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Die Erfindung betrifft eine Transmissionsmesseinrichtung zur Ermittlung von optischen Absorptionseigenschaften eines Probenfluids, mit einem optischen System, das eine Strahlungsquelle zur Aussendung von elektromagnetischen Wellen längs eines optischen Pfades und einen Strahlungsdetektor zum Empfang der längs des optischen Pfades ausgesendeten Wellen umfasst, mit einem Fluidleiter zur Aufnahme des zu untersuchenden Probenfluids, der einen ersten Messabschnitt und einen zweiten Messabschnitt aufweist, die jeweils zur Anordnung im optischen Pfad ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Substanz in einem Probenfluid durch Ermittlung von Transmissionseigenschaften des Probenfluids.
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Aus der
DE 29 05 230 A1 ist ein Zweistrahl-Wechsellicht-Kolorimeter bekannt, das aus einer Beleuchtungsoptik und einem Steuerorgan besteht, wobei das Steuerorgan mit Hilfe zweier feststehender Umlenkspiegel den von einer Lichtquelle erzeugten Messstrahl im Wechsel durch eine erste und darauffolgend durch eine zweite Messküvette auf ein gemeinsames Fotoelement ablenkt, sowie mit einer mit dem Fotoelement verbundenen Mess- und Auswerteschaltung, wobei das Steuerorgan ein in den Strahlengang des Messstrahles einschwenkbarer Spiegel ist, der den von der Lichtquelle erzeugten Messstrahl um 90° ablenkt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Transmissionseinrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Substanz in einem Probenfluid bereitzustellen, bei denen eine zumindest teilweise Kompensation von systematischen Fehlern der Strahlungsquelle und/oder des Fluidleiters und/oder des Strahlungsdetektors ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird für die Transmissionseinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierbei ist vorgesehen, dass der erste Messabschnitt und der zweite Messabschnitt längs eines Fluidpfads in Reihe angeordnet sind und das dem Fluidleiter und/oder dem optischen System ein Einstellmittel zugeordnet ist, das für eine Relativbewegung der Messabschnitte gegenüber dem optischen Pfad und/oder für eine Beeinflussung des optischen Pfades ausgebildet ist, um eine wahlweise Einbringung der Messabschnitte in den optischen Pfad zu ermöglichen.
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Während bei der
DE 29 05 230 A1 eine fluidische Parallelschaltung der beiden Messküvetten offenbart wird, ist bei der Transmissionsmesseinrichtung vorgesehen, dass die beiden Messabschnitte des Fluidleiters entlang eines Fluidpfads in Reihe angeordnet sind, so dass gewährleistet werden kann, dass das zu untersuchende Probenfluid beide Messabschnitte durchströmt und Messfehler aufgrund einer inhomogenen Aufteilung des zu untersuchenden Probenfluids auf zwei parallele Fluidzweige eines Fluidpfads, wie er aus der
DE 29 05 230 A1 bekannt ist, vermieden werden können.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Einstellmittel dazu ausgebildet ist, die Messabschnitte des Fluidleiters wahlweise, vorzugsweise in vorgebbarer Abfolge, in den optischen Pfad einzubringen, wobei entweder eine alternative (zeitlich aufeinanderfolgende) Einbringung der Messabschnitte vorgesehen sein kann oder eine zeitweilig singuläre und zeitweilig kombinierte Einbringung der Messabschnitte in den optischen Pfad vorgesehen werden kann. Die Anordnung der Messabschnitte in Reihe längs des Fluidpfads des Fluidleiters ist so zu verstehen, dass ein Volumenabschnitt des Probenfluids, der den Fluidleiter durchströmt, zunächst den ersten Messabschnitt passiert und anschließend den zweiten Messabschnitt passiert. Hierdurch werden unerwünschte Einflüsse auf die Eigenschaften des zu untersuchenden Probenfluids vermieden, wie sie bei einer Aufteilung des Probenfluids auf zwei parallel verlaufende Fluidpfade auftreten können, wie dies aus der
DE 29 05 230 A1 bekannt ist. Im Hinblick auf die zur Ermittlung der Absorptionseigenschaften des Probenfluids eingesetzte Strahlungsquelle ist zu erwähnen, dass es sich hierbei insbesondere um eine Strahlungsquelle handelt, die elektromagnetische Wellen in einem Wellenlängenbereich ausgibt, der als sichtbares Licht bezeichnet wird. Alternativ kann die Strahlungsquelle auch zusätzlich oder ausschließlich zur Bereitstellung von elektromagnetischen Wellen im Ultraviolettbereich oder im Infrarotbereich ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle zur Ausgabe eines Strahlenbündels ausgebildet, das längs des optischen Pfads verläuft.
