DE102012110749A1

DE102012110749A1 - Messvorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines Mediums

Info

Publication number: DE102012110749A1
Application number: DE102012110749.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bernhard
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: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-11-10
Also published as: US9658103B2; US20140131561A1; CN103808408B; CN103808408A; DE102012110749B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zur Messung optischer Eigenschaften eines Mediums (9); umfassend zumindest eine erste Lichtquelle (2) und eine zweite Lichtquelle (3) zum Senden von Licht (6, 7); zumindest einen Lichtempfänger (5) zum Empfangen von Licht (8) zumindest einer ersten Empfangswellenlänge und einer zweiten Empfangswellenlänge; zumindest ein dispergierendes Element (4) zur Beugung und/oder Brechung von Licht; wobei das von den Lichtquellen (2, 3) gesendete Licht (6, 7) auf das dispergierende Element (4) trifft und vom dispergierenden Element (4) so abgelenkt wird, dass es auf den Lichtempfänger (5) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (2) in einem ersten Winkel (α) zum dispergierenden Element (4) und die zweite Lichtquelle (3) in einem zweiten Winkel (β) zum dispergierenden Element (4) angeordnet sind, wobei der zweite Winkel (β) vom ersten Winkel (α) verschieden ist, wobei der erste Winkel (α) so ausgestaltet ist, dass die Wellenlänge des vom dispergierenden Element (4) abgelenkten Lichts (8) der ersten Empfangswellenlänge entspricht, und wobei der zweite Winkel (β) so ausgestaltet ist, dass die Wellenlänge des vom dispergierenden Element (4) abgelenkten Lichts (8) der zweiten Empfangswellenlänge entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines Mediums.
Für optische Messungen bei verschiedenen Wellenlängen, also beispielsweise bei einem Spektrometer, benötigt man entweder eine durchstimmbare Lichtquelle zum Senden von Licht und einen breitbandigen Empfänger auf der Empfängerseite oder eine breitbandige Lichtquelle zum Senden von Licht und eine Zerlegung des Lichts in seine spektralen Anteile auf der Empfängerseite. In dieser Schrift soll nur der erste Fall betrachtet werden.
„Licht“ im Sinne dieser Erfindung soll nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt sein, sondern als elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge, insbesondere auch im fernen ultravioletten (UV) und im infraroten (IR) Wellenlängenbereich verstanden werden.
Übliche Anordnungen einer durchstimmbaren Lichtquelle sind etwa eine breitbandige Lichtquelle mit einem dispergierenden Element (z.B. ein Prisma oder ein optisches Gitter) oder ein Satz von schmalbandigen Einzellichtquellen (z.B. LEDs).
In beiden Fällen treten Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen aus. Wird eine bestimmte Richtung, etwa genau zum Empfänger, gewünscht, so müssen die Lichtstrahlen entweder über eine mechanische Bewegung (z.B. Drehung des Gitters) oder über eine feststehende optische Anordnung (z.B. halbdurchlässige Spiegel) ineinander übergeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Aufbau einer Lichtquelle mit definierter Richtung des austretenden Lichts bereit zu stellen, die auf bewegliche Teile oder eine aufwändige Optik verzichtet.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung, umfassend zumindest eine erste Lichtquelle und eine zweite Lichtquelle zum Senden von Licht, zumindest einen Lichtempfänger zum Empfangen von Licht zumindest einer ersten Empfangswellenlänge und einer zweiten Empfangswellenlänge, zumindest ein dispergierendes Element zur Beugung und/oder Brechung von Licht, wobei das von den Lichtquellen gesendete Licht auf das dispergierende Element trifft und vom dispergierenden Element so abgelenkt wird, dass es auf den Lichtempfänger trifft. Dabei sind die erste Lichtquelle in einem ersten Winkel zum dispergierenden Element und die zweite Lichtquelle in einem zweiten Winkel zum dispergierenden Element angeordnet, wobei der zweite Winkel vom ersten Winkel verschieden ist, wobei der erste Winkel so ausgestaltet ist, dass die Wellenlänge des vom dispergierenden Element abgelenkten Lichts der ersten Empfangswellenlänge entspricht, und wobei der zweite Winkel so ausgestaltet ist, dass die Wellenlänge des vom dispergierenden Element abgelenkten Lichts der zweiten Empfangswellenlänge entspricht.
