JP2013228394A - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】頻繁な使用に対して頑強な使用特性を有する測定装置を提供することである。
【解決手段】固体試料、液体試料または気体試料中の少なくとも１つの構成成分を検査するための測定装置（１）であって、試料を収容するための測定室（２）と、搬送波周波数と変調周波数とを備えていて前記測定室（２）内の試料と相互作用する電磁波（４）を形成するための光源（３）と、前記変調周波数に同調された音響吸収器（６）とを有しており、前記搬送波周波数は少なくとも１つの構成成分に同調されている測定装置において、前記音響的吸収器（６）が前記測定室（２）の外に配置されており、前記測定室（２）の壁（８）内に、または壁に音響出力部（９）が形成されており、該音響出力部により前記音響的吸収器（６）は、前記測定室（２）内に存在する試料に音響的に結合される、または結合可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体試料、液体試料または気体試料中の少なくとも１つの構成成分を検査するための測定装置に関するものであり、この測定装置は、試料を収容するための測定室と、搬送波周波数と変調周波数とを備えていて測定室内の試料と相互作用する電磁波を形成するための光源と、前記変調周波数に同調された音響吸収器とを有しており、前記搬送波周波数は少なくとも１つの構成成分に同調されている。

本発明はさらに、固体試料、液体試料または気体試料中の少なくとも１つの構成成分を検査するための測定方法に関するものであり、この方法では、前記試料が測定室にもたらされ、光源により搬送波周波数と変調周波数とを備える電磁波が形成され、前記測定室中の前記試料が照射され、前記搬送波周波数は少なくとも１つの構成成分に同調されており、前記変調周波数に同調された音響吸収器を有し、前記電磁波と前記試料の少なくとも１つの構成成分との相互作用が検出される。

特許文献１から、音叉が測定セルの内室に配置されている測定装置および測定方法が公知であり、従来の光音響分光計との相違は、測定室での吸収エネルギーが累積されるのではなく、音叉での吸収エネルギーが累積されることである。

米国特許第７２４５３８０号

本発明の基礎とする課題は、頻繁な使用に対して頑強な使用特性を有する測定装置を提供することである。

この課題を解決するための本発明では冒頭に述べた測定装置において、音響吸収器が測定室の外部に配置されており、測定室の壁に音響出力部が設けられており、この音響出力部により音響吸収器が、測定室内に存在する試料に音響的に結合される、または結合可能であるように構成する。したがって音響的励起、例えば音波を、試料から音響吸収器に音響的結合によって伝達することができる。ここでの利点は、音響吸収器と試料との直接的接触を回避できることである。したがって音響吸収器は容易に汚染されない。したがって本発明により構成された測定装置は、多数の測定過程にも使用することができ、面倒な保守または個々の部材の交換を必要としない。さらなる利点は、試料による音響的吸収器の脆弱な部材の損傷、摩耗および／または劣化が回避可能、または少なくとも低減可能なことである。したがって本発明の測定装置の使用特性は、測定装置が持続的使用に適するよう構成可能であるように頑強に構成されている。試料が気体試料または液体試料であるととくに好都合である。

電磁波は変調周波数で変調することができ、例えば振幅変調により、とりわけパルス変調または周波数変調により変調することができる。好ましくは変調は、搬送波周波数の少なくとも１つの波長にわたって伸長している。

本発明の構成では、音響吸収器が共振器を有し、この共振器が音響的出力部に接続されている。ここでの利点は、このようにして音響的出力部を介して伝達される音響的励起を増幅できることである。したがって音響吸収器の感度をさらに上昇させることができる。好ましくは共振器は中空共振器として構成されている。共振器がマイクロ共振器として構成されているととくに好都合である。

本発明の構成では、音響的出力部を音響窓として構成することができる。音響窓は音響的励起に対して完全にまたは部分的に透過性である。ここでは窓を試料に対しては完全にまたは部分的に非透過性に構成することができる。ここでの利点は、試料が音響的吸収器に浸透または拡散することを音響的出力部によって完全にまたは少なくとも部分的に回避できることである。

