DE4213360A1

DE4213360A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur gleichzeitigen, berührungslosen Messung und mathematischen Systemmodellierung von Stoffgehalts- und Zustandsgrößen, wie Feuchte, Fett- sowie Eiweißgehalt und Viskosität (Innendruck), speziell hochviskoser bis flüssiger Medien zur Augendiagnostik

Info

Publication number: DE4213360A1
Application number: DE19924213360
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Ing Herrlich
Original assignee: ANGEWANDTE PNEUMATIK und ELEKT
Current assignee: ANGEWANDTE PNEUMATIK und ELEKT
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1993-10-28

Description

1. Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtungen zur gleichzeitigen, berührungslosen Messung und mathematischen Systemmodellierung von Stoffgehalts- und Zustandsgrößen, wie Feuchte, Fett- sowie Eiweißgehalt und Viskosität (Innendruck), speziell hochviskoser bis flüssiger Medien zur Augendiagnostik.

2. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur gleichzeitigen, berührungslosen Messung und mathematischen Systemmodellierung von Stoffgehalts- und Zustandsgrößen, wie Feuchte, Fett- sowie Eiweißgehalt und Viskosität (Innendruck), speziell hochviskoser bis flüssiger Medien zur Augendiagnostik, wie es z. B. bei der Regelung von Herstellungsverfahren für Teig, Schokolade, Kunststoffasern und dergleichen, speziell aber zur Augendiagnostik benötigt wird.

3. Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind einzelne Verfahren und Vorrichtungen der Prozeßmeß technik zum Bestimmen einzelner Stoffgehaltsgrößen, wie z. B. der Feuchte durch Differenzmessung der unterschiedlich starken Infrarotabsorption bei einer gering absorbierenden Referenzstrah lung der Wellenlänge 1,6 bis 1,8 µm und einer stark absorbierenden Meßstrahlung von 1,9 bis 2,0 µm Wellenlänge, um die für die Mes sung irrelevanten Abstands-, Oberflächen-, Farb- und Helligkeits effekte möglichst auszusondern.

Der periodische, schnelle Wechsel der beiden Wellenlängen ge schieht meist durch Anordnung zweier Filter auf einer synchroni siert, rotierenden Scheibe mit anschließender elektronischer Auswertung und Anzeige des Wertes der vorgefundenen Menge der gemessenen Stoffgröße.

Die Wahl der Referenzstrahlung mit 1,6 bis 1,8 µm hat den Nach teil, daß insbesondere bei 1,7 µm bei der Feuchtemessung der im Meßgut vorhandene Fettanteil als Störsubstanz auftritt.

Die Wahl der Meßstrahlung mit 1,9 µm oder 1,95 µm gewährleistet nicht die maximale Absorptionsdifferenz zwischen Meß- und Referenzstrahlung.

Die durch den ständigen Filterwechsel notwendigerweise prak tisch als trägheitslos arbeitend erforderliche komplizierte Zweikanalauswerteelektronik ist durch die Vielzahl der Bauele mente teuer und arbeitet infolge der nicht idealen Übertragungs eigenschaften der Bauelemente ungenau.

Die Rotation der Filter bedingt, daß diese stark mechanisch be lastet und über den gesamten Durchmesser vom Licht durchsetzt werden. Aufgrund der optischen Beschaffenheit (Fehler in der Planparallelität der Flächen; der nutzbare Durchmesser beträgt nur 80-90% des Durchmessers der Filter) sind Meßungenauig keiten unumgänglich, zumal noch mechanische Ungenauigkeiten des Filterrades stark die Messung beeinflussen.

Schmalbandinterferenzfilter sind teuer und mechanisch wenig belastbar.

Da die bekannt gewordenen Lösungen keine Elemente zur Kontrolle und Kompensation der Bauteilalterung enthalten, arbeiten sie mit fortlaufender Betriebsdauer immer ungenauer.

Nicht bekannt geworden ist die Nutzung der vorgenannten Schnell meßverfahren zum Bestimmen der Stoffgehaltsgrößen der Tränen flüssigkeit, obwohl das für die Augendiagnostik, speziell für Reihenuntersuchungen der Glaukomprophylaxe relevant wäre.

Bekannt geworden sind außerdem Verfahren und Vorrichtungen zur Viskositäts- bzw. Augeninnendruckmessung, bei denen die Ver formung des Auges durch einen definierten Druckluftstrahl optisch registriert wird.

Nicht bekannt geworden ist der automatische Fehlerabgleich bei den vorgenannten Meßvorrichtungen durch einen integrierten Meßcomputer, welcher auch die mathematische Echtzeit-System modellierung vornimmt, da die gemessenen Stoffgehaltsgrößen z. B. durch Versprödung der Cornea auf die Zustandsgröße Viskosität (Augeninnendruck) wirken.

4. Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die gesamten Mängel des Standes der Technik zu beheben.

5. Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie Vorrichtungen anzugeben, mit denen unter Verwendung von Infrarot verschiedener Wellenlänge und Druckluft im Millisekunden-Zeitraum berührungslose Messungen und Systemmodellierungen hoher Genauig keit preiswert erfolgen können, um somit, speziell für die Ophthalmologie, neue Diagnose- und Prophylaxe-Möglichkeiten erschließen zu können.

Dazu sind die Probleme der gleichzeitigen Messung von Stoffge halts- und Zustandsgrößen am vorderen Pol der Augenachse, Selbst eichung und Nachführung des elektronischen Auswertesystems sowie Erhöhung der Genauigkeit der Messung trotz deren Schnelligkeit zu lösen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sowohl die Eineichung des Meßgerätes auf die Geometrie des zu untersuchenden Mediums, speziell des Auges, als auch die Viskositäts- bzw. Augeninnendruckmessung mit einem Druckluftstrahl mit zwei Druck niveaus und gleichzeitig eine Vermessung der entstehenden Krater mit Infrarot verschiedener Wellenlängen erfolgt.

Vorzugsweise wurden für die Feuchtemessung eine Meßwellenlänge von 1,94 µm, für die Fettgehaltsmessung von 1,725 µm und für die Eiweißgehaltsmessung von 1,82 bzw. 2,18 µm angewandt sowie für die entsprechenden Referenzwellenlängen 1,82 bzw. 1,65 µm gewählt.

Zum Erzeugen der verschiedenen Wellenlängen werden entweder eine synchron rotierende, mit den entsprechenden Filtermaterialien punktweise bedampfte, durchsichtige Glas- oder Polykarbonat scheibe in den Strahlengang gebracht oder es erfolgt unter Ver wendung dielektrischer, wellenlängenabhängiger Spiegel eine Aufteilung des von einer Halogenlampe erzeugten Lichtstrahls in die entsprechenden Meß- und Referenzwellenlängen.

Im ersten Fall wird das vom Medium (Auge) reflektierte Licht von nur einem PbS-IR-Detektor, im zweiten Fall von mehreren aufge nommen.

Die Lichtleitung zur und von der Meßstelle (Augenspitze) erfolgt durch ein in der Längsrichtung halbiertes durchsichtiges Poly karbonatrohr, welches an dem, dem Medium (Auge) zugewandten Ende keilförmig angeschliffen ist.

Durch das Polykarbonatrohr wird die Druckluft zentral auf die Augenspitze gelenkt.

Zur Feinjustierung des Abstandes zwischen Medium (Auge) und Polykarbonatrohr werden bekannte Linsen- und Hohlspiegelsysteme um dieses angeordnet und eine Axialverschiebung vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Nutzung des das Medium (Auge) deformieren den Druckluftstrahls von zwei Druckniveaus sowohl zur Eineichung des Meßgerätes auf die Geometrie des Mediums (Auges) als auch zur Genauigkeitseichung und ggf. Optimierung des durch die Deformation gegenüber dem Ruhezustand anders reflektierten Infrarotlichtes geschieht, indem zwei Kammern, gefüllt mit Druckluft unterschiedlichen Niveaus durch einen elektronisch angesteuerten, elektromagnetisch bewegten Schieber oder Ventile nacheinander dem Polykarbonatrohr zugeordnet werden. Die Kammer umschaltung erfolgt in 1-2 ms, also noch vor dem Einsetzen des Lidschlagreflexes, so daß keine Ruhigstellung des Auges erfor derlich ist.

Die Anordnung der Lichtquelle und im Falle der Filterradvariante auch des Motors erfolgt im Innern des Polykarbonatrohres und dient der Erwärmung der Druckluft.

Über einen empfindlichen Drucksensor wird der nach dem Düse-Prall platte-Prinzip senkrecht zur Wand des Polykarbonatrohres entstehende Rückstaudruck erfaßt und zur Signalverarbeitung genutzt.

Als hohes Niveau der Druckluft wurden 501-5000 Pa, als niedri ges 1-500 Pa verwendet.

6. Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Prinzipdarstellungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Stoffgehalts- und Zustandsgrößen im Teil schnitt, in der Variante als Augendiagnostikgerät, wobei die Beleuchtungs- sowie die Infrarotmeßkammer ohne Details bleiben,

Fig. 2 den erfindungsgemäßen Druck-Zeit-Verlauf,

Fig. 3 Details der Beleuchtungskammer in der Filterrad variante zur Erzeugung der verschiedenen Infrarot wellenlängen,

Fig. 4 Details der Infrarotmeßkammer in der Variante mit dielektrischer, wellenlängenabhängig, teildurchlässi ger Spiegel.

