WO2005106431A1 - Spektrometrischer messkopf und verfahren zu dessen rekalibrierung - Google Patents

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WO2005106431A1
WO2005106431A1 PCT/EP2005/004433 EP2005004433W WO2005106431A1 WO 2005106431 A1 WO2005106431 A1 WO 2005106431A1 EP 2005004433 W EP2005004433 W EP 2005004433W WO 2005106431 A1 WO2005106431 A1 WO 2005106431A1
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WO
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measuring head
recalibration
standards
measuring
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/004433
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English (en)
French (fr)
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Wilhelm Schebesta
Werner Hoyme
Michael Rode
Nico Correns
Martin Götz
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for measuring the diffuse reflection of corresponding samples, in particular in process measurement technology, and to a method for internal recalibration of the measuring head.
  • Measuring heads for the measurement of diffuse reflection require the two standards black and white as the measuring standard for calibration. These are used to calibrate the measurement scale at the start of the measurement. The following samples to be measured (material to be measured) are placed between the two limit values. Any changes in the measurement conditions can lead to incorrect measurement results.
  • the measurement sample must be removed from the sample level and replaced by the 2 calibration standards.
  • this process is not only disruptive and time-consuming, but may not even be possible under certain circumstances.
  • Another possibility is the exact positioning of the Measuring head above the calibration samples at a different location than the sample.
  • US Pat. No. 5,982,501 A describes a device for measuring the reflectivity of a sample, the measured values of which are preferably passed on to a spectrometer.
  • the measuring device consists of a housing in which a measuring head for measuring the light reflected from the object, an opto-electrical converter for converting the measured light into electrical signals, a computer unit for processing the electrical signals and for controlling the device, and a display unit for Representation of the measured values and an operating unit are arranged.
  • the measuring head is moved by a motor from its rest position in the housing to the measuring position outside the housing and the measurement is carried out. The measuring head then moves back into the rest position in the housing.
  • Reference patterns are also arranged within the housing, by means of which the measuring head can be calibrated.
  • the measuring head is positioned over the respective reference pattern and the corresponding measurement is triggered. Calibration is possible on the basis of the reference values stored in the computer unit.
  • other color standards can be used as reference samples to check the spectral calibration.
  • the arrangement has a filter wheel which can be moved together with the measuring head in order to spectrally influence either the light of the measuring light source or the light reflected by the object.
  • the filters of the fi wheel are positioned in the relevant beam path.
  • the solution describes an automatic calibration method that compensates for the influence of fluctuations in the color temperature of the light source or statistical changes in the measurement process.
  • a disk with a known color pattern is pivoted in front of the measuring head and the intensity of the reflected light is measured.
  • the measured light signal is compared with a known standard signal in order to determine changes.
  • the disadvantage of this solution is the lack of universality, which is only guaranteed by the spectral information.
  • the color samples used as calibration aids are application-specific.
  • a spectrometric reflection measuring head with internal recalibration in which there are at least two standards, preferably a black and a white standard, for internal recalibration in the housing of the measuring head, which are optionally in the beam path of the Reflection measuring head can be pivoted. After the measurement data of both standards have been recorded by the spectrometer, the reflection measuring head is recalibrated by the control and evaluation unit. In addition, at least two external standards may be available for calibrating the reflection measuring head before starting up the measuring arrangement or at certain intervals.
  • the present invention has for its object to provide an arrangement for spectrometric reflection measurement, in which system changes by recalibration based on available universal reference patterns. active, can be compensated in definable periods of time without changing the measuring arrangement for it.
  • the spectrometric measuring head with recalibration consists of a housing provided with a window, in which an illumination source, a spectrometer arrangement and at least two standards for recalibration are arranged.
  • the two standards can optionally be swiveled into the beam path of the measuring head so that the entire measuring light emanating from the illumination source is used for recalibration.
  • a processor for recording and processing the measured values and an interface to a bus system are also available in the housing.
  • the proposed technical solution can be used for special measurement tasks in the VIS as well as in the NIR area. For example, while the color of continuous samples is determined in the VIS range, the moisture content and the content of fat, starch, protein and the like are determined for samples from the agriculture and food industry in the NIR range. To use the different spectral ranges, the spectrometers to be used must be adapted accordingly; the measuring head can be used for the entire spectral range.
  • FIG. 1 shows the spectrometric measuring head according to the invention with recalibration.
  • This consists of a housing 1 provided with a window 2, in which an illumination source 3, a spectrometer arrangement 4 and at least two standards 5 for recalibration are arranged. These standards 5 can optionally be pivoted into the beam path of the measuring head in such a way that the entire measuring light emanating from the illumination source 3 is used for recalibration.
  • a processor 8 for recording and processing the measured values and an interface 9 to a bus system are present in the housing 1.
  • an optical assembly for collecting and coupling the measuring light into a light guide is arranged, via which the measuring light is guided to the spectrometer arrangement 4.
  • the lamp power of the illumination source 3, which preferably has a reflector 10 can be regulated automatically. This ensures that the integration time of the spectrometer arrangement 4 remains almost constant.
  • a measurement optimized to the respective sample and measurement conditions can be carried out at any time.
  • the spectrometer arrangement 4 consists of at least one dispersion element and a detector array and optionally has imaging optical assemblies. Due to the direct imaging of the radiation reflected by the sample 7 on the detector array, depending on the sample 7, images from the structure of the sample 7 on the detector array can lead to measurement errors. A light integrator is provided to prevent this.
  • the two standards 5 in the measuring head are used for internal recalibration of the measuring arrangement.
  • At least two additional external standards 6 are provided for driving the measuring arrangement or at certain time intervals.
  • Black and white standards are preferably used both as internal 5 and as external standards 6, which can be supplemented by additional, application-specific internal standards for further recalibration.
  • Standards 5 and 6 are preferably operated by motor and can be controlled automatically and / or manually.
  • the internal and external referencing enables automatic system monitoring, monitoring of window 2 for damage, contamination, etc., and the possibility of using different window material without having to change or adapt the existing calibrations.
  • the measurement head is recalibrated using the measurement values from the calibration of the reflection measurement head before start-up. After the internal standards 5 have been swung out of the beam path, the measuring head is ready for the next measurement of the sample.
  • a processor 8 is arranged in the housing 1 for recording and processing the measured values.
  • This processor 8 can generate both raw data, ie the preprocessing of the data on a spectral basis, and calculated results, which can then be transmitted to a bus system via the existing interface 9.
  • the processor 8 also contains the software for the necessary bus management.
  • Processor 8 creates a completely self-sufficient system.
  • the processor 8 contains appropriate compensation electronics which compensate for the changing parameters of the spectrometer arrangement 4 when the temperature changes.
  • the interface 9 to a bus system is used for data transmission and / or calibration and / or system diagnosis and can be wired or wireless.
  • a spectrometer arrangement 4 and at least two standards 5 for recalibration are arranged in a housing 1 provided with a window 2, these standards 5 are optionally pivoted into the beam path of the measuring head that the entire measuring light emanating from the illumination source 3 is used for recalibration.
  • the measured values are recorded and processed by a processor 8 and transmitted to an bus system via an interface 9.
  • the sample 7 to be measured is irradiated with an illumination source 3.
  • the radiation reflected by the sample 7 is recorded directly by a spectrometer arrangement 4. Based on the intensity distribution of the reflected radiation, different ingredients can be determined based on calibrations. With the measuring head described, both static measurements and measurements of a material flow are possible.
  • the measured intensity values required for the various internal 5 and external standards 6 are stored and used for the recalibration.
  • the required intensity values are:
  • the overall design of the measuring head ensures that q (t) is the same at the internal and external measuring location.
  • the reflectance R p '(at the beginning) or the corrected reflectance R p ' (t) (after recalibration) of the measurement sample can be calculated from these values.
  • the measuring head After the internal standards 5 have been swung out of the beam path, the measuring head is ready for the next measurement of the sample 7.
  • the internal standards 5 can be arranged, for example, on a filter wheel or a sliding mechanism. For application-specific recalibration, there may be additional internal standards in addition to the black and white standards.
  • the geometric arrangement of the internal standards 5 ensures that spectral intensity changes take place at both measurement locations with the same proportionality. Changes in the sensitivity and the dark signal of the spectrometer arrangement 4 are effective regardless of the measurement location and thus internally and externally equally. This means that the recalibration, a change in the measured value caused by the influences mentioned in long-term operation can be avoided.
