DE102017115661A1 - Optischer Sensor - Google Patents

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Abstract

Optischer Sensor (3), der zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem Medium (5) ausgestaltet ist, umfassend: zumindest eine Lichtquelle (1) zum Senden von Sendelicht (8); ein Prisma (6); und zumindest einen Empfänger (2) zum Empfangen von Empfangslicht (9), wobei aus dem gewandelten Empfangslicht (9) ein Empfängersignal erzeugbar ist, und wobei der Messwert aus dem Empfängersignal bestimmbar ist; wobei sich ein erster optischer Pfad (O1) ergibt zumindest über Lichtquelle (1) und Prisma (6) zum Medium (5), wobei sich ein zweiter optischer Pfad (O2) ergibt vom Medium (5) zumindest über Prisma (6) zum Empfänger (2), wobei dabei Sendelicht (9) das Prisma (6) durchstrahlt, das Sendelicht (8) im Medium (5) in Empfangslicht (9) gewandelt wird, und das Empfangslicht (9) das Prisma (6) durchstrahlt, und wobei der erste optische Pfad (O1) und der zweite optische Pfad (O2) im Wesentlichen parallel zueinander sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor, der zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem Medium ausgestaltet ist.
  • Bei dem Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Fluoreszenzsensor. Das der Ameldung zugrunde liegende Problem wird nun anhand einer Fluoreszenzmessung erläutert. Bei der Fluoreszenzmessung bestrahlt man in der Regel das Medium mit einem kurzwelligen Anregungslicht und detektiert das vom Medium erzeugte längerwellige Fluoreszenzlicht. Typischerweise ist eine Fluoreszenzmessung wie in 1 dargestellt aufgebaut.
  • Der Fluoreszenzsensor 3 umfasst dabei eine Lichtquelle 1 und einen Empfänger 2. Die Lichtquelle 1 sendet Sendelicht, der Empfänger 2 empfängt Empfangslicht. Da das Fluoreszenzlicht in alle Raumrichtungen abgestrahlt wird, können die Lichtpfade von Sende- und Empfangslicht prinzipiell in jedem beliebigen Winkel α zueinander stehen. Ein Winkel von 0° ist nicht günstig, da hier das schwache Fluoreszenzlicht von dem starken Anregungslicht überlagert wird. 90° ist durchaus günstig, sofern man den nötigen Platz für die Anordnung der Komponenten hat. Soll die Messanordnung in ein Sondenrohr eingebaut werden, wird man einen Winkel möglichst nahe an 180° wählen, damit Lichtquelle 1 und Empfänger 2 dicht zusammenrücken. Ein Winkel von 180° ist mit Hilfe eines Strahlteilers 4 machbar, siehe dