CN105823732A - 用于确定介质的吸收特性的方法、装置和传感器 - Google Patents

用于确定介质的吸收特性的方法、装置和传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定介质(114)的吸收特性的方法(200)。该方法(200)具有求取步骤(202)：在使用第一强度值(110)和至少一个第二强度值(110)以及第一测量距离(112)和第二测量距离(112)之间的长度差(130)的情况下求取所述介质(114)的吸收系数(136)。其中所述第一强度值(110)代表在所述介质(114)中穿过第一测量距离(112)后测得的第一光强度。所述第二强度值(110)代表在所述介质(114)中穿过第二测量距离(112)后测得的第二光强度。在使用具有共同的输出强度的光线(108)的情况下测量所述第一强度值(110)和所述第二强度值(110)。

Description

用于确定介质的吸收特性的方法、装置和传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定介质的吸收特性的方法，一种相应的装置和一种用于确定介质的吸收特性的传感器以及一种相应的计算机程序。
背景技术
介质的吸收特性通过介质的吸收系数来描述。
发明内容
在此背景下，借助这里介绍的方式来阐明按照独立权利要求所述的一种用于确定介质的吸收特性的方法、一种使用这种方法的相应装置，一种用于确定介质的吸收特性的传感器以及最后一种相应的计算机程序。有利的技术方案由相应的从属权利要求和下文的说明中得出。
用于介质的吸收系数的计算公式能够以介质中的两个测量距离的长度差来扩展。通过该公式的变形可将各种干扰因素从公式中消除。只要它们之间的长度差是已知的，则尤其省去了介质中的测量距离。也就是说，在确定介质的吸收特性或者说吸收系数时，相同的介质能够以不同的测量距离被透射两次。因此介质的吸收也就能够在使用至少两种不同的测量距离的情况下被测量。
在此介绍一种用于确定介质的吸收特性的方法，其中所述方法具有以下步骤：
在使用第一强度值和至少一个第二强度值以及第一测量距离和第二测量距离之间的长度差的情况下，求取介质的吸收系数，其中所述第一强度值代表在介质中穿过第一测量距离后测得的第一光强度，并且所述第二强度值代表在介质中穿过第二测量距离后测得的第二光强度，其中在使用具有共同的输出强度的光线的情况下测量所述第一强度值和所述第二强度值。
该方法能够具有第一步骤：测量所述第一强度值、紧接着的步骤：以长度差来改变所述测量距离以及随后的第二步骤：测量所述第二强度值。通过集成的测量过程能够快速并且直接地分析所述介质。
该光源能够以脉冲方式运行。测量距离能够以脉冲方式被改变。通过脉冲式的光源能够测量所述强度的参考值。该参考值能够基于强度值被计算求出。通过脉冲式的测量距离，该第一强度值以及第二强度值能够周期交变式地被测量。由此能够实现近似恒定的测量。
第一强度值和第二强度值能够在使用共同波长范围中的光线的情况下被测量。所述强度值尤其能够在使用相同光源的光线的情况下被测量。因此能够确保该光线具有相同的输出强度。
此外介绍一种用于确定介质的吸收特性的传感器，其中该传感器具有以下特征：
用于提供光线的光源；
用于探测射入到探测器上的光线的光强度的探测器；以及
用于改变光源和探测器之间的可变的测量距离的设备，其中所述介质能够被布置在测量距离之内。
用于改变的设备能够构造用于使得光源相对于探测器运动。测量距离能够被设计为光源和探测器之间的间隙。用于改变的设备也能够改变间隙宽度并因此改变该测量距离。同样地，光源和探测器能够具有相对彼此恒定的间距。所述间隙的限界能够被移动，以便改变介质中的测量距离。由此间隙中的介质能够保持运动，从而防止浮尘的沉积。此外这还加速了处在间隙中的体积的交换。后者在间隙很窄的情况下是特别有利的，所述很窄的间隙由于扩散或绕流会阻碍所述交换。
光源和探测器能够相对于彼此不可动地布置。用于改变的设备能够构造用于使得可动的反射器运动，该反射器构造用于使得光源的光线反射至探测器。由此能够提供一种尤其耐用的传感器。
光源能够具有用于朝探测器方向形成光线的光学透镜。光线的对准的光路(平行光)在穿过介质通行时是有利的，因为这种情况下强度密度和光路横截面在间距改变的情况下保持恒定。探测器能够具有将光源的光线集中到探测器上的透镜。通过在光路中起光学作用的元件能够使得该介质中的光强度适配于该介质。
探测器能够具有至少两个光敏感的区域。这些区域能够对光的不同的波长范围敏感。这使得在不同的波长的情况下测量通过介质对光的吸收成为可能，例如以便将不同的吸收光带定量化，或者获得用于基线校正的参考值。
