WO2010091664A1 - Device and method for connecting an optical measuring device to a measurement volume - Google Patents

Device and method for connecting an optical measuring device to a measurement volume Download PDF

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WO2010091664A1
WO2010091664A1 PCT/DE2010/000149 DE2010000149W WO2010091664A1 WO 2010091664 A1 WO2010091664 A1 WO 2010091664A1 DE 2010000149 W DE2010000149 W DE 2010000149W WO 2010091664 A1 WO2010091664 A1 WO 2010091664A1
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attachment
optical element
optical
measuring volume
measuring
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PCT/DE2010/000149
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Marina Gaastra
Thomas Bartnitzki
Karl Nienhaus
Tobias Kuhlen
Peter Jander
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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH)
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    • G01N2021/151—Gas blown

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for connecting an optical measuring device to a measuring volume in which a medium to be measured flows, with a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume, an optical element for the passage of optical radiation, the closing an opening formed in the partition wall, and a tubular header disposed on one side of the partition wall in front of the optical element so that a laser or light beam can pass from an opposite side of the partition wall through the optical element and the header into the measuring volume.
  • Optical measuring devices are used in many technical fields, for example to measure the material composition or other properties of a medium in a measuring volume. This can be done for example with spectroscopic measurement techniques.
  • An exemplary application deals with the online analysis of dust particles in drilling technology and the underground material extraction by means of shearers. During the drilling / extraction process, dust particles are analyzed with LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) and the content of the elements in a sucked-in dust sample is determined in real time.
  • LIBS laser-induced breakdown spectroscopy
  • the interface between the optical Measuring device and the medium to be analyzed should ensure an air- and water-tight separation and at the same time allow the optical passage of the laser and plasma radiation.
  • the optical measuring device is separated from the measuring volume via a dividing wall with a quartz glass pane arranged therein.
  • Coatings can be easily removed, do not always work reliably and can affect the optical properties of the material of the optical component.
  • the attachment is tubular, enclosing the lens on one side and has an inner wall with a tooth-shaped profile on an opening opposite the lens.
  • the sample material evaporating on impact of a laser beam forms a rapidly expanding microplasma, of which a part passes into the interior of the attachment.
  • the air in the interior is compressed and inhibited the spread of the plasma.
  • Due to the special shape of the opening is achieved that it comes at the onset of microplasma in the intent to vortex formation with simultaneous plasma cooling, so that only a small proportion of the evaporated material can reach the lens.
  • a header is not suitable for holding dust particles in the above-mentioned exemplary application.
  • the object of the present invention is to provide a device for connecting an optical measuring device to a measuring volume and an associated method with which also prevents the deposition of dust particles on an optical element of the device without additional effort and the distance between the optical element and the location of the measurement or analysis can be kept substantially free of dust. Presentation of the invention
  • the proposed device has a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume, in or on which an optical element for the passage of optical radiation is arranged through the dividing wall, which closes an opening in the dividing wall.
  • a tubular attachment is arranged in such a way on one side of the partition in front of the optical element and possibly connected to this, that a light beam, in particular a laser beam, can pass from an opposite side of the partition through the optical element and the tubular attachment into the measuring volume
  • the partition can form, for example, a closed housing for the measuring device. It can also be formed by a boundary wall at least partially enclosing the measuring volume, for example a chamber or tube wall.
  • the optical element can be a pane, for example a quartz glass pane, or else an element required for the measurement, for example a lens for focusing a laser beam.
  • the optical element can in this case be introduced into the opening of the dividing wall or applied over the opening of the dividing wall.
  • the tubular attachment is a Double-sided component, which in the present application may have different cross-sectional shapes and sizes.
  • the tubular attachment may have a circular cross-section like a conventional tube or other cross-sectional shapes, for example a rectangular cross-sectional shape.
  • the tubular attachment can also taper in cross section from the optical element to the opposite opening.
  • the special feature of the proposed device is that in the tubular attachment and / or between the tubular attachment and the partition one or more air access openings are formed, can flow over the ambient air from outside the measuring volume in the tubular attachment.
  • the proposed device may be formed without a partition.
  • the device has only one optical element for the passage of optical radiation and a tubular attachment, which is arranged in front of the optical element and optionally connected to this, that a light beam, in particular a laser beam, through the optical element and the tubular intent can get into the measuring volume.
  • the optical element can in this case close an open end of the attachment, for example, be glued to this end or clamped to this end.
  • the tubular attachment and the optical element can in this case be designed in the same way as in the above-described embodiment with partition.
  • the special feature of the proposed device is that in the tubular attachment and / or between the tubular attachment and optical element one or more Beerzugangs- openings are formed, via the ambient air, if necessary, filtered from outside of the measuring volume in the tubular intent nachströmen can.
  • one or more filters may be arranged on or in the air access openings.
  • ambient air is understood as meaning the air which is present outside the measuring volume in the vicinity of the optical element.
  • This can also be clean air, with which the environment of the optical element, in particular in the region of the air access openings, is filled.
  • Essential here is only that this air is sucked alone by the intentional caused by the flow of the medium to be measured negative pressure in the intent, so that neither compressed air nor other aids must be used for this purpose.
  • the proposed device is used to be measured media that flow past the device in the measurement volume.
  • the medium for example an air flow with dust particles
  • the place of measurement is usually the Focus of the directed through the optical element and the tubular attachment in the measuring volume light or laser beam, which lies in front of the optical element opposite the opening of the intent.
  • a negative pressure within the tubular attachment is generated by the medium flowing past this opening, through which ambient air is sucked in via the one or more air access openings.
  • the medium to be measured for example a gas-dust mixture
  • the medium to be measured flows past the opening of the tubular attachment remote from the optical element in order to increase the negative pressure in the attachment produce.