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Bei dem Probenfluid kann es sich vorzugsweise um ein Gas oder eine Flüssigkeit oder eine Dispersion, insbesondere um ein Aerosol oder eine Emulsion oder eine Suspension, handeln.
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Der Strahlungsdetektor kann insbesondere dazu ausgebildet sein, mehrere unterschiedliche Intensitäten für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche zu erfassen. Ein solcher Sensor wird als spektraler Sensor oder multispektraler Sensor bezeichnet und kann beispielsweise als LAB-Sensor oder RGB-Sensor ausgebildet sein. Die nachfolgende Auswertung zur Ermittlung von Eigenschaften des Probenfluids kann eine Kombination der Intensitäten für die unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche, vorzugsweise unter Einbeziehung vorgebbarer Gewichtungsfaktoren für die einzelnen unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche, beinhalten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn ein dem optischen System zugehöriges Einstellmittel wenigstens ein optisches Umlenkmittel, insbesondere einen Klappspiegel, umfasst, das für eine wahlweise Umlenkung der längs des optischen Pfades ausgesendeten Wellen in den ersten und/oder den zweiten Messabschnitt ausgebildet ist. Mit Hilfe des optischen Umlenkmittels, bei dem es sich beispielsweise um einen Klappspiegel, ein Prisma, eine Linsenanordnung oder eine Kombination derartiger Komponenten handeln kann, wird das von der Strahlungsquelle ausgesendete Bündel von elektromagnetischen Wellen in einer Weise umgelenkt, dass entweder einer der Messabschnitte oder gegebenenfalls auch beide Messabschnitte in den optischen Pfad eingebracht sind und somit die elektromagnetischen Wellen das zu untersuchende Probenfluid wenigstens längs des ersten oder zweiten Messabschnitts durchsetzen und dort in die gewünschte Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Substanz gelangen.
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Bei einer alternativen Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein dem optischen System zugehöriges Einstellmittel wenigstens ein optisches Schaltmittel, insbesondere eine schaltbare Blende, umfasst, das für eine wahlweise Freigabe von wenigstens zwei unterschiedlich ausgebildeten optischen Pfaden zur Bereitstellung der ausgesendeten Wellen in den ersten und/oder den zweiten Messabschnitt ausgebildet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die optischen Komponenten im optischen System wenigstens zwei unterschiedliche optische Pfade bestimmen, die ein wahlweises Durchstrahlen des ersten und zweiten Messabschnitts ermöglichen und dass eine Auswahl desjenigen optischen Pfades, der tatsächlich mit den Wellen der Strahlungsquelle beaufschlagt wird, mit Hilfe des optischen Schaltmittels erfolgt. Bei diesem Schaltmittel kann es sich beispielsweise um eine schaltbare Blende handeln, die beispielsweise jeweils einen der beiden optischen Pfade blockiert und zeitgleich den anderen optischen Pfad freigibt. Alternativ kann das optische Schaltmittel auch dazu ausgebildet sein, wahlweise beweglich ausgebildete Anfangsabschnitte des jeweiligen optischen Pfades gegenüber der Strahlungsquelle anzuordnen bzw. von dieser zu entfernen, um das von der Strahlungsquelle bereitgestellte Strahlenbündel wahlweise in den jeweiligen optischen Pfad einzukoppeln oder eine solche Einkopplung zu beenden. Dies kann beispielsweise durch beweglich gelagerte Lichtleitmittel, insbesondere flexible optische Fasern, verwirklicht werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einstellmittel als Aktor für eine Einleitung einer Schwenkbewegung und/oder einer Linearbewegung auf den Fluidleiter ausgebildet ist, um wahlweise einen oder beide Messabschnitte in den optischen Pfad einzubringen. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der optische Pfad zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor stets in gleicher Weise verläuft und während der Durchführung des Messablaufs lediglich eine Veränderung dahingehend herbeigeführt wird, dass einer oder beide Messabschnitte in den optischen Pfad eingebracht oder aus diesem entfernt werden. Diese Einbringung und Entfernung der Messabschnitte erfolgt durch eine Relativbewegung des Fluidleiters mit Hilfe eines entsprechenden Einstellmittels. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Einstellmittel den Fluidleiter mit den darin ausgebildeten beiden Messabschnitten um eine Schwenkachse verschwenkt und dadurch die gewünschte wahlweise Einbringung der beiden Messabschnitte in den optischen Pfad verwirklicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische System genau eine Strahlungsquelle und/oder genau einen Strahlungsdetektor umfasst. Hierdurch werden systematische Fehler, die auf die Strahlungsquelle und/oder den Strahlungsdetektor zurückgehen, minimiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das optische System genau eine Strahlungsquelle und genau einen Strahlungsdetektor umfasst.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass vom ersten und vom zweiten Messabschnitt bestimmte erste und zweite Transmissionsbereiche eine unterschiedliche Erstreckung für die längs des optischen Pfades ausgesendeten elektromagnetischen Wellen aufweisen. Durch diese mechanische Ausgestaltung der beiden Messabschnitte können nahezu sämtliche unerwünschten Einflüsse auf das Transmissionsverhalten für die elektromagnetischen Wellen längs des optischen Pfades kompensiert werden. Vorzugsweise wird eine Differenz- oder Quotientenbildung zwischen einer ersten Austrittsintensität der elektromagnetischen Wellen nach Passieren des ersten Messabschnitts und einer zweiten Austrittsintensität der elektromagnetischen Wellen nach Passieren des zweiten Messabschnitts ermittelt. Anschließend kann unter Einbeziehung der Geometrie der beiden Messabschnitte auf die spezifische Abschwächung der von der Strahlenquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen durch das zu untersuchende Probenfluid geschlossen werden. Ferner wird durch die Analyse der beiden Austrittsintensitäten eine Plausibilitätskontrolle für die ermittelten Messwerte ermöglicht, da eine zu erwartende Abweichung zwischen den beiden Austrittsintensitäten ein vorgebbares Intervall nicht überschreiten darf.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Substanz in einem Probenfluid durch Ermittlung von Transmissionseigenschaften des Probenfluids gemäß dem Anspruch 7 gelöst. Hierbei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Bereitstellen eines Strahlenbündels von elektromagentischen Wellen von einer Strahlungsquelle längs eines optischen Pfades, Ermitteln von Austrittsintensitäten des Strahlenbündels mit einem Strahlungsdetektor nach Durchstrahlen unterschiedlicher Messabschnitte eines, insbesondere wechselweise von einem Referenzfluid und einer Probenfluid durchströmten, Fluidleiters oder nach mehrmaligem Durchstrahlen wenigstens eines, in zeitlicher Abfolge mit einem Referenzfluid mit und ohne eine Reagenzsubstanz und einem Probenfluid mit und ohne eine Reagenzsubstanz befüllten Messabschnitts eines Fluidleiters und Ermitteln von Verhältnissen zwischen den unterschiedlichen Austrittsintensitäten zur Berechnung der gesuchten Konzentration.
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Bei dem Referenzfluid kann es sich vorzugsweise um ein Gas oder eine Flüssigkeit oder eine Dispersion, insbesondere um ein Aerosol oder eine Emulsion oder eine Suspension, handeln.
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Durch diese Maßnahmen ist eine weitgehende, insbesondere zumindest nahezu vollständige, Kompensation von systematischen Fehlern in einer Transmissionsmesseinrichtung möglich. Diese systematischen Fehler treten beispielsweise durch eine Alterung der Strahlungsquelle und/oder des Strahlungsdetektors oder durch Alterung oder Verschmutzung des Fluidleiters ein und können das Messergebnis maßgeblich beeinflussen. Um diese Einflüsse zu minimieren, insbesondere zumindest nahezu vollständig zu kompensieren, werden die elektromagnetischen Wellen nacheinander durch die wenigstens zwei Messabschnitte des Fluidleiters geleitet, so dass durch eine nachfolgende Differenzbildung oder Quotientenbildung zwischen den ermittelten Austrittsintensitäten des Strahlenbündels, die gewünschte Kompensation von systematischen Fehlern ermöglicht wird.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Transmissionsmessungen an wenigstens einem, insbesondere genau einem, Messabschnitt des Fluidleiters mit einer vorgegebenen Abfolge durchgeführt werden, wobei auch in diesem Fall eine Differenzbildung oder Quotientenbildung zwischen den ermittelten Austrittsintensitäten vorgenommen wird, die sich bei einer Messung eines mit Referenzfluid mit und ohne eine Reagenzsubstanz gefüllten Messabschnitts und einer vorausgegangenen oder nachfolgenden Messung an einem Messabschnitt, der mit dem Probenfluid mit und ohne eine Reagenzsubstanz gefüllt ist, ergeben hat.
