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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für eine optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe, eine optische Analyseeinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung.
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Stand der Technik
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Spektrometriesysteme umfassen üblicherweise eine Lichtquelle, eine zu analysierende Probe, ein Filterelement, welches vor oder nach der Probe angeordnet werden kann, und einen Detektor.
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Eine spektrale Analyse von Flüssigkeiten kann etwa für die Prozesstechnik von enormer Bedeutung sein und allgemein ein hohes Applikationspotential aufweisen. Insbesondere eine spektrale Analyse von Milch stellt eine sehr nützliche Anwendung dar. Übliche Ansätze wenden dazu Transmissionsgeometrien oder Fasertauchsonden an. Solche Fasertauchsonden weisen Fasern auf, mit welchen die Flüssigkeit beleuchtet werden kann, und weitere Fasern, mit welchen das von der Flüssigkeit reflektierte oder gestreute Licht zu einer Detektionseinheit zurückgeführt werden kann. Üblicherweise werden solche Fasern nur teilweise kontrolliert (halbkontrolliert) in die Flüssigkeit eingetaucht. Mit anderen Worten kann während die Sonde auf einem Ständer fixiert ist, sich die Flüssigkeit in einem offenen Behälter, etwa einem Becherglas, unter der Sonde platziert befinden. Zur Analyse von angelieferter Milch bei einer Milchsammelstelle werden meist bestimmte Probemengen der Milch aus dem Lieferbehältnis abgeschöpft und in einen Probebehälter gefüllt, um so die Milch repräsentativ für eine größere Menge (der Milchkanne) analysieren zu können.
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In der
US 7,061,618 B2 wird ein miniaturisiertes Spektrometriesystem beschrieben, mit welchem Spektren mit einer hohen Genauigkeit aufgenommen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensoreinrichtung für eine optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe nach Anspruch 1, eine optische Analyseeinrichtung nach Anspruch 14 und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung nach Anspruch 16.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Sensoreinrichtung für eine optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung anzugeben, bei welchen eine Position eines Sensors, also zumindest der Einstrahleinrichtung, in einem Probevolumen der Probe genau vorbestimmt ist, wodurch eine Analyse der Probe in diesem Probevolumen repräsentativ für das Gesamtvolumen der Probe erfolgen kann. Des Weiteren kann besser sichergestellt werden, dass sich der Sensor ganz in der Probe, vorzugsweise einer Flüssigkeit oder einem Granulat oder Pulver, und von einem ausreichenden Probevolumen umgeben, befindet. Auf diese Weise kann eine reproduzierbare Messgeometrie sichergestellt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Sensoreinrichtung für eine optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe eine Einstrahleinrichtung mit welcher ein Licht zum Analysieren der Probe in oder auf die Probe einstrahlbar ist; eine Detektoreinrichtung mit welcher ein von der Probe reflektiertes und/oder gestreutes Licht detektierbar ist; eine Halterung für die Einstrahleinrichtung und für die Detektoreinrichtung mit einem Abstandshalter, welche in die Probe eintauchbar sind und wobei durch den Abstandshalter ein bestimmtes Probevolumen um die Einstrahleinrichtung und/oder um die Detektoreinrichtung mit einer Probenhöhe und einer Probenbreite bereitstellbar ist.
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Die Sensoreinrichtung eignet sich vorteilhaft für eine Analyse von Flüssigkeiten, beispielsweise von Milch in einer Milchsammelstelle oder anderswo. Die Milch kann in unterschiedlichen Behältnissen vorhanden sein oder angeliefert werden und eine Analyse dieser kann vorteilhaft noch im selben Behältnis erfolgen, ohne das ein Umfüllen in einen Probebehälter erfolgen muss. Die Sensoreinrichtung kann vorteilhaft in das Behältnis, etwa die Milchkanne der Bauern, eingetaucht werden und durch die Halterung und den Abstandshalter kann sichergestellt werden, dass ein zur Analyse notwendiges Probevolumen unabhängig vom Behälter vorhanden sein kann. Ein Abschöpfen von Milch aus einem größeren Behältnis in ein kleineres zu Analysezwecken kann vorteilhaft entfallen und die Analyse einfacher und schneller erfolgen. Der Detektor und die Einstrahleinrichtung können von einem ausreichend großen Volumen umgeben sein, so dass die Probe genug Licht streuen oder reflektieren kann und eine Information von der Probe und nicht vom Behälter oder einer verschmutzten Behälteroberfläche erzeugt werden kann.
