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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Probenkörpern.
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Derartige Probenkörper sind insbesondere von Probenröhrchen gebildet, die mit Flüssigkeit befüllt und jeweils mit einer Kappe verschlossen sind. Derartige Probenröhrchen enthalten typischerweise medizinische Proben. Ein Beispiel hierfür sind mit Blutproben befüllte Probenröhrchen, die in der Blutanalyse Verwendung finden. Die Probenröhrchen werden zu Analysezwecken automatisiert unterschiedlichen Stationen zugeführt.
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Hierbei ist es erforderlich, die einzelnen Probenröhrchen zu erfassen und zu identifizieren, insbesondere um Verwechslungen und Fehlzuordnungen zu vermeiden.
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Typischerweise ist auf jedem Probenröhrchen ein Code, insbesondere ein Barcode aufgebracht, der zur Probenidentifikation dient.
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Um in einer automatisierten Anlage derartige Probenröhrchen zu erkennen, ist es bekannt, optische Sensoren einzusetzen, die typischerweise als Empfänger einen Bildsensor, das heißt eine Kamera aufweisen. Mit derartigen optischen Sensoren muss einerseits das Probenröhrchen selbst, beispielsweise durch eine Konturerfassung, und auch der Code des Probenröhrchens erkannt werden.
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Aus der
EP 3 139 309 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung von Probenkörpern in einem Erfassungsbereich bekannt, welche einen einen Bildsensor aufweisenden optischen Sensor an einem ersten Ende des Erfassungsbereichs und einen texturierten Hintergrund an einem zweiten Ende des Erfassungsbereichs aufweist. Ein im Erfassungsbereich angeordneter Probenkörper wird vor dem texturierten Hintergrund mittels des Bildsensors erfasst. In einer Auswerteeinheit werden anhand der Bildsignale des Bildsensors der Probenkörper von dem texturierten Hintergrund unterschieden und den Probenkörper kennzeichnende Objektfeststellungssignale generiert.
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Ein Vorteil dieser Sensoranordnung besteht darin, dass mit nur einem optischen Sensor sowohl auf Probenkörpern angebrachte Codes erfasst werden können als auch Geometriemerkmale der Probenkörper, wie deren Höhe oder Breite bestimmt werden können.
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Die hierzu erforderliche Analyse von Bildmerkmalen der Probenkörper ist jedoch relativ aufwändig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung bereitzustellen, mittels derer mit geringem konstruktivem Aufwand eine sichere Erkennung von Probenkörpern ermöglicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung dient zur Erfassung von Probenkörpern und weist einen optischen Sensor auf. Ein Probenkörper wird dabei vor einem in einem definierten Abstand zum optischen Sensor angeordneten Hintergrund erfasst. Der Hintergrund weist eine ortsauflösende Struktur auf. In einer Auswerteeinheit des optischen Sensors werden Geometriedaten des Probenkörpers dadurch erfasst, dass die ortsauflösende Struktur des von dem Probenkörper nicht abgedeckten Teil des Hintergrunds ausgewertet wird.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Probenkörper vor einem Hintergrund mit einer ortsauflösenden Struktur erfasst werden. Die Auswertung der Bildinformationen erfolgt erfindungsgemäß derart, dass zur Erfassung von Geometriedaten der Probenkörper nur der nicht vom Probenkörper abgeschattete Bereich der ortsauflösenden Struktur des Hintergrunds ausgewertet werden muss. Da die ortsauflösende Struktur aus einfachen geometrischen Strukturen bestehen kann, ist zur Bestimmung der Geometriedaten eines Probenkörpers keine aufwändige Bildverarbeitung nötig, sondern nur eine einfache geometrische Analyse der nicht vom Probenkörper abgedeckten geometrischen Strukturen des Hintergrunds. Der Aufwand der Bildauswertung wird weiterhin signifikant dadurch reduziert, dass keine Auswertung von Bildmerkmalen der Probenkörper selbst erforderlich ist, um deren Geometriedaten zu bestimmen.
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Lediglich auf den Probenkörpern aufgebrachte Codes, insbesondere Barcodes, welche den Inhalt der Probenkörper klassifizieren oder beschreiben, werden von dem optischen Sensor erfasst, wobei hierzu jedoch keine aufwändige Bildverarbeitung erforderlich ist.