ここでは音響的出力部が音響的分離素子を有し、この音響的分離素子は、音響的吸収器により検知されるまたは検知可能な音響的励起に対して透過性であるようにすることができる。ここで好ましくは音響的分離素子は、気密および／または液密に構成されている。ここでの利点は、照射される電磁波により測定室内に形成することのできる音響的励起を、十分な検出感度で音響的吸収器に伝達できることである。試料の音響的吸収器への拡散は、篩の網目が十分に密に設定されていれば分離素子によって阻止することができる。

本発明では音響的吸収器が、音響的励起に応答する共振素子を有し、この共振素子は変調周波数に同調されている。例えば共振素子は音叉として構成することができる。共振素子がマイクロ音叉として構成されているととくに好都合である。 ここでの利点は、照射された光学的励起、すなわち電磁波に基づき試料中の構成部分との相互作用によって引き起こされる音響的励起を、非常に良好な測定感度で音響的吸収器において検出できることである。好ましくは共振素子は共振器内に配置されている。

本発明では、光源または光学的ソースが測定室の外に配置されており、測定室のさらなる壁に形成された光学的入力部を介して、測定室内に存在する試料に結合される。ここでの利点は、光源の脆弱な部分と試料との直接的接触が回避されることである。したがって試料による光源の汚染または摩耗を回避することができ、これにより測定装置の安定性がさらに高まる。

本発明では、光学的入力部が光学窓として構成されている。したがってこのようにして、形成された電磁波に対する光学的入力部を透過性に構成することができる。

ここでは、光学的入力部が光学的分離素子を有し、この光学的分離素子は、光源により形成された電磁波に対して透過性に構成されている。好ましくは光学的分離素子は気密および／または液密に構成されており、試料の光源への拡散または浸透を阻止する。例えば光学的分離素子はディスクまたはダイヤフラムとして構成することができ、搬送波周波数の電磁波に対してそれぞれ透明または透過性に構成されている。

本発明では、測定室に液体試料または気体試料が連続的に通流するように構成されている。ここでの利点は、このようにして持続的測定が実施可能なことである。

光源として例えばレーザまたはＬＥＤを使用することができる。安価で頑強なＬＥＤを電磁波の形成のために構成し、使用するととくに好都合である。

本発明では、音響的吸収器が加熱可能に構成されている。好ましくは音響的吸収器の共振素子は加熱可能に構成されている。ここでの利点は、音響的吸収器の規定された測定特性を達成できることである。さらなる利点は、音響的吸収器における侵蝕または材料変化、および／または音響的吸収器における堆積を阻止できることである。これにより共振素子の共振周波数を時間的に一定に保つことができる。さらに本発明により音響的吸収器を測定室の外に配置することにより、音響的吸収器の加熱によって試料が損傷したり、変化したりすることがない。

前記課題を可決するために本発明によれば冒頭に述べた形式の測定方法において、電磁波と構成成分との相互作用によって形成された音響的励起が、測定室の壁に形成された音響的出力部を介して出力され、出力された音響的励起が測定室の外で音響的吸収器により検出される。ここでの利点は、脆弱な音響的吸収器と測定室内の場合により侵襲性の試料との分離またはバリヤが達成されることである。したがって安定度、すなわち本発明の測定方法を実施する際に使用される測定装置の必要な保守の時間間隔を増大することができる。

本発明では、出力された音響的励起が測定室の外で、音響的出力部に接続された共振器で増幅される。ここでの利点は、音響的吸収器の検出感度を上昇させることができることである。これにより、音響的出力部で生じる信号損失を補償することができる。したがってＳ／Ｎ比が改善される。

本発明では、出力された音響的励起によって、音響的吸収器にある共振素子の共振が励起される。ここでの利点は、検出を変調周波数に特別に指向できることである。したがって音響的吸収器を、電磁波により構成成分で形成された音響的励起に選択的に使用することができる。したがって外部のソースからの障害の影響をフェードアウトすることができる。なぜなら障害の影響は通常、別の周波数にあるからである。

本発明では、電磁波が測定室の外で形成される。ここでの利点は、測定室を非常に小型にかつ頑強に構成することができることである。なぜなら電磁波を形成するための光源が測定室内に付加的な構造空間を必要としないからである。さらなる利点は、電磁波の形成を例えばレーザにより、試料によって妨げられることなしに実行できることである。

本発明では、形成された電磁波が、測定室のさらなる壁に形成された光学的入力部を介して、測定室内に存在する試料に結合される。ここでの利点は、試料と脆弱な光源、例えばＬＥＤまたはレーザとの間のバリヤが達成されることである。これにより光源および光源の光学系が、試料との接触により汚染され、または摩耗することが回避される。