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Die Probe kann mit Licht verschiedener Wellenlängenbereiche bestrahlt werden, beispielsweise im infraroten Bereich.
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Die Einstrahleinrichtung kann einen Abstrahlbereich umfassen, welcher an einer genau definierten Stelle innerhalb des Probenbehälters angeordnet werden kann. Die Probe kann vorzugsweise eine Flüssigkeit, ein Granulat, ein Pulver oder ein schüttbares Material, Körner, etwa Kunststoffe, Milch, Milchpulver, pulverförmige Medikamente oder ähnliches umfassen, so dass der Abstrahlbereich und vorteilhaft auch ein Detektionsbereich der Detektoreinrichtung vorteilhaft vollständig innerhalb des Materials der Probe angeordnet werden kann. Der Detektionsbereich kann einen sensitiven Bereich einer Sonde darstellen, welche ebenso wie der Abstrahlbereich an einer genau definierten Position innerhalb des Probevolumens positioniert sein kann. So kann das Material von einer genau definierten Position aus mit Licht bestrahlt werden und das gestreute und/oder reflektierte Licht an einer ebenso genau definierten Position detektiert werden und folglich eine genaue Aussage über das Lichtverhalten innerhalb der Probe (Brechung, Interaktionsstrecke, Absorptionsverhalten und weiteres) getroffen werden, was Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung der Probe zulassen kann. Die Position des Abstrahlbereichs und des Detektionsbereichs kann vorteilhaft auch bei Verkippen des Probebehälters zumindest relativ zueinander konstant bleiben, wobei dadurch bedingte Abweichungen im Messergebnis verringert oder vermieden werden können. Für dichte Proben kann der Abstandshalter besonders verwindungssteif ausgeführt sein.
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Der Probenbehälter kann vorteilhaft ein auf das Außenlicht, speziell im spektralen Analyse-Wellenlängenbereich, intransparentes Material umfassen, wodurch ein Einstrahlen von Fremdlicht in den Behälter verringert oder vermieden werden kann. Bei dem Probebehälter kann es sich direkt um ein Milchtransportgefäß handeln, mit welchem Milch zur Sammelstelle gebracht werden kann.
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Durch den Abstandshalter kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass die Einstrahleinrichtung an einem Mindestabstand von der Seitenwand und des Bodens des Behältnisses angeordnet wird, in welchem sich die Probe gerade befindet. Ein einfaches Eintauchen ohne Abstandshalter könnte zu unkontrollierten Messbedingungen führen, wobei eine Position des Sensors nicht genau definiert sein würde und der Sensor auch einfach auf den Behälterboden aufliegen könnte, die Wand berühren könnte oder nicht tief genug eingetaucht werden würde, was die Messergebnisse der Analyse verfälschen könnte. Durch den Abstandshalter und die Halterung kann eine derartige unkontrollierte Sensorlage vermieden werden.
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Die Halterung oder der Abstandshalter kann zusätzlich einen Tragegriff umfassen, wodurch die Sensoreinrichtung in die Probe eingeführt werden kann und eine zusätzliche mechanische Belastung beim Tragen auf die Komponenten der Sensoreinrichtung, insbesondere einer optischen Faser oder eines Faserbündels, verringert oder vermieden werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst die Einstrahleinrichtung einen Abstrahlbereich und die Detektoreinrichtung einen Detektionsbereich, welche an einer bestimmten Position der Halterung und im Probevolumen positionierbar sind, wobei die bestimmte Position einen vorbestimmten Höhenabstand über einem Bodenbereich des Abstandshalters und einen bestimmten Seitenabstand von der Halterung bis zu einem Randbereich des Probevolumens aufweist.
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Mit einer derartigen bestimmten Positionierung des Detektionsbereichs kann ein vorbestimmtes Probevolumen um den Detektionsbereich herum gewährleistet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst die Einstrahleinrichtung und/oder die Detektoreinrichtung eine optische Faser oder ein Faserbündel, wobei diese getrennt oder zusammen ausgeformt sind und als eine oder mehrere Reflexionsfasern ausgeformt sind.
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Für Fasern oder Faserbündel kann die Halterung ein Fixierungsmittel umfassen, etwa eine Schraube oder einen Faserverbinder (fiber connector). Die Faser oder das Faserbündel kann zylinderförmig ausgeformt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfassen die Einstrahleinrichtung und die Detektoreinrichtung eine gemeinsame Ummantelung.
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Mittels einer gemeinsamen Ummantelung können die Einstrahleinrichtung und die Detektoreinrichtung besser aneinander fixiert werden, vorteilhaft als ein gemeinsames Bauteil ausgeformt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst der Abstandshalter ein Standgerüst, welches zumindest drei Standbeine umfasst und wobei die Halterung mit dem Standgerüst mechanisch verbunden oder in diese integriert ist.
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Das Standgerüst kann vorteilhaft direkt auf den Boden eines Behälters gestellt werden und selbststehend die Sensoreinrichtung positionieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst das Standgerüst zumindest drei sich lateral von der Halterung wegerstreckende Seitenarme, wobei die Halterung in einem Mittelbereich zwischen den Seitenarmen angeordnet ist.
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Durch Seitenarme kann das Standgerüst vorteilhaft besser gegriffen und positioniert werden,
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst der Abstandshalter einen Hohlkörper und eine Trägerstruktur, wobei der Hohlkörper das Probevolumen umgibt und die Trägerstruktur den Hohlkörper mit der Halterung verbindet.
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Der Hohlkörper kann das Probevolumen umgeben wenn die Halterung in die Probe eingetaucht wird und kann durch die Trägerstruktur einfach mit der Sensoreinrichtung verbunden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst der Abstandshalter einen Käfig, wobei der Käfig das Probevolumen rundherum umgibt oder an einer Oberseite und/oder an einer Unterseite eine Öffnung aufweist.
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Der Käfig kann für die Probe durchlässig sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst der Abstandshalter und/oder die Halterung ein reflektierendes oder absorbierendes Material.
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Der Abstandshalter, die Halterung und/oder der Probenbehälter kann ein spekular und/oder diffus reflektierendes Material umfassen, beispielsweise Stahl, Teflon, Aluminium, Spektraion oder andere.
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Als absorbierendes Material kann hierbei ein im Zielwellenlängenbereich der Probenanalyse absorbierendes Glas oder ein derartig absorbierender Kunststoff oder ähnliches zum Einsatz kommen.
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Der Probenbehälter kann transparent sein und beispielsweise Glas, Quarz, PMMA oder weiteres umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst die Halterung und/oder der Abstandshalter ein transparentes Material und umfasst eine reflektierende oder absorbierende Beschichtung.
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Die reflektierende Beschichtung kann beispielsweise Aluminium, Chrom, Kupfer, oder ähnliches umfassen. Die absorbierende Beschichtung kann beispielsweise eine schwarze Farbe, Breitbandabsorberschichten oder ähnliches umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst diese einen Schwimmer, welcher an der Halterung oder an dem Abstandshalter befestigt ist und durch welche beim Eintauchen der Sensoreinrichtung in die Probe eine konstante und vorbestimmte Eintauchtiefe der Halterung einnehmbar ist.
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Ein Schwimmer an der Oberseite kann zur Bestimmung einer bestimmten Eindringtiefe (definierter Abstand nach oben zur Flüssigkeitsoberfläche) dienen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung entspricht ein bestimmter Seitenabstand von der Halterung bis zu einem Randbereich des Probevolumens einer vorbestimmten optischen Wellenlänge.
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Wenn der Abstrahlbereich einem Faserkopf einer optischen Faser entspricht, kann es sich hierbei um den Abstand vom Faserkopf zum Randbereich des Probevolumens handeln.
