DE102008058785A1 - Process microscope for monitoring e.g. chemical process in industrial application, has lighting optics turned towards process medium, where lighting optics and light source are successively arranged within heat-guiding cylinders - Google Patents

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Abstract

The microscope has a lighting unit and a camera unit accommodated in same or separate heat-guiding cylinders (3) that are arranged in same or separate outer protective cylinders (1). The camera unit has a projection lens (9) that is turned towards a process medium (12), where the projection lens and a camera (10) are successively arranged within the heat-guiding cylinders. The lighting unit has a lighting optics (6) that is turned towards the process medium, where the lighting optics and a light source (5) are successively arranged within the heat-guiding cylinders.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Visualisierung und Vermessung von mikroskopischen Vorgängen in Prozessen bei hoher Temperatur und/oder hohem Druck.The The invention relates to an arrangement for optical visualization and Measurement of microscopic processes in processes at high Temperature and / or high pressure.

In vielen Industriezweigen, wie der Chemie-, Bio-, Pharma-, Umwelt- und Energieverfahrenstechnik sind chemische und physikalische Prozesse mittels geeigneter Prozessinstrumentierung zu beobachten, zu überwachen und zu steuern. Dies trifft insbesondere auf Stoffgemischströmungen in der Chemieverfahrenstechnik, der Bioverfahrenstechnik und der Lebensmittelherstellung zu.In many industries, such as the chemical, biotechnology, pharmaceutical, environmental and energy process engineering are chemical and physical processes observe, monitor, by means of suitable process instrumentation and to control. This applies in particular to mixed substance flows chemical engineering, bioprocess engineering and food production to.

Mikroskopie-Beobachtungssysteme sind dabei von besonderem Interesse, da sie dynamische Vorgänge auf mikroskopischen Skalen, etwa die Vitalität von Mikroben, die Ausbildung von Biofilmen oder das Wachstum von Partikeln, einer Beobachtung zugänglich machen. Aus der Literatur ist eine Vielzahl prozessmikroskopischer Systeme bekannt. Zumeist bestehen diese Lösungen aus einer einfachen Kombination einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit mit einer abbildenden Optik. Alle bekannten Lösungen können nur bei ausreichend niedrigen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden, da immer Teile des abbildenden Systems (Optiken, Kunststoffteile) bzw. Elektronikbestandteile (LED-Beleuchtung, Kamerakomponenten) Limitationen bezüglich des Drucks und hauptsächlich der Temperatur unterliegen.Microscopy observation systems are of particular interest because they have dynamic processes microscopic scales, such as the vitality of microbes, training of biofilms or the growth of particles, an observation accessible do. From the literature is a variety of process microscopy Known systems. In most cases, these solutions consist of a simple Combination of a lighting unit and a camera unit with an imaging optics. All known solutions can only be sufficiently low To press and temperatures are used, as always parts of the imaging Systems (optics, plastic parts) or electronic components (LED lighting, camera components) Limitations regarding of pressure and mainly subject to temperature.

Systemlösungen für Prozesse mit Temperaturen oberhalb 50°C sehen daher immer eine genügende räumliche Trennung der temperaturempfindlichen Bauteile vom Prozessort vor. Dies ist aber oft ein Nachteil, da besonders die Übertragung des Bildes vom Prozessort zur Kameraeinheit über lange Distanzen mittels einer temperaturunempfindlichen Optik zu hohen Lichtverlusten im Strahlengang führt. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass aufgrund des Lichtverlustes lange Belichtungszeiten der Kamera erforderlich sind, die es nicht möglich machen, schnelle Prozesse scharf abzubilden.System solutions for processes with temperatures above 50 ° C therefore always see a sufficient spatial Separation of the temperature-sensitive components from the processor. But this is often a disadvantage, especially the transmission the image from the processor to the camera unit over long distances by means of a temperature insensitive optics to high light losses in the Beam path leads. This may possibly cause that due to the loss of light long exposure times of the camera are required, which does not allow fast processes sharp picture.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung für ein Prozessmikroskop anzugeben, bei dem die Kameraeinheit möglichst nah am Prozessort angeordnet ist. Dabei soll die Anordnung durch konstruktive Gestaltung in der Lage sein, die Kameraeinheit vor unzulässig hohen Temperaturen, die am Prozessort auftreten können, zu schützen und ohne gleichzeitig einen starken Wärmeentzug aus dem Prozessmedium über eine aktive Kühlung des Konstruktionsmaterials des Prozessmikroskops zu verursachen.task The present invention is an arrangement for a process microscope specify where the camera unit as close to the processor location is. The arrangement should by constructive design in the Be able to protect the camera unit from inadmissibly high temperatures, the can occur at the processor to protect and at the same time a strong heat extraction from the process medium via a active cooling of the design material of the process microscope.

