DE102004057957A1

DE102004057957A1 - Trübungssensor

Info

Publication number: DE102004057957A1
Application number: DE200410057957
Authority: DE
Inventors: Klaus Alfred Dr. Erler
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-08

Abstract

Der erfindungsgemäße Trübungssensor umfasst eine erste Leuchtdiode, welche Licht mit mindestens einer ersten Wellenlänge emittiert; eine zweite Leuchtdiode, welche Licht mindestens einer zweiten Wellenlänge emittiert; mindestens einen Mess-Photoempfänger zum Erfassen des von einer Probe gestreuten Lichtes, wobei der Mess-Photoempfänger ein intensitätsabhängiges Mess-Signal ausgibt; und eine Ansteuerungsschaltung zum Betreiben der ersten und/oder zweiten Leuchtdiode und eine Auswertungsschaltung zum Verarbeiten des von dem Detektor ausgegebenen Primärsignals. Die Ansteuerungsschaltung umfasst vorzugsweise einen ersten Auswahlschalter, mit welchem eine der Leuchtdioden ausgewählt werden kann. Die erste Leuchtdiode kann beispielsweise eine Infrarot-LED und die zweite eine Weißlicht-LED sein, welche vorzugsweise eine blau emittierende LED mit einem Lumineszenzwandler umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Trübungsmessung.

Derzeit gibt es in verschiedenen Ländern unterschiedliche Normen zur Trübungsmessung als Methode zur Bestimmung von Wasserqualität. Beispielsweise wird in der europäischen Union die Messung mit einer monochromatischen Lichtquelle gefordert, wobei als Lichtquelle eine Diode geeigneter Wellenlänge zum Einsatz kommt, beispielsweise gemäß der ISO 7027 eine Nah-Infrarot-LED. Andererseits fordert die Environmental Protection Agency (EPA) in den USA eine Messung gemäß der EPA Methode 180.1:
mit einer Weisslichtquelle, wobei die Weisslichtquelle das Spektrum eines Wolframfilaments aus einem vorgegebenen Temperaturbereich aufweisen muss.

Im einzelnen sind die Normen durch die folgenden Forderungen charakterisiert

ISO 7027:

• Nephelometrisches Konzept
• 1 Lichtquelle mit 1 (oder mehreren) Detektoren jeweils im 90°-Winkel
• Wellenlänge: 860 nm
• Bandbreite: 60 nm maximal
• Einstrahlungs-Divergenz: 0
• Einstrahlungs-Konvergenz: 2,5° maximal
• Meßwinkel: 90°
• Meßapertur: 20°-30° maximal

EPA Methode 180.1:

• Nephelometrisches Konzept
• 0-40 NTU (höhere Trübungen nur über Verdünnung des Mediums)
• 1 Lichtquelle mit 1 (oder mehreren) Detektoren jeweils im 90°-Winkel
• Lichtquelle: Tungsten filament lamp mit Farbtemperatur zwischen 2200°-3000°K
• Lichtweg in der Meßkammer: 10 cm maximal
• Meßwinkel: 90°
• Meßapertur: +/– 30° maximal 60° insges.
• Spektrales Meßfenster: 400-600 nm
• Meßzelle/Küvette: farblos, transparent, aus Glas oder Plastik

Aus dem Vergleich der beiden Forderungskataloge ergibt sich, dass es abgesehen von der Art der Lichtquelle prinzipielle Übereinstimmungen gibt. Im Sinne einer erhöhten Flexibilität und einer Kostenreduktion wäre es daher sinnvoll, wenn ein Trübungsmessgerät beide Normen erfüllen bzw. den Grundprinzipen beider Normen genügen würde.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein solches Trübungsmessgerät bereitzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine einfache Kombination beider Messprinzipien verworfen, stattdessen wird die Messung mit der Weißlichtquelle folgendermaßen modifiziert. Anstelle eines Wolframfilaments wird eine Weißlicht-Diode vorgesehen, die beispielsweise eine Diode mit blauer Emission und einen Lumineszenzwandler umfasst. Somit können beide Lichtquellen mit einer weitgehend identischen Schaltung betrieben werden. Insbesondere können beide Lichtquellen auch im Pulsbetrieb betrieben werden können.

Der erfindungsgemäße Trübungssensor umfasst
eine erste Leuchtdiode, welche Licht mit mindestens einer ersten Wellenlänge emittiert;
eine zweite Leuchtdiode, welche Licht mindestens einer zweiten Wellenlänge emittiert;
mindestens einen Mess-Photoempfänger zum Erfassen des von einer Probe gestreuten Lichtes, wobei der Mess-Photoempfänger ein intensitätsabhängiges Mess-Signal ausgibt; und
eine Ansteuerungsschaltung, zum Betreiben der ersten und/oder zweiten Leuchtdiode und
eine Auswertungsschaltung zum Verarbeiten des von dem Detektor ausgegebenen Primärsignals.

Die Ansteuerungsschaltung umfasst vorzugsweise einen ersten Auswahlschalter mit welchem eine der Leuchtdioden ausgewählt werden kann.

Die erste Leuchtdiode kann beispielsweise eine Infrarot-LED und die zweite eine Weißlicht-LED sein, welche vorzugsweise eine blau emittierende LED mit einem Lumineszenzwandler umfasst.

Die Ansteuerungsschaltung kann insbesondere eine Schaltung zum Betreiben einer Diode im Pulsbetrieb sein.

Der mindestens eine Mess-Photoempfänger kann beispielsweise ein Breitbandempfänger sein.

Der erfindungsgemäße Trübungssensor kann weiterhin mindestens einen Referenzempfänger aufweisen, der die Intensität der Strahlung der ersten bzw. zweiten Leuchtdiode erfasst. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Trübungssensor einen ersten Referenzempfänger für die Bestimmung der Intensität der Strahlung der ersten Leuchtdiode und einen zweiten Referenzempfänger zur Bestimmung der Intensität der zweiten Leuchtdiode.

Der erfindungsgemäße Trübungssensor umfasst in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Gehäuse, welches in seinem Innern mindestens eine Kammer aufweist, welche von einem Medienraum durch mindestens ein Fenster getrennt ist, wobei
die erste Leuchtdiode und die zweite Leuchtdiode sowie der mindestens eine Mess-Photoempfänger in der mindestens einen Kammer angeordnet sind,
von der ersten und der zweiten Leuchtdiode ein erster bzw. ein zweiter Beleuchtungspfad in den Medienraum verläuft, und
aus dem Medienraum sich ein Streulichtpfad zu dem mindestens einen Detektor erstreckt.

Der Streulichtpfad verläuft vorzugsweise senkrecht zu dem ersten bzw. zweiten Beleuchtungspfad.

In dem ersten bzw. zweiten Beleuchtungspfad kann optional ein Filter vorgesehen sein, beispielsweise ein Bandpassfilter im ersten Beleuchtungspfad.

Der erste und der zweite Beleuchtungspfad können jeweils einen Strahlteiler aufweisen um einen Teil der Strahlung zu dem ersten bzw. zweiten Referenzempfänger auszukoppeln. Gleichermaßen können sich direkt von der ersten und zweiten Leuchtdiode Referenzlichtpfade zu dem ersten und zweiten Referenzempfänger erstrecken, wobei die Referenzlichtpfade in einer anderen Richtung als die Beleuchtungspfade verlaufen. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung verlaufen der erste und der zweite Referenzlichtpfad im wesentlichen senkrecht zu dem jeweiligen Beleuchtungspfad. Ein Referenzsignal der Referenzempfänger wird ggf. der Auswertungsschaltung zur Normierung des Ausgangssignals des mindestens einen Mess-Photoempfängers zugeführt. Die Referenzempfänger können vorzugsweise mit einem zweiten Auswahlschalter passend zu den Leuchtdioden ausgewählt werden. Der zweite Auswahlschalter kann mit dem ersten Auswahlschalter gekoppelt, von diesem abhängig, oder in diesen integriert sein.

Das Gehäuse kann einen metallischen Werkstoff, Kunststoff oder Glas aufweisen, wobei bei einem Glasgehäuse die Fenster einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein können.

Der Trübungssensor kann beispielsweise als Tauchsensor in einem ruhenden Medium eingesetzt werden, oder in einem strömenden Medium angeordnet sein, in dem der Medienraum bzw. eine so genannte Messkammer von dem Medium durchströmt wird.