  • the internal recalibration is carried out automatically at short time intervals according to a predetermined time rhythm or as required.
  • Both the measuring head and the measuring object remain in the normal measuring position during calibration and recalibration.
  • the relatively time-consuming calibration of the measuring head at the place of use is only required before the start-up or at larger time intervals. Due to the internal recalibration to be carried out in defined time intervals, it is possible to avoid changes in measured values in long-term operation, which can be caused, for example, by changing the sensitivity and the dark signal of the detection system or fluctuating light intensity of the illumination source.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der diffusen Reflexion entsprechender Proben, sowie eine Verfahren zur internen Reka­librierung des Messkopfes. Der erfindungsgemässe Spektrometrischer Messkopf mit Rekalibrierung besteht aus einem Fenster (2) versehenen Gehäuse (1), in dem eine Beleuch­tungsquelle (3), eine Spektrometeranordnung (4) und mindestens zwei Standards (5) zur internen Rekalibrierung vorhanden sind, wobei diese Standards wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt werden können, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird. Im Gehäuse sind ausserdem ein Prozessor (8) zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte und eine Schnittstelle (9) zu einem Bussystem ange­ordnet. Bei der erfindungsgemässen Lösung ist die relativ zeitaufwendige Kalibrierung des Messkopfes am Einsatzort nur vor der Inbetriebnahme bzw. in grösseren Zeitabständen erforderlich. Durch die internen Rekalibrierungen ist es möglich, eine Messwertänderung im Langzeitbetrieb zu vermeiden. Die vorgeschlagene Lö­sung kann für Messaufgaben im VIS- und auch im NIR-Beriech angewendet werden.

Description

Spektrometrischer Messkopf und Verfahren zu dessen Rekalibrierung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der diffusen Reflexion entsprechender Proben insbesondere in der Prozessmesstechnik, sowie eine Verfahren zur internen Rekalibrierung des Messkopfes.
Nach dem bekannten Stand der Technik sind zahlreiche Lösungen bekannt, die zur Prozessüberwachung spektrometrische Anordnungen verwenden. Während entsprechende Messungen, unter Laborbedingungen durch die Einhaltung der standardisierten Bedingungen kein Problem darstellen, werden an die Messaufgaben in der Prozessüberwachung besondere Anforderungen gestellt.
Messköpfe für die Messung diffuser Reflexion benötigen als Maßverkörperung für die Kalibrierung die zwei Standards Schwarz und Weiß. Mit diesen wird die Messskala zu Messbeginn kalibriert. Die folgenden zu messenden Proben (Messgut) ordnen sich zwischen den beiden Grenzwerten ein. Auftretende Veränderungen der Messbedingungen können dabei zu fehlerhaften Messergebnissen führen.
Solche Veränderungen können beispielsweise durch altersbedingte Ablagerung an der Lichtquelle resultieren, wodurch sich die Intensität und Farbtemperatur des Lichtes ändern kann. Weiterhin sind auch thermische Einflüsse auf das Detektionssystem denkbar, die zu Schwankungen in der Empfindlichkeit und dem Dunkelsignal führen können und so die Messergebnisse verfälschen. Um dies zu verhindern sind in regelmäßigen Zeitabschnitten Rekalibnerungen mit den genannten beiden Standards erforderlich.
In der Regel muss dazu die Messprobe aus der Probenebene entfernt und durch die 2 Kalibrierstandards ersetzt werden. In der Prozessmesstechnik ist dieser Vorgang nicht nur störend und zeitaufwendig, sondern unter Umständen gar nicht realisierbar. Eine andere Möglichkeit ist das exakte Positionieren des Messkopfes über den Kalibrierproben an einem anderen als den Probenmess- ort.