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Gemäß einer ersten Variante weist der optische Sensor einen Bildsensor auf.
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Dabei kann der Bildsensor eine matrixförmige oder zeilenförmige Anordnung von lichtempfindlichen Empfangselementen aufweisen.
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In diesem Fall liegt die Bildinformation in Form einer ortsaufgelösten Bildstruktur in Form der Bildsignale einzelner Empfangselemente vor.
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Gemäß einer zweiten Variante bildet der optische Sensor einen Scanner aus.
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Der Scanner kann beispielsweise als Laserscanner ausgebildet werden, bei welchem von einem Laser emittierte Lichtstrahlen mittels einer Ablenkeinheit, wie z. B. einem motorisch getriebenen, rotierenden Polygonspiegelrad, periodisch innerhalb eines Abtastbereichs geführt werden. In diesem Fall liegen die Bildinformationen als zeitliche Folge von einzelnen Abtastwerten für eine Abtastung vor, die in einer Auswerteeinheit zwischengespeichert und dann gemeinsam ausgewertet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird durch die Auswertung der ortsauflösenden Struktur des Hintergrunds die Breite eines Probenkörpers bestimmt.
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Daran angepasst weisen die ortsauflösenden Strukturen des Hintergrunds parallel oder schräg zu der in Höhenrichtung verlaufenden Längsachse des Probenkörpers Linien- oder Kantenstrukturen auf.
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Alternativ oder zusätzlich wird durch die Auswertung des optischen Sensors des Hintergrunds die Höhe eines Probenkörpers bestimmt.
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Daran angepasst weisen die ortsauflösenden Strukturen des Hintergrunds, senkrecht oder schräg zu der in Höhenrichtung verlaufenden Längsachse des Probenkörpers Linien- oder Kantenstrukturen auf.
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Bei bekanntem Abstand des Hintergrunds zum optischen Sensor ergibt sich aus der Länge einer unterbrochenen Linien- oder Kantenstruktur ein direktes Maß für die Höhe bzw. Breite eines Probenkörpers.
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Besonders vorteilhaft ist eine Vielzahl von Linienstrukturen hintereinander so angeordnet, dass durch einfaches Abzählen von unterbrochenen Linien ein Maß für die Höhe bzw. Breite eines Probenkörpers gewonnen wird.
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Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung ist der optische Sensor stationär angeordnet. Die auf Trägern gelagerten Probenkörper werden an dem stationär angeordneten optischen Sensor vorbeibewegt.
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Dabei sind die Probenkörper mit in vertikaler Richtung verlaufenden Längsachsen auf der Oberseite eines Trägers gelagert.
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Mit dem optischen Sensor als alleinigem Sensormittel können alle auf den Trägern angeordneten Probenkörper anhand ihrer Codes identifiziert und deren Geometriedaten erkannt werden.
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Dabei erfolgt die Erfassung der Probenkörper mit dem optischen Sensor stets vor dem oder einem die ortsauflösende Struktur tragenden Hintergrund. Der Hintergrund ist dabei auf einer vorzugsweise ebenen Oberfläche eines Flächenkörpers aufgebracht.
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Gemäß einer ersten Variante wird der Hintergrund stationär in Abstand zum optischen Sensor so angeordnet, dass Träger mit Probenkörpern durch den Raumbereich zwischen dem optischen Sensor und dem Hintergrund geführt sind.
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Vorteilhaft bei dieser Variante ist, dass alle am optischen Sensor vorbeibewegten Probenkörper vor demselben Hintergrund erkannt werden können, d. h. es muss nur ein stationärer Hintergrund vorgesehen sein, mit dem die Geometriedaten aller Probenkörper erfasst werden können.
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Gemäß einer zweiten Variante ist auf jedem Träger ein Hintergrund so angeordnet, dass bei einer Detektion mittels des optischen Sensors die Probenkörper vor dem Hintergrund angeordnet sind.
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In diesem Fall sind die einzelnen Träger mit jeweils einem Hintergrund versehen, wobei diese vorzugsweise die einzelnen Träger individualisieren.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft wenn die Probenkörper auf mehreren, unterschiedliche Spuren ausbildenden Trägern dem optischen Sensor zugeführt sind, wobei der Hintergrund auf einem Träger die jeweilige Spur kennzeichnet.
