DE202006007621U1 - Compact built spectral measurement equipment e.g. for ATR interferometric high resolution spectral determination of oil types, has measuring substance in direct contact with ATR element or separated by radiation-transparent partition - Google Patents
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Abstract
Description
1. Bezeichnung des Gegenstands1. Designation of the object
Bei dem Gegenstand des Gebrauchsmusters handelt es sich um ein gegenüber dem Stand der Technik äußerst kompakt gebautes Gerät, mit dessen Hilfe Ölarten, und sonstige Flüssigkeiten, deren Metabolite und sonstige Inhaltsstoffe, durch Anwendung einer ATR-interferometrischen Meßmethode spektral hochauflösend bestimmt werden können.at the subject matter of the utility model is a respect to the State of the art extremely compact built device, with its help, oil species, and other liquids, their metabolites and other ingredients, by application of a ATR interferometric measurement method spectral High Resolution can be determined.
2. Beschreibung des Gerätes2. Description of the device
2.1 Klassifizierung des Gerätezwecks2.1 Classification of the device purpose
Die Zweckbestimmung des neuartigen Meßsystems ist die unmittelbare, qualitative und quantitative, quasi zeitverzugsfreie, hochspezifische Identifizierung natürlicher und synthetischer Flüssigkeiten, sowie die Ermittlung der chemischen und physikalischen Zusammensetzung, der Inhaltsstoffe und der Konzentration durch Messung spektraler Signaturen. Die zur Anwendung gebrachte Meßmethode gehört zur Kategorie der sogenannten aktiven Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, daß das Meßobjekt, also die Flüssigkeit, mit Strahlung einer bestimmten Eigenschaftsausprägung direkt oder indirekt beaufschlagt wird und mit dem Meßobjekt in Wechselwirkung tritt. Aus den sich dabei ergebenden Änderungen der Strahleigenschaften können die charakteristischen Parameter des Meßobjekts abgeleitet werden.The Purpose of the novel measuring system is the immediate, qualitative and quantitative, virtually time-lag-free, highly specific Identification of natural and synthetic fluids, as well the determination of the chemical and physical composition, the ingredients and the concentration by measuring spectral Signatures. The method of measurement used belongs to the category the so-called active methods, which are characterized that this measured object, So the liquid, With radiation of a certain property expression applied directly or indirectly is and with the DUT interacts. From the resulting changes the beam properties can the characteristic parameters of the DUT are derived.
Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um ein Gerät, bei dem die Meßvorrichtung mit den nachzuweisenden Substanzen und Inhaltsstoffen in Berührung gebracht wird. Unter bestimmten Voraussetzungen kann die Meßwertbestimmung auch durch eine Trennwand hindurch erfolgen. Bei dieser Anwendung muß weder das Meßverfahren noch der grundlegende Aufbau des Meßgerätes verändert werden.at The subject of the invention is a device in which the measuring device brought into contact with the substances and ingredients to be detected becomes. Under certain conditions, the measured value determination can also take place through a partition wall. In this application, neither the measuring method still the basic structure of the measuring instrument can be changed.
Im vorliegenden Fall wird die Anwendung des Meßverfahrens und der Einsatz des Gerätes für natürliche und synthetisch hergestellte Öle dargelegt. Grundsätzlich kann dieses Meßverfahren und das Gerät in analoger Weise auch für andere Flüssigkeiten zur Anwendung gebracht werden.in the The present case is the application of the measuring method and the use of the device for natural and synthetically produced oils explained. in principle can this measuring method and the device in an analogous way also for other liquids be applied.
2.2 Stand der Technik2.2 State of the art
Das hier behandelte neuartige Bestimmungssystem kombiniert die grundlegenden Funktionsprinzipien eines ATR-Elements (ATR = Attenuated Total Reflection, Abgeschwächte Totalreflektion) mit dem Verfahren der Fourier-Interferometrie. Durch eine geeignete technische Auslegung des Interferometers werden dabei kompakte Bauweisen des Gesamtgerätes erreicht.The here treated novel determination system combines the basic Operating principles of an ATR element (ATR = Attenuated Total Reflection, attenuated Total reflection) with the method of Fourier interferometry. By a suitable technical design of the interferometer this compact design of the overall device achieved.
