WO2016079095A1 - Apparatus and method for carrying out fibre-optic measurements in moving liquids - Google Patents

Apparatus and method for carrying out fibre-optic measurements in moving liquids Download PDF

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WO2016079095A1
WO2016079095A1 PCT/EP2015/076782 EP2015076782W WO2016079095A1 WO 2016079095 A1 WO2016079095 A1 WO 2016079095A1 EP 2015076782 W EP2015076782 W EP 2015076782W WO 2016079095 A1 WO2016079095 A1 WO 2016079095A1
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measuring
optical
liquid
probe
sample volume
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PCT/EP2015/076782
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Christoph Janzen
Reinhard Noll
Martinus De Kanter
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N21/8507Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample

Definitions

  • the present invention relates to a
  • DLS Dynamic Light Scattering
  • This method is based on an investigation of the diffusion motion of the particles. Thus, small particles show a faster movement than large particles in the liquid.
  • the measuring light scattered on the particles is detected time-resolved and examined with the mathematical method of autocorrelation in order to deduce the size of the detected particles.
  • this measurement method as a fiber-based backscatter method with small penetration depths (FOQELS technique: Fiber Optic Quasi-Elastic Light Scattering)
  • FOQELS technique Fiber Optic Quasi-Elastic Light Scattering
  • the prerequisite for the use of the DLS method is that the liquid sample is at rest and there is an undisturbed diffusion movement. Since in actively mixed liquids the diffusion movement is usually turbulent
  • the DLS method is not suitable for use in liquids in which macroscopic convection currents - triggered by pressure and pressure
  • Liquids represent the static and dynamic
  • DE 3719806 AI a fiber optic sensor for measuring according to the principle of quasi-elastic backscattering. As stated above, these methods require a quiescent fluid to take measurements.
  • a moving liquid A moving liquid
  • Influence of multiple scattering can be reduced, so that also liquids with higher particle concentrations can be measured.
  • a cuvette with a particle-containing liquid ⁇ keitsprobe is immersed in a vessel with an index-matching liquid. From outside the vessel
  • WO 2014/144868 AI shows an optical
  • Flow cell for flow cytometry which simultaneously detects Coulter parameters (volume and / or electrical conductivity) and optical properties while pumping a sample to be tested through the flow cell.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for
  • Liquids with convection currents are suitable.
  • the task is with the device and the
  • the proposed device has a
  • Sample volume is formed, which has at least one opening for an exchange of a liquid sample with the surrounding or surrounding liquid.
  • a movable mechanical element is placed, mechanically completed by the at least a portion ⁇ volume of the sample volume can be used to form a closed measuring chamber.
  • Elementes also several closed measuring chambers can be formed in the sample volume.
  • the probe body has in this case at the one or more measuring chambers
  • At least one optical measuring window for input and output
  • Measuring chamber on In a preferred embodiment that is
  • the rotation element is in this case rotatable about the cylinder axis of the cylindrical sample volume and can be set in rotation by a drive provided for this purpose.
  • the partial volumes of the sample volume which are separated from one another by the rotary element one or more are completely closed in at least one rotary position of the rotary element and thereby form the closed measuring chamber (s).
  • a rotary member as a mechanical element. It can also come other mechanical elements are used in place of the rotary ⁇ element but, for example, a mechanical element like a drawer, which is the measuring chamber for the formation of (n) is pushed with a suitable drive in the sample volume.
  • the probe of the proposed device is immersed in the moving liquid to be measured to perform the fiber optic measurements.
  • the enclosed liquid sample comes to rest after a short time and can be measured via a fiber-optic coupling through the measuring window (s). Subsequently, the Rotationsele ⁇ ment is returned to rotation, so that the liquid ⁇ keitsprobe is exchanged in the one or more measuring chambers through the opening of the sample volume. Subsequently, a new measurement can begin with fresh sample material.
  • the proposed device thus provides in moving liquids one or more temporarily closed or encapsulated by the environment
  • Measurements such as dynamic light scattering (DLS) can be performed.
  • the liquid ⁇ keitsprobe is not removed from the respective process vessel, such as a fermenter, a reaction vessel or the like. Rather, it is isolated by the probe only for a short period of time from the moving medium. This is not an at-line or offline technique, but an in-line technique.
  • the sample in the closed partial volume or the closed measuring chamber can be measured at freely set time intervals and quickly and be exchanged efficiently with the external fluid.
  • the replacement of the liquid sample can be carried out at variably adjustable time intervals with the outer, moving liquid.
  • Liquid is complete and free of dead ⁇ volumes so that the liquid in the encapsulated measuring volume always corresponds to the composition of the liquid in the surrounding active mixed liquid volume. Particle accumulation in the sample volume is thus also prevented.
  • Measurements can be performed with dynamic light scattering.
  • An exemplary application of the device is to measure particle size using a 180 ° backscatter DLS probe within a chemical reactor during the synthesis of microgels.
  • Measurements are made without mutual interference in the individual measuring chambers.
  • the area encapsulated by the moving liquid ie the individual measuring chamber, preferably has only a volume of between 100 and 1000 ⁇ . At such small volumes, the convective motion of the fluid quickly fades and the fluid settles, causing diffusion to occur shortly after Standstill of the rotating element can be measured trouble-free.
  • junction or the fiber terminal and the associated optical measurement windows are preferably suitable optical elements on or in the probe body ⁇ arranged, through which the fiber from the light emerging from ⁇ colli- mized by the measuring window passes or is focused. That in the measurement
  • This drive can be connected via an axis directly to the rotation element.
  • the supply lines for power supply and control of the drive are guided together with the optical fibers from the liquid to be measured.
  • other drive mechanisms are possible with which such a rotation element can be set in rotation and also stopped again.
  • the probe of the proposed device in the submerged measuring liquid.
  • the rotation ⁇ element is set in motion in order to convey a liquid ⁇ keitsprobe in the measuring chamber (s).
  • Rotation element is set in motion again, so that the liquid is exchanged. Subsequently, a new measurement is carried out with the volume of liquid newly introduced into the measuring chambers. This procedure can be repeated as often as you like.
  • the measurement can be done directly in each liquid to be measured. A removal of a sample from the liquid is not required.
  • the method and the device thus enable the in-situ or in-line measurement of the particle size using fiber-optic measurement techniques, in particular by means of DLS. This is e.g. given the opportunity to determine particle sizes within a chemical reactor with the aid of a 180 ° backscatter DLS measurement. Further processing is not required and the reaction processes and particle formation can be followed directly. Also a measurement in channels or pipes is possible. Of course that is
  • Method and apparatus are not limited to such an application, but can be used in all technical fields in which fiber optic Measurements in moving liquids should be carried out.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary embodiment of the proposed ⁇
  • the proposed invention is based, with a rotating element, in the present example an impeller which is rotatable in a cylindrical sample volume of a probe with, for example, cylindrical probe body, temporarily to form one or more of the environment delimited measuring chambers.
  • a rotating element in the present example an impeller which is rotatable in a cylindrical sample volume of a probe with, for example, cylindrical probe body, temporarily to form one or more of the environment delimited measuring chambers.
  • an impeller which is rotatable in a cylindrical sample volume of a probe with, for example, cylindrical probe body, temporarily to form one or more of the environment delimited measuring chambers.
  • In the outer wall of the probe body is located
  • the probe is immersed in the turbulent by ⁇ mixed liquid to be analyzed.
  • ⁇ mixed liquid By rotation of the vane ⁇ wheel replacement of the liquid takes place inside the probe with the outer volume.
  • the impeller is stationary, the liquid is inside the probe, ie in the
  • an impeller with three or more blades can also produce several closed measuring chambers
  • different optical analysis methods for example a scattered light measurement for analysis of particle sizes and a Raman measurement for the analysis of chemical compositions, can be combined in the probe. Since the individual measuring chambers light-tight by the impeller preferably separated from one another, the various optical measuring operations can be performed simultaneously without mutual interference by ⁇ .