另外这里介绍的方式还创建了一种用于确定介质的吸收特性的装置，该装置构造用于在相应的装置中实施、操控或者说执行这里介绍的方法的变型方案的步骤。而且通过本发明的形式为装置的变型方案能够迅速并且有效地解决基于本发明的任务。
在此，装置能够被理解为一种电气器具，该电气器具处理传感器信号并且据此发出控制信号和/或数据信号。该装置能够具有接口，所述接口能够以硬件方式和/或软件方式构造。就硬件方式的构造而言，这些接口能够例如是所谓的***-ASIC的组成部分，其包含该装置的各种功能。但也可能的是，这些接口是自身的、集成的电路回路或者至少部分由单独的或者说分立的部件组成。就软件方式的构造而言，这些接口能够是软件模块，其例如存在于除其他软件模块之外的微控制器上。
优点还在于带有程序编码的计算机程序或计算机程序产品，所述程序编码能够被储存在机器可读的载体或者存储介质例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且尤其当所述程序产品或程序在计算机上或装置上执行时被用于实施、执行和/或操控按前述实施方式中任一项所述的方法的步骤。
附图说明
这里介绍的方式下面借助附图示例性地作详细地解释。附图中：
图1示出了按照本发明的一种实施例的、用于确定吸收特性的传感器的框图；
图2示出了按照本发明的一种实施例的、用于确定吸收特性的方法的流程图；
图3-5示出了按照本发明的一种实施例的、运行传感器的运行示意图；
图6示出了按照本发明的一种实施例的、用于确定吸收特性的传感器的示图；
图7示出了按照本发明的另一种实施例的、用于确定吸收特性的传感器的示图；
图8示出了按照本发明的一种实施例的、具有可动的反射器的传感器的示图；并且
图9示出了不同介质的透射曲线。
在下面对本发明的有利的实施例的说明中，对于在不同附图中示出的并且作用相似的元件使用相同或相似的附图标记，在此省去了对这些元件的重复说明。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的一种实施例的、用于确定吸收特性的传感器100的框图。传感器100具有光源102、探测器104和用于改变的设备106。为此光源102构造用于提供光线108。探测器104构造用于探测射入到探测器104上的光线108的光强度并且描绘强度值110。用于改变的设备106构造用于改变光源102和探测器104之间的测量距离112。在测量距离112内能够布置要确定其吸收特性的介质114。
在所示出的实施例中，测量距离112通过两个基本上相互平行对齐的玻璃116限定。玻璃116对于光线108来说是透明的。换句话说，光源102被布置在第一玻璃116之后，同时探测器104被布置在第二玻璃116之后。间隙112处在所述玻璃116之间。用于改变的设备106以机械方式与玻璃116耦合。设备106能够移动玻璃116中的一个玻璃或者能够移动所述两个玻璃116，从而使得间隙112变窄或变宽。在所示出的实施例中，用于改变的设备106与光源102和探测器104脱耦。因此即使在改变测量距离112时，光源102和探测器104之间的距离也保持不变。
当介质114被布置在间隙112中并且光源102穿过介质114发送光线108时，介质114吸收至少一部分的光线108。因为光源102与第一玻璃116之间的吸收、所述玻璃116之内的吸收以及第二玻璃116与探测器104之间的吸收是能够忽略不计的，故在探测器104上可探测的光线108的强度仅仅取决于光源102上的光线108的输出强度和介质114中的吸收。介质114中的吸收则取决于所述玻璃116的表面118之间的间距112和介质114的吸收系数。
就这里介绍的方式而言，所述玻璃116之间的绝对间距112或者说光108在介质114中所经历的路程112不计入到吸收系数的计算中。此外按照本发明的一种实施例传感器100与用于确定介质的吸收特性的装置120连接。
装置100具有：用于间距112的间距控制设备122、用于光源102的光线控制设备124以及用于求取的设备126。间距控制设备122通过一控制线路与用于改变的设备106连接。通过该控制线路，该间距控制装置122为用于改变的设备106提供间距信号128。该间距信号128代表间距112的改变要求。代表着间距变化或者说两个测量距离112的长度差130的数值130被提供给用于求取的设备126。光控制设备124通过一控制线路与光源102连接。通过该控制线路，该光控制设备124将光信号132提供给光源102。光信号132代表光线108的状态要求。光线108的被要求的状态134被提供给用于求取的装置126。在所述用于求取的装置126中，在使用处理规程、长度差130、光源108的状态134和至少两个在不同间距112中所检测到的强度值110的情况下，求取该介质114的吸收系数136。
