Messung mit Laserdiode

spom_04c7fb · 14. November 2007 um 15:25

Hallo,
ich möchte die Kolbenbewegung in einer Spritze messen.
Bis zur Messung bewegt sich der Kolben um etwa 0,5mm. Zur Messung möchte ich gerne eine Auflösung von 0,01mm haben oder noch besser.

Dazu habe ich mir überlegt, einen Laser zu verwenden.
Also auf der einen Seite der Spritze eine Laserdiode, ein Spiegel auf den Kolben lenkt das Laserlicht um, das dann auf ein Array leuchtet.

Meine Frage ist nun, wie dieses Array auszusehen hat? Wie kann ich dann z.B. über einen uC die exakte Position einlesen?
Oder hat jemand einen anderen Vorschlag?

Vielen Dank!

Uwe_Beis · 14. November 2007 um 15:53

Hi,

Das mit dem Umlenkspiegel meine ich ungefähr zu verstehen. Es setzt voraus, dass das „Array“ fest mit dem Kolben verbunden ist ums sich mitbewegen zu können.

Bevor ich darüber diskutiere: Es drängt sich auf, eine elektronische Schieblehre (halt: Einen „Messschieber“, natürlich!) mit der Spritze zu verbinden. Die (der ) hat die geforderte Auflösung und darüber hinaus ein Display und eine Schnittstelle.

Andere Alternative: Einen Differentialtransformator, das ist ein käufliches Spezialteil zur Messung von Längsverschiebungen. Viel robuster als Laserdiode und Spiegel.

Grüße

Uwe

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spom_04c7fb · 14. November 2007 um 16:58

Das Problem mit dem Messschieber ist folgendes: Zwischen Kolben und Spritzenende befindet sich Gas. Demnach ist dieser Raum luftdicht abgeschlossen.
Somit muss ich die Messung von außen vornehmen.

Nach meiner Vorstellung muss sich das „Array“ nicht mitbewegen. Es geht mir nämlich nicht um die Weglänge des Lichtes, sondern um den Auftreffpunkt des Lichtes.

Uwi · 14. November 2007 um 22:51

Hallo,

Das Problem mit dem Messschieber ist folgendes: Zwischen
Kolben und Spritzenende befindet sich Gas. Demnach ist dieser
Raum luftdicht abgeschlossen.

Bevor wie weiter diskutieren noch eine Frage:
Womit bzw. wie wird den der Kolben angetrieben ?

Mache mal genauere Angaben zur Konstruktion (in wie weit ist
die vorgeschrieben) und zu Randbedingungen und wenn möglich
stelle mal eine Skizze über einen Imageloader ein.

Somit muss ich die Messung von außen vornehmen.
Nach meiner Vorstellung muss sich das „Array“ nicht
mitbewegen. Es geht mir nämlich nicht um die Weglänge des
Lichtes, sondern um den Auftreffpunkt des Lichtes.

Mal über ein Interferometer nachgedacht? Ist zwar schon bischen
overengineert, aber trotzdem ein tolles Längenmeßverfahren.

Geht evtl. auch eine hydraulische Übersetzung ?

Gruß Uwi

Reinhard_Kern_4bc529 · 15. November 2007 um 06:55

Dazu habe ich mir überlegt, einen Laser zu verwenden.
Also auf der einen Seite der Spritze eine Laserdiode, ein
Spiegel auf den Kolben lenkt das Laserlicht um, das dann auf
ein Array leuchtet.

Hallo,

das heisst, der Spiegel steht schräg zum Strahl, so dass der Auftreffpunkt des Laserstrahls hin und her wandert, wenn sich der Kolben vor und zurück bewegt:

 Kolben
================= Spiegel
 /\
 / \
 / \
 / \
 / \
 / \
 ^ xxxxxxxxxxxxxxx
 Laser Array

Problem: der Laserstrahl sollte nur ein Pixel des Arrays belichten (sonst würde Auflösung verschenkt). Dann muss aber der Spiegel extrem genau ausgerichtet werden, damit das erste und das xtausendste Pixel gleichermassen in der Mitte getroffen werden.