  • This is usually the case anyway in the application of the online analysis of dust particles in the drilling technique mentioned in the introduction, since the gas-dust mixture is extracted there via corresponding pipes or hoses.
  • this flow is generated by additional means in the measuring volume, for example by a pump or a fan.
  • the tubular attachment can be placed on the outside of the partition or integrated into the partition.
  • the optical element can, for example, be inserted into the corresponding open end of the attachment or applied to this end.
  • the tubular attachment can be introduced with its opening facing away from the optical element through an opening in the wall of the tube or the chamber.
  • the tubular attachment is preferably connected over its circumference dust or airtight with the chamber or tube wall, wherein the air access openings outside the chamber or the
  • a chamber or a pipe section as part of the present device, which determines the measurement volume. The medium to be measured is then introduced into this chamber or pipe section.
  • the tubular attachment is preferably formed cone-shaped, whereby it differs from the optical Element starting tapers to the opposite opening.
  • the opening diameters of both sides of the tubular attachment are preferably adapted to the beam dimensions of the light or laser beam, which is focused, for example, to a location at a distance of up to 50 mm in front of the opening of the tubular attachment in the measurement volume.
  • a similar effect can be achieved with a tubular attachment, which does not taper, but is closed on the opposite side of the optical element to a correspondingly small opening for the passage of the light or laser beam.
  • the proposed device and the associated method are suitable, for example, for the online analysis of dust particles in the drilling technique and the underground material extraction by means of shearer loaders, wherein the measuring device is preferably designed for the implementation of LIBS.
  • the measuring device is preferably designed for the implementation of LIBS.
  • This then includes, inter alia, a laser, arranged in front of the laser optics for focusing the laser beam to a location in front of the outlet opening of the tubular intent and a spectrometer as an analysis unit for determining the spectral lines emitted by the plasma and thus the elements contained in the medium.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the operation of the proposed device
  • FIG. 2 is an illustration of an embodiment of the device in cross section.
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of the mode of operation of the proposed device and of the associated method.
  • a dust-air mixture 2 flowing through a pipe 1 is to be measured in order to determine the material composition of the dust.
  • the dust-air mixture 2 is in this case sucked or blown through a pipe, not shown in the arrow direction through the tube 1.
  • the measurement is carried out with a laser beam 3, which is in the
  • Measuring volume is focused on a location 4.
  • an opening is provided in the side wall of the tube 1, through which the proposed device with the optical window 5 and the attached, in this case conical attachment 6 is partially inserted.
  • the laser beam 3 By focusing the laser beam 3, a plasma is generated at the measuring location 4, the emitted radiation in turn can pass through the cone-shaped intent 6 and the optical window 5 and can reach for analysis in a not shown spectrometer.
  • Figure 2 shows a possible embodiment of the proposed device in cross-section perpendicular to the flow of the dust-air mixture.
  • the tube 1 can be seen, through which the dust-air Gernisch flows.
  • the present device has a dividing wall 8, in which air inlet channels 9 are formed for the entry of ambient air into the conical attachment 6.
  • an optical window 5 is inserted in a corresponding opening. This can be done, as in the present example, via corresponding sealing rings 10 and a retaining ring 11, which is screwed onto the inside of the partition 8.
  • the cone-shaped attachment 6 may, for example, have an opening directed to the optical element 5 with a diameter of 25 to 30 mm and an opening facing away from it and of 1 to 3 mm facing away from the measurement volume.
  • the focus of the laser beam is in this example about 1 to 3 mm outside this Opening.
  • the length of the attachment 6 is in this example about 2 to 3 cm.
  • the tube 1 which may for example also be a flexible tube, is clamped in the device over a portion of its length in which the measurement is to take place.
  • a clamping device 13 is provided, which is connected via corresponding clamping means 12 with the partition wall 8, as can be seen from Figure 2. It goes without saying that the outer periphery of the conical attachment 6 is inserted in the opening of the tube 1, that a preferably dust-tight connection is ensured.

Abstract

The present invention relates to a device and to a method for connecting an optical measuring device to a measurement volume in which a medium (2) to be measured flows. The device comprises a partition (8) for separating the optical measuring device from the measurement volume and an optical element (5) for passing optical radiance that closes off an opening formed in the partition (8). A pipe-shaped protrusion (6) is mounted on one side of the partition (8) by means of the optical element (5) such that a light or laser beam (3) can pass from an opposite side of the partition (8), through the optical element (5) and the pipe-shaped protrusion (6), into the measurement volume. One or more air inlet openings (9) are formed in the pipe-shaped protrusion (6) and/or in a connecting element between the pipe-shaped protrusion (6) and the partition (8), by means of which the ambient air (7) from outside of the measurement volume can flow into the pipe-shaped protrusion (6). The device and the method allow measurement using an optical measuring device, in a simple and cost-effective manner, wherein contamination of the optical element by the medium to be measured is prevented.

Description

Einrichtung und Verfahren zur Anbindung einer optischen Messeinrichtunq an ein MessvolumenDevice and method for connecting an optical measuring device to a measuring volume
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ein- richtung sowie ein Verfahren zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium strömt, mit einer Trennwand zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung von dem Messvolumen, einem optischen Element für den Durchtritt optischer Strahlung, das eine in der Trennwand ausgebildete Öffnung verschließt, und einem rohrförmigen Vorsatz, der auf einer Seite der Trennwand derart vor dem optischen Element angeordnet ist, dass ein Laseroder Lichtstrahl von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand durch das optische Element und den Vorsatz in das Messvolumen gelangen kann.The present invention relates to a device and a method for connecting an optical measuring device to a measuring volume in which a medium to be measured flows, with a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume, an optical element for the passage of optical radiation, the closing an opening formed in the partition wall, and a tubular header disposed on one side of the partition wall in front of the optical element so that a laser or light beam can pass from an opposite side of the partition wall through the optical element and the header into the measuring volume.