Um die Nachteile – insbesondere die hohen Leistungsverluste – zu vermeiden, die sich bei Reflektion von Strahlung am oder bei Transmission von Strahlung durch das Meßobjekt ergeben, wird beim vorliegenden Gerät die Meßstrahlung mit Hilfe eines ATR-Elements mit dem Meßobjekt in Wechselwirkung gebracht. Durch die für das ATR-Element charakteristische Totalreflektion tritt dabei kein Energieverlust beim Durchgang der Strahlung durch das Meßobjekt auf. Es werden lediglich die auf Anregung der Substanzmoleküle beruhenden wellenlängen- und stoffspezifischen Anteile (im Evaneszentfeld der Strahlung) absorbiert. Aus den dergestalt teilweise oder vollständig absorbierten Wellenlängenanteilen kann auf die Art der Flüssigkeit (also z. B. der Öle und Ölgemische), deren Zusammensetzung, deren Inhaltsstoffe und deren Konzentration geschlossen werden.Around the disadvantages - in particular the high power losses - too Avoid this when reflected by radiation at or during transmission of radiation through the test object result in the present device, the measuring radiation using an ATR element with the DUT interacted. Characterized by the characteristic for the ATR element Total reflection occurs while no energy loss during the passage of Radiation through the test object on. It will only be based on the excitation of the substance molecules wavelength and substance-specific components (in the evanescent field of radiation) absorbed. From the thus partially or completely absorbed wavelength shares can on the type of liquid (ie, for example, the oils and oil mixtures), their composition, their ingredients and their concentration getting closed.
Durch Verwendung eines ATR-Elements wird die Strahlung mit dem Meßobjekt intensiv in Berührung gebracht kommt, es tritt keine Abschwächung der Strahlenintensität ein und folglich wird damit die Bereitstellung eines leistungsstarken Meßsignals sichergestellt.By Using an ATR element is the radiation with the DUT intense in touch comes comes, there is no attenuation of the radiation intensity and consequently, the provision of a powerful measurement signal ensured.
Ein signifikanter Vorteil dieser Meßstrahlführung durch ein ATR-Element besteht darin, daß es selbst bei starker Hintergrundabsorption der Meßstrahlung (z. B. durch Inhaltsstoffe oder Verschmutzung der Ölsubstanz) zu keiner Minderung oder Verfälschung des Meßsignals kommt. Dies bedeutet, daß störende Komponenten aus der Meßprobe vor Durchführung der Messung – wie bei anderen strahlenspektroskopischen Messungen üblich – nicht entfernt werden müssen. Liegen hohe Rußanteile vor, dann ist auch die ansonsten erforderliche Verdünnung der Meßsubstanz, zum Beispiel mit Frischöl, zur Minderung der Konzentration ebenfalls nicht notwendig. Grundsätzlich können damit die Ölproben unmittelbar und direkt für die Analyse verwendet werden, ohne daß hierzu irgendwelche Aufbereitungen der Probensubstanz vorgenommen werden müssen.One Significant advantage of this Meßstrahlführung by an ATR element is that, even with heavy background absorption the measuring radiation (eg due to ingredients or contamination of the oil substance) to no reduction or falsification of the measuring signal comes. This means that interfering components from the test sample before implementation the measurement - how common with other beam spectroscopic measurements - do not need to be removed. Lie high soot levels before, then the otherwise required dilution of measured substance, for example with fresh oil, for Reduction in concentration also not necessary. Basically you can use it the oil samples immediately and directly for the analysis can be used without any preparations of the Sample substance must be made.
Durch die Verwendung des ATR-Elements können die spektroskopischen Eigenschaften über den gesamten Wellenlängenbereich hinweg oder in einem Ausschnitt davon untersucht werden. Damit wird jedoch nicht gleichzeitig die für die Charakterisierung der Meßsubstanz und der Inhaltsstoffen erforderliche hohe spektrale Auflösung einzelner spektraler Energiebänder erreicht.By The use of the ATR element can be the spectroscopic Properties about the entire wavelength range across or in a section of it. This will be but not at the same time for the characterization of the measuring substance and the contents required high spectral resolution of individual spectral energy bands reached.
Zur Steigerung des spektralen Auflösungsvermögens über den gesamten Wellenlängenbereich oder einen Teilbereich davon wird die aus dem ATR-Element austretende Strahlung in einer neuartigen Vorrichtung in Anlehnung an die Funktionsweise eines Michelson-Interferometers verwendet.To increase the spectral resolution over the entire wavelength range or a portion thereof, the radiation emerging from the ATR element in a novel device is based on the functioning a Michelson interferometer used.
In seiner herkömmlichen Ausführung besteht dieser Interferenzgenerator aus einem Strahlteiler und zwei Reflektionsspiegeln, von denen der dem Strahlungssensor gegenüber liegende Spiegel transversal beweglich ist. Durch diese Anordnung und die Bewegung eines Spiegels ergeben sich periodische Interferenzmuster, aus denen mit Hilfe einer Fourieranalyse die Energieanteile durch die einzelnen Wellenlängen ermittelt werden.In its conventional execution this interference generator consists of a beam splitter and two Reflection mirrors, of which the radiation sensor opposite Mirror is transversely movable. By this arrangement and the movement of a mirror result in periodic interference patterns, from which using a Fourier analysis, the energy shares by the individual wavelength be determined.
