DE60222864T2 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung von fluiden - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen von Fluiden. Die Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte Vorrichtung zum Messen der Farbeigenschaften von Fluiden im Hinblick auf Transmission und/oder Reflexion, wie z. B. durch die Vorrichtung fließende Farbdispersionen und Färbungsmittel.
  • Pigmentdispersionen und Färbungsmittel werden heutzutage weithin beim Formulieren von Hochleistungs-Beschichtungszusammensetzungen eingesetzt, die insbesondere für Decklacke für Kraftfahrzeuge und Lkws benutzt werden.
  • Bei der Herstellung solcher Dispersionen und Färbungsmittel besteht ein Problem dann, Farbe und Stärke des Materials bei der Herstellung zu messen, so dass Justagen schnell vorgenommen werden können, um dieses Material in einen akzeptablen Farbtoleranzbereich zu bringen. Farbmessungen werden heutzutage in einem manuellen Vorgang durchgeführt, der das Nehmen eines Aliquots des Materials, Mischen desselben mit einer weißen oder schwarzen Standardfarbe, Aufsprühen der Mischungen als Beschichtung auf Paneelen, Brennen und Trocknen der Paneelen und dann Messen von ein oder mehreren Farbeigenschaften der getrockenen Beschichtung mit einem Kolorimeter oder einem Spektrofotometer anhand eines Standards beinhaltet. Dann können Justierungen an der Charge vorgenommen werden, bis die Farbparameter mit dem Standard übereinstimmen.
  • Farbmessungen mit diesem Verfahren sind aufgrund der Probenvorbereitungs- und Trocknungszeiten sehr zeitaufwändig. Es ist auch möglich, dass diese Prozedur oft wiederholt werden muss, bevor die gewünschte Farbeigenschaft erzielt ist. Ein weiteres bei dieser Prozedur entstehendes Problem ist, dass die Genauigkeit des Tests von der Farb- und Stärkestabilität der weißen oder schwarzen Standardfarben abhängig ist. Selbst bei sorgfältiger Regelung neigen diese Standards dazu, von Charge zu Charge zu variieren, und neigen auch dazu, im Laufe der Zeit auszuflocken oder sich abzusetzen, was zu einer schlechten Testwiederholbarkeit führt und es immer schwieriger macht, Farbe und Stärke der Charge bei deren Herstellung genau zu analysieren.
  • Ziel in der Industrie ist es seit einiger Zeit, die Farbeigenschaften dieser Fluide in einem nassen Zustand und auf eine solche Weise zu messen, dass sich die Farbe des Fluids nach dem Auftragen und Trocknen vorhersagen lässt. Die Hauptvorteile sind hauptsächlich mit Zeiteinsparungen assoziiert, obwohl auch einige mit der höheren Wahrscheinlichkeit eines automatisierten Herstellungsverfahrens assoziiert sind.
  • Zum Messen der Durchlässigkeit wurden herkömmliche Laborspektrofotometer unter Verwendung von küvettenartigen Probenkammern vorgeschlagen, damit solche Nassmessungen offline durch Messen eines Transmissionsspektrums einer nassen transparenten Probe durchgeführt werden können. Zellenpfadlängen in solchen Spektrofotometern sind jedoch im Allgemeinen zu groß für solche Messungen, da diese Fluide dazu neigen, optisch zu dicht zu sein. Außerdem kann es zu Absetzen und Ausflocken kommen, was die Farbe der Probe verändert. Darüber hinaus kommt es, wenn man einfach eine Probe von nassem Fluid nimmt und in eine Glaszelle gibt und ihre Farbeigenschaften misst, im Allgemeinen zu uneinheitlichen Ergebnissen, hauptsächlich aufgrund schlechter Wiederholbarkeit und Bedienervariabilität.
  • Zum Messen im Reflexionsmodus könnte man die Verwendung eines herkömmlichen Kolorimeters zum Messen der freien Oberfläche einer Nassbeschichtung von Fluiden wie Pigmentdispersionen oder Färbungsmittel vorschlagen. Oberflächenungleichförmigkeiten solcher Beschichtungen, sowie Absetzen, Ausflocken und mangelnde Abdeckung, könnte jedoch weiterhin zu falschen Ergebnissen und unakzeptabler Messvariabilität führen. Das Koppeln einer solchen Vorrichtung mit einer nassen Probe hat ihre eigenen Schwierigkeiten, einschließlich, aber nicht begrenzt auf, den Betrieb der genannten Vorrichtung in Anwesenheit von flüchtigen und flammbaren Lösungsmitteln, die von der Probenoberfläche emittiert werden.
  • Ein weiteres Instrument, das in der am 23. April 1998 veröffentlichten WO 98/16822 von Batista et al. beschrieben ist und eine Fluidmesszelle mit veränderlicher Pfadlänge zum Messen von Fluideigenschaften einschließlich Farbe einsetzt, könnte für solche Messungen verwendet werden. Dieses Gerät hat jedoch mehrere bewegliche Teile, die Teil des Fluidpfades sind, was Schwierigkeiten beim Reinigen verursachen kann, und die schwer zu warten sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Design derart ist, dass es große Fluidprobenvolumen benötigt, damit richtige Messwerte erhalten werden können.
  • Die WO 97/28477 A1 beschreibt eine optische Durchflusszelle für die Verwendung in der Spektralanalyse, die ein Gehäuse umfasst, das mit sich schneidenden ersten und zweiten Bohrungen ausgebildet ist, die einen Fluidhohlraum zwischen sich bilden. Diese Bohrungen dienen jeweils für Fluiddurchfluss und Strahlungstransmission.
  • Die US 4,511,251 beschreibt eine Vorrichtung zum Untersuchen von Fluiden, besonders Farben, das ein Gehäuse mit einem Hohlraum hat und von einem lichtdurchlässigen Fenster verschlossen wird, und mit einem Einsatzelement, das in dem Hohlraum positioniert ist und eine Fluidkammer bildet, wo Fluid an dem Fenster vorbei strömt und wo die Strömung laminar und unidirektional ist.
  • Es besteht somit weiterhin Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung für Farbmessungen von nassen Fluiden, das/die annehmbar einheitliche Ergebnisse erzeugt; kein Sprühen und Mischen mit weißen oder schwarzen Standards und keine Produktion einer Reihe von Trockenproben erfordert; sich rasch reinigen lässt (innerhalb von 1 oder 2 Minuten), so dass die Zykluszeit der Messung im Vergleich zu Verfahrensänderungen äußerst kurz ist; ein leichtes Mittel (einschließlich automatisch) zum Zuführen der Probe zur Analysezelle bereitstellt, so dass Messungen des Fluids im Hinblick auf Farbe und Stärke rasch durchgeführt werden können; und mit Konfidenz voraussagt, dass die Nassmesswerte auch mit dem Standard im Trockenzustand übereinstimmen.
  • Zusätzlich zu den obigen Merkmalen besteht auch Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, die eigensicher gemacht werden kann, so dass sie auf einem Anlagenboden in einer Umgebung platziert werden kann, in der eine explosive Atmosphäre enthalten sein kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Vorrichtung zum Untersuchen von Fluiden gemäß Anspruch 1.
  • In einer anderen Ausgestaltung kann die Transmissionssonde durch ein Lichtleiterbündel ersetzt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird die Transmissionssonde oder das Lichtwellenleiterbündel mit einer Integrationskugel verbunden, von der eines der Portale mit einem der Fluidanalysezellen-Beobachtungsfenster verbunden ist, so dass diffuse oder direkte Durchlässigkeitsmessungen an der analysierten Fluidprobe vorgenommen werden können.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung ist eine zusätzliche Sonde in einem Winkel normal zur Fluidprobe positioniert, so dass auch Reflektanzmessungen an der analysierten Fluidprobe vorgenommen werden können.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung wird eines der Beobachtungsfenster in der Fluidanalysezelle durch einen Zylinder aus ähnlichem Material ersetzt, das für sichtbares Licht durchlässig ist, das eine oder mehrere Facetten in einem anderen Winkel als parallel zur Oberfläche der Fluidprobe hat, wobei die Facetten distal von und parallel zu der Oberfläche der Fluidprobe für eine Verbindung mit einer oder mehreren zusätzlichen optischen Sonden zum Messen der Reflektanz der analysierten Fluidprobe in die Oberfläche geschnitten sind.
  • Die Untersuchungsvorrichtung beinhaltet auch vorzugsweise die folgenden Komponenten:
    ein gespültes explosionssicheres Gehäuse zur Aufnahme aller elektrischen/elektronischen Komponenten sowie die Lichtquelle für das Instrument; und
    ein automatisches, pneumatisch gesteuertes Probensystem zum Zuführen der Probe zur Fluidanalysekammer.
  • Auch ein Verfahren zum Messen der Farbeigenschaften eines Fluids mit der obigen Vorrichtung ist Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 2 ist eine Teilfrontansicht der Vorrichtung von 1, die nur die optische Einheit und die Fluidanalysezelle zeigt.
  • 3 ist eine Frontansicht der in der Vorrichtung von 1 verwendeten Fluidanalysezelle.
  • 4 ist eine Teilansicht der Fluidanalysezelle von 3, die Fluidstrom durch die Zelle zeigt.
  • 5 ist eine Frontansicht der in der Vorrichtung von 1 benutzten Druckbehälterbaugruppe.
  • 6 ist eine Frontansicht der Abdeck- und Blendenbaugruppe der Blitzlampe, die die Ausgänge für die in der Vorrichtung von 1 verwendeten Blitzlampe enthält.
  • 7 ist eine Seitenansicht der in 6 gezeigten Einheit.
  • 8 ist eine Frontansicht einer weiteren Fluidanalysezelle.
  • 9 ist eine Frontansicht einer weiteren Fluidanalysezelle.
  • 10 ist eine Frontansicht einer weiteren Fluidanalysezelle.
  • 11 ist eine schematische Ansicht der Fluidanalysezellenfenster, die Justierungen zeigt, die evtl. zum Korrigieren von Brechungsindexfehlübereinstimmungen an der Zelle vorgenommen werden müssen.
  • 12 ist eine weitere schematische Frontansicht der Fluidanalysezellenfenster, die Justierungen zeigt, die evtl. zum Korrigieren von Brechungsindexfehlübereinstimmungen an der Zelle vorgenommen werden müssen.
  • 13 ist eine Frontansicht einer weiteren Fluidanalysezelle, die die obigen Korrekturfaktoren der 11 und 12 berücksichtigt.
  • 14 ist eine schematische Ansicht eines Fluidanalysezellenfensters, das Justierungen eliminiert, die evtl. zum Korrigieren von Brechungsindexfehlübereinstimmungen an der Zelle vorgenommen werden müssen.
  • 15 ist eine Frontansicht einer weiteren Vorrichtung, die die obigen Korrekturfaktoren von 14 berücksichtigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
  • Im Allgemeinen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Untersuchen einer großen Vielfalt von Fluiden verwendet werden, sie ist aber besonders zum Messen der Farbeigenschaften von Dispersionen und Färbungsmitteln ausgelegt, die bei der Herstellung von Kfz-Hochleistungsbeschichtungen verwendet werden. Die Vorrichtung ist besonders zum Messen der Farbeigenschaften der durch die Vorrichtung fließenden Fluide mittels Nasslichttransmissions- und/oder -reflexionsgradmessungen über das sichtbare Spektrum auf eine Weise ausgelegt, die genaue Instrumentenmesswerte ergibt.
  • Nun mit Bezug auf die 1 und 2 der Zeichnungen, die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 10, das eine optische Einheit 12 zum Bereitstellen einer Quelle von sichtbarem Licht zu einer Fluidanalyseeinheit 14 und zum Erfassen des davon emittierten sichtbaren Lichts enthält. Sowohl die optische Einheit 12 als auch die Fluidanalyseeinheit 14 sind mit einer Systemsteuereinheit, vorzugsweise einem Computer, 16 für Datenerfassung, Spektralanalyse und Steuerung der Funktionen der Einheiten 12 und 14 verbunden.
  • Die optische Einheit 12 umfasst vorzugsweise ein Zweistrahl-Spektrofotometer 18, das vorzugsweise von einer standardmäßigen Stromversorgung 19 gespeist wird und zwei Eingänge 20 und 22 zum Aufnehmen von Licht über das sichtbare Spektrum von 400 bis 700 Nanometern (nm), vorzugsweise in Inkrementen von 10 nm hat, ein Beugungsgitter (nicht dargestellt) für die Dispersion der Lichtsignale und einen Fotodiodenarray-Detektor 24 (darin eingebaut). Ein Eingang 20 fängt Licht von der analysierten Fluidprobe ein, während der andere 22 Licht direkt von der Lichtquelle 26 einfangt und ein Referenzsignal erzeugt, so dass Variationen der Lichtquellenintensität korrigiert werden können. Licht wird über Einzelfaser-Lichtwellenleiter 28 und 30 durch eine Abdeck- und Blendenbaugruppe (nachfolgend beschrieben) von der Lichtquelle 26 zu den Eingängen 20 und 22 gesendet. Die Lichtquelle 26 selbst umfasst vorzugsweise eine Halogenblitzlampe, z. B. eine Xenon-Blitzlampe, die kollimiertes Licht über einen Bereich von Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern (nm) aussendet. Die Lampe wird vorzugsweise von einer standardmäßigen Stromversorgung 31 gespeist.
  • Wie in 2 gezeigt, enthält die Lichtquelle 26 vorzugsweise zwei Ausgänge 32 und 34 zum Ausstrahlen von sichtbarem Licht. Der erste Ausgang 32 ist über einen Einzelfaser-Lichtwellenleiter 36 mit der Fluidanalyseeinheit 14 verbunden, wie nachfolgend beschrieben wird, um die Übertragung von Licht zu der getesteten Fluidprobe zu ermöglichen. Der übertragene Lichtstrahl wird dann, nach seiner Passage durch die Fluidanalyseeinheit 14, über den Einzelfaser-Lichtwellenleiter 28 zum Eingang 20 des Zweistrahl-Spektrofotometers 18 zur Spektralanalyse geleitet. Der zweite Ausgang 34 von der Lichtquelle dient als Referenzkanal, der zu Folgendem benutzt werden kann: 1) Kalibrieren der Messung in Berg auf Lampenintensitätsschwankungen und Korrigieren derselben; und 2) Überwachen der Leistung der Blitzlampe 26, so dass sie ausgewechselt werden kann, sobald sie unter die Spezifikationswerte abfällt. Demgemäß ist der Ausgang 34 mit dem Einzelfaser-Lichtwellenleiter 30 mit dem Eingang 22 des Spektrofotometers verbunden, um Licht direkt von der Blitzlampe zu empfangen.
