DE102008010446A1

DE102008010446A1 - Method and optical sensor arrangement for detecting a measured variable of a medium, in particular for turbidity measurement

Info

Publication number: DE102008010446A1
Application number: DE200810010446
Authority: DE
Inventors: Rüdiger FRANK; Markus Berberich; Rainer Morlok
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: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2009103619A1

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums (M), insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung (MS) umfasst die Schritte: (i) Erzeugen eines Sendersignals mit einer vorgegebenen Sendersignalstärke mittels mindestens eines optischen Senders, wobei das Sendersignal durch Wechselwirkung mit dem Medium (M) in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird; (ii) Erzeugen eines Empfängersignals mittels mindestens eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus dem gewandelten Sendersignal; (iii) Bilden eines Messsignals durch Integration des Empfängersignals über eine vorgegebene Integrationszeit.A method for determining a measured variable of a medium (M), in particular for turbidity measurement in a liquid or gaseous medium, by means of an optical sensor arrangement (MS) comprises the steps of: (i) generating a transmitter signal having a predetermined transmitter signal strength by means of at least one optical transmitter the transmitter signal is converted by interaction with the medium (M) in dependence on the measured variable; (ii) generating a receiver signal from at least one receiver associated with the transmitter from the converted transmitter signal; (iii) forming a measurement signal by integration of the receiver signal over a predetermined integration time.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung.The The invention relates to a method for determining a measured variable a medium, in particular for turbidity measurement in one liquid or gaseous medium, by means of a optical sensor arrangement.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine optische Sensoranordnung zu Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium.The The invention further relates to an optical sensor arrangement for determination a measured variable of a medium, in particular for Turbidity measurement in a liquid or gaseous Medium.

Eine solche optische Sensoranordnung kann eine Vorrichtung zur Trübungsmessung bei gasförmigen oder flüssigen Messmedien umfassen. Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Trübungsmessung erläutert. Es versteht sich aber, dass das erfindungsgemäße Grundprinzip auch bei anderen optischen Messverfahren in der analytischen Chemie eingesetzt werden kann, bei denen sich durch den Einfluss des Messmediums erfassbare Veränderungen eines Sendersignals ergeben.A Such an optical sensor arrangement may include a device for turbidity measurement in gaseous or liquid media. In the following the invention is based on a turbidity measurement explained. It is understood, however, that the inventive Basic principle also with other optical measuring methods in the analytical Chemistry can be used, which is affected by the influence the measured medium detectable changes a transmitter signal result.

Trübung entsteht in Gasen oder Flüssigkeiten durch die Anwesenheit disperser Stoffe. Die Trübung kann durch die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung mit dem Messmedium bestimmt werden, zum Beispiel entweder durch Messung der Schwächung der Intensität einer durch das Medium durchgehenden Strahlung (Turbidimetrie) oder durch Messung der Intensität des an den dispersen Teilchen gestreuten Lichts (Nephelometrie). Bei der Nephelometrie wird das Streulicht in einem Winkel, beispielsweise 90°, zu einem von einem optischen Sender ausgestrahlten Messlichtstrahl bestimmt.cloudiness arises in gases or liquids due to the presence disperse substances. The turbidity can be due to the interaction determined between electromagnetic radiation with the measuring medium For example, either by measuring the weakening the intensity of a radiation passing through the medium (Turbidimetry) or by measuring the intensity of the the dispersed particles of scattered light (nephelometry). In the Nephelometry is the stray light at an angle, for example 90 °, to one radiated from an optical transmitter Measuring light beam determined.

Unter „Licht” wird hier und im folgenden nicht nur elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs, sondern elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich verstanden.Under "light" is here and in the following not only electromagnetic radiation of the visible spectral range, but electromagnetic radiation any wavelength, especially in the infrared wavelength range Understood.

Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, als optische Sender und als optische Empfänger Dioden einzusetzen. Dabei wird als optischer Sender eine Leuchtdiode zur Erzeugung eines in einem geeigneten Wellenlängenbereich liegenden Messlichts (z. B. Infrarotstrahlung zwischen 800 und 900 nm) verwendet. Die Intensität des von der Leuchtdiode emittierten Lichts entspricht der Sendersignalstärke. Als Empfänger kann entsprechend eine Photodiode eingesetzt werden, die aus dem empfangenen Streulicht ein Empfängersignal, beispielsweise einen Photostrom oder eine Photospannung, erzeugt. Die Empfängersignalstärke, hier die Photostromstärke bzw. die Größe der Photospannung, hängt von der Intensität der auf die Empfängerdiode auftreffenden Lichtintensität, also von der Lichtstärke des Streulichts ab. Diese korreliert wiederum unmittelbar mit der Teilchengröße und der Konzentration der dispersen Stoffe, also der Trübung des Messmediums.It is known in this context, as an optical transmitter and as use optical receiver diodes. It is considered as optical Transmitter a light emitting diode for generating one in a suitable Wavelength range of the measuring light (eg infrared radiation between 800 and 900 nm). The intensity of the light emitted from the LED corresponds to the transmitter signal strength. As a receiver can be used according to a photodiode become a receiver signal from the received scattered light, For example, a photocurrent or a photovoltaic voltage generated. The receiver signal strength, here the photocurrent strength or the size of the photovoltage depends from the intensity of the to the receiver diode incident light intensity, so the light intensity of the scattered light. This in turn correlates directly with the Particle size and the concentration of the disperse Substances, ie the turbidity of the medium to be measured.

Aus EP 596 231 A1 ist ein Verfahren zur Trübungsmessung bekannt, das auf dem zuvor beschriebenen Prinzip der Streulichtmessung beruht. Dabei wird ein Trübungssensor mit mehreren Empfangsdioden verwendet, wobei zur Verbesserung der Sensordynamik die Empfängersignale mittels nachgeschalteter Verstärker verstärkt werden. Durch Vorsehen mehrerer unterschiedlicher Verstärkungsgrade je nach Stärke des Ausgangssignals kann eine bessere Auflösung bei einer anschließenden Digitalisierung der verstärkten analogen Empfängersignale erreicht werden.Out EP 596,231 A1 a method for turbidity measurement is known which is based on the previously described principle of scattered light measurement. In this case, a turbidity sensor is used with multiple receiving diodes, to improve the sensor dynamics, the receiver signals are amplified by means of downstream amplifier. By providing a plurality of different amplitudes depending on the magnitude of the output signal, a better resolution can be achieved in a subsequent digitization of the amplified analog receiver signals.

Mit dem in EP 596 231 A1 beschriebenen Verfahren kann zwar die Auflösung im Bereich schwacher Signale verbessert werden. Allerdings ist die Verstärkerelektronik sehr kompliziert und anfällig für Defekte. Zusätzlich treten beim Zu- bzw. Abschalten einer Verstärkerstufe unstetige Übergänge in der Signalstärke auf.With the in EP 596,231 A1 Although described method, the resolution in the range of weak signals can be improved. However, the amplifier electronics are very complicated and prone to defects. In addition, discontinuous transitions in the signal strength occur when connecting or disconnecting an amplifier stage.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.It is therefore an object of the invention, the disadvantages of the prior overcome the technique.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.These Task is achieved by a method according to claim 1 solved.

Dieses Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung umfasst die Schritte:

(i) Erzeugen eines Sendersignals mit einer vorgegebenen Sendersignalstärke mittels mindestens eines optischen Senders, wobei das Sendersignal durch Wechselwirkung mit dem Medium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird;
(ii) Erzeugen eines Empfängersignals mittels mindestens eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus dem gewandelten Sendersignal;
(iii) Bilden eines Messsignals durch Integration des Empfängersignals über eine vorgegebene Integrationszeit.

This method for determining a measured variable of a medium, in particular for turbidity measurement in a liquid or gaseous medium, by means of an optical sensor arrangement comprises the steps:

(I) generating a transmitter signal having a predetermined transmitter signal strength by means of at least one optical transmitter, wherein the transmitter signal is converted by interaction with the medium in dependence on the measured variable;
(ii) generating a receiver signal from at least one receiver associated with the transmitter from the converted transmitter signal;
(iii) forming a measurement signal by integrating the receiver signal over a predetermined integration Time.

Eine optische Sensoranordnung zur Durchführung dieses Verfahrens weist als Mittel für die Integration des Empfängersignals, somit für die Bildung des Messsignals, eine Integratorschaltung auf. Zur Vorgabe der Integrationszeit oder der Sendersignalstärke ist eine Kontroll- und Steuereinheit vorgesehen.A optical sensor arrangement for carrying out this method indicates as a means of integrating the receiver signal, thus for the formation of the measurement signal, an integrator circuit on. To specify the integration time or the transmitter signal strength a control and control unit is provided.

Unter dem Erzeugen eines Sendersignals bzw. Empfängersignals soll hier und im Folgenden neben dem aktiven Zuschalten eines Senders bzw. Empfängers auch das fortgesetzte Einstrahlen eines Sendersignals durch einen bereits zugeschalteten Sender bzw. das fortgesetzte Umwandeln des gewandelten Sendersignals durch den Empfänger verstanden werden.Under generating a transmitter signal or receiver signal should here and below next to the active connection of a transmitter or receiver also the continued irradiation of a Transmitter signal through an already switched transmitter or the continued conversion of the converted transmitter signal by the receiver be understood.

Die Verwendung einer Integratorschaltung zur Integration des Empfängersignals erlaubt die Erfassung eines großen Signalbereichs der Trübungsmessung, während gleichzeitig Unstetigkeiten vermieden werden, da auf die Zuschaltung verschiedener Verstärkerstufen verzichtet werden kann. Ein zusätzlicher Vorteil der Integratorschaltung gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Verstärkerelektronik besteht in der einfacheren Bauweise, die insbesondere zu einer verringerten Defektanfälligkeit der Sensoranordnung führt.The Use of an integrator circuit for integrating the receiver signal allows the detection of a large signal range of the turbidity measurement, while at the same time avoiding discontinuities waived the connection of different amplifier stages can be. An additional advantage of the integrator circuit compared to the known from the prior art amplifier electronics consists in the simpler design, in particular to a reduced Defect susceptibility of the sensor arrangement leads.

Aus dem durch Integration gebildeten Messsignal kann die Messgröße, beispielsweise die Teilchengröße oder Konzentration des dispersen Stoffs bzw. die Trübung des Mediums ermittelt werden.Out the measurement signal formed by integration, the measured variable, for example, the particle size or concentration the disperse substance or the turbidity of the medium determined become.

Die Sendersignalstärke und die Integrationszeit werden derart vorgegeben, dass die Vorgabe während der Durchführung der Verfahrensschritte (i)–(iii), zumindest aber während der Durchführung des Verfahrensschritts (iii), unverändert bleibt, d. h. Sendersignalstärke und Integrationszeit werden für eine Messung, welche die Verfahrensschritte (i)–(iii) umfasst, fest vorgegeben und während der Messung nicht verändert oder angepasst.The Transmitter signal strength and the integration time become such specified that the default during the execution the method steps (i) - (iii), but at least during the implementation of step (iii), unchanged remains, d. H. Transmitter signal strength and integration time for a measurement which the method steps (i) - (iii) includes, fixed and not during the measurement changed or adapted.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Integrationszeit und/oder die Sendersignalstärke in Abhängigkeit von der Messsignalstärke vorgegeben. Auf diese Weise kann die Messsignalstärke beispielsweise an den Eingangsbereich von für die Signalwandlung benötigten Komponenten angepasst werden, insbesondere derart, dass ein Sättigungswert dieser Komponenten nicht überschritten wird. Zusätzlich kann die Integrationszeit oder die Signalstärke des Sendersignals gleichzeitig derart gewählt werden, dass ein optimales Signal/Rausch-Verhältnis erhalten wird. Die Vorgabe einer Sendersignalstärke und/oder Integrationszeit erfolgt bevorzugt in einem iterativen Verfahren. Dabei kann die Signalstärke des in Schritt (iii) gebildeten Messsignals mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellenwerten verglichen werden und anhand der Schwellenwertüber- bzw. Schwellenwertunterschreitung eine neue Sendersignalstärke und/oder eine neue Integrationszeit vorgegeben werden. Mit der neuen Sendersignalstärke und/oder der neuen Integrationszeit wird dann die Messung, also die Verfahrensschritte (i)–(iii), wiederholt.In an embodiment of the method is the integration time and / or the transmitter signal strength depending on the Measurement signal strength specified. In this way, the measurement signal strength for example, to the input area of for signal conversion required components are adjusted, in particular such, that a saturation value of these components is not exceeded becomes. Additionally, the integration time or the signal strength the transmitter signal are simultaneously selected such that an optimum signal-to-noise ratio is obtained. The Presetting of a transmitter signal strength and / or integration time preferably takes place in an iterative process. It can the Signal strength of the measuring signal formed in step (iii) compared with one or more predetermined thresholds and based on the Threshold Threshold or Threshold Threshold a new transmitter signal strength and / or a new integration time be specified. With the new transmitter signal strength and / or The new integration time then becomes the measurement, ie the process steps (i) - (iii), repeated.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die optische Sensoranordnung mindestens eine Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung, welche bezüglich des aufintegrierten Empfängersignals, also des Messsignals, einen oberen Sättigungswert aufweist, wobei die Integrationszeit und/oder die Signalstärke des Sendersignals so vorgegeben wird, dass die Messsignalstärke, den Sättigungswert der Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung nicht übersteigt. Die Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung kann in einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung einen Analog/Digital-Wandler umfassen. In diesem Fall kann die Messsignalstärke so an den Eingangsbereich des Analog/Digital-Wandlers angepasst werden, dass ein Überschreiten des maximalen Eingangspegels des Analog/Digital-Wandlers verhindert wird, der Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers also nicht überschritten wird.In An embodiment of the method comprises the optical sensor arrangement at least one component for signal conversion and / or signal transmission, which with respect to the integrated receiver signal, So the measurement signal, has an upper saturation value, where the integration time and / or the signal strength of the Transmitter signal is set so that the measurement signal strength, the saturation value of the component for signal conversion and / or does not exceed the signal transmission. The component for signal conversion and / or signal transmission can in an embodiment of this embodiment, an analog / digital converter include. In this case, the measurement signal strength may be so be adapted to the input range of the analog / digital converter, that exceeding the maximum input level of Analog / digital converter prevents the saturation value of the analog / digital converter is therefore not exceeded.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die optische Sensoranordnung zur Trübungsmessung verwendet.In A preferred embodiment of the method is the optical Sensor arrangement used for turbidity measurement.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Integrationszeit aus einer Reihe diskreter Werte ausgewählt.In an embodiment of the method is the integration time a series of discrete values.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:

(iv) Vergleichen der Messsignalstärke mit einem ersten Schwellenwert;
(v) bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts Verringern der vorgegebenen Integrationszeit und/oder der vorgegebenen Sendersignalstärke und Wiederholung der Schritte (i) bis (iii).

In a further embodiment, the method comprises the further steps:

(iv) comparing the measurement signal strength to a first threshold value;
(v) when the first threshold is exceeded, decreasing the predetermined integration time and / or transmitter signal strength, and repeating steps (i) through (iii).

Der erste Schwellenwert gibt eine Obergrenze für die Messsignalstärke vor, wobei diese Obergrenze bevorzugt so gewählt werden kann, dass ein Überschreiten des Eingangspegels der Komponente zur Signalübertragung und/oder Signalwandlung, insbesondere des Analog/Digital-Wandlers, sicher vermieden wird.Of the first threshold gives an upper limit for the measurement signal strength before, this upper limit is preferably chosen so may be that exceeding the input level of the component for signal transmission and / or signal conversion, in particular of the analog / digital converter, is safely avoided.