Die von dem Kompressor 1 erzeugte ölfreie Druckluft gelangt mit hohem Druck in die Kammer D und über einen Druckreduzierer 2 mit niedrigerem Druck in die Kammer d.

Den Kammern ist ein elektromagnetisch betätigter Schieber oder Ventilsatz 3 nachgeordnet, dem sich das lichtdurchlässig längs geteilte sonst lichtleitende Polykarbonatrohr 4 anschließt. Um das Polykarbonatrohr 4 sind eine Beleuchtungskammer 5 sowie gegenüber eine Infrarotmeßkammer 6 und am anderen Ende eine der Feinjustierung des Abstandes zwischen dem Medium (Auge) 7 und dem Polykarbonatrohr 4 dienendes Linsen- und Hohlspiegelsystem 8 sowie eine nicht näher dargestellte Axialverstellung 9 angeordnet. Senkrecht zur Achse des Polykarbonatrohres 4 ist dieses mit einem Drucksensor 10 verbunden.

Durch Betätigen des Schiebers oder Ventilsatzes 3 gelangt die Druckluft, erwärmt durch die Lampe 11 und in der Filterradvariante auch durch den Filterradmotor 12 durch das Polykarbonatrohr 4 zum Medium (Auge) 7 und bildet dort je nach Niveau der Druckluft und Viskosität (Augeninnendruck) einen unterschiedlich tiefen Krater. Nach dem Düse-Prallplatten-Prinzip entsteht im Polykarbonatrohr 4 dadurch eine Staudruckdifferenz Δ Pm, welche vom Drucksensor 10 gemessen wird und die Viskosität (Augeninnendruck) kennzeichnet.

Eine weitere Messung der Viskosität (Augeninnendruck) erfolgt, indem der aus der Beleuchtungskammer 5 kommende Infrarotstrahl 13 nach Durchlaufen der oberen Hälfte des Polykarbonatrohres 4 auf das Medium (Auge) 7 trifft und von diesem je nach Deformation durch den Druckluftstrahl unterschiedlich stark reflektiert und nach Durchlaufen der unteren Hälfte des Polykarbonatrohres 4 in der Infrarotmeßkammer 6 intensitätsmäßig durch einen oder mehrere Sensoren 14 erfaßt wird.

Die elektronisch gewandelten Signale werden in einen Meßcomputer 15 verarbeitet und Anzeigegeräten 16 zugeführt.

Außerdem erfolgt durch Korrelation der Stoffgehalts- und Zustands größen die Angabe des aktuellen mathematischen Systemmodells.

Die Stoffgehaltsgrößen, z. B. Feuchte, Fett- und Eiweißgehalt an der Oberfläche des Mediums (Auge) 7 werden gemessen, indem in der Variante mit schnellrotierendem Filterrad 17 durch die aufgedampften Filter unterschiedliche Wellenlängen des Infrarot strahles 13 so erzeugt werden, daß nach dem Prinzip der Infrarot absorptionsmessung die Differenz zwischen Absorption bei Meß- und Referenzwellenlänge möglichst groß wird.

Diese Differenz kennzeichnet den Stoffgehalt.

In der Variante mit feststehenden dielektrischen, wellenlängen abhängig, teildurchlässigen Spiegeln 18 wird der Infrarotstrahl 13 in die entsprechenden Meß- und Referenzwellenlängen getrennt und deren Intensität durch mehrere Sensoren 14 festgestellt.

Es haben sich folgende Referenz- und Meßwellenlängen des Infrarot strahles 13 bewährt

1,82 µm   1,94 µm für Feuchte
1,65 µm   1,725 µm für Fett
1,65 µm   1,82 oder 2,18 µm für Eiweiß

Als hohes Niveau der Druckluft wurden 501-5000 Pa, als niedriges 1-500 Pa verwendet.

Verwendete Bezugszeichen

1 Kompressor
2 Druckreduzierer
3 Schieber oder Ventilsatz
4 Polykarbonatrohr
5 Beleuchtungskammer
6 Infrarotmeßkammer
7 Medium (Auge)
8 Linsen- und Hohlspiegelsystem
9 Axialverstellung
10 Drucksensor
11 Lampe
12 Filterradmotor
13 Infrarotstrahl
14 Sensoren
15 Meßcomputer
16 Anzeigegerät
17 Filterrad
18 dielektrische, wellenlängenabhängig, teildurchlässige Spiegel
D Kammer mit hohem Druck
d Kammer mit niedrigem Druck
Δpm Staudruckdifferenz