Die Erfindung überwindet die Nachteile bekannter Lösungen durch folgende Merkmale:

  • – Beleuchtungsoptik und Kamera sind in einem einzigen bzw. in getrennten Schutzkörpern untergebracht, innerhalb derer eine Vakuumkammer für eine optimale thermische Isolation sorgt.
  • – Die durch die Vakuumkammer gestrahlte bzw. über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme wird von den innen liegenden Strukturen des Prozessmikroskops über eine wärmeleitende Zylinderringstruktur und einen daran angeschlossenen Kühlkörper abgeführt.
The invention overcomes the disadvantages of known solutions by the following features:
  • - Lighting optics and camera are housed in a single or in separate protective bodies, within which a vacuum chamber ensures optimum thermal insulation.
  • The heat radiated through the vacuum chamber or conducted via existing material connections is dissipated by the internal structures of the process microscope via a thermally conductive cylinder ring structure and a heat sink connected thereto.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. die Abbildungen zeigen jeweils einen Längsschnitts des erfindungsgemäßen ProzessmikroskopsThe Invention will be explained below with reference to embodiments. the Figures each show a longitudinal section of the process microscope according to the invention

1: mit getrennter Beleuchtungs- und Kameraeinheit bzw. 1 with separate lighting and camera unit or

2: mit verbundener Beleuchtungs- und Kameraeinheit. 2 : with connected lighting and camera unit.

Das Prozessmikroskop besteht aus einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, die getrennt (1) oder miteinander verbunden (2) angeordnet sein können. Vorteilhafterweise wird eine zylindrische Form für den Schutzkörper gewählt, deshalb ist im Weiteren von Schutzzylinder die Rede. Auch alle anderen inneren Komponenten, z. B. Wärmeleitzylinder, sind nicht an die zylindrische Form gebunden.The process microscope consists of a lighting unit and a camera unit, which are separated ( 1 ) or interconnected ( 2 ) can be arranged. Advantageously, a cylindrical shape is selected for the protective body, therefore, in the following of protective cylinder is mentioned. All other internal components, such. B. Wärmeleitzylinder are not bound to the cylindrical shape.

Die beiden Einheiten haben einen ähnlichen Aufbau. Sie bestehen aus einem äußeren Schutzzylinder (1), sowie einem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3), der die optoelektronischen Funktionskomponenten umhüllt. Zwischen dem äußeren Schutzzylinder (1) und dem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3) ist eine zylindrische Vakuumkammer (2) angeordnet, die eine thermische Isolation der inneren Komponenten gewährleistet. Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit sind jeweils vom Prozessmedium (12) durch Schutzfenster (7) getrennt, welche zum Beispiel aus Saphirglas bestehen können. Diese sind in geeigneter Weise, zum Beispiel durch eine Verschraubung über eine Dichtung (8) oder Verklebung oder Verschweißen oder ähnliches, mit dem äußeren Schutzzylinder (1) druckfest verbunden.The two units have a similar structure. They consist of an outer protective cylinder ( 1 ), and an internal heat conduction cylinder ( 3 ), which envelops the optoelectronic functional components. Between the outer protective cylinder ( 1 ) and the internal heat conduction cylinder ( 3 ) is a cylindrical vacuum chamber ( 2 ), which ensures thermal insulation of the internal components. Lighting unit and camera unit are each from the process medium ( 12 ) through protective windows ( 7 ), which may be made of sapphire glass, for example. These are suitably, for example, by a screwing over a seal ( 8th ) or gluing or welding or the like, with the outer protective cylinder ( 1 ) connected pressure resistant.

Innerhalb des Wärmeleitzylinders (3) sind die temperatur- und druckempfindlichen Komponenten angeordnet. Dies sind die Lichtquelle (5) mit vorgesetzter Beleuchtungsoptik (6) in der Beleuchtungseinheit sowie die Abbildungsoptik (9) und die Kamera (10) in der Kameraeinheit. Die elektrischen Kabel (11) verlassen die Beleuchtungseinheit bzw. die Kameraeinheit am prozessfernen Ende des Bauteils. Auf der dem Prozessort abgewandten Seite von Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit ist jeweils ein Kühlkörper (4) am äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet, der die durch die Vakuumkammer gestrahlte bzw. über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme vom Wärmeleitzylinder (3) an die Umgebung abführt. Die beiden Teile, Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit, des Prozessmikroskops sind einzeln in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Einschraubung in die Gefäßwand (13) in das Prozessmedium (12) eingebracht und gegenüberliegend angeordnet, so dass sich ein Beobachtungsspalt (14) im Prozessmedium (12) ergibt, in welchem das Prozessmikroskop Bilder aufzeichnen kann.Within the heat conduction cylinder ( 3 ), the temperature and pressure sensitive components are arranged. These are the light source ( 5 ) with pre-set illumination optics ( 6 ) in the illumination unit and the imaging optics ( 9 ) and the camera ( 10 ) in the camera unit. The electrical cables ( 11 ) Leave the lighting unit or the camera unit at the process remote end of the component. On the side facing away from the processor lighting unit and camera unit is one each Heat sink ( 4 ) on the outer protective cylinder ( 1 ), which directs the heat radiated through the vacuum chamber or via existing material connections heat from the heat conducting cylinder ( 3 ) dissipates to the environment. The two parts, lighting unit and camera unit, of the process microscope are individually in a suitable manner, for example by screwing into the vessel wall ( 13 ) into the process medium ( 12 ) and arranged opposite one another so that an observation gap ( 14 ) in the process medium ( 12 ), in which the process microscope can record images.

Für eine Variante mit verbundener Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit (2) ist der Aufbau so gewählt, dass äußerer Schutzzylinder (1), Vakuumkammer (2) und Wärmeleitzylinder (3) die Komponenten Lichtquelle (5), Beleuchtungsoptik (6), Beobachtungsspalt (14), Abbildungsoptik (9) und Kamera (10) umhüllen. Der Beobachtungsspalt (14) ist als Durchbruch durch den äußeren Schutzzylinder sowie den Wärmeleitzylinder (3) gestaltet. Das Prozessmedium (12) kann diesen Durchbruch durchdringen. Der Durchbruch ist mit Material ausgekleidet, welches als Barriere zwischen Prozessmedium (12) und dem Volumen innerhalb des äußeren Schutzzylinders (1) dient. Das elektrische Kabel (11) der Beleuchtungseinheit wird zur Kameraeinheit durch die Vakuumkammer (2) oder einen zusätzlichen Kanal geführt. Die bzw. der Wärmeleitzylinder (3) ist ebenfalls mit einem externen Kühlkörper (4) verbunden.For a variant with connected lighting unit and camera unit ( 2 ), the structure is chosen so that outer protective cylinder ( 1 ), Vacuum chamber ( 2 ) and Wärmeleitzylinder ( 3 ) the components light source ( 5 ), Illumination optics ( 6 ), Observation gap ( 14 ), Imaging optics ( 9 ) and camera ( 10 wrap). The observation gap ( 14 ) is as a breakthrough by the outer protective cylinder and the Wärmeleitzylinder ( 3 ) designed. The process medium ( 12 ) can penetrate this breakthrough. The breakthrough is lined with material that acts as a barrier between process media ( 12 ) and the volume within the outer protective cylinder ( 1 ) serves. The electric cable ( 11 ) of the lighting unit becomes the camera unit through the vacuum chamber ( 2 ) or an additional channel. The or the Wärmeleitzylinder ( 3 ) is also equipped with an external heat sink ( 4 ) connected.