Optische Messeinrichtungen werden in vielen technischen Bereichen eingesetzt, um beispielsweise die Materialzusammensetzung oder andere Eigenschaften eines Mediums in einem Messvolumen zu vermessen. Dies kann beispielsweise mit spektroskopischen Messtechniken erfolgen. Eine beispielhafte Anwendung befasst sich mit der Online-Analyse von Staubpartikeln in der Bohr- technik und der untertägigen Materialgewinnung mittels Walzenladern. Dabei werden Staubpartikel während des Bohr/Gewinnungsprozesses mit LIBS (Laser-induzierte Breakdown Spektroskopie) analysiert und der Gehalt der Elemente in einer angesaugten Staubprobe in Echtzeit bestimmt. Die Schnittstelle zwischen der optischen Messeinrichtung und dem zu analysierenden Medium sollte eine luft- und wasserdichte Trennung gewährleisten und gleichzeitig den optischen Durchtritt der Laser- und Plasmastrahlung erlauben. Zu diesem Zweck wird die optische Messeinrichtung über eine Trennwand mit einer darin angeordneten Quarzglasscheibe von dem Messvolumen abgetrennt .Optical measuring devices are used in many technical fields, for example to measure the material composition or other properties of a medium in a measuring volume. This can be done for example with spectroscopic measurement techniques. An exemplary application deals with the online analysis of dust particles in drilling technology and the underground material extraction by means of shearers. During the drilling / extraction process, dust particles are analyzed with LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) and the content of the elements in a sucked-in dust sample is determined in real time. The interface between the optical Measuring device and the medium to be analyzed should ensure an air- and water-tight separation and at the same time allow the optical passage of the laser and plasma radiation. For this purpose, the optical measuring device is separated from the measuring volume via a dividing wall with a quartz glass pane arranged therein.
Allerdings tritt bei der obigen Anwendung das Problem auf, dass sich die Quarzglasscheibe innerhalb kürzester Zeit durch das vorbeiströmende, zu analysierende Gas-Staub-Gemisch zusetzt und die Analyse verhindert. Eine ähnliche Problematik der Verschmutzung optischer Komponenten tritt bei zahlreichen anderen Einsatzgebieten von optischen Messeinrichtungen ebenfalls auf. Es ist daher erforderlich, geeignete Maßnahmen vorzusehen, um die Verschmutzung der optischen Komponenten während der Messung zu verhindern. Zu dem sollte gewährleistet werden, dass sich während der Messung kein Streupartikel zwischen dem Laserfokus und somit dem Messort und der optischen Komponente befindet.However, in the above application, the problem arises that the quartz glass pane is clogged within a short time by the passing gas-dust mixture to be analyzed and the analysis is prevented. A similar problem of contamination of optical components also occurs in many other applications of optical measuring devices. It is therefore necessary to provide appropriate measures to prevent contamination of the optical components during the measurement. It should also be ensured that there is no scattering particle between the laser focus and thus the measuring location and the optical component during the measurement.
Es sind zahlreiche Einrichtungen bekannt, die optische Komponenten durch den Einsatz von Inertgas, von speziellen Beschichtungen, mittels Flüssigkeiten oder durch Druckluft freihalten. Nachteile dieser bekannten Maßnahmen sind zusätzliche Kosten und ein höherer Aufwand durch den Einsatz von Inertgas oder Druckluft sowie ein mögliches Verkleben oder eineNumerous devices are known which keep optical components free by the use of inert gas, special coatings, liquids or compressed air. Disadvantages of these known measures are additional costs and a higher effort through the use of inert gas or compressed air and a possible sticking or a
Veränderung der optischen Eigenschaften beim Einsatz von Flüssigkeiten. Beschichtungen können leicht abgetragen werden, wirken nicht immer zuverlässig und können die optischen Eigenschaften des Materials der optischen Komponente beeinflussen.Change in optical properties when using liquids. Coatings can be easily removed, do not always work reliably and can affect the optical properties of the material of the optical component.
Die DE 26 50 123 Al beschreibt einen Vorsatz zur Verminderung der Verschmutzung eines Objektives zur Strahlfokussierung durch Materialdämpfe. Der Vorsatz ist rohrförmig ausgebildet, umschließt das Objektiv auf einer Seite und weist an einer dem Objektiv gegenüberliegenden Öffnung eine Innenwand mit einem zahnförmigen Profil auf. Bei diesem Vorsatz wird ausgenutzt, dass das beim Auftreffen eines Laserstrahls verdampfende Probenmaterial ein rasch expandierendes Mikroplasma ausbildet, von dem ein Teil in den Innenraum des Vorsatzes gelangt. Dadurch wird die im Innenraum befindliche Luft komprimiert und die Ausbreitung des Plasmas gehemmt. Durch die besondere Formgebung der Öffnung wird erreicht, dass es beim Eintritt des Mikroplasmas in den Vorsatz zu einer Wirbelbildung bei gleichzeitiger Plasmaabkühlung kommt, so dass nur noch ein kleiner Anteil des verdampften Materials auf das Objektiv gelangen kann. Ein derartiger Vorsatz eignet sich jedoch nicht zum Abhalten von Staubpartikeln bei der oben genannten beispielhaften Anwendung.DE 26 50 123 Al describes a intent to reduce the contamination of a lens for beam focusing by material vapors. The attachment is tubular, enclosing the lens on one side and has an inner wall with a tooth-shaped profile on an opening opposite the lens. In this intent, it is exploited that the sample material evaporating on impact of a laser beam forms a rapidly expanding microplasma, of which a part passes into the interior of the attachment. As a result, the air in the interior is compressed and inhibited the spread of the plasma. Due to the special shape of the opening is achieved that it comes at the onset of microplasma in the intent to vortex formation with simultaneous plasma cooling, so that only a small proportion of the evaporated material can reach the lens. However, such a header is not suitable for holding dust particles in the above-mentioned exemplary application.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit denen ohne zusätzlichen Aufwand auch das Absetzen von Staub- partikeln auf einem optischen Element der Einrichtung verhindert und die Strecke zwischen dem optischen Element und dem Ort der Messung bzw. der Analyse im wesentlichen frei von Staub gehalten werden kann. Darstellung der ErfindungThe object of the present invention is to provide a device for connecting an optical measuring device to a measuring volume and an associated method with which also prevents the deposition of dust particles on an optical element of the device without additional effort and the distance between the optical element and the location of the measurement or analysis can be kept substantially free of dust. Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Einrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the device and the method according to claims 1, 2 and 9. Advantageous embodiments of the device and the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.