  • Die oben erwähnte Abdeck- und Blendenbaugruppe 38 wird zum Blockieren des vom Ausgang 32 ausgestrahlten Lichts verwendet, so dass eine Dunkelstrommessung während des fotometrischen Kalibrationsschrittes ausgeführt werden kann. Es wird ein Satz von optischen Filtern (nicht dargestellt), die in der Blitzlampenabdeckung 102 enthalten sind (in 8 gezeigt), zum Variieren der Intensität des von der Blitzlampe ausgestrahlten Lichts verwendet, so dass: 1) der Detektor des Spektrofotometers Farbmessungen in seinem optimalen Zustand durchführen kann, ohne Sättigung durch Hochintensitätslicht oder mangelnde Auflösung mit Niederintensitätslicht; und 2) gewährleistet wird, dass optische Signale zu beiden Seiten des Zweistrahl-Spektrofotometers fotometrisch ausgeglichen werden. Der übertragene Lichtstrahl wird nach seiner Passage durch die Fluidanalyseeinheit 14 schließlich zum Detektor 24 (nicht im Detail gezeigt) geleitet, der im Zweistrahl-Spektrofotometer 18 enthalten ist. Wenn das Licht von einem der Eingänge, 20 oder 22, durch die Eintrittsschlitze in das Spektrofotometer tritt, dann trifft es zunächst auf ein konkaves reflektierendes Beugungsgitter, das das Licht in seine charakteristischen Wellenlängen dispergiert und zu einem Fotodiodenarray-Detektor reflektiert. Das Licht von einem Eingang geht dann weiter zu einer Hälfte der Detektorarray, während das Licht vom anderen Eingang zur anderen Hälfte der Array geht. Das Beugungsgitter innerhalb des Spektrofotometers zusammen mit den Eintrittsschlitzen ermöglicht es somit, dass der Detektor Einzelfrequenzstrahlung erfasst und die Wellenlängenauflösung des Spektrofotometers definiert.
  • Der Detektor 24 ist vorzugsweise ein standardmäßiger Fotodiodenarray-Detektor, der eine hochempfindliche Fotodiodenarray umfasst, die mit einem Low-Noise-Verstärker verbunden ist. Das übertragene Licht wird zwecks Spektralmessung zum Detektor gesendet und das Detektorsignal wird vorzugsweise über ein RS-232-Kabel (nicht dargestellt) zum Computer 16 zur Spektralanalyse und Berechnung der Farbwerte L*, a* und b* gespeist, was die Farbmessung ergibt.
  • Die für die Spektralanalyse angewandte Farbtechnik, die Berechnung der Farbwerte L*, a* und b* des davon getesteten Fluids und die Durchführung von Farbvergleichen mit einem Standard sind hinlänglich bekannt und in dem am 13. September 1983 an Falcoff et al. erteilten US-Patent 4403866 umfassend beschrieben.
  • Wieder mit Berg auf 1, die Fluidanalyseeinheit 14 umfasst eine Fluidsteuereinheit 40, wie nachfolgend beschrieben wird, die einen kontinuierlichen Strom von untersuchtem Fluid oder Referenzfluid durch eine Durchfluss-Fluidanalysezelle 42 leitet.
  • Nun mit Berg auf die 3 und 4, die Fluidanalysezelle 42 ist so ausgelegt, dass sie einen Fluidstrom von gleichförmiger Farbe erzeugt, so dass genaue Farbmessungen durchgeführt werden können. Die Zelle 42 umfasst einen zylindrischen Behälter bestehend aus zwei Hälften 44 und 46, die entlang der Mitte des Behälters aneinander gefügt werden können. Die untere Hälfte 46 der Zelle beinhaltet einen mittleren Hohlraum 48 entlang ihrer Oberseite. In dem Hohlraum sind in beabstandeter Beziehung ein oberes und ein unteres kreisförmiges Beobachtungsfenster 50 und 52 positioniert, die gegenüberliegende Enden des Hohlraums umschließen und eine Lichttransmission durch die Zelle zulassen.
  • Zwischen den beabstandeten Beobachtungsfenstern befindet sich ein Hohlraum, der die Fluidanalysekammer 54 bildet. Wie in 3 gezeigt, wird die Fluidanalysekammer 54 durch Platzieren eines Einsatz- oder Abstandselementes 56 wie z. B. eines Messingbeilageblechs zwischen den Beobachtungsfenstern 50 und 52 gebildet. Der Abstandshalter 56 hat eine ringförmige Seitenwand vorzugsweise mit einer elliptischen Form, die einen Fluidströmungskanal darin erzeugt. Die Dicke des Abstandshalters 56 bestimmt die Zellenpfadlänge und kann von einer beliebigen Größe sein, obwohl aus praktischen Gründen (aufgrund des Absorptionsvermögens der gemessenen Proben) gewöhnlich eine Dicke zwischen 0,0254 mm und 0,254 mm (1 bis 10 mil, d. h. 0,001 bis 0,010 Zoll) gewählt wird.
  • Die oberen und unteren kreisförmigen elastomeren Dichtungen 60 und 62 befinden sich ebenfalls jeweils über und unter den Beobachtungsfenstern 50 und 52, um fluiddichte Dichtungen um die Fluidanalysekammer 54 zu bilden. Jede Dichtung 60 und 62 hat vorzugsweise ein kreisförmiges optisches Schauloch 64 in ihrer Mitte, so dass Licht durch die Beobachtungsfenster passieren kann.
  • Wenn die obigen Elemente im mittleren Hohlraum der unteren Hälfte der Zelle platziert sind, dann werden die beiden zylindrischen Hälften 44 und 46 der Zelle aneinander befestigt und vorzugsweise durch Schraubbolzen (nicht dargestellt) festgehalten, die mit ausreichender Kraft festgezogen werden, um ein geschlossenes Fach für die Zelle zu erzeugen, das hydrostatische/hydrodynamische Drücke von vorzugsweise bis zu 250 psig aushalten kann.
  • Die Zelle beinhaltet auch jeweils Fluidein- und -auslasskanäle 66 und 68, damit Fluid in die und aus der Fluidanalysekammer strömen kann. Wie in 3 gezeigt, werden die Ein- und Auslasskanäle 66 und 68 entlang der oberen Hälfte der Zelle gebildet und verlaufen in Längsrichtung nach unten in die Zelle und durch jeweilige Löcher in der oberen Dichtung 60 und im oberen Beobachtungsfenster 50, um eine Fluidströmungsverbindung mit der Fluidanalysekammer 54 zu bilden. Die beiden Strömungskanäle sind vorzugsweise mit den beiden Fokussen des elliptischen Lochs im Abstandshalterelement 56 ausgerichtet, um einen unidirektionalen Strom in der Analysekammer zu erzeugen. Strömungsverbindungsschraubanschlüsse 70 und 72 werden vorzugsweise in die Strömungskanäle entlang der Oberseite der Zelle geschraubt, um Ein- und Auslassrohre (nicht dargestellt) aufzunehmen.
  • Zum Vervollständigen der Zellenbaugruppe beinhalten die untere und die obere Hälfte 46 und 44 der Zelle mittlere Kanäle 74 und 76, die über die gesamte Längsachse jeder Zellenhälfte verlaufen und jeweils am unteren und oberen Beobachtungsfenster enden. In die mittleren Kanäle sind jeweils eine lichtdurchlässige und eine lichtaufnehmende faseroptische Sonde 78 und 80 eingefügt, die jeweils mit Lichtwellenleitern 36 und 28 verbunden sind und einen Pfad bilden, durch den Licht in die Fluidanalysezelle eintreten und sie verlassen kann. Die Sonden enden vorzugsweise in optisch flachen Fenstern aus einem haltbaren optischen Material wie Saphir oder Quarz und enthalten Lichtkollimationslinsen. Die Fenster sind vorzugsweise an den Enden der Sonden mit einer Dichtung (nicht dargestellt) befestigt. Die Sonden 78 und 80 mit einander zugewandten Beobachtungsfenstern sind in ihre jeweiligen Kanäle eingesetzt und so positioniert, dass sie durch das zentrale optische Schauloch 64 in jeder Dichtung verlaufen, so dass die Fläche jeder Sonde mit den Zellenfenstern benachbart und bündig ist. Da die Sonden selbst in Beobachtungsfenstern enden, die für sichtbares Licht transparent sind, bedeutet dies, dass die Sondenfenster oder -flächen an die Zellenfenstern angrenzen und damit bündig sind. So werden die Sonden orthogonal zur Strömungsrichtung, aber von der Strömung durch die Beobachtungsfenster getrennt platziert. Die axiale Ausrichtung der Sonden ermöglicht direkte Transmissionsmessungen. Zum Halten der richtigen Ausrichtung werden die Sonden vorzugsweise mit einer Klemmschraube (nicht dargestellt) weiter hinten entlang ihren Achsen festgehalten. Die Kopplung kann ferner durch ein Indexanpassungsgel zwischen dem Sondenfenster und dem Zellenfenster verbessert werden.