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Hierbei kann vorteilhaft ein Abstrahlbereich und/oder ein Detektionsbereich im bestimmten Seitenabstand angeordnet sein. Bei einer streuenden Probe kann der bestimmte Seitenabstand größer als ein Vielfaches der mittleren optischen Eindringtiefe des Lichts in die Probe sein, beispielsweise gleich oder mehr als drei mal der mittleren Eindringtiefe. Für einen beispielhaften Fettgehalt von Milch von 0,1 % kann bei etwa 1100 nm Wellenlänge eine mittlere Eindringtiefe von 2.8 mm erzielt werden und somit der bestimmte Seitenabstand mit etwa 8.4 mm ausgelegt werden, also die Halterung und der Abstandshalter entsprechend ausgeformt werden. Im genutzten Messwellenlängenbereich kann das Material absorbierend oder reflektierend sein oder das Gefäß so groß gewählt werden, dass kein Fremdlicht bis zur Messstelle vordringen kann.
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Die Probe kann vorteilhaft Milch umfassen, wobei der bestimmte Seitenabstand vom Fettgehalt und Wellenlängenbereich des eingestrahlten Lichts abhängen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst die Halterung einen Anschlagsbereich und die Einstrahleinrichtung einen Stoppbereich, wobei der Stoppbereich in den Anschlagsbereich festsetzbar ist, so dass die Einstrahleinrichtung nur bis zu einem vorbestimmten Höhenabstand über einem Bodenbereich des Abstandshalter reicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung umfasst der Stoppbereich einen Ring, welcher mechanisch fest mit der optischen Faser oder dem Faserbündel verbunden ist.
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Der Ring kann an einer definierten Position und bestimmten Höhe der Faser, relativ zum Abstrahlbereich am Kopf der Faser, angebracht sein und somit eine Eindringtiefe der Faser in die Probe definieren, wenn der Ring in den Anschlagsbereich beim Einbringen der Faser in die Halterung eingreift. In vertikaler Stellung der Faser kann die Gewichtskraft dann den Ring an der Halterung vertikal in Richtung der Gewichtskraft fixieren.
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Erfindungsgemäß umfasst die optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung; eine Lichtquelle, welche mit der Einstrahleinrichtung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Probe über die Einstrahleinrichtung mit Licht zu bestrahlen; und eine Auswerteeinrichtung, welche mit der Detektoreinrichtung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein von der Probe in die Detektoreinrichtung gestreutes Licht auszuwerten.
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Die Lichtquelle, sowie die Einstrahleinrichtung und die Detektoreinrichtung und die Auswerteeinrichtung können betreffend Transmissivität, Reflektivität und Empfindlichkeit sowie Lichterzeugung für einen bestimmten Wellenlängenbereich eingerichtet und optimiert sein, beispielsweise Nahinfrarot NIR, Ferninfrarot VIR oder Mittelinfrarot mid-IR oder für einen Kombination oder Anteile davon.
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Durch die Größe des Probevolumens und der Position der Halterung darin kann ein Einsammeln von Fremdlicht durch die Detektoreinrichtung verringert oder vermieden werden, wodurch Fehlsignale verringert oder vermieden werden können und eine genauere Charakterisierung der Probe erzielt werden kann. Dadurch dass die Einstrahleinrichtung und die Detektoreinrichtung, vorteilhaft der Abstrahlbereich und der Detektionsbereich genau in der Probe und/oder im Probebehälter positioniert werden können, kann stets eine reproduzierbare Messgeometrie bereitgestellt und sichergestellt werden. Folglich kann vorteilhaft nur solches Licht detektiert werden, welches durch die gleichen Probenvolumina zurückgestreut wird, wodurch genauere Messungen und Charakterisierungen, also Analysen, der Probe oder Proben erzielt werden können. Eine solche genaue Positionierung kann durch ein einfaches Eintauchen der Einstrahleinrichtung, vorteilhaft eines Kopfes einer optischen Faser oder eines Faserbündels, in die Probe in verhältnismäßig großen (relativ zur Sensoreinrichtung) Probebehältern erfolgen. Auf diese Weise kann die Sensoreinrichtung einfach und schnell genutzt werden und eine stets individuelle Justage und Positionierung der Sensoreinrichtung je nach Probenbehälter kann entfallen.