本発明では、試料が測定室を通る連続的流れに曝される。ここでの利点は、持続的測定または頻繁に繰り返される個別の測定を簡単に実行できることである。これは、気体または流体の試料の場合にとくに好都合である。

本発明では、音響的吸収器が加熱される。ここでの利点は、音響的吸収器での劣化プロセスを遅延できることである。音響的吸収器の共振素子が加熱されるととくに好ましい。ここでの利点は、温度に起因する共振素子の共振周波数の変化を阻止できることである。このことは、共振素子を加熱により一定の動作温度の維持することによって行われる。

本発明の測定方法を本発明の測定装置で使用すると、とくに有利な使用特性が得られる。ここでの利点は、本発明の測定装置の構成部材により、本発明の測定方法の特徴が簡単に実現できることである。

本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。さらなる実施例は、請求項の個別のまたは複数の特徴の組み合わせにより、および／または実施例の個別のまたは複数の特徴の組み合わせにより得られる。

本発明の測定方法を説明するための本発明の測定装置の簡素化した原理図である。

全体が１により示された測定装置は測定室２を有する。測定室２は、固定試料、液体試料または気体試料を収容するように構成されている。好ましくは液体試料または気体試料が収容される。

測定装置１はさらに光源３を有し、この光源により電磁波４が形成される。

ここで電磁波４は、これが一定の搬送波周波数および同様に一定の変調周波数を有するように形成される。ここでは電磁波４を変調周波数により振幅変調することができる。

例えば電磁波は、可視スペクトル領域または近可視スペクトル領域にある光とすることができる。光源３はＬＥＤとして構成することができる。

ここで電磁波４は、搬送波周波数に対応する波長の光とすることができ、この光は変調周波数によってパルス化される。

光源３は、形成された電磁波４が測定室２に入射されるように構成され配置されている。

測定室２内では、電磁波４と固定試料、液体試料または気体試料との相互作用が行われる。ここで電磁波４の搬送波周波数は試料中の被検構成成分に同調されている。この同調は、搬送波周波数を構成成分の吸収周波数と同じに選択することにより行われる。

したがってすでに述べた変調周波数による変調によって、構成成分では音響的励起５、典型的には音波が形成され、これが音響的吸収器６によって検出される。

音響的励起５の周波数は、変調周波数と同じであるか、または整数倍であるか、または電磁波４の変調周波数の整数分数である。

音響的吸収器６は、音響的励起５を検出するために変調周波数に同調されている。したがって測定装置１は、測定室２内に存在する液体試料または気体試料の少なくとも１つの構成成分を検査するように構成されている。ここで音響的吸収器６の出力信号は、それ自体公知のように構成されさらに図示しない評価ユニット７で評価される。評価ユニット７は、例えばロックイン増幅器を介して構成することができる。

測定室２は、音響的出力部９が形成された壁８を有する。

音響的吸収器６は測定室２の外に配置されており、音響的出力部に、照射された電磁波４と試料の構成成分との相互作用によって形成された音響的励起５が音響的出力部９を介して測定室２から出力され、音響的吸収器６に伝達されるように接続されている。

音響的吸収器６は中空共振器の形の共振器１０を有し、出力された音響的励起５が共振器により増幅される。共振器１０はマイクロ共振器である。したがって共振器１０と音響的出力部９とは、音響的吸収器６の微細音響チャネルを形成する。

共振器１０は共振周波数を有する幾何的寸法により構成されており、この共振周波数は電磁波４の変調周波数に、したがって音響的励起５の周波数に同調されている。

音響的出力部９は音響窓として構成されており、試料に対しては非透過であるが、音響的励起５に対しては少なくとも部分的に透過性である。

ここで音響的出力部６は音響的分離素子１１を有し、この分離素子はディスクの形で前記音響窓に嵌め込まれている。実施例で音響的分離素子１１はダイヤフラムとして構成されており、これは音響的励起５、一般的には音波に対して透過性であるが、ガスまたは流体に対しては非透過である。別の実施例では、分離素子１１が篩として構成されており、前記の窓に嵌め込まれており、試料の音響的吸収器６への拡散を困難にし、または阻止する。このために音響的分離素子１１はこの場合、十分に目の詰まった篩として構成されている。