  • Die oben beschriebenen Komponenten, die zum Bilden der Transmissionszelle 42 verwendet werden, sollten aus Materialien gefertigt sein, die mit dem durch die Vorrichtung geleiteten Fluid nicht reagieren. Typischerweise bestehen die Strukturkomponenten wie z. B. die Zellenhälften, Abstandshalter, Anschlüsse und Sonden aus Messing, Aluminium, Hastelloy oder Edelstahl und die Beobachtungsfenster und Sondenfenster bestehen aus Borsilikatglas, Quarz oder Saphir. Die Beobachtungsfenster können auch mit einem Fluorkarbonpolymer beschichtet werden, um einen Fluidaufbau an der Zelle zu verhüten.
  • Beim Betrieb verteilt sich das Fluid, wie in 4 gezeigt, bei seiner Passage über und zwischen den Beobachtungsfenstern grob mit einem laminaren Strömungsmuster, so dass optische Transmissionsmessungen lotrecht zur Strömungsrichtung vorgenommen werden können.
  • Die Transmissionszelle 42 der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben wurde, somit als eine Nullumgehungszelle beschrieben werden, was bedeutet, dass sämtliches eintretendes Fluid an den Beobachtungsfenstern vorbei geführt wird. Nullumgehung ermöglicht es, dass Probe durch die Zelle mit einer gleichförmigen Scherung strömt, um eine konstante Grenzfläche zu bilden, die gemessen werden kann, und mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um einen Stau am Zellenfenster zu verhüten. Die Kammer ist ferner so ausgelegt, dass sie Strom durch die Kammer auf laminare Weise erzeugt, was ein Absetzen oder Ausflocken von im Fluid suspendierten Pigmenten verhütet und eine Probe von gleichförmiger Farbe im Beobachtungsbereich ergibt, um gleichförmige Farbmessungen zu gewährleisten. Die Nullumgehungszelle garantiert auch, dass sämtliches Fluid die optische Sichtlinie überquert, so dass eine echte Probe des Fluids erhalten wird.
  • Ein weiteres Merkmal der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Zelle ist, dass die Pfadlänge des Lichts durch die Probe fest ist, aber manuell durch eine Änderung der Abstandshalterbeilage 56 in der Zelle eingestellt werden kann. Die Pfadlänge des Lichts durch die Probe wird klein genug eingestellt, damit ein ausreichender Lichtdurchsatz akkurat von den Instrumentendetektoren gemessen werden kann, aber doch groß genug, um eine Sättigung der Detektoren zu vermeiden. Dies ermöglicht die Messung von transparenten wie auch opaken Fluiden. Wie oben angedeutet, wird die Pfadlänge gewöhnlich zwischen 0,0254 und 0,254 mm (1 bis 10 mil) eingestellt. Einige optisch dichte Dispersionen oder Färbungsmittel müssen evtl. verdünnt werden, um volle Spektralinformationen zu erhalten. Diffuse Transmissions- oder Reflexionsgradmessungen wie nachfolgend beschrieben müssen möglicherweise ebenfalls durchgeführt werden, um sinnvolle Spektraldaten für einige Proben mit hoher Lichtstreuung zu erhalten.
  • Die Temperatur der Messzelle und der Flüssigkeit in der Zelle wird vorzugsweise in einem ausreichend engen Bereich (z. B. plus oder minus 5°C) gehalten, damit die Wärmeausdehnung die effektive Pfadlänge nicht ändert und damit die Standard- und Probenmesswerte vergleichbar sind. Die Temperaturregelung in der vorliegenden Erfindung erfolgt vorzugsweise mittels eines thermoelektrischen oder Vortex-Kühlers (nicht dargestellt), der sich neben der Zelle befindet, um eine konstante Temperatur des durch die Zelle strömenden Fluids zu gewährleisten. Testprobe und Flüssigkeitsstandard sollten bei derselben Temperatur innerhalb dieses Bereichs gemessen werden, um Gleichförmigkeit zu gewährleisten.
  • Nun wieder mit Bezug auf 1, die Vorrichtung beinhaltet auch eine Fluiddurchflussregeleinheit 40. Im Allgemeinen kann jeder Reglertyp vorgesehen werden, der Fluid mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit durch den Einlass 70 in die Vorrichtung und in die durch den Abstandshalter 56 gebildete Fluidkammer 54 und über die Beobachtungsfenster der Sonden 78 und 80 und durch den Auslass 72 hinaus pumpt. Dann können Farbmessungen durch die Fenster anhand des Transmissionsgrades vorgenommen werden, wenn Fluidprobenvolumen durch die Zelle strömen.
  • In der bevorzugten Ausgestaltung wie oben erwähnt wird Licht durch eine Blitzlampe 26 erzeugt, ausgelöst durch den Spektrofotometer/Detektor 18, und mittels eines Einzelfaser-Lichtwellenleiters 36 in die Probenregion geleitet, terminiert in den Sonden 78 und 80, die mit Klemmschrauben im zylindrischen Körper der Zelle 42 gegen die Zellenfenster gehalten werden.
  • Fluide wie z. B. flüssige Färbungsmittel oder Dispersionen werden vorzugsweise unter Druck (etwa 60–80 psig) in die Zelle gedrückt, was vorzugsweise mittels eines Probendruckbehälters 82 erfolgt. Wie in 5 gezeigt, besteht der Druckbehälter 82 selbst aus einem Deckel 84, der als Abdeckung dient und den Lufteinlass 86, den Fluidprobenauslass 88 und ein Überdruckventil 90 aufweist, und einen Probenbehälter 92, der die Probe enthält. Der Lufteinlass 86 wird durch ein Ablenkblech 94 von der Probe abgeschirmt, um die Bildung von Blasen oder Schaum in der Probe zu vermeiden. Der Probenauslass 88 ist an der Unterseite mit einer Tauchröhre 96 verbunden, die bis zum Boden des Behälters verläuft, wenn die beiden Stücke 84 und 92 des Druckbehälters zusammengefügt werden.
  • Die beiden Hälften des Druckbehälters werden vorzugsweise mit einer teflonbeschichteten Neoprendichtung (nicht dargestellt) zwischen den beiden Hälften abgedichtet. Nach dem Platzieren des Probenbehälters 92 mit der Dichtung unter dem Deckel 84 werden die beiden Hälften zusammengebracht und mit einer Halterung 98 verschlossen, die, wenn sie festgezogen wird, beide Hälften der Druckbehälterbaugruppe zusammenbringt. So wird, wenn Luft von oben in die Druckbehälterbaugruppe 82 eintrirt, in der Tauchröhre 96 nach oben und aus dem Druckbehälter hinaus in das Probensystem der Vorrichtung und demzufolge zu der und durch die Zelle 42 gedrückt.