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Durch ein einfaches Eintauchen in üblicherweise intransparente Milchbehälter, etwa
Milchflaschen anstatt Eimer, kann sichergestellt werden, dass wenig Fremdlicht durch die Detektoreinrichtung aufgesammelt wird. Dadurch können Fehlsignale vermieden oder verringert werden und so eine genauere Charakterisierung der Flüssigkeit erreicht werden.
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Die optische Analyseeinrichtung kann beispielsweise in Milchsammelstellen zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Analyseeinrichtung umfasst die Auswerteeinrichtung ein Spektrometer.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe ein Bereitstellen eines Probenbehälters und Einbringen der Probe in den Probenbehälter; ein Bereitstellen einer Einstrahleinrichtung und einer Detektoreinrichtung für welche eine Halterung mit einem Abstandshalter ausgeformt ist, wobei durch den Abstandshalter ein bestimmtes Probevolumen um die Einstrahleinrichtung und/oder um die Detektoreinrichtung mit einer Probenhöhe und einer Probenbreite bereitgestellt wird; ein Eintauchen der Halterung und des Abstandshalters mit der Einstrahleinrichtung und der Detektoreinrichtung in die Probe; ein Einstrahlen von Licht von einer Lichtquelle auf oder in die Probe über die Einstrahleinrichtung; ein Detektieren von Licht, welches von der Probe gestreut und/oder reflektiert wird durch die Detektoreinrichtung; und ein Auswerten des von der Detektoreinrichtung detektierten Lichts durch die Auswerteein richtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird beim Auswerten ein Spektrum erzeugt.
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Das Verfahren kann sich auch durch die in Verbindung mit der Sensoreinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe mit einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Einstrahleinrichtung und einer Detektoreinrichtung für eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3a - d jeweils einen Abstandshalter einer Sensoreinrichtung gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 5 eine Darstellung von Eindringtiefen von Licht in Milch je nach Fettgehalt und Wellenlänge.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine optische Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe mit einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die optische Analyseeinrichtung 2 zum Analysieren einer Probe F umfasst eine Sensoreinrichtung 1, eine Lichtquelle LQ, welche mit der Einstrahleinrichtung E verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Probe F über die Einstrahleinrichtung E mit Licht zu bestrahlen; und eine Auswerteeinrichtung AE, welche mit der Detektoreinrichtung 5 verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ein von der Probe F in die Detektoreinrichtung 5 gestreutes Licht auszuwerten.
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Die Sensoreinrichtung 1 für die optische Analyseeinrichtung 2 zum Analysieren einer Probe F umfasst eine Einstrahleinrichtung E mit welcher ein Licht zum Analysieren der Probe F in die Probe F einstrahlbar ist; eine Detektoreinrichtung 5 mit welcher ein von der Probe F reflektiertes und/oder gestreutes Licht detektierbar ist; eine Halterung 6 für die Einstrahleinrichtung E und für die Detektoreinrichtung 5 mit einem Abstandshalter 6a, welche in die Probe F eintauchbar sind und wobei durch den Abstandshalter 6a ein bestimmtes Probevolumen PV um die Einstrahleinrichtung E und/oder um die Detektoreinrichtung 5 mit einer Probenhöhe Ph und einer Probenbreite Pb bereitstellbar ist.
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Der Probenbehälter 3 kann ein reflektierendes, absorbierendes oder transparentes Material umfassen.
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Die Einstrahleinrichtung E kann dazu einen Abstrahlbereich Eab und die Detektoreinrichtung 5 einen Detektionsbereich 5d umfassen, welche an einer bestimmten Position der Halterung 6 und im Probevolumen PV positionierbar sind, wobei die bestimmte Position einen vorbestimmten Höhenabstand h über einem Bodenbereich BB des Abstandshalter 6a und einen bestimmten Seitenabstand (x, y) von der Halterung 6 bis zu einem Randbereich RB des Probevolumens PV aufweisen kann.
