81–86 aufgenommenen Intensität und der über das Referenzfenster 80 aufgenommenen Intensität von vornherein ausgeschlossen wird, dass sich Schwankungen in der Intensität der Lichtquelle nachteilig auf das Messergebnis auswirken. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, auf eine zusätzliche interne Referenz zu verzichten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1444501 B1 [0001]

Claims

Optische Messvorrichtung zur Charakterisierung eines streuenden Mediums, mit mindestens einer Lichtquelle (1) und mindestens einem mit der Lichtquelle (1) in optischer Verbindung stehendem Beleuchtungsfenster (3') zur Beleuchtung des Mediums, mindestens einem mit einem Detektor (71, 72, 73, 74) in optischer Verbindung stehenden Empfangsfenster (80–86) zur Aufnahme der an dem Medium gestreuten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Empfangsfenster (80–86) vorhanden sind, welche in einer festen räumlichen Beziehung zu dem Beleuchtungsfenster (3') stehen.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfenster (80–86) und das Beleuchtungsfenster (3') in derselben Ebene angeordnet sind.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfenster (80–86) und das Beleuchtungsfenster (3') auf einer Geraden angeordnet sind.
Optische Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) geeignet ist, wahlweise Licht in unterschiedlichen Spektralbereichen zu emittieren.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) mindestens zwei Einzellichtquellen (10, 11, 12, 13, 14) aufweist, durch welche Licht in unterschiedlichen Spektralbereichen des ultravioletten, sichtbaren oder nah-infraroten Spektrums emittiert werden kann.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Einzellichtquellen (10, 11, 12, 13, 14) um LED's handelt.
Optische Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtwellenleiter (3, 20, 21, 22, 23, 24, 61, 62, 63, 64), insbesondere Fasern, zur optischen Verbindung vorhanden sind.
Verfahren zur Charakterisierung eines streuenden Mediums, wobei das Medium mittels einer Lichtquelle (1) durch ein Beleuchtungsfenster (3') beleuchtet wird und wobei die Intensität der von dem Medium zurückgestreuten optischen Strahlung an mindestens zwei Empfangsfenstern (80–86) erfasst wird, welche in einer festen räumlichen Beziehung zu dem Beleuchtungsfenster (3') stehen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfenster (80–86) und das Beleuchtungsfenster (3') in derselben Ebene angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Charakterisierung des Mediums an zwei Empfangsfenstern (80–86) empfangene Intensitäten zueinander in Bezug gesetzt werden, insbesondere ein Quotient aus den Intensitäten gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Medium um ein Kolloid, insbesondere eine Suspension oder eine Emulsion handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Medium um Milch handelt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fett- oder der Eiweißgehalt oder eine sonstige Eigenschaft der Milch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierung der Milch im Zuge eines Melkprozesses vorgenommen wird.