换句话说图1示出了具有可变的测量间隙112的光学介质传感器100。在此示意地示出了传感器100的原理，该传感器借助光透射测量以确定介质114的光学的吸收特性。
所述介质114是填充两个窗玻璃116之间的空间112的液体或气体，所述窗玻璃本身对于用于测量的光线108来说是透明的。光线108由光源102产生、穿过窗玻璃116射入到介质114中、穿过所述介质、穿透窗玻璃116并且射到探测元件104上。那里指出的光强度I110允许按照下述Lambert-Beer-Gesetz(朗伯-比尔-法则)来确定该介质114的吸收系数α：
I＝I0e-αd，
其中d是介质114中的行程d112，并且I0是在介质114中没有吸收地落到探测器104上的光强度。
通常吸收量α(λ)在确定的波长λ或者说限定数目的单个波长λ1、λ2、λ3的情况下是令人感兴趣的。在这里下面所用的“波长λ”总是指以λ为中心的有限宽度的波长区间。
实际上并非所有的透射损失都仅仅归咎于介质114的吸收系数α。因此在时间历程中可能在窗表面116上形成覆层或该窗玻璃116本身由于材料老化可能变混浊。两者都可以导致额外的吸收或散射。所有这些效应将导致额外的、不依赖于该光学路程d112的消光因数A(λ)，并且其表述为下述更精确表达的Lambert-Beer-Gesetz(朗伯-比尔-法则)：
I(λ)＝I0(λ)A(λ)e-α(λ)d，
I0(λ)和A(λ)在实验室光谱仪条件下通过对不吸收的(参考)介质的参考测量来确定。不过这就处于场中的、被安装到管路或箱罐中的传感器100而言大多是不可能的。但是如果这些参量是未知的，那么一次唯一的、在λ2的情况下的测量不足以确定α(λ2)，如图9中示出的那样，并且因此不足以确定该分析物的浓度。
直到该透射的强度110在这两个波长情况下的比例构成达到：
I ( λ 2 ) / I ( λ 1 ) = I 0 ( λ 2 ) / I 0 ( λ 1 ) · A ( λ 2 ) / A ( λ 1 ) · e - ( α ( λ 2 ) - α ( λ 1 ) ) d ,
才允许这些效应在下述条件下进行校正，所述条件为：I0(λ2)/I0(λ1)是已知的并且在时间上是稳定的，以及比例A(λ2)/A(λ1)是已知的并且时间上是稳定的。
该强度110的比例例如当使用两个分开的、表明了不同的老化特性的发光二极管时是未给出的。该消光因数的比例例如当在窗玻璃116上形成覆层时是未给出的，所述覆层在两个波长情况下表明了不同的吸收特性。
如果满足了这些条件并且该光学路程d是已知时，则由此确定(α(λ2)-α(λ1))是可能的。
在我们的实施例中已有(α(λ1)＝0)，而至今的讨论能够容易地概括出一般性结论。实际上就所有波长而言，存在一种不依赖于分析物114的基本吸收。这要么是已知的要么能够由在其他波长的情况下的测量导出。原则上适用的是，考虑的单个波长越多，就能够排除越多涉及测量装置和介质的未知量。
实际上传感器设计经常失败于所谓的条件根本不被满足的事实上。已作为原因的是所谓的：源的不同的老化特性或光谱方面不均匀吸收的窗玻璃覆层，而且该列举项目可被任意扩展，例如在单个源102的发射特性方面随时间的波动并且因而在探测元件104上的不同的光分布，因材料老化或在窗玻璃116上的颗粒沉积而造成的、依赖于波长的散射效应。
就这里介绍的方式而言，通过光学的光程d112的改变使所有不依赖于d112的、对测得的强度110的影响被排除。在此硬件的老化效应和污染效应，待测量的波长的减小和/或通过测量参数的重复确定而得到的可靠性的改善以及制造容差的补偿和/或校正花费的减小都能够实现。
尤其介绍传感器，就所述传感器而言该光程d112由于强烈吸收性的介质114是非常短的，从而使得光程d112的改变能够通过压电元件106完成。具体的应用是对液体114的红外线光学测量，特别是对柴油燃料中的汽油(Otto)甲基酯(FAME)或脂肪酸甲基酯(FAME)中的乙醇份额的确定。
一般按照这里介绍的方式传感器100具有装置106，其允许将介质114中的光程d112、也就是介质侧的窗表面118之间的间距112改变差值δ。
如果对于相同的波长λ实施两次关于d和(d+δ)的测量，则通过比例构成而获得：
I ( λ , d ) I ( λ , d + δ ) = I 0 ( λ ) I 0 ( λ ) A ( λ ) A ( λ ) e - α ( λ ) d e - α ( λ ) ( d + δ ) = e α ( λ ) δ .