  • In der in 1 gezeigten Ausgestaltung umfasst der Fluidregler 40 ein Probensystem mit pneumatischen oder manuellen Ventilen 100 und 102 sowie ein oder mehreren Druckbehältern 82 und 83, die das Einleiten von Probe in die Zelle und das Reinigen der Probenleitung ermöglichen. Der Fluidregler selbst kann vorzugsweise vom selben Computer 16 gesteuert werden, der die optische Einheit steuert, die die Spektralmesswerte sammelt. Dies kann über eine serielle RS-232-Link (nicht dargestellt) durch ein E/A-(Eingang/Ausgang)-Gestell (nicht dargestellt) geschehen, das wiederum Magnetventile (nicht dargestellt) auslöst, die Luft zu den Druckluftkomponenten des Probensystems freigibt. Zusätzliche E/A-Gestellmodule können vorzugsweise mit Pumpen, Temperatur- und Drucksensoren und einer Schrankspülluftversorgung verbunden werden.
  • Das System besitzt vorzugsweise ein explosionssicheres Gehäuse 10 gemäß NEMA 4 für alle elektrischen und elektronischen Komponenten sowie die Lichtquelle. Das Gehäuse wird auch durch ein Luftspülsystem (nicht dargestellt) zu einer Überdruckumgebung in Bezug auf die Außenumgebung mit Luft gespült, um ein Aufbauen einer möglicherweise außerhalb des Gehäuses vorliegenden explosiven Atmosphäre innerhalb des Gehäuses zu vermeiden.
  • Wie in 1 gezeigt, fließt die getestete Fluidprobe vom Druckbehälter 82 über ein Dreiwegventil 100, das Probe oder sauberes Lösungsmittel wählen kann, direkt zur Zelle, und dann durch ein Vierwegventil 102, das eine Strömungsumkehr durch die Zelle zwecks Reinigung zulässt. Die Reinigung der Zelle kann mittels einer zweiten Druckbehälterbaugruppe 83 erfolgen, die genau wie die oben erwähnte aufgebaut ist und sauberes Lösungsmittel enthält. Rezirkuliertes Lösungsmittel, das ein Gemisch aus Altlösungsmittel, Testfluid und einem Tensid enthält, kann für schwierige Reinigungssituationen verwendet und durch denselben Druckbehälter wie die Probe geleitet werden. Alternativ können mit Lösungsmittel- und rezirkuliertem Lösungsmittelvorräten (nicht dargestellt) verbundene Pumpen (nicht dargestellt) anstelle der Druckbehälter zum Zuführen von Lösungsmittel bzw. rezirkuliertem Lösungsmittel zur Fluidanalysezelle für Reinigungszwecke verwendet werden.
  • Wieder mit Bezug auf 2, die Blitzlampe 26 im Elektronikschrank 10 besteht vorzugsweise aus einem Treiberaggregat plus der eigentlichen Lampe, die zylindrisch geformt ist. Da das Spektrofotometer 18 zwei Kanäle 20 und 22 hat, einen für Probe und einen für Referenz, müssen zwei Fasern 28 und 30 mit der Blitzlampe 26 auf eine solche Weise gekoppelt werden, dass zwei im Wesentlichen identische Lichtkanäle entstehen, von denen einer mit der Probenzelle 42 und der andere mit dem Referenzkanal 22 des Spektrofotometers gekoppelt ist. Wie in den 6 und 7 gezeigt, ist eine Abdeck-/Blendenbaugruppe 38 für die Blitzlampe vorgesehen, die eine Halterung 106 umfasst, die einen rechteckigen Abdeckblock 108 mit einem zylindrischen Einsatzhohlraum und zwei eckige Löcher 110 und 112 durch die Oberseite des Blocks in den Hohlraum aufweist, und die als Kappe auf der Blitzlampe 26 dient. Die beiden Löcher liegen im gleichen Abstand von der Mitte des Blocks nebeneinander. Außerdem verlaufen die Löcher 110 und 112 schräg in Richtung auf die mittlere vertikale Achse des Blocks, wobei der Zielscheitelpunkt des Winkels der Lampenfaden ist. Auf diese Weise können die Lichtwellenleiter 30 und 36 mit der Abdeckung 108 verbunden werden, wobei beide auf den Lampenfaden gerichtet sind.
  • Zum Korrigieren von Wärmedrift der Diodenarray im Spektrofotometer 18 wird während der fotometrischen Kalibrierung des Spektrofotometers sowie vor jeder Probenmessung ein „Dunkel"-Messwert abgelesen. Der fotometrische Kalibrierungsschritt erfolgt normalerweise für Transmissionsmessungen durch Injizieren von sauberem Lösungsmittel in die Zelle und Messen der 100-Prozent-Transmissionslinie. Während einer typischen Probenmessung wird die Lichtintensität am Probenkanal der Array auf Lampenintensitätsschwankungen durch Bilden eines Verhältnisses zur Intensität an der vergleichbaren Position auf dem Referenzkanal korrigiert. Dann wird das Ergebnis zum Berechnen der Durchlässigkeit durch das ähnliche Ergebnis des im Kalibrierungsschritt ermittelten 100-Prozent-Linienverhältnisses definiert. Jetzt sind die Referenz- bzw. Probenkanäle 22 und 20 in einem Diodenarray-Spektrofotometer 18 tatsächlich die linke und rechte Seite derselben physikalischen Array. Aufgrund dieser Tatsache neigt in den meisten Zweistrahl-Spektrofotometern das Streulichtleck vom Referenzkanal zum Probenkanal dazu, problematisch zu sein, wenn dunkle Proben im Transmissionsmodus gemessen werden, was beim Messen von Färbungsmitteln und Dispersionen häufig der Fall ist.
  • Um Streulichtlecks zu korrigieren, kann ein Merkmal einer Vorrichtung, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, eine federgespannte Blendenbaugruppe beinhalten, die fest an der Halterung 106 montiert und an der Blitzlampenabdeckung 108 angebracht ist, so dass eine federgespannte Blende 114 vor die Probenlichtöffnung 110 an der Blitzlampenabdeckung gesetzt werden kann. So kann eine „Dunkel"-Messung nur auf der Probenseite der Array genommen werden, selbst wenn die Referenzseite der Array der vollen Lichtintensität ausgesetzt ist. Dies ist dann tatsächlich eine Messung des Streulichtlecks vom Referenzkanal 22 zum Probenkanal 20. Die Messung der Lichtintensitäten von beiden Seiten der Array mit blockiertem Probenkanal erfolgt daher vor jeder Probenmessung, um eine „blinkende Dunkelmessung" zu erzielen. Da bei jeder Messung die Lichtintensitäten sowohl des Proben- als auch des Referenzkanals aufgezeichnet werden, kann die Referenzkanalintensität des „blinkenden Dunkelwertes" in Bezug auf die Intensität des Referenzkanals in der tatsächlichen Probenmessung gesetzt werden, um einen Skalenfaktor zu bilden. Der Skalenfaktor wird dann auf die „blinkend dunkel" Probenseitenmessung angewandt, und die resultierende Intensität wird dann von der Probenseite der tatsächlichen Probenmessung subtrahiert. Auf diese Weise wird das Streulichtleck, Lampenintensitätsschwankungen korrigiert, von der tatsächlichen Probenmessung subtrahiert.
  • Die federgespannte Blende 114 wird vorzugsweise mittels eines AC/DC-Magnetventils 116 verschoben, betätigt durch ein AC/DC-E/A-Modul 118 (in 2 gezeigt), das von einer standardmäßigen Stromversorgung 120 gespeist und durch ein Signal vom Spektrofotometer 18 ausgelöst wird.
  • Die von der Zelle empfangenen Transmissionsdaten werden dann automatisch zur Steuereinheit, vorzugsweise dem Computer 16, übertragen, wo die kolorimetrischen Berechnungen von L*, a* und b* erfolgen. Spektraldaten und Farbmetrik werden dann zur weiteren Verwendung gespeichert und die resultierende Metrik von L*, a* und b* wird dem Bediener auf dem Computerbildschirm zurückgemeldet. Das Innere des Elektronik-/Optikschranks, zusammen mit faseroptischer Kopplung zur Probenzelle, ist in 2 gezeigt.
