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GEBIET DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur quantitativen Bestimmung von Teilchen in Fluiden. Die bevorzugten
Ausführungsformen
finden Einsatz in der quantitativen Analyse von Fett in Milch und
anderen Molkereiflüssigkeiten.
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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung ist gerichtet auf das Gebiet der quantitativen
Bestimmung von Teilchen in Fluiden. Der Ausdruck "Teilchen" soll hier in seinem
allgemeinsten Sinn gelten und nicht nur auf Feststoffteilchen in
einer anderen Phase beschränkt
sein, sonder auch kleine Flüssigkeitsvolumen
in einer anderen Flüssigphase
einschließen,
bspw. Micellen oder Tröpfchen
in einer Flüssigphase
wie einer Emulsion oder Fettkügelchen
in einer Flüssigkeit
wie Milch.
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Weiterhin
soll der Ausdruck "Fluid" auch die Gasphase
beinhalten, obgleich die meisten Ausführungsformen vermutlich in
Anwendungen liegen werden, in denen das Fluid eine Flüssigkeit
ist.
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Die
meisten derzeit für
die quantitative Bestimmung von Teilchen in einem Fluid eingesetzten
Vorrichtungen sind verhältnismäßig komplex.
Diese Komplexität
ist mindestens teilweise ursächlich
für mehrere Nachteile:
- – Sie
sind verhältnismäßig teuer;
- – Sie
sind oft verhältnismäßig empfindlich
und für
den Einsatz im Feld oder in normalen Fertigungs- und Verarbeitungsumgebungen
generell ungeeignet;
- – Sie
sind generell anwendungsspezifisch und lassen sich oft nicht ohne
Schwierigkeiten anderen Anwendungen anpassen;
- – Sie
lassen sich oft nicht zum Überwachen
einer Reihen- bzw. Leitungs-Probennahmeanordnung einsetzen – bei den
die meisten Ausführungsformen
müssen
der Produktionslinie Proben entnommen und zur Analyse in die Vorrichtung
eingesetzt werden.
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Im
Stand der Technik wird zur quantitativen Bestimmung von Teilchen
in einem Fluid vielfach spektroskopisch gearbeitet. Den meisten
dieser Verfahren liegt die Infrarot-Spektroskopie zu Grunde und
sie sind in vielen Fällen
nur zum Erfassen und quantitativen Bestimmen von organischen oder
Organometall-Teilchen im Fluid brauchbar. Ein Beispiel ist der Gegenstand
der NZ-PS 192 325, die ein Verfahren zur quantitativen Messung von
Fett in einer Probe unter Verwendung einer Infrarot-Absorptionstechnik
und das Auswerten der Infrarot-Absorptionscharakteristik der Streckung
gesättigter
Kohlenstoff-Wasser-Bindungen beschreibt. Dieses und entsprechende
Verfahren sind generell für
die quantiative Analyse von bestimmten Kategorien von Verbindungen
spezifisch und würden
von ebenfalls in der Probe vorliegenden anderen als den interessierenden Stoffen
beeinflusst werden.
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Die
Int. Patentanmeldung WO 92/17 767 ist gerichtet auf ein ähnliches
Verfahren zur quantitativen Fettbestimmung in einer Emulsion und
berücksichtigt
auch Infrarot Absorptions-Peaks in Folge anderer Erregungen (als
von C-H-Bindungen). Während
diese Technik die Selektivität
zu verbessern und so das Potenzial zu haben scheint, Störungen durch
andere Stoffen in der Probe zu eliminieren, wird behauptet, es sei
damit eine genauere Bestimmung direkt an Vollmilch ohne vorhergehende
Homogenisierung möglich.
Die beschriebene Erfindung leidet aber auch unter zahlreichen der
oben beschriebenen Nachteile.
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Die
französische
Patentschrift
FR 2 050 525 beschreibt
ein Verfahren, bei dem ein Infrarot-Strahl von parallelen transparenten
Wänden
reflektiert wird, die außen
vom Probenfluid umgrenzt sind. Hier wird nur ein Teil des Strahles
reflektiert (und ein Teil vom Probenfluid absorbiert oder transmittiert),
um beim Verlassen der Kammer gemessen zu werden. Die Intensität der reflektierten
Strahlen soll vermutlich den Teilchengehalt wiedergeben. Dieses
Verfahren ist jedoch begrenzt hinsichtlich der Anzahl und der Art
der verschiedenen Fluide, mit denen es einsetzbar ist.
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Die
russischen Patentschriften
SU
983 538 und
SU 1 748
058 richten sich ebenfalls auf Verfahren zur Teilchenbestimmung
in Fluiden; sie verlangen jedoch teure oder komplexe Ausrüstungen,
von denen eine vorzugsweise mit einem Maser arbeitet, der in den
meisten Ländern
nicht einfach käuflich
erwerbbar sein dürfte.
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Die
CH-A-681 747 beschreibt das Messen von Festteilchenkonzentrationen
in Flüssigkeiten,
wobei Licht aus zwei Quellen in die Flüssigkeit gerichtet und in einem
90°-Streu- und Rückstreuprozess
mit mindestens zwei Detektoren gleichzeitig gemessen wird. Die Lichtquellen
werden so angesteuert, dass sich ein spezifischer Zusammenhang erreichen
und infolgedessen die Feststoffkonzentration aus den Lichtintensitäten an den
Detektoren berechnen lässt.
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Die
US-5 416 580 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung
von Teilchengrößenverteilungen,
wobei die Vorrichtung eine erste und eine zweite Lichtquelle, die
in unterschiedlichen Winkeln zu einer ein teilchenhaltiges Fluid
enthaltenden Messzelle angeordnet sind, sowie ein Detektorfeld aufweist;
ein Rechner schaltet die Lichtquellen in einer bestimmten Reihenfolge,
um die Teilchen mit Strahlen unter unterschiedlichen Winkeln bezüglich einer
Sammellinse zu bestrahlen. Die in den diversen Einfallwinkeln gemessenen
Streulichtverteilungen werden durch mathematische Inversion mittels
eines Rechners zu einer Größenverteilung
für die
Teilchengesamtheit umgesetzt.
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Im
Allgemeinen erlaubt der Stand der Technik keine stetige oder Inline-
bzw. Leitungsüberwachung von
Probenfluiden und ist in der Anwendung verhältnismäßig wenig flexibel.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Probleme
zu behandeln oder der Öffentlichkeit
mindestens eine brauchbare Wahl zu bieten.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt diese eine Vorrichtung
zum Überwachen
eines eine Probenzelle durchlaufenden Fluids durch quantitative
Bestimmung der Teilchen im Fluid bereit, die aufweist:
eine
Emittergruppe mit einem oder mehr Lichtemittern, die ihrerseits
ein oder mehr Probenlichtsignale liefern;
eine Detektorgruppe
mit einem oder mehr Lichtdetektoren, die für die Ausgangssignale der Lichtemitter
empfindlich sind; und
eine Vielzahl von Lichtsignalpfaden,
die jeweils zwischen dem Lichtemitter und dem zugeordneten Lichtdetektor
eines einer Vielzahl von zugeordneten Lichtemitter-Lichtdetektor-Paaren
verlaufen;
wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die auf
den Lichtsignalpfaden zwischen den Emitter- und Detektorgruppen
laufenden Probenlichtsignale von der Detektorgruppe während der
Analyse einer Fluidprobe in der Probenzelle empfangen werden und
die Detektorgruppe an eine Verarbeitungseinrichtung Ausgangswerte
zur Auswertung liefert, um einen Wert zu bestimmen, der den Teilchengehalt
der Fluidprobe angibt;
dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungeinrichtung
Ausgangswerte der Detektorgruppe für verschiedene Lichtssignalpfade
mit Bezugswerten vergleicht, um Teilchen einer gegebenen Art von
andersartigen Teilchen in der Fluidprobe zu unterscheiden und die
Konzentration ersterer im Probenfluid zu bestimmen.
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Die
Detektorgruppe lässt
sich so anordnen, dass sie mindestens einen Satz von durch das Reflexionsvermögen der
Teilchen im Fluid verursachten Streu- oder Reflexionslichtsignalen
erfasst.
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Die
Vorrichtung weist vorzugsweise eine optische Rückkopplungseinrichtung mit
einem Rückkopplungsdetektor
auf, dessen Ausgangssignal mindestens eine der folgenden Maßnahmen
zulässt:
- – Beeinflussen
entweder der Spannung oder des Stroms oder beider mindestens eines
Lichtemitters, um dessen Lichtausgangssignal auf einem vorbestimmten
Niveau zu halten;
- – Beeinflussen
der Empfindlichkeit mindestens eines Lichtdetektors zur Anpassung
an das Lichtausgangssignal mindestens eines Lichtemitters; und
- – Liefern
eines Signals an eine Verarbeitungseinrichtung zur Verwendung in
einer Korrektur beim Bereitstellen eines einen Teilchengehalt angebenden
Werts.
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Die
Lichtsignalwege können
sich in mindestens einer der folgenden Eigenschaften unterscheiden:
- – ihrer
Pfadlänge
in der analysierten Fluidprobe; und
- – im
relativen Winkel ihres Pfades in der analysierten Fluidprobe.
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Eine
Ausführungsform
der Vorrichtung enthält
eine Emittergruppe, die eine Vielzahl von Lichtemittern an verschiedenen
Orten entlang der Wand oder Wände
der Pro benzelle aufweist, wobei die Ausgangssignale der Emitter
so gerichtet sind, dass sie eine Vielzahl von im wesentlichen direkten
Signalpfaden zu einem oder mehr Lichtdetektoren der Detektorgruppe
herstellen.
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Die
Vorrichtung weist mit Vorteil eine Vielzahl gepulster Lichtemitter
auf und das Ausgangssignal eines einzelnen Lichtemitters oder einer
Kombination derselben wird von der Detektorgruppe oder einem einzelnen Detektor
aus der Detektorgruppe wird zu einer bestimmten Zeit während der
Analyse einer Probe erfasst, wobei die Impulsansteuerung der Lichtemitter
so synchronisiert ist, dass die Ausgangssignale von einzelnen Lichtemittern
oder von Lichtemitter-Gruppen erfassbar sind.
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Mittels
der Verarbeitungseinrichtung sind auch von der Detektorgruppe erzeugte
Ausgangswerte mit gespeicherten Kalibrier-Bezugswerten vergleichbar,
wobei der Vergleich Werte ergibt, die das Vorliegen unterschiedlich
gearteter Teilchen in einem Probenfluid anzeigen.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt diese ein
Verfahren zum Überwachen eines
eine Probenzelle durchfließenden
Fluids durch quantitatives Bestimmen von Teilchen in diesem bereit, bei
dem man Probenlichtsignale auf einer Vielzahl von Lichtsignalpfaden
durch eine Fluidprobe in der Probenzelle sendet, die jeweils zwischen
einem einer Vielzahl von Emitter-Detektor-Paaren verlaufend an einem
Lichtemitter beginnen und an einem Lichtdetektor enden, und bei
dem man entlang der Lichtsignalpfade übertragene Probenlichtsignale
detektiert, entsprechende Ausgangssignale erzeugt und die Ausgangssignale
zu einem Wert verarbeitet, der den Teilchengehalt der Fluidprobe
angibt;
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale durch
einen Vergleich mit Bezugswerten verarbeitet werden, die verschiedenen
Probenlichtsignalpfaden entsprechen, um so eine gegebene Teilchenart
von anderen Teilchen im Fluid zu unterscheiden und einen Wert zu
erzeugen, der die Konzentration der Teilchen der gegebenen Art in
der Fluidprobe angibt.