Das spektrale Auflösungsvermögen ist dabei durch die (doppelte) Weglänge der Strahlung zwischen Strahlteiler und dem beweglichen Spiegel beeinflußt. Diese Gesetzmäßigkeit erfordert zur Erreichung einer hohen spektralen Auflösung größere Bewegungslängen des beweglichen Spiegels und führt damit zu erheblichen Baulängen des Interferenzgenerators.The spectral resolution is thereby by the (double) path length the radiation between the beam splitter and the movable mirror affected. This law requires to achieve a high spectral resolution greater movement lengths of movable mirror and leads with it to considerable lengths of the interference generator.
Im vorliegenden Fall wird eine technische Ausführung des Interferometers zur Erreichung hoher spektraler Auflösung verwendet, die durch Mehrfachumlenkung und Teilauskopplung des Strahlengangs baulich sehr kompakt ausgeführt ist und mit deren Hilfe die mit den bisher üblichen Auslegungen erreichten höchsten spektralen Auflösungen bei vergleichbaren Baugrößen noch übertroffen werden.in the In this case, a technical design of the interferometer for Achieving high spectral resolution used by multiple deflection and partial decoupling of the beam path structurally very compact is and with their help those with the usual interpretations reached highest spectral resolutions In comparable sizes still exceeded become.
Durch Kombination des ATR-Elements mit dem kompakten Interferometer wird eine weitgehend störungsfreie hochauflösende Messung spektraler Signaturen von Ölen und deren Metabolite und sonstigen Inhaltsstoffen ohne besondere Vorbereitung der Meßprobe ermöglicht. Damit erweist sich das Meßverfahren als besonders geeignet für einen direkten Einsatz an Maschinen während des Betriebes. Der einfache Aufbau macht die Meßapparatur zudem auch unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen sowie Temperatur- und Druckvariationen.By Combination of the ATR element with the compact interferometer becomes a largely trouble-free high-resolution Measurement of spectral signatures of oils and their metabolites and other ingredients without special preparation of the sample allows. This proves the measuring method as particularly suitable for a direct use on machines during operation. The simple one Construction makes the measuring apparatus also insensitive to mechanical vibrations as well as temperature and pressure variations.
2.3 Leistungsfähigkeit des Geräts und des Verfahrens2.3 Performance of the device and the procedure
(dargestellt am Beispiel von Messungen an Ölen)(shown by the example of measurements on oils)
Bestimmung der Ölart und der ÖlmischungDetermination of the type of oil and the oil mixture
Grundsätzlich ist die neuartige Methode und das Gerät zur Identifizierung aller Ölarten und Ölmischungen geeignet. Die im folgenden aufgeführten Spektralbereiche sind bezüglich ihrer Verwendung sehr allgemein ausgewählt und sie beziehen sich bevorzugt auf technisch verwendete synthetische Öle. Hierzu gehören, neben anderen Verwendungen, auch Öle für
- – Getriebe (auch bei Windkraftanlagen),
- – Kolbenmotoren und Strömungsmaschinen,
- – Transformatoren,
- – Hydraulische Anlagen.
- – Fahrzeug- und Motorprüfstände
- – Kühlschmierstoffe.
- - gearboxes (including wind turbines),
- - piston engines and turbomachines,
- - transformers,
- - Hydraulic systems.
- - Vehicle and engine test stands
- - Coolants.
Für die Identifizierung und Unterscheidung verschiedener Ölsorten und Ölmarken sind Messungen über größere Spektralbereiche und ein Vergleich der gemessenen mit vordem experimentell ermittelten Spektralsignatwen erforderlich.For identification and differentiation between different types of oil and oil brands are measurements over larger spectral ranges and a comparison of the measured with previously determined experimentally Spectral signature needed.
Die unten aufgeführten Spektralbereiche und die erreichbare hohe spektrale Auflösung erlauben die Identifizierung von Zusatzstoffen und von Zerfallsprodukten des Öls. Insbesondere lassen sich die Ursachen für eine Öldegradation und für das Vorhandensein von Fremdsubstanzen ableiten.The listed below Spectral ranges and the achievable high spectral resolution allow the Identification of additives and decomposition products of the oil. Especially can be the causes of an oil degradation and for derive the presence of foreign substances.
Bestimmung von Zerfallsproduktendetermination of decay products
Oxidationoxidation
- Auftretend vor allem in Zusammenhang mit Verbrennungsvorgängen und Hochtemperaturbelastungen. Verursacht durch hohe Temperaturen und/oder hohe Drücke in Gegenwart von Sauerstoff.Occurs mainly in connection with combustion processes and High temperature stresses. Caused by high temperatures and / or high pressures in the presence of oxygen.