音響的吸収器６は共振素子１２を有し、この共振素子は音響的励起５に応答する。したがって、ここでは音叉の機能原理による共振素子１２により音響的励起５を吸収し、電気出力信号に変換することができる。共振素子１２は共振器１０に配置され、および／または共振器１０の２つの半分シェルの間に配置されている。共振素子１２はマイクロ音叉として構成されている。

したがって共振器１０と共振素子１２とは、１つの微細音響的吸収器６を形成する。

評価ユニット７はこの電気出力信号を評価し、試料中の構成成分の存在および／または特性、例えば濃度についての予測を導出する。

共振素子１２はすでに述べた変調周波数に同調されている。この同調は、共振素子１２の共振周波数が変調周波数と同じであるか、または整数倍であるか、または変調周波数の整数分数であるように選択することによって行われる。

図１からさらに、光源３も同様に測定室２の外に配置されていることが分かる。

測定室２の壁には光学的入力部１４が光学窓として形成されており、この光学窓には光学的分離素子１４がディスクの形で嵌め込まれている。

光学的分離素子１４は電磁波４に対して透過性であり、気密または液密に構成されている。

実施例で光学的分離素子１４は、透明ダイヤフラムまたは透明ディスクとして構成されている。

したがって光学的入力部１３を介して光源３を測定室２内の試料に結合することができる。

測定室１の運転時、すなわち本発明の測定方法の実施時に、光源３により形成された電磁波４、すなわち測定室２の外で形成された電磁波が、光学的入力部１３を介して測定室２内に存在する試料に結合される。

この照射された電磁波４は、搬送波周波数が吸収周波数と一致している限り、測定室２内の固体試料、液体試料、または気体試料の被検構成成分によって吸収される。電磁波４の変調は、音響的励起５を引き起こす局所的圧力変化を生じさせる。

この音響的励起５は、すでに述べたように出力され、音響的吸収器６の共振素子１２によって検出される。

測定室２はパイプ管の一部として構成されており、この中を被検試料が連続流で流れる。

最後に測定装置１は概略的に示した加熱装置１５を有し、この加熱装置により共振素子１２および音響的吸収器６を加熱することができる。ここで加熱装置１５は、共振素子１２および／または共振器１０の内室が一定の動作温度に維持されるように制御される。この動作温度は環境温度より高く、例えば水の蒸発温度よりも上にすることができる。

光学的入力部１３は光学チャネル１６の一部であり、この光学チャネルで電磁波４を試料に供給することができる。

ここで電磁波４の搬送波周波数が試料の構成成分に対応して調整されている場合、試料は測定室２内で電磁波４により搬送されたエネルギーを吸収する。電磁波４の変調を変調周波数により付加的に行うことによって、試料または少なくとも試料の関与する構成成分が周期的に励起され、これが圧力変化を引き起こす。

この圧力変化は音響的励起５として、音響チャネルを形成する音響的吸収器６を介して出力され、これにより共振素子１２は振動を励振される。測定結果として例えば共振素子１２の出力信号の振幅を測定することができる。このことは必要な場合には、付加的に測定インターバルを介して時間的に分解することができる。

試料の前記構成成分は、粒子状の構成成分とすることができる。これは例えば、試料の生物学的および／または有機構成成分、例えばバクテリヤおよび／または種子、またはその他の粒子状の構成成分、例えば塵埃粒子および／またはカーボン粒子、またはそれらの対象物とすることができる。粒子状の構成成分の使用には、照射された電磁波４からの光学的励起が非常に効率的に検出可能な音響的励起５に変換されるという利点がある。これは、粒子状の構成成分が振動を励振されることにより行われる。

測定室２を有する測定装置１であって、搬送波周波数を有し、変調周波数により変調された電磁波４が試料に作用する測定装置１において、変調周波数に同調された音響的吸収器６を測定室２の外に配置し、作用する電磁波４によって試料に生成された音響的励起５を検出するために、音響的出力部７を介して接続することが提案される。

Claims (12)