Claims

1. Verfahren zur gleichzeitigen, berührungslosen Messung und mathematischen Systemmodellierung von Stoffgehalts- und Zustandsgrößen, wie Feuchte, Fett- sowie Eiweißgehalt und Viskosität (Innendruck), speziell hochviskoser bis flüssiger Medien zur Augendiagnostik unter Verwendung von Druckluft und Infrarotstrahlen verschiedener Wellenlänge, dadurch gekenn zeichnet, daß das Medium (Auge) durch einen Druckluftstrahl erst niedrigen dann hohen Druckniveaus wenige Millisekunden lang beaufschlagt wird, der in Abhängigkeit von der Viskosität (Innendruck) einen mehr oder minder tiefen Krater erzeugt, nach dem Düse-Prallplatten-Prinzip auch einen unterschiedlichen Rückstaudruck, welcher ebenso wie der vom Kratergrund mehr oder minder stark reflektierte Infrarotstrahl über Sensoren in elek tronische Signale gewandelt einem Meßcomputer zugeführt werden, welcher die Stoffgehalts- und Zustandsgrößen zu einem mathema tischen Systemmodell verarbeitet und die Größen zur Anzeige bringt, wobei die Stoffgehaltsgrößen durch unterschiedlich starke Infrarotabsorption bei speziellen Referenz- und Meß wellenlängen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ölfreie Druckluft der Niveaus 1-500 Pa und 501-5000 Pa mit Einwirk zeiten von 1-2 Millisekunden sowie Infrarotstrahlen der Refe renz- und Meßwellenlängen für Feuchte von 1,82 µm und 1,94 µm, für Fett von 1,65 µm und 1,725 µm sowie für Eiweiß von 1,65 µm und 1,82 oder 2,18 µm Anwendung finden und die verschiedenen Wellenlängen entweder vor der Bestrahlung des Mediums (Auge) durch ein mit Infrarotfiltern bedampftes Filterrad oder danach durch Zerlegung des signaletragenden, vom leeren Filterrad gepulsten Infrarotstrahles mittels dielektrischer, wellenlängen abhängig, teildurchlässiger Spiegel mit nachgeschalteten Sen soren erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der ölfreien Druckluft vom Kompressor zur Kammer mit hohem Druck direkt, zur Kammer mit niedrigem Druck über einen Druckreduzierer, danach zu einem lichtundurchlässig längsgeteilten, sonst lichtleitenden Polykarbonatrohr durch elektronisch-elektromagnetisches Betätigen eines Schiebers oder Ventilsatzes in 1-2 Millisekunden erfolgt, wobei die Erwärmung der Druckluft durch die Lampe sowie den Filterrad motor erfolgt und die Leitung des Infrarotstrahles von der Beleuchtungskammer über die eine Hälfte des Polykarbonatrohres mit keilförmig angeschliffenem Ende zum Medium (Auge) und nach Reflexion von dort durch die andere Hälfte des Polykarbonat rohres zur Infrarotmeßkammer erfolgt und die Feinjustierung des Abstandes zwischen Medium (Auge) und Polykarbonatrohrende sowohl optisch-mechanisch als auch durch Signalverarbeitung beim ersten Druckluftsprung von 0 auf 1-500 Pa erfolgt.

4. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach den Ansprü chen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einem Kompressor zum Erzeugen ölfreier Druckluft zwei Kammern, eine unter Zwischenschaltung eines Druckreduzierers, ein Schieber oder Ventilsatz und ein lichtundurchlässig längsgeteiltes, sonst lichtleitendes Polykarbonatrohr mit vorgeschalteten Beleuch tungs- und Infrarotmeßkammern, umgebendem Linsen- und Hohl spiegelsystem sowie einer Axialverstellung, einer senkrecht zur Achse abführenden Leitung mit Drucksensor und keilförmig angeschliffenem Ende so zugeordnet sind, daß sowohl der Druck sensor als auch die Infrarotmeßkammer mit einem Meßcomputer und dieser mit Anzeigegeräten in Verbindung stehen.

5. Vorrichtung zur Realisierung der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe, vorzugsweise eine Halogenlampe sowie der Filterradmotor im Druckluftkanal angeordnet sind und daß das Filterrad aus Glas oder vorzugsweise Polykarbonat in einer Variante aufgedampfte Infrarotfilter, in einer ande ren Variante lichtundurchlässige Segmente (Lichtpulsatoren) enthält, so daß das von der Lampe emittierte Licht als eventu ell nur elektronisch gepulster bandbreiter Infrarotstrahl oder mit hervorgehobenen Referenz- und Meßwellenlängen über einen undurchlässigen Spiegel der abgeschrägten oberen Hälfte des lichtleitenden Polykarbonatrohres senkrecht zugeführt wird.

6. Vorrichtung zur Realisierung der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotmeßkammer in der einen Variante nur einen Sensor, in der anderen Variante mehrere Sensoren, vorzugsweise Bleisulfid-Infrarot-Detektoren mit vorgelagerten dielektrischen, wellenlängeabhängig, teildurchlässigen Spiegeln und lichtdicht abgeschirmten Kammern enthält.