Wird in Verfahrensschritt (iv) ein Unterschreiten des ersten Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke kleiner als der erste Schwellenwert, so kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Wird dage gen in Verfahrensschritt (iv) ein Überschreiten des Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke größer als der Schwellenwert, wird eine neue, niedrigere Integrationszeit und/oder eine neue, niedrigere Sendersignalstärke vorgegeben und erneut bei Durchführung des Verfahrensschritts (iii) ein neues, entsprechend der kürzeren Integrationszeit und/oder der niedrigeren Sendersignalstärke schwächeres Messsignal gebildet. Insbesondere kann das Überschreiten des Schwellenwerts bereits während der Integration festgestellt werden. Die Integration wird dann bei Erreichen des Schwellenwerts abgebrochen und wie beschrieben eine neue, verringerte Integrationszeit vorgegeben.Becomes in step (iv) falls below the first threshold determined by the measurement signal strength, so is the measurement signal strength less than the first threshold, the process can be terminated and the measurement signal with respect to the measured variable to be determined be evaluated. Dage gen in process step (iv) is exceeded of the threshold value determined by the measurement signal strength, So the measurement signal strength is greater as the threshold, becomes a new, lower integration time and / or a new, lower transmitter signal strength predetermined and again when performing the process step (iii) a new, corresponding to the shorter integration time and / or the lower transmitter signal strength weaker measurement signal educated. In particular, exceeding the threshold already detected during the integration. The Integration is then aborted when the threshold is reached and as described, set a new, reduced integration time.

Die Signalstärke des neu gebildeten Messsignals wird erneut mit dem ersten Schwellenwert verglichen. Unterschreitet die Messsignalstärke des neu gebildeten Messsignals den ersten Schwellenwert kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Überschreitet die neue Messsignalstärke weiterhin den ersten Schwellenwert, kann die vorgegebene Integrationszeit und/oder die vorgegebene Sendersignalstärke erneut verringert und die Verfahrensschritte (i) bis (iii) erneut durchlaufen werden. Dies wird so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den ersten Schwellenwert unterschreitet.The Signal strength of the newly formed measurement signal is again compared to the first threshold. Below the measurement signal strength of the newly formed measuring signal the first threshold value can be Ended procedure and the measurement signal with respect to the determined Measured variable are evaluated. exceeds the new measurement signal strength continues to be the first threshold, may be the predetermined integration time and / or the predetermined transmitter signal strength again reduced and the process steps (i) to (iii) again to go through. This is repeated until the measurement signal strength falls below the first threshold.

In einer Weiterbildung dieser Verfahrensausgestaltung wird in Schritt (v) die vorgegebene Integrationszeit halbiert.In a further development of this process configuration is in step (v) halved the given integration time.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:

(vi) Vergleichen der Messsignalstärke mit einem zweiten Schwellenwert;
(vii) bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts Erhöhen der vorgegebenen Integrationszeit und/oder der vorgegebenen Sendersignalstärke und Wiederholung der Schritte (i) bis (iii).

In a further embodiment, the method comprises the further steps:

(vi) comparing the measurement signal strength to a second threshold value;
(vii) falls below the second threshold increase the predetermined integration time and / or the predetermined transmitter signal strength and repetition of steps (i) to (iii).

Der zweite Schwellenwert gibt eine Untergrenze für die Signalstärke des Messsignals vor. Diese wird bevorzugt so gewählt, dass der Einfluss des Eigenrauschens des Systems noch toleriert werden kann.Of the second threshold gives a lower limit to the signal strength of the measurement signal. This is preferably chosen so that the influence of the inherent noise of the system can still be tolerated can.

Vorteilhafterweise wird der erste und der zweite Schwellenwert so gewählt, dass der erste Schwellenwert nahe am Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers liegt, insbesondere oberhalb von 85%, bevorzugt oberhalb von 90%, besonders bevorzugt oberhalb von 95%, aber stets unterhalb des Sättigungswerts. Der zweite Schwellenwert wird vorteilhafterweise so festgelegt, dass das vom ersten und zweiten Schwellenwert eingeschlossene Intervall der Hälfte, bevorzugt einem Drittel, besonders bevorzugt einem Viertel, besonders bevorzugt einem Achtel des Messumfangs des Analog/Digital-Wandlers entspricht. Je näher der zweite Schwellenwert am Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers gewählt wird, desto geringer ist der Einfluss des Eigenrauschens des Systems.advantageously, the first and second thresholds are chosen the first threshold is close to the saturation value of the Analog / digital converter is, in particular above 85%, preferably above of 90%, more preferably above 95%, but always below of the saturation value. The second threshold advantageously becomes set so that the included from the first and second threshold Interval of half, preferably one third, especially preferably a quarter, more preferably one-eighth of the measurement range of the analog / digital converter corresponds. The closer the second threshold selected at the saturation value of the analog / digital converter the lower the influence of the inherent noise of the system.

Wird in Verfahrensschritt (vi) ein Überschreiten des zweiten Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke größer als der zweite Schwellenwert, kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Wird in Verfahrensschritt (vi) ein Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke kleiner als der zweite Schwellenwert, wird eine neue, längere Integrationszeit und/oder eine neue, höhere Sendersignalstärke vorgegeben, und erneut im Verfahrensschritt (iii) ein neues, entsprechend der längeren Integrationszeit und/oder der höheren Sendersignalstärke stärkeres Messsignal durch Integration gebildet.Becomes in process step (vi) exceeding the second Threshold detected by the measurement signal strength, So the measurement signal strength is greater as the second threshold, the process can be terminated and the Measuring signal with regard to the measured variable to be determined be evaluated. Is in step (vi) falls below of the second threshold determined by the measurement signal strength, Thus, if the measurement signal strength is less than the second threshold, will be a new, longer integration time and / or a new, set higher transmitter signal strength, and again in process step (iii) a new, corresponding to the longer Integration time and / or the higher transmitter signal strength stronger measurement signal formed by integration.

Die Signalstärke des neu gebildeten Messsignals wird erneut mit dem zweiten Schwellenwert verglichen. Überschreitet die neue, entsprechend höhere Messsignalstärke den zweiten Schwellenwert, kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Unterschreitet die neue, höhere Messsignalstärke dagegen weiterhin den zwei ten Schwellenwert, kann die Integrationszeit und/oder die Sendersignalstärke erneut erhöht und die Verfahrensschritte (i) bis (iii) erneut durchlaufen werden. Dies wird so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den zweiten Schwellenwert überschreitet.The Signal strength of the newly formed measurement signal is again compared with the second threshold. exceeds the new, correspondingly higher measuring signal strength the second threshold, the process can be terminated and the measurement signal with regard to the measured variable to be determined be evaluated. Below the new, higher signal strength on the other hand, the second threshold, the integration time and / or the transmitter signal strength again increased and the process steps (i) to (iii) are run through again. This is repeated until the measured signal strength exceeds the exceeds the second threshold.

In einer Weiterbildung des Verfahrens können zusätzlich Verfahrensschritte (iv) und (v) durchgeführt werden. Dies stellt sicher, dass die in Schritt (vii) erhöhte Integrationszeit und/oder Sendersignalstärke nicht dazu führt, dass die Messsignalstärke so groß wird, dass der Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers überschritten wird.In a development of the method, additional process steps (iv) and (v) can be carried out become. This ensures that the increased integration time and / or transmitter signal strength in step (vii) does not cause the measurement signal strength to become so large that the saturation value of the analog / digital converter is exceeded.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren und seinen Varianten wird davon ausgegangen, dass die zu bestimmende Messgröße während der Durchführung aller Verfahrensschritte im wesentlichen konstant bleibt.at the method described here and its variants will be of it assumed that the measurand to be determined during the execution of all process steps remains substantially constant.