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Beispielsweise weist das Referenzfluid, beispielsweise deionisiertes Wasser, keine messtechnisch relevante Absorption für die elektromagnetischen Wellen der Strahlungsquelle auf, so dass sämtliche Abschwächungen des Strahlenbündels beim Durchstrahlen des ersten oder des zweiten Messabschnitts auf die Eigenschaften des jeweiligen Messabschnitts zurückzuführen sind. Anschließend findet eine Transmissionsmessung statt, bei der das Referenzfluid mit einer Reagenzsubstanz versetzt wird, die für eine Reaktion mit der gesuchten Substanz vorgesehen ist und die für sich betrachtet gewisse Absorptionseigenschaften für die elektromagnetischen Wellen aufweisen kann. Bei der nachfolgenden Durchführung einer Messung mit dem zu untersuchenden Probenfluid, die zunächst keine Reagenzsubstanz enthält, wird das Transmissionsverhalten für das Probenfluid ermittelt, die zwar die gesuchte Substanz enthält, die jedoch ihrerseits keine nennenswerte Beeinflussung der Transmissionseigenschaften für die elektromagnetischen Wellen mit sich bringt. Abschließend erfolgt eine Messung für das mit der Reaktionssubstanz versetzte Probenfluid, wobei die Reaktionssubstanz eine chemische Reaktion mit der gesuchten Substanz eingeht und dadurch die Transmissionseigenschaften des Probenfluids verändert. Aus den hiermit gewonnenen Erkenntnissen können die Einflüsse des Fluidleiters weitgehend, insbesondere zumindest nahezu vollständig, kompensiert werden. Die Reihenfolge der einzelnen Transmissionsmessungen ist dabei unerheblich, es bietet sich jedoch an, die Messungen mit jeweils einer der der Fluide, insbesondere Flüssigkeiten (Referenzfluid, Probenfluid), mit und ohne die Reagenzsubstanz unmittelbar nacheinander durchzuführen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass für eine Kompensation von systematischen Fehlern der Strahlungsquelle, des Fluidleiters und des Strahlungsdetektors die Transmissionsmessungen für das Referenzfluid und für das Probenfluid jeweils in zeitlicher Abfolge nacheinander in den unterschiedlichen Messabschnitten des Fluidleiters vorgenommen werden. Alternativ kann auch vorgesehen werden, für eine Kompensation von systematischen Fehlern der Strahlungsquelle, des Fluidleiters und des Strahlungsdetektors die Transmissionsmessungen in den unterschiedlichen Messabschnitten des Fluidleiters jeweils in zeitlicher Abfolge nacheinander für das Referenzfluid und für die Probenfluid vorzunehmen, so dass zunächst die Transmissionsmessungen für das Referenzfluid in den unterschiedlichen Messabschnitten des Fluidleiters vorgenommen werden und zeitlich vorher oder nachher die die Transmissionsmessungen für die Probenfluid in den unterschiedlichen Messabschnitten des Fluidleiters vorgenommen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine Kompensation von systematischen Fehlern der Strahlungsquelle, des Fluidleiters und des Strahlungsdetektors die Transmissionsmessungen für das Referenzfluid mit und ohne eine Reagenzsubstanz und für das Probenfluid mit und ohne eine Reagenzsubstanz jeweils in zeitlicher Abfolge nacheinander in den unterschiedlichen Messabschnitten des Fluidleiters vorgenommen werden
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Bei der Reagenzsubstanz handelt es sich vorzugsweise um eine Substanz, die eine chemische Reaktion mit der gesuchten Substanz in der zu untersuchenden Flüssigkeit hervorruft. Die Reagenzsubstanz wird eingesetzt, wenn die gesuchte Substanz keine Absorption der Wellen des Strahlenbündels hervorruft und führt nach der chemischen Reaktion mit der gesuchten Substanz zu einer Absorption für die Wellen des Strahlenbündels, die vorzugsweise proportional zur Konzentration der gesuchten Substanz in der zu untersuchenden Flüssigkeit ist. Durch die, vorzugsweise zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende, Durchführung von Messungen für die zu untersuchende Flüssigkeit und das Referenzfluid mit und ohne Reagenzsubstanz können die Transmissionseigenschaften des wenigstens einen Messabschnitts und die Eigenschaften des übrigen optischen Pfads ermittelt werden. Mit diesen Kenntnissen kann eine verbesserte Transmissionsmessung der zu untersuchenden Flüssigkeit vorgenommen werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Transmissionsmesseinrichtung zur Ermittlung von optischen Absorptionseigenschaften eines Probenfluids mit umschaltbaren optischen Pfaden und mit zwei Messabschnitten, die fluidisch in Reihe geschaltet sind und die längs der jeweiligen optischen Pfade eine unterschiedlichen Längenausdehnung aufweisen,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Transmissionseinrichtung, bei der der Fluidleiter zwei in Reihe geschaltete Messabschnitte aufweist und ausgehend von einer Strahlungsquelle zwei unterschiedlich optische Pfade vorgesehen sind, die wahlweise mit Hilfe eines optischen Schaltmittels freigegeben werden können,
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3 eine dritte Ausführungsform einer Transmissionsmesseinrichtung mit zwei längs des Fluidpfads in Reihe angeordneten Messabschnitten, wobei der Fluidleiter um eine Schwenkachse verschwenkt werden kann, um jeweils einen der beiden Messabschnitte in einen optischen Pfad zwischen einer Strahlungsquelle und einen Strahlungsdetektor einzubringen, und
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4 eine Seitenansicht der Transmissionseinrichtung gemäß der 3.
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Eine in der 1 dargestellte Transmissionseinrichtung 1 ist rein exemplarisch modular ausgebildet und umfasst eine Trägerplatte 2, auf der ein aus mehreren optischen Komponenten ausgebildetes optisches System 3 aufgebaut ist. Ferner umfasst die Transmissionseinrichtung 1 eine Probenplatte 4, die über nicht näher dargestellte Befestigungsmittel in einer eindeutigen Position an der Trägerplatte 2 angebracht werden kann und die einen Fluidleiter 5 trägt.
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Exemplarisch ist vorgesehen, dass der Fluidleiter 5 in einer senkrecht zur Darstellungsebene der 1 ausgerichteten, nicht dargestellten Querschnittsebene einen quadratischen Querschnitt aufweist und aus einem Material hergestellt ist, das für elektromagnetische Wellen, wie sie vom optischen System 3 bereitgestellt werden können, zumindest nahezu, insbesondere vollständig, transparent ist. Jeweils endseitig ist der Fluidleiter 5 mit Anschlussstutzen 6, 7 versehen, die für eine Ankopplung an ein nicht näher dargestelltes Fluidsystem ausgebildet sind, das seinerseits für eine Bereitstellung und eine Abfuhr eines zu überprüfenden Probenfluids ausgebildet ist.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Probenplatte 4 mit dem darauf angeordneten Fluidleiter 5 und den Anschlussstutzen 6 fluiddicht aus einem oder mehreren Kunststoffteilen, insbesondere aus PMMA (Polymethylmethacrylat), hergestellt ist.
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Das auf der Trägerplatte 2 ausgebildete optische System 3 umfasst als optische Komponente eine optische Strahlungsquelle 8, die für eine Bereitstellung eines Strahlenbündels von elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Bereich des für den Menschen sichtbaren Lichts zwischen Wellenlängen von 350 nm bis 720 nm und/oder ultraviolettem Licht und/oder infrarotem Licht, ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die optische Strahlungsquelle als Leuchtdiode, insbesondere Laserdiode, ausgebildet. Für die weitere Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die optische Strahlungsquelle 8 ein kollimiertes Strahlenbündel, insbesondere einen Laserstrahl, ausgibt, das abschnittsweise auf einem von zwei optischen Pfaden 9, 10 bis zu einem Strahlungsdetektor 11 geleitet wird.
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Das optische System 3 umfasst ferner als optische Komponente den Strahlungsdetektor 11, der beispielsweise als lichtempfindliche Diode ausgebildet sein kann und in Abhängigkeit von einer eintreffenden Strahlungsintensität ein Sensorsignal über eine Sensorleitung 12 an eine Verarbeitungseinrichtung 15 ausgibt. Ferner umfasst das optische System 3 als weitere optische Komponenten rein exemplarisch zwei starre Spiegel 16, 17 sowie zwei bewegliche Spiegel 18, 19. Sowohl die starren Spiegel 16, 17 als auch die schwenkbeweglichen Spiegel 18, 19 sind für eine 90-Grad-Umlenkung des von der optischen Strahlungsquelle abgegebenen Strahlenbündels vorgesehen. Dementsprechend folgt das Strahlenbündel in Abhängigkeit von der Schwenkstellung der schwenkbeweglichen Spiegel 18, 19 wahlweise dem ersten optischen Pfad oder dem zweiten optischen Pfad 10 und gelangt somit zum Strahlungsdetektor 11. Dabei sind die schwenkbeweglichen Spiegel 18, 19 jeweils mit einem nicht näher dargestellten Schwenkaktor versehen, der seinerseits über eine Steuerleitung 20, 21 mit der Verarbeitungseinrichtung 15 verbunden ist. In Abhängigkeit von einem Steuersignal, das von der Verarbeitungseinrichtung 15 über die Steuerleitungen 20, 21 an die jeweiligen Schwenkspiegel 18, 19 bereitgestellt werden kann, können die Schwenkspiegel 18, 19 aus dem optischen Pfad 9 bzw. 10 ausgeschwenkt oder in diesen eingeschwenkt werden, um einen vorgebbaren Verlauf für das von der optischen Strahlungsquelle 8 abgegebene Strahlenbündel zu gewährleisten. Bei beiden Schwenkspiegeln 18, 19 ist jeweils eine erste Funktionsposition mit durchgezogenen Linien dargestellt und eine zweite Funktionsposition mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Der Fluidleiter 5 ist für eine Durchströmung mit einem nicht dargestellten, zu prüfenden Probenfluid ausgebildet, wobei für die nachfolgende Beschreibung rein exemplarisch davon ausgegangen wird, dass das zu prüfende Probenfluid am Anschlussstutzen 6 zugeführt und am Anschlussstutzen 7 wieder abgeführt wird. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass der Fluidleiter 5 zwei parallel zueinander ausgerichtete, fluidisch in Reihe geschaltete Messabschnitte 22, 23 aufweist. Beide Messabschnitte 22, 23 sind jeweils geradlinig ausgeführt und weisen jeweils eine optisch transparente, insbesondere eben ausgebildete, Eintrittsfläche 24, 25 sowie eine optisch transparente, insbesondere eben ausgebildete, Austrittsfläche 26, 27 auf. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Eintrittsfläche 24 und die Austrittsfläche 26 parallel zueinander ausgerichtet sind. Ferner ist vorgesehen, dass die Eintrittsfläche 25 und die Austrittsfläche 27 parallel zueinander ausgerichtet sind. Der erste Messabschnitt 22 wird somit durch die erste Eintrittsfläche 24 und die erste Austrittsfläche 26 auf eine Messlänge 28 beschränkt. Der zweite Messabschnitt 23 wird somit durch die zweite Eintrittsfläche 25 und die zweite Austrittsfläche 27 auf eine zweite Messlänge 29 begrenzt. Ferner ist rein exemplarisch vorgesehen, dass die Eintrittsflächen 24 und 25 sowie die Austrittsflächen 26 und 27 jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass auch die Messlängen 28 und 29 eine parallele Ausrichtung zueinander aufweisen.
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Das in 1 dargestellte optische System 3 kann durch entsprechende Ansteuerung der schwenkbeweglichen Spiegel 18, 19 zwei unterschiedliche Konfigurationen einnehmen, in denen jeweils ein Strahlenbündel von elektromagnetischen Wellen einen der beiden optischen Pfade 9, 10 von der optischen Strahlungsquelle 8 durch einen der beiden Messabschnitte 22, 23 hindurch bis zum Strahlungsdetektor 11 durchläuft. Rein exemplarisch ist in der 1 eine erste Konfiguration dargestellt, bei der das Strahlenbündel der elektromagnetischen Wellen, die von der optischen Strahlungsquelle 8 ausgesendet werden, dem zweiten optischen Pfad 10 folgen und hierbei durch den ersten Messabschnitt 22 geleitet werden. Bei einer nur gestrichelt dargestellten alternativen Schwenkstellung der beiden schwenkbeweglichen Spiegel 18, 19 verläuft das Strahlungsbündel ausgehend von der optischen Strahlungsquelle 8 entlang des optischen Pfades 9 und durchsetzt hierbei den zweiten Messabschnitt 23, um anschließend auf dem Strahlungsdetektor 11 aufzutreffen.
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Für eine Durchführung eines Transmissionsmessverfahrens zur Ermittlung von optischen Absorptionseigenschaften einer zu untersuchenden Flüssigkeit kann mit Hilfe der Transmissionseinrichtung 1 folgende Vorgehensweise vorgesehen werden:
Zunächst wird der Fluidleiter 5 in fluidische Kommunikation mit einem nicht dargestellten Fluidsystem gebracht, mit dessen Hilfe am Anschlussstutzen 6 ein nicht dargestelltes Fluid in den Fluidleiter eingeleitet werden kann, das einen im Fluidleiter ausgebildeten Fluidkanal 30 möglichst vollständig ausfüllt. Dabei kann wahlweise vorgesehen sein, dass der Fluidleiter 5 permanent von dem Fluid durchströmt wird oder dass der Fluidstrom durch den Fluidleiter 5 beendet wird, sobald eine vollständige Füllung beider Messabschnitte 22, 23 des Fluidleiters 5 gewährleistet ist. In einem nachfolgenden Schritt kann die optische Strahlungsquelle 8 über eine elektrische Versorgungsleitung 31, die mit der Verarbeitungseinrichtung 15 verbunden ist, aktiviert werden. Dadurch gibt die optische Strahlungsquelle 8 ein, vorzugsweise kollimiertes, Strahlenbündel aus, das rein exemplarisch auf den starren Spiegel 16 gerichtet ist. Da jedoch bei der in 1 dargestellten Konfiguration des optischen Systems vorgesehen ist, dass der schwenkbewegliche Spiegel 18 in den optischen Pfad 9 eingeschwenkt ist, wird das Strahlenbündel am schwenkbeweglichen Spiegel 18 um 90 Grad umgelenkt und trifft deshalb, vorzugsweise normal zur Eintrittsfläche 24, auf den Fluidleiter 5 auf und folgt somit dem optischen Pfad 10. Wie aus der Darstellung des optischen Pfades 10 zu erkennen ist, durchsetzt das Strahlenbündel den Messabschnitt 22 des Fluidleiters 5 und tritt an der Austrittsfläche 26, die vorzugsweise normal zum optischen Pfad 10 ausgerichtet ist, wieder in die (Luft-)Umgebung aus. Von der Austrittsfläche 26 verläuft der optische Pfad 10 zum starren Spiegel 17, wo eine weitere 90-Grad-Umlenkung erfolgt, so dass das Strahlenbündel abschließend auf die nicht näher dargestellte strahlungsempfindliche Oberfläche des Strahlungsdetektors 11 auftrifft.