- Produktklassen: Ketone, Ester, Aldehyde, Carbonate, Carboxilsäuren und weitere;Product Classes: Ketones, Esters, Aldehydes, Carbonates, Carboxylic Acids and Further;
- Auswirkungen: Öl nimmt hohen Säurewert an, Förderung der Korrosion von Metallen, Zunahme der Ölviskosität;Effects: oil takes high acid value on, promotion corrosion of metals, increase in oil viscosity;
- Spektralbereich: 1800 cm–1 bis 1670 cm–1;Spectral range: 1800 cm -1 to 1670 cm -1 ;
- Mögliche Zusatzbewertung: Oxidationsniveau des Öls, quantifiziert durch TAN-Wert (TAN = Total Acid Number);Possible Additional rating: Oxidation level of the oil, quantified by TAN value (TAN = Total Acid Number);
NitrifzierungNitrifzierung
- Auftretend vor allem in Zusammenhang mit Verbrennungsvorgängen und Hochtemperaturbelastungen. Verursacht durch hohe Temperaturen und/oder hohe Drücke in Gegenwart von Sauerstoff und Stickstoff;Occurs mainly in connection with combustion processes and High temperature loads. Caused by high temperatures and / or high pressures in the presence of oxygen and nitrogen;
- Produktklassen: NO, NO2, N2O4 und weitere;Product classes: NO, NO 2 , N 2 O 4 and others;
- Auswirkungen: Erhöhung der Viskosität (Ölverdickung), Steigerung der Säurewerte, Annahme von firnis-, lackähnlicher Konstitution;Impact: increase the viscosity (Oil thickening) Increase in acidity, Acceptance of firnis-, varnish-like Constitution;
- Spektralbereich: 1650 cm–1 bis 1600 cm–1;Spectral range: 1650 cm -1 to 1600 cm -1 ;
SulphatisierungSulphatisierung
- Verursacht durch Schwefelkomponenten im Rohöl oder in Additiven in Schmierölen;Caused by sulfur compounds in crude oil or in Additives in lubricating oils;
- Produktklassen: SO2, SO3 und weitere;Product classes: SO 2 , SO 3 and others;
- Auswirkungen: Durch Reaktion mit Wasser Bildung von organischen und anorganischen Säuren, wie z. B. H2SO4;Effects: By reaction with water formation of organic and inorganic acids, such as. B. H 2 SO 4 ;
- Spektralbereiche: 1180 cm–1 bis 1120 cm–1;Spectral ranges: 1180 cm -1 to 1120 cm -1 ;
Zusatzstoffeadditives
Additiveadditives
- Additive dienen zur Verbesserung der Öleigenschaften.Additives serve to improve the oil properties.
- Stoffklassen: Verdünner, aliphatische Substanzen, z. B. Octane, aromatische Verbindungen;Material classes: Thinner, aliphatic substances, eg. Octane, aromatic compounds;
- Produktklassen: durch chemische Wandlung ändern sich die chemischen Verbindungen der Additive und damit die Eigenschaften des Öls;Product classes: due to chemical transformation, the chemical compounds change the additives and thus the properties of the oil;
- Spektralbereiche: Messungen über breite Spektralbereiche von etwa 650 cm–1 bis 950 cm–1 erforderlich zu Vergleichszwecken für die Feststellung zeitlicher Änderung der Additivbestandteile und der Additivdegradation;Spectral ranges: Measurements over wide spectral ranges from approximately 650 cm -1 to 950 cm -1 required for comparison purposes for the determination of the change over time of the additive constituents and of the additive degradation;
Beispiel GlykolExample glycol
- Spektralbereiche: etwa 3000 cm–1 bis 3200 cm–1 und 1070 cm–1 bis 1080 cm–1 und 1025 cm–1 bis 1045 cm–1 und 870 cm–1 bis 890 cm–1; der Glykolanteil wird positiv/negativ bewertet; Spectral ranges: about 3000 cm -1 to 3200 cm -1 and 1070 cm -1 to 1080 cm -1 and 1025 cm -1 to 1045 cm -1 and 870 cm -1 to 890 cm -1 ; the glycol content is rated positive / negative;
Fremdstoffeforeign substances
Wasserwater
- Herkunft durch Kondensation, Kühlleitungsleck (Haarrisse, defekte Kopfdichtung), Wasser ist unter bestimmten Bedingungen in Öl leicht löslich und wirkt dispersiv;Origin through condensation, cooling line leakage (hairline cracks, defective head gasket), water is light in certain conditions in oil soluble and acts dispersively;
- Auswirkungen: Minderung der Schmier- und Kühleigenschaften des Öls;Effects: Reduction of the lubricating and cooling properties of the oil;
- Spektralbereiche: Wasser verursacht starke Absorption der Strahlung im nahen Infrarotbereich. Das Vorhandensein der Absorptionsbanden von Wasser deutet auf die Minderung ölspezifischer Eigenschaften hin; breitbandige Absorptionsbanden von etwa 3000 cm–1 bis 3800 cm–1 und 1600 cm–1 bis 1700 cm–1;Spectral ranges: Water causes strong absorption of near infrared radiation. The presence of absorption bands of water indicates the reduction of oil-specific properties; broadband absorption bands of about 3000 cm -1 to 3800 cm -1 and 1600 cm -1 to 1700 cm -1 ;