  • Wiper lip are provided, which causes a mechanical cleaning of the window or the windows during rotation. Alternatively or additionally, over
  • At least one piezoelectric element and an ultrasonic ⁇ vibration are transmitted to the probe body to support the cleaning.
  • Figure 1 shows an example of a possible
  • the device is designed as a measuring probe 1 with a cylindrical probe body and intended to be immersed in a container, for example a reactor 2, with liquid 3 in which the measurements are to take place.
  • the cylindrical probe body of the measuring probe 1 has a cylindrical cavity as the sample volume 1a, in which a multi-winged rotor 6 is rotatably mounted.
  • the liquid to be measured passes into the sample volume 1 a, which is subdivided by the wings of the multi-bladed rotor 6 into a plurality of sub-volumes.
  • the illustrated position in Figure 1 of the rotor 6 with three wings two closed inside ⁇ lying measuring chambers 5 are formed.
  • the liquid within the chambers can be exchanged by rotation of the rotor 6 with the outer liquid 3.
  • the rotor blades delimit the chambers 5 to the outside.
  • an optical measuring window 7 is formed, through which a fiber-optic measurement can take place.
  • the rotor 6 is driven by a motor, preferably a stepping motor, and kept in a defined position for a measurement.
  • a motor preferably a stepping motor
  • Each of these measuring chambers 5 can be assigned an optical measuring system. In the various chambers 5 can be at light-tight
  • supply channels 10, 11 are provided in the probe for carrying out the optical measurements, either in the case of the feed channel 10, an axis of rotation for the rotor 6 connected to a motor or, in the case of FIG Feed channels 11, the optical waveguides 12 and
  • An optical measuring system each consists of a radiation source 15, a detector 14 and possibly a beam splitter 13.
  • a narrow-band laser radiation source or a broadband light source can be used.
  • the detector 14 may, depending on the application as
  • Components of the measuring system are connected with optical fibers 12 with the optics 8, 9 within the measuring probe 1, in which then the measurements within the
  • Measuring chambers 5 take place.
  • the beam splitter 13 can be omitted when using fiber bundles instead of simple fibers or optical waveguides 12, since then one or more fibers can only be used for the return of the backscattered light and the other fibers only for the supply of measuring light radiation.
  • a measurement with the device described is preferably divided into the following steps:
  • reaction changing surrounding liquid can be obtained.
  • a reaction sequence can be tracked and influenced by rules known per se.
  • the apparatus and method thus provide in moving one or more fluids completed measuring chambers or compartments as measured ⁇ volumes for optical measuring systems are available in which decay convection of liquid to be measured and come to rest. You offer it the possibility of optical measuring systems at a location at which the probe is positioned to apply under the same conditions and Bedin ⁇ perform simultaneous measurements with different measuring methods.
  • the measuring systems can without time delay, as for example by a conventionally required sampling and measurement after a sample preparation in a
  • the particle size can be measured in an actively mixed liquid.

Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for carrying out fibre-optic measurements in moving liquids. The apparatus has a measuring probe (1) having a probe body in which a sample volume (1a) is formed, which sample volume has at least one opening (4) for exchanging a liquid sample. A movable mechanical element is arranged on or in the sample volume (1a) and can be used to mechanically close at least one partial volume of the sample volume (1a) in order to form a closed measuring chamber (5). An optical measuring window (7) for coupling optical radiation into and out of the measuring chamber (5) is formed on this closed measuring chamber (5). The probe (1) can be used directly in the liquid (3) to be measured, wherein the mechanical element can be used to form a measuring chamber (5) isolated from the environment and liquid can also be exchanged. The method and the apparatus enable an in-line measurement of particle sizes in moving liquids, for example.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung  Apparatus and method for carrying out
faseroptischer Messungen in bewegten Flüssigkeiten  fiber optic measurements in moving liquids
Technisches Anwendungsgebiet Technical application
Die vorliegende Erfindung betrifft eine  The present invention relates to a
Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung Device and a method for carrying out
faseroptischer Messungen in bewegten Flüssigkeiten, insbesondere zur Messung von Partikelgrößen in den Flüssigkeiten. Die Messung von Partikelgrößen in Flüssigkeiten ist in vielen technischen Prozessen von großer fiber optic measurements in moving liquids, in particular for measuring particle sizes in the liquids. The measurement of particle sizes in liquids is of great importance in many technical processes
Bedeutung. Solche Prozesse finden sich in verschiedenen industriellen Zweigen, wie z.B. bei der Herstellung von Kunststoffen (Polymerisationen, Mikrogel-Herstellung, o.a.), in der Lebensmittel-, Kosmetik-, Farbindustrie oder der Bioanalytik. Importance. Such processes are found in various industrial branches, e.g. in the production of plastics (polymerizations, microgel production, etc.), in the food, cosmetics, paint industry or bioanalytics.
Als ein Standardverfahren zur Bestimmung der As a standard method for determining the
Partikelgröße in Flüssigkeiten hat sich unter anderem die dynamische Lichtstreuung etabliert (DLS: Dynamic Light Scattering) . Dieses Verfahren basiert auf einer Untersuchung der Diffusionsbewegung der Partikel. So zeigen kleine Partikel eine schnellere Bewegung als große Partikel in der Flüssigkeit. Das an den Partikeln gestreute Messlicht wird zeitaufgelöst detektiert und mit dem mathematischen Verfahren der Autokorrelation untersucht, um daraus die Größe der erfassten Partikel abzuleiten. Bei einer Ausgestaltung dieses Messverfahrens als faserbasiertes Rückstreuverfahren mit kleinen Eindringtiefen (FOQELS-Technik : Fibre Optic Quasi-Elastic Light Scattering) wird es möglich, auch in Flüssigkeiten mit einem Feststoffanteil von bis zu 40 Massenprozent Messungen durchzuführen. Voraussetzung für den Einsatz des DLS-Verfahrens ist jedoch, dass sich die Flüssigkeitsprobe in Ruhe befindet und eine ungestörte Diffusionsbewegung vorliegt. Da in aktiv durchmischten Flüssigkeiten der Diffusionsbewegung eine in der Regel turbulente Particle size in liquids has established, among other things, the dynamic light scattering (DLS: Dynamic Light Scattering). This method is based on an investigation of the diffusion motion of the particles. Thus, small particles show a faster movement than large particles in the liquid. The measuring light scattered on the particles is detected time-resolved and examined with the mathematical method of autocorrelation in order to deduce the size of the detected particles. In one embodiment of this measurement method as a fiber-based backscatter method with small penetration depths (FOQELS technique: Fiber Optic Quasi-Elastic Light Scattering), it is also possible to carry out measurements in liquids with a solids content of up to 40 percent by mass. However, the prerequisite for the use of the DLS method is that the liquid sample is at rest and there is an undisturbed diffusion movement. Since in actively mixed liquids the diffusion movement is usually turbulent
Konvektionsbewegung überlagert ist, kann hier keine ungestörte, ausschließlich von der Partikelgröße abhängige Diffusionsbewegung mehr gemessen werden. Daher eignet sich das DLS-Verfahren nicht für den Einsatz in Flüssigkeiten, in denen makroskopische Konvektionsströmungen - ausgelöst durch Druck- undConvective movement is superimposed, no undisturbed, exclusively dependent on the particle size diffusion movement can be measured here. Therefore, the DLS method is not suitable for use in liquids in which macroscopic convection currents - triggered by pressure and pressure
Temperaturgradienten oder Rührmechanismen - vorliegen. In diesem Fall müssen bislang Proben zur Prozess- und Qualitätskontrolle aus dem laufenden Prozess gezogen und offline analysiert werden. Temperature gradients or stirring mechanisms - present. In this case, so far samples for process and quality control have to be taken out of the running process and analyzed offline.