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Nachdem mit dieser Konfiguration eine Messung einer Austrittsintensität für die elektromagnetischen Wellen, die längs des optischen Pfades durch den ersten Messabschnitt 22 des Fluidleiters 5 hindurchgetreten sind, mit Hilfe des Strahlungsdetektors 11 ermittelt wurde, erfolgt anschließend eine Umschaltung der beiden schwenkbeweglichen Spiegel 18, 19 mit Hilfe der Verarbeitungseinrichtung 15 in die nur gestrichelt dargestellte zweite Konfiguration. Nach der Umschaltung verläuft das Strahlenbündel ausgehend von der optischen Strahlungsquelle 8 längs des optischen Pfades 9, wird am starren Spiegel um 90 Grad umgelenkt, tritt auf die Eintrittsfläche 25 des Fluidleiters 5 auf, durchsetzt den zweiten Messabschnitt 23 des Fluidleiters 5 und tritt an der Austrittsfläche 27 aus dem Fluidleiter 5 aus, um anschließend an der Spiegelfläche des schwenkbeweglichen Spiegels 19 erneut um 90 Grad umgelenkt zu werden und auf die lichtempfindliche Oberfläche des Strahlungsdetektors 11 aufzutreffen. Bei diesem Verlauf des Strahlenbündels entlang des ersten optischen Pfades 9 ergibt sich eine zweite Austrittsintensität, die mit Hilfe des Strahlungsdetektors 11 ermittelt werden kann und als elektrisches Signal an die Verarbeitungseinrichtung 15 bereitgestellt wird. Anschließend kann in der Verarbeitungseinrichtung 15 ein Verhältnis zwischen dem ersten Austrittssignal und zweiten Austrittssignal für die beiden unterschiedlichen Konfigurationen des optischen Systems 3 ermittelt werden, um durch eine nachfolgende Berechnung eines Verhältnisses der Austrittsintensitäten, insbesondere durch eine Differenzbildung oder Quotientenbildung, die Absorptionseigenschaften des im Fluidleiter 5 geführten, zu untersuchenden Probenfluids zu ermitteln. Daraus kann, insbesondere unter Berücksichtigung des bei einer entsprechenden Messung mit einem Referenzfluid ermittelten Verhältnisses der Austrittsintensitäten, die gewünschte Konzentrationsermittlung für eine gesuchte Substanz, die in diesem Probenfluid gelöst ist, durchgeführt werden.
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Die in der 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Transmissionseinrichtung 41 weist ebenfalls eine Trägerplatte 42 mit einem darauf aufgebauten optischen System 43 sowie eine Probenplatte 44 mit einem daran aufgenommenen Fluidleiter 45 auf. Der Fluidleiter 45 weist in einer normal zur Darstellungsebene der 2 ausgerichteten, nicht näher dargestellten Querschnittsebene einen quadratischen Querschnitt auf und ist aus einem Material hergestellt, das für elektromagnetische Wellen, die von der optischen Strahlungsquelle 48 bereitgestellt werden können, transparent ist. Die optische Strahlungsquelle 48 ist ausgangsseitig mit zwei Lichtleitern 53, 54 verbunden, die jeweils einen ersten Abschnitt eines optischen Pfades 49, 50 bestimmen. Ausgehend von Endbereichen der Lichtleiter 53, 54, die der optischen Strahlungsquelle 48 abgewandt sind, verlaufen die optischen Pfade 49, 50 jeweils geradlinig bis zur optisch aktiven, nicht näher dargestellten Oberfläche des Strahlungsdetektors 51.
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Der Fluidleiter 45 weist übereinstimmend mit dem Fluidleiter 5 gemäß der ersten Ausführungsform der Transmissionseinrichtung 1 eine Reihenschaltung eines ersten Messabschnitts 62 und eines zweiten Messabschnitts 63 auf. Ferner sind übereinstimmend mit dem Fluidleiter 5 auch beim Fluidleiter 45 die Eintrittsflächen 64, 65 und die Austrittsflächen 66, 67 jeweils normal zu den entsprechenden optischen Pfaden 49, 50 ausgerichtet. Ferner bestimmt auch wie beim Fluidleiter 5 ein Abstand zwischen der Eintrittsfläche 64 und der Austrittsfläche 66 eine Messlänge 68 des ersten Messabschnitts, während ein Abstand zwischen der Eintrittsfläche 65 und der Austrittsfläche 67 eine Messlänge 69 des zweiten Messabschnitts 63 bestimmt. Dabei ist, wie auch beim Fluidleiter 5 vorgesehen, dass die Messlängen 68 und 69 unterschiedlich lang sind.