In einer Weiterbildung wird das Empfängersignal bezüglich der Integrationszeit und/oder der Lichtintensität normiert. Diese Maßnahme dient dazu, mit unterschiedlichen Integrationszeiten gebildete Messsignale untereinander vergleichbar zu machen. Entsprechend erlaubt die Normierung bezüglich der Lichtintensität den Vergleich zwischen Empfängersignalen, die bei unterschiedlichen Sendersignalstärken erzeugt wurden.In a development is the receiver signal with respect normalized to the integration time and / or the light intensity. This measure serves, with different integration times make measured signals comparable with each other. Corresponding allows the standardization with respect to the light intensity the comparison between receiver signals, which at different Transmitter signal strengths were generated.

In einer Weiterbildung erfolgt die Normierung bezüglich der Integrationszeit durch Division des Messsignals durch die Integrationszeit.In In a further development, standardization takes place with regard to Integration time by dividing the measurement signal by the integration time.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Normierung mittels einer Normierungseinheit durchgeführt, welche Softwaremittel und/oder mindestens eine zusätzliche Monitor-Diode umfasst, welche mit der gleichen Integrationszeit betrieben wird wie der Empfänger.In Another embodiment of the method is the normalization performed by a normalization unit, which software means and / or comprises at least one additional monitor diode, which is operated with the same integration time as the Receiver.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Sender mindestens eine Leuchtdiode und als Empfänger mindestens eine Photodiode vorgesehen, wo bei die Photodiode Licht der Leuchtdiode empfängt und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder einen Photostrom erzeugt. Im Falle einer Trübungsmessung wird, je nachdem ob es sich um eine nephelometrische oder turbidimetrische Messung handelt, vom Empfänger entweder das durch die dispersen Teilchen gestreute Licht der Leuchtdiode oder das durch das Medium hindurch getretene abgeschwächte Licht der Leuchtdiode von der Photodiode empfangen. Entsprechend sendet die Leuchtdiode als Sendersignal Licht einer ersten Intensität aus. Das Streulicht bzw. das durch das Medium abgeschwächte Licht trifft mit einer zweiten Intensität auf die Photodiode, wobei die zweite Intensität schwächer ist als die erste Intensität. Um den aufintegrierten Photostrom bzw. die aufintegrierte Photospannung an den Eingangsbereich der Komponente zur Signalwandlung und/oder Signalübertragung anzupassen, beispielsweise an einen Analog/Digital-Wandler, kann in diesem Fall entweder die Integrationszeit oder die Intensität des von der Leuchtdiode emittierten Lichts variiert werden. Die Lichtintensität des von einer Leuchtdiode emittierten Lichts lässt sich beispielsweise durch Filter, aber auch durch Variation der Eingangsspannung bzw. des Betriebsstroms der Leuchtdiode variieren.In An embodiment of the method is at least one transmitter Light emitting diode and as a receiver at least one photodiode provided where at the photodiode light of the LED receives and from this as a receiver signal, a photovoltage or generates a photocurrent. In case of a turbidity measurement will, depending on whether it is a nephelometric or turbidimetric Measurement is the receiver either by the disperse Particle scattered light of the LED or through the medium passed through attenuated light of the LED received by the photodiode. Accordingly, the LED sends as a transmitter signal light of a first intensity. The Stray light or the light attenuated by the medium hits the photodiode at a second intensity, where the second intensity is weaker than the first intensity. To the integrated photocurrent or the integrated photovoltage at the input area of the Component for signal conversion and / or signal transmission can adapt, for example, to an analog / digital converter, can in this case, either the integration time or the intensity of the light emitted by the light emitting diode can be varied. The Light intensity of the light emitted by a light emitting diode can be filtered, for example, but also by Variation of the input voltage or the operating current of the LED vary.

In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung werden als Sender eine erste und eine zweite Leuchtdiode und als Empfänger eine erste und eine zweite Photodiode vorgesehen,
wobei das von der ersten Leuchtdiode emittierte Licht von der ersten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -strom erzeugt wird,
wobei das von der ersten Leuchtdiode emittierte Licht von der zweiten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -strom erzeugt wird,
wobei das von der zweiten Leuchtdiode emittierte Licht von der ersten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -strom erzeugt wird und
wobei das von der zweiten Leuchtdiode emittierte Licht von der zweiten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -strom erzeugt wird. Dieses Verfahren ist auch als Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren bekannt. Dieses Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich apparative Störungen, wie Schwankungen der von den Leuchtdioden emittierten Lichtintensität, z. B. aufgrund von Verschmutzung der Leuchtdioden, eliminieren lassen.In a development of this embodiment, a first and a second light-emitting diode are provided as transmitters and a first and a second photodiode are provided as receivers,
wherein the light emitted by the first light-emitting diode is received by the first photodiode and a photovoltage or current is generated therefrom as the receiver signal,
wherein the light emitted by the first light emitting diode is received by the second photodiode and a photovoltage or current is generated therefrom as a receiver signal,
wherein the light emitted by the second light emitting diode is received by the first photodiode and therefrom a photovoltage or current is generated therefrom as the receiver signal, and
wherein the light emitted by the second light emitting diode is received by the second photodiode and a photovoltage or current is generated therefrom as a receiver signal. This method is also known as a four-beam alternating light method. This method has the additional advantage that equipment disorders, such as fluctuations in the light emitted from the light emitting diode, z. B. due to contamination of the LEDs eliminate.

Das mittels der zwei Leuchtdioden abwechselnd erzeugte Wechsellicht W wird dabei nach folgender Formel berechnet:

wobei I_{1_1} der von der ersten Photodiode bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist,
wobei I_{2_1} der von der zweiten Photodiode bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist,
wobei I_{1_2} der von der ersten Photodiode bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist,
wobei 1_{2_2} der von der zweiten Photodiode bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist.The alternating light W generated alternately by means of the two light-emitting diodes is calculated according to the following formula:

wherein I _{1_1 is} the photocurrent generated by the first photodiode upon receipt of the light emitted by the first light emitting diode,
wherein I _{2_1 is} the photocurrent generated by the second photodiode upon receipt of the light emitted by the first light emitting diode,
wherein I _{1_2 is} the photocurrent generated by the first photodiode upon receipt of the light emitted by the second light emitting diode,
wherein 1 _{2_2 is} the photocurrent generated by the second photodiode upon receipt of the light emitted by the second light emitting diode.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben und erläutert.The Invention will now be described with reference to the drawings and explained.

In der Zeichnung zeigen:In show the drawing:

1 eine optische Sensoranordnung mit einer Leuchtdiode, einer Photodiode, einer Integrationsschaltung und einem Analog/Digital-Wandler; 1 an optical sensor arrangement comprising a light emitting diode, a photodiode, an integration circuit and an analog / digital converter;

2 den zeitlichen Spannungsverlauf einer Integrationsschaltung nach dem Einschalten einer Photodiode als Funktion der Integrationszeit; 2 the temporal voltage curve of an integration circuit after switching on a photodiode as a function of the integration time;

3 eine optische Sensoranordnung mit einer Leuchtdiode, einer Photodiode, einer Integrationsschaltung, einer Normierungseinheit, einer Steuereinheit und einem Analog/Digital-Wandler; 3 an optical sensor arrangement comprising a light emitting diode, a photodiode, an integration circuit, a normalization unit, a control unit and an analog / digital converter;

4 eine optische Sensoranordnung mit zwei Leuchtdioden und zwei Photodioden; 4 an optical sensor arrangement with two light-emitting diodes and two photodiodes;

5 vier Messdiagramme, die die von einer Sensoranordnung gemäß 5 four measuring diagrams, the of a sensor arrangement according to

4 gebildeten Messsignale als Funktion des Feststoffgehalts in einer Suspension aus Klärschlamm und Wasser wiedergeben; und 4 reproduced measured signals as a function of the solids content in a suspension of sewage sludge and water; and

6 zwei Messdiagramme, welche das Vierstrahl-Wechsellicht zu den in der 5 dargestellten Messdiagrammen zeigen. 6 two measurement diagrams, which the four-beam alternating light to those in the 5 show measuring diagrams.

In der 1 ist eine optische Sensoranordnung MS mit einer Leuchtdiode E1 und einer Photodiode D1, einer Integrationsschaltung I, einem Analog/Digital-Wandler AD und einer Steuereinheit SE abgebildet. Die Leuchtdiode E1 emittiert Licht in ein flüssiges oder gasförmiges getrübtes Medium M. Die Photodiode D1 ist gegenüber der Leuchtdiode E1 so positioniert, dass sie im Medium M durch disperse Feststoff-Teilchen F gestreutes Licht empfängt. Die Photodiode D1 erzeugt aus dem empfangenen Licht einen Photostrom, welcher auch als Photospannung abgreifbar ist. Der Photostrom wird über eine Integrationsschaltung I mit einem Kondensator aufintegriert. Die am Kondensator anliegende Spannung wird dabei mittels eines Analog/Digital-Wandlers AD in ein digitales Signal umgewandelt. Mit dem Analog/Digital-Wandler AD ist eine Steuereinheit SE verbunden, die das digitalisierte Messsignal ausgibt oder weiterleitet. Da die von der Photodiode D1 empfangene Lichtintensität und damit der von ihr ausgegebene Photostrom und entsprechend das mittels Integration gebildete Messsignal von der Trübung des Messmediums M abhängt, kann aus dem Messsignal die zu ermittelnde Trübungs-Messgröße, beispielsweise die Kon zentration und Teilchengröße der im Medium M dispergierten Feststoff-Teilchen F bestimmt werden.In the 1 is an optical sensor array MS with a light emitting diode E1 and a photodiode D1, an integration circuit I, an analog / digital converter AD and a control unit SE shown. The light-emitting diode E1 emits light into a liquid or gaseous clouded medium M. The photodiode D1 is positioned opposite to the light-emitting diode E1 so that it receives light scattered in the medium M by dispersed solid particles F. The photodiode D1 generates from the received light a photocurrent, which can also be tapped off as a photovoltage. The photocurrent is integrated via an integration circuit I with a capacitor. The voltage applied to the capacitor is converted by means of an analog / digital converter AD into a digital signal. Connected to the analog / digital converter AD is a control unit SE which outputs or forwards the digitized measuring signal. Since the light intensity received by the photodiode D1 and thus the photocurrent emitted by it and correspondingly the measurement signal formed by integration depends on the turbidity of the measurement medium M, the turbidity measured variable to be determined, for example the concentration and particle size of the medium, can be determined from the measurement signal M dispersed solid particles F can be determined.

2 zeigt den zeitlichen Verlauf des im Aufbau nach 1 nach dem Einschalten der Photodiode D1 ausgegebenen Signals. Auf der y-Achse ist hier die Ausgabe des Analog/Digital-Wandlers AD in Intensitätsstufen, so genannten „Counts”, dargestellt. Auf der x-Achse ist die Integrationszeit aufgetragen. Der Punkt P1 der dargestellten Funktion markiert dabei den Zeitpunkt t1, zu dem die Leuchtdiode E1 eingeschaltet wird und zu dem entsprechend die Photodiode D1 beginnt, ein Lichtsignal zu empfangen. Mit zunehmender Integrationszeit steigen die Counts des Analog/Digitals-Wandlers AD linear an. Zum Zeitpunkt t2 hat der Analog/Digital-Wandler AD seinen Sättigungs-Wert, die maximale Countzahl P2, erreicht. Wenn die Integrationszeit größer gewählt wird als das dem Punkt P2 entsprechende Zeitintervall, wird von der Photodiode D1 zwar weiterhin ein Signal ausgegeben, dieses Signal kann jedoch nicht mehr vom Analog/Digital-Wandler AD erfasst werden, da die Messsignalstärke seinen Sättigungswert überschreitet. 2 shows the time course of the structure 1 after switching on the photodiode D1 output signal. On the y-axis, the output of the analog / digital converter AD in intensity levels, so-called "Counts" shown here. The integration time is plotted on the x-axis. The point P1 of the illustrated function marks the time t1 at which the light-emitting diode E1 is turned on and to which the photodiode D1 begins to receive a light signal. As the integration time increases, the counts of the analog-to-digital converter AD increase linearly. At time t2, the analog-to-digital converter AD has reached its saturation value, the maximum count number P2. If the integration time is chosen to be greater than the time interval corresponding to the point P2, a signal is still output from the photodiode D1, but this signal can no longer be detected by the analog / digital converter AD since the measurement signal strength exceeds its saturation value.

Dies wird bei einem Aufbau gemäß 3 vermieden. Hier ist eine ähnliche optische Sensoranordnung wie in 1 gezeigt, die zusätzlich noch eine Steuereinheit SE und eine Normierungseinheit N aufweist.This is in a structure according to 3 avoided. Here is a similar optical sensor arrangement as in FIG 1 which additionally has a control unit SE and a normalization unit N.

Die Steuereinheit SE überwacht das durch Integration des Photostroms bzw. der Photospannung gebildete Messsignal und vergleicht die Messsignalstärke mit einem vorgegebenen oberen Schwellenwert, der unterhalb des Sättigungswerts des Analog/Digital-Wandlers AD liegt. Zur Illustration sei beispielhaft angenommen, dass für die Digitalisierung ein 24 Bit Analog/Digital-Wandler zur Verfügung steht. Für den positiven Photostrom- bzw. Spannungsbereich stehen somit ca. 8 Millionen Counts zur Verfügung. In diesem Fall wird der obere Schwellenwert beispielsweise bei ca. 7 Millionen Counts festgelegt. Zur Anpassung des integrierten Signals an den Eingangsbereich des Analog/Digital- Wandlers regelt die Steuereinheit SE die Integrationszeit bei Erreichen bzw. Überschreiten des oberen Schwellenwerts herunter.The control unit SE monitors the measurement signal formed by integration of the photocurrent or the photovoltage and compares the measurement signal strength with a predetermined upper threshold, which is below the saturation value of the analog / digital converter AD. By way of example, it is assumed that a 24-bit analog / digital converter is available for the digitization. For the positive photocurrent or voltage range, there are approximately 8 million counts available. In this case, the upper threshold is set at approximately 7 million counts, for example. To adapt the integrated Si The control unit SE regulates the integration time when reaching or exceeding the upper threshold value at the input range of the analog / digital converter.

Dies kann beispielsweise iterativ in folgender Weise erfolgen: Wird beim Vergleich der Messsignalstärke mit dem oberen Schwellenwert festgestellt, dass die Messsignalstärke den oberen Schwellenwert unterschreitet, kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Überschreitet dagegen die Signalstärke des mit der vorgegebenen Integrationszeit gebildeten Messsignals den oberen Schwellenwert oder wird gar der Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers AD überschritten, wird eine neue, kürzere Integrationszeit vorgegeben und das Photodiodensignal erneut aufintegriert um ein neues Messsignal zu bilden. Dieses neue Messsignal weist entsprechend der kürzeren Integrationszeit eine niedrigere Signalstärke auf. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Messsignal noch während der Integration über die vorgegebene Integrationszeit zu überwachen. Überschreitet die Messsignalstärke noch vor Ende der vorgegebenen Integrationszeit den Schwellenwert, wird die Integration abgebrochen, eine neue, kürzere Integrationszeit vorgegeben und das Photodiodensignal erneut aufintegriert, um ein entsprechend schwächeres, neues Messsignal zu bilden.This For example, it can be done iteratively in the following way Comparison of the measured signal strength with the upper threshold value found that the measurement signal strength is the upper threshold falls below, the process can be terminated and the measurement signal with respect the measured variable to be determined are evaluated. exceeds contrast, the signal strength of the given integration time formed measuring signal, the upper threshold or even the Saturation value of the analog / digital converter AD exceeded, a new, shorter integration time is given and the photodiode signal again integrated with a new measurement signal to build. This new measurement signal points accordingly to the shorter one Integration time has a lower signal strength. alternative can also be provided, the measurement signal still during the Monitor integration over the specified integration time. exceeds the measurement signal strength before the end of the specified integration time the threshold, the integration is aborted, a new, given shorter integration time and the photodiode signal re-integrated to a correspondingly weaker, to form new measurement signal.

