CN109253971A - 光学*** - Google Patents
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Abstract
一种光学***。本发明涉及一种用于测量光在介质(5)中的吸收的光学***(10)，该光学***包括至少一个用于发送光(13)的光源(1)以及至少一个接收光并将其转换成电信号的光学检测器(3)。该***(10)的特征在于，***(10)包括至少一个光导(8)，其中在光源(1)的区域中，光作为参考光被耦合到光导(8)中，其中光导(8)至少被分段地引导经过介质(5)，并且其中光导(8)将参考光引导到检测器(3)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量光在介质中的吸收的光学***。
背景技术
“吸收”通常是指波(电磁波、声波以及光)在吸收材料中的吸收。在吸收过程中，传输受到材料的抑制。例如，在过程自动化中的吸收测量用于确定硝酸盐或测量SAC(光谱吸收系数)，例如使得确定污水处理厂中或饮用水中的有机载荷/电荷。
图1示出了根据现有技术的基本测量原理。光源1例如脉冲闪光灯的光照射测量段5。介质5位于间隙6中，其中照射到所述介质中的测量光被确定过程变量吸收。测量段包括光学窗口2，在可适用的情况下也包括透镜。分束器7最后将光引导到用于测量光的两个检测器3或用于参考光的检测器3.ref上。在具有检测器3，3.ref的情况下，仅允许测量波长的光通过或者仅允许参考波长的光通过的滤波器4在可适用的情况下分别安装在两个检测器3，3.ref的前方。分束器7也可以布置在间隙6之后。
下面将通过举例的方式在硝酸盐测量的基础上解释以上内容。硝化吸收处于约190nm至230nm范围内的紫外光。亚硝酸化作用(nitrition)在该相同的范围内具有相似的吸收。在间隙6中，硝化和亚硝酸化作用吸收与其浓度成比例的处在测量波长214nm范围内的紫外光。
如果光源的老化迹象或温度影响对光学探头的测量值没有任何影响，则必须监视光源。在许多应用中，这是通过直接位于光源处的第二检测器***(光电二极管或光谱仪)实现的(参见图1)。在这种情况下，任何现有的测量和参考滤波器都被设计为相同的(相同的波长)。但是，如果不能使用这种方法，不管是因为探头中不存在第二检测器***的空间还是因为第二检测器***太昂贵，而且如果在零液中也不能执行常规的校准，则必须将光源的光在测量比色皿的周围引导到测量检测器或测量光谱仪。
对于要在过程中长时间保持并且因此也在光源的必要参考测量期间保持的过程传感器，光源的光因此必须在传感器内沿着不同于测量光束路径的光学路径被引导经过测量段至检测器***上。由于该参考光束不能位于与测量光束相同的光轴上，为了将参考光束引导经过测量段并且在接收侧上再次引导至检测器***上，需要各种光学自由光束部件。这些光学自由光束部件例如可以包括透镜、分束器和反射镜(参见例如DE 100 84 057B4)。为了生成稳定的参考信号，还有必要将这些部件正确且牢固地相对于彼此对准。
必要的光学自由光束部件占据大量空间，这可能成为越来越小的过程传感器中的一个障碍。光学自由光束部件以及用于其对准的生产成本都很昂贵。此外，光学自由光束部件可能由于例如湿气或蒸发材料积聚而变脏。
发明内容
本发明是基于容易、成本有效且强壮地监测特别是根据吸收原理起作用的光学***的光源的目的而做出的。
该目的通过一种光学***来实现，该光学***包括至少一个用于发送光的光源和至少一个接收光并将其转换为电信号的光学检测器。该***的特征在于，该***包括至少一个光导，其中在光源区域中，光作为参考光被耦合到光导中，其中光导至少被分段地引导经过介质，并且其中光导将参考光引导到检测器上。
由此产生了一种对机械负载强壮的成本高效的结构。通过使用光导产生了一种柔性结构，例如因此可以自由地放置检测器。而且，与上面提到的现有技术相比，需要更少的光学部件。出于这个原因，而且原则上，产生了一种比现有技术更节省空间的结构。如果光学部件使用较少或者不使用光学部件，则***不易变脏和定位不准确。
在这种情况下，术语“光”不仅指可见光，而且指不可见的红外光和紫外线辐射。