In der US 5,982,501 A wird ein Gerät zum Messen des Reflexionsvermögens einer Probe beschrieben, dessen Messwerte vorzugsweise zu einem Spektro- meter weiter geleitet werden. Das Messgerät besteht dabei aus einem Gehäuse, in dem ein Messkopf zum Messen des vom Objekt reflektierten Lichtes, ein opto-elektrischer Konverter zum Umwandeln des gemessenen Lichtes in elektrische Signale, eine Computereinheit zur Verarbeitung der elektrischen Signale und zum Steuern der Vorrichtung, eine Anzeigeeinheit zur Darstellung der Messwerte und eine Bedieneinheit angeordnet sind. Bei Auslösen des Messprozesses wird der Messkopf durch einen Motor aus seiner Ruhestellung im Gehäuse in die Messposition außerhalb des Gehäuses verschoben und die Messung durchgeführt. Danach fährt der Messkopf wieder in die Ruheposition in das Gehäuse. Innerhalb des Gehäuses sind weiterhin Referenzmuster angeordnet, anhand derer der Messkopf kalibriert werden kann. Dazu wird der Messkopf über dem jeweiligen Referenzmuster positioniert und die entsprechende Messung ausgelöst. Anhand der in der Computereinheit gespeicherten Bezugswerte ist eine Kalibrierung möglich. Als Referenzmuster können neben einem Weiß-Standard weitere Farbnormen zur Überprüfung der spektralen Kalibrierung zum Einsatz kommen. Weiterhin verfügt die Anordnung über eine Filterrad, welches gemeinsam mit dem Messkopf verschoben werden kann, um entweder das Licht der Messlichtquelle oder das vom Objekt reflektierte Licht spektral zu beeinflussen. Dazu werden die Filter des Fiiterrades in den betreffenden Strahlengang positioniert. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die Kalibrierung im Gehäuse und nicht direkt am Messort erfolgt. Durch die entsprechend unterschiedlichen Bedingungen lassen sich die Ergebnisse der Kalibrierungen aus dem Gehäuseinneren nur schwer auf den äußeren Messort übertragen. Außerdem ist hier der gesamte Messkopf auf die Kalibrierstandards und die Messprobe jeweils exakt motorisch zu positionieren. Ein Verfahren und eine entsprechende Anordnung zur automatischen Kalibrierung eines Farberkennungssystems wird in der EP 0 010 940 A1 beschrieben. Die Lösung dient dazu die Farbe eines Produktes zu überwachen und/oder als Kriterium für eine Selektion zu nutzen. Hauptanwendungsgebiete sind beispielsweise die Kontrolle von frittierten Kartoffelchips oder auch die Sortierung von Obst oder Gemüse. Die Produkte werden dazu mit Licht einer definierten Wellenlänge beleuchtet und das von ihnen reflektierte Licht ausgewertet. Die Lösung beschreibt eine automatische Kalibrierungsmethode, durch die der Ein- fluss von Schwankungen der Farbtemperatur der Lichtquelle oder statistischer Veränderungen im Messablauf kompensiert werden. Zur Kalibrierung der Anordnung wird eine Scheibe mit einem bekannten Farbmuster vor den Messkopf geschwenkt und die Intensität des reflektierten Lichtes gemessen. Das gemessene Lichtsignal wird mit einem bekannten Standardsignal verglichen, um Veränderungen feststellen zu können. Nachteilig bei dieser Lösung ist das Fehlen der erst durch die spektralen Informationen gewährleisteten Universalität. Die als Kalibrierhilfsmittel dienenden Farbmuster sind applikationsspezifisch.
In der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 102004 021 448.4 wird ein spektrometrischer Reflexionsmesskopf mit interner Rekalibrierung beschrieben, bei dem im Gehäuse des Messkopfes zusätzlich mindestens zwei Standards, vorzugsweise ein Schwarz- und ein Weißstandard, zur internen Rekalibrierung vorhanden sind, die wahlweise in den Strahlengang des Reflexi- onsmesskopfes geschwenkt werden können. Nach der Erfassung der Messdaten beider Standards durch das Spektrometer erfolgt die Rekalibrierung des Reflexionsmesskopfes durch die Steuer- und Auswerteeinheit. Zusätzlich können zur Kalibrierung des Reflexionsmesskopfes vor der Inbetriebnahme der Messanordnung bzw. in bestimmten Zeitabständen mindestens zwei externe Standards vorhanden sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zur spektrometrischen Reflexionsmessung zu schaffen, bei der Systemänderungen durch Rekalibrierung anhand vorliegender universeller Referenzmuster selbst- tätig, in festlegbaren Zeitabschnitten kompensiert werden können, ohne dass die Messanordnung dafür verändert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Dazu besteht der spektrometrische Messkopf mit Rekalibrierung aus einem mit einem Fenster versehenen Gehäuse, in dem eine Beleuchtungsquelle, eine Spektrometeranordnung und mindestens zwei Standards zur Rekalibrierung angeordnet sind. Die beiden Standards können wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt werden, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird. Im Gehäuse sind außerdem ein Prozessor zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte und eine Schnittstelle zu einem Bussystem vorhanden.