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Beim
Durchführen
des Verfahrens können
die detektierten Probenlichtsignale sich in mindestens einer der
folgenden Eigenschaften unterscheiden:
- – ihre Pfadlänge in der
analysierten Fluidprobe;
- – ihren
relativen Pfadwinkel in der analysierten Fluidprobe;
- – der
Intensität
des vom Emitter erzeugten Ausgangssignals;
- – im
Verhältnis
des gesendeten zum reflektierten oder gestreuten Licht;
und
- – der
Wellenlänge.
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Nach
einem bevorzugten Verfahren sind die Ausgangssignale auch entweder
durch lineare Reg-ression, durch Fourier-Transformation oder durch
beide mit gespeicherten Kalibrier-Bezugswerten vergleichbar, um
Werte zu erzeugen, die die Quantitätsniveaus unterschiedlicher
Teilchenarten im Fluid angeben.
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Das
Verfahren lässt
sich mit Vorteil anwenden zur Bestimmung des Anteile mindestens
einer der folgenden Teilchenarten:
- – Milch
oder ein anderes Molkereifluid;
- – fluidisierte
Fettteilchen, -tröpfchen
oder -suspensionen enthaltende Substanzen;
- – Blut,
Plasma, Sperma, Urin oder ein anderes biologisches Fluid;
- – Öl oder Schmierstoff;
- – Druck-
oder Anstrichfarbe bzw. Lack oder ein anderes flüssiges Pigment.
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Auf
Milch oder andere Molkereifluide angewandt, lässt sich mit dem Verfahren
mindestens der Fett- oder der Protein- und/oder der Lactose-Anteil
oder die (somatische) Zellzahl (SCC-Wert) bestimmen.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich allgemein charakterisieren durch das Aufnehmen und Vergleichen von
Werten für
eine Vielzahl von durch ein Fluid verlaufenden Lichtsignalpfaden.
Die betreffenden Signale werden sich in einer Anzahl physikalischer
Eigenschaften eher unterscheiden als Wiederholungen eines Signals des
gleichen Signalpfads. Dies schließt jedoch nicht aus, dass aus
einem Signal des gleichen Signalpfads mehrere Daten erhalten werden – nur sollte
dieser Pfad nicht der einzige sein, der für die Analyse herangezogen
wird.
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Die
Signalwege können
auf unterschiedliche Weise – bspw.
wie folgt – variieren:
- – Ihre
Pfadlänge
durch die analysierte Fluidprobe;
- – Ihr
relativer Pfadwinkel in der analysierten Fluidprobe;
- – Direkter
oder indirekter Einfall des emittierten Lichtstrahls auf den Detektor.
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Frühere Ausführungsformen
bevorzugten eine Probenanalyse durch Aufnahme erheblich unterschiedlicher
Werte für
sowohl reflektiertes als auch durch ein Fluid hindurch übertragenes
Licht. Mehrfach-Signalpfade durch eine Probe, auf denen Licht auf
einen Detektor fällt,
führen
in Folge des Vorliegens von Teilchen in der Probe auch zur Bildung
einer Streu- und Reflexionslichtkomponente, die der Detektor normalerweise
ebenfalls erfasst. Die separate Gewinnung von Transmissions- und
Reflexionsdaten zwecks nachfolgender Verknüpfung und Auswertung lässt sich
in vielen Ausführungsformen
durch einfaches Aufnahmen von Werten für einen Bereich unterschiedlicher
Transmissionspfade ersetzen. Für
viele Fluide ist vielleicht vorzuziehen, dass diese Pfade unterschiedliche
Relativwinkel haben, da infolgedessen die verschiedenen Signalpfade
(beim Erreichen des Detektors) das Transmissions- und das Reflexions-
bzw. Streulicht zu verschiedenen Anteilen enthalten.
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Während vermutlich
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sich auf die Bestimmung von Fett in Milch
und anderen Fluiden richten werden, lässt die Erfindung sich auch
auf die Bestimmung von Teilchen in Fluiden wie Emulsionen und Suspensionen,
Druckfarben, Blut sowie in Hydraulik-, Maschinen- und anderen Ölen usw.
anwenden.
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Aus
Versuchen hat sich ergeben, dass die gleiche Vorrichtung sich zum
Bestimmen der Anteile unterschiedlicher Teilchen in einem Fluid – oder mindestens
zum Erzeugen einer brauchbaren Approximation an diese – verwenden
lässt.
Dies scheint abzuhängen
von der Tatsache, dass unterschiedliche Teilchenarten ein unterschiedliches
Absorptions- und Reflexionsvermögen
(oft auch unterschiedliche Reflexions- bzw. Streuwinkel) zeigen.
Die von einem Detektorsatz abgenommenen Signale sind dann eine Funktion
der Kombination der Reflexions- und Absorptionseigenschaften aller
Konstituenten. Durch Vergleich mit Bezugswerten lässt sich der
Beitrag jeder vorliegenden Teilchenart bestimmen und durch weitere
mathematische Analyse ein quantitativer Wert erreichen. So erhält man für ein Fluid
wie Milch brauchbare und sinnvolle Anzeigen bspw. des Lactose-,
Fett- und Proteinanteils sowie der Zellzahl sowie der gesamten Teilchenpräsenz.
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Da
die meisten praktischen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig einfach sind
und sich verhältnismäßig robust – vielleicht
als einzelne Baugruppe oder Modul – ausführen lassen, können verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Einsatz in der intermittierenden Überwachung
von Milch und anderen Fluiden finden. Ein Beispiel des praktischen
Einsatzes bestimmter Ausführungsformen
der Erfindung ist die stetige oder periodische In-situ-Überwachung
von Schmierfluiden. Hier lassen sich Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung anwenden, um ein Alarmsignal abzugeben oder Anlagenteile stillzusetzen,
falls vorliegende Teilchen einen gegebenen Wert übersteigen. Ein Beispiel für eine bestimmte Anwendung
ist der Einsatz in Motoren der Kfz- und der Luftfahrzeugtechnik.
Andere Anwendungen sind der Einsatz für die Analyse von Blut, Plasma,
Sperma, Urin und anderen biologischen Fluiden wie auch die von Druckfarben,
Lacken und Pigmenten. In der Praxis lässt sich die Erfindung auf
praktisch jedes Fluid anwenden, das Teilchen enthält, die
mit einem Lichtsignal wechselwirken können. Dies kann auf niedrigem
Niveau erfolgen, was den Einsatz in Qualitätskontrollanwendungen wie in
Reinigungsanlagen, bei der Überwachung
von Klärwasser
und in Fluidspeiseleitungen in Industrieanlagen usw. nahelegt.
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Die
meisten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung arbeiten im Infrarotbereich; auch andere elektromagnetische
Spektralbereiche kommen in Frage. Bevorzugte Ausführungsformen
arbeiten im Bereich von 750 nm – 1200
nm oder 3000 nm – 10000
nm oder in beiden (beides Infrarotbereiche). Kostengünstige Emitter
wie Lumineszenzdioden (LEDs) sind für den Infrarot- und sichtbaren
Bereich problemlos erhältlich. Auch
andere Arten von Lichtemittern sind anwendbar.
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Ebenfalls
problemlos erhältlich
sind verhältnismäßig kostengünstige lichtempfindliche
Detektoren, deren Ausgangssignal vom Lichteinfall abhängt. Viele
von ihnen sind auch im Infrarotbereich verhältnismäßig empfindlich und die zunehmende
Verbreitung von Infrarot-Fernsteuerungen gewährleistet die problemlose und kostengünstige Verfügbarkeit
von Detektor-Dioden-Paarungen. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass sich in verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verschiedenartige lichtempfindliche Detektoren
verwenden lassen. Dabei kann es sich bspw. um Photodioden, Lumineszenzdioden,
Phototransistoren und andere optoelektronische Bauelemente handeln.
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Wie
erwähnt,
findet im erfindungsgemäßen Verfahren
eine vergleichende Analyse auf Grund an einer Probe erhaltenener
Werte statt, die Informationen über
die Lichttransmission und -reflexion in der Probe enthalten. Wie
ebenfalls erwähnt,
brauchen diese Informationen nicht separat aufgenommen zu werden,
sondern können
in einem einzelnen Ausgangswert eines Detektors enthalten sein,
obgleich vorzugswei se mehrere unterschiedliche Signalpfade angesetzt
werden, um eine brauchbare Genauigkeit zu erreichen. Diese Faktoren beeinflussen
die Anzahl der in einer Ausführungsform
der Erfindung eingesetzten Emitter und Detektoren sowie deren räumliche
Anordnung. Es besteht eine Anzahl von Möglichkeiten, die nun an Hand
von Beispielen diskutiert werden sollen.
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Typischerweise
weist ein erfindungsgemäße Arbeitsumgebung
mindestens eine Emitter- und eine Detektorgruppe auf. Zur Vereinfachung
der Beschreibung bezieht diese sich auf eine einzige Emitter- und
eine einzige Detektorgruppe, sofern nichts Anderes angegeben ist.
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Jede
Emittergruppe kann einen oder mehr Lichtemitter umfassen, entsprechend
die Detektorgruppe einen oder mehr Lichtdetektoren. Die Emitter-
und die -Detektorgruppe sind generell so anzuordnen, dass man sowohl
Transmissions- als auch Reflexionswerte – wenn auch nicht unbedingt
gleichlaufend – erhält. Es folgen mehrere
Beispiele, in denen Transmissions- und Reflexionsdaten zur nachfolgenden
Verarbeitung separat aufnehmbar sind.
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Eine
bestimmte Anordnung wäre
ein einzelner Lichtdetektor oder ein Feld aus mehreren Lichtdetektoren,
die mehr oder weniger als einziger Lichtdetektor arbeiten. In Kombination
mit dem einzigen Lichtdetektor würden
mindestens zwei Lichtemitter vorliegen. Mindestens einer dieser
Lichtemitter ließe
sich so anordnen, dass sein Probenlichtsignal vom Lichtdetektor
als transmittiertes Lichtsignal aufgenommen wird, d.h. das Probenlicht
würde das
Probenfluid direkt zum Detektor durchlaufen. Es sei das eine Beispiel
des Probenfluids in einer Zelle zwischen zwei Fenstern betrachtet;
dann liegt mindestens einer der Emitter auf der gleichen Seite der
Probenzelle wie der Lichtdetektor (obgleich typischerweise von ihm
entlang des Zellfensters versetzt), während der andere Lichtemitter
so angeordnet ist, dass sein Signal durch das gegenüberliegende
Zellfenster läuft.
Eine solche Situation ist in der 1 der Beschreibung
dargestellt.
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In
einer anderen Anordnung können
nur ein einzelner Lichtemitter und mindestens zwei Lichtdetektoren
vorgesehen sein. Mindestens einer der Lichtdetektoren ist zur Aufnahme
von transmittiertem Licht aus dem Lichtemitter positioniert, mindestens
ein anderer zur Aufnahme von reflektiertem Lieht. Eine solche Anordnung ist
in der 2 dargestellt.
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In
anderen Anordnungen können
mehrere Lichtemitter und -detektoren vorgesehen sein. Jeder Detektor
(auch falls der Detektor nur einen einzelnen Lichtdetektor aufweist)
kann Licht aus mehreren Lichtemittern aufnehmen. Dies kann eine
Vielzahl von Reflexionssignalen aus verschiedenen Lichtemittern
umfassen, desgl. mehrere Transmissionssignale aus verschiedenen
Lichtemittern. Die Anordnung kann auch ein oder mehr Transmissions-
und Reflexionslichtsignale pro Detektor umfassen.