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Anhand der für die Träger spezifischen Hintergründe können damit vom optischen Sensor die Träger der einzelnen Spuren voneinander unterschieden werden.
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Generell ist auch möglich, die Sensoranordnung mit einem beweglichen optischen Sensor auszubilden. Insbesondere bei einem mehrspurigen Transport von Trägern mit Probenkörper kann der optische Sensor so positioniert werden, dass er stets in gleichem Abstand zum Träger einer Spur angeordnet ist.
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Die Funktionalität der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann dadurch erweitert sein, dass durch die Auswertung der ortsauflösenden Struktur des Hintergrunds die Geschwindigkeit des Probenkörpers bestimmt wird.
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Zweckmäßig weist der Hintergrund hierzu in Bewegungsrichtung des Probenkörpers eine geeignete Linien- oder Kantenstruktur auf.
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Für die Geschwindigkeitsbestimmung nimmt der optische Sensor in jeweils gleichen, bekannten Zeitabständen Bilder von einem Probenkörper vor dem Hintergrund auf. Durch Vergleich der vom Probenkörper abgeschatteten Bereiche des Hintergrunds für die einzelnen Bilder wird erfasst, wie weit sich der Probenkörper pro Zeiteinheit weiter bewegt hat, womit sich die Geschwindigkeit des Probenkörpers ergibt.
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Alternativ oder zusätzlich ist auf dem Träger oder auf dem am Träger angebrachten Hintergrund wenigstens eine Positionsmarke vorgesehen. Dabei wird durch eine zeitaufgelöste Erfassung der Positionsmarke mittels des optischen Sensors die Geschwindigkeit des Trägers bestimmt.
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Dabei kann zweckmäßig als Positionsmarke ein Reflektorelement, ein Muster oder ein Loch im Träger vorgesehen sein.
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Auch in diesem Fall werden mit dem optischen Sensor in jeweils gleichen Zeitabständen Bilder von dem Träger aufgenommen, wobei dann aus der festgestellten Translationsbewegung der Positionsmarke pro Zeiteinheit die Geschwindigkeit des Trägers bestimmt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 Schematische Darstellung eines optischen Sensors für die erfindungsgemäße Sensoranordnung.
- 2 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
- 3 Sensoranordnung gemäß 2 mit mehreren Probenkörpern tragenden Racks.
- 4 Erstes Ausführungsbeispiel eines Hintergrunds für die Sensoranordnung gemäß 2
- a) ohne vorgeordneten Probenkörper.
- b) mit vorgeordneten Probenkörper.
- 5 a-c Zweites Ausführungsbeispiel eines Hintergrunds mit unterschiedlichen vorgeordneten Probenkörpern.
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1 zeigt als wesentliche Komponente der in 2 dargestellten Sensoranordnung 1 einen optischen Sensor 2, dessen Komponenten in einem Gehäuse 3 angeordnet sind.
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Der optische Sensor 2 umfasst einen Bildsensor 4 mit einer zweidimensionalen, rechteckigen oder quadratischen Anordnung von lichtempfindlichen Empfangselementen. Der Bildsensor 4 kann als CMOS- oder CCD-Sensor ausgebildet sein. Dem Bildsensor 4 ist eine ein Objektiv bildende Empfangsoptik 5 vorgeordnet.
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Der optische Sensor 2 weist weiterhin eine Beleuchtungseinheit auf, die im vorliegenden Fall von zwei Sendeeinheiten 6 gebildet ist, die beidseits des Bildsensors 4 angeordnet sind. Prinzipiell kann auch nur eine Sendeeinheit 6 vorgesehen sein. Ebenso können mehrere Sendeeinheiten 6 den Bildsensor 4 ringförmig umschließen. Die oder jede Sensoreinheit 6 besteht vorteilhaft aus einer Leuchtdiodenanordnung. Der oder jeder Sendeeinheit 6 ist eine Sendeoptik 7 zugeordnet. Mit dieser wird erreicht, dass die Beleuchtungseinheit diffuses Licht in den Erfassungsbereich abstrahlt. Der Bildsensor 4 und die Sendeeinheiten 6 sind hinter einem Fenster 8 in der Frontwand des Gehäuses 3 angeordnet.