  • Die Vorrichtung kann in einer Reihe verschiedener chemischer Prozesse verwendet werden, in denen die Farbe des resultierenden Produkts gemessen wird. Sie wird vorzugsweise in einem Farb-, Dispersions-, Tintenstrahlfarben-, Druckfarben- oder Färbungsmittelherstellungsprozess eingesetzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann an einem fernen Ort vom Herstellungsprozess entweder für Online- oder Offline-Tests verwendet oder mit der Produktionseinheit für Online-Farbtests des nassen Fluids bei dessen Herstellung angeschlossen werden. Das Strömenlassen des Fluids durch die Zelle direkt von der Verarbeitungseinheit erlaubt Online- oder kontinuierliches Testen und ermöglicht eine automatisierte kontinuierliche oder diskontinuierliche Herstellung des Fluids. Die Gesamtzykluszeit der Vorrichtung gemäß 1 betragt ein paar Minuten im Gegensatz zu Stunden wie bei herkömmlichen Verfahren. Zudem wurde gefunden, dass bei der Durchführung von Farbmessungen mit dieser Vorrichtung eine gute Korrelation zwischen den Farbeigenschaften des nassen Fluids und der entsprechenden Trockenbeschichtung besteht, so dass visuell genaue Farbübereinstimmungen erzielt werden können.
  • Eine Variation besteht darin, ein Kolorimeter anstatt des Spektrofotometers zu verwenden.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß 8 wird eine alternative Fluidanalysezelle 200 bereitgestellt, die im Wesentlichen dieselbe wie die oben in 3 beschrieben ist, aber die Einzelfaser-Faseroptik wird durch Lichtwellenleiterbündel 202 und 204 derselben Länge und mit Verbindern des ¼ Zoll Ferrulentyps ersetzt. Das Lichtwellenleiterbündel 202 von der Lichtquelle 26 leitet vorzugsweise Licht auf die Probe innerhalb der Fluidanalysekammer 54. Dies erfordert eine geringfügige Änderung des Designs der Blitzlampenabdeckung 108 und einen Ersatz des Verbinders am Zweistrahl-Spektrofotometer 18, um diese Verbindertypen aufzunehmen. Das bemerkenswerteste unterscheidende Merkmal dieser Ausgestaltung 200 ist jedoch die Einführung einer Integrationskugel 206 innerhalb der Probenzelle zum Beleuchten der Probe, sowohl auf spiegelnde als auch auf zerstreuende Weise. Dies ist besonders dann wichtig, wenn die Probe Lichtstreupigmente enthält und teilweise durchlässig und teilweise streuend ist. Es kann jede konventionelle Integrationskugel verwendet werden.
  • Die hierin verwendete Integrationskugel 206 hat vorzugsweise einen Durchmesser von 1 Zoll und ist auf der Innenseite mit einem hoch reflektierenden weißen Material wie Bariumsulfat oder Titandioxid beschichtet. Die Kugel hat vier Portale, von denen drei vorzugsweise Öffnungen von ¼ Zoll sind und die verbleibende vorzugsweise einen Durchmesser von ½ Zoll hat. Das ½ Zoll Loch wird am unteren Fenster 52 in der Zelle platziert. Die Kugel enthält auch ein internes Ablenkblech 210 unmittelbar neben dem ½ Zoll Loch und einem der ¼ Zoll Löcher. Das Beleuchtungslichtwellenleiterbündel 202 ist mit diesem 1/4 Zoll Loch verbunden, um die Kugel und damit die Probe zu beleuchten. Das Ablenkblech blockiert Direkt- oder Kurzschlussbeleuchtung der Probe durch das Lichtwellenleiterbündel. Das ¼ Zoll Loch unmittelbar gegenüber dem Beleuchtungsportal wird mit einem Öffnungsstopfen (nicht dargestellt) verschlossen, der mit demselben weißen reflektierenden Material beschichtet ist und somit Direktbeleuchtung um das Innere der Kugel reflektiert. Das ¼ Zoll Loch unmittelbar gegenüber der Probenöffnung kann mit einem weiß beschichteten Öffnungsstopfen (nicht dargestellt) ebenso zum Erfassen des gesamten Lichts (zerstreuend + spiegelnd) oder mit einer „schwarzen Falle" 208 verschlossen werden (ein zylindrischer Becher mit einem internen Kegel, dessen Scheitelpunkt an der Öffnung liegt, alle mit einem sehr schwarzen absorbierenden Material wie z. B. Ruß beschichtet), um diffuses Licht durch die Probe zu messen. 8 zeigt ein Diagramm der Probenzelle dieser Ausgestaltung.
  • Eine weitere, in 9 gezeigte alternative Ausgestaltung der Vorrichtung ist mit der oben beschriebenen Ausgestaltung 200 identisch, mit Ausnahme der Probenzelle. In dieser Ausgestaltung ist die nicht fluidhaltige Hälfte 302 der Probenzelle 300 ein Sondenkanal 304 entlang ihrer Achse für das Lichtwellenleiterbündel 306, hat aber auch ein oder mehrere zusätzliche Sondenkanäle 308 mit (einer) zusätzlichen Sonde(n) 310 in einem Winkel zur Achse, wobei der Scheitelpunkt des Winkels auf der Achse des Zylinders und in der Probe selbst zwischen den beiden Fenstern in der Zelle liegt. Auf diese Weise könnte die Zelle als Transmissionszelle mit Beleuchtung entweder bei 0 Grad oder in einem Winkel zwischen der Normalen und der Probe dienen. Der Winkel ist willkürlich, beträgt aber vorzugsweise 45 Grad für eine standardmäßige 45-0 Beleuchtung/Erfassung. Als Option könnte die Zelle jedoch auch leicht konvertiert werden, so dass sie im Reflexionsmodus durch Beleuchten in einem Winkel zur Probe zu messen und normal zur Probe auf derselben Seite der Probe zu erfassen.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung, wie in 10 gezeigt, ist die Vorrichtung dieselbe wie die oben beschriebene Ausgestaltung 200, wobei das Design der Zelle 400 eine Integrationskugel 402 in der nicht fluidhaltigen Hälfte 402 beinhaltet, so dass Transmissionsmessungen mit der Integrationskugel erfolgen können. Wie in der Ausgestaltung 200, wird die ½ Zoll Öffnung der Kugel 404 am unteren Fenster 52 der Zelle platziert und besitzt eine ¼ Zoll Öffnung gegenüber der ½ Zoll Öffnung für den Einbau eines weißen Reflektors (nicht dargestellt) oder einer schwarzen Falle 406. Das Lichtwellenleiterbündel 408 von der Lichtquelle dient zum Beleuchten der Kugel wie oben. Ihre fluidhaltige Hälfte 410 ist jedoch ebenfalls ein Sondenkanal 412 entlang ihrer Achse für das Lichtwellenleiterbündel 414, sie hat aber auch ein oder mehrere zusätzliche Sondenkanäle 416 mit (einer) zusätzlichen Sonde(n) 418 in einem Winkel zur Achse, wo der Scheitel des Winkels auf der Achse des Zylinders und innerhalb der Probe selbst zwischen den beiden Fenstern in der Zelle liegt. So würden Reflexionsmessungen mit der zusätzlichen Sonde 418 in einem Winkel zur zylindrischen Achse und Erfassungen normal zur Probe mit der Sonde 414 erfolgen. Wie zuvor, kann der Winkel willkürlich sein. Wie oben, bleibt der Rest der Instrumentierung gleich.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine alternative Fluidanalysezelle vorgesehen, die mit der der obigen Ausgestaltung 300 identisch ist, aber im Reflexionsmodus arbeitet. Aufgrund der Tatsache, dass eine Luftgrenzfläche zwischen dem Beleuchtungslichtwellenleiterbündel 310 und dem optischen Fenster 52 liegt (aus Saphir, Quarz, BK7, Borsilikat, abgerauchter Silika oder dergleichen), ist der Winkel (zwischen der Normalen und dem Fenster) der Beleuchtung der Probe hinter dem Fenster nicht unbedingt derselbe wie der Winkel der Sonde mit Berg auf die Zylinderachse. Dies ist auf den Brechungsindex des Fenstermaterials zurückzuführen. So muss beispielsweise im Falle von Saphirfenstermaterial, das einen Brechungsindex von 1,76 hat, der eigentliche Winkel (innerhalb des Fenstermaterials) des Beleuchtungseinfalls auf die nasse Probe mit dem Snelliusschen Gesetz oder na sin θa = ns sin θs berechnet werden und würde sich stark von dem angenommenen Winkel (in Luft) auf der ersten Oberfläche des Fensters unterscheiden. 11 zeigt ein Diagramm dieser Situation.