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Dabei
ist erwogen, dass für
die Anordnung des vorgehenden Absatzes nicht alle Lichtsignale für einen bestimmten
Lichtdetektor gleichlaufend empfangen werden. In den meisten Fällen werden
die Signale aus den verschiedenen Emittern, mit denen ein bestimmter
Lichtdetektor zusammenwirkt, folgegeschaltet. In einigen Ausführungsformen
können
gleichlaufende Folgen zwischen verschiedenen Detektor/Emitter-Paaren
bzw. -Sätzen
ablaufen.
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Möglicherweise
werden im Betrieb verschiedene Lichtdetektoren auch auf die Signale
aus einem einzigen Lichtdetektor reagieren – für diese Lichtdetektoren können die
Pfadlängen
(für Transmissionssignale) sich
unterscheiden oder (für
Reflexionssignale) unter verschiedenen Winkeln verlaufen. Wie einzusehen
ist, lassen sich auch andere Emitter-Detektor-Anordnungen einrichten.
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In
anderen Ausführungsformen,
wo keine reinen Reflexionswerte aufgenommen werden, werden die Detektor-
und Emitter-Gruppen so angeordnet, dass eine Vielzahl von Signalmessungen
auf verschiedenen Pfaden erfolgen können. Dadurch kann die Verwendung
einer Anzahl von Emitter-Detektor-Kombinationen – einschl. mindestens einiger
der oben und unten erwähnten – möglich werden.
In derartigen Ausführungsformen
wird die Anmordnung so sein, dass die meisten, wenn nicht alle Detektoren
ein Transmissionsignal empfangen, weil ein Teil des auf den Detektor
fallenden Lichts durch die Streuung/Reflexion an Teilchen im Fluid verursacht
wird. Die Streuung und Reflexion trägt auch zur Absorption bei,
so dass in der Praxis eine Vielzahl von Signalpfaden, die sich in
der Länge
und/oder dem relativen Winkel unterscheiden, sich als für eine quantitative
Teilchenauswertung ausreichend erwiesen hat. In der Praxis haben
3–5 verschiedene
Pfadlängen
sich als zufriedenstellender Kompromiss zwischen übermäßiger Komplexität und Genauigkeit
erwiesen. Abhängig von
der Probe und anderen Parametern kann man mit zwei und mehr Pfaden
arbeiten.
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In
einigen Ausführungsformen
lässt sich
auch die Intensität
auf jedem Pfad ändern,
um Messwerte für verschiedene
Intensitäten
zu erhalten. Dadurch nimmt die Anzahl der in der Probenanalyse aufgenommenen unterschiedlicher
Datentypen zu, wie auch in einigen Fällen – bspw. für einige Fluid- und Teilchenarten – die Genauigkeit
oder Sicherheit.
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Ersichtlich
gibt es eine Anzahl verschiedener möglicher Emitter-Detektor-Anordnungen,
um die Vielzahl unterschiedlicher Datentypen (bspw. aus verschiedenen
Signal- und Pfadeigenschaften)
zu erreichen, die für
eine genaue Probenanalyse bevorzugt sind. Andere als die bisher
erwähnten
Anordnungen lassen sich einrichten, um eine oder mehr der folgenden
Situationen zu erfassen:
- – Eine Vielzahl von Emittern
arbeitet gleichlaufend und eins zu eins gemeinsam mit einer Vielzahl
von Lichtdetektoren, wobei die Signalpfade im wesentlichen identische
Eigenschaften haben, so dass sich zum Mitteln oder anderen Vergleich
ein Bereich präsumptive
identischer Messwerte gleichzeitig erhalten lässt;
- – Ein
einzige Emitter wirkt mit mehreren Detektoren gleichlaufend eins
zu mehreren zusammen, wobei die physikalischen Signalpfadeigenschaften
(bspw. Pfadlängen,
Winkel usw.) im wesentlichen identisch sind, so dass die erhaltenen
Werte sich mitteln oder sonstwie vergleichen lassen;
- – Wie
im vorgehenden Absatz, wobei die vom Emitter zu den einzelnen Detektoren
verlaufenden Signalpfade sich in den Eigenschaften unterscheiden,
so dass man einen Bereich unterschiedlicher Signalpfadwerte für die nachfolgende
Auswertung erhalten kann;
- – Ein
einziger Lichtdetektor nimmt gleichlaufend Licht aus einer Vielzahl
von Lichtemittern auf, wobei die Signalpfade von den Lichtemittern
zu dem einzigen Lichtdetektor im wesentlichen identisch und die
Werte mittelbar oder sonstwie vergleichbar sind;
- – Wie
im vorgehenden Absatz, wobei die Emitter/Detektσr-Signalpfade sich unterscheiden.
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Auch
wäre zu
erwägen,
durch Folgeschalten, Pulsen oder einen sonstwie gearteten nichtstetigen
Betrieb der Emitter und/oder Detektoren während eines Datenaufnahmezyklus
unterschiedliche Emitter-Detektor-Kombinationen auszuwählen.
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In
einigen Ausführungsformen
können,
falls genug Lichtemitter und -detektoren vorliegen, diese im wesentlichen
stetig arbeiten; es wird jedoch erwogen, üblicherweise einen Impuls-
bzw. nichtstetigen Betrieb anzuwenden. Dadurch lässt sich potenziell eine Anzahl
Vorteile realisieren. Bspw. lassen sich durch Folgeschalten oder
Synchronisieren des Betriebs verschiedener Lichtemitter und -detektoren
Daten für
eine Anzahl unterschiedlicher Signalpfadlängen erreichen. Die Vorrichtung
kann Folgen derartiger Datenaufnahmeschritte zyklisch durchlaufen,
um einen erweiterten Datensatz für
den nachfolgenden Vergleich und die Auswertung zu erhalten. Diese
Informationen können
verbesserte bzw. konsistentere Werte für die quantitative Bestimmung vorliegender
Teilchen insbesondere dann ergeben, wenn die Probe nicht homogen
ist oder fließt.
Wie einzusehen ist, brauchen weder die verschiedenen Datenaufnahmezyklen
in ihrer Schrittfolge noch die Anzahl der Datenaufnahmezyklen für den jeweiligen
Zyklus identisch zu sein.
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Ein
anderer potenziell realisierbarer Vorteil eines nichtstetigen Arbeitens
liegt im geringeren (zeitlichen) Energiebedarf der Lichtemitter.
Dieser Gesichtspunkt kann für
abgesetzt arbeitende Einheiten wichtig sein oder wo Energie gespart
werden muss. Alternativ lassen viele Lumineszenzdioden kurzzeitig
weitaus höhere
als die normalen Arbeitsströme
zu. Damit sind stärke
Impulse des Probenlichtsignals möglich
als beim stetigen Betrieb des Emitter-Bauelements innerhab normaler
Arbeitsparameter. Dadurch lässt
sich die Leistung der Vorrichtung verbessern – sie ist vielleicht für einen
breiteren Bereich von Probenarten einsetzbar und wird vielleicht
auch die Wirtschaftlichkeit verbessern, weil man weniger streng
tolerierte Bauteile als für
den stetigen bzw. Dauerbetrieb verwenden kann.
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An
der Vorrichtung lassen sich verschiedene andere Abänderungen
durchführen.
Diese Modifikationen können
in einigen Fällen
die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit oder die Fähigkeit zur Analyse schwieriger Proben
verbessern. In einigen Fällen
können
die Modifikationen nur eine Alternative zu einigen der vorgehend erläuterten
Anordnungen sein. Auf vielerlei Weise ist dies analog zur Aufnahme
von Messwerten bei unterschiedlichen Pfadlängen (unter dem gleichen Winkel)
im Probenfluid und kann als Approximation für sie dienen. Die Daten werden
dann nicht immer genau gleich den Ergebnissen unterschiedlicher
Pfadlängen
sein, aber doch noch Informationen liefern, die charakteristisch
für eine
oder mehr bestimmte Proben sind.
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In
einigen Ausführungsformen
werden mit der Detektorantwort auch Intensitäts-Informationen an Datenaufnahme-/Vergleichseinrichtungen
geliefert, so dass sich mit jeder vergleichenden Analyse die Ergebnisse mit
dem Ausgangssignal dieses Probenstrahlsenders korrelieren lassen.
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Eine
Modifikation der Ausgangslichtstärke
des Probenlichtemitters kann auch zur selbsttätigen Bereichsumschaltung des
Ausgangs zur Anpassung an die Eigenschaften des Detektors dienen.
In einer solchen Situation kann die Maschine sich selbst so einstellen
(obgleich es auch von Hand möglich
wäre),
dass der Detektor in seinem wirksamsten oder genauesten Bereich
arbeitet. Alternativ kann man die Ausgangslichtstärke so einstellen,
dass sie vom Detektor empfangenen Signale innerhalb eines Bereichs
liegen, der mit dem der für
die jeweilige Probenart gespeicherten Ausgangs- bzw. Kalibrierdaten vergleichbar ist.
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Auch
eine andere Betriebsart ist möglich.
Anstatt eine feste bekannte Probenstrahlstärke abzugeben, ließe die Lichstärke sich ändern, bis
der Detektor eine bestimmte Signalstärke empfängt. Die Lichtstärke des so
emittierten Probenstrahls lässt
sich dann für
die nachfolgende Analyse nutzen. Derartige Informationen lassen
sich auch mit einem Probendatensatz kombinieren, der mit einem Probenstrahl
bekannter konstanter Intensität
erhalten wurde. Die Aufnahme, der Vergleich und die Analyse der
nach unterschiedlichen Messverfahren an einer bestimmten Probe gesammelten
Daten können
zur Verbesserung der Genauigkeit oder Konsistenz der Vorrichtung
dienen. Dieser Punkt kann nützlich
sein, wo die Vorrichtung auf unterschiedliche Probenarten oder eine
große
Variationsbreite der Probeneigenschaften trifft.
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Während die
Intensität
des Probenstrahls sich an der Quelle erfassen lässt, kann man auch andere Eigenschaften
des Emitter-Bautelements messen. Bspw. lässt sich bei einem Bauelement
wie einer LED deren Strom als Intensitätsmaß ansetzen. Möglich ist
der Abgleich eines bestimmten, Licht emittierenden Elements zur
Korrelation seiner Ausgangslichtstärke mit dem Arbeitsstrom (oder
einer anderen Eigenschaft (wie der Spannung usw.). Wo Probenergebnisse
mit Kalibrierdaten vergleichbar sind, braucht die Ausgangslichtstärke nicht
genau bekannt zu sein, da man die Ergebnisse nicht mit Absolutwerten
erhält,
sondern durch Vergleich der Ergebnisse mit gespeicherten Daten,
die an Hand von Kalibrierdurchläufen
unter ähnlichen
Bedingungen aufgenommen wurden. Dies hängt oft von der jeweiligen
Ausführungsform
der Vorrichtung und davon ab, ob man mit Aufzeichnungs- oder Kalibrierdaten arbeitet.
Meistens wird es jedoch erwünscht
sein, dass – mindestens
während
der Versuchsintervalle oder zwischen Kalibrierläufen – die Eigenschaften des Emitterelements und
auch anderer Komponenten der Vorrichtung verhältnismäßig konstant und sicher gegen
Drift sind. Dies kann in einigen Anwendungen der Erfindung problematisch
sein und lässt
sich durch optische Rückkopplung behandeln,
wie sie weiter unten diskutiert ist.