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Der optische Sensor 2 weist weiterhin eine Auswerteeinheit 9 auf, die von einem Microcontroller oder dergleichen gebildet ist. Der Bildsensor 4 und die Sendeeinheiten 6 sind an die Auswerteeinheit 9 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 9 steuert somit die Beleuchtungseinheit. Zudem werden in der Auswerteeinheit 9 vom Bildsensor 4 generierte Bildsignale ausgewertet, wodurch Objektfeststellungssignale generiert werden, die über einen oder mehrere nicht dargestellte Ausgänge ausgegeben werden können.
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Die Beleuchtungseinheit des optischen Sensors 2 emittiert Lichtstrahlen 10 derart, dass damit ein Erfassungsbereich vollständig ausgeleuchtet wird.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 umfasst neben dem optischen Sensor 2 einen Hintergrund 11 mit einer ortsauflösenden Struktur. Der Hintergrund 11 ist auf der Oberfläche eines Flächenkörpers aufgebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind der optische Sensor 2 und der Hintergrund 11 an innenliegenden Rahmensegmenten eines Tors 12 so angebracht, dass sie gegenüber liegend angeordnet die Toröffnung 13 des Tors 12 begrenzen.
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Durch die Toröffnung 13 wird, wie 2 zeigt, ein einen Träger bildendes Rack 14 bewegt, auf dessen Oberseite mehrere Probenkörper 15 in Form von Probenröhrchen gelagert sind. Die Längsachsen der Probenkörper 15 sind in vertikaler Richtung orientiert. In den Probenkörpern 15 sind im vorliegenden Fall Blutproben gelagert. Generell können die Probenkörper 15 auch andere Proben, insbesondere Flüssigkeiten, aufnehmen.
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3 zeigt die Einbindung der Sensoranordnung 1 in eine Analysestation. Diese erfasst mehrere Racks 14 mit Probenkörpern 15, die in unterschiedlichen Spuren zu einem Chemiebereich 16 geführt werden, wo die Blutproben in den Probenkörpern 15 analysiert werden. Die Racks 14 mit den Probenkörpern 15 werden über das Tor 12 dem Chemiebereich 16 zugeführt bzw. von diesem wegtransportiert.
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4a zeigt ein Ausführungsbeispiel des am Tor 12 angebrachten Hintergrunds 11. Der Hintergrund 11 weist im oberen Bereich eine Anzahl von parallel in Abstand orientierten Strichen 17 auf, die jeweils in gleichem Abstand zueinander angeordnet und identisch ausgebildet sind. Im unteren Bereich des Hintergrunds 11 befindet sich ein flächiges Muster in Form eines Dreiecks 18, das farblich zum Rest des Hintergrunds 11 abgesetzt ist.
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4b zeigt einen zu dem Hintergrund 11 gemäß 4a angeordneten Probenkörper 15. Auf der Außenseite des Probenkörpers 15 ist ein Code 19 in Form eines Barcodes angebracht, der den Inhalt der Blutprobe kennzeichnet.
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Bei Passieren des Tors 12 wird der auf dem Rack 14 transportierte Probenkörper 15 gemäß 4b vor dem Hintergrund 11 mit dem optischen Sensor 2 erfasst. Dabei wird mit dem optischen Sensor 2 der auf dem Probenkörper 15 angebrachte Code 19 gelesen.
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Weiterhin werden mit den optischen Sensoren 2 die Breite und Höhe des Probenkörpers 15 bestimmt. Hierzu werden erfindungsgemäß nur die vom Probenkörper 15 nicht verdeckten Bereiche des Hintergrunds 11 herangezogen, nicht jedoch Bildmerkmale des Probenkörpers 15 selbst. Diese Erfassung von Geometriedaten des Probenkörpers 15 aus den nicht abgedeckten Bereichen des Hintergrunds 11 ist deshalb möglich, da der Probenkörper 15 und alle anderen Probenkörper 15 in einem definierten Abstand zum optischen Sensor 2 angeordnet sind, ebenso wie auch der Hintergrund 11. Dies wird dadurch erreicht, dass die Racks 14 mit den Probenkörpern 15 entlang einer definierten geradlinig verlaufenen Bahn durch die Toröffnung 13 bewegt werden, wobei die Bahn senkrecht zur Torebene verläuft.