Die Erfindung wird nun anhand eines in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
1: ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Trübungssensors;
2: ein ungefiltertes und ein gefiltertes Spektrum einer Weißlichtdiode; und
3: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Trübungssensors.
Das In 1 gezeigte Trübungsmessgerät 1 umfasst zur Speisung jeweils eines Messpfades mit Weißlicht bzw. mit Infrarotlicht eine Weißlichtdioden 2, welche eine blau emittierende LED und einen Lumineszenzwandler umfasst, um weißes Licht zu emittieren, sowie eine Infrarot-LED 3 mit einer Emission bei 860 nm.
Das Spektrum einer geeigneten Weißlichtdiode ist in 2 mit der gestrichelten Linie dargestellt. Die Lumineszenzwandlung ist nicht vollständig, so dass das Spektrum noch ein deutliches Maximum im blauen Spektralbereich aufweist. Durch einen geeigneten Kantenfilter 15 kann Intensitätsverteilung des Weißlichts jedoch korrigiert werden, wie anhand der durchgezogenen Linie ersichtlich ist.
Geeignete Weißlicht-LEDs sind beispielsweise von der Firma Oshino Lamps (Nürnberg Deutschland) erhältlich. Derzeit wird ein Kantenfilter der Firma Schott (Mainz, Deutschland) bevorzugt, welcher den Blauanteil des Spektrums reduziert.
Nahe den beiden LEDs können jeweils geeignete Kombinationen von Blenden und/oder Linsen angeordnet werden, um jeweils einen ausreichend kollimierten Strahl für die Messpfade bereitzustellen.
Das Trübungsmessgerät umfasst weiterhin einen hinreichend breitbandigen Photoempfänger 4, der sowohl Weißlicht als auch Infrarotlicht mit hinreichender Empfindlichkeit erfassen kann. Der Weißlichtdiode ist ein erster Referenzphotoempfänger 5 zugeordnet, welcher am Ende eines ersten Referenzlichtpfades angeordnet ist, der sich senkrecht zu einem Messpfad des emittierten Weißlichts erstreckt. Gleichermaßen ist der Infrarot-LED ein zweiter Referenzphotoempfänger 6 zugeordnet, welcher am Ende eines zweiten Referenzlichtpfades angeordnet ist, der sich senkrecht zu einem Messpfad des emittierten Infrarotlichts erstreckt.
Der Mess-Photoempfänger 4 sowie die beiden Referenzphotoempfänger weisen beispielsweise Si-Photodetektoren auf.
Das Trübungsmessgerät umfasst weiterhin eine Ansteuerungsschaltung 7, mit welcher wahlweise die Weißlicht-LED oder die Infrarot-LED betrieben werden kann. Die LEDs können im Puls- und/oder im Dauerbetrieb betrieben werden. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ist ein Pulsbetrieb mit einer Pulsfolgefrequenz von nicht mehr als 10 kHz, vorzugsweise nicht mehr als 5 kHz, beispielsweise etwa 2 kHz vorgesehen. Das Tastverhältnis der jeweils betriebenen LED beträgt etwa 0,1 bis etwa 0,5, beispielsweise etwa 0,4. Die elektrische Leistung zum Betrieb der LED liegt bei einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung in der Größenordnung von etwa 50 mW bis etwa 100 mW.
Das Trübungsmessgerät umfasst zudem eine Auswertungsschaltung 7 mit einem ersten Signaleingang, welcher mit dem Photoempfänger 4 verbunden ist, und einem zweiten Signaleingang, welcher wahlweise mit dem ersten oder zweiten Referenzphotoempfänger verbunden ist.
Zur Auswahl der jeweils gewünschten LED und des zugehörigen Referenzphotoempfängers sind ein erster Auswahlschalter 9 und ein zweiter Auswahlschalter 10 vorgesehen, die in beliebiger Weise realisiert sein können. Es ist vorteilhaft, wenn zumindest die Bedienung bzw. die Aktivierung der Schalter insoweit gekoppelt ist, dass falsche Kombinationen von LEDs und Referenzphotozellen ausgeschlossen werden können.
Der erste und der zweite Auswahlschalter können insbesondere Schalttransistoren aufweisen, welche von einem Mikrocomputer angesteuert werden, wobei der Mikrocomputer eine Komponente der Ansteuerungsschaltung ist.
Wie in 3 dargestellt, sind die zuvor genannten Komponenten in einem Gehäuse 15 angeordnet. Das Gehäuse weist als Material vorzugsweise eine medienbeständige metallische Legierung, insbesondere Edelstahl oder Kunststoff auf.
Das Gehäuse weist einen konkaven äußere Oberflächenabschnitt auf, welcher eine Messkammer 11 außerhalb des Gehäuses teilweise umgibt, in welche ein zu untersuchendes Medium hineinströmen kann.
In dem konkaven Oberflächenabschnitt sind ein erstes Fenster 12 und ein zweites Fenster 13 vorgesehen, durch welche Weißlicht von der ersten LED 2 bzw. Infrarotlicht von der zweiten LED 3 in die Messkammer 11 eingestrahlt werden kann. Die erste LED 2 und die zweite LED 3 sind mit den jeweiligen Referenzempfängern 5, 6 sowie ggf. weiteren optischen Komponenten wie Blenden, Linsen und Filtern in einer ersten Lichtquellenkammer 22, bzw. zweiten Lichtquellenkammer 23 angeordnet, die insbesondere gegenüber dem Mess-Photoempfänger 4 Lichtdicht verschlossen sind, um zu verhindern, dass die Messungen durch Streulicht innerhalb des Gehäuses verfälscht werden.
Die Achsen des Strahlengangs des Weißlichts und des Infrarotlichts sind im wesentlichen koplanar. Sie verlaufen über ein drittes Fenster 14 welches in dem konkaven Oberflächenabschnitt senkrecht zu dem ersten und zweiten Fenster angeordnet ist. Durch das dritte Fenster 14 kann von dem Medium gestreutes Licht über einen durch Blenden definierten Streulichtpfad zu dem Mess-Photoempfänger 4 gelangen.
Die Ansteuerungselektronik und die Auswertungselektronik sind in ein Elektronikmodul 20 integriert, welches einen Mikrocomputer 21 zum Steuern des Trübungsmessgerätes sowie die ersten und zweiten Auswahlschalter 9, 10 umfasst. Die LEDs 2, 3, die Referenzphotoempfänger 5, 6, sowie der Mess-Photoempfänger 4 sind funktionell mit dem Elektronikmodul gekoppelt.