Rußsoot
- Gebildet bei hohen Temperaturen, sauerstoffarmer Verbrennung; Überprüfung der Motoreinstellung erforderlich;Made at high temperatures, low oxygen combustion; Review of the Engine adjustment required;
- Auswirkungen: Änderung der Viskosität. Rußschlammbildung;Impact: change the viscosity. Rußschlammbildung;
- Spektralbereiche: detektierbar durch Streuungserscheinungen der Infrarotstrahlung, keine eigentliche Absorption der Strahlung; Messung über einen breiten Wellenlängenbereich; mit zunehmender Wellenzahl der Strahlung nimmt Streueffekt zu; Spektralbereiche: > 4000 cm–1; von etwa 2000 cm–1 bis etwa 2500 cm–1;Spectral ranges: detectable by scattering phenomena of the infrared radiation, no actual absorption of the radiation; Measurement over a wide wavelength range; with increasing wavenumber of radiation, scattering effect increases; Spectral ranges:> 4000 cm -1 ; from about 2000 cm -1 to about 2500 cm -1 ;
Kraftstofffuel
Erhöhter Kraftstoffwert erfordert Überprüfung von Vergaser und Einspritzanlage;Increased fuel value requires review of Carburettor and injection system;
Bestimmung des Zustands natürlicher ÖleDetermination of the condition natural oils
Mit Hilfe dieses neuartigen Geräts können auch die Zustände natürlicher Öle bestimmt werden. So bildet z. B. Olivenöl unter der Einwirkung von Wärme und Sonnenlicht Metabolite von hoher Giftigkeit. Die Ausbildung und das Vorhandensein dieser Metabolite kann durch Messung der spektralen Absorption im ultravioletten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums bestimmt werden.With Help this novel device can also the conditions natural oils become. So z. B. olive oil under the influence of heat and sunlight metabolites of high toxicity. Training and the presence of these metabolites can be determined by measuring the spectral Absorption in the ultraviolet wavelength range of the electromagnetic Spectrum can be determined.
3. Aufbau des Gerätes3. Structure of the device
Das
Gerät (
- – einer oder mehreren Strahlenquellen;
- – einer optischen Komponente zur Zerlegung der Gesamtstrahlung in diskrete Spektralbereiche;
- – einer optischen Komponente zur Erzeugung einer Wechselwirkung mit der zu vermessenden Substanz;
- – einer optischen Komponente zur Erhöhung der spektralen Auflösung;
- – einem oder mehreren Strahlungssensoren;
- – Komponenten zur Pulsung und zur Polarisierung der Strahlung.
- - one or more sources of radiation;
- An optical component for decomposing the total radiation into discrete spectral ranges;
- - An optical component for generating an interaction with the substance to be measured;
- An optical component for increasing the spectral resolution;
- - one or more radiation sensors;
- - Components for pulsation and polarization of the radiation.
Darüber hinaus besteht das Gerät aus
- – elektronischen Komponenten zur Aufbereitung und Auswertung der erfaßten Strahlungsinformationen;
- – Komponenten zur Steuerung und Überwachung der Gerätefunktionen und zur Durchführung der Meß-, Aufbereitungs- und Auswerteprozesse;
- - Electronic components for processing and evaluation of the detected radiation information;
- - components for controlling and monitoring the device functions and for carrying out the measurement, preparation and evaluation processes;
3.1 Die Strahlenquellen3.1 The radiation sources
Zur Erfüllung der Meßaufgabe ist es erforderlich, Strahlung über den gesamten Wellenlängenbereich vom etwa 0,25 μm (ultraviolett) bis etwa 12 μm (thermisches Infrarot) lückenlos zur Anwendung zu bringen. Zudem ist es notwendig, daß die Strahlungsdichte über den gesamten genutzten Wellenlängenbereich mit genügend hoher Energie zur Verfügung gestellt wird.to fulfillment the measuring task it is necessary to use radiation over the entire wavelength range of about 0.25 microns (ultraviolet) to about 12 microns (thermal Infrared) without gaps to apply. In addition, it is necessary that the radiation density over the entire used wavelength range with enough high energy provided becomes.
Als Strahlungsquelle für den ultravioletten und den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums werden z. B. Dioden, zur Erzeugung der Strahlung im Infrarot-Bereich von etwa 0,76 μm bis etwa 12 μm werden sogenannte Schwarzkörper-Strahler verwendet.When Radiation source for the ultraviolet and visible regions of the electromagnetic spectrum be z. As diodes, for generating the radiation in the infrared range of about 0.76 μm to about 12 microns become so-called black body emitters used.