Zusätzlich kann die Vakuumkammer bei beiden Varianten auch von einer Kühlflüssigkeit durchstömt werden, die zusätzlich zum Kühlkörper (4) verwendet wird.In addition, the vacuum chamber can also be flowed through by a cooling liquid in both variants, which in addition to the heat sink ( 4 ) is used.

11
äußerer Schutzzylinderouter protection cylinder
22
Vakuumkammervacuum chamber
33
WärmeleitzylinderWärmeleitzylinder
44
Kühlkörperheatsink
55
Lichtquellelight source
66
Beleuchtungsoptikillumination optics
77
Schutzfensterproof windows
88th
Dichtungpoetry
99
Abbildungsoptikimaging optics
1010
Kameracamera
1111
elektrisches Kabelelectrical electric wire
1212
Prozessmediumprocess medium
1313
Gefäßwandvessel wall
1414
Beobachtungsspaltobservation gap

Claims (9)

Prozessmikroskop bestehend aus einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einheiten in einem bzw. in getrennten Wärmeleitzylindern (3) untergebracht sind, die jeweils in einem oder getrennten äußeren Schutzzylindern (1) angeordnet sind.Process microscope consisting of a lighting unit and a camera unit, characterized in that the two units in one or in separate Wärmeleitzylindern ( 3 ), each in one or separate outer protective cylinders ( 1 ) are arranged. Prozessmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Kameraeinheit aus einer Kamera (10) und einer Abbildungsoptik (9), die dem Prozessmedium (12) zugewandt ist, besteht, die hintereinander innerhalb eines Wärmezylinders (3) angeordnet sind und b. die Beleuchtungseinheit aus einer Lichtquelle (5) und einer Beleuchtungsoptik (6), die dem Prozessmedium (12) zugewandt ist, besteht, die hintereinander innerhalb eines Wärmezylinders (3) angeordnet sind.Process microscope according to claim 1, characterized in that a. the camera unit from a camera ( 10 ) and an imaging optics ( 9 ), the process medium ( 12 ), which, one behind the other within a heat cylinder ( 3 ) are arranged and b. the lighting unit from a light source ( 5 ) and an illumination optics ( 6 ), the process medium ( 12 ), which, one behind the other within a heat cylinder ( 3 ) are arranged. Prozessmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils einem äußeren Schutzzylinder (1) und dem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3) eine Vakuumkammer (2) angeordnet ist.Process microscope according to one of the preceding claims, characterized in that between in each case an outer protective cylinder ( 1 ) and the internal heat conduction cylinder ( 3 ) a vacuum chamber ( 2 ) is arranged. Prozessmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitzylinder (3) außerhalb des Gefäßes mit einem Kühlkörper (4) verbunden ist, der die durch die Vakuumkammer (2) gestrahlte bzw. über vorhandenen Materialverbindungen geleitet Wärme vom Wärmeleitzylinder (3) an die Umgebung abführt.Process microscope according to claim 3, characterized in that the heat-conducting cylinder ( 3 ) outside the vessel with a heat sink ( 4 ) connected through the vacuum chamber ( 2 ) blasted or passed over existing material compounds heat from the Wärmeleitzylinder ( 3 ) dissipates to the environment. Prozessmikroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs- und die Kameraeinheit durch Schutzfenster (7) vom Prozessmedium (12) getrennt sind.Process microscope according to claim 3 or 4, characterized in that the illumination and the camera unit by protective windows ( 7 ) from the process medium ( 12 ) are separated. Prozessmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines äußeren Schutzzylinders (1) a. der Schutzzylinder (1) sowie der bzw. die Wärmeleitzylinder (3) zwischen Beleuchtungsoptik (6) und Abbildungsoptik (9) durchbrochen sind, so dass sich das Prozessmedium (12) innerhalb des Durchbruchs