如果调节路程δ作为已知的先决条件，则该吸收系数α是这个等式中唯一的未知量。甚至该绝对的路程d不再被包含，因此例如制造容差也不必再通过校准被补偿。这样在理想情况下α(λ)能够通过在单个波长情况下的测量被确定。
所描述的原理原则上能够被应用在所有要确定气态或液态的介质114的吸收系数或消光系数的地方。
尤其描述液体、尤其燃料的非分散红外线光谱学(NDIR)。
在此，该吸收长度112是非常短(＜1mm)的。也就是说，所需要的调节路程δ在10μm-范围中能够通过压电致动器106精确地、长期可重复地并且无磨损地实现。
就这里介绍的方式而言，在窗玻璃116上的可能的覆层构成不被考虑到吸收系数的计算中。通过这种计算与绝对的测量距离112的不依赖性能够无校正地运行该传感器100。
同样地通过这里介绍的方式能够减少波长波道的数目。因为就具有热力辐射源102和探测器104的传感器100的成本低廉的实施例而言，对于每个波长来说带通滤波器都是成本中的主要部分，故传感器成本直接以待检测的波长数目来度量。
在一种实施例中描述了图1中用于确定在生物柴油混合物(Biodiesel-Blends)中的脂肪酸甲基酯(FAME)的含量的传感器100的变型实施方式。
传感器100具有热力辐射源102，所述热力辐射源被设计为白炽灯丝102或微热板102。此外该传感器具有探测器104，所述探测器被设计为微辐射热测定器104、热电堆104或者以热电方式来实施。该探测器104被设计为包括用于波长λ＝5.7μm、FWHM(半高全宽)100至500nm、尤其200nm的带通滤波器。
作为一种选择方案，传感器100具有带有用于波长λ＝4μm、4.5μm或5.3μm及如上面所述的FWHM的带通滤波器的第二探测器。
吸收路程d112计为10μm至100μm、尤其30μm。通过压电致动器106能够调节从1μm至20μm、尤其5μm的调节路程δ。
在一种实施例中，传感器100具有带有用于波长λ为4μm、4.5μm或5.3μm的带通滤波器的第二探测器104。
在一种实施例中，传感器100具有如前所述的源102和探测器104。但在此该带通滤波器被实施为用于波长λ为4.9μm、FWHM100至300nm、尤其200nm。测量距离d112处于100至1000μm之间、尤其处于200μm。该间距差δ处于1μm到50μm之间、尤其处于20μm。
在一种实施例中，传感器100具有带有用于波长λ为4μm或4.5μm的带通滤波器的第二探测器104。
图2示出了按照本发明的一种实施例的、用于确定介质的吸收特性的方法200的流程图。该方法200能够在使用例如在图1中所示出的那样的传感器以及例如在图1中所示出的那样的装置的情况下被实施。该方法200具有用于求取的步骤202。在该求取步骤202中，在使用第一强度值和至少一个第二强度值以及长度差的情况下求取该介质的吸收系数。第一强度值代表在穿过介质中的第一测量距离后而测得的第一光强度。第二强度值代表在穿过介质中的第二测量距离后而测得的第二光强度。第一测量距离与第二测量距离相差所述长度差。第一强度值和第二强度值在使用具有共同的输出强度的光线的情况下被测量。
该方法200能够具有第一步骤204：测量第一强度值，紧接着的步骤206：以长度差改变测量距离以及随后的第二步骤208：测量第二强度值。步骤204、206、208在用于求取的步骤202之前被实施。
图3至5示出了按照本发明的一种实施例的、运行传感器的运行示意图300、302、304。如在图1中示例性地示出的传感器能够相应于这里所示出的运行示意图300、302、304由如其在图1中示例性地示出的装置所操控。此处表明了三个相互不依赖的运行示意图300、302、304。每个运行示意图300、302、304分别表明了：关于时间t的光强度I，和关于时间t的光信号306或者说用于光源102的控制信号306，以及关于时间t的间距信号308或者说用于改变的装置106的控制信号308。在所有的运行示意图300、302、304中光源102以及用于改变的装置106以脉冲方式运行。由此光强度I能够具有三个不同的值310、312、314。第一光强度310在光源102未运行时产生。该第一光强度310代表例如通过介质耦合到传感器中的散射光。同样第一光强度310代表探测器的暗杂。第二光强度312和第三光强度314则在光源102运行时产生。在此，所述两个光强度312、314在它们的数值上有所区别。该数值依赖于光在介质中经历的距离。因此当光源102运行时光强度I依赖于通过用于改变的装置106在介质中所调节的测量距离。在此在第二光强度312和第三光强度314之间的比例却依赖于被透射距离之间的长度差。所述长度差是已知的。