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Eine
andere anwendbare Technik ist das Ändern der Richtung des emittierten
Probenstrahls. Diese Technik wird wahrscheinlich eher eingesetzt,
wo ein emittierte Strahl verhältnismäßig schmal
ist – im
Gegensatz zu einem breiten Strahl, der sich sowieso aus mehreren
verschiedenen Positionen erfassen lässt. Ein anderes Modulationsverfahren
ist das Ändern
des Strahlwinkels. Für
einen gegebenen festen Detektor hat das Ändern des Winkels des Probenstrahls
den Effekt, die gemessene Intensität zu verändern, die nicht nur vom einfallenden
Licht (abhängig
von der Position des Detektors), sondern auch von der Erfassung
diverser Streu-, Reflexions- und
Absorptionslichtanteile aus dem Durchgang durch das Probenfluid
abhängt.
Gegenüber
einer einfachen Modulation der Probenstrahlstärke erhält man so Informationen anderer
Art, die sich auf mehrfache Art und Weise nutzen lassen.
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Diese
Informationen lassen sich wiederum mit Kalibrier- oder Aufzeichnungsdaten
vergleichen. Sie können
auch Aussagen über
das Wesen des Teilcheninhalts (das Reflexionsvermögen, die
Größe, Oberflächenunregelmäßigkeiten
usw. von Teilchen beeinflussen allesamt die auftretende Reflexion
und Streuung) beeinhalten, aus denen der Benutzer zusätzliche
Informationen ableiten kann. Setzt man auch die verschiedenen Modulations-
und Messformen ein, wie sie innerhalb der Erfindung umrissen und
enthalten sind, lässt
sich für die
Probe ein vollständigerer
Satz Informationen erreichen, der sich nutzen lässt, um nicht nur die Konzentration
oder den Teilchengehalt, sondern auch andere Eigenschaften der Probe
genauer zu identifizieren. Auch das Messen unterschiedlicher Komponenten
in einer Probe oder ihrer relativen Anteile kann eine Möglichkeit sein.
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Physikalische
Besonderheiten lassen sich ebenfalls bereitstellen, um die Eigenschaften
eines Probenstrahls zu beeinflussen – bspw. Reflektoren und Linsen,
die mit einem Probenstrahl wechselwirken. Auch das Beeinflussen
nur eines Teils des Probenstrahls ist möglich. Der Einsatz von Reflektoren,
Linsen, Strahlteilern und Filtern wird erwogen. Die Verwendung von
Filtern mit veränderbaren
Filtereigenschaften ist eine andere Möglichkeit zur Modulation von
Eigenschaften der Probenlichtquelle. Der Strahl kann dann mit der
Probe auf unterschiedliche Weise wechselwirken (die Technik des Änderns der
Frequenz der Probenlichtquelle wurde bereits diskutiert). Der Einsatz
aller dieser Elemente ist eine weitere Methode, die Eigenschaften
des Probenlichtstrahls zu ändern,
die Antwort des Probenfluids (auf unterschiedliche Messtechniken)
zu erfassen und diese danach auszuwerten.
-
In
einigen Fällen
kann die Ausgangslichtstärke
eines Emitters sich zeitlich ändern
und so die Ergebnisse der Probenanalyse beeinträchtigen – insbesondere wenn andere
Emitter und Detektoren kein identisches Driftverhalten zeigen. Auch
bei LEDs wird über
deren Lebensdauer die Ausgangslichtstärke allmählich abnehmen. Die Temperatur
des Fluids kann die eines Emitters, Detektors oder anderer Bauelements
beeinflussen, was zu schwankenden Messwerten führt, auch wenn sie typischerweise
die Ausgangslichtstärke
des Emitters am stärksten
beeinflusst. Wegen der Stabilitätsprobleme
hat man in bekannten Analysegeräten
dieser Art LEDs im Allgemeinen vermieden.
-
Um
diese Probleme zu behandeln, hat man bisher irgendeine Form von
Rückkopplung
(im Folgenden als "optische
Rückkopplung" bezeichnet) angewandt,
um Drifterscheinungen und Schwankungen zu kompensieren. In einer
bevorzugten Ausführungsform
wird ein zusätzlicher
Quelldetektor eingesetzt, um die Lichtintensität unmittelbar am Emitter zu
messen. Mit der Rückkopplung
aus diesem Detektor wird dann entweder die Eingangsspannung oder
der Strom des Emitters (oder beide) nachgeregelt, um sicherzustellen,
dass die Ausgangslichtstärke
konstant bleibt.
-
Eine
Alternative ist, mit Informationen aus dem Quelldetektor die Empfindlichkeit
des oder der Detektoren der Ausgangsintensität der Quelle anzupassen. Eine
andere Alternative ist die Nutzung der Rückkopplung zum Bereitstellen
weiterer Daten zur Berücksichtigung
bei der nachfolgenden Verarbeitung und Auswertung von aus dem Detektor
erhaltenen Werten bzw. Signalen. Kombinationen dieser und anderer
Techniken sind ebenfalls möglich.
-
Auch
der Quelldetektor kann seinem Wesen nach unterschiedlich sein. Er
kann anderen in der Vorrichtung eingesetzten Detektoren gleichen
oder sich von ihnen unterscheiden. Einen gewissen Vorteil kann man
realisieren, indem man als Quelldetektor einen Emitter verwendet,
der identisch mit dem zu überwachenden
ist. Viele Emitter lassen sich so verschalten, dass sie als Detektor
wirken. Dadurch erhält
man einen Vorteil, denn ein solche Quelldetektor verhält sich
hinsichtlich der Antwort auf physikalische Eigenschaften (bspw. die
Temperatur usw.) ziemlich genau so wie der Emitter. Weiterhin ist
eine LED oft kostengünstiger
als eine (in vielen Ausführungsformen
eingesetzte) Photodetektordiode.
-
Weiterhin
lassen sich konstruktive Vorkehrungen treffen, um die empfindlichen
Bauelemente der Vorrichtung vor physikalischen Einflüssen wie
der Temperatur zu isolieren. Ordnet man diese Bauteile in einer thermisch
trägen
Materialmasse an, verhindert man schnelle Temperaturänderungen.
Mit Wärmetauschrippen oder
mit der Umgebung zusammenwirkenden konstruktiven Besonderheiten
lassen sich von der Probe verursachte Temperaturänderungen vermeiden, sofern
die Umgebung ihrerseits verhältnismäßig stabil
ist. In einigen Ausführungsformen
sind eingebaute Temperaturfühler
zum Aktivieren von Heiz- oder Kühleinrichtungen (bspw.
Peltier-Elementen) anwendbar. Auch Informationen aus Temperaturfühlern lassen
sich bei der Probenanalyse von der Verarbeitungs-/Auswertungseinrichtung
auswerten.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann eine thermische Isolierung der Vorrichtung gegen die Probe
Einsatz finden. Eine Möglichkeit
wäre ein
Luftspalt zwischen den Zellwänden
und der Vorrichtung. Doppelt isolierte Zellen – und vielleicht sogar evakuierte
Wandzwischenräume – sind eine
weitere Möglichkeit,
obgleich eine Doppelzellwand zusätzliche
Reflexionen und Beugungen verursachen kann. Ist dieser Einfluss
konstant, lässt er
sich durch Vergleich mit an der gleichen Anordnung aufgenommenen
Bezugsprobendaten eliminieren.
-
In
verschiedenen Ausführungsformen
lassen sich auch andere Techniken und Verfahren anwenden. Für viele
Anwendungen ist u.U. eine hohe Genauigkeit nicht erforderlich; vielmehr
müssen
nur schnelle oder signifikante Änderungen
in einer überwachten
Probe erfasst werden. In diesen Anwendungen ist eine hohe spezifische
Genauigkeit u.U. nicht nötig;
eine einfache Ausführungsform
der Vorrichtung ohne optische oder andere Rückkopplung genügt.
-
Die
Antwort bzw. die Ausgangssignale der Detektorgruppe geben normalerweise
das Vorliegen von Teilchen in einem Probenfluid wieder. Wie aber
erwähnt,
können
in einigen Fällen
andere Komponenten oder physikalische Eigenschaften des Probenfluids
die Probenlichtsignale und damit die Detektorantwort beeinflussen.
In Fällen wie
diesen lassen sich mehrere andere Techniken anwenden, um aus der
Vorrichtung einen endgültigen
Wert zu erhalten, der den tatsächlichen
Teilchengehalt im Probenfluid eher wiedergibt.
-
Eine
in bestimmten Situationen evtl. wirksame Technik ist die Anwendung
eines zweiten Bezugsprobensignals zum Vergleich. In solchen Fällen wird
man die Unterschiede zwischen der Arbeits- und der Bezugsprobe auswerten,
um einen endgültigen
Ausgangswert der Teilchenbestimmung zu erzeugen. Derartige Techniken
sind bekannt und daher hier nicht ausführlicher beschrieben.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass die genannte Anordnung nicht immer
für alle
Anwendungen geeignet ist. In einigen Fällen kann es nicht möglich oder
praktikabel sein, einen zweiten Gerätesatz bereit zu stellen. In
anderen Fällen,
in denen die Leitungs- bzw. Reihenüberwachung erfolgt, kann das überwachte
Probenfluid sich in seinem Wesen intermittierend ändern, so
dass man eine "typische" Bezugsprobe nur
schwer erhält.
In anderen Fällen
kann die Nutzungsdauer einer Bezugsprobe verhältnismäßig kurz (bspw. bei einem Reaktionszwischenprodukt)
sein, so dass es nicht praktikabel ist, sich auf eine Bezugsprobe
zu stützen.
-
Eine
andere Technik, mit der sich einige der genannten Probleme behandeln
lassen, ist das Arbeiten mit Datenbeständen zum Vergleich. Diese vorweg
gesammelten Daten lassen sich aus verschiedenen Bezugs- und Kalibrier-Standards übernehmen.
Wo Änderungen
des Wesens des Probenfluids erwartet werden, lassen sich zusätzliche
Fühler
einsetzen, um die Änderung
der Eigenschaften des Probenfluids (zusätzlich zu Anderungen des Vorliegens
und der Konzentration von Teilchen) zu erfassen, damit die Vorrichtung
dann bestimmen kann, welcher Datensatz der gespeicherten Bezugs-
und Kalibrier-Standards den physikalischen Eigenschaften aus der
Auswertung des Probenfluids. am genauesten entspricht. Vermutlich
werden derartige Anordnungen ihren Einsatz jedoch eher in schwierigen
oder extremen Fällen
finden.
-
Die
vorliegende Erfindung wird vermutlich für einen breiten Bereich von
Fluiden eingesetzt werden. Einige typische Fluide wurden bereits
erwähnt,
u.a. Blut, Öle
und Schmierstoffe, Milch und andere Molkereiprodukte, fluidisierte
Gas/Feststoff-Ströme, Druckfarben,
Lacke und Anstrichfarben, Pigmente usw. In einigen dieser Situationen
kann es nötig
sein, den Bereich des infraroten bis sichtbaren Lichts des elektromagnetischen Spektrums
zu verlassen. Andere Bereiche wie Radiofrequenzen oder die kürzeren Mikrowellen
und Röntgenbänder können ebenfalls
in Betracht gezogen werden, obgleich die Emitter- und Detektor-Bauelemente
erheblich komplexer werden können,
was einige der potenziell realisierbaren Vorteile wie Einfachkeit
und niedrigere Kosten wettmachen kann. In einigen Situation kann
jedoch das Arbeiten mit Probensignalen in anderen Spektralbereichen
anderen verfügbaren
Techniken vorzuziehen oder diesen überlegen sein.