“光导”是指短距离或长距离传输光的透明部件，例如单根光纤、光纤束、管或杆。在这种情况下，通过在光导的边界表面上进行反射来实现光导，要么通过作为光导周围的介质具有较低折射率的结果的全反射实现，要么通过边界表面的镜面反射实现。
在一个实施例中，光源的光作为测量光在介质的方向上照射，并且在介质中吸收之后被光导引导至检测器上。
在一个实施例中，该***包括光选择器，其将光源的光在测量光和参考光之间进行切换。
在一个实施例中，光选择器改变光学光束路径。为此，光选择器包括可折叠的反射镜，或者光导的一端是可移动的，使得测量光或参考光入射到检测器上。用于改变光束路径的其他部件基本上也是可能的。
在一个实施例中，光选择器不改变光学光束路径，而是遮挡测量光或参考光，但不遮挡相应的其他光。在一个实施例中，光选择器是移动的光圈。
在一个实施例中，光导被设计成Y形，其中单个的分支通向检测器的方向，并且另外两个分支引导参考光或测量光。由于针对测量光和参考光使用相同的光导，所以光导的潜在老化效果也被补偿。在所述的现有技术中，这通过使用若干个自由光束部件是不可能的。
在一个实施例中，该***包括至少一个用于测量光的第一光导和至少一个用于参考光的第二光导。在这种情况下，第一光导和第二光导的类型、直径、材料和/或光纤的数目不同。因此，与现有技术相比，可以扩大光谱透射范围。上面提出的实施例也可以用在Y形波导中。如所描述的那样，各个分支随后具有不同的光导。
在其中光导被设计成Y形的一个实施例中，光选择器包括在测量光和参考光之间切换即在测量段和参考段之间切换的光纤开关。
在一个实施例中，该***仅包括一个光导。
介质将***分为光源侧和检测器侧。在一个实施例中，该***在光源区域中包括至少一个光学部件，该光学部件包括用于将测量光引导到介质方向上的至少一个透镜，特别是双凸透镜。因此，光线可以有效且容易地通过介质被引导到检测器的方向。
在一个实施例中，光学部件将测量光聚焦到检测器侧的光导上。
在一个实施例中，该***在检测器侧包括至少一个光学部件，该光学部件包括至少一个将被介质吸收的测量光聚焦到光导上的透镜。
该***包括光轴，该光轴基本上由光源和检测器侧上用于测量光的光导的末端限定。在一个实施例中，检测器被布置成离开***的该光轴。
在一个实施例中，检测器被设计为光谱仪，使得可以显示撞击到检测器上的光的光谱。
附图说明
将参考以下附图更加详细地进行解释。其中：
图1示出了根据现有技术的基本测量原理，
图2示出要求保护的***的实施例，
图3示出要求保护的***的另一个实施例，以及
图4示出要求保护的***的另一个实施例。
在附图中，相同的特征用相同的附图标记进行标识。
具体实施方式
要求保护的光学***整体上用附图标记10表示。为清楚起见，如在图1中所示的任何必要的光学窗口未在图2-4中画出。
光学***10包括至少一个用于发送光13的光源1。光源是宽带光源，并且被设计为例如氙闪光灯。可替代地，例如使用LED阵列。可能的波长范围包括1,900-1,000nm的范围。***10包括检测器3。待测介质用附图标记5表示。间隙6例如比色皿位于光源1和检测器3之间。检测器3被设计为光谱仪，使得撞击到检测器3上的光的光谱可以例如被显示在所连接的测量换能器中。
在图2的实施例中，光源1在光源区域中的光被耦合到光导8中。光导8被构造成具有分支8.1、8.2、8.3的Y形。单个的分支8.1指向检测器3的方向，或者直接通向检测器3中。在一个实施例中，两个分支也可以直接被导入检测器3中。在这种情况下，例如使用了公共套箍。两个分支因此直接导入检测器3中。这也可以利用多个光导来实现。
使用了用于在测量段和参考段之间切换的光选择器7(图2中未示出，但可参见图3-4)。光导8的第一单个分支8.3被用于测量段(“测量光”)；第二分支8.2被用于参考段(“参考光”)。光选择器7是一个移动的光圈，使得测量光或参考光被遮挡。通过光选择器7保持实际的光束路径不变。在一个实施例中，光选择器7作为光开关被安装在Y形波导的分支点处。
光导8被分段引导经过介质5；更准确地说，至少一个分支在这种情况下是分支8.2被引导通过所述介质。具有参考光的参考段因此引导通过介质5。