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Die Höhe des Probenkörpers 15 wird dadurch im optischen Sensor 2 bestimmt, dass die Zahl der durch den Probenkörper 15 unterbrochenen Striche 17 gezählt wird.
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Die Breite des Probenkörpers 15 wird durch die Längen der nicht vom Probenkörper 15 abgedeckten Segmente der Kanten des Dreiecks 18 bestimmt.
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Weiterhin kann mit dem optischen Sensor 2 auch die Geschwindigkeit des durch das Tor 12 bewegten Racks 14 bestimmt werden. Hierzu ist im vorliegenden Fall auf der dem optischen Sensor 2 zugewandten Seite eine Positionsmarke 20 angeordnet.
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Die Positionsmarke 20 kann von einem Reflektorelement oder einem Muster auf dem Rack 14 gebildet sein. Weiterhin kann die Positionsmarke 20 auch von einem Loch im Rack 14 gebildet sein.
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Mit dem optischen Sensor 2 werden jeweils in gleichen Zeitabständen nacheinander Bilder von dem Rack 14 mit dem Probenkörper 15 aufgenommen. In den Bildern wird mittels der Auswerteeinheit 9 bestimmt, wie weit sich die Positionsmarke 20 von einer Bildaufnahme zur nächsten weiterbewegt hat. Daraus wird die Geschwindigkeit des Racks 14 ermittelt.
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Alternativ kann auch der Hintergrund 11 ein charakteristisches Muster aufweisen, das eine Positionsverfolgung des Probenkörpers 15 bei einer Bewegung durch das Tor 12 gestattet. Dann können diese Informationen anstelle der Positionsmarke 20 zur Geschwindigkeitsbestimmung genutzt werden.
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Die 5a-c zeigen eine weitere Ausführungsform des Hintergrunds 11. Dieser Hintergrund 11 weist eine über seine gesamte Oberfläche verteilte Anordnung von strahlenförmig verlaufenden Strichen 17 auf, wobei die einzelnen Striche 17 verschieden gegenüber der Horizontalen geneigt sind.
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Aus der Anzahl der durch einen Probenkörper 15 unterbrochenen Striche 17 sowie durch die Bestimmung der Längen der nicht unterbrochenen Segmente dieser Striche 17 können sowohl die Höhe als auch die Breite eines Probenkörpers 15 bestimmt werden. Dadurch können verschiedene Formen von Probenkörpern 15, wie in den 5a-c dargestellt, voneinander unterschieden werden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 kann dahingehend abgewandelt werden, dass am Tor 12 kein Hintergrund 11 vorgesehen ist.
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Dafür ist an jedem Rack 14 ein Hintergrund 11 angeordnet. Der Hintergrund 11 steht vorzugsweise von einen längsseitigen oberen Rand des Racks 14 hervor. Wird dann das Rack 14 durch das Tor 12 bewegt, liegt in Blickrichtung des optischen Sensors 2 der Hintergrund 11 hinter den Probenkörpern 15. Der Hintergrund 11 und die Probenkörper 15 sind wieder in definierten, geführten Abständen zum optischen Sensor 2 angeordnet, so dass wiederum aus nicht von einem Probenkörper 15 abgedeckten Segmenten die Geometriedaten des Probenkörpers 15 bestimmt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Sensoranordnung
- (2)
- Optischer Sensor
- (3)
- Gehäuse
- (4)
- Bildsensor
- (5)
- Empfangsoptik
- (6)
- Sendeeinheit
- (7)
- Sendeoptik
- (8)
- Fenster
- (9)
- Auswerteeinheit
- (10)
- Lichtstrahlen
- (11)
- Hintergrund
- (12)
- Tor
- (13)
- Toröffnung
- (14)
- Rack
- (15)
- Probenkörper
- (16)
- Chemiebereich
- (17)
- Striche
- (18)
- Dreieck
- (19)
- Code
- (20)
- Positionsmarke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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