Die vorgeschlagene Einrichtung weist eine Trennwand zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung von dem Messvolumen auf, in oder an der ein optisches Element für den Durchtritt optischer Strahlung durch die Trennwand angeordnet ist, das eine Öffnung in der Trennwand verschließt. Ein rohrförmiger Vorsatz ist derart auf einer Seite der Trennwand vor dem optischen Element angeordnet und ggf. mit dieser verbunden, dass ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz hindurch in das Messvolumen gelangen kann. Die Trennwand kann dabei beispielsweise ein geschlossenes Gehäuse für die Messeinrichtung bilden. Sie kann auch durch eine das Messvolumen zumindest teilweise umschließende Begrenzungswand, bspw. eine Kammer- oder Rohrwandung, gebildet sein. Bei dem optischen Element kann es sich um eine Scheibe, beispielsweise um eine Quarzglasscheibe, oder auch um ein für die Messung erforderliches Element, beispielsweise eine Linse zur Fokussierung eines Laserstrahls, handeln. Das optische Element kann hierbei in die Öffnung der Trennwand eingelassen oder über der Öffnung der Trennwand aufgebracht sein. Der rohrförmige Vorsatz ist eine Komponente mit beidseitigen Öffnungen, die in der vorliegenden Patentanmeldung unterschiedliche Querschnittsformen und Größen haben können. Der rohr- förmige Vorsatz kann einen kreisrunden Querschnitt wie ein herkömmliches Rohr oder auch andere Querschnittsformen, beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform, aufweisen. Insbesondere kann sich der rohrförmige Vorsatz im Querschnitt auch vom optischen Element ausgehend bis zur gegenüberliegenden Öffnung verjüngen. Das besondere Merkmal der vorgeschlagenen Einrichtung besteht darin, dass in dem rohrförmigen Vorsatz und/oder zwischen dem rohrförmigen Vorsatz und der Trennwand eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen ausgebildet sind, über die Umgebungsluft von außerhalb des Messvolumens in den rohrförmigen Vorsatz nachströmen kann.The proposed device has a partition wall for separating the optical measuring device from the measuring volume, in or on which an optical element for the passage of optical radiation is arranged through the dividing wall, which closes an opening in the dividing wall. A tubular attachment is arranged in such a way on one side of the partition in front of the optical element and possibly connected to this, that a light beam, in particular a laser beam, can pass from an opposite side of the partition through the optical element and the tubular attachment into the measuring volume , The partition can form, for example, a closed housing for the measuring device. It can also be formed by a boundary wall at least partially enclosing the measuring volume, for example a chamber or tube wall. The optical element can be a pane, for example a quartz glass pane, or else an element required for the measurement, for example a lens for focusing a laser beam. The optical element can in this case be introduced into the opening of the dividing wall or applied over the opening of the dividing wall. The tubular attachment is a Double-sided component, which in the present application may have different cross-sectional shapes and sizes. The tubular attachment may have a circular cross-section like a conventional tube or other cross-sectional shapes, for example a rectangular cross-sectional shape. In particular, the tubular attachment can also taper in cross section from the optical element to the opposite opening. The special feature of the proposed device is that in the tubular attachment and / or between the tubular attachment and the partition one or more air access openings are formed, can flow over the ambient air from outside the measuring volume in the tubular attachment.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die vorgeschlagene Einrichtung auch ohne Trennwand ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltung weist die Einrichtung lediglich ein optisches Element für den Durchtritt optischer Strahlung und einen rohrförmigen Vorsatz auf, der derart vor dem optischen Element angeordnet und ggf. mit diesem verbunden ist, dass ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz hindurch in das Messvolumen gelangen kann. Das optische Element kann hierbei ein offenes Ende des Vorsatzes verschließen, beispielsweise auf dieses Ende aufgeklebt oder an dieses Ende angeklemmt sein. Der rohrförmige Vorsatz sowie das optische Element können hierbei in gleicher Weise ausgebildet sein wie in der vorangehend erläuterten Ausgestaltung mit Trennwand. Auch hier besteht das besondere Merkmal der vorgeschlagenen Einrichtung darin, dass in dem rohrförmigen Vorsatz und/oder zwischen dem rohrförmigen Vorsatz und optischen Element eine oder mehrere Luftzugangs- Öffnungen ausgebildet sind, über die Umgebungsluft, ggf. gefiltert, von außerhalb des Messvolumens in den rohrförmigen Vorsatz nachströmen kann.In an alternative embodiment, the proposed device may be formed without a partition. In this embodiment, the device has only one optical element for the passage of optical radiation and a tubular attachment, which is arranged in front of the optical element and optionally connected to this, that a light beam, in particular a laser beam, through the optical element and the tubular intent can get into the measuring volume. The optical element can in this case close an open end of the attachment, for example, be glued to this end or clamped to this end. The tubular attachment and the optical element can in this case be designed in the same way as in the above-described embodiment with partition. Here too the special feature of the proposed device is that in the tubular attachment and / or between the tubular attachment and optical element one or more Luftzugangs- openings are formed, via the ambient air, if necessary, filtered from outside of the measuring volume in the tubular intent nachströmen can.