Stand der Technik State of the art
Aktuell werden zur Messung von Partikelgrößen verschiedene optische Methoden eingesetzt. Etablierte Messmethoden zur Partikelgrößenbestimmung in  Currently, various optical methods are used to measure particle sizes. Established measuring methods for particle size determination in
Flüssigkeiten stellen die statische und dynamischeLiquids represent the static and dynamic
Lichtstreuung dar. Typischerweise werden Flüssigkeits¬ proben dabei in einer Küvette mit einem Laserstrahl beleuchtet und das an den Partikeln gestreute Licht wird zeit- oder winkelaufgelöst untersucht. Die Proben dürfen nur eine geringe Konzentration an Partikeln aufweisen, da es sonst zu Mehrfachstreuungen und damit zu verfälschten Messergebnissen kommen kann. Neuartige faserbasierte Methoden der dynamischen Lichtstreuung nutzen das in 160° oder 180° rückgestreute Licht, um die Partikelgröße zu bestimmen. Dabei können Partikelgrößen in Konzentrationsbereichen bis 40 Massenprozent ermittelt werden. So zeigt Light scattering. Typically, liquid samples are illuminated in a cuvette with a laser beam and the light scattered on the particles is examined with time or angle resolution. The samples may only have a low concentration of particles, otherwise multiple scattering and thus falsified measurement results may occur. Novel fiber-based methods of dynamic light scattering use the light backscattered in 160 ° or 180 ° to determine the particle size. Particle sizes in concentration ranges up to 40 percent by mass can be determined. So shows
beispielsweise die DE 3719806 AI einen faseroptischen Sensor zur Messung nach dem Prinzip der quasielastischen Rückstreuung. Wie bereits oben ausgeführt, erfordern diese Methoden eine ruhende Flüssigkeit, um Messungen vorzunehmen. Eine bewegte Flüssigkeit For example, DE 3719806 AI a fiber optic sensor for measuring according to the principle of quasi-elastic backscattering. As stated above, these methods require a quiescent fluid to take measurements. A moving liquid
überlagert der Eigenbewegung der Partikel (Diffusion) eine äußere Strömungsbewegung (Konvektion) , so dass fehlerbehaftete Partikelgrößen bestimmt würden. Weitere Methoden, wie die Lichtdiffraktometrie, nutzen die Beugung an Partikeln, um deren Größe mittels Fraunhofer Beugung und Mie Theorie zu bestimmen. Diese Methode ist ein Durchlichtverfahren und damit nur für verdünnte Proben geeignet. Die Partikelgrößenbestimmung mittels Mikroskop und Bildverarbeitung setzt ebenfalls verdünnte Proben voraus, da hier vereinzelte Partikel zur Charakterisierung vorliegen müssen. Diese Methode ist prinzipbedingt nicht für Partikel geeignet, die kleiner als die optische Auflösung des verwendeten Mikroskops sind. The self-movement of the particles (diffusion) superimposes an external flow movement (convection), so that erroneous particle sizes would be determined. Other methods, such as light diffractometry, use the diffraction of particles to determine their size by means of Fraunhofer diffraction and Mie theory. This method is a transmitted light method and therefore only suitable for diluted samples. The particle size determination by means of microscope and image processing also requires diluted samples, since here individualized particles must be available for characterization. In principle, this method is not suitable for particles smaller than the optical resolution of the microscope used.
Die bisher bekannten Methoden eignen sich jedoch nicht für eine In-situ- oder Inline-Messung in einer aktiv durchmischten Flüssigkeit, wie dies z.B. zum Inline-Monitoring des Partikelwachstums während einer chemischen Polymerisationsreaktion in einem Probengefäß mit Rührwerkzeugen notwendig ist. Zur Messung der However, the previously known methods are not suitable for in-situ or in-line measurement in an actively mixed liquid, as e.g. for inline monitoring of particle growth during a chemical polymerization reaction in a sample vessel with stirrers is necessary. To measure the
Partikelgröße müssen dabei bisher während des Prozesses Proben gezogen oder über einen Bypass vom Prozess getrennt werden. Die Analyse der Proben setzt je nach eingesetzter Messmethode weitere Schritte zur Proben¬ vorbereitung voraus, beispielsweise eine Verdünnung der Probe. Anschließend wird die Probe in einer separaten Vorrichtung analysiert. Je nach Aufwand der Probenauf¬ bereitung für die Messungen finden diese stark zeitverzögert zum Prozessverlauf statt. Eine direkte Particle size must be so far during the process Samples are drawn or separated from the process via a bypass. Analysis of samples is employed, depending on the measurement method requires additional steps for sample preparation ¬, for example, a dilution of the sample. Subsequently, the sample is analyzed in a separate device. Depending on the complexity of the Probenauf ¬ preparation for the measurements they find considerable delay instead of the process Phase. A direct one
Rückkopplung auf die Prozessführung ist damit erschwert oder gar unmöglich. Optimierungspotentiale der Prozess¬ führungen können nicht ausgeschöpft werden mit ent¬ sprechenden negativen Auswirkungen auf die Prozesseffizienz, Taktzeiten und die Qualität der Produkte. Insbesondere für die Verfolgung zeitkritischer Prozesse wäre zur Prozess- und Qualitätskontrolle eine Inline- Analytik von großem Vorteil, bei der auf eine Entnahme des Probenmaterials aus dem Prozess verzichtet werden kann . Aus der US 5956139 A sind ein System und ein Feedback to the process control is thus difficult or even impossible. Optimization potential of the process ¬ guides can not be used with appropriate ¬ speaking negative impact on process efficiency, cycle times and product quality. In particular for the tracking of time-critical processes, an in-line analysis would be of great advantage for process and quality control, in which it is possible to dispense with taking the sample material out of the process. From US 5956139 A are a system and a
Verfahren zur Vermessung von Partikelgrößen in  Method for measuring particle sizes in
unbewegten Flüssigkeiten bekannt, bei denen der stationary fluids known in which the
Einfluss von Mehrfachstreuungen reduziert werden kann, so dass auch Flüssigkeiten mit höheren Partikelkonzen- trationen vermessen werden können. Hierzu wird eine Küvette mit einer die Partikel enthaltenden Flüssig¬ keitsprobe in ein Gefäß mit einer indexanpassenden Flüssigkeit getaucht. Von außerhalb des Gefäßes Influence of multiple scattering can be reduced, so that also liquids with higher particle concentrations can be measured. For this purpose, a cuvette with a particle-containing liquid ¬ keitsprobe is immersed in a vessel with an index-matching liquid. From outside the vessel
eingestrahltes Laserlicht wird an den Partikeln irradiated laser light gets on the particles
gestreut und mittels zweier außerhalb des Gefäßes angeordneten Detektoren detektiert, deren Signale einer Kreuzkorrelation unterzogen werden. Die WO 2014/144868 AI zeigt eine optische scattered and detected by means of two arranged outside the vessel detectors whose signals are subjected to cross-correlation. WO 2014/144868 AI shows an optical
Durchflussmesszelle für die Durchflusszytometrie, mit der gleichzeitig Coulter-Parameter (Volumen und/oder elektrische Leitfähigkeit) und optische Eigenschaften erfasst werden können, während eine zu untersuchende Probe durch die Durchflussmesszelle gepumpt wird. Flow cell for flow cytometry, which simultaneously detects Coulter parameters (volume and / or electrical conductivity) and optical properties while pumping a sample to be tested through the flow cell.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur The object of the present invention is to provide a device and a method for
Durchführung faseroptischer Messungen in bewegten Conducting fiber optic measurements in moving
Flüssigkeiten anzugeben, die sich direkt in der Specify liquids that are directly in the
bewegten Flüssigkeit durchführen lässt und keine zeitaufwändige Entnahme einer Probe erfordert. moving liquid and does not require time-consuming sampling.