Die neue, niedrigere Messsignalstärke wird erneut mit dem oberen Schwellenwert verglichen. Überschreitet sie den Schwellenwert nicht, kann das Verfahren beendet werden. Aus dem neuen Messsignal wird dann die zu bestimmende Messgröße ermittelt.The new, lower signal strength will again with the upper Threshold compared. If it exceeds the threshold not, the procedure can be ended. From the new measurement signal then the measured variable to be determined is determined.

Überschreitet die neue, niedrigere Messsignalstärke den Schwellenwert nach wie vor, wird eine neue, noch kürzere Integrationszeit vorgegeben und erneut ein Messsignal durch Integration des Photodiodensignals gebildet. Wiederum kann alternativ die Integration bei Überschreiten des Schwellenwerts bereits vor Ablauf der vorgegebenen Integrationszeit abgebrochen werden. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den Schwellenwert nicht mehr überschreitet.exceeds the new, lower signal strength is the threshold As before, there will be a new, even shorter integration time given and again a measurement signal by integration of the photodiode signal educated. Again, alternatively, the integration may be exceeded the threshold already before the expiration of the specified integration time be canceled. These steps are repeated until the measurement signal strength no longer exceeds the threshold value.

Um auch bei einer starken Abschwächung der Sendersignalstärke durch die Wechselwirkung mit einem stark getrübten Medium ein Messsignal zu gewährleisten, das nur in geringem Maße von dem Eigenrauschen des Systems beeinflusst ist, kann zusätzlich oder alternativ ein zweiter, unterer Schwellenwert festgelegt werden. Bei dem oben genannten Beispiel eines 24 Bit Analog/Digital-Wandlers kann der untere Schwellenwert beispielsweise bei 4 Millionen Counts festgelegt werden. Das durch Integration des Photodiodensignals über die vorgegebene Integrationszeit gebildete Messsignal wird mit diesem unteren Schwellenwert verglichen.Around even with a strong attenuation of the transmitter signal strength through the interaction with a heavily clouded medium to ensure a measuring signal that only to a small extent is influenced by the inherent noise of the system, in addition or alternatively, a second, lower threshold. In the above example of a 24-bit analog-to-digital converter For example, the lower threshold may be 4 million counts be determined. This by integrating the photodiode signal over the predetermined integration time formed measuring signal is with this lower threshold compared.

Überschreitet die Messsignalstärke den unteren Schwellenwert, kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Unterschreitet die Messsignalstärke dagegen den unteren Schwellenwert, wird eine neue, längere Integrationszeit vorgegeben, und erneut eine Integration des Empfängersignals zur Bildung eines Messsignals durchgeführt. Überschreitet die neue, entsprechend höhere Messsignalstärke den unteren Schwellenwert, so kann das Verfahren beendet und aus dem Messsignal die zu bestimmende Messgröße ermittelt werden. Unterschreitet das neue Messsignal nach wie vor den unteren Schwellenwert, so wird eine neue, noch längere Integrationszeit vorgegeben und erneut ein Messsignal gebildet. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den unteren Schwellenwert nicht mehr unterschreitet. Dann wird das Verfahren beendet und aus dem Messsignal die zu bestimmende Messgröße ermittelt.exceeds the measurement signal strength the lower threshold, the Ended procedure and the measurement signal with respect to the determined Measured variable are evaluated. Falls below the Measurement signal strength, however, the lower threshold, is given a new, longer integration time, and again one Integration of the receiver signal to form a measurement signal carried out. Exceeds the new, accordingly higher measurement signal strength the lower threshold, so the process can be terminated and from the measurement signal to be determined Measured variable can be determined. Falls short of that new measurement signal is still the lower threshold, so will given a new, even longer integration time and again formed a measurement signal. These steps are repeated many times, until the measurement signal strength does not reach the lower threshold more falls short. Then the procedure is ended and out of the Measuring signal determines the measured variable to be determined.

Um zu vermeiden, dass die Vorgabe längerer Integrationszeiten dazu führt, dass die neue, höhere Messsignalstärke den Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers AD überschreitet, kann bei jeder Vorgabe einer neuen, längeren Integrationszeit das Messsignal zusätzlich auch auf die Überschreitung des ersten oberen Schwellenwerts geprüft und die vorgegebene Integrationszeit bei Schwellenwertüberschreitung wieder herabgesetzt werden.Around To avoid having to specify longer integration times This leads to the new, higher signal strength exceeds the saturation value of the analog-to-digital converter AD, can with each specification of a new, longer integration time the measuring signal in addition to the excess checked the first upper threshold and the default Integration time at threshold exceeded again be lowered.

Die integrierte und digitalisierte Photospannung bzw. der Photostrom wird bezüglich der Integrationszeit nach der Formel Z/IZ (1)mittels einer Normierungseinheit N normiert,
wobei Z der Zählerstand am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers AD, und IZ die Integrationszeit ist. Diese einfache Art der Normierung ist möglich, wenn wie in 2 ein linearer Zusammenhang zwischen der Integrationszeit IZ und der Zählerausgabe in Counts des Analog/Digital-Wandlers AD besteht, wenn also gilt: C = m·IZ + d, mit d = const., (2)wobei C der Ausgabe des Analog/Digital-Wandlers AD in Counts entspricht und m, und d Konstanten sind. Idealerweise nimmt d den Wert Null an.The integrated and digitized photovoltage or the photocurrent is with respect to the integration time according to the formula Z / IZ (1) Normalized by means of a normalization unit N,
where Z is the count at the output of the analog-to-digital converter AD, and IZ is the integration time. This simple way of standardization is possible if as in 2 there is a linear relationship between the integration time IZ and the counter output in counts of the analog / digital converter AD, that is, if: C = m · IZ + d, where d = const., (2) where C corresponds to the output of the analog-to-digital converter AD in counts and m, and d are constants. Ideally, d assumes the value zero.

Die Normierungseinheit N kann Softwaremittel umfassen. Hierzu kann sie mit der Steuereinheit SE kommunizieren. Alternativ kann aber auch eine zusätzliche Photodiode als Monitor-Diode (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die ebenfalls Licht von der Leuchtdiode E1 empfängt. Entsprechend empfängt die Monitor-Diode Licht über die gleiche Integrationszeit wie die Photodiode D1 und kann somit zur Normierung und gleichzeitig zur Überwachung der Steuereinheit herangezogen werden.The Normalization unit N may include software means. She can do this communicate with the control unit SE. Alternatively, but also an additional photodiode as a monitor diode (not shown) is provided be, which also receives light from the light emitting diode E1. Accordingly, the monitor diode receives light over the same integration time as the photodiode D1 and thus can for standardization and at the same time for monitoring the control unit be used.

Alternativ oder zusätzlich zur Änderung der Integrationszeit kann zur Anpassung des Messsignals an den Eingangsbereich des Analog/Digital-Wandlers AD auch vorgesehen sein, die Eingangsspannung bzw. den Betriebsstrom der Leuchtdiode E1 und somit die Senderleistung, also die Intensität des von der Leuchtdiode E1 emittierten Lichts, zu variieren. Eine Variation der Lichtintensität der Leuchtdiode E1 kann ebenfalls durch die Steuereinheit SE durchgeführt werden. Die Lichtintensität des von einer Leuchtdiode emittierten Lichts lässt sich beispielsweise durch Filter, aber auch durch Variation der Eingangsspannung bzw. des Betriebsstroms der Leuchtdiode E1 variieren.alternative or in addition to changing the integration time can be used to adapt the measuring signal to the input range of the analogue / digital converter AD also be provided, the input voltage or the operating current the light emitting diode E1 and thus the transmitter power, so the intensity of the light emitted by the light emitting diode E1 to vary. A Variation of the light intensity of the light emitting diode E1 can also be performed by the control unit SE. The light intensity the light emitted by a light emitting diode can be for example by filters, but also by varying the input voltage or the operating current of the light emitting diode E1 vary.