beobachtbar wird, b. der Durchbruch innen mit Material auskleidet ist, welches eine druckdichte Barriere zwischen Prozessmedium (12) und dem Inneren des äußeren Schutzzylinders (1) bildet, c. im Bereich des Durchbruchs jeweils direkt vor der Beleuchtungsoptik (6) und der Abbildungsoptik (9) Schutzfenster (7) angeordnet sind, durch welche die Beobachtung des Prozessmediums (12) in dem durch den Durchbruch definierten Beobachtungsspalt (14) ermöglicht wird. d. die zur Lichtquelle laufenden elektrischen Kabel (11) durch die Vakuumkammer (2) oder einen zusätzlichen Kanal geführt werden.Process microscope according to claim 5, characterized in that when using an outer protective cylinder ( 1 ) a. the protective cylinder ( 1 ) as well as the heat-conducting cylinder (s) ( 3 ) between illumination optics ( 6 ) and imaging optics ( 9 ) are broken, so that the process medium ( 12 ) becomes observable within the breakthrough, b. the breakthrough inside is lined with material which creates a pressure-tight barrier between the process medium ( 12 ) and the interior of the outer protective cylinder ( 1 ), c. in the area of the breakthrough directly in front of the illumination optics ( 6 ) and the imaging optics ( 9 ) Protection window ( 7 ), by which the observation of the process medium ( 12 ) in the observation gap defined by the breakthrough ( 14 ). d. the electrical cables running to the light source ( 11 ) through the vacuum chamber ( 2 ) or an additional channel. Prozessmikroskop nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei die Beleuchtungs- und die Kameraeinheit auch vertauscht im Schutzzylinder (1) angeordnet sein können.Process microscope according to claim 6, characterized in that in the illumination and the camera unit also interchanged in the protective cylinder ( 1 ) can be arranged. Prozessmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung getrennter äußerer Schutzzylinder (1) a. die beiden Schutzzylinder (1) mit Beleuchtungs- bzw. Kameraeinheit im Prozessmedium (12) durch geeignete Montage in Gefäßwände (13) gegenüberliegend angeordnet werden, so dass zwischen den Schutzfenstern (7) ein Beobachtungsspalt (14) bleibt. b. dass die dem Prozessmedium (12) zugewandten Stirnseiten der äußeren Schutzzylinder (1) der Kameraeinheit und der Beleuchtungseinheit mit einem Schutzfenster (7) versehen sind, welches mittels geeigneter Methoden druckdicht mit dem Schutzzylinder (1) verbunden ist, so dass ein Eindringen des Prozessmediums (12) in das Innere des Schutzzylinder (1) verhindert wird.Process microscope according to claim 5, characterized in that when using separate outer protective cylinder ( 1 ) a. the two protective cylinders ( 1 ) with illumination or camera unit in the process medium ( 12 ) by suitable mounting in vessel walls ( 13 ) are arranged opposite one another so that between the protective windows ( 7 ) an observation gap ( 14 ) remains. b. that the process medium ( 12 ) facing end faces of the outer protective cylinder ( 1 ) of the camera unit and the lighting unit with a protective window ( 7 ), which by means of suitable methods pressure-tight with the protective cylinder ( 1 ), so that penetration of the process medium ( 12 ) into the interior of the protective cylinder ( 1 ) is prevented. Prozessmikroskop nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen äußerem Schutzzylinder (1) und Wärmeleitzylinder (3) befindliche Raum mit einem Kühlmedium gefüllt ist oder von einem Kühlmedium durchflossen wird.Process microscope according to claim 3, characterized in that the between outer protective cylinder ( 1 ) and Wärmeleitzylinder ( 3 ) is filled space with a cooling medium or is traversed by a cooling medium.
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