Die vorgeschlagene technische Lösung kann für spezielle Messaufgaben sowohl im VIS- als auch im NIR-Bereich gewerbliche angewendet werden. Während beispielsweise die Bestimmung der Farbe von kontinuierlichen Proben im VIS-Bereich erfolgt, wird der Feuchtgehalt und der Gehalt an Fett, Stärke, Eiweiß und dgl. für Proben aus der Land- und Nahrungsgüterwirtschaft im NIR-Bereich bestimmt. Für die Nutzung der verschiedenen Spektralbereiche sind die zu verwendenden Spektrometer entsprechend anzupassen; der Messkopf kann für den gesamten Spektralbereich verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Dazu zeigt:
Figur 1 : den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen spektrometrischen Reflexionsmesskopfes. Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen spektrometrischen Messkopf mit Rekalibrierung. Dieser besteht aus einem, mit einem Fenster 2 versehenen Gehäuse 1 , in dem eine Beleuchtungsquelle 3, eine Spektrometeranordnung 4, und mindestens zwei Standards 5 zur Rekalibrierung angeordnet sind. Diese Standards 5 können wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt werden, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle 3 ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird. Zusätzlich sind im Gehäuse 1 ein Prozessor 8 zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte und eine Schnittstelle 9 zu einem Bussystem vorhanden.
In einer anderen Ausgestaltung ist anstelle der Spektrometeranordnung 4 eine Optikbaugruppe zum Sammeln und Einkoppeln des Messlichtes in einen Lichtleiter angeordnet, über den das Messlicht zur Spektrometeranordnung 4 geleitet wird.
Um die Spektrometeranordnung an die verschiedenen Reflexionsverhalten unterschiedlichster Proben 7 anzupassen, kann die Lampenleistung der vorzugsweise über einen Reflektor 10 verfügenden Beleuchtungsquelle 3 automatisch geregelt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Integrationszeit der Spektrometeranordnung 4 nahezu konstant bleibt. In Verbindung mit der Refe- renzierung kann somit jederzeit eine an die jeweiligen Proben- und Messbedingungen optimierte Messung erfolgen.
Die Spektrometeranordnung 4 besteht mindestens aus einem Dispersionselement und einem Detektorarray und verfügt gegebenenfalls über abbildende Optikbaugruppen. Durch die direkte Abbildung der von der Probe 7 reflektierten Strahlung auf das Detektorarray, können je nach Probe 7 Abbildungen aus der Struktur der Probe 7 auf dem Detektorarray zu Messfehlern führen. Um dies zu verhindern ist ein Lichtintegrator vorgesehen.
Die im Messkopf vorhandenen zwei Standards 5 dienen der internen Rekalibrierung der Messanordnung. Zur Kalibrierung des Messkopfes vor der Inbe- triebnahme der Messanordnung bzw. in bestimmten Zeitabständen sind mindestens zwei zusätzliche externe Standards 6 vorhanden. Sowohl als interne 5 als auch als externe Standards 6 werden vorzugsweise Schwarz- und Weißstandards verwendet, die durch zusätzliche, anwendungsspezifische interne Standards für weitergehende Rekalibnerungen ergänzt werden können. Die Standards 5 und 6 werden vorzugsweise motorisch betrieben und können automatisch und/oder manuell gesteuert werden. Die interne und externe Refe- renzierung ermöglicht eine automatische Systemüberwachung, eine Überwachung des Fensters 2 auf Beschädigung, Verschmutzung, usw. sowie die Möglichkeit, unterschiedliches Fenstermaterial zu verwenden, ohne dass die existierenden Kalibrationen verändern oder anpassen werden müssen.