Die Anpassung der Lichtintensität der Leuchtdiode E1 an den Eingangsbereich des Analog/Digital-Wandlers AD kann analog zum zuvor beschriebenen iterativen Verfahren zu Anpassung der Integrationszeit anhand vorgegebener Schwellenwerte durchgeführt werden.The Adjustment of the light intensity of the light emitting diode E1 to the Input range of the analog / digital converter AD can be analogous to the previously described iterative method for adaptation of the integration time predetermined thresholds are performed.

Im Falle einer Variation der Lichtintensität erfolgt entsprechend eine Normierung des Messsignals bezüglich der Lichtintensität bzw. des Betriebsstroms der Leuchtdiode E1. Die Normierung erfolgt in diesem Fall ebenfalls über die Normierungseinheit N.in the Case of a variation of the light intensity takes place accordingly a normalization of the measurement signal with respect to the light intensity or the operating current of the light emitting diode E1. The normalization takes place in this case also via the normalization unit N.

Im folgenden werden beispielhafte Messungen der Trübung einer Suspension aus ausgefaultem Klärschlamm und Wasser gezeigt. 4 gibt schematisch die hierzu verwendete Sensoranordnung mit zwei Photodioden D1 und D2 und zwei Leuchtdioden E1 und E2 wieder. Diese Anordnung erlaubt die Durchführung des Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahrens, welches beispielsweise aus US 5,140,168 bekannt ist.The following are exemplary measurements of the turbidity of a slurry of digested sewage sludge and water. 4 schematically shows the sensor arrangement used for this purpose with two photodiodes D1 and D2 and two LEDs E1 and E2 again. This arrangement allows the implementation of the four-beam alternating light method, which for example US 5,140,168 is known.

Die Leuchtdioden E1 und E2 werden für die Messung abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Das dabei durch Streuung im Medium M zu den beiden Photodioden D1 und D2 gestreute Licht wird gemessen. Die Bezifferung der Lichtwege 1_1, 2_1, 1_2 und 2_2 geben jeweils den Lichtemitter, also die Leuchtdiode, und den Lichtempfänger, die Photodiode, an. Die erste Ziffer steht für den Lichtempfänger, während die zweite Ziffer den Lichtemitter bezeichnet.The LEDs E1 and E2 alternate for measurement switched on and off. The case by scattering in the medium M too The light scattered by the two photodiodes D1 and D2 is measured. The numbering of the light paths 1_1, 2_1, 1_2 and 2_2 respectively the light emitter, ie the light emitting diode, and the light receiver, the photodiode, on. The first digit stands for the light receiver, while the second digit denotes the light emitter.

In der 5 sind in vier Messdiagrammen die zu den vier Lichtwegen 1_1, 2_2, 2_1, und 1_2 gehörenden Messsignale einer Messreihe abgebildet, bei der eine Suspension aus Wasser und Klärschlamm zunehmend verdünnt wurde. Die in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt (TS-Gehalt) aufgetragenen Messsignale entsprechen dem Zählerstand am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers AD. Die Integrationszeiten sind wegen der hohen Signaldynamik des optischen Messsensors MS angepasst worden, um das Messsignal unterhalb des Sättigungs- Werts des Analog/Digital-Wandlers AD zu halten. Das erste Messdiagramm 1_1 zeigt den Zählerstand am Analog/Digital-Wandler AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E1 Licht emittiert, das von der Photodiode D1 empfangen wird. Das zweite Messdiagramm 2_2 zeigt den Zählerstand am Analog/Digital-Wandler AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E2 Licht emittiert, das von der Photodiode D2 empfangen wird. Das dritte Messdiagramm 2_1 zeigt den Zählerstand am Analog/Digital-Wandler AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E1 Licht emittiert, das von der Photodiode D2 empfangen wird. Schließlich zeigt das vierte Messdiagramm 1_2 den Zählerstand am A/D-Wandler AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E2 Licht emittiert, das von der Photodiode D1 empfangen wird.In the 5 in four measuring diagrams, the measurement signals belonging to the four light paths 1_1, 2_2, 2_1, and 1_2 of a measurement series are shown in which a suspension of water and sewage sludge was increasingly diluted. The measured signals which are plotted as a function of the solids content (TS content) correspond to the meter reading at the output of the analog / digital converter AD. The integration times have been adjusted because of the high signal dynamics of the optical measuring sensor MS in order to keep the measuring signal below the saturation value of the analog / digital converter AD. The first measurement diagram 1_1 shows the count at the analog / digital converter AD in the event that the light emitting diode E1 emits light received by the photodiode D1. The second measurement diagram 2_2 shows the count at the analog / digital converter AD in the event that the light emitting diode E2 emits light received by the photodiode D2. The third measurement diagram 2_1 shows the count at the analog / digital converter AD in the event that the light emitting diode E1 emits light received by the photodiode D2. Finally, the fourth measurement diagram 1_2 shows the count at the A / D converter AD in the event that the light-emitting diode E2 emits light received by the photodiode D1.

Die Messreihe wurde bei einem hohen Feststoffgehalt von mehr als 45 g/l mit einer ersten Integrationszeit T1 von 2880 μs gestartet, die Suspension wurde danach mit Wasser zunehmend verdünnt. Bei höherer Verdünnung der Suspension, was einer niedrigeren Feststoffkonzentration entspricht, kann man ein Ansteigen der Sensorsignale beobachten. Ab einem Feststoffgehalt von etwa 10,7 g/l und zunehmender Verdünnung wird die vorgegebene Integrationszeit auf eine zweite Integrationszeit T2 von 1022 μs verringert, da sonst die Signalstärke den Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers AD überschreitet. Bei einem Feststoff-Gehalt von weniger als 2,8 g/l und zunehmender Verdünnung wird eine noch geringere Integrationszeit T3 von 681 μs vorgegeben um zu gewährleisten, dass die Messsignalstärke den Sättigungswert des Analog/Digitalwandlers AD nicht überschreitet.The test series was started at a high solids content of more than 45 g / l with a first integration time T1 of 2880 μs, the suspension was then increasingly diluted with water. At higher dilution of the suspension, which corresponds to a lower solids concentration, one can observe an increase in the sensor signals. From a solids content of about 10.7 g / l and increasing dilution, the predetermined integration time is reduced to a second integration time T2 of 1022 μs, since otherwise the signal strength exceeds the saturation value of the analog / digital converter AD. With a solids content of less than 2.8 g / l and increasing dilution, an even lower integration time T3 of 681 μs is specified to ensure that the measurement signal strength is the saturation value of the analog / digital converter AD does not exceed.

Zur Auswertung der in 5 dargestellten Signale wird das Vierstrahl-Wechsellicht W nach der folgenden Formel bestimmt:

wobei I_{1_1} der von der ersten Photodiode D1 bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode E1 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist,
wobei I_{2_1}, der von der zweiten Photodiode D2 bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode E1 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist,
wobei I_{1_2} der von der ersten Photodiode D1 bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode E2 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist und
wobei I_{2_2} der von der zweiten Photodiode D2 bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode E2 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist. Dabei ist der Photostrom I jeweils in Counts des Analog/Digital-Wandlers angegeben. Das so berechnete Vierstrahl-Wechsellicht der in 5 gezeigten Messwerte ist in 6 als Funktion des Feststoff-Gehalts (TS-Gehalt) dargestellt. Dabei ist der Bereich sehr geringer Trübung, entsprechend sehr geringem TS-Gehalt, separat vergrößert dargestellt.For evaluation of in 5 The four-beam alternating light W is determined according to the following formula:

wherein I _{1_1 is} the photocurrent generated by the first photodiode D1 upon receiving the light emitted by the first light emitting diode E1,
wherein I _{2_1 generated} by the second photodiode D2 upon receiving the light emitted from the first light emitting diode E1 is photocurrent,
wherein I _{1_2 is} the photocurrent generated by the first photodiode D1 upon receiving the light emitted by the second light emitting diode _{E 2} , and
wherein I _{2_2 is} the photocurrent generated by the second photodiode D2 upon receipt of the light emitted by the second light emitting diode E2. In this case, the photocurrent I is indicated in each case counts of the analog / digital converter. The thus calculated four-beam alternating light of 5 shown measurements is in 6 as a function of the solids content (TS content). The range of very low turbidity, corresponding to very low TS content, is shown separately enlarged.

Bei einem linearen Zusammenhang zwischen der Integrationszeit und der Anzahl der Counts am Analog/Digital-Wandler mit d = 0 (vgl. Glg. (2)) wird das Wechsellicht, in diesem Fall ein Vierstrahlwechsellicht, durch die Quotientenbildung unabhängig von der Integrationszeit IZ, so dass nicht einmal eine Normierung der einzelnen Messwerte erforderlich ist, um die Messbereiche, die mit unterschiedlichen Integrationszeiten gemessen wurden, untereinander zu vergleichen, da gilt:

In the case of a linear relationship between the integration time and the number of counts at the analog / digital converter with d = 0 (see equation (2)), the alternating light, in this case a four-beam alternating light, is formed by the quotient formation independently of the integration time IZ, so that even a standardization of the individual measured values is not required in order to compare the measuring ranges which were measured with different integration times, since the following applies:

Es sind daher auch ohne Normierung zwischen den einzelnen, mit unterschiedlichen Integrationszeiten gebildeten Messsignalen keine unstetigen Übergänge festzustellen.It are therefore also without normalization between the individual, with different Integrationszeiten formed measuring signals no unsteady transitions determine.

Die Erfindung ist besonders gut geeignet zur Messung des Feststoffgehaltes in einer Suspension aus Wasser und Klärschlamm, jedoch nicht auf diesen Be reich im Umweltsektor beschränkt. Die Erfindung lässt sich überall dort vorteilhaft einsetzen, wo die Sensordynamik so groß ist, dass die detektierten Eingangssignale für einen Analog/Digital-Wandler dessen Sättigungswert übersteigen. Das kann allgemein in der Messtechnik oder in der Prozessleittechnik der Fall sein. In allen diesen technischen Gebieten kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.The Invention is particularly well suited for measuring the solids content in a suspension of water and sewage sludge, however is not limited to this area in the environmental sector. The Invention can be advantageous everywhere use, where the sensor dynamics is so large that the detected Input signals for an analog / digital converter whose Exceed saturation value. That can be general be the case in metrology or process control. In all these technical fields, the invention can be used advantageously become.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 596231 A1 [0007, 0008]
US 5140168 [0063]

Claims

Method for determining a measured variable a medium (M), in particular for turbidity measurement in a liquid or gaseous medium, by means of an optical sensor arrangement (MS), with the steps: (I) Generating a transmitter signal having a predetermined transmitter signal strength by means of at least one optical transmitter, wherein the transmitter signal by interaction with the medium (M) depending is converted by the measurand; (ii) generating a receiver signal by means of at least one the transmitter associated receiver from the converted transmitter signal; (Iii) Forming a measurement signal by integration of the receiver signal via a given integration time.

The method of claim 1, wherein the measurement signal is a correlated with the integration time and the measurand Measuring signal strength, and wherein the integration time and / or the transmitter signal strength in dependence is specified by the measured signal strength.

The method of claim 1 or 2, wherein the optical Sensor arrangement (MS) at least one component for signal conversion and / or for signal transmission, which with respect the measurement signal has an upper saturation value, wherein the integration time and / or the transmitter signal strength so is specified that the measurement signal strength the saturation value the component for signal conversion and / or signal transmission does not exceed.

The method of claim 3, wherein the component is for Signal conversion and / or signal transmission an analog / digital converter (AD).

Method according to one of claims 1 to 4, wherein the integration time is selected from a number of discrete values becomes.

Method according to one of claims 1 to 5, with the further steps: (iv) Compare the measurement signal strength with a first threshold; (v) when exceeded of the first threshold Reduce the given integration time and / or the preset transmitter signal strength and repetition of steps (i) to (iii).

The method of claim 6, wherein in step (v) the Integration time is halved.

Method according to one of claims 1 to 7, with the further steps: (vi) comparing the measurement signal strength with a second threshold; (vii) falls below the second threshold increase the given integration time and / or the preset transmitter signal strength and repetition of steps (i) to (iii).

The method of claim 8, wherein in step (vii) the integration time is doubled.

Method according to one of claims 1 to 9, wherein the measurement signal with respect to the integration time and / or the transmitter signal strength is normalized.

The method of claim 10, wherein the normalization with respect to the integration time by dividing the measurement signal strength done by the integration time.

The method of claim 10 or 11, wherein the normalization is performed by means of a normalization unit (N), which software means and / or at least one additional Monitor diode includes those operated with the same integration time becomes like the receiver.

Method according to one of claims 1 to 12, wherein as a transmitter at least one light emitting diode (E1) and as a receiver at least one photodiode (D1) are provided, wherein the photodiode (D1) Light of the LED receives and from it as a receiver signal generates a photovoltage or a photocurrent.

Method according to one of Claims 1 to 13, wherein a first and a second light-emitting diode (E1, E2) are provided as transmitters and a first and a second photodiode (D1, D2) are provided as receiver, the light emitted by the first light-emitting diode (E1) Receiving light from the first photodiode (D1) and generating therefrom a photovoltage or current as the receiver signal, wherein the light emitted by the first light-emitting diode (E1) is received by the second photodiode (D2) and a photovoltage or current is generated therefrom as a receiver signal, the light emitted by the second light-emitting diode (E2) being emitted by the first photodiode (D1) and from which a photovoltage or current is generated as a receiver signal, wherein the light emitted by the second light emitting diode (E2) is received by the second photodiode (D2) and a photovoltage or current is generated therefrom as a receiver signal.

Method according to claim 14, wherein the alternating light W generated alternately by means of the two light-emitting diodes (E1, E2) is calculated according to the following formula:

where I _{1_1 is} the photocurrent generated by the first photodiode (D1) upon receipt of the light emitted by the first light emitting diode (E1), where I _{2_1 is} that of the second photodiode (D2) upon receipt of the light emitted by the first light emitting diode (E1) is generated photocurrent, wherein I _{1_2} by the first photodiode (1) emitted upon reception of the second light emitting diode (E2) light generated photocurrent is where I _{2_2} by the second photodiode (D2) of (upon receipt of the second light emitting diode E2) emitted light is generated photocurrent.

Optical sensor arrangement (MS) for determining a Measurement of a medium (M), in particular for Turbidity measurement in a liquid or gaseous Medium, with at least one optical transmitter for generating a Transmitter signal with a predetermined transmitter signal strength and at least one receiver associated with the transmitter for generating a receiver signal from the interaction with the medium (M) depending on the measured variable converted transmitter signal, characterized in that the sensor arrangement (MS) an integrator circuit (I) for integrating the receiver signal via a predetermined integration time to form a measurement signal includes, wherein the integration time and / or the signal strength the transmitter signal by means of a control and control unit (SE) can be specified.

Optical sensor arrangement (MS) according to claim 16, wherein the sensor arrangement (MS) further comprises at least one component for signal conversion and / or signal transmission, which has an upper saturation value with respect to the measurement signal and wherein the integration time and / or transmitter signal strength can be specified by means of the control and control unit that the measurement signal strength is the saturation value of the component for signal conversion and / or signal transmission does not exceed.

Optical sensor arrangement (MS) according to claim 17, wherein the at least one signal conversion component and / or Signal transmission comprises an analog / digital converter (AD).

Optical sensor arrangement according to one of the claims 16 to 18, wherein the sensor assembly further comprises a normalization unit (N), by means of which the measurement signal with respect Integration time and / or the transmitter signal strength of the transmitter signal is normalizable.

An optical sensor assembly according to claim 19, wherein the normalization unit (N) software means and / or at least one additional monitor diode for monitoring the Receiver and / or to determine the integration time includes.