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Um eine wahlweise oder gegebenenfalls auch zeitgleiche Durchstrahlung der beiden Messabschnitte 62, 63 zu ermöglichen, ist dem optischen System 43 eine schaltbare Blende 56 zugeordnet, die einen rein exemplarisch plattenförmig ausgebildeten Blendenschieber 57 sowie einen zum linearbeweglichen Antrieb des Blendenschiebers 57 ausgebildeten, nicht näher dargestellten Aktor 58 umfasst. Dabei ist der Blendenschieber 57 derart auf einen Abstand der beiden optischen Pfade 49, 50 abgestimmt, dass er wahlweise einen der beiden optischen Pfade 49, 50 freigeben kann oder gegebenenfalls in einer ebenfalls angedeuteten Stellung auch beide optische Pfade 49, 50 freigeben kann. Mit der Transmissionseinrichtung 41 kann der gleiche Messablauf wie bei der Transmissionseinrichtung 1 durchgeführt werden. Ergänzend kann vorgesehen werden, eine weitere Austrittsintensität zu ermitteln, indem zeitgleich beide optischen Pfade 49, 50 freigegeben sind und die Summenaustrittsintensität am Strahlungsdetektor 51 ermittelt wird.
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Bei einer dritten Ausführungsform einer Transmissionseinrichtung 81 ist ebenfalls eine Trägerplatte 82 vorgesehen, auf der ein optisches System 83 angeordnet ist. Dieses optische System 83 umfasst wie auch bei den anderen Ausführungsformen von Transmissionseinrichtungen eine optische Strahlungsquelle 88 und einen Strahlungsdetektor 91. Abweichend von den vorher beschriebenen Transmissionseinrichtungen 1 und 41 ist bei der dritten Ausführungsform der Transmissionseinrichtung 81 lediglich ein einziger optischer Pfad 89 vorgesehen, der geradlinig zwischen der Strahlungsquelle 88 und dem Strahlungsdetektor 91 verläuft. Abweichend von den Transmissionseinrichtungen 1 und 41 ist jedoch bei der Transmissionseinrichtung 81 eine Relativbewegung zwischen dem optischen System und dem rein exemplarisch drehbeweglich auf der Trägerplatte 82 gelagerten Fluidleiter 85 vorgesehen. Hierzu ist der Fluidleiter 85 mit nicht näher dargestellten Lagermitteln drehbeweglich um eine Drehachse 94 gelagert. Rein exemplarisch weist der Fluidleiter 85 den in der 3 dargestelltem Kanalverlauf auf und ist aus einem für die vom optischen System 83 ausgegebene elektromagnetischen Wellen transparent ausgebildet.
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Wie aus der seitlichen Darstellung der 4 entnommen werden kann, weist der Fluidleiter 85 einen quadratischen Querschnitt auf. Beispielhaft ist der Fluidleiter 85 als Anordnung mehrerer jeweils längs der Drehachse 94 erstreckter, insbesondere quaderförmiger, Leitungsabschnitte 96, 97, 98, 99, 100 ausgebildet, die jeweils seitlich fluidisch kommunizierend miteinander verbunden sind. Dabei bilden die Leitungsabschnitte 97 und 99 die beiden Messabschnitte 102 und 103, deren Eintrittsflächen 104 und 105 und Austrittsflächen 106 und 107 die jeweiligen Messlängen 108 und 109 bestimmen. Durch die Rotation des Fluidleiters 85 um die Drehachse 94 kann jeweils einer der beiden Messabschnitte 102 oder 103 in den optischen Pfad 89 eingebracht werden, um jeweils die Austrittsintensität nach Durchstrahlen des jeweiligen Messabschnitts 102, 103 mit Hilfe des Strahlungsdetektors 91 ermitteln zu können.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist eine Veränderung der Länge des optischen Pfads, insbesondere eine Veränderung der Länge des Messabschnitts, vorgesehen. Dies kann beispielsweise durch eine beweglich im Messabschnitt angeordnete optische Faser erreicht werden, die zur Leitung der elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist und deren Faserende, aus dem das Strahlenbündel in das zu untersuchende Probenfluid austritt, bewegt werden kann, um Transmissionsmessungen mit unterschiedlichen optischen Wegelängen durch das Probenfluid zu erzielen.
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Bei einer alternativen, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform ist der Messabschnitt längenvariabel ausgebildet, beispielsweise teleskopierbar. Somit können Transmissionsmessungen mit unterschiedlichen optischen Weglängen durch das Probenfluid allein durch eine Relativbewegung von zwei abdichtend beweglich miteinander verbundenen Abschnitten des Fluidkanals durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2905230 A1 [0002, 0006, 0006, 0007]