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Hierbei kann die Einstrahleinrichtung E und die Detektoreinrichtung 5 eine optische Faser oder ein Faserbündel umfassen, wobei diese getrennt ausgeformt sein können und als eine oder mehrere Reflexionsfasern ausgeformt sein können. Die optische Faser oder das Faserbündel der Einstrahleinrichtung E kann in der Halterung 6 fixiert sein und die Detektoreinrichtung 5 mit deren Fasern oder Faserbündeln zur Halterung 6 hin geführt sein, und beispielsweise auf dem Abstandshalter 6a aufliegen oder an diesem befestigt sein, vorteilhaft an einer bestimmten Position in einem bestimmten Abstand von dem Abstrahlbereich Eab.
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Der Abstandshalter 6a kann dafür ein Standgerüst SG umfassen, welches vier Standbeine (SG-B1; SG-B2; SG-B3; SG-B4) umfassen kann und wobei die Halterung 6 mit dem Standgerüst SG mechanisch verbunden oder in diese integriert sein kann. Das Standgerüst SG kann vier sich lateral von der Halterung 6 wegerstreckende Seitenarme (SG-S1; SG-S2; SG-S3; SG-S4) umfassen, wobei die Halterung 6 in einem Mittelbereich zwischen den Seitenarmen angeordnet sein kann. Die Seitenarme können sich zueinander und von der Halterung senkrecht in einer Ebene wegerstrecken und im Bereich der Halterung 6 eine Vertiefung für die Einstrahleinrichtung E aufweisen. Die Seitenarme und Standbeine können aus Kunststoff, Metall oder Holz geformt sein. Die Seitenarme können einfache separate Stangen aufweisen und sich in xy-Richtung, also in der horizontalen Ebene, über die Position der Standbeine hinaus erstrecken. Die Breite des Probevolumens kann durch die planar äußersten Enden der Seitenarme oder durch die Standbeine definiert werden.
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In dem Mittelbereich zwischen den Seitenarmen kann die Halterung 6 einen Anschlagsbereich und die Einstrahleinrichtung E einen Stoppbereich 5c umfassen, wobei der Stoppbereich 5c in den Anschlagsbereich einsetzbar sein kann, so dass die Einstrahleinrichtung E nur bis zu einem vorbestimmten Höhenabstand h über einem Bodenbereich BB des Abstandshalters 6a reicht. Die Einstrahleinrichtung E kann einen Befestigungsabschnitt 7 für den Stoppbereich 5c aufweisen, wobei der Stoppbereich 5c mechanisch fest am Befestigungsabschnitt 7 fixiert sein kann. Hierbei kann der Stoppbereich 5c einen Ring umfassen (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, es ist in der 1 jedoch der Bereich markiert, in welchem der Ring 5c in die Vertiefung der Halterung (Anschlagsbereich) eingesetzt werden kann), welcher mechanisch fest mit der optischen Faser oder dem Faserbündel verbunden sein kann und beim Einlassen der Faser der Einstrahleinrichtung in die Halterung mit dieser in einer vertikalen Höhenrichtung durch den Ring an der Halterung fixiert werden kann um eine vorgegebene Eintauchtiefe in die Probe F zu garantieren. Durch die Gewichtskraft kann der Ring die Eindringtiefe der Faser oder des Faserbündels fixieren.
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Der Abstandshalter 6a und/oder die Halterung 6 können jeweils ein reflektierendes oder absorbierendes Material umfassen.
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Der bestimmte Seitenabstand (x, y) kann in jeder oder zumindest in einer Richtung der Ebene xy einer vorbestimmten optischen Wellenlänge entsprechen.
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Zum Einfüllen einer ausreichenden Menge der Probe kann der Probenbehälter 3 eine Markierung für eine Sollfüllhöhe der Probe F umfassen, bei welcher eine korrekte Funktionsweise der Analyseeinrichtung gewährleistet werden kann, also die Einstrahleinrichtung E ein Licht in die Probe abstrahlen kann und die Detektoreinrichtung 5 das reflektierte und/oder gestreute Licht auch wieder detektieren kann.