Es ist somit möglich, ohne zusätzliche mechanische oder aufwändige optische Systeme Licht verschiedener Wellenlängen zielgerichtet zu einem Empfänger zu senden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzen die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle das gleiche Emissionsspektrum. Somit können kostengünstig die gleichen Lichtquellen verwendet werden. Darüber hinaus müssen die Lichtquellen nicht temperaturstabilisiert werden, da eine Wellenlängenselektivität durch den Winkel zwischen der jeweiligen Lichtquelle und dispergierendem Element sichergestellt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sendet die erste Lichtquelle und/oder zweite Lichtquelle breitbandig. Häufig ist es schwierig bei marktgängigen Lichtquellen die gewünschte Wellenlänge zu finden.
Möglichst handelt es sich bei der ersten Lichtquelle und der zweiten Lichtquelle um eine LED. Diese sind auch in großen Stückzahlen zu erhalten.
Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Lichtquelle und der zweiten Lichtquelle um eine weiße LED.
Da Licht verschiedener Wellenlängen am Empfänger ankommt, handelt es sich bei dem Lichtempfänger möglichst um einen breitbandigen Lichtempfänger.
In einer Weiterbildung handelt es sich dem dispergierenden Element um ein Prisma, insbesondere ein Dispersionsprisma, ein Reflexionsgitter, ein Transmissionsgitter, einen Einzel- oder Doppelspalt, ein Faserbündel, einen Interferenzfilter, oder einen wellenlängenabhängigen Spiegel, insbesondere einen dichroitischen Spiegel.
Bei den beiden genannten optischen Gittern – das Reflexionsgitter und das Transmissionsgitter – wurde nach Funktionsweise unterschieden. Des Weiteren ist eine Unterscheidung nach Herstellungsverfahren (also ein Blazegitter, holografisches Gitter oder abbildendes Gitter) oder der Transparenz (Amplitudengitter oder Phasengitter) möglich. Auch diese genannten optischen Gitter eignen sich als dispergierendes Element.
Es wird vorgeschlagen, dass es sich bei der Messvorrichtung um einen Spektrometer, Photometer oder Kolorimeter handelt.
In einer Weiterbildung ist zwischen erster Lichtquelle bzw. zweiter Lichtquelle und dispergierendem Element zumindest eine Kollimationsoptik vorgesehen. Somit kann das gesendet Licht noch zielgenauer auf den Empfänger gerichtet werden.
Um am Empfänger ein Mischspektrum erzeugen zu können senden die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle bevorzugt gleichzeitig.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näherer erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Übersicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in der Figur 1 dargestellt.
Die Messvorrichtung 1 besteht aus zumindest einer ersten Lichtquelle 2 und einer zweiten Lichtquelle 3. Es sind aber durchaus mehr Lichtquellen vorstellbar. Die Lichtquellen 2 bzw. 3 strahlen Lichtstrahlen 6 bzw. 7 in Richtung eines dispergierenden Elements 4. Die Lichtstrahlen nach dem dispergierenden Element 4 sind mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet. Diese Lichtstrahlen 8 treffen auf einen Lichtempfänger 5. Der Punkt auf dem dispergierenden Element 4, der den kürzesten Abstand zum Lichtempfänger 5 hat, ist als Mittenpunkt 10 gekennzeichnet. Im Beispiel in 1 stehen die Lichtstrahlen 8 senkrecht zum dispergierenden Element 4 und bilden somit das Lot L. Je nach Art des dispergierenden Elements 4 ist dies nicht der Fall. Ist das dispergierende Element 4 etwa ein Prisma (siehe unten), ist ein senkrechter Einfall für die Funktionsfähig nicht möglich.
Die Messvorrichtung 1 kann etwa als Spektrometer, Photometer oder Kolorimeter ausgestaltet sein. Im Folgenden soll kurz auf die Verwendung als Photometer eingegangen werden.
Bei der Photometrie wird mit Hilfe von Licht die Absorption gemessen. Bestrahlt man die Lösung eines absorbierenden Mediums mit Licht, hängt die Absorption von den spektralen Eigenschaften des Mediums, der Konzentration und der Länge des Lichtweges in der Lösung ab. Sie erlaubt den qualitativen und quantitativen Nachweis ebenso wie die Verfolgung der Dynamik chemischer Prozesse von strahlungsabsorbierenden chemischen Verbindungen.