Nach Erfassung der Messdaten mit den beiden internen Standards 5 durch die Spektrometeranordnung 4 erfolgt unter Nutzung der Messwerte der Kalibrierung des Reflexionsmesskopfes vor der Inbetriebnahme, die Rekalibrierung des Messkopfes. Nachdem die internen Standards 5 aus dem Strahlengang ausgeschwenkt wurden, ist der Messkopf für die nächste Messung der Probe bereit.
Zusätzlich ist im Gehäuse 1 ein Prozessor 8 zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte angeordnet. Von diesem Prozessor 8 können sowohl Rohdaten, d. h. die Vorverarbeitung der Daten auf spektraler Basis, als auch berechnete Ergebnisse erzeugt werden, die dann über die vorhandene Schnittstelle 9 zu einem Bussystem übertragen werden kann. Außerdem enthält der Prozessor 8 die Software für das notwendige Busmanagement. Durch den Prozessor 8 entsteht ein vollständig autark arbeitendes System. Damit der Messkopf in einem weiten Arbeitstemperaturbereich auch ohne zusätzliche Kühlung des Detektor- arrays einsetzbar ist, beinhaltet der Prozessor 8 eine entsprechende Kompensationselektronik, die die sich verändernden Parameter der Spektrometeranordnung 4 bei Temperaturwechsel ausgleicht. Die Schnittstelle 9 zu einem Bussystem dient der Datenübertragung und/oder Kalibrierung und/oder Systemdiagnose und kann dabei drahtgebunden oder auch drahtlos ausgeführt sein.
Bei dem Verfahren zur Rekalibrierung eines spektrometrischen Messkopfes, bei dem in einem mit einem Fenster 2 versehenen Gehäuse 1, eine Beleuchtungsquelle 3, eine Spektrometeranordnung 4 und mindestens zwei Standards 5 zur Rekalibrierung angeordnet sind, werden diese Standards 5 wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle 3 ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird. Von einem Prozessor 8 werden die Messwerte erfasst und bearbeitet und diese über eine Schnittstelle 9 zu einem Bussystem übertragen.
Bei dem erfindungsgemäßen spektrometrischen Messkopf wird die zu messende Probe 7 mit einer Beleuchtungsquelle 3 bestrahlt. Die von der Probe 7 reflektierte Strahlung wird direkt von einer Spektrometeranordnung 4 aufgenommen. Anhand der Intensitätsverteilung der reflektierten Strahlung können, basierend auf Kalibrierungen, unterschiedliche Inhaltsstoffe bestimmt werden. Mit dem beschriebenen Messkopf sind sowohl statische Messungen als auch Messungen eines Materialstroms möglich.
Die für die verschiedenen internen 5 und externen Standards 6 erforderlichen gemessenen Intensitätswerte werden gespeicherten und für die Rekalibrierung benutzt. Die erforderlichen Intensitätswerte sind hierbei:
externer Weißstandard iw = Ie • ( f + R we • [l - Rf ]2 )+ Id
externer Schwarzstandard Ise = Je " lRf + Rse • L1 ~ Rf J j+
interner Weißstandard wi = * ' wi + d
interner Schwarzstandard Isi = I, • Rsi + id und der Probe Ip=Ie-(Rf+Rp.[l-Rf]2)+Id
wobei Ie der Messintensität am externen Messort Ii der Messintensität am internen Messort Id der Messintensität des Dunkelsignals Rf dem Reflexionsgrad des Messkopffensters K-we dem Reflexionsgrad des externen Weißstandards Rse dem Reflexionsgrad des externen Schwarzstandards dem Reflexionsgrad des internen Weißstandards R, Sl dem Reflexionsgrad des internen Schwarzstandards Rn dem Reflexionsgrad der Messprobe entspricht.
Durch Bildung der Differenzen i bis D wird die Änderung des Dunkelsignals Id mit jeder internen Rekalibrierung aktuell kompensiert.