在第一运行示意图300中，光源102以低频脉冲方式运行。用于改变的设备106以高频脉冲方式运行。在此，间距信号308的频率在这里是光信号306的频率的三倍高。由此光强度I在光源102被接通期间将改变6次。换句话说在一个光脉冲内第二强度值312被检测到三次并且第三强度值314被检测到三次。在光源102昏暗期间，只检测到第一强度值310。
在第二运行示意图302中，光源102以高频脉冲方式运行。用于改变的装置106以低频脉冲方式运行。这里光信号306的频率则是间距信号308的频率的三倍高。因此在测量距离被扩展或者说被缩小期间，光源102相应地被三次激活。在测量距离被扩展期间，被检测的光强度I因此在第一强度值310和第二强度值312之间波动。在测量距离被缩小期间，被检测的光强度I在第一强度值310和第三强度值314之间波动。
在第三运行示意图304中，光源102和用于改变的设备106以相同的中等频率运行。在此光脉冲相对运动脉冲被移位了1/4周期。因此测量距离总在光脉冲的中央处改变。因此导致该光强度I从当光源102是灭时的第一强度值310阶梯形地升高经过当光源102是亮且测量距离扩展时的第二强度值312至当测量距离缩小时的第三强度值314。然后该光强度I当光源102被关断时又下降到第一强度值。
就所有实施方式而言有利的是，使光源以如同在光学的传感技术中一般通用的脉冲方式运行。关断源的测量总归是恰当有利的，以便校正探测器的暗电流和可能的因环境中外部源的散射光影响。而且脉冲方式的运行允许，通过测得的强度与源的操控信号的关系来改善该信号噪声比或者说锁定放大。
因为也变更了吸收路程d，故在探测器元件上出现至少三个不同的强度I。在此这三个强度代表：光灭、光亮和间距d，光亮和间距d+δ。三个示例性的运行示意图300、302、304在图3至5中图解说明。
在第一运行示意图300中该机械式的间距改变的周期比射线脉冲的周期短。此运行则当源具有一个慢的动态性能时是有利的，这特别是在热力源的情况。
在第二运行示意图302中该光线脉冲拥有比间距改变更高的频率。这里各按照结构方面说，更小的材料疲劳是有利的，因为在传感器的寿命中施行更少的机械的周期。
在第三运行示意图中该机械的和光学的操控具有相同的频率，但却是相位移动的。所有三个强度的取样率这里是相对高的，这对于快速改变的测量是好的，但评估是更复杂了。
此外在选择机械频率时应考虑介质的气体动力学性能或流体动力学性能，因为尤其在狭窄的测量间隙中机械的长度改变同时扮演一个用于交换该试样体积的角色并作用于传感器的动态性能上。
图6示出了按照本发明的一种实施例的、用于确定介质114的吸收特性的传感器100的示图。传感器100基本上对应于图1中的传感器。与此相反的是，该光源102和探测器104相应地被布置在单独的壳体件600、602中。壳体件600、602是作为整体彼此相对运动的，以便改变测量距离112。这里用于改变的设备106是压电致动器106。压电致动器106将壳体件600、602相互连接。在压电致动器106上施加以电压的情况下，压电致动器106的长度以与所施加的电压的值成比例地改变。
在示出的本实施例中，第一壳体件600被设计为可动的。第二壳体件602被设计为固定的。
壳体件600、602是与介质密封的或者说与流体密封的。壳体件600、602的面对的间隙112或者说测量距离112的侧表面是通过玻璃116被封闭的。
这里光源102是白炽灯光源102并且提供了具有宽频光谱的光线108。探测器104构造用于便探测第一光谱范围和第二光谱范围中的光线108。该光谱范围是相互不同的。此外探测器104具有第一分区域604和至少一个第二分区域606。该分区域604、606被并排地布置在第二玻璃116的后边。在第二玻璃116和第一分区域604之间布置了第一滤波器608，其将第一光谱范围外的光线108的波长或者说频率滤掉或至少明显地减弱。在第二玻璃116和第二分区域606之间布置了第二滤波器608，其将第二光谱范围外的光线108的波长或者说频率滤掉或至少明显地减弱。第一分区域604与第一滤波器608亦即构造用于探测第一光谱范围中的光线108。第二分区域606与第二滤波器608构造用于探测第二光谱范围中的光线108。
