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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße
eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem
flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer
optischen Sensoranordnung.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine optische Sensoranordnung zu Bestimmung
einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur
Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen
Medium.
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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.
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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.
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Unter „Licht” wird
hier und im folgenden nicht nur elektromagnetische Strahlung des
sichtbaren Spektralbereichs, sondern elektromagnetische Strahlung
jedweder Wellenlänge, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich
verstanden.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes
der Technik zu überwinden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
dem durch Integration gebildeten Messsignal kann die Messgröße,
beispielsweise die Teilchengröße oder Konzentration
des dispersen Stoffs bzw. die Trübung des Mediums ermittelt
werden.
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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.
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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.
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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.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die optische
Sensoranordnung zur Trübungsmessung verwendet.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Integrationszeit aus
einer Reihe diskreter Werte ausgewählt.
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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).
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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.
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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.
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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.
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In
einer Weiterbildung dieser Verfahrensausgestaltung wird in Schritt
(v) die vorgegebene Integrationszeit halbiert.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer Weiterbildung erfolgt die Normierung bezüglich der
Integrationszeit durch Division des Messsignals durch die Integrationszeit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben
und erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
optische Sensoranordnung mit einer Leuchtdiode, einer Photodiode,
einer Integrationsschaltung und einem Analog/Digital-Wandler;
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2 den
zeitlichen Spannungsverlauf einer Integrationsschaltung nach dem
Einschalten einer Photodiode als Funktion der Integrationszeit;
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3 eine
optische Sensoranordnung mit einer Leuchtdiode, einer Photodiode,
einer Integrationsschaltung, einer Normierungseinheit, einer Steuereinheit
und einem Analog/Digital-Wandler;
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4 eine
optische Sensoranordnung mit zwei Leuchtdioden und zwei Photodioden;
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5 vier
Messdiagramme, die die von einer Sensoranordnung gemäß
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4 gebildeten
Messsignale als Funktion des Feststoffgehalts in einer Suspension
aus Klärschlamm und Wasser wiedergeben; und
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6 zwei
Messdiagramme, welche das Vierstrahl-Wechsellicht zu den in der 5 dargestellten Messdiagrammen
zeigen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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Es
sind daher auch ohne Normierung zwischen den einzelnen, mit unterschiedlichen
Integrationszeiten gebildeten Messsignalen keine unstetigen Übergänge
festzustellen.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 596231
A1 [0007, 0008]
- - US 5140168 [0063]