Figure imgf000010_0001
D2 = !Wi ~ lύ = li ' (Rwi ~ Rsi )
D3 =Ise -Isi =Ie -(R f +R se -[l-R f]2)-Ii - si D4 =IP -Id =Iβ -(Rf +R P -[l-Rf]2)-Ii -R si
Die Quotientenbildung q(t) = D2 / D2(t) = Ie / Ie(t) = Ii / Ii(t) beschreibt die relative zeitliche Änderung der Empfindlichkeit und der Messintensität zu den Zeitpunkten der Messung von D2 (am Beginn) und D2(t) (nach Rekalibrierung). Das Gesamtdesign des Messkopfes stellt sicher, dass q(t) am internem und externem Messort gleich ist.
Aus diesen Werten lässt sich der Reflexionsgrad Rp' (am Beginn) bzw. der korrigierte Reflexionsgrad Rp'(t) (nach Rekalibrierung) der Messprobe berechnen.
R
Figure imgf000011_0001
Dabei ist das Ergebnis Rp'(t) nicht von den zeitlichen Änderungen des Dunkelsignals, der Lampenintensität und der Empfängerempfindlichkeit betroffen.
Nachdem die internen Standards 5 aus dem Strahlengang ausgeschwenkt wurden, ist der Messkopf für die nächste Messung der Probe 7 bereit.
Die internen Standards 5 können dabei beispielsweise auf einem Filterrad oder einem Schiebemechanismus angeordnet sein. Für anwendungsspezifische Rekalibnerungen können dabei, neben dem Schwarz- und dem Weißstandard, zusätzliche interne Standards vorhanden sein.
Obwohl am internen Messort andere Messintensitäten der Beleuchtungsquelle 3 als am externen Probenmessort bestehen, wird durch die geometrische Anordnung der internen Standards 5 sichergestellt, dass sich spektrale Intensitätsänderungen an beiden Messorten mit gleicher Proportionalität vollziehen. Änderung der Empfindlichkeit und des Dunkelsignals der Spektrometeranordnung 4 sind unabhängig vom Messort und damit intern und extern gleichermaßen wirksam. Dadurch kann mit der in festgelegten Zeitabschnitten ausgeführ- ten Rekalibrierung eine durch die genannten Einflüsse verursachte Messwertänderung im Langzeitbetrieb vermieden werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die interne Rekalibrierung in kurzen Zeitabständen automatisch nach einem vorher festgelegten Zeitrhythmus oder nach Bedarf.
Sowohl der Messkopf als auch das Messobjekt verbleiben während der Kalibrierung und auch Rekalibrierung in der normalen Messposition.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die relativ zeitaufwendige Kalibrierung des Messkopfes am Einsatzort nur vor der Inbetriebnahme bzw. in größeren Zeitabständen erforderlich. Durch die in festgelegten Zeitabschnitten durchzuführenden internen Rekalibnerungen ist es möglich Messwertänderung im Langzeitbetrieb, die beispielsweise durch Änderung der Empfindlichkeit und des Dunkelsignals des Detektionssystems oder schwankende Lichtintensität der Beleuchtungsquelle verursacht werden können, zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche
1. Spektrometrischer Messkopf mit Rekalibrierung, bestehend aus einem, mit einem Fenster (2) versehenen Gehäuse (1 ), in dem eine Beleuchtungsquelle (3), eine Spektrometeranordnung (4) und mindestens zwei Standards (5) zur internen Rekalibrierung vorhanden sind, wobei diese Standards (5) wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt werden können, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle (3) ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird und im Gehäuse (1) ein Prozessor (8) zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte und eine Schnittstelle (9) zu einem Bussystem angeordnet sind.
2. Spektrometrischer Messkopf nach Anspruch 1 , bei dem die Lampenleistung der vorzugsweise über einen Reflektor (10) verfügenden Beleuchtungsquelle (3), zur Anpassung der Spektrometeranordnung an die verschiedenen Reflexionsverhalten unterschiedlichster Proben (7) automatisch geregelt werden kann.
3. Spektrometrischer Messkopf nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Spektrometeranordnung (4) mindestens aus einem Dispersionselement und einem Detektorarray besteht.
4. Spektrometrischer Messkopf nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spektrometeranordnung (4) gegebenenfalls über abbildende Optikbaugruppen und/oder einen Lichtintegrator verfügt.