-
In
einigen Ausführungsformen
ist es auch möglich,
das Probenlichtsignal selbst zu verändern oder zu variieren – u.a. seine
Frequenz, Intensität
usw. Hierzu würde
man zusätzliche
Emittergruppen vorsehen, die man selbsttätig oder nach Wunsch des Benutzers
auswählt.
Es lässt
sich auch der Einsatz von Emittern mit veränderbarer Ausgangsfrequenz
vorsehen, die über
einen Bereich bzw. auf eine Anzahl von Frequenzen emittieren, die
sich selektiv filtern lassen, und man kann mit die Emitter steuernden
Bauelementen arbeiten, die in der Lage sind, das Ausgangssignal
eines Emitters zu verändern.
-
Zur
weiteren Verbesserung einiger Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung lassen sich die Probenlichtfrequenzen zum Abtasten/Analysieren
des Probenfluids variieren. Während
sich bei Substanzen wie Milch mit einem Probenlichtsignal einer
einzigen Frequenz brauchbare Ergebnisse erreichen lassen, kann das
Abtasten der Probe mit mehreren verschiedenen Frequenzen die Ergebnisse
zuweilen verbessern. Wo die Teilchen für das Probenlichtsignal völlig oder
teilweise opak sind, sollte ihre Wechselwirkung mit ihm bei verschiedenen
Probenlichtfrequenzen theoretisch gleich sein. Störungen durch
andere Komponenten im Probenfluid können dagegen bei unterschiedlichen
Frequenzen variierende Effekte aufweisen. Durch geeignete Analyse
und Vergleich der Detektorantworten bei verschiedenen Frequenzen
lässt sich
ein klareres Bild der Auswirkung von nur dem Vorhandensein von Teilchen
auf das Detektorausgangssignal erreichen. Es ist damit zu rechnen,
dass derartige Modifikationen nicht notwendigerweise in allen Ausführungsformen
verwendet werden, obgleich dies für einige Probenfluide erwünscht ode
nötig sein
kann.
-
In
den meisten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden die Ausgangssignale der Detektorgruppe
berücksichtigt
und ausgewertet, um einen Wert zu erzeugen, der den Teilchengehalt
der Probe darstellt. Diese Auswertung erfolgt generell mittels irgendeiner
Form einer – typischerweise
elektronischen – Verarbeitungseinrichtung.
Eine solche Einrichtung lässt
sich in die Vorrichtung aufnehmen, obgleich ein weiteres typisches
Szenario der Einsatz einer externen Verarbeitungseinrichtung wie
eines Computers ist.
-
In
den meisten Fällen
wird es erforderlich sein, das Ausgangssignal der Lichtdetektoren
in eine zur nachfolgenden Auswertung bzw. Bearbeitung geeignete
Form umzusetzen. Hierzu wird man häufig mit einem Analog/Digital-(A/D)-Wandler
arbeiten. Es ist jedoch einzusehen, dass das Detektor-Ausgangssignal
sich auch mit verschiedenen anderen Techniken in ein Signalformat
umsetzen lässt,
das zur nachfolgenden Auswertung bzw. Bestimmung mittels der jeweils
eingesetzten Verarbeitungseinrichtung geeignet ist.
-
Die
nachfolgende Datenauswertung kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen.
Um das beste Verfahren zum Erzeugen von die Teilchen in Probenfluid
anzeigenden Werten zu ermitteln, sind evtl. Versuche und Experimente
erforderlich. Zur leichteren Anwendung werden jedoch die meisten
Ausführungsformen
mit einem Vergleich von Empfangssignalen mit gesammelten oder gespeicherten
Daten arbeiten. Diese Daten können
Werte sein, die in eine Verarbeitungseinrichtung vorweg einprogrammiert
werden (zum Vereinfachen der Beschreibung wird unten der Ausdruck "Verarbeitungsteil" benutzt, um einen
Vorrichtungsteil zu bezeichnen, der aus den Ausgangssignalen der
Detektorgruppe oder aus Umsetzungsprodukten derselben das Endergebnis
erzeugt), so dass die nachfolgende Zusammenstellung von "anfänglichen
Einrichtdaten" durch
den Benutzer nicht erforderlich zu sein braucht. Bei diesen gespeicherten
Daten kann es sich um Werte handeln, die für die zu analysierenden Arten
von Probenfluiden typisch sind, obgleich die meisten Ausführungsformen zur
Prüfung
der Genauigkeit und/oder zum Einstellen der Vorrichtung vermutlich
Vorkehrungen für
eine Routine-Kalibrierung an Hand von Bezugsproben enthalten werden.
Diese Informationen werden oft – oder
können – in EPROMs
oder in Software gespeichert sein, die im Verarbeitungsteil läuft. Die
Anwendung von Software kann flexibler sein, da sie eine Aktualisierung
ermöglicht,
mit der sich das Arbeitsverhalten und die Leistung der Vorrichtung ändern lassen.
-
In
einer bevorzugten Option wird Bezug genommen auf in Software gespeicherte
Kalibrierdaten aus Bezugs-Standards. Diese Informationen lassen
sich nach jedem Kalibrierdurchlauf aktualisieren.
-
In
den meisten Ausführungsformen
wird mit vorbestimmten Funktionen gearbeitet, die für das fragliche Probenfluid
am besten geeignet sind, um den Vergleich und die Bestimmung vorliegender
Teilchen zu unterstützen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich dabei um eine Technik in der Art einer linearen Regression,
und bei Milch wird im Allgemeinen eine auf Logarithmierung basierende
Funktion angewandt, um einen linearen Zusammenhang zwischen dem
Vorliegen von Teilchen und der Detektorantwort zu erzeugen. Es ist
jedoch einzusehen, dass unterschiedliche (nicht unbedingt lineare
oder logarithmische) Detektorkennlinien einen Einfluss auf jede
Funktion zur Linearisierung einer Antwort haben, die für die lineare
Regression erforderlich ist.
-
Es
sind zahlreiche mathematische Techniken und Rechnerprogramme verfügbar, mit
denen sich Daten selbsttätig
linearisieren lassen oder eine geeignete Geradengleichung auswählen lässt. Der
Einsatz derartiger vorhandenen Techniken ist ins Auge gefasst, wie
auch die Anwendung von Fourier-Tansformationstechniken. Die Daten
brauchen nicht auf einer Geraden zu liegen; es muss nur irgendein
Verlaufsmuster erscheinen, an Hand dessen sich neu aufgenommene
mit vorhandenen Daten vergleichen lassen, um einen Wert zu erzeugen,
der die Konzentration oder das quantitative Vorliegen von Teilchen
im Probenfluid angibt.
-
In
einigen Fällen
kann der vom Verarbeitungsteil gelieferte Wert auf einer willkürlichen
Skala liegen, obgleich er sich modifiziert lässt, um einer vorhandenen akzeptierten
oder auch einer vom Benutzer definierten Skala zu entsprechen. Wo
der absolute prozentuale Anteil bzw. die absolute Konzentration
von Teilchen in einem Fluid nicht gefordert ist, wie wenn der Benutzer
nur zu kontrollieren braucht, dass der Teilchengehalt in einem Probenfluid
nicht aus einem Sollbereich herausfällt, kann mit einer willkürlichen
oder bedeutungslosen Skala gearbeitet werden. In anderen Fällen kann
der Verarbeitungsteil einen Wert auf einer akzeptierten Skala oder
in benutzergewählten
Einheiten (bspw. g/l) ausgeben.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, die nur beispielhaft gelten soll, und unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen.
-
1 zeigt
schaubildlich einige Ausführungsformen
von Emitter/Detektor-Anordnungen,
wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
-
2 zeigt
schaubildlich eine mögliche
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
3 zeigt
schaubildlich eine Ausführungsform
einer Zelle sowie eine mögliche
Wellenlängenzuweisung
für eine
Ausführungsform,
in der mit verschiedenen Lichtfrequenzen gemessen wird;
-
4 zeigt
schaubildlich Systemkomponenten in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
-
5–7 zeigen
Graphen von Probendaten aus Kalibrier- und Prüfversuchen;
-
6 zeigt
einen Graph zur 5;
-
7 zeigt
einen Graph zu den 5 und 6;
-
8 ist
eine schaubildliche Sprengperspektive einer Dünnzelle, wie sie in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Einsatz findet;
-
9 ist
eine schaubildliche Draufsicht der Ausführungsform der 8;
-
10 ist
eine schaubildliche Sprengperspektive einer Durchfluss-Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
11 ist ein schaubildliche Scheit durch
die Ausfürhungsform
der 10;
-
12 zeigt vergrößert den Empfangsteil der Darstellung
in 11;
-
13 ist
eine schaubildliche Draufsicht des in der 12 gezeigten
Teils;
-
14 ist
ein schaubildlicher Schnitt durch eine mit Reagensröhrchen arbeitende
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
-
15 ist
eine schaubildliche Draufsicht der Ausführungsform der 14.
-
BESTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
-
Eine
Vorrichtung (allgemein mit dem Pfeil 1 bezeichnet) zur
quantitativen Teichenbestimmung in Fluiden weist auf:
- – eine
Emittergruppe mit einem oder mehr Lichtemittern 2, die
ein oder mehr Probenlichtsignale (allgemein mit dem Pfeil 3, 5 bezeichnet)
liefern;
- – eine
Detektorgruppe mit einem oder mehr Lichtdetektoren 4, die
für die
Probenlichtsignale (3, 5) empfindlich sind;
- – wobei
die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass während der Analyse einer Probe
die Probenlichtsignale auf der zwischen der Emittergruppe (1)
und der Detektorgruppe (4) verlaufenden Vielzahl von Probenlichtsignalpfaden 3, 5 von
der Detektorgruppe empfangen werden; und dass
- – der
Detektor (4) Ausgangssignale liefert, die sich von einer
Verarbeitungseinrichtung (6) zu einem Wert auswerten lassen,
der den Teilchengehalt des Fluids (7) angibt.
-
Beispiel 1a
-
Die 1 zeigt
eine bestimmte, bereits diskutierte Anordnung. Es liegen mehrere
Lichtemitter 2 vor, von denen einer ein im wesentlichen
transmittiertes Signal 5 und ein weiterer ein im wesentlichen
reflektiertes Signal 3 an einen Lichtdetektor 4 liefert.
-
Beispiel 1b
-
Die 1b zeigt
eine andere, ebenfalls bereits diskutierte Anordnung mit einem einzelnen
Emitter 2, dessen Probenlicht-Ausgangssignal 3, 5 von
mehreren Detektoren 4 empfangen wird, von denen mindestens einer
so liegt, dass er das Transmissions-Lichtsignal Lichtsignal 5 aufnehmen
kann, und mindestens ein anderer so liegt, dass er das Reflexions-Lichtsignal 3 aufnehmen
kann.
-
Die
Transmissions-Lichtsignale brauchen nicht direkt zu sein, wie in
den 1 und 2 gezeigt. Es ist möglich, dass
der Detektor 4 vom Emitter 2 versetzt liegt; ein
Effekt wäre
dann, dass die Pfadlänge
wächst. Möglich ist
auch, dass mehrere Detektoren 4 mit unterschiedlichen Pfadlängen zum
zugehörigen
Emitter 2 angeordnet sind, und es ist auch möglich, dass
mehrere Emitter (von denen jeweils nur einer arbeitet) so vorgesehen
sind, dass die verschiedenen Detektoren (aus den Emittern) aufeinanderfolgende
Signale aus Pfaden unterschiedlicher Pfadlänge und/oder unterschiedlichen
Winkeln aufnehmen.