Insbesondere sollen sich die Vorrichtung und das In particular, the device and the
Verfahren für dynamische Streulichtmessungen in Method for dynamic scattered light measurements in
Flüssigkeiten mit Konvektionsströmungen eignen. Liquids with convection currents are suitable.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem  The task is with the device and the
Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst.Process according to claims 1 and 9 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patent¬ ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Advantageous embodiments of the device and the method are the subject of the dependent patent claims ¬ or can be the following
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen. Description and the exemplary embodiment.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist eine The proposed device has a
Messsonde mit einem Sondenkörper auf, in dem ein Measuring probe with a probe body in which a
Probenvolumen ausgebildet ist, das wenigstens eine Öffnung für einen Austausch einer Flüssigkeitsprobe mit der Umgebung bzw. umgebenden Flüssigkeit aufweist. Am oder im Probenvolumen ist ein bewegliches mechanisches Element angeordnet, durch das wenigstens ein Teil¬ volumen des Probenvolumens mechanisch abgeschlossen werden kann, um eine geschlossene Messkammer zu bilden. Bei entsprechender Ausgestaltung des mechanischen Sample volume is formed, which has at least one opening for an exchange of a liquid sample with the surrounding or surrounding liquid. On or in the sample volume, a movable mechanical element is placed, mechanically completed by the at least a portion ¬ volume of the sample volume can be used to form a closed measuring chamber. With appropriate design of the mechanical
Elementes können auch mehrere geschlossene Messkammern im Probenvolumen gebildet werden. Der Sondenkörper weist dabei an dem oder den Messkammern jeweils Elementes also several closed measuring chambers can be formed in the sample volume. The probe body has in this case at the one or more measuring chambers
wenigstens ein optisches Messfenster zur Ein- und at least one optical measuring window for input and output
Auskopplung optischer Strahlung in bzw. aus der Extraction of optical radiation into or out of the
Messkammer auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Measuring chamber on. In a preferred embodiment that is
Probenvolumen zylindrisch und durch ein im Probenvolumen rotierbares Rotationselement in wenigstens zwei durch das Rotationselement vollständig voneinander getrennte Teilvolumina unterteilt. Das Rotationselement ist hierbei um die Zylinderachse des zylindrischen Probenvolumens rotierbar und kann durch einen dafür vorgesehenen Antrieb in Rotation versetzt werden. Von den durch das Rotationselement voneinander getrennten Teilvolumina des Probenvolumens sind in wenigstens einer rotatorischen Stellung des Rotationselementes eines oder mehrere vollständig geschlossen und bilden dadurch die geschlossene (n) Messkammer (n) .  Cylindrical sample volume and divided by a rotatable in the sample volume rotating element in at least two by the rotation element completely separate from each other sub-volumes. The rotation element is in this case rotatable about the cylinder axis of the cylindrical sample volume and can be set in rotation by a drive provided for this purpose. Of the partial volumes of the sample volume which are separated from one another by the rotary element, one or more are completely closed in at least one rotary position of the rotary element and thereby form the closed measuring chamber (s).
Die Funktionsweise der vorgeschlagenen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der bevorzugten Ausgestaltung mit einem Rotationselement als mechanischem Element noch näher erläutert. Es können anstelle des Rotations¬ elementes aber auch andere mechanische Elemente zum Einsatz kommen, beispielsweise ein mechanisches Element ähnlich einer Schublade, das zur Bildung der Mess- kammer (n) mit einem geeigneten Antrieb in das Probenvolumen geschoben wird. Die Messsonde der vorgeschlagenen Vorrichtung wird zur Durchführung der faseroptischen Messungen in die zu vermessende bewegte Flüssigkeit eingetaucht. Durch Drehung des Rotationselementes wird dabei Flüssigkeit aus der unmittelbaren Umgebung über die Öffnung in das Probenvolumen befördert. Bei Erreichen der wenigstens einen Stellung des Rotationselementes mit der oder den geschlossenen Messkammern wird das Rotationselement gestoppt. Dadurch gelangt die eingeschlossene Flüssig- keitsprobe nach kurzer Zeit zur Ruhe und kann über eine faseroptische Ankopplung durch das oder die Messfenster vermessen werden. Anschließend wird das Rotationsele¬ ment wieder in Rotation versetzt, so dass die Flüssig¬ keitsprobe in der oder den Messkammern über die Öffnung des Probenvolumens ausgetauscht wird. Anschließend kann eine neue Messung mit frischem Probenmaterial beginnen. The operation of the proposed device will be explained in more detail below with reference to the preferred embodiment with a rotary member as a mechanical element. It can also come other mechanical elements are used in place of the rotary ¬ element but, for example, a mechanical element like a drawer, which is the measuring chamber for the formation of (n) is pushed with a suitable drive in the sample volume. The probe of the proposed device is immersed in the moving liquid to be measured to perform the fiber optic measurements. By rotation of the rotary element while liquid is transported from the immediate vicinity via the opening in the sample volume. Upon reaching the at least one position of the rotation element with the closed or the measuring chambers, the rotation element is stopped. As a result, the enclosed liquid sample comes to rest after a short time and can be measured via a fiber-optic coupling through the measuring window (s). Subsequently, the Rotationsele ¬ ment is returned to rotation, so that the liquid ¬ keitsprobe is exchanged in the one or more measuring chambers through the opening of the sample volume. Subsequently, a new measurement can begin with fresh sample material.
Die vorgeschlagene Vorrichtung stellt damit in bewegten Flüssigkeiten ein oder mehrere zeitweise abgeschlossene bzw. von der Umgebung abgekapselte The proposed device thus provides in moving liquids one or more temporarily closed or encapsulated by the environment
Messkammern zur Verfügung, in denen faseroptische Measuring chambers are available in which fiber optic
Messungen, wie z.B. die dynamische Lichtstreuung (DLS) durchgeführt werden können. Dabei wird die Flüssig¬ keitsprobe nicht aus dem jeweiligen Prozessgefäß, beispielsweise einem Fermenter, einem Reaktionsgefäß oder ähnlichem, entfernt. Vielmehr wird sie durch die Sonde nur für einen kurzen Zeitabschnitt vom bewegten Medium isoliert. Es handelt sich damit nicht um eine Atline- oder Offline-Technik sondern um einen Inline- Technik. Die Probe in dem abgeschlossenen Teilvolumen bzw. der abgeschlossenen Messkammer kann dabei in frei eingestellten Zeitintervallen vermessen und schnell und effizient mit der äußeren Flüssigkeit ausgetauscht werden . Measurements, such as dynamic light scattering (DLS) can be performed. The liquid ¬ keitsprobe is not removed from the respective process vessel, such as a fermenter, a reaction vessel or the like. Rather, it is isolated by the probe only for a short period of time from the moving medium. This is not an at-line or offline technique, but an in-line technique. The sample in the closed partial volume or the closed measuring chamber can be measured at freely set time intervals and quickly and be exchanged efficiently with the external fluid.
Der Austausch der Flüssigkeitsprobe kann in variabel einstellbaren Zeitintervallen mit der äußeren, bewegten Flüssigkeit erfolgen. Der Austausch der The replacement of the liquid sample can be carried out at variably adjustable time intervals with the outer, moving liquid. The exchange of
Flüssigkeit ist dabei vollständig und frei von Tot¬ volumina, so dass die Flüssigkeit im abgekapselten Messvolumen stets der Zusammensetzung der Flüssigkeit im umgebenden aktiv durchmischten Flüssigkeitsvolumen entspricht. Eine Partikelakkumulation im Probenvolumen wird so ebenfalls verhindert. Liquid is complete and free of dead ¬ volumes so that the liquid in the encapsulated measuring volume always corresponds to the composition of the liquid in the surrounding active mixed liquid volume. Particle accumulation in the sample volume is thus also prevented.
In der oder den Messkammern können z.B. Messungen mit dynamischer Lichtstreuung durchgeführt werden. Eine exemplarische Anwendung der Vorrichtung besteht in der Messung der Partikelgröße mit Hilfe einer 180° Rück- streu-DLS-Sonde innerhalb eines chemischen Reaktors während der Synthese von Mikrogelen. Ebenso ist die Möglichkeit gegeben, durch entsprechende Ausgestaltung des Rotationselementes gleichzeitig mehrere voneinander abgegrenzte Messkammern zu schaffen und dadurch auch mehrere Messmethoden in der Vorrichtung gleichzeitig anzuwenden. Damit können beispielsweise simultane In the measuring chamber (s), e.g. Measurements can be performed with dynamic light scattering. An exemplary application of the device is to measure particle size using a 180 ° backscatter DLS probe within a chemical reactor during the synthesis of microgels. Likewise, there is the possibility of simultaneously creating a plurality of mutually delimited measuring chambers by appropriate design of the rotary element and thereby also to use several measuring methods in the device at the same time. Thus, for example, simultaneous
Messungen ohne gegenseitige Beeinflussung in den einzelnen Messkammern vorgenommen werden. Measurements are made without mutual interference in the individual measuring chambers.
Der von der bewegten Flüssigkeit abgekapselte Bereich, d.h. die einzelne Messkammer, hat vorzugsweise nur ein Volumen zwischen 100 und 1000 μΐ . Bei derart kleinen Volumina klingt die konvektive Bewegung der Flüssigkeit schnell ab und die Flüssigkeit kommt zur Ruhe, so dass Diffusionsvorgänge bereits kurz nach Stillstand des Rotationselementes störungsfrei gemessen werden können. The area encapsulated by the moving liquid, ie the individual measuring chamber, preferably has only a volume of between 100 and 1000 μΐ. At such small volumes, the convective motion of the fluid quickly fades and the fluid settles, causing diffusion to occur shortly after Standstill of the rotating element can be measured trouble-free.
Die eine oder mehreren optischen Fasern zur The one or more optical fibers for
Durchführung der faseroptischen Messungen können bei der vorgeschlagenen Vorrichtung entweder über an der Messsonde angeordnete Faserkoppler angekoppelt werden oder sind direkt als Teil der Vorrichtung mit dem Implementation of the fiber optic measurements can be coupled in the proposed device either via arranged on the probe fiber coupler or are directly as part of the device with the
Sondenkörper verbunden. Zwischen der jeweiligen Probe body connected. Between the respective
Verbindungsstelle bzw. dem Faseranschluss und dem zugeordneten optischen Messfenster sind dabei vorzugsweise geeignete optische Elemente am oder im Sonden¬ körper angeordnet, durch die das aus der Faser aus¬ tretende Licht durch das Messfenster hindurch kolli- miert oder fokussiert wird. Das bei der Messung Junction or the fiber terminal and the associated optical measurement windows are preferably suitable optical elements on or in the probe body ¬ arranged, through which the fiber from the light emerging from ¬ colli- mized by the measuring window passes or is focused. That in the measurement
rückgestreute Licht wird dann ebenfalls über die backscattered light is then also on the
Faser (n) wieder aus der zu vermessenden Flüssigkeit geleitet und in bekannter Weise detektiert und ausge¬ wertet . Fiber (s) again out of the liquid to be measured and detected in a known manner and evaluated ¬ .
Vorzugsweise befindet sich an der Messonde auch der rotatorische Antrieb für das Rotationselement. Preferably also located on the measuring probe and the rotary drive for the rotary member.
Dieser Antrieb kann über eine Achse direkt mit dem Rotationselement verbunden sein. Die Zuleitungen zur Energieversorgung und Ansteuerung des Antriebes werden zusammen mit den optischen Fasern aus der zu vermessenden Flüssigkeit geführt. Prinzipiell sind jedoch auch andere Antriebsmechanismen möglich, mit denen ein derartiges Rotationselement in Rotation versetzt und auch wieder gestoppt werden kann. This drive can be connected via an axis directly to the rotation element. The supply lines for power supply and control of the drive are guided together with the optical fibers from the liquid to be measured. In principle, however, other drive mechanisms are possible with which such a rotation element can be set in rotation and also stopped again.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Messsonde der vorgeschlagenen Vorrichtung in die zu vermessende Flüssigkeit eingetaucht. Das Rotations¬ element wird in Bewegung versetzt, um eine Flüssig¬ keitsprobe in die Messkammer (n) zu befördern. In the proposed method, the probe of the proposed device in the submerged measuring liquid. The rotation ¬ element is set in motion in order to convey a liquid ¬ keitsprobe in the measuring chamber (s).
Anschließend wird die Bewegung des Rotationselementes gestoppt, so dass die Messkammern von der umgebenden Flüssigkeit abgekapselt sind. Nach einem kurzen Subsequently, the movement of the rotation element is stopped, so that the measuring chambers are encapsulated by the surrounding liquid. After a short
Zeitintervall wird eine entsprechende faseroptische Messung in der oder den Messkammern über das oder die Messfenster durchgeführt. Anschließend wird das Time interval, a corresponding fiber optic measurement in the or the measuring chambers on the or the measurement window is performed. Subsequently, the
Rotationselement wieder in Bewegung versetzt, so dass die Flüssigkeit ausgetauscht wird. Anschließend wird eine neue Messung mit dem neu in die Messkammern beförderten Flüssigkeitsvolumen durchgeführt. Dieser Ablauf kann beliebig oft wiederholt werden. Die Rotation element is set in motion again, so that the liquid is exchanged. Subsequently, a new measurement is carried out with the volume of liquid newly introduced into the measuring chambers. This procedure can be repeated as often as you like. The
Frequenz der Messungen wird an die jeweilige Anwendung angepasst. Durch die Nutzung der vorgeschlagenen Frequency of the measurements is adapted to the respective application. By using the proposed
Vorrichtung kann die Messung direkt in der jeweils zu vermessenden Flüssigkeit erfolgen. Eine Entnahme einer Probe aus der Flüssigkeit ist dabei nicht erforderlich. Device, the measurement can be done directly in each liquid to be measured. A removal of a sample from the liquid is not required.
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen somit die In-situ bzw. Inline-Messung der Partikelgröße mit faseroptischen Messtechniken, insbesondere mittels DLS . Damit wird z.B. die Möglichkeit gegeben, innerhalb eines chemischen Reaktors unter Zuhilfenahme einer 180° Rückstreu-DLS-Messung Partikelgrößen zu bestimmen. Eine weitere Aufbereitung ist nicht erforderlich und die Reaktionsabläufe und Partikelbildung können direkt verfolgt werden. Auch eine Messung in Kanälen oder Rohren ist möglich. Selbstverständlich sind das The method and the device thus enable the in-situ or in-line measurement of the particle size using fiber-optic measurement techniques, in particular by means of DLS. This is e.g. given the opportunity to determine particle sizes within a chemical reactor with the aid of a 180 ° backscatter DLS measurement. Further processing is not required and the reaction processes and particle formation can be followed directly. Also a measurement in channels or pipes is possible. Of course that is
Verfahren und die Vorrichtung nicht auf eine derartige Anwendung begrenzt, sondern können in allen technischen Gebieten zum Einsatz kommen, bei denen faseroptische Messungen in bewegten Flüssigkeiten durchgeführt werden sollen . Method and apparatus are not limited to such an application, but can be used in all technical fields in which fiber optic Measurements in moving liquids should be carried out.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorge¬ schlagene Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt: The proposed device and the pre- ¬ proposed method will be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Hereby shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispiel¬ haften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary embodiment of the proposed ¬
Vorrichtung .  Contraption .