5. Spektrometrischer Messkopf nach Anspruch 1 , bei dem zur Kalibrierung des Messkopfes vor der Inbetriebnahme der Messanordnung bzw. in bestimmten Zeitabständen mindestens zwei zusätzliche externe Standards (6) vorhanden sind.
1\
6. Spektrometrischer Messkopf nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 5, bei dem die internen (5) und/oder externe Standards (6) Schwarz- und Weißstandards sind und vorzugsweise motorisch betrieben und automatisch und/oder manuell gesteuert werden können.
7. Spektrometrischer Messkopf nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem zusätzliche, anwendungsspezifische interne Standards für weitergehende Rekalibrierungen vorhanden sein können.
8. Spektrometrischer Messkopf nach Anspruch 1 , bei dem die Schnittstelle (9) zu einem Bussystem zur Datenübertragung und/oder Kalibrierung und/oder Systemdiagnose vorgesehen ist.
9. Spektrometrischer Messkopf nach Anspruch 1 , bei dem im Gehäuse (1 ) statt der Spektrometeranordnung (4) eine Optikbaugruppe zum Sammeln und Einkoppeln des Messlichtes in einen Lichtleiter angeordnet ist, das Messlicht über diesen Lichtleiter zu der außerhalb des Messkopfes angeordneten Spektrometeranordnung (4) geleitet wird und das Gehäuse (1) Verbindungen zu einer Spannungsquelle, einer Steuer- und Auswerteeinheit sowie der Spektrometeranordnung (4) aufweist.
10. Verfahren zur Rekalibrierung eines spektrometrischen Messkopfes bei dem in einem, mit einem Fenster (2) versehenen Gehäuse (1), eine Beleuchtungsquelle (3), eine Spektrometeranordnung (4) und mindestens zwei interne Standards (5) zur Rekalibrierung angeordnet sind, werden diese Standards wahlweise so in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt, dass das gesamte von der Beleuchtungsquelle (3) ausgehende Messlicht zur Rekalibrierung verwendet wird, von einem Prozessor (8) werden die Messwerte erfasst und bearbeitet und über eine Schnittstelle (9) zu einem Bussystem übertragen.
S
11. Verfahren zur Rekalibrierung nach Anspruch 10, bei dem zur Kalibrierung des Messkopfes vor der Inbetriebnahme der Messanordnung bzw. in bestimmten Zeitabständen mindestens zwei zusätzliche externe Standards (6) wahlweise in den Strahlengang des Messkopfes geschwenkt werden.
12. Verfahren zur Rekalibrierung nach mindestens einem der Anspruch 10 und 11 , bei dem die Rekalibrierung mit Hilfe interner (5) und/oder externer Standards (6), vorzugsweise Schwarz- und Weißstandards, automatisch nach einem vorher festgelegten Zeitrhythmus oder nach Bedarf erfolgt.
13. Verfahren zur Rekalibrierung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Schnittstelle (9) zur Datenübertragung und/oder Kalibrierung und/oder Systemdiagnose an ein Bussystem vorgesehen ist.
14. Verfahren zur Rekalibrierung nach Anspruch 10, bei dem im Gehäuse (1) statt der Spektrometeranordnung (4) eine Optikbaugruppe zum Sammeln und Einkoppeln des Messlichtes in einen Lichtleiter angeordnet ist, das Messlicht über diesen Lichtleiter zu der außerhalb des Messkopfes angeordneten Spektrometeranordnung (4) geleitet wird und das Gehäuse (1) Verbindungen zu einer Spannungsquelle, einer Steuer- und Auswerteeinheit sowie der Spektrometeranordnung (4) aufweist, wobei im Gehäuse (1) zusätzlich mindestens zwei Standards (5) vorhanden sind, die zur internen Rekalibrierung wahlweise in den Strahlengang geschwenkt werden, nach Erfassung der Messdaten beider Standards (5) durch die Spektrometeranordnung (4) die Rekalibrierung durch die Steuer- und Auswerteeinheit erfolgt und die Standards (5) aus dem Strahlengang ausgeblendet werden, so dass der Messkopf für die nächsten Messungen der Probe (7) bereit ist.
15. Verfahren zur internen Rekalibrierung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem zusätzliche, anwendungsspezifische interne Standards für weitergehende Rekalibrierungen vorhanden sein können.
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