  • Eine Möglichkeit zum Korrigieren dieses Brechungsindexeffekts und zum Halten optischer Sonden, die eine schräge Seite in Berg auf die Oberfläche des Fensters haben (d. h. mit einer Luft/Fenster-Grenzfläche), besteht darin, die Geometrie von Beleuchtung und Erfassung so zu beeinflussen, dass ein echter 45-Grad-Beleuchtungs-/Erfassungswinkel innerhalb des Fenstermaterials erzielt wird. Wiederum können mit dem Snelliusschen Gesetz die Beleuchtungs- und Erfassungswinkel in Luft berechnet werden, die zum Erzielen dieser Bedingung notwendig sind. Ein Beispiel hierfür für ein Saphirfenster ist in 12 dargestellt. In diesem Fall ist das Beleuchtungslichtwellenleiterbündel 310 in einem Winkel von 60 Grad mit Bezug auf die Zylinderachse geneigt, während das Erfassungslichtwellenleiterbündel 306 in einem Winkel von 15,5 Grad zur Zylinderachse auf der gegenüberliegenden Seite der Achse von dem Beleuchtungsbündel geneigt ist, um den 45-Grad-Versatz innerhalb des Saphirfensters zu erzielen.
  • So zeigt 13 für diese Ausgestaltung das Nasszellendesign 500, wobei das in 12 gezeigte Konzept zum Erzielen einer 45/0 Beleuchtungs-Erfassungsgeometrie angewendet wird, wie dies für standardmäßige kolorimetrische Messungen im Reflexionsmodus der Fall ist, wieder unter Verwendung von Lichtwellenleiterbündeln als optische Sonden, mit den Sondenwinkeln wie in 12. Die Ausgestaltung 500 ist daher dieselbe wie die von Ausgestaltung 300, mit der Ausnahme, dass die Zelle 500 als ihre nicht fluidhaltige Hälfte 502 einen Sondenkanal 504 in einem schrägen Winkel zur Zylinderachse für das Erfassungslichtwellenleiterbündel 506 sowie ein oder mehrere zusätzliche Sondenkanäle 508 mit (einer) zusätzlichen Sonde(n) 510 in einem Winkel zur Achse auf der gegenüberliegenden Seite der Achse zur Erfassungssonde hat, wo der Scheitel des Winkels auf der Achse des Zylinders und in der Probe selbst zwischen den beiden Fenstern in der Zelle liegt. Die Winkel der Sonden variieren mit dem Fenstermaterial.
  • Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, eine 45/0 Geometrie im Zellendesign zu erzielen. In der Tat ist es wünschenswert, jegliche Brechungsindexeffekte der Luft/Fenster-Grenzfläche zu eliminieren. Dazu ist es notwendig, dass die Lichtwellenleiterbündelsonden mit dem Fenstermaterial normal zu seiner Oberfläche gekoppelt sind. Um also eine beliebige Beleuchtungs- oder Erfassungsrichtung in Bezug auf die Probenoberfläche zu erzielen, die anders ist als normal, muss das Fenster den geeigneten Winkel in Bezug auf die Probe auf der Seite des Fensters haben, wo die Sonde damit in Kontakt kommt. Mit anderen Worten, der Einbau von ein oder mehreren Facetten in den richtigen Winkeln in das Fenster ermöglicht es, beide Bedingungen zu erfüllen. Im Falle der 45/0 Geometrie würde das Fenster, das mit den Lichtwellenleiterbündelsonden in Kontakt kommt, das in 14 gezeigte Design erhalten. Das Nasszellendesign 600 für diese Ausgestaltung ist in 15 dargestellt, wieder unter Verwendung von Lichtwellenleiterbündeln als optische Sonden, mit der Sonden/Fenster-Platzierung wie in 14. In diesem Fall ist das Beleuchtungslichtwellenleiterbündel 610 in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf die Zylinderachse, aber in einem Winkel von 0 Grad mit Bezug auf die Oberfläche normal zum Fenster 612 geneigt, während das Erfassungslichtwellenleiterbündel 606 parallel zur Zylinderachse normal zum Fenster ist, wodurch wieder eine echte 45/0 Geometrie innerhalb des Fensters erzielt wird.
  • Auch in diesem besonderen Fall ist ein Fenstermaterial mit einem Brechungsindex von 1,51 wie z. B. aus Quarz dargestellt, aber es könnte jedes beliebige Material sein. Es wird jedoch bevorzugt, eine enge Übereinstimmung zwischen dem Brechungsindex des Fensters und dem der untersuchten Probe zu erzielen, um jegliche Brechungsindexeffekte wie z. B. totale interne Reflexion zu reduzieren sowie Fremdstreueffekte zu reduzieren. Die Ausgestaltung 600 ist daher dieselbe wie die Ausgestaltung 300, wobei die Zelle 600 als nicht fluidhaltige Hälfte 602 einen Sondenkanal 604 entlang ihrer Achse für das Erfassungslichtwellenleiterbündel 606 sowie ein oder mehrere zusätzliche Sondenkanäle 608 mit (einer) zusätzlichen Sonde(n) 610 in einem Winkel zur Achse hat, wobei der Scheitel des Winkels auf der Achse des Zylinders und in der Probe selbst zwischen den beiden Fenstern in der Zelle liegt. Der Hauptunterschied zwischen dieser und der Ausgestaltung 300 ist, dass das Fenster 612, das die Sondengrenzfläche zur Probe bildet, zylindrisch ist, wobei eine oder mehrere Facette(n) 614 in das Ende eingeschnitten ist/sind, das mit den Lichtwellenleiterbündeln oder Sonden eine Grenzfläche bildet, so dass die Bündel oder Sonden immer normal zur Fensterfläche liegen.
  • Eine weitere Erweiterung des obigen Designs ist es, mehrere Facetten an dem dickeren Fenster mit solchen Winkeln in Bezug auf die Probenoberfläche einzubeziehen, so dass mehrere Detektorsonden an den flachen, hohen und nahezu spiegelnden Winkeln platziert werden, gemäß ASTM-Definition, zum Messen von Farben, Färbungsmitteln oder Dispersionen, die Interferenzmaterialien wie metallische Flocken, Perlflocken oder dergleichen enthalten.