Alternativ könnte man eine Kamera nehmen, aber die gibt es nicht mit so hoher Auflösung wie Lineararrays.

Ich würde einen fertigen Messtaster verwenden, z.B. von Heidenhain.

Gruss Reinhard

Reinhard_Kern_4bc529 · 15. November 2007 um 06:57

Das Problem mit dem Messschieber ist folgendes: Zwischen
Kolben und Spritzenende befindet sich Gas. Demnach ist dieser
Raum luftdicht abgeschlossen.
Somit muss ich die Messung von außen vornehmen.

Kleiner Tip: alle Teile des Kolbens bewegen sich, nicht nur die Oberfläche zum Gas hin.

Gruss Reinhard

spom_04c7fb · 15. November 2007 um 22:51

Also,man kann sich das folgendermaßen vorstellen:
Auf einer Spritze befindet sich ein Deckel, der den Raum zwischen Kolben und Deckel luftdicht abschließt. In diesem Raum ist eine sog. Gasentwicklungszelle, die bei Kurzschluss über einen Widerstand Gas ausströmt. Dadurch erhöht sich der Druck in dem Raum zwischen Kolben und Deckel, und der Kolben wird nach unten bewegt. Damit strömt die Flüssigkeit, die sich unterhalb des Kolbens befindet, aus, und zwar 0,06 ml/min. Nach 3 Minuten möchte ich messen, wie viel Flüssigkeit ausgeströmt ist, um gegebenenfalls die Gasmenge zu erhöhen bzw. zu verringern. Dies soll über den Wegunterschied des Kolbens festgestellt werden.
Einbauten in die Spritze sind ungünstig, da ich dann Kabel rausführen müsste. Daher meine Idee der Messung von außen mit Hilfe von Laserdioden.

Aber wie?

Ich bin um jeden Vorschlag dankbar!

Uwi · 15. November 2007 um 23:30

Hallo,
da kann man sicher zig Varianten machen.
Allerdings ist die Menge wirklich recht winzig und das
Zurückführen auch eine Wegmessung wohl auch mühselig.

Ich würde das anders versuchen.
Könnte man nicht einfach die austretende Flüssigkeit mit einer
Feinwaage auswiegen?
Feinwaagen mit 1mg Auflösung sind kein Hexenwerk. Anschluß an
PC geht auch, so daß man auch den Verlauf recht gut erfassen kann.

Gruß Uwi

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Reinhard_Kern_4bc529 · 16. November 2007 um 02:42

… Damit strömt die Flüssigkeit, die sich
unterhalb des Kolbens befindet, aus, und zwar 0,06 ml/min.
Nach 3 Minuten möchte ich messen, wie viel Flüssigkeit
ausgeströmt ist, um gegebenenfalls die Gasmenge zu erhöhen
bzw. zu verringern. Dies soll über den Wegunterschied des
Kolbens festgestellt werden.

Hallo,

sehe ich das richtig, dass sich der Kolben um 1 bis 2 mm bewegt?

Ich würde seitlich eine Digitalkamera mit ein paar Megapixel anbauen (ich setze voraus, dass die Spritze aus Glas ist, wieso sonst Laserdioden), als Video Input benutzen, mit einer Makro-Optik, die den Kolben-Weg möglichst formatfüllend abbildet. Dann kannst du nach einmaliger Eichung die Kolbenbewegung am Bildschirm ablesen. Ist jedenfalls viel billiger und auch übersichtlicher als jede Laserei.

Gruss Reinhard

spom_04c7fb · 16. November 2007 um 11:00

Hallo,

der Durchmesser der Spritze beträgt 29,3mm. Also bewegt sich der Kolben nicht mal 0,5mm bei 180ul in 3 Minuten.
Das mit der Kamera habe ich mir auch schon durch den Kopf gehen lassen. Nur benötige ich dazu eine ziemlich kleine, da das ganze System auch noch in ein möglichst kleines Gehäuse eingebaut werden soll.