光源102通过柔性电缆610被连接。该电缆自由地在介质114中跨过该间隙112并通过与介质密封的实施被导入到壳体600中。
波长选择性还能够以下述方式产生，该方式为：使用一个或多个固有的窄带光源、也就是例如发光二极管或激光二极管。
在示出的本实施例中使用带通滤波器608，正如其能够例如通过介电的层***基于干涉效应被实现那样。这些滤波器608既能够被安置在光源102的侧面上或在探测器104的侧面上或在光路108中的探测器阵列104的侧面上。
例如具有螺旋灯丝的热辐射器102能够被用作宽带的光源102。然后能够使用例如两个探测器104，其被覆盖以不同的带通滤波器608，因此它们之一对于波长λ1的光是敏锐的，它们的另外的则对于λ2的光是灵敏感，且因此实施两个透射测量：
I ( λ i ) = I 0 ( λ i ) e - α ( λ i ) d .
非分散红外线(NDIR)-传感器100测量液态或气态的介质114的光学的透射率。“非分散”意味着，在考虑到尽可能筒单、成本低廉的实现方式的情况下，不以高分辨率测量连续光谱，而是只测量在附近(λ＝600-2500nm)或中间的(λ＝2500-20000nm)红外线范围(NIP和MIR)中选出的波长λ。
技术上NDIR-传感器100包括一个或多个辐射源102例如热辐射器、发光二极管或激光二极管、一个或多个对于所涉及的射线108敏感的探测器104例如热电堆、热电元件或辐射热测定器，还有在NDIR-范围中的光电二极管和位于源102和探测器104之间的、至少部分由介质114填充的吸收路程112。
只有如LEDs或激光二极管的少数例外，无论源102还是探测器104都不是有光谱选择的。因此为了限制光谱范围大多在探测器侧面上安装干涉测量的带通滤波器608。
这里描述的方式将所描述的原理以可变的吸收路程112扩展。具体说这里被描述的实施例具有一个热力射线体102作为源102和两个不被详细指定的探测元件104，其设有两个不同的带通滤波器608。它涉及液体传感器100。该介质114的吸收量在至少一个所涉及的波长情况下是如此之高，以至于该吸收路程d112、亦即该以介质114填充的间隙112能够明显地短于1mm。该改变δ处于10μm范围内并技术上通过压电元件106被实现。
但是所述特别的实施方式仅仅是一个与应用特别相关的实施例。这里介绍的方式能够应用到由任意多个源102和探测元件104构成的任何其他组件上，无所谓这些组件基于什么样的具体技术以及它们是否设有带通滤波器608。
在图6中示意地是具有通过两个不同的带通滤波器608相应地覆盖的探测器单元604、606的传感器100的实施方式。这些结构件被安置在一个壳体件602中，其刚性地并且不可动地与箱罐或管路的内壁612连接。该辐射源102处在单独的壳体件600中，其在第一壳体件602的对面是可动地隔开的。两个壳体件600、602具有能够射线透过的窗玻璃116，其相互平行地以间距d112竖立且其空腔112通过将传感器100包围的、待表明特性的介质114所填充。在两个壳体件600、602之间的机械连接被如此设计，以便在窗玻璃116之间的间距d112在遵守它们平行性前提下能够以计量δ变更、，这在该具体的实施例中能够通过压电致动器106的长度变化实现，其将壳体件600、602相连接。额外的器件如导轨、夹具、波纹管、弹簧或其他柔性的连接件在此没有被示出，但仍然能够被用于稳定窗玻璃116的平行性并且减小对压电致动器106的剪力、弯力和扭力。源102的供电能够通过柔性导线610实现，其能够选择地额外地完成机械的稳定功能。
图7示出了按照本发明的另一种实施例的、用于确定介质114的吸收特性的传感器100的示图。该传感器100基本上对应于图6中的传感器。额外地在光源102和间隙112之间的第一玻璃116被构成为光学元件700。在示出的本实施例中该玻璃在光源102的范围内具有加厚，其作为聚光透镜700起作用。通过光学的透镜700由光源102提供的发散的光线108则在间隙112的区域中被近似平行地对齐或者说被瞄准。由此在间隙112中的测量距离112对于所有的光射线108是近似相同的。