Für die optionale Filterung der Umgebungsluft können eine oder mehrere Filter an oder in den Luftzugangsöffnungen angeordnet sein.For the optional filtering of the ambient air, one or more filters may be arranged on or in the air access openings.
Unter der Umgebungsluft wird hierbei die Luft verstanden, die außerhalb des Messvolumens in der Umgebung des optischen Elementes vorhanden ist. Dies kann auch Reinluft sein, mit der die Umgebung des optischen Elementes, insbesondere im Bereich der Luftzugangsöffnungen, befüllt ist. Wesentlich hierbei ist lediglich, dass diese Luft alleine durch den im Vorsatz durch die Strömung des zu vermessenden Mediums hervorgerufenen Unterdruck in den Vorsatz gesaugt wird, so dass weder Druckluft noch andere Hilfsmittel zu diesem Zweck eingesetzt werden müssen.In this case, ambient air is understood as meaning the air which is present outside the measuring volume in the vicinity of the optical element. This can also be clean air, with which the environment of the optical element, in particular in the region of the air access openings, is filled. Essential here is only that this air is sucked alone by the intentional caused by the flow of the medium to be measured negative pressure in the intent, so that neither compressed air nor other aids must be used for this purpose.
Die vorgeschlagene Einrichtung wird an zu messenden Medien eingesetzt, die im Messvolumen an der Einrichtung vorbei strömen. Durch den rohrförmigen Vorsatz vor dem optischen Element wird zum einen erreicht, dass das Medium, beispielsweise eine Luft- Strömung mit Staubpartikeln, nicht oder nur in einem kleinen Bereich vor dem Vorsatz zwischen dem Ort der Messung und dem optischen Element hindurch strömen kann. Der Ort der Messung ist hierbei in der Regel der Fokus des durch das optische Element und den rohrförmigen Vorsatz in das Messvolumen gerichteten Licht- oder Laserstrahls, der vor der dem optischen Element gegenüberliegenden Öffnung des Vorsatzes liegt. Durch das an dieser Öffnung vorbeiströmende Medium wird zudem ein Unterdrück innerhalb des rohrförmigen Vorsatzes erzeugt, durch den Umgebungsluft über die eine oder mehreren LuftZugangsöffnungen angesaugt wird. Es entsteht damit eine vom optischen Element zur gegenüberliegenden Öffnung des rohrförmigen Vorsatzes gerichtete Luftströmung, die verhindert, dass Staubpartikel oder andere unerwünschte Materialien des zu vermessenden Mediums auf das optische Element gelangen. Es wird somit kein spezielles zusätzliches Medium, wie beispielsweise Druckluft, Inertgas oder eine Reinigungsflüssigkeit benötigt, um das optische Element von Verschmutzung freizuhalten. Umgebungsluft ist in nahezu allen Anwendungen vorhanden und wird durch die Ausgestaltung der Einrichtung während der Messung automatisch durch den entstehenden Unterdruck angesaugt. Dieser Unterdruck in Kombination mit der beschriebenen geometrischen Anordnung ermöglicht das Freihalten des optischen Elementes und des optischen Strahlenganges in einfacher und kostengünstiger Weise. Die optischen Eigenschaften werden dabei nicht verändert. Zudem wird der Wartungsaufwand durch den Verzicht auf zusätzliche Medien sehr gering gehalten.The proposed device is used to be measured media that flow past the device in the measurement volume. By the tubular attachment in front of the optical element, on the one hand, it is achieved that the medium, for example an air flow with dust particles, can not flow or only in a small area in front of the attachment between the location of the measurement and the optical element. The place of measurement is usually the Focus of the directed through the optical element and the tubular attachment in the measuring volume light or laser beam, which lies in front of the optical element opposite the opening of the intent. In addition, a negative pressure within the tubular attachment is generated by the medium flowing past this opening, through which ambient air is sucked in via the one or more air access openings. This results in a directed from the optical element to the opposite opening of the tubular attachment air flow, which prevents dust particles or other undesirable materials of the medium to be measured to reach the optical element. Thus, no special additional medium, such as compressed air, inert gas, or a cleaning fluid, is needed to keep the optical element free from contamination. Ambient air is present in almost all applications and is automatically sucked by the design of the device during the measurement by the resulting negative pressure. This negative pressure in combination with the described geometric arrangement allows the freeing of the optical element and the optical beam path in a simple and cost-effective manner. The optical properties are not changed. In addition, the maintenance effort is kept very low by not using additional media.
Bei dem Einsatz dieser Einrichtung muss zum einen sichergestellt werden, dass das zu vermessende Medium, beispielsweise ein Gas-Staub-Gemisch, an der dem optischen Element abgewandten Öffnung des rohrförmigen Vorsatzes vorbeiströmt, um den Unterdruck im Vorsatz zu erzeugen. Dies ist bei der in der Beschreibungseinleitung genannten Anwendung der Online-Analyse von Staubpartikeln in der Bohrtechnik in der Regel ohnehin der Fall, da das Gas-Staub-Gemisch dort über entsprechende Rohre oder Schläuche abgesaugt wird. In Fällen, in denen eine Strömung nicht von vorne herein vorliegt, wie beispielsweise bei der untertägigen Materialgewinnung, wird diese Strömung durch zusätzliche Mittel im Messvolumen erzeugt, beispielsweise durch eine Pumpe oder ein Gebläse.When using this device, on the one hand, it must be ensured that the medium to be measured, for example a gas-dust mixture, flows past the opening of the tubular attachment remote from the optical element in order to increase the negative pressure in the attachment produce. This is usually the case anyway in the application of the online analysis of dust particles in the drilling technique mentioned in the introduction, since the gas-dust mixture is extracted there via corresponding pipes or hoses. In cases in which a flow is not present from the outset, such as in the underground material extraction, this flow is generated by additional means in the measuring volume, for example by a pump or a fan.