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Die vorgeschlagene Erfindung beruht darauf, mit einem Rotationselement, im vorliegenden Beispiel einem Flügelrad, das in einem zylinderförmigen Probenvolumen einer Messsonde mit beispielsweise zylinderförmigem Sondenkörper drehbar ist, zeitweise eine oder mehrere von der Umgebung abgegrenzte Messkammern zu bilden. In der Außenwand des Sondenkörpers befindet sich  The proposed invention is based, with a rotating element, in the present example an impeller which is rotatable in a cylindrical sample volume of a probe with, for example, cylindrical probe body, temporarily to form one or more of the environment delimited measuring chambers. In the outer wall of the probe body is located
mindestens eine Öffnung zum Probenvolumen, durch das die umgebende Flüssigkeit ein- und ausströmen kann. Die Sonde wird in die zu analysierende turbulent durch¬ mischte Flüssigkeit getaucht. Durch Drehung des Flügel¬ rades erfolgt ein Austausch der Flüssigkeit im Inneren der Sonde mit dem Außenvolumen. Bei stehendem Flügelrad ist die Flüssigkeit im Inneren der Sonde, d.h. im at least one opening to the sample volume, through which the surrounding liquid can flow in and out. The probe is immersed in the turbulent by ¬ mixed liquid to be analyzed. By rotation of the vane ¬ wheel replacement of the liquid takes place inside the probe with the outer volume. When the impeller is stationary, the liquid is inside the probe, ie in the
Probenvolumen, von der turbulenten Flüssigkeitsbewegung im Außenraum isoliert und kommt zur Ruhe, so dass beispielsweise DLS-Messungen möglich werden. Bei Sample volume, isolated from the turbulent fluid movement in the outer space and comes to rest, so that, for example, DLS measurements are possible. at
Einsatz eines Flügelrades mit drei oder mehr Flügeln können auch mehrere abgeschlossene Messkammern erzeugt werden, in denen verschiedene optische Analysemethoden, beispielsweise eine Streulichtmessung zur Analyse von Partikelgrößen und eine Raman-Messung zur Analyse chemischer Zusammensetzungen, in der Sonde kombiniert werden können. Da die einzelnen Messkammern durch das Flügelrad vorzugsweise lichtdicht voneinander getrennt sind, können die verschiedenen optischen Messvorgänge ohne gegenseitige Wechselwirkung gleichzeitig durch¬ geführt werden. Use of an impeller with three or more blades can also produce several closed measuring chambers In which different optical analysis methods, for example a scattered light measurement for analysis of particle sizes and a Raman measurement for the analysis of chemical compositions, can be combined in the probe. Since the individual measuring chambers light-tight by the impeller preferably separated from one another, the various optical measuring operations can be performed simultaneously without mutual interference by ¬.
Eine erhöhte Drehfrequenz des Flügelrades kann zur Reinigung des Probenvolumens und zum effektiven An increased rotation frequency of the impeller can be used to clean the sample volume and the effective
Austausch der Probenflüssigkeit eingesetzt werden. Replacement of the sample liquid can be used.
Sofern Proben untersucht werden, die sich auf den optischen Messfenstern, durch die die Messungen Unless samples are examined, referring to the optical measurement windows through which the measurements
erfolgen, absetzen und diese dadurch eintrüben können, kann das Flügelrad an der Fensterseite mit einer can take place, settling and thereby clouding, the impeller on the window side with a
Abstreiflippe ausgestattet werden, die bei Drehung eine mechanische Reinigung des Fensters oder der Fenster bewirkt. Alternativ oder zusätzlich kann über Wiper lip are provided, which causes a mechanical cleaning of the window or the windows during rotation. Alternatively or additionally, over
wenigstens ein Piezoelement auch eine Ultraschall¬ schwingung auf den Sondenkörper übertragen werden, um die Reinigung zu unterstützen. Figur 1 zeigt beispielhaft eine mögliche At least one piezoelectric element and an ultrasonic ¬ vibration are transmitted to the probe body to support the cleaning. Figure 1 shows an example of a possible
Ausführungsform der Vorrichtung. Die Vorrichtung ist als Messsonde 1 mit einem zylindrischen Sondenkörper ausgeführt und dafür vorgesehen, in ein Behältnis, beispielsweise einen Reaktor 2, mit Flüssigkeit 3 eingetaucht zu werden, in der die Messungen stattfinden sollen. Der zylinderförmige Sondenkörper der Messsonde 1 weist einen zylinderförmigen Hohlraum als Probenvolumen la auf, in dem ein mehrflügliger Rotor 6 drehbar gelagert ist. Über eine oder mehrere Öffnungen 4 in der Außenwand des zylindrischen Sondenkörpers der Messsonde 1 gelangt die zu messende Flüssigkeit in das Probenvolumen la, das durch die Flügel des mehrflüg- ligen Rotors 6 in mehrere Teilvolumina unterteilt ist. Bei der in Figur 1 dargestellten Stellung des Rotors 6 mit drei Flügeln werden zwei geschlossene, innen¬ liegende Messkammern 5 gebildet. Die Flüssigkeit innerhalb der Kammern kann durch Drehung des Rotors 6 mit der äußeren Flüssigkeit 3 ausgetauscht werden. Embodiment of the device. The device is designed as a measuring probe 1 with a cylindrical probe body and intended to be immersed in a container, for example a reactor 2, with liquid 3 in which the measurements are to take place. The cylindrical probe body of the measuring probe 1 has a cylindrical cavity as the sample volume 1a, in which a multi-winged rotor 6 is rotatably mounted. Via one or more openings 4 in the outer wall of the cylindrical probe body of the measuring probe 1, the liquid to be measured passes into the sample volume 1 a, which is subdivided by the wings of the multi-bladed rotor 6 into a plurality of sub-volumes. In the illustrated position in Figure 1 of the rotor 6 with three wings two closed inside ¬ lying measuring chambers 5 are formed. The liquid within the chambers can be exchanged by rotation of the rotor 6 with the outer liquid 3.
Gleichzeitig grenzen die Rotorflügel die Kammern 5 nach außen ab. An der Oberseite dieser Kammern 5 ist jeweils ein optisches Messfenster 7 ausgebildet, durch das hindurch eine faseroptische Messung erfolgen kann.  At the same time, the rotor blades delimit the chambers 5 to the outside. At the top of these chambers 5, an optical measuring window 7 is formed, through which a fiber-optic measurement can take place.
Der Rotor 6 wird mit einem Motor, vorzugsweise einem Schrittmotor, angetrieben und für eine Messung in einer definierten Position gehalten. Wie bereits ausgeführt, werden je nach Anzahl der Flügel am Rotor 6 innerhalb des Probenvolumens la dabei mehrere vonein¬ ander und von der äußeren Flüssigkeit 3 abgekapselte Bereiche gebildet, die als Messvolumina bzw. Mess¬ kammern dienen. Jedem dieser Messkammern 5 kann dabei ein optisches Messsystem zugeordnet werden. In den verschiedenen Kammern 5 können bei lichtdichter The rotor 6 is driven by a motor, preferably a stepping motor, and kept in a defined position for a measurement. As already mentioned, several vonein ¬ other and encapsulated by the outer liquid 3 areas depending on the number of blades on the rotor 6 within the sample volume la thereby formed, which serve as measurement volumes or measuring ¬ chambers. Each of these measuring chambers 5 can be assigned an optical measuring system. In the various chambers 5 can be at light-tight
Ausgestaltung der Flügel des Rotors 6 gleichzeitig optische Messungen durchgeführt werden, die sich nicht gegenseitig beeinflussen. Für die Durchführung der optischen Messungen sind im Beispiel der Figur 1 in der Sonde Zuführungskanäle 10, 11 vorgesehen, die entweder im Falle des Zuführungskanals 10 eine mit einem Motor verbundene Drehachse für den Rotor 6 oder im Falle der Zuführungskanäle 11 die Lichtwellenleiter 12 und Design of the wings of the rotor 6 simultaneously optical measurements are performed that do not affect each other. In the example of FIG. 1, supply channels 10, 11 are provided in the probe for carrying out the optical measurements, either in the case of the feed channel 10, an axis of rotation for the rotor 6 connected to a motor or, in the case of FIG Feed channels 11, the optical waveguides 12 and
Optiken 8, 9 eines optischen Messsystems aufnehmen. Accommodate optics 8, 9 of an optical measuring system.