Bei der Absorption wird mindestens ein Teil der Strahlung, z.B. in einem bestimmten Wellenlängenbereich, von dem Medium absorbiert. Die Absorption eines Mediums hängt von der stofflichen Zusammensetzung und der Konzentration ab. Nach Durchlaufen einer Durchflusszelle mit Medium, in 1 mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet, trifft die durch die Absorption veränderte Strahlung auf den Empfänger 5, der ein von der Intensität der auftreffenden Strahlung abhängiges Messsignal ausgibt. Aus dem Messsignal kann auf die Absorption/Transmission/Reflexion mit dem Medium und damit auf die Art und/oder Zusammensetzung des Mediums, insbesondere auf die Konzentration eines Analyten in dem Medium, rückgeschlossen werden.
Mit photometrischen Verfahren lässt sich in der Prozessmesstechnik, beispielsweise bei der Überwachung von Wasser in Leitungen, Gerinnen und/oder Kläranlagen, der Gehalt verschiedener Ionen z.B. von Aluminium-, Ammonium-, Calcium-, Chrom-, Eisen-, Mangan- Ionen, der Gehalt von Chlorid, Nitrat, Nitrit, Phosphat, Silikat und Sulfid, sowie von organischen Verbindungen, wie z.B. Hydrazin bestimmen. Auch die Härte einer wässrigen Lösung lässt sich photometrisch ermitteln.
Einige Medien zeigen für die photometrische Detektion geeignete charakteristische Absorptionsbanden im fernen UV-Bereich, also insbesondere zwischen 200 nm und 300 nm. So wird beispielsweise die Konzentration von Nitrat anhand der Absorption der Messflüssigkeit bei einer Wellenlänge von 214 nm erfasst. Ein weiterer im fernen UV-Bereich fotometrisch zu ermittelnder Parameter, der speziell im Bereich der Qualitätsüberwachung von Wasser verwendet wird, ist der Spektrale Absorptionskoeffizient, kurz: SAK, bei 254 nm. Der SAK bei 254 nm dient zur Detektion der Anwesenheit gelöster organischer Inhaltsstoffe.
„Licht“ im Sinne dieser Erfindung soll nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt sein, sondern als elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge, insbesondere auch im fernen ultravioletten (UV) und im infraroten (IR) Wellenlängenbereich verstanden werden.
Die Lichtquellen 2 und 3 besitzen das gleiche Emissionsspektrum und sind als LEDs (light-emitting diode) ausgestaltet. Bevorzugt werden breitbandige Lichtquellen verwendet, also etwa Weißlicht-LEDs.
Da im Beispiel nur ein einziger Empfänger verwendet wird, aber verschiedene Wellenlängen empfangen werden müssen, ist der Lichtempfänger 5 als breitbandiger Lichtempfänger ausgestaltet. Der Empfänger 5 empfängt somit Licht zumindest einer ersten und zweiten Empfangswellenlänge.
Die Lichtquellen 2 und 3 sind in einem Winkel α bzw. β zum dispergierenden Element 4 angeordnet. Genauer gesagt ist der Winkel α der Winkel zwischen dem Lot L auf dem dispergierenden Element 4 und der Verbindung zwischen erster Lichtquelle 2 und dem Austrittspunkt 10 und der Winkel β der Winkel zwischen dem Lot L auf dem dispergierenden Element 4 und der Verbindung zwischen zweiter Lichtquelle 3 und dem Mittenpunkt 10.
Es ist darüber hinaus denkbar, eine Kollimationsoptik 11 zwischen die Lichtquellen 2 und 3 und dem dispergierenden Element 4 zu platzieren. In 1 ist nur für die zweite Lichtquelle 3 eine solche Kollimationsoptik 11 vorgesehen.
Das dispergierende Element 4 ist etwa als Prisma, insbesondere als Dispersionsprisma, Reflexionsgitter, Transmissionsgitter, Einzel- oder Doppelspalt, Faserbündel, Interferenzfilter, oder als wellenlängenabhängiger Spiegel, insbesondere als dichroitischen Spiegel ausgestaltet. Als Variante eines optischen Gitters kann ein holografisches Gitter oder ein selbst fokussierendes Gitter verwendet werden. Ein selbst fokussierendes Gitter ist als Hohlspiegel geformt und macht damit insbesondere weitere abbildende Elemente überflüssig.
Bevorzugt ist das dispergierende Element 4 so ausgestaltet, dass sich normale Dispersion ergibt. In einer Variante ist aber auch ein dispergierendes Element mit anormaler Dispersion realisierbar.