Der rohrförmige Vorsatz kann hierbei auf die Außenseite der Trennwand aufgesetzt oder auch in die Trennwand integriert sein. In der Ausgestaltung ohne Trennwand kann das optische Element bspw. in das entsprechende offene Ende des Vorsatzes eingesetzt oder auf dieses Ende aufgebracht sein. Beim Einsatz der Einrichtung an einem durch eine Kammer oder ein Rohr strömenden Medium kann der rohrförmige Vorsatz mit seiner vom optischen Element abgewandten Öffnung durch eine Öffnung in der Wandung des Rohrs oder der Kammer eingeführt werden. Der rohrförmige Vorsatz wird dabei über seinen Umfang vorzugsweise staub- oder luftdicht mit der Kammer- oder Rohrwandung verbunden, wobei die Luftzugangsöffnungen außerhalb der Kammer oder desThe tubular attachment can be placed on the outside of the partition or integrated into the partition. In the embodiment without a partition wall, the optical element can, for example, be inserted into the corresponding open end of the attachment or applied to this end. When using the device on a medium flowing through a chamber or a pipe medium, the tubular attachment can be introduced with its opening facing away from the optical element through an opening in the wall of the tube or the chamber. The tubular attachment is preferably connected over its circumference dust or airtight with the chamber or tube wall, wherein the air access openings outside the chamber or the
Rohres liegen. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Kammer oder einen Rohrabschnitt als Teil der vorliegenden Einrichtung vorzusehen, der das Messvolumen festlegt. Das zu vermessende Medium wird dann in diese Kammer bzw. diesen Rohrabschnitt eingeleitet.Tube lie. Of course, it is also possible to provide a chamber or a pipe section as part of the present device, which determines the measurement volume. The medium to be measured is then introduced into this chamber or pipe section.
Der rohrförmige Vorsatz ist vorzugsweise konusförmig ausgebildet, wobei er sich vom optischen Element ausgehend zur gegenüberliegenden Öffnung verjüngt. Die Öffnungsdurchmesser beider Seiten des rohrförmigen Vorsatzes sind vorzugsweise an die Strahldimensionen des Licht- oder Laserstrahls angepasst, der bspw. auf eine Stelle im Abstand von bis zu 50 mm vor der Öffnung des rohrförmigen Vorsatzes in das Messvolumen fokussiert wird. Eine ähnliche Wirkung lässt sich auch mit einem rohrförmigen Vorsatz erreichen, der sich nicht verjüngt, jedoch an der dem optischen Element gegenüberliegenden Seite bis auf eine entsprechend kleine Öffnung für den Durchtritt des Licht- oder Laserstrahls geschlossen ist.The tubular attachment is preferably formed cone-shaped, whereby it differs from the optical Element starting tapers to the opposite opening. The opening diameters of both sides of the tubular attachment are preferably adapted to the beam dimensions of the light or laser beam, which is focused, for example, to a location at a distance of up to 50 mm in front of the opening of the tubular attachment in the measurement volume. A similar effect can be achieved with a tubular attachment, which does not taper, but is closed on the opposite side of the optical element to a correspondingly small opening for the passage of the light or laser beam.
Die vorgeschlagene Einrichtung sowie das zugehörige Verfahren eignen sich beispielsweise für die Online-Analyse von Staubpartikeln in der Bohrtechnik und der untertägigen Materialgewinnung mittels Walzenladern, wobei die Messeinrichtung vorzugsweise für die Durchführung von LIBS ausgebildet ist. Diese umfasst dann unter anderem einen Laser, eine vor dem Laser angeordnete Optik zur Fokussierung des Laserstrahls auf einen Ort vor der Austrittsöffnung des rohrförmigen Vorsatzes und ein Spektrometer als Analyseeinheit zur Bestimmung der vom Plasma emittierten Spektrallinien und damit der im Medium enthaltenen Elemente.The proposed device and the associated method are suitable, for example, for the online analysis of dust particles in the drilling technique and the underground material extraction by means of shearer loaders, wherein the measuring device is preferably designed for the implementation of LIBS. This then includes, inter alia, a laser, arranged in front of the laser optics for focusing the laser beam to a location in front of the outlet opening of the tubular intent and a spectrometer as an analysis unit for determining the spectral lines emitted by the plasma and thus the elements contained in the medium.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorgeschlagene Einrichtung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung; und Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung im Querschnitt.The proposed device and the associated method will be briefly explained again with reference to an embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show: Fig. 1 is a schematic representation of the operation of the proposed device; and FIG. 2 is an illustration of an embodiment of the device in cross section.
Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt stark schematisiert die Funktionsweise der vorgeschlagenen Einrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens. In diesem Beispiel soll ein durch ein Rohr 1 strömendes Staub-Luft-Gemisch 2 vermessen werden, um die Materialzusammensetzung des Staubs zu ermitteln. Das Staub-Luft-Gemisch 2 wird hierbei über eine nicht dargestellte Pumpe in Pfeilrichtung durch das Rohr 1 gesaugt oder geblasen. Die Messung erfolgt mit einem Laserstrahl 3, der in dasFIG. 1 shows a highly schematic representation of the mode of operation of the proposed device and of the associated method. In this example, a dust-air mixture 2 flowing through a pipe 1 is to be measured in order to determine the material composition of the dust. The dust-air mixture 2 is in this case sucked or blown through a pipe, not shown in the arrow direction through the tube 1. The measurement is carried out with a laser beam 3, which is in the
Messvolumen auf einen Ort 4 fokussiert wird. Hierzu ist in der Seitenwand des Rohrs 1 eine Öffnung vorgesehen, durch die die vorgeschlagene Einrichtung mit dem optischen Fenster 5 und dem aufgesetzten, in diesem Falle konusförmigen Vorsatz 6 zum Teil eingeführt wird. Durch die Fokussierung des Laserstrahls 3 wird am Messort 4 ein Plasma erzeugt, dessen emittierte Strahlung wiederum durch den konusförmigen Vorsatz 6 und das optische Fenster 5 hindurch treten und zur Analyse in ein nicht dargestelltes Spektrometer gelangen kann.Measuring volume is focused on a location 4. For this purpose, an opening is provided in the side wall of the tube 1, through which the proposed device with the optical window 5 and the attached, in this case conical attachment 6 is partially inserted. By focusing the laser beam 3, a plasma is generated at the measuring location 4, the emitted radiation in turn can pass through the cone-shaped intent 6 and the optical window 5 and can reach for analysis in a not shown spectrometer.
Durch die Strömung des Staub-Luft-Gemisches 2 an dem dem optischen Fenster 5 gegenüberliegenden Ende des konusförmigen Vorsatzes 6 wird innerhalb des konusförmigen Vorsatzes 6 ein Unterdruck erzeugt, über den Umgebungsluft 7 aus der Umgebung außerhalb des Rohres 1 angesaugt wird. Dadurch ergibt sich innerhalb des konusförmigen Vorsatzes 6 ein vom optischen Fenster 5 zur Austrittsöffnung des konusförmigen Vorsatzes 6 gerichteter Luftstrom, wie dies durch die Pfeile in dem konusförmigen Vorsatz 6 in der Figur 1 angedeutet ist. Dieser Luftstrom verhindert das Eintreten von Staub in den konusförmigen Vorsatz, so dass das optische Fenster 5 nicht durch Staub zugesetzt wird. Gleichzeitig sorgt der konusförmige Vorsatz 6 dafür, dass zwischen dem Messort 4 und dem optischen Fenster 5 kein störendes Staub-Luft-Gemisch auftritt, das die Laserstrahlung sowie die zu detektierende Plasmastrahlung schwächen würde .Due to the flow of the dust-air mixture 2 at the opposite end of the optical window 5 of the cone-shaped attachment 6, a negative pressure is generated within the cone-shaped intent 6, is sucked through the ambient air 7 from the outside of the tube 1. This results within the cone-shaped attachment 6 a directed from the optical window 5 to the outlet opening of the conical attachment 6 air flow, as indicated by the arrows in the cone-shaped attachment 6 in Figure 1. This air flow prevents the entry of dust into the cone-shaped attachment, so that the optical window 5 is not added by dust. At the same time, the conical attachment 6 ensures that no disturbing dust-air mixture occurs between the measuring location 4 and the optical window 5, which would weaken the laser radiation and the plasma radiation to be detected.
Figur 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung im Querschnitt senkrecht zur Strömung des Staub-Luft-Gemisches . In der Figur ist das Rohr 1 zu erkennen, durch das das Staub-Luft- Gernisch strömt. Die vorliegende Einrichtung weist in diesem Fall eine Trennwand 8 auf, in der Lufteintritts- kanäle 9 für den Eintritt von Umgebungsluft in den konusförmigen Vorsatz 6 ausgebildet sind. In der Trennwand 8 ist in einer entsprechenden Öffnung ein optisches Fenster 5 eingesetzt. Dies kann, wie im vorliegenden Beispiel, über entsprechende Dichtungs- ringe 10 und einen Halterungsring 11 erfolgen, der auf der Innenseite auf die Trennwand 8 aufgeschraubt wird. Der konusförmige Vorsatz 6 kann beispielsweise eine zum optischen Element 5 gerichtete Öffnung mit einem Durchmesser von 25 bis 30 mm sowie eine davon abgewandte, zum Messvolumen gerichtete Öffnung von 1 bis 3 mm aufweisen. Der Fokus des Laserstrahls liegt in diesem Beispiel etwa 1 bis 3 mm außerhalb dieser Öffnung. Die Länge des Vorsatzes 6 beträgt in diesem Beispiel etwa 2 bis 3 cm.Figure 2 shows a possible embodiment of the proposed device in cross-section perpendicular to the flow of the dust-air mixture. In the figure, the tube 1 can be seen, through which the dust-air Gernisch flows. In this case, the present device has a dividing wall 8, in which air inlet channels 9 are formed for the entry of ambient air into the conical attachment 6. In the partition 8, an optical window 5 is inserted in a corresponding opening. This can be done, as in the present example, via corresponding sealing rings 10 and a retaining ring 11, which is screwed onto the inside of the partition 8. The cone-shaped attachment 6 may, for example, have an opening directed to the optical element 5 with a diameter of 25 to 30 mm and an opening facing away from it and of 1 to 3 mm facing away from the measurement volume. The focus of the laser beam is in this example about 1 to 3 mm outside this Opening. The length of the attachment 6 is in this example about 2 to 3 cm.
Im vorliegenden Beispiel ist das Rohr 1, das beispielsweise auch ein flexibler Schlauch sein kann, über einen Abschnitt seiner Länge, in dem die Messung stattfinden soll, in die Einrichtung eingespannt. Hierzu ist eine Klemmeinrichtung 13 vorgesehen, die über entsprechende Spannmittel 12 mit der Trennwand 8 verbunden ist, wie dies aus Figur 2 ersichtlich ist. Es versteht sich von selbst, dass der äußere Umfang des konusförmigen Vorsatzes 6 so in der Öffnung des Rohrs 1 eingesetzt ist, dass eine vorzugsweise staubdichte Verbindung gewährleistet ist. In the present example, the tube 1, which may for example also be a flexible tube, is clamped in the device over a portion of its length in which the measurement is to take place. For this purpose, a clamping device 13 is provided, which is connected via corresponding clamping means 12 with the partition wall 8, as can be seen from Figure 2. It goes without saying that the outer periphery of the conical attachment 6 is inserted in the opening of the tube 1, that a preferably dust-tight connection is ensured.