1. 固体試料、液体試料または気体試料中の少なくとも１つの構成成分を検査するための測定装置（１）であって、試料を収容するための測定室（２）と、搬送波周波数と変調周波数とを備えていて前記測定室（２）内の試料と相互作用する電磁波（４）を形成するための光源（３）と、前記変調周波数に同調された音響吸収器（６）とを有しており、前記搬送波周波数は前記少なくとも１つの構成成分に同調されている測定装置において、
   前記音響的吸収器（６）が前記測定室（２）の外に配置されており、前記測定室（２）の壁（８）に音響出力部（９）が形成されており、該音響出力部により前記音響的吸収器（６）は、前記測定室（２）内に存在する試料に音響的に結合される、または結合可能である、ことを特徴とする測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置（１）において、
   前記音響的吸収器（６）は共振器（１０）を有し、該共振器は前記音響的出力部（９）に接続されている、ことを特徴とする測定装置。
3. 請求項１または２に記載の測定装置（１）において、
   前記音響的出力部（９）は音響窓として構成されており、および／または前記音響的出力部（９）は、好ましくは気密および／または液密の音響的分離素子（１１）、とりわけダイヤフラムまたは篩を有し、前記音響的分離素子は、音響的吸収器（６）により検出される、または検出可能な音響的励起（５）に対して透過性である、ことを特徴とする測定装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の測定装置において、
   前記音響的吸収器（６）は、音響的励起（５）に応答する共振素子（１２）、とりわけ音叉を有し、前記共振素子は前記変調周波数に同調されている、ことを特徴とする測定装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の測定装置（１）において、
   前記光源（３）は前記測定室（２）の外に配置されており、前記測定室（２）の別の壁（８）に形成された光学的入力部（１３）を介して、前記測定室（２）内に存在する試料に結合される、または結合可能である、ことを特徴とする測定装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の測定装置（１）において、
   前記光学的入力部（１３）は光学窓として構成されており、および／または前記光学的入力部（１３）は好ましくは気密および／または液密の光学的分離素子（１４）、とりわけディスクまたはダイヤフラムを有し、前記光学的分離素子は、前記光源（３）により形成可能な電磁波（４）に対して透過性に構成されている、ことを特徴とする測定装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の測定装置（１）において、
   前記測定室（２）は液体試料または気体試料が連続的に通流するように構成されており、および／または前記音響的吸収器（６）、とりわけ前記共振素子（１２）は加熱可能に構成されている、ことを特徴とする測定装置。
8. 固体試料、液体試料または気体試料中の少なくとも１つの構成成分を検査するための測定方法であって、前記試料は測定室（２）内にもたらされ、光源（３）により搬送波周波数と変調周波数とを備える電磁波（４）が形成され、当該電磁波によって前記測定室（２）中の前記試料が照射され、前記搬送波周波数は前記少なくとも１つの構成成分に同調されており、前記変調周波数に同調された音響的吸収器（６）によって前記電磁波（４）と前記試料の少なくとも１つの構成成分との相互作用が検出される測定方法において、
   前記電磁波（４）と前記構成成分との相互作用によって形成された音響的励起（５）が、前記測定室（２）の壁（８）に形成された音響的出力部（９）を介して出力され、前記出力された音響的励起（５）が前記測定室（２）の外で前記音響的吸収器（６）により検出される、ことを特徴とする測定方法。
9. 請求項８に記載の測定方法において、
   前記出力された音響的励起（５）が前記測定室（２）の外で、前記音響的出力部（９）に接続された共振器（１０）で増幅され、および／または前記出力された音響的励起（５）によって、前記音響的吸収器（６）にある共振素子（１２）の共振が励振される、ことを特徴とする測定方法。
10. 請求項８または９に記載の測定方法において、
    前記電磁波（４）が前記測定室（２）の外で形成され、および／または前記形成された電磁波（４）は、前記測定室（２）の別の壁（８）に形成された光学的入力部（１３）を介して、前記測定室（２）内に存在する試料に結合される、ことを特徴とする測定方法。
11. 請求項８から１０までのいずれか一項に記載の測定方法において、
    前記試料は、前記測定室（２）を通って連続的流れで通流し、および／または前記音響的吸収器（６）、とりわけ共振素子（１２）が加熱される、ことを特徴とする測定方法。
12. 請求項８から１１までのいずれか一項に記載の測定方法において、
    請求項１から７までのいずれか一項に記載の測定装置（１）が使用される、ことを特徴とする測定方法。

Images