Könnte man nicht einfach die austretende Flüssigkeit mit einer
Feinwaage auswiegen?

Das wäre auch eine sehr gute Idee. Nur sehe ich ein Problem darin, wenn man das System kippt oder gar auf den Kopf stellt.

Habe mir auch noch überlegt, aus einem Scanner die Scannerzeile auszubauen und diese zu nutzen. Nur habe ich keine Ahnung, wie man eine Scannerzeile anspricht.

Uwi · 17. November 2007 um 21:03

Hallo,

der Durchmesser der Spritze beträgt 29,3mm. Also bewegt sich
der Kolben nicht mal 0,5mm bei 180ul in 3 Minuten.

Das ist eben sehr wenig Meßeffekt.
Sicher gibt es Methoden, das zu messen, aber IMHO so wie du das
haben willst sehr aufwendig und sehr teuer.

Wie wäre es, wenn man den Kolben mit einem Meßmikroskop
beobachtet. Daran könnte man dann auch eine normale
handelsübliche Kamera adaptieren.
Oder eine Kamera mit gutem Makroobjektiv.
Dann muß die Kopplung zu Spritze robust sein.

Um den Meßeffekt (Weg) deutlich zu verlängern, könnte man auch
eine hydraulische Übersetzung machen.
Lass die Flüssigkeit über einen Schlauch in eine kleinere
Spritze laufen. Bei ca. 5mm Durchmesser hättest du einen Hub,
der ca. 40-fach größer wäre.
Wenn Du einen langen Schlauch bzw. eine Kapilare als Anzeige
nimmst, kann man auch eine Übersetzng von 1:1000 und mehr
erreichen. Dann hättest du ca. 500mm pro 3min.

Weitere Methode wäre z.B. die Flüssigkeit über Schlauch in ein
geschlossenes Volumen zu leiten. Dort kann man eine Druckmessung
machen (bis ca. 0,01 mbar Auflösung ist gut realisierbar).
Das ganze wäre aber natürlich Temperaturabhängig.
Temperatur kann man aber recht genau messen und so den
Fehler kompensieren oder wenn möglich während der Messung
konstant halten.

Man kann auch die flüssigkeit in eine Kammer mit einer Membrane
einleiten, so daß die Flüssigkeit einen Ausschlag verursacht.
Meßuhren mit 1um Auflösung sind kein Problem.

Das mit der Kamera habe ich mir auch schon durch den Kopf
gehen lassen. Nur benötige ich dazu eine ziemlich kleine, da
das ganze System auch noch in ein möglichst kleines Gehäuse
eingebaut werden soll.

Minikamera mit passender Makro-Optik kann bestimmt bis zu
einem Sehfeld von wenigen mm bekommen.

Könnte man nicht einfach die austretende Flüssigkeit mit einer
Feinwaage auswiegen?

Das wäre auch eine sehr gute Idee. Nur sehe ich ein Problem
darin, wenn man das System kippt oder gar auf den Kopf stellt.

Wenn die Flüssigkeit über einen Schlauch geführt wird und
der Austritt durch eine Kanüle erfolgt, dann tropft es nur
langsam heraus. Da könnte sogar die Tropfenzahl ein gutes
maß für den Volumenstrm sein. Detection z.B. Lichtschranke
oder messen des Aufpralls per Drucksensor usw.
Der Schlauch muß doch nicht mitbewegt werden, oder?

Habe mir auch noch überlegt, aus einem Scanner die
Scannerzeile auszubauen und diese zu nutzen. Nur habe ich
keine Ahnung, wie man eine Scannerzeile anspricht.

Du solltest dich nicht an solche Varianten festbeißen, die
du eh nicht realisieren kannst. Denke mal bischen mehr über
alternative Konzepte nach, anstatt immer nur irgend einen
Hightec-Schnickschnack nach zulaufen.

Gruß Uwi