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Durch den Abstandshalter kann eine Berührung der Einstrahleinrichtung E und der Detektoreinrichtung 5 mit dem Probebehälter in alle drei Richtungen x, y und z verhindert werden. Hierbei kann in z-Richtung, also nach oben, eine ausreichende Füllhöhe der Probe im Probenbehälter dessen komplette Abdeckung mit der Probe garantieren. Mit einem Tragegriff (nicht gezeigt) kann die Sensoreinrichtung 2 genauer im Probenbehälter 3, etwa einer Milchkanne, positioniert werden.
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Die Lichtquelle kann eine breitbandige Lichtquelle umfassen, beispielsweise eine Halogenlampe.
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Über die Detektoreinrichtung 5 kann ein Licht oder ein Detektorsignal zur Auswerteeinrichtung AE geführt werden, welche das Messsignal auswerten kann und Rückschlüsse auf die Konsistenz und/oder Materialzusammensetzung ermitteln kann. Die Auswerteeinrichtung AE kann ein Spektrometer umfassen, etwa ein Mikrospektrometer bilden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Einstrahleinrichtung und einer Detektoreinrichtung für eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Einstrahleinrichtung E und die Detektoreinrichtung 5 können zusammen ausgeformt sein und als eine oder mehrere Reflexionsfasern ausgeformt sein.
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Hierbei kann die Einstrahleinrichtung E und die Detektoreinrichtung 5 eine gemeinsame Ummantelung U umfassen. In der 2 wird ein Kopf einer Reflexionsfaser gezeigt, welche in die Probe eingetaucht sein kann und eine Abstrahlbereich Eab umfassen kann, vorteilhaft in der Mitte der Reflexionsfaser. In der Mitte der Reflexionsfaser kann also eine Faser als Einstrahleinrichtung E zur Emission des Lichts von der Lichtquelle in der Ummantelung U vorhanden sein. Weiter radial nach außen und um die Mitte herum, vorteilhaft an einer bestimmten Distanz von der Einstrahlfaser E, kann eine oder mehrere Detektionsfasern 5 der Detektoreinrichtung(en) 5 in der Ummantelung vorhanden sein und somit Detektionsbereiche 5d darstellen. Nach der Reflexion und/oder Streuung von Licht an der Probe können die Detektionsfasern 5 nun an verschiedenen Positionen (genau bestimmten) ein Teil der Lichts als zurückgestrahltes Licht mit einer Zusatzinformation im Reflexions- und Absorptionsspektrum aufnehmen.
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Durch die Sensoreinrichtung kann nun vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Interaktionsvolumen, insbesondere die Interaktionslänge, des Lichts in jeder Richtung kontrolliert ermittelbar oder vergleichbar ist, da unterschiedliche Interaktionslängen zu unterschiedlichen spektralen Signale führen würden, wodurch ein Messergebnis der Analyse und Charakterisierung von etwa Urea oder Fettgehalt in Milch verfälschen würde. Ein ausreichender Seitenabstand x,y zur Seitenwand (Randbereich RB in der 1) kann sicherstellen, dass Verunreinigungen an der Behälterwand das Messergebnis nicht verfälschen oder dies zumindest im Ausmaß verringerbar sein kann. Unter einem kontrollierten Ermitteln kann hierbei eine Anwendung eines gleichen Abstands, einer gleichen Intensität oder einer gleichen Eindringtiefe verstanden werden. Die Eindringtiefe und damit das Interaktionsvolumen können sich aus dem Streuquerschnitt der Milch ergeben. Dabei kann sichergestellt werden, dass sich in diesem Volumen vorteilhaft auch nur das zu untersuchende Material befinden kann.
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3a - d zeigen jeweils einen Abstandshalter einer Sensoreinrichtung gemäß jeweils einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 3a zeigt den Abstandshalter als einen Käfig, welcher eine rechteckige Grundfläche umfasst. Der Käfig 6k kann das Probevolumen PV rundherum umgeben und auch an einer Oberseite und/oder an einer Unterseite geschlossen sein, wobei die Einstrahleinrichtung E mit deren Abstrahlbereich Eab in das Innere des Käfigs eindringen kann und eine vorbestimmte Höhe über dem Käfigboden BB einnehmen kann.