-
Typischerweise
ist die Transmissionspfadlänge 5 verhältnismäßig klein.
In einer Ausführungsform
zur Messung von Milch- und Molkereiproben beträgt die Distanz quer über die
Zelle etwa 0,5 mm. Diese Entfernung kann sich jedoch mit den Eigenschaften
des Probenfluids und der Emitter und Detektoren ändern.
-
Während im
Allgemeinen ein stehendes Probenfluid bevorzugt ist, ist in den
meisten Ausführungsformen
auch ein bewegtes Fluid zulässig.
Fluidgeschwindigkeiten bis 0,5 m/s sind vermutlich erlaubt. In einigen Fällen sind
auch höhere
Geschwindigkeiten tolerierbar. Das Hauptproblem mit einer Fluidbewegung
ist, dass die Eigenschaf ten sich zeitlich mit dem Wesen des Fluids ändern. Lufteinschlüsse, Konzentrationsgefälle, Turbulenzen
usw. können
die Messwerte beeinflussen. Eine mögliche Lösung ist die Anwendung von
gepulsten bzw. diskontinuierlichen Messungen, so dass jeder Satz
gesammelter Daten aus einer Folge von "Schnappschüssen' besteht, die ein sich bewegendes Fluid
im Effekt "einfrieren". Für solche
Ausführungsformen
sind verhältnismäßig schnelle
Fluidströmungen
tolerierbar. Derartige Stroboskop-Techniken lassen sich auch einsetzen,
wo chemische Reaktionen überwacht
werden oder innerhalb kurzer Zeitspannen schnelle oder signifikante Änderungen
auftreten.
-
Beispiel 1c
-
Die 1c zeigt
eine mögliche
praktische Ausführungsform,
die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Es liegt eine
Haupt-Fluidleitung 8 vor, der über eine Nebenschlussleitung 9 eine
stetige Probe entnommen wird. In der Leitung -mindestens im Probenanalyseteil 10 mit
den Emitter- und Detektor-Gruppen – können Drosselungen vorgesehen
sein, um die Strömung
abzuschwächen.
Die Ausgangssignale der Detektoren 4 gehen auf einen A/D-Wandler 11,
dessen Ausgangssignal vom Verarbeitungsteil 6 übernommen
wird.
-
Beispiel 1d
-
Wie
die 2–4 zeigen,
wird Licht 15, 16 unterschiedlicher Wellenlänge (im
Infrarotbereich) nach dem Durchlaufen der Probe 14 oder
Refexion an ihr unter verschiedenen Winkeln aus einer Serie von
Emittern (11, 12) von einer optoelektronischen
Photozelle 13 detektiert. Zum Erfassen primär der Absorption
wird das Licht wird auf der der Photozelle gegenüberliegenden Seite bzw. zum
Erfassen der Reflexion auf der gleichen Seite wie die Photozelle
gemessen.
-
Das
Ausgangssignal des Photodetektors 13 wird in 20 verstärkt und
auf einen A/D-Wandler 21 gegeben.
Das Signal ist ein Impulssignal, da die Lichtquellen vom Mikroprozessor 22 gesteuert
folgegeschaltet werden, so dass diese auch die Lichtquelle feststellen
kann, aus der ein Signal stammt. Die Probenentnahme- und Auslösehäufigkeit
der Lichtquellen setzt der Strömungsgeschwindigkeit
in der Zelle eine Grenze. Der größte Teil
des Fluids kann mit bis zu 50 cm/s oder schneller strömen, da
die Zelle nur einen kleinen und weitaus langsameren Teil der Probe
(in der Anordnung der 1c). erfasst.
-
Die
nun im Mikroprozessor 22 verfügbaren Informationen gehen über ein
(bidirektionales) Bussystem an einen Wirts-PC 23, der sie
empfängt,
an Hand einer lokalen Datenbank die erforderlichehn Berechnungen und
Vergleiche durchführt
und die Ergebnisse an den Mikroprozessor 22 zurücksendet.
Der Mikroprozessor stellt diese Informationen auf einer Sichteinheit
auf der Prüfvorrichtung
dar.
-
Beispiele 2 – DATENBEHANDLUNG
-
Beispiel 2a
-
Die
Daten lassen sich auf unterschiedliche Weise behandeln. Einige typische
Beispiele sind in den vorgehenden Teilen dieser Beschreibung allgemein
diskutiert. Ein bestimmtes Beispiel, das sich realisieren lässt, ist
wie folgt.
-
Legende
der Tabellen-Beschriftungen der folgenden Tabellen Seite
25:
| No. | Nr. |
| Prot. | Einweiß |
| Fat | Fett |
| egressi | ? |
Seite
26:
| Regression
statistics proteins: | Regressionsstatistik
eiweiße |
| Analysis
... | Varianzanalyse |
| Multiple
R | Mehrfach-R
(?) |
| R square | R2 |
| Adjusted
R | R
korrigiert |
| Standard
Err ... | Standardfehler |
| Observation | Probe |
| dl | ? |
| ...
of Squares | Quadratsumme
(?) |
| ...
ean Square | Quadratischer
Mittelwert |
| F | ? |
| gnificance
F | Signifikanz
von F |
| Coefficients | Koeffizienten |
| ndard
Error | Standardfehler |
| t Statistic | t-Statistik
(?) |
| P-value | P-Wert |
| Lower
95 % | untere
95 % |
| Upper
95 % | obere
95 % |
| Intercept | Schnittpunkt |
| All | Alle |
-
-
-
-
-
Das
Verfahren basiert auf einer Messung der Streulichtstärke I(Θ) unter
verschiedenen Winkeln Θ im Infrarot-Wellenlängenbereich
um 750 nm bis 1200 nm. Danach wird die folgende Mehrfachregressionsgleichung
angesetzt: FETT = Σαl·I(Θl) + αo
-
Mit
den vorberechneten Regressionskoeffizienten αl erhält man einen
Schätzwert
für die
Größe FETT. Aus
der 5 ist ersichtlich, dass die auf Grund der oben
ausgeschriebenen Regressionsgleichung vorhergesagten Werte im Vergleich
zu unabhängig
gemessenen FETT-Werten eine gute Übereinstimmung ergeben. In diesen
vorläufigen
Messungen wurde nur eine Wellenlänge
benutzt. Die Berechnungen zeigen, dass über den FETT-Bereich [4, 8]
ein Fehler von 8 % und über
den FETT-Bereich [4, 6, 5] ein Fehler
von 6 % beobachtet wird. Dies ließe sich erklären durch
die geringfügige
Abhängigkeit
der Streulichtintensität
vom FETT-Gehalt im Bereich [6, 5, 8]
(vergl. 6). Die Anwendung von Diodengruppen
unterschiedlicher Wellenlängen
verbessert die Genauigkeit der Detektion des Fettgehalts. Das Vorliegen
von mehr Daten für
unterschiedliche Winkel (insbesondere bei 90° (bspw. 70° und 110°, obgleich der Bereich 90° ± 60° für viele
Ausführungsformen
akzeptabel sein kann)) verbessert die Schätzgenauigkeit weiter.
-
Im
Einsatz können
vielleicht die meisten Ausführungsformen.
mit Daten versorgt werden, die für
die zu messenden Fluidproben charakteristisch sind. Vermutlich sind
aber Kalibrierdurchläufe
erforderlich, bevor genaue Bestimmungsdurchläufe möglich sind. Diese Kalibrierdurchläufe erfolgen
typischerweise zunächst
anfangs und danach routinemäßig, um
die Genauigkeit der Messwerte unter Drift und bei sich ändernden
Parametern zu überprüfen. Derartige
Kalibrierdurchläufe
werden u.U. nicht vom Endbenutzer, sondern von Service-Personal
bei Routineinspektionen durchgeführt.
-
Es
folgt nun eine ausführliche
Beschreibung einer bestimmten, vom Erfinder experimentell untersuchten
Ausführungsform.
Sie soll lediglich beispielhaft gelten, ohne den Umfang der Erfindung
einzuschränken.
-
Beispiel 2b – Kalibrierung
-
Das
Funktionsprinzip beruht auf mathematischen Berechnung durch ein
Mehrfachregressionverfahren statistischer Daten. Daher muss die
Zelle mit einem oder mehr bekannten Pilot- oder bekannten Bezugs-/Prüffluiden
kalibriert werden. Für
die Milchanalyse handelt es sich hierbei gewöhnlich um eine geprüfte Milchprobe. Natürlich kann
diese Prüfung
auch nachträglich
erfolgen.
-
Die
Genauigkeit lässt
sich softwaremäßig berechnen,
obgleich die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit wesentlich von
der Stabilität
der gewählten
Umgebung bestimmt werden. Bspw. kann eine Temperaturänderung
die Messwerte beeinflussen und eine allmählich verschmutzende Oberfläche der
Glas-Zellwände die
Genauigkeit beeinträchtigen.
-
Eine
wöchentliche
Kalibrierung wird empfohlen; alternativ lässt sich der Fabrikbericht über die
resultierenden Gesamt-Fettwerte als täglicher Pilotprüfung verwenden.
Dadurch lassen sich einzelne Maschinen im Gesamtsystem zu einem
gewissen Grad kalibrieren. Jeden Tag wird nach jedem Melken ein
Gesamt-Fettwert softwaremäßig ausgearbeitet.
-
Beispiel 2c – Interpretation
der Daten
-
Im
ersten Probenlos wurden nur 50 Proben durch eine Messzelle geschickt.
-
In
den Graphen sind die Fett-/Protein-Rohdaten zu sieben Datengruppen
zusammengefasst; es handelt sich um die Streulicht-Ausgangswerte
aus sieben LEDs im Prototyp.
-
Aus
den Beobachtungen ist zu ersehen, dass die Messwerte nicht gleichmäßig über den
Gesamtbereich verteilt und die Messwerte im Vergleich zum Milch-Durchschnitt
verhältnismäßig hoch
sind. Der Grund hierfür
ist, dass die Proben aus Zulieferfarmen in Neuseeland im Spätherbst
unmittelbar vor dem Trocknen der gesamten Herde von Jersey-Kühen stammen.
Dabei wurden Milchfettwerte bis 9 % und mehr beobachtet (nicht in
diesem Datensatz).
-
Jede
Gruppe zeigt eine deutliche Tendenz mit einem Abfall nach rechts.
Der Abfall in den Daten bedeutet, dass der Korrelationsfaktor verhältnismäßig hoch
ist und daher eine gewisse Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine
genauere Schätzung
möglich
ist. Im Gegensatz hierzu liegt in einigen Gruppen von Datenpunkten
eine signifikante Abweichung von diesem allgemeinen abfallenden
Verlauf vor. Dies bedeutet, dass die Informationen, die wir aus
diese Lichtquelle unter diesen Umständen erhalten, etwas weniger
zum vorhergesagten Punkt beitragen als die Daten, die der allgemein
abfallenden Tendenz entsprechen. Diese Punkte geben generell Informationen
zu anderen Feststoffen in der Milch, nicht nur zu Fett. Hier liegt
einer der Gründe, weshalb
für die
Beobachtung mehr als eine Lichtquelle eingesetzt wurde.