3.2 Selektive Verwendung der optischen Elemente3.2 Selective use the optical elements
Wegen der unterschiedlichen Weisen der Strahlungswechselwirkung mit den Materialien der optischen Bauelemente werden verschiedene Elemente jeweils selektiv eingesetzt, fallweise auch unter Umgehung von nicht benötigten optischen Komponenten.Because of the different ways of the radiation interaction with the materials of the optical components, different elements are each selectively used, sometimes bypassing unnecessary optical com components.
3.3 Verbindung von Strahlenquelle zum Prisma3.3 Connection of radiation source to the prism
Entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlung wird mit Hilfe optischer Elemente eine Konzentration der Strahlungsdichte und eine Anpassung des Strahlungsquerschnitts zum Zwecke der Einleitung in das Dispersionselement vorgenommen.Along The propagation direction of the radiation is determined by means of optical Elements a concentration of the radiation density and an adaptation the radiation cross section for the purpose of introduction into the dispersion element performed.
3.4 Das Dispersionselement3.4 The dispersion element
Mit Hilfe eines Dispersionselements (z. B. eines Dispersionsprismas) wird eine Aufteilung der Strahlung in ihre Spektralanteile vorgenommen zum Zwecke der selektiven Verwendung einzelner begrenzter Spektralanteile aus der Gesamtspektrum der Strahlung.With Help of a dispersion element (eg a dispersion prism) a division of the radiation is made in their spectral components for the purpose of selectively using individual limited spectral components from the total spectrum of radiation.
3.5 Verbindung vom Dispersionselement zum Umlenkspiegel3.5 connection from the dispersion element to the deflection mirror
Auf dem Weg vom Dispersionsprisma zum Umlenkspiegel wird ein begrenzter Spektralanteil mit Hilfe einer Blendenöffnung für die Weiterleitung zu einem Umlenkspiegel selektiert und die anderen Spektralanteile ausgeblendet. Auf dem Weg von der Blendenöffnung bis zum Umlenkspiegel wird gegebenenfalls eine Strahlformung mit Hilfe eines optischen Elements vorgenommen. Diese Strahlformgebung kann auch nach Weiterleitung über den Spiegel in Richtung auf das ATR-Element erfolgen.On the path from the dispersion prism to the deflection mirror becomes a limited Spectral component with the help of an aperture for forwarding to a Deflection mirror selected and the other spectral components hidden. On the way from the aperture optionally up to the deflecting mirror is a beam shaping with Help made an optical element. This beam shaping can also after forwarding over the mirror in the direction of the ATR element.
3.6 Umlenkspiegel3.6 deflecting mirror
Der Umlenkspiegel dient zur Ablenkung eines selektiven Spektralanteils in Richtung auf die Eintrittsfläche des ATR-Elements. Zwischen Umlenkspiegel und ATR-Prisma kann ein optisches Element zur Strahlformgebung eingebracht sein.Of the Deflection mirror serves to deflect a selective spectral component towards the entrance area of the ATR element. Between deflecting mirror and ATR prism can one be introduced optical element for beam shaping.
3.7 Strahlpulserzeuger3.7 Jet Pulser
Mit Hilfe eines Strahlpulserzeugers wird die Strahlkontinuität zeitweise für eine bestimmte Zeitdauer unterbrochen. Die Zeitdauer der Unterbrechung und die Zeitdauer der ungehinderten Strahlausbreitung ist variabel bestimmbar.With The help of a jet pulse generator is the beam continuity temporarily for one interrupted for a certain period of time. The duration of the interruption and the period of unhindered beam propagation is variable determinable.
3.8 Vor-Polaristor3.8 pre-polaristor
Vor Eintritt des Strahls in das ATR-Element wird dieser entweder in einer zufallspolarisierten Ausprägung belassen oder ihm ein spezifischer Polarisationsmodus aufgeprägt.In front Entry of the beam into the ATR element is this either in a randomly polarized expression leave a specific polarization mode imprinted on it.
3.9 ATR-Prisma und Probenkontakt3.9 ATR prism and sample contact
Mit Hilfe eines ATR-Elements tritt die Strahlung mit der Meßsubstanz in Wechselwirkung. Zu diesem Zweck wird das Probenmaterial entweder direkt mit dem Prisma in Kontakt gebracht oder von diesem durch ein für die Meßstrahlung transparentes Material abgesetzt. Die Beaufschlagung der Meßprobe kann entweder einseitig als auch beidseitig entlang des ATR-Elements erfolgen.With Help of an ATR element occurs the radiation with the measuring substance in interaction. For this purpose, the sample material is either directly in contact with or from the prism one for the measuring radiation transparent material deposited. The admission of the test sample can either one-sided or two-sided along the ATR element respectively.
Die nach Wechselwirkung mit der Meßprobe nicht absorbierten Strahlungsanteile treten an dem der Eintrittsfläche entgegengesetzten Ende des ATR-Elements aus.The not after interaction with the test sample Absorbed radiation components occur at the entrance surface opposite End of the ATR element off.
3.10 Nach-Polarisator3.10 Post-polarizer
Nach Verlassen des ATR-Elements tritt der Strahl in eine Vorrichtung ein, die nur Strahlanteile mit einer bestimmte Polarisationsausprägung passieren läßt.To Leaving the ATR element, the jet enters a device a, which happen only beam components with a certain polarization expression leaves.
3.11 Kompaktinterferometer3.11 compact interferometer
Aufbau und Funktionsweise dieser Einheit wird unter 4. beschrieben.construction and operation of this unit will be described under 4..
3.12 Strahlungsmessung durch Sensorelemente3.12 Radiation measurement by sensor elements
Nach Austritt der Strahlung aus dem genannten Kompaktinterferometer und nach Durchtritt oder ohne Durchtritt durch die dazugehörenden periphären optischen Elemente wird die Strahlung einem oder mehreren Sensorelementen zugeführt und deren Intensität wellenlängenabhängig erfasst.To Exit of the radiation from said Kompaktinterferometer and after passage or without passage through the associated peripheral optical Elements, the radiation is one or more sensor elements supplied and their intensity detected by wavelength.
Die Art der verwendeten Sensorelemente wird dabei durch die Wellenlänge der Strahlung und weitere Strahlungsparameter wie Polarisation und Pulsung bestimmt. Als geeignetes Sensorelement hat sich zumindest für den Infrarotbereich die Anwendung von Thermopile-Elementen erwiesen.The Type of sensor elements used is determined by the wavelength of the Radiation and other radiation parameters such as polarization and pulsation certainly. As a suitable sensor element has at least for the infrared range the use of thermopile elements proved.
4. Beschreibung des Kompaktinterferometers.4. Description of the compact interferometer.
Das
Kompaktinterferometer (
Der
von einem externen Strahlteiler
Auf
der fixierten Abschlußwand
Diese
Richtungsumkehr des Strahls durch Reflektionsspiegel an der fixierten
oder der beweglichen Abschlußwand
wird mehrfach wiederholt. Die letzte Richtungsänderung des Strahls an der
beweglichen Abschlußwand
mit Hilfe eines senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgerichteten
Spiegels
Wegen der mehrfachen Richtungsänderung des Strahls zwischen den beiden Abschlußwänden wird eine Weglängenvergrößerung zwischen Strahleintritt und Strahlaustritt erreicht, die über die Weglängen bei konventionell ausgelegten Interferenzeinheiten gleicher Baulänge hinausgeht.Because of the multiple change of direction of the Beam between the two end walls will be a Weglängenvergrößerung between Beam entrance and beam exit reached, which over the path lengths at conventionally designed interference units of equal length.
Durch diese technische Auslegung ergibt sich bei gleicher Baulänge eine signifikante Erhöhung der Interferenzlänge und des spektralen Auflösungsvermögens, das damit weit über das Auflösungsvermögen bei (konventioneller) Einfachreflektion und der damit erforderlichen großer Bewegungslänge des Spiegels und damit Baulänge des Interferometers hinausgeht.By This technical design results in the same length significant increase the interference length and the spectral resolution, the so far over the resolution at (conventional) single reflection and the required greater moving length of the mirror and thus construction length of the interferometer.
Der
durch die Eintrittsöffnung
Eine Variante dieser Konfiguration besteht darin, den Strahl oder Strahlanteile nicht durch die Eintrittsöffnung allein, sondern durch andere Öffnungen aus der feststehenden Wand austreten (und eintreten) zu lassen. Diese Strahlen können über einen Strahlteiler mit anderen Anteilen des ursprünglichen oder bereits durch Interferenzen veränderten Strahls in Wechselwirkung treten und damit zusätzliche Interferenzerscheinungen ausbilden. Durch diese Anordnung können unterschiedliche Interferenzbereiche aus der Gesamtmenge der Interferenzausprägungen herausgelöst und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.A Variant of this configuration is the beam or beam components not through the inlet alone, but through other openings to exit (and enter) from the fixed wall. These rays can be transmitted through a beam splitter with other shares of the original or already changed by interference Beam interact and thus additional interference phenomena form. By this arrangement, different interference ranges of the total amount of interference forms extracted and one fed further use become.
Die wesentliche Neuheit dieser Auslegung eines Interferometers besteht in der Mehrfachreflektion des Stahls innerhalb des Zylinders, dem Strahlaustritt am Ort des Strahleintritts oder aus anderen Öffnungen und der Weiterverwendung des Strahls zur Erzeugung weiterer Interferenzausprägungen dergestalt, dass bei kompakter Bauweise der Einheit gegenüber jener mit konventioneller Einfachreflektion ein wesentlich höheres spektrales Auflösungsvermögen erreicht wird.The essential novelty of this interpretation of an interferometer in the multiple reflection of the steel inside the cylinder, the Beam exit at the location of the beam entrance or from other openings and the further use of the beam for generating further interference forms, that in a compact design of the unit over that with conventional Single reflection reaches a much higher spectral resolution becomes.