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Die 3b zeigt den Abstandshalter 6a als einen Hohlkörper 6h, welcher eine Trägerstruktur 6t umfasst, wobei der Hohlkörper 6h das Probevolumen PV umgeben kann und die Trägerstruktur 6t den Hohlkörper 6h mit der Halterung 6 verbinden kann. Der Hohlkörper kann dabei eine Öffnung an der Oberseite umfassen und mit der Trägerstruktur 6t an Einstrahleinrichtung E fixiert sein, vorteilhaft an einer bestimmten Höhe dieser.
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Die 3c zeigt einen Abstandshalter 6a als einen Käfig mit einer Öffnung an der Oberseite und einer Trägerstruktur 6t gemäß der 3b, wobei der Käfig eine kreisrunde Grundform aufweisen kann und einen Zylinder bilden kann.
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Die 3d unterscheidet sich darin von der 3c, dass der Käfig auch an der Oberseite geschlossen ist jedoch auch eine Trägerstruktur 6t aufweist.
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Durch die Abstandshalter und die Halterung kann sichergestellt werden, dass einerseits das Interaktionsvolumen des Lichts oder die Interaktionslänge in jeder Richtung mit der Flüssigkeit der Probe stets kontrolliert vergleichbar bleibt. Die Halterung oder der Abstandhalter kann auch so ausgelegt sein, dass typische Faseranschlüsse wie FC/PCAPC, FC/APC und SMA (faseroptische Verbindungen),, aber auch proprietäre Faseranschlüsse mittels passender Adapterstücke verwendet werden können.
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Durch ein Aufsetzten des Käfigs auf den Boden des Probenbehälters kann ein definierter Abstand nach unten zum Behälterboden erzeugt werden, wobei der Abstand nach oben zur Flüssigkeitsoberfläche durch eine Mindestfüllhöhe garantiert werden kann.
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4 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung zum Analysieren einer Probe erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Probenbehälters und Einbringen S2 der Probe in den Probenbehälter; ein Bereitstellen S3 einer Einstrahleinrichtung und einer Detektoreinrichtung für welche eine Halterung mit einem Abstandshalter ausgeformt ist, wobei durch den Abstandshalter ein bestimmtes Probevolumen um die Einstrahleinrichtung und/oder um die Detektoreinrichtung mit einer Probenhöhe und einer Probenbreite bereitgestellt wird; ein Eintauchen S4 der Halterung und des Abstandshalters mit der Einstrahleinrichtung und der Detektoreinrichtung in die Probe; ein Einstrahlen S5 von Licht von einer Lichtquelle auf oder in die Probe über die Einstrahleinrichtung; ein Detektieren S6 von Licht, welches von der Probe gestreut und/oder reflektiert wird durch die Detektoreinrichtung; und ein Auswerten S7 des von der Detektoreinrichtung detektierten Lichts durch die Auswerteein richtung.
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5 zeigt eine Darstellung von Eindringtiefen von Licht in Milch je nach Fettgehalt und Wellenlänge.
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In der 5 ist eine beispielhafte Abhängigkeit der mittleren Eindringtiefe in mm von Licht aus der Einstrahleinrichtung, also auch von der Lichtquelle, in Milch dargestellt, wobei die Eindringtiefe in die Milch vom Fettgehalt dieser und von der Wellenlänge in nm des Lichts abhängt. Die Kurve für d bezeichnet die mittlere Eindringtiefe für Gouda
Die Kurve für e bezeichnet die mittlere Eindringtiefe für Milch mit einem Fettgehalt von 0,1 %, die Kurve für c bezeichnet die mittlere Eindringtiefe für Milch mit einem Fettgehalt von 1,5 %, die Kurve für b bezeichnet die mittlere Eindringtiefe für Milch mit einem Fettgehalt von 3,8 % und die Kurve für a bezeichnet die mittlere Eindringtiefe für Milchpulver. Die größte mittlere Eindringtiefe (etwa 2.8 mm) ergibt sich also vorteilhaft für Milch mit einem Fettgehalt von 3,8 % bei einer Wellenlänge von etwa 1100 nm.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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