在一个可能的实施例中(参见图3)，使用包括至少一个透镜11的光学器件将光源1的光13聚焦到光导8的开口上，该透镜11要么位于光源1和比色皿6之间，要么位于比色皿6和光导8的分支8.3之间。这发生在集中点9处。透镜11被设计为双凸透镜。图3示出第一情况。参考段围绕比色皿6被引导；测量段自然地穿过介质5。
在一个实施例中(参见图4)，***10具有包括至少一个第一透镜11的第一光学器件和包括至少一个第二透镜12的第二光学器件。第一透镜11使入射的光13平行地引导通过介质5。第二透镜12将光聚焦到光导8的开口上-更确切地说，将光聚焦到分支8.3上。这发生在集中点9处。参考段围绕比色皿6被引导；测量段自然地穿过介质5。
检测器3可以被布置成使其不位于光轴上(参见图4)。光轴由光源1和用于测量光的光导3的分支即在这种情况下是附图标记为8.3的分支的末端进行限定。
光导3包括在短距离或长距离上传输光的透明部件，例如光纤、管或棒。在这种情况下，光导3包括一根或多根光纤。通过使用一种类型的若干根光纤，并且通过使用不同的光纤直径、不同的材料或不同的类型，测量光和参考光的信号强度可以彼此独立地受到影响。为此，无需额外的光学部件(光圈等)。
通过适当的选取光导的光纤，并且在适用的情况下，还通过使用若干种光纤类型，可以覆盖非常宽的应用光谱范围。例如，可以将UV、VIS、NIR和MIR光纤集成到一个光学的多类型光纤中。
附图标记列表
1 光源
2 窗口
3 检测器
3.ref 检测器
4 滤波器
5 介质
6 间隙
7 分束器
8 具有相应分支8.1，8.2，8.3的光导
9 集中点
10 ***
11 透镜
12 透镜
13 来自1的光
Claims (11)
1.一种用于测量光在介质(5)中的吸收的光学***(10)，包括：
-至少一个用于发送光(13)的光源(1)，以及
-至少一个光学检测器(3)，所述光学检测器接收光并将其转换成电信号，其特征在于，
所述***(10)包括至少一个光导(8)，其中在所述光源(1)的区域中，光作为参考光被耦合到所述光导(8)中，其中所述光导(8)至少被分段地引导通过所述介质(5)，并且其中所述光导(8)把所述参考光引导到所述检测器(3)上。
2.根据权利要求1所述的***(10)，其中光作为测量光由所述光源(1)在所述介质的方向上照射，并且光在所述介质(5)中吸收之后被所述光导(8)引导到所述检测器(3)上。
3.根据权利要求2所述的***(10)，所述***包括光选择器(7)，所述光选择器(7)把所述光源(1)的光在测量光和参考光之间切换。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的***(10)，其中所述光导(8)被设计成Y形(8.1，8.2，8.3)，其中单个的分支(8.1)通向所述检测器(3)的方向，另两个分支(8.2，8.3)引导参考光或测量光。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的***(10)，所述***仅包括一个光导。
6.根据权利要求2至4中的至少一项所述的***(10)，所述***包括至少一个用于测量光的第一光导和至少一个用于参考光的第二光导，并且所述第一光导和所述第二光导的类型、直径、材料和/或光纤的数目不同。
7.根据权利要求2至6中的一项所述的***(10)，所述***包括在光源(1)的区域中的至少一个光学部件(11)，所述光学部件(11)包括至少一个用于把测量光引导到介质(5)方向上的透镜，特别是双凸透镜。
8.根据权利要求7所述的***(10)，其中所述光学部件(11)把所述测量光聚焦到检测器侧的所述光导(8)上。
9.根据权利要求2至7中的至少一项所述的***(10)，所述***在所述检测器侧包括至少一个光学部件(12)，所述光学部件包括至少一个透镜并且把被吸收的测量光聚焦到所述光导(8)上。
10.根据权利要求1至9中的至少一项所述的***(10)，其中所述检测器(3)被布置成离开所述***(10)的光轴。
11.根据权利要求1至10中的至少一项所述的***(10)，其中所述检测器(3)被设计为光谱仪，使得能够显示撞击到所述检测器(3)上的光的光谱。
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