Claims (22)

  1. Vorrichtung zur Untersuchung eines Fluids, die Folgendes umfasst: eine Fluidanalysezelle (42) mit einem Hohlraum (48) darin; ein oberes und ein unteres lichtdurchlässiges Fenster (50, 52), das gegenüberliegende Enden des Hohlraums (48) umschließt; einen Fluidein- und -auslasskanal (66, 68) in Fluidverbindung mit einer Fluidkammer (54), damit Fluid in die und aus der genannte(n) Fluidkammer (54) strömen kann; und eine lichtdurchlässige und eine lichtaufnehmende Sonde (78, 80), die in einer beliebigen Reihenfolge über und unter dem oberen und dem unteren Beobachtungsfenster (50, 52) positioniert sind, wobei die Flächen jeder Sonde (78, 80) axial miteinander fluchten und aneinandergrenzend und bündig mit den Beobachtungsfenstern (50, 52) und orthogonal zur Strömungsrichtung liegen, aber durch die Beobachtungsfenster (50, 52) von der Strömung getrennt sind, so dass Transmissionsgradmessungen orthogonal zur Strömungsrichtung durchgeführt werden können; gekennzeichnet durch einen Abstandshalter (56), der in dem Hohlraum (48) zwischen dem oberen und dem unteren Beobachtungsfenster (50, 52) fest positioniert ist, und zusammen mit diesen Fenstern (50, 52) die Fluidkammer (54) bildet, wo Fluid zwischen den Fenstern (50, 52) strömt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Lichtquelle (26) und ein Spektrofotometer (18) mit den Sonden (78, 80) assoziiert und verbunden sind, um Licht zur Fluidanalysezelle (42) zu leiten und Licht davon jeweils zu erfassen, um Farbparameter des durch die Beobachtungsfenster (50, 52) passierenden Fluids nach Transmissionsgrad zu messen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Spektrofotometer (18) ein Doppelstrahl-Spektrofotometer (18) und die Lichtquelle (26) eine Blitzlampe sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei Licht zu der Fluidanalysezelle (42) mittels Einzelfaser-Lichtwellenleiter (28, 30, 36) gesendet und empfangen und in faseroptischen Sonden terminiert wird, die mit den Beobachtungsfenstern (50, 52) der Fluidanalysezelle (42) verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst: einen Druckbehälter, in den eine Fluidprobe gegeben wird und der, durch Druckbeaufschlagung, die Probe zur Fluidanalysezelle (42) transportiert; ein gespültes explosionssicheres Gehäuse (10) zur Aufnahme aller elektrischen/elektronischen Komponenten sowie der Lichtquelle (26) für das Instrument; und ein automatisches, pneumatisch gesteuertes Probenahmesystem zum Transportieren der Probe zu der Fluidanalysekammer (54).
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Beobachtungsfenster (50, 52) und die Sondenflächen aus Saphirglas und das Abstandshalterelement (56) aus Messing sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Fluidanalysezelle (42) zylindrisch ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei Licht mittels Lichtwellenleiterbündeln, die mit den Beobachtungsfenstern (50, 52) der Fluidanalysezelle (42) verbunden sind, zur Fluidanalysezelle (42) durchgelassen und davon aufgenommen wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eines der Transmissions-Lichtwellenleiterbündel mit einer Integrationskugel verbunden ist, vor dem eines der Portale an eines der Analysezellenfenster (50, 52) angrenzt, so dass Diffusions- sowie direkte Transmissionsgradmessungen an der analysierten Fluidprobe vorgenommen werden können.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein(e) zusätzliche(s) Lichtwellenleiterbündel oder -sonde in einem anderen Winkel als normal zur Fluidprobenoberfläche positioniert ist, so dass auch Reflektionsgradmessungen an der analysierten Fluidprobe vorgenommen werden können.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei eines der Analysezellenfenster (50, 52), das mit der Fluidprobe verbunden ist, durch einen Zylinder aus einem ähnlichen, für sichtbares Licht transparenten Material wie z. B. Saphir, Quarz oder dergleichen ersetzt wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche des Zylinders distal von der Fluidkammer (54) und parallel dazu eine oder mehrere Facetten in einem Winkel zur Fluidprobenoberfläche hat, um eine Verbindung mit Lichtleiterbündeln oder -sonden herzustellen, so dass die Bündel oder Sonden normal zu jeder Facette sind, um die Probe zu beleuchten und/oder das Licht davon in einem anderen Winkel als normal zur Oberfläche der Probe zu empfangen, so dass auch Reflektionsgradmessungen an der analysierten Fluidprobe vorgenommen werden können.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Spektrofotometer (18) Licht von mehr als einem/einer der Lichtwellenleiterbündel oder -sonden empfängt, die mit den Zylinderfacetten verbunden sind, und wobei die Winkel der Facetten Industrienormen entsprechen, so dass Messungen an Fluiden wie z. B. Farb- oder Pigmentdispersionen durchgeführt werden können, die Interferenzmaterialien wie Metallflocken oder Perlflocken oder dergleichen enthalten.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Strom von Fluid durch die Fluidanalysekammer (54) undirektional und laminar bei gleichförmiger Scherung ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Blitzlampe abgedeckt ist, um Anschlüsse für Lichtwellenleiter (28, 30, 36) oder Bündel bereitzustellen, die Licht zu dem Spektrofotometer (18) und der Fluidanalysezelle (42) leiten.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei an der Abdeckung eine Blendenbaugruppe angebracht ist, um Licht zur Fluidanalysezelle (42) bei einer fotometrischen Kalibration des Doppelstrahl-Spektrofotometers zu blockieren, um Streulichtlecks von seiner Referenzseite zu seiner Probenseite bei der Analyse von dunklen Fluidproben zu korrigieren.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zellenweglänge, die durch die Dicke des Abstandshalters (56) definiert wird, zwischen 0,0254 und 0,254 mm (1 und 10 mil) liegt.
  18. Verfahren zum Messen einer Farbeigenschaft von optisch dichten Flüssigkeiten, das die folgenden Schritte beinhaltet: a) Zuführen eines Flüssigkeitsprobenvolumens zu einer Transmissionszelle (42) mit einem Hohlraum (48) darin und zwei für sichtbares Licht durchlässigen Beobachtungsfenstern (50, 52), die gegenüberliegende Enden des Hohlraums (48) umschließen; b) Passierenlassen der Flüssigkeit durch den Zellenhohlraum (48) auf Nullumgehungsweise über die beiden Beobachtungsfenster (50, 52) mit einer festen Weglänge zwischen 0,0254 und 0,254 mm (1 und 10 mil); und c) Messen der Farbeigenschaft des Probenvolumens nach Lichttransmissionsgrad durch mit den Beobachtungsfenstern (50, 52) assoziierten Sonden (78, 80), dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) ausgeführt wird, indem ein ringförmiger Abstandshalter (56) in dem Hohlraum (48) zwischen den beiden Beobachtungsfenstern (50, 52) fest positioniert wird, und zusammen mit diesen Fernstern (50, 52) eine Fluidkammer (54) bildet, in der Flüssigkeit zwischen den Fenstern (50, 52) strömt und zwischen denen der Abstandshalter (56) durch seine Dicke die Zellenweglänge und somit den Lichtweg definiert, so dass die gesamte Flüssigkeit durch den Lichtweg passiert, und wodurch der Nullumgehungsströmungsweg eine wahrhaft repräsentative Farbmessung der Probe ermöglicht.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Probe durch die Zelle (42) strömt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Strom der Probe unidirektional und laminar ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Reinigen der Zelle (42) durch Spülen der Zelle (42) mit einem geeigneten Lösungsmittel, Prüffluid oder Tensid erfolgt, so dass die durch Nullumgehungsströmung erzeugte Scherung ausreicht, um die Zelle (42) effizient zu reinigen.
  22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Farbeigenschaft in Schritt c) spektrografisch gemessen wird und wobei das Verfahren ferner d) das Kennzeichnen der Farbe der Flüssigkeit durch Transformieren der Spektralinformation in Farbmetrik wie L*, a* oder b* oder dergleichen beinhaltet.
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