Bezugs zeichenlisteReference sign list
1 Rohr1 tube
2 Staub-Luft-Gemisch bzw. Staub-Gas-Gemisch2 dust-air mixture or dust-gas mixture
3 Laserstrahl bzw. Lichtstrahl3 laser beam or light beam
4 Messort4 measuring location
5 optisches Fenster5 optical window
6 konusförmiger Vorsatz6 conical attachment
7 Umgebungsluft7 ambient air
8 Trennwand8 partition
9 LuftZuführungskanäle9 air supply channels
10 Dichtungsringe10 sealing rings
11 Halterungsring11 retaining ring
12 Spannmittel12 clamping devices
13 Klemmeinrichtung 13 clamping device

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium (2) strömt, mit - einer Trennwand (8) zur Abtrennung der optischen Messeinrichtung von dem Messvolumen,1. Device for connecting an optical measuring device to a measuring volume, in which a medium to be measured (2) flows, with - a partition wall (8) for separating the optical measuring device from the measuring volume,
- einem optischen Element (5) für den Durchtritt optischer Strahlung, das eine in der Trennwand (8) ausgebildete Öffnung verschließt, und - einem rohrförmigen Vorsatz (6), der auf einer Seite der Trennwand (8) derart vor dem optischen Element (5) angeordnet ist, dass ein Laser- oder Lichtstrahl (3) von einer gegenüberliegenden Seite der Trennwand (8) durch das optische Element (5) und den Vorsatz (6) in das Messvolumen gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorsatz (6) und/oder zwischen dem Vorsatz (6) und der Trennwand (8) eine oder mehrere Luftzugangsöffnungen (9) ausgebildet sind, über die Umgebungsluft (7) von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmen kann.- an optical element (5) for the passage of optical radiation, which closes an opening formed in the partition wall (8), and - a tubular attachment (6) which on one side of the partition (8) in front of the optical element (5 ) is arranged so that a laser or light beam (3) from an opposite side of the partition wall (8) through the optical element (5) and the attachment (6) can get into the measuring volume, characterized in that in the attachment (6 ) and / or between the intent (6) and the partition wall (8) one or more air inlet openings (9) are formed, can flow over the ambient air (7) from outside the measuring volume in the attachment (6).
2. Einrichtung zur Anbindung einer optischen Messeinrichtung an ein Messvolumen, in dem ein zu messendes Medium (2) strömt, mit2. Device for connecting an optical measuring device to a measuring volume in which a medium to be measured (2) flows with
- einem optischen Element (5) für den Durchtritt optischer Strahlung und- An optical element (5) for the passage of optical radiation and
- einem rohrförmigen Vorsatz (6) , der derart vor dem optischen Element (5) angeordnet ist, dass ein Laser- oder Lichtstrahl (3) durch das optische Element (5) und den Vorsatz (6) in das Messvolumen gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorsatz (6) und/oder zwischen dem Vorsatz (6) und dem optischen Element (5) eine oder mehrere LuftZugangsöffnungen (9) ausgebildet sind, über die Umgebungsluft (7) von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmen kann.- A tubular attachment (6), which is arranged in front of the optical element (5) that a Laser or light beam (3) can pass through the optical element (5) and the attachment (6) in the measuring volume, characterized in that in the attachment (6) and / or between the attachment (6) and the optical element ( 5) one or more air access openings (9) are formed, via which ambient air (7) can flow from outside the measuring volume into the attachment (6).
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein offenes Ende des rohrförmigen Vorsatzes (6) verschließt.3. Device according to claim 2, characterized in that the optical element closes an open end of the tubular attachment (6).
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorsatz (6) von dem optischen Element (8) ausgehend konusförmig verjüngt.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the attachment (6) of the optical element (8) tapers conically.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (5) ein Fenster ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optical element (5) is a window.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der einen oder den mehreren Luftzugangsöffnungen (9) ein Filter zur Filterung der Umgebungsluft angeordnet ist, die von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmt. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that on or in the one or more air inlet openings (9), a filter for filtering the ambient air is arranged, which flows from outside the measuring volume in the header (6).
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strömung des Mediums am Messvolumen oder an oder in einer Zu- oder Ableitung für das Messvolumen angeordnet ist .7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a device for generating a flow of the medium at the measuring volume or on or in an inlet or outlet for the measuring volume is arranged.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatz (6) durch eine Öffnung in einer das Messvolumen zumindest teilweise umschließenden Begrenzungswand ragt und mit dieser vorzugsweise staub- oder luftdicht verbunden ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the attachment (6) protrudes through an opening in the measuring volume at least partially enclosing boundary wall and is preferably connected to this dust or airtight.
9. Verfahren zur Anbindung einer optischen9. Method for connecting an optical
Messeinrichtung an ein Messvolumen mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Vorsatz (6) derart durch eine Öffnung in einer das Messvolumen zumindest teilweise umschließenden Begrenzungswand eingeführt und mit dieser vorzugsweise staub- oder luftdicht verbunden wird, dass über die Luftzugangsöffnung (en) (9) noch Umgebungsluft (7) von außerhalb des Messvolumens in den Vorsatz (6) nachströmen kann.Measuring device to a measuring volume with a device according to one of claims 1 to 6, wherein the attachment (6) is inserted through an opening in the measuring volume at least partially enclosing boundary wall and preferably connected to this dust or airtight, that over the air access opening (s) (9) still ambient air (7) from outside the measuring volume in the header (6) can flow.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Strömung des zu messenden Mediums (2) erzeugt wird, die einen Unterdrück in dem Vorsatz (6) hervorruft. 10. The method of claim 9, wherein a flow of the medium to be measured (2) is generated, which causes a suppression in the attachment (6).
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