-
Nach
der Behandlung aller Datenpunkte nach einem Mehrfachregressionsverfahren
ergeben sich der Korrelationsafaktor und der Schnittpunkt bzw. freie
Term in der Summation der Formel, um die zu berechnenden Datenpunkte
zu erhalten.
-
Den
resultierenden Vorhersagewert erhält man durch Multiplikation
jedes einzelnen Messwerts (Rohdaten) mit dem eigenen Regressionsfaktor
und Addition des Schnittpunkts. Innerhalb der durch den Fehler gegenüber anderen
Verfahren (chemische oder kalibrierte Infrarotbestimmung) gegebenen
Grenzen entspricht dieses Ergebnis sehr genau den gemessenen Fettwerten.
-
Die
Liniengraphen für
Fett und Protein (vergl. bspw. die 7) zeigen
einen guten Zusammenhang zwischen den vorhergesagten und den gemessenen
Protein- und Fettwerten. Bei diesen Versuchen wurde eine relative
Genauigkeit von etwa 5 % über
alles erreicht. jedoch waren die Bedingungen, unter denen diese Messwerte
aufgenommen wurden, weniger als ideal. Es wurde die Temperaturabhängigkeit
(vergl. andere Ergebnisse) nicht berücksichtigt. Die Messwerte wurden
etwa bei (der nie gemessenen) Raumtemperatur aufgenommen.
-
Spätere Untersuchungen
zeigten, dass ein Temperaturanstieg auf etwa 35 °C eine viel bessere Korrelation
mit einer relativen Genauigkeit von besser als 2 % ergab.
-
Nach
unseren Beobachtungen der Temperatur ergaben sich zwischen 30° und 40° nach dem
Erwärmen
der Proben für
die Dauer von etwa 20 min in einem thermostatisch geregelten Wasserbad
die besten Ergebnisse. Normalerweise arbeitet man mit Milch unmittelbar
von der Kuh, die diese die (Körper-)
Temperatur bereits aufweist und die Fettkügelchen/-teilchen unter optimalen
Bedingungen gelöst
enthält,
so dass die Messungen genauer sind.
-
Die
Beobachtungen erfolgten an Losen von je 10 Proben in Temperaturintervallen
von etwa 5°.
Die Temperaturabhängigkeit
ist offensichtlich, aber Idealerweise ist weitere Arbeit auf diesem
Gebiet erforderlich. Aus den Ergebnissen ist zu ersehen, dass bei
etwa 30° der
Fehler nur 1,29 % beträgt.
Alle diese Ergebnisse wurden ohne viele der vorgeschlagenen Verbesserungen
im Aufbau der Prüfzelle
erreicht. Es erscheint klar, dass mit mehr Zeit zur Feinabstimmung
des Verfahrens noch bessere Resultate möglich sind.
-
Beispiel 3a
-
Die 8 zeigt
eine weitere in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Ausführungsform.
Der Hauptteil der Vorrichtung weist zwei Hälften 30a, 30b auf,
die zwischen sich eine Zelle (allgemein mit dem Pfeil 31 bezeichnet)
einschließen.
Die Zelle weist ein vorderes und ein hinteres optisches Fenster 32 bzw. 33 auf,
zwischen denen sich eine Teflon-Flachdichtung 34 befindet.
Die Flachdichtung 34 hält
die Fenster 32, 33 auf Abstand und bestimmt die
Dicke der Probenzelle. Öffnungen 35 im
vorderen Fenster 32 ermöglichen
Milch oder einem anderen Probenfluid, durch den Zu- und den Ablaufkanal 36 bzw. 37 im
Hauptteil 30b zu fließen.
-
In
der hinteren Hälfte 30a des
Hauptteils befinden sich mehrere Öffnungen 38, in die
von Lichtemittern (nicht gezeigt) erzeugte Strahlung gerichtet werden
kann. Handelt es sich um LEDs 38a, können diese direkt in die Öffnungen 38 eingesetzt
werden. Ebenfalls vorgesehen sind einige zusätzliche Öffnungen 39 in der
vorderen Hälfte
des Hauptteils, die optional für
zusätzliche
Emitter (bspw. 39a (in 8 ebenfalls
nicht gezeigt)) verwendbar sind. Im Kontext der 1 dienen
diese Emitter primär
dazu, die Vorrichtung zu einer Reflexionsantwort zu veranlassen.
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Ein
Detektor 40 mit einer Photodiode befindet sich – im wesentlichen
wie dargestellt – in
der vorderen Hälfte 30b des
Haupteils. Zur Auswertung ihrer Antwort ist sie mit einem A/D-Wandler
oder einer anderen Verarbeitungseinrichtung verbunden.
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Die 9 stellt
die Ausführungsform
der 8 in einer alternativen Ansicht dar. Es sei angemerkt, dass
die Ausführungsform
der 8 und 9 sich problemlos dahingehend
modifizieren lässt,
dass sie statt der dargestellten Probenzelle 31 ein Probenröhrchen bzw.
-fläschchen
aufnimmt. Hierzu ist typischerweise eine zylindrische zentrale Öffnung vorzusehen.
An den Teilen 30a, 30b des Hauptteils müssten einige
Modifikationen durchgeführt
werden – einschl.
eines Versatzes des Detektors weiter rückwärts in die Hälfte 30b hinein.
Es kann auch nötig
sein, die Kanäle 38 für die optischen
Pfade so umzulegen, dass sie im wesentlichen auf dem umgesetzten
Detektor 40 konvergieren. Dies ist jedoch nicht unbedingt
nötig;
optische Pfade, die nicht auf dem Detektor 40 konvergieren,
ergeben immer noch ein Signal, das von Teilchen im Fluid gestreut
wird und dem Detektor 40 eine Antwort ermöglicht.
In solchen Fällen
sind die Reflexions-Signalpfade 39 u.U. nicht nötig.
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Beispiel 4
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Die 10 bis 13 zeigen
eine weitere, in der vorliegenden Erfindung verwendete bevorzugte
Ausführungsform.
Diese Ausführungsform
ist zur Analyse eines stetigen Probenmaterialstroms geeignet, obgleich sie
auch für
eine Probenzelle oder ein Probenröhrchen eingerichtet werden
kann. Die Ausführungsform
ist auch geeignet zur Analyse eines breiten Bereichs von Proben
einschl. Milch, Ölen
und Schmiermitteln sowie des Teilchengehalts in Gasen, Blut, biologischen
Fluiden usw.
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Vorgesehen
ist ein Hauptteil 50 mit einem mittigen Durchlass, in dem
ein Glas- oder Quarzglas-Rohr 51 in der Solllage gehalten
ist. An die Enden des Probenrohrs 51 sind Probenleitungen
(52a, 52b) über
Schläuche
angeschlossen. Im Hauptteil 50 sind die Emitter 54 und
Detektoren 55 angeordnet. Die Anordnung der Emitter 54 (Infrarot-LEDs)
und des Detektors 55 (Photodiode) ist in den 12 und 13 deutlich
erkennbar.
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Um
die Stabilität
der Vorrichtung zu verbessern, ist der Hauptteil 50 ein
Block aus – einem
Werkstoff mit normalerweise niedriger bis mittlerer Wärmeleitfähigkeit
und einer sinnvoll großen
Masse. Eine bevorzugte Wahl sind hochdichte Kunststoffe. Zusätzlich ist
zwischen dem Probenrohr 51 und dem Hauptteil 50 sowie
zwischen den Schaltungsplatinen an beiden Enden des Hauptteils und
den auf ihnen befindlichen Bauelementen jeweils ein Spalt als Wärmeisolierung
gegen das Probenrohr 51 belassen.
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Die
LEDs bilden ein 3-dimensionales Feld, wie am besten in den 12 und 13 dargestellt.
Es liegen vier Gruppen von Emitter-LEDs (jeweils mit einer Detektor-LED
zur Rückkopplung – vergl.
unten) vor, die durch das Probenfluid mehrere verschiedene Pfade
zur nachfolgenden Detektion durch die Photodiode 55 anlegen.
Jeweils zwei LEDs 54 jeder Gruppe werden gepulst; der Detektor 55 führt für diese
Gruppe eine Messung aus. Ggf. kann anstelle eines LED-Paares jede
Emitter-LED einzeln gepulst werden, um für die nachfolgende Analyse
mehr Daten zu liefern.
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Es
sei angemerkt, dass auch andere LED-Anordnungen möglich sind.
In einer Variante dieser Ausführungsform
(nicht gezeigt) ist eine Vielzahl im wesentlicher planarer LED-Felder
im wesentlichen in der in 13 gezeigten
Anordnung verteilt vorgesehen. Jedes planare LED-Feld ist mit seinem
Detektor 55 gekoppelt, wobei zur nachfolgenden Analyse
die Messantworten entweder gemittelt oder als separate Daten bereit gestellt
werden.
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In
anderen Varianten und weiteren Ausführungsformen lassen sich Lichtwellenleiter
verwenden, um Licht von einem Emitter einem oder mehr Punkten zuzuleiten.
Dadurch kann man die Anzahl der Emitter und den Umfang der zugehörigen Elektronik
verringern und mögliche
Probleme mit Stabilitätsunterschieden
vermeiden.
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Um
die Stabilität
weiter zu erhöhen,
ist für
jede Emitter-LED 54 eine weitere LED 60 vorgesehen.
Diese Zusatz-LEDs 60 gehören zum gleichen Typ wie die
Emitter-LEDs 54, sind aber nicht als Emitter, sondern als Detektoren
konfiguriert. Die Zusatz-LEDs 60 sind mit der Elektronik
verbunden, um den Strom und/oder die Spannung, die der Emitter-LED
zugeführt
werden so zu beeinflussen, dass das LED-Ausgangssignal konstant und
von Variablen wie Zeit, Temperatur usw. unbeeinflusst bleibt. Andere
Verfahren des Einsatzes der optischen Rückkopplung sind oben bereits
diskutiert und lassen sich in Varianten dieser und in anderen Ausführungsformen
anwenden.
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Weiterhin
lässt sich
ein Heizelement 61 thermisch mit dem Hauptkörper 50 koppeln,
um dessen Verbleib auf einer konstanten Temperatur zu unterstützen. In
diesem Fall wäre
es wünschenswert,
dass der Hauptteil 50 eine gewisse Wärmeleitfähigkeit besitzt, die aber nicht
so hoch ist, dass rasche Temperaturänderungen in der Probe unmittelbar
schnelle Temperaturschwankungen im Hauptteil 50 hervorrufen.
Dieses Problem ließe
sich behandeln, indem man eine Heizspule um den Hauptteil 50 legt
oder Heizelemente in ihm verteilt. Typischerweise würden solche
Heizelemente 61 mittels einem oder mehr Temperaturfühlern 62 gesteuert. Auch
Kühleinrichtungen
(bspw. Peltier-Elemente als eine Wahl) lassen sich zur Kühlung vorsehen.
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Typischerweise
ist die gesamte Anordnung in einem äußeren Gehäuse 63 enthalten,
das die Bauteile in seinem Inneren schützt. Für den dichten Abschluss der
Einheit sorgen Scheiben und O-Ringe.
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Das
Ausgangssignal des Detektors 55 wird auf ein externes Verarbeitungsgerät gegeben.
Es kann mit einem A/D-Wandler, der sich in der in den 12 bis 14 dargestellten
Fühleinrichtung
befinden kann, für die
Analyse umgesetzt werden, wie in vorgehenden Beispielen und der
vorliegenden Beschreibung diskutiert.