Ein optisches Messsystem besteht jeweils aus einer Strahlungsquelle 15, einem Detektor 14 und ggf. einem Strahlteiler 13. Als Strahlquelle 15 kann je nach An optical measuring system each consists of a radiation source 15, a detector 14 and possibly a beam splitter 13. As the beam source 15 can, depending on
Messmethode eine schmalbandige Laserstrahlungsquelle oder eine breitbandige Lichtquelle eingesetzt werden. Der Detektor 14 kann je nach Anwendungsfall als Measuring method, a narrow-band laser radiation source or a broadband light source can be used. The detector 14 may, depending on the application as
Spektrometer oder Monochromator oder als nicht-spektral auflösender Detektor, wie etwa ein Photomultiplier oder eine Photodiode, ausgeführt sein. Die genannten Spectrometer or monochromator or as a non-spectrally resolving detector, such as a photomultiplier or a photodiode be executed. The mentioned
Komponenten des Messsystems werden mit Lichtwellenleitern 12 mit den Optiken 8, 9 innerhalb der Messsonde 1 verbunden, in der dann die Messungen innerhalb derComponents of the measuring system are connected with optical fibers 12 with the optics 8, 9 within the measuring probe 1, in which then the measurements within the
Messkammern 5 stattfinden. Der Strahlteiler 13 kann bei Verwendung von Faserbündeln anstelle einfacher Fasern bzw. Lichtwellenleiter 12 entfallen, da dann jeweils eine oder mehrere Fasern nur für die Rückleitung des rückgestreuten Lichts und die anderen Fasern nur für die Zuführung der Messlichtstrahlung verwendet werden können . Measuring chambers 5 take place. The beam splitter 13 can be omitted when using fiber bundles instead of simple fibers or optical waveguides 12, since then one or more fibers can only be used for the return of the backscattered light and the other fibers only for the supply of measuring light radiation.
Eine Messung mit der beschriebenen Vorrichtung gliedert sich vorzugsweise in folgende Schritte: A measurement with the device described is preferably divided into the following steps:
a) Eintauchen der Sonde in eine Kalibrier- oder a) Immerse the probe in a calibration or
Monitorflüssigkeit monitor fluid
b) Aktivierung von Drehungen des Flügelrads, um ein repräsentatives Flüssigkeitsvolumen in mindestens eine Messkammer zu bringen, b) activating rotations of the impeller to bring a representative volume of liquid into at least one measuring chamber,
c) Durchführung einer Kalibrier-, Rekalibrier- oder Monitormessung mit dem oder den eingesetzten optischen Messverfahren d) optional Spülung der Sonde m einer Spülflüssigkeit und Aktivierung der Flügelraddrehung und/oder des optional vorgesehenen Piezo-Elements zur Reinigung der Kammern und der optischen Messfenster c) Carrying out a calibration, recalibration or monitor measurement with the optical measuring method (s) used d) optionally rinsing the probe m a rinsing liquid and activation of the impeller rotation and / or the optionally provided piezo element for cleaning the chambers and the optical measuring window
e) Eintauchen der Sonde in die Flüssigkeit, die inline gemessen werden soll e) Immerse the probe in the liquid to be measured inline
f) Aktivierung der Flügelraddrehung, um repräsentative Flüssigkeitsvolumina in mindestens eine Messkammer zu bringen f) Activation of impeller rotation to bring representative volumes of liquid into at least one measuring chamber
g) Anhalten des Flügelrads, so dass mindestens eine Messkammer durch die Flügel ein separiertes Messvolumen mit der aufgenommenen Flüssigkeit bildet und konvektive Strömungsanteile abklingen und zur Ruhe kommen g) stopping the impeller so that at least one measuring chamber forms a separate measuring volume with the liquid picked up by the vanes and decay convective flow components and come to rest
h) Durchführung der optischen Messungen in einer oder mehreren abgeschlossenen Messkammern h) Performing optical measurements in one or more sealed measuring chambers
i) Aktivierung des Flügelrads zum Austausch der i) activation of the impeller to replace the
Flüssigkeitsvolumina gegen neue repräsentative Liquid volumes against new representative
Flüssigkeitsvolumina der umgebenden Flüssigkeit Liquid volumes of the surrounding liquid
j ) optional Aktivierung unidirektionaler oder j) optional activation unidirectional or
reversierender Flügelraddrehungen, um die Messkammern und optischen Messfenster von Anhaftungen zu reinigen. reversing vane wheel rotations to clean the measurement chambers and optical measurement windows of buildup.
Auf diese Weise kann inline eine Zeitreihe von Messergebnissen an der sich durch eine chemische In this way, a time series of measurement results can be obtained inline by a chemical
Reaktion verändernden umgebenden Flüssigkeit gewonnen werden. Damit kann ein Reaktionsablauf verfolgt und durch an sich bekannte Verfahren regelnd beeinflusst werden. Die Vorrichtung und das Verfahren stellen somit in bewegten Flüssigkeiten einen oder mehrere abgeschlossene Messkammern oder Kompartimente als Mess¬ volumina für optische Messsysteme zur Verfügung, in denen Konvektionsbewegungen der zu messenden Flüssigkeit abklingen und zur Ruhe kommen. Sie bieten damit die Möglichkeit, optische Messsysteme an einem Ort, an dem die Sonde positioniert wird, unter gleichen Bedin¬ gungen anzuwenden und simultan Messungen mit unterschiedlichen Messmethoden durchzuführen. Die Mess- Systeme können ohne Zeitverzögerung, wie sie z.B. durch eine herkömmlich erforderliche Probenentnahme und Messung nach einer Probenaufbereitung in einer Reaction changing surrounding liquid can be obtained. Thus, a reaction sequence can be tracked and influenced by rules known per se. The apparatus and method thus provide in moving one or more fluids completed measuring chambers or compartments as measured ¬ volumes for optical measuring systems are available in which decay convection of liquid to be measured and come to rest. You offer it the possibility of optical measuring systems at a location at which the probe is positioned to apply under the same conditions and Bedin ¬ perform simultaneous measurements with different measuring methods. The measuring systems can without time delay, as for example by a conventionally required sampling and measurement after a sample preparation in a
separaten Messvorrichtung bedingt ist, und ohne aufwändige Aufbereitungen eingesetzt werden. So kann mit einer derartigen Vorrichtung beispielsweise bei Ausgestaltung der Sonde als Rückstreu-DLS-Sonde, während eines technischen Prozesses wie einer separate measuring device is conditional, and can be used without elaborate preparations. Thus, with such a device, for example in the design of the probe as a backscatter DLS probe, during a technical process such as
chemischen Reaktion, die Partikelgröße in einer aktiv durchmischten Flüssigkeit gemessen werden. chemical reaction, the particle size can be measured in an actively mixed liquid.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
1 Messsonde 1 measuring probe
la Proben olumen la samples olumen
2 Reaktorbehältnis  2 reactor vessel
3 Bewegte Flüssigkeit  3 Moving liquid
4 Öffnung zum Probenvolumen  4 opening to the sample volume
5 Geschlossene Messkammer  5 Closed measuring chamber
6 Rotor  6 rotor
7 Optisches Messfenster  7 Optical measuring window
8 Optisches Element  8 optical element
9 Optisches Element  9 Optical element
10 Zuführungskanal für Antriebsachse 10 Feed channel for drive axle
11 Zuführungskanal für Lichtwellenleiter11 Feed channel for optical fibers
12 Lichtwellenleiter 12 optical fibers
13 Strahlteiler  13 beam splitter
14 Detektor  14 detector
15 Strahlungsquelle  15 radiation source

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung zur Durchführung faseroptischer Apparatus for carrying out fiber optic
Messungen in bewegten Flüssigkeiten, Measurements in moving liquids,
- die eine Messsonde (1) mit einem Sondenkörper aufweist, in dem ein Probenvolumen (la)  - having a measuring probe (1) with a probe body in which a sample volume (la)
ausgebildet ist, das wenigstens eine Öffnung (4) für einen Austausch einer Flüssigkeitsprobe aufweist, is formed, which has at least one opening (4) for a replacement of a liquid sample,
- wobei am oder im Probenvolumen (la) ein  - where on or in the sample volume (la) a
bewegliches mechanisches Element angeordnet ist, durch das wenigstens ein Teilvolumen des is arranged movable mechanical element through which at least a partial volume of the
Probenvolumens (la) mechanisch abgeschlossen werden kann, um eine geschlossene Messkammer (5) zu bilden, und Sample volume (la) can be completed mechanically to form a closed measuring chamber (5), and
- wobei an der Messkammer (5) ein optisches  - Wherein at the measuring chamber (5) an optical
Messfenster (7) zur Ein- und Auskopplung optischer Strahlung in bzw. aus der Messkammer (5) Measuring window (7) for coupling and decoupling optical radiation into and out of the measuring chamber (5)
ausgebildet ist. is trained.
Vorrichtung nach Anspruch 1, Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Messsonde (1) wenigstens einen Faser- anschluss sowie optische Elemente (8, 9) zur in that the measuring probe (1) has at least one fiber connection and optical elements (8, 9) for
Kollimation oder Fokussierung optischer Strahlung aus wenigstens einer über den Faseranschluss ankoppelbaren optischen Faser (12) durch das optische Messfenster (7) in die Messkammer (5) aufweist . Vorrichtung nach Anspruch 1, Collimation or focusing of optical radiation from at least one can be coupled via the fiber connection optical fiber (12) through the optical measuring window (7) in the measuring chamber (5). Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Messsonde (1) mit wenigstens einer optischen Faser (12) verbunden ist und optische Elemente (8, 9) zur Kollimation oder Fokussierung optischer Strahlung aus der optischen Faser (12) durch das optische Messfenster (7) in die  in that the measuring probe (1) is connected to at least one optical fiber (12) and optical elements (8, 9) for collimating or focusing optical radiation from the optical fiber (12) through the optical measuring window (7) into the
Messkämmer (5) aufweist.  Measuring chambers (5).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 1 to 3, characterized
dass das Probenvolumen (la) zylinderförmig  that the sample volume (la) is cylindrical
ausgebildet ist und das mechanische Element ein im Probenvolumen (la) rotierbares Rotationselement is formed and the mechanical element in the sample volume (la) rotatable rotation element
(6) ist, durch das das Probenvolumen (la) in wenigstens zwei durch das Rotationselement (6) vollständig voneinander getrennte Teilvolumina unterteilt wird, wobei in wenigstens einer (6), by which the sample volume (la) is subdivided into at least two partial volumes which are completely separated from each other by the rotary element (6), wherein at least one of them has a partial volume
Stellung des Rotationselementes (6) wenigstens eines der Teilvolumina die geschlossene Messkammer Position of the rotary element (6) at least one of the partial volumes the closed measuring chamber
(5) bildet. (5) forms.
Vorrichtung nach Anspruch 4, Device according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Messsonde (1) mit einem Antrieb für das Rotationselement (6) verbunden ist, durch den das Rotationselement (6) in Rotation versetzt werden kann . 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,  in that the measuring probe (1) is connected to a drive for the rotary element (6), by means of which the rotary element (6) can be set in rotation. 6. Apparatus according to claim 4 or 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Rotationselement (6) als Flügelrad ausgebildet ist. that the rotation element (6) as an impeller is trained.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 4 to 6, characterized
dass das Rotationselement (6) eine oder mehrere AbstreifUppen aufweist, über die das optische Messfenster (7) bei Rotation des Rotationselements (6) von Verunreinigungen befreit werden kann. in that the rotating element (6) has one or more scrapers, by means of which the optical measuring window (7) can be cleared of impurities during rotation of the rotary element (6).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, Device according to one of claims 4 to 7, characterized
dass das rotierbare Rotationselement (6) das that the rotatable rotation element (6) the
Probenvolumen (la) in mehr als zwei vollständig voneinander getrennte Teilvolumina unterteilt, wobei in der wenigstens einen Stellung des Sample volume (la) divided into more than two completely separate sub-volumes, wherein in the at least one position of the
Rotationselementes (6) mehrere Teilvolumina geschlossene Messkammern (5) bilden, an denen ein optisches Messfenster (7) zur Ein- und Auskopplung optischer Strahlung ausgebildet ist. Rotational element (6) form a plurality of sub-volumes closed measuring chambers (5) on which an optical measuring window (7) is designed for coupling and decoupling optical radiation.
Verfahren zur Durchführung faseroptischer Method of conducting fiber optic
Messungen in bewegten Flüssigkeiten mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Measurements in moving liquids with a device according to one or more of
vorangehenden Patentansprüche, bei dem the preceding claims, in which
- die Messsonde (1) in die zu untersuchende  - The probe (1) in the examined
Flüssigkeit (3) getaucht wird, Liquid (3) is dipped,
- das mechanische Element in Bewegung versetzt wird, um eine Flüssigkeitsprobe in die wenigstens eine Messkammer (5) zu befördern,  the mechanical element is set in motion to convey a liquid sample into the at least one measuring chamber (5),
- die Bewegung des mechanischen Elementes  - the movement of the mechanical element
anschließend in einer Stellung gestoppt wird, in der die Messkammer (5) geschlossen ist, und is then stopped in a position in which the measuring chamber (5) is closed, and
- nach Abklingen einer Flüssigkeitsbewegung in der Messkammer (5) mit einer oder mehreren mit der Messsonde (1) verbundenen oder an die Messsonde (1) angekoppelten Fasern (12) eine faseroptische Messung in der Messkammer (5) durchgeführt wird. - After subsiding a liquid movement in the Measuring chamber (5) with one or more of the measuring probe (1) connected or to the measuring probe (1) coupled to fibers (12) a fiber optic measurement in the measuring chamber (5) is performed.
Verfahren nach Anspruch 9, Method according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass nach Durchführung der Messung das mechanische Element (6) zum Austausch der Flüssigkeitsprobe bewegt wird und die letzten drei Verfahrens¬ schritte jeweils zur Durchführung weiterer faseroptischer Messungen wiederholt werden. that the mechanical element (6) is moved to the exchange of the liquid sample after carrying out the measurement and the last three steps of the method ¬ are respectively repeated to carry out further fiber optical measurements.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, Method according to claim 9 or 10,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als faseroptische Messung eine dynamische Lichtstreu-Messung zur Bestimmung einer that as a fiber optic measurement, a dynamic light scattering measurement for determining a
Partikelgröße von in der Flüssigkeitsprobe Particle size of in the liquid sample
vorhandenen Partikeln durchgeführt wird. existing particles is carried out.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, Method according to one of claims 9 to 11, characterized
dass bei Bildung mehrerer Messkammern (5) mehrere faseroptische Messungen parallel und ohne that when forming a plurality of measuring chambers (5) several fiber optic measurements in parallel and without
gegenseitige Beeinflussung durchgeführt werden. mutual influence.
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