Claims

Der erfindungsgemäße Trübungssensor, umfassend: eine erste Leuchtdiode, welche Licht mit mindestens einer ersten Wellenlänge emittiert; eine zweite Leuchtdiode, welche Licht mindestens einer zweiten Wellenlänge emittiert; mindestens einen Mess-Photoempfänger zum Erfassen des von einer Probe gestreuten Lichtes, wobei der Mess-Photoempfänger ein intensitätsabhängiges Mess-Signal ausgibt; und eine Ansteuerungsschaltung, zum Betreiben der ersten und/oder zweiten Leuchtdiode und eine Auswertungsschaltung zum Verarbeiten des von dem Detektor ausgegebenen Primärsignals.
Trübungssensor nach Anspruch 1, wobei die Ansteuerungsschaltung einen ersten Auswahlschalter umfasst, mit welchem eine der Leuchtdioden ausgewählt werden kann.
Trübungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Leuchtdiode eine Infrarot-LED und die zweite Leuchtdiode eine Weißlicht-LED umfasst.
Trübungssensor nach Anspruch 3, wobei die Weißlicht LED eine blau emittierende LED mit einem Lumineszenzwandler umfasst.
Trübungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ansteuerungsschaltung insbesondere eine Schaltung zum Betreiben jeweils einer Diode im Pulsbetrieb sein.
Trübungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Trübungssensor weiterhin mindestens einen Referenzempfänger aufweist, der die Intensität der Strahlung der ersten bzw. zweiten Leuchtdiode erfasst.
Trübungssensor nach Anspruch 6, wobei der Trübungssensor einen ersten Referenzempfänger für die Bestimmung der Intensität der Strahlung der ersten Leuchtdiode und einen zweiten Referenzempfänger zur Bestimmung der Intensität der zweiten Leuchtdiode aufweist.
Trübungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Trübungssensor weiterhin mindestens in einem Beleuchtungspfad von einer der Leuchtdioden einen Filter, insbesondere einen Bandpassfilter oder einen Kantenfilter aufweist.
Trübungssensor nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Beleuchtungspfad jeweils einen Strahlteiler aufweisen um einen Teil der Strahlung zu dem ersten bzw. zweiten Referenzempfänger auszukoppeln.
Trübungssensor nach Anspruch 7, wobei sich direkt von der ersten und zweiten Leuchtdiode Referenzlichtpfade zu dem ersten und zweiten Referenzempfänger erstrecken, wobei die Referenzlichtpfade im wesentlichen senkrecht zu dem jeweiligen Beleuchtungspfad verlaufen.