Der Winkel α ist so ausgestaltet, dass das breitbandige Licht 6 der ersten Lichtquelle 2 am dispergierenden Element 4 so gebeugt oder gebrochen wird (je nach Art des dispergierenden Elements 4; siehe oben), dass nur Licht 8 einer bestimmten Wellenlänge am Lichtempfänger 5 ankommt. Der Winkel α ist so ausgestaltet, dass nur Licht der ersten Empfangswellenlänge am Empfängers ankommt. Die übrigen Wellenlängen werden durch das dispergierende Element 4 in andere Richtungen gebeugt, gebrochen, gestreut, reflektiert etc.
Der Winkel β ist so ausgestaltet, dass das breitbandige Licht 7 der zweiten Lichtquelle 3 am dispergierenden Element 4 so gebeugt oder gebrochen wird (je nach Art des dispergierenden Elements 4; siehe oben), dass nur Licht 8 einer bestimmten Wellenlänge am Lichtempfänger 5 ankommt. Der Winkel β ist so ausgestaltet, dass nur Licht der zweiten Empfangswellenlänge am Empfängers ankommt. Die übrigen Wellenlängen werden durch das dispergierende Element 4 in andere Richtungen gebeugt, gebrochen, gestreut, reflektiert etc.
Beispielsweise sind die Winkel α bzw. β so gewählt, dass nur blaues bzw. rotes Licht am Empfänger ankommt.
Es ist denkbar, dass die Lichtquellen 2 und 4 gleichzeitig senden, um damit am Empfänger 5 ein Mischspektrum zu erzeugen.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Erste Lichtquelle
3: Zweite Lichtquelle
4: Dispergierendes Element
5: Lichtempfänger
6: Lichtstrahl von 2 vor 4
7: Lichtstrahl von 3 vor 4
8: Lichtstrahl nach 4
9: Medium
10: Mittenpunkt
11: Kollimator
L: Lot zu 4
α: Winkel von 2 zu 4
β: Winkel von 3 zu 4

Claims

Messvorrichtung (1) zur Messung optischer Eigenschaften eines Mediums (9), umfassend – zumindest eine erste Lichtquelle (2) und eine zweite Lichtquelle (3) zum Senden von Licht (6, 7), – zumindest einen Lichtempfänger (5) zum Empfangen von Licht (8) zumindest einer ersten Empfangswellenlänge und einer zweiten Empfangswellenlänge, – zumindest ein dispergierendes Element (4) zur Beugung und/oder Brechung von Licht, wobei das von den Lichtquellen (2, 3) gesendete Licht (6, 7) auf das dispergierende Element (4) trifft und vom dispergierenden Element (4) so abgelenkt wird, dass es auf den Lichtempfänger (5) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (2) in einem ersten Winkel (α) zum dispergierenden Element (4) und die zweite Lichtquelle (3) in einem zweiten Winkel (β) zum dispergierenden Element (4) angeordnet sind, wobei der zweite Winkel (β) vom ersten Winkel (α) verschieden ist, wobei der erste Winkel (α) so ausgestaltet ist, dass die Wellenlänge des vom dispergierenden Element (4) abgelenkten Lichts (8) der ersten Empfangswellenlänge entspricht, und wobei der zweite Winkel (β) so ausgestaltet ist, dass die Wellenlänge des vom dispergierenden Element (4) abgelenkten Lichts (8) der zweiten Empfangswellenlänge entspricht.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (2) und die zweite Lichtquelle (3) das gleiche Emissionsspektrum besitzen.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (2) und/oder zweite Lichtquelle (3) breitbandig sendet.
Messvorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Lichtquelle (2) und der zweiten Lichtquelle (3) um eine LED handelt.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Lichtquelle (2) und der zweiten Lichtquelle (3) um eine weiße LED handelt.
Messvorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lichtempfänger (5) um einen breitbandigen Lichtempfänger handelt.
Messvorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dem dispergierenden Element (4) um ein Prisma, insbesondere ein Dispersionsprisma, ein Reflexionsgitter, ein Transmissionsgitter, einen Einzel- oder Doppelspalt, ein Faserbündel, einen Interferenzfilter, oder einen wellenlängenabhängigen Spiegel, insbesondere einen dichroitischen Spiegel handelt.
Messvorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Messvorrichtung (1) um einen Spektrometer, Photometer oder Kolorimeter handelt.
Messvorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erster Lichtquelle (2) bzw. zweiter Lichtquelle (3) und dispergierendem Element (4) zumindest eine Kollimationsoptik (11) vorgesehen ist.
Messvorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (2) und die zweite Lichtquelle (3) gleichzeitig senden.