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Beispiel 4b
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Die
Ausführungsform
nach 10 bis 13 wird
im allgemeinen in einer Position eingefügt, in der es Probenfluide überwachen
kann. Bevor die Analyse beginnen kann, müssen Kalibrierdaten für den Vergleich und
die nachfolgende Auswertung verfügbar
sein. Typischerweise erfolgt dies durch Einholen eines Satzes von
Bezugsproben, die man dann mit der Vorrichtung analysiert. Dann
zeichnet man die Werte aus dem Detektor auf und führt verschiedene
mathematische Transformationen durch, damit für unbekannte Proben geltende
Detektorwerte in eine Anzeige des Teilchengehaltes in der Probe
umgewandelt werden können.
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Um
die größtmögliche Genauigkeit
zu sichern, besteht ein gewisser Nutzen darin zu gewährleisten, dass
man die Bezugsproben unter ähnlichen
Bedingungen analysiert wie eine normale Fluidprobe. Das läuft oft
auf ähnliche
physikalische Bedingungen hinaus – bspw. die gleiche Temperatur,
die gleiche Art Probenzelle und womöglich auch die gleiche Strömungsstärke. Es
kann jedoch schwierig sein, diese Strömung für eine Bezugsprobe zu generieren – in vielen
Fällen
erzeugt man mit impulsgeschalteten Emittern für die Probe im wesentlichen
stationäre
Momentanwerte, die für
die meisten Anwendungen, die in der vorliegenden Erfindung Anwendung
finden, einen günstigen
Vergleich mit den Bezugsprobendaten gestatten sollten.
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In
der Praxis kann jedes Fühlelement
beim Verlassen des Werks geeicht und ein bestimmter Datensatz zur
nachfolgenden Auswertung durch die Auswerteeinrichtung bei der jedesmaligen
Anwendung des jeweiligen Fühlers
aufgestellt werden. Zusätzlich
kann eine Kalibrierung routinemäßig erfolgen,
um eine Drift von den Werkseinstellungen oder Änderungen der Bedingungen zu
kompensieren, unter denen Proben gemessen werden (falls sie sich
von denen unterscheiden, unter den die ursprünglichen Werksdaten abgeleitet
wurden).
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Für eine Probe
wie Milch hat sich ergeben, dass verschiedene unterschiedliche Konstituenten
sich bestimmen lassen – bspw.
der Fett- und der Eiweißgehalt,
die Zellzahl und auch der Lactosegehalt. Generell nimmt man für die Kalibrierung 50 Proben
mit bekanntem Gehalt an jedem der genannten Inhaltsstoffe (oder der
anderen zu analysierenden Komponente). Eine Bezugsprobe lässt sich
speziell herstellen; auch bereits analysierte Milchproben sind anwendbar.
Die Daten der 50 Proben werden zusammengefasst und die
Detektor-Ausgangswerte mit dem bekannten Gehalt an jeder der Komponente
korreliert. In den meisten Fällen
erhält man
eine gute Korrelation – abhängig vom
richtigen Korrelationsverfahren wie linearer Regression, Fourier-Transformation
(wo geeignet) usw.
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Die
mathematische Transformation, die erforderlich ist, um einen Detektorwert
zu einer Angabe eines bestimmten Konstituententeilchens umzusetzen,
wird dann zur zukünftigen
Verwendung mit dieser Bezugsprobe aufgezeichnet.
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Ähnliche
Techniken wendet man auch auf andere Fluidarten an. Für Stoffe
wie Schmiermittel ist eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen
Arten von Metallteilchen in diesen nicht möglich, obgleich eine Anzeige
des Metallgehalts – im
Gegensatz bspw. zum Kohlenstoffgehalt – typischerweise erreichbar
wäre. Das Vorhandensein
anderer Verunreinigungen, die nicht vollständig in der Hauptstoffphase
(bspw. Wasser) gelöst sind,
lässt sich
oft ebenfalls bestimmen.
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Entsprechend
gibt es für
viele biologische Proben einen Bereich unterschiedlicher Substanzen,
die im Fluid suspendiert sind oder dort sonstwie in einer nicht
gelösten
Form vorliegen. Sehr häufig
haben unterschiedliche Teilchen Absorptions- und Reflexionseigenschaften,
an denen sie sich unter Verwendung der vorliegenden Erfindung unterscheiden
lassen.
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Beispiel 4c
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Die 14 und 15 zeigen
eine in der vorliegenden Erfindung eingesetzte alternative Ausführungsform
zur Verwendung mit Probenröhrchen.
Eine solche Anwendung wäre
die Analyse von Blutprodukten.
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Die
Ausführungsform
weist einen Hauptteil 50 mit einer zentralen Durchlass
auf, in den ein Probenröhrchen 70 einführbar ist.
Ein planares Feld von Emittern 71 ist vorgesehen, obgleich
andere Anordnungen (vergl. bspw. die vorgehenden Beispiele) übernommen
werden können.
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Die
Lichtsignale werden von einem Detektor 72 erfasst, der
mit der gewählten
Auswertungs- bzw. Verarbeitungseinrichtung verbunden ist. Zweckmäßigerweise
ist das Bauelement auf einer Schaltungsplatine 53 angeordnet,
die auch andere zugehörige
Elektronik trägt.
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Beispiel 4d – Überwachungsanwendungen
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Die
bisher beschriebenen Ausführungsformen
waren primär
auf das Erzeugen eines einen Teilchengehalt angebenden Wertes gerichtet.
Unter den zahlreichen vorhersehbaren Anwendungen der vorliegenden Erfindung
ist die als Überwachungs-
bzw. Kontrollinstrument, das nur reagiert, wenn Teilchenkomponenten
einen vorbestimmten Wert überschritten
haben. In diesem Fall braucht die Verarbeitungs- und Auswertungsausrüstung nicht
besonders ausgefeilt zu sein. Typischerweise wird der Fühler zum
Kalibrieren an die normale Verarbeitungseinrichtung angeschlossen
und werden seine Eigenschaften auf einem geeigneten, dem Sensor beigefügten Aufzeichnungsträger (bspw.
einem EPROM-Chip) festgehalten. Weiterhin wird der Fühler einen Teil
der Verarbeitungsausrüstung
enthalten, um zu bestimmen, ob eine Detektorantwort oberhalb eines
vorbestimmten, irgendeiner Grenze entsprechenden Wertes liegt. Bspw.
kann man die Vorrichtung einrichten, bei mehr als 0,5 % Wasser in
einem Schmiermittel anzusprechen. Man würde die Vorrichtung so einstellen,
dass ein Überwachungsteil
auslöst,
wenn das Detektorsignal einen Wert entsprechend 0,5 % Wasseranteil übersteigt.
An diesem Punkt kann die Überwachungsschaltung
in einen anderen Zustand umschalten, um einen geeigneten Alarm auszulösen oder
auf andere Weise auf das Ereignis zu reagieren.
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Es
ist einzusehen, dass eine digitale Auswertung vielleicht die effektivste
Methode ist, um verschiedenen Auswertungsprozesse zu ermöglichen;
es kann jedoch eine einfache analoge Vergleichsschaltung ausreichen,
wenn für
eine einfache Überwachung
nur ein einziger Vergleich nötig
ist, um festzustellen, ob ein Detektorsignal ein bestimmtes Niveau übersteigt
Dadurch lässt
sich der Kostenaufwand senken, obgleich vermutlich die Einheit meistens
kalibriert und eingestellt oder an andere Gerätschaften angeschlossen werden
muss – bei denen
es sich um die volle Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung, wie
sie in anderen Beispielen beschrieben ist, oder um spezialisierte
Gerätschaften
nur für
diese Aufgabe oder Kalibrierfühler
für Überwachungsaufgaben handeln
kann.
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Beispiel 4e – Strömungen
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Zur
Bestimmung von Strömungsstärken lassen
die meisten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sich bei wenig oder keinen Hardware-Änderungen
einsetzen. In einer Ausführungsform
mit impulsgeschaltetem Emitter werden in schneller Folge "Schnappschüsse" der Probe genommen.
Ist das Schnappschussintervall kurz genug, lassen sich (abhängig von
der Gleichförmigkeit
der Probe) zwischen den einzelnen Schnappschüssen Veränderungen der Eigenschaften
feststellen, die von Konzentrationsschwankungen, Bläschen, Teilchen,
Fremdkörper
usw. verursacht werden. Nimmt man stromabwärts einen zweiten (oder dritten usw.)
Schnappschuss auf, lässt
sich im Verarbeitungsteil bzw. der Verarbeitungs-Software ein Vergleich
der Schnappschüsse
auf Gleichheit durchführen
und so die Laufzeit zwischen den beiden Erfassungsorten erfassen.
Da der Abstand der Erfassungsorte bekannt ist, lassen sich die Geschwindigkeit
und damit die Strömungsstärke des
Fluids bestimmen.
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Mit
der Strömungsstärke – ob auf
die erläuterte
Weise oder nach herkömmlichen
Messverfahren erfasst – lässt sich
die Probe weiter analysieren. Eine Bestimmung der Strömungsstärke und
damit das Festlegen eines Zeitbereichs ist nützlich für Analysetechniken wie eine
Fourier-Transformationsanalyse.
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Beispiel 5 – Andere Änderungen
und Verbesserungen
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An
den verschiedenen Ausführungsformen
lassen sich Modifikationen durchführen. Im Infrarotbereich absorbieren
bestimmte Substanzen bestimmte Wellenlängen unterschiedlich stark.
Vermutlich wird auch ihr Reflexionsvermögen sich ändern. Die Empfindlichkeit
der Vorrichtung gegenüber
bestimmten Substanzen, von denen einige gelöst vorliegen können, lässt sich
verbessern durch die Verwendung von Lichtquellen, die mit einer
bestimmten Frequenz strahlen, mit der eine Substanz wechselwirkt.
Entsprechend können
einige der LEDs oder der anderen eingesetzten Lichtquellen Licht
mit Wellenlängen
in diesem Wechselwirkungsbereich abgeben. Wo ein hochempfindlicher
spezieller Sensor zu erstellen ist, können im Prinzip alle Lichtquellen
zu diesem Typ gehören,
um die Empfindlichkeit und Spezifität der Fühlereinheit zu erhöhen. Für die meisten
Ausführungsformen
kann es generell nützlich
sein, mehrere Emitter einzusetzen, die unterschiedliche Wellenlängen erzeugen.
Dadurch lässt
sich, was durch die Wechselwirkung bei einer bestimmten Wellenlänge geschieht,
dem interessierenden Inhaltsstoff der Probe zuschreiben, nicht Konstituenten,
an denen kein Interesse besteht, und so die Analyse unterschiedlicher
Verbindungen in einer einzigen Probe unterstützen.
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Es
sind oben Aspekte der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft beschrieben;
es ist einzusehen, dass sich daran Änderungen und Ergänzungen
durchführen
lassen, ohne die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, zu verlassen.
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LEGENDE ZUR
FIGURENBESCHRIFTUNG
-
4
- 13
- Photozelle
- 20
- Verstärker
- 21
- A/D-Wandlung
- 22
- Mikroprozessor
- 23
- Wirts-PC,
2-Weg-Verbindung zum Mikroprozessor
-
-
- Display and ...
- Sichteinheit und Eingabetastatur
-
6
-
-
- FAT %
- Fettanteil (%)
- Observation
- Beobachtung
-
7
-
-
- Milk Fat Contents ...
- Vorhergesagter und
gemessener Milchfettanteil
- Fat
- Fett
- Samples
- Proben
-
8
-
-
9
-
-
- 'O' Ring
- O-Ring
- Focus point
- Brennpunkt
-
11
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13
-