在此处描述的公式导出中已被忽略的是，在源102和探测器104之间的间距的、在这里明显的变化的情况下，由于射线光学上的原因该被证明的强度已经可能改变，因为最终从源102角度来看通过探测器104被覆盖的空间角发生改变。这个效应是否出现且它是什么强度则依赖于具体的实施方式。它在点状的、均质地射线的源102情况下，其会导致平方的强度依赖性。但在小的间距改变δ情况下该效是能够好计算的且能够在数据评估中被补偿。如果源102相对整个间距是大的，则在δ小的情况下也可以能够将它完全忽略。
通过作为源102和窗玻璃116之间的额外的元件的透镜700的集成能够使指向探测器104的光线108瞄准或者说成形为平行的射线束，从而小的间距改变δ不再起作用。在图7中表明了一种实施方式，就其而言窗玻璃116本身被实施为透镜700。它并非绝对必要，但却是有利的，在这种情况下即将拱形结构设置在结构件600的内侧面上，同时该透镜窗玻璃116的面对介质114的侧面是平的。以此方式该光路108保持不依赖于介质114的可能可变的折射率。
在一个未示出的实施例中还在探测器侧上集成设置了透镜元件，以便将光线108集中到探测器表面上。
图8示出了按照本发明的一种实施例的、具有可动的反射器800的传感器100的示图。传感器100基本上对应于图1中的传感器。与此相反的是，该光源102和探测器104这里被布置在共同的壳体802中的间隙112的相同的侧面上。在间隙112的另外的侧面上布置了反射器800。用于改变的设备106与反射器800和壳体802耦合并构造用于使得反射器800相对于壳体802运动。光线108亦即从光源102通过介质114被投射到反射器800上。在那里该光线108被反射并被投射到探测器104上。在此该光线108重新穿过介质114。因此反射器800的运动以双倍地作用到由光线108穿过介质114中的路程112上。
作为对至今示出的实施方式的替代也如图8中所表明那样可能的是，将源102和探测器104安排在共同的壳体件802中。源102的射线108然后通过镜800优选被实施为凹镜800被转向到探测器104上。在镜800和壳体件802之间的空间是通过待表明特性的介质114填充的。镜800在此可动地布置，例如通过弹性的弹簧804并能够通过机械的致动器106、例如压电致动器106被偏转，因此射线108的路程112通过介质114以小的差值δ改变。
关键问题是此处相对于其他的实施方案较复杂的光路，其隐含危险在于，落到探测器104上的光量已经由于几何光学的原因发生改变，亦即不依赖于介质114中的吸收量。与此能够起相反作用的是，通过用光阑806如此程度地限制该光锥108，以便所有发送出去的光射线108落到镜800上，不依赖于其位置。换句话说射线束108的横截面完全被镜面800所覆盖。此外镜800的曲率被如此配置，以便它在所有设置的镜800的位置上将射线108全部地转向到探测器104上。
图9示出了不同介质的透射曲线900、902。透射曲线900、902被描绘在线图中，其在横坐标上描绘了波长光谱。在纵坐标上提供了以百分比方式的透射T。这两个透射曲线900、902代表了两个不同介质对于波长光谱的透光性。在线图中画入了两个波长范围λ1、λ2。波长范围λ1、λ2是被相互隔开地标入的。
第一介质在通过整个波长光谱中不具有明显的吸收量，因此第一介质的第一透射曲线900是基本上不变地处在90％的。
第二介质在第二波长范围λ2的区域中具有明显的吸收量。因此第二透射曲线902基本上对应于第一透射曲线900。与此相反，该第二透射曲线902具有在第二波长范围λ2中的最小值。第二透射曲线902这里下降至约40％。
通过对两个波长范围λ1、λ2的考虑能够按照本发明的一种实施例在传感器中使两个透射曲线900、902并因此使不同的介质得以区分。
就图9中图解说明的实施例而言900是介质的透射曲线T＝Iλ/I0(λ)，该介质在整个测量范围内不具有吸收量(α(λ)＝0)。902是同一介质的曲线，但现在具有物质的添加(“分析物”)，其在λ2时吸收，但在λ1时不吸收。