5. Mögliche Meßmodi5. Possible measuring modes
Die Messungen können in zwei verschiedene Modi durchgeführt werden:
- a) es wird gleichzeitig der gesamte für die Messung erforderlichen Spektralbereich zur Erreichung einer Wechselwirkung mit dem Meßobjekt verwendet;
- b) es wird jeweils nur ein begrenzter schmalbandiger Spektralbereich für die Messung verwendet, jedoch durch kontinuierliche Verschiebung des Frequenzbandes der gesamte erforderliche Spektralbereich vollständig abgedeckt;
- a) at the same time the entire spectral range required for the measurement is used to achieve an interaction with the DUT;
- b) only a limited narrowband spectral range is used for the measurement, but completely covered by continuous shifting of the frequency band of the entire required spectral range;
Bei beiden Modi kann der Meßstrahl kontinuierlich oder gepulst und in einer bestimmten Polarisationsart oder zufallspolarisiert wirken.at Both modes can the measuring beam continuous or pulsed and in a certain polarization mode or randomly polarized.
Beim Modus b) bedient man sich zur Selektion des erforderlichen Spektralausschnitts eines dispersiven optischen Elements, z. B. eines Dispersionsprismas. Beim Modus a) wird dieses Dispersionsprisma aus dem Strahlengang ausgekoppelt.At the Mode b) one uses to select the required spectral section a dispersive optical element, e.g. B. a dispersion prism. In mode a), this dispersion prism is out of the beam path decoupled.
6. Auslegung des Gerätes6. Interpretation of the device
Der wesentliche Vorteil dieses Gerätes besteht in der quasi energieverlust- und weitgehend störungsfreien Bestimmung des Absorptionsspektrums der Meßsubstanz und gleichzeitiger Erreichung eines signifikant hohen spektralen Auflösungsvermögens bei größter Kompaktheit der Gerätebauweise.Of the substantial advantage of this device consists in the quasi loss of energy and largely trouble-free Determination of the absorption spectrum of the substance to be measured and simultaneous Achieving a significantly high spectral resolution at greatest compactness the device construction.
Wegen des geringen Gerätevolumens eignet sich dieses Gerät als mobiles Meßsystem zur Unterbringung in einem Behältnis von der Größe eines Aktenkoffers. Bei einer diesbezüglichen Anwendung wird jeweils eine Ölprobe aus einer Betriebsanlage entnommen und in die Meßapparatur eingebracht. Bereits nach einem Zeitraum von einer Minute ist das Meßergebnis im Hinblick auf die Ölart, die Ölmischung, die Inhaltsstoffe und deren Konzentration verfügbar. Besondere Vor- und Aufbereitungen der Meßprobe und Zusatzuntersuchungen naßchemischer Art sind nicht erforderlich.Because of the small volume of the device This device is suitable as a mobile measuring system for accommodation in a container the size of one Briefcase. In a related Application is an oil sample removed from an operating system and introduced into the measuring apparatus. Already after a period of one minute, the result of the measurement is with regard to the type of oil, the oil mixture, the ingredients and their concentration available. Special preparations and preparations the test sample and additional studies wet chemical Art are not required.
Die Anwendung dies Meßverfahrens erlaubt auch eine kontinuierliche Bestimmung des Ölzustandes, wenn der Strahlengang mit dem Öl einer Betriebsanlage in Wechselwirkung gebracht wird. Somit ist es möglich, den Zustand des jeweils verwendeten Öls ohne Betriebsunterbrechung festzustellen.The application of this measuring method also allows a continuous determination of the oil condition, when the beam path is brought into interaction with the oil of a plant. Thus, it is possible to change the state of each used Oil without interrupting the operation.
Neben den Komponenten zur spektroskopischen Bestimmung des Ölzustandes lassen sich noch zusätzliche Einrichtungen an das Gerät anfügen, mit deren Hilfe auch die Viskosität, die Temperatur und die Dichte des Öls bestimmt werden können.Next the components for the spectroscopic determination of the oil condition can be additional Facilities to the device append, with their help also the viscosity, the temperature and the density of the oil can be determined.
Claims (20)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE202006007621U DE202006007621U1 (en) | 2006-05-11 | 2006-05-11 | Compact built spectral measurement equipment e.g. for ATR interferometric high resolution spectral determination of oil types, has measuring substance in direct contact with ATR element or separated by radiation-transparent partition |
DE102006036947A DE102006036947B4 (en) | 2006-05-11 | 2006-08-05 | Compact spectral measuring device for the ATR interferometric high-resolution spectral determination of oil species, as well as other liquids, their metabolites and other ingredients |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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2006
- 2006-05-11 DE DE202006007621U patent/DE202006007621U1/en not_active Expired - Lifetime
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