这些被描述的并在附图中被示出的实施例只被示例性地选择。不同的实施例能够完全地或者以涉及单个特征地被相互组合。而且一种实施例能够通过另一种实施例的特征来补充。
此外这里所介绍的方法步骤能够被重复以及以一个不同于所描述的顺序地被实施。
如果实施例包含在第一特征和第二特征之间的连接词“和/或”或者说“并且/或者”，则应该如下述方式这样解读该连接词，即按照一种实施方式的实施例不仅具有第一特征而且具有第二特征并且按照另一种的实施方式则只具有第一特征或者只具有第二特征。

Claims (12)

1.用于确定介质(114)的吸收特性的方法(200)，其中所述方法(200)具有以下步骤：
在使用第一强度值(110)和至少一个第二强度值(110)以及第一测量距离(112)和第二测量距离(112)之间的长度差(130)的情况下，求取(202)所述介质(114)的吸收系数(136)，其中所述第一强度值(110)代表在所述介质(114)中穿过第一测量距离(112)后测得的第一光强度，并且所述第二强度值(110)代表在所述介质(114)中穿过第二测量距离(112)后测得的第二光强度，其中在使用具有共同的输出强度的光线(108)的情况下测量所述第一强度值(110)和所述第二强度值(110)。
2.按照权利要求1所述的方法(200)，其具有第一步骤(204)：测量所述第一强度值(110)、紧接着的步骤(206)：以所述长度差(130)来改变所述测量距离(112)以及随后的第二步骤(208)：测量所述第二强度值(110)。
3.按照前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中在测量步骤(204、208)中，光源(102)以脉冲方式运行，并且/或者在改变步骤(206)中，所述测量距离(112)以脉冲方式改变。
4.按照前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中在测量步骤(204、208)中，在使用处于共同的波长范围中的光线(108)的情况下测量所述第一强度值(110)和所述第二强度值(110)。
5.用于确定介质(114)的吸收特性的传感器(100)，其中所述传感器(100)具有以下特征：
用于提供光线(108)的光源(102)；
用于探测射入到探测器(104)上的光线(108)的光强度(110)的探测器(104)；和
用于改变所述光源(102)和所述探测器(104)之间的可变的测量距离(112)的设备(106)，其中所述介质(114)能够被布置在所述测量距离(112)之内。
6.按照权利要求5所述的传感器(100)，其中用于改变的设备(106)构造用于使得所述光源(102)相对于所述探测器(104)运动并且所述测量距离(112)被设计为所述光源(102)和所述探测器(104)之间的间隙(112)。
7.按照权利要求5所述的传感器(100)，其中所述光源(102)和所述探测器(104)相对于彼此不可动地布置，并且/或者用于改变的设备(106)构造用于使得可动的反射器(800)运动，其中所述反射器(800)构造用于使得来自所述光源(102)的光线(108)反射至探测器(104)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的传感器(100)，其中所述光源(102)具有用于朝所述探测器(104)的方向形成光线(108)的光学透镜(700)，并且/或者所述探测器(104)具有用于将来自所述光源(102)的光线(108)集中到所述探测器(104)上的透镜(700)。
9.按照前述权利要求中任一项所述的传感器(100)，其中所述探测器(104)具有至少两个光敏感的区域(604、606)，其中所述区域(604、606)对所述光线(108)的不同的波长范围敏感。
10.用于确定介质(114)的吸收特性的装置(120)，其构造用于实施和/或操控按照前述权利要求中任一项所述的方法(200)的所有步骤。
11.计算机程序，其设计用于实施和/或操控按照前述权利要求中任一项所述的方法的所有步骤。
12.机器可读的存储介质，其具有在其上储存的、按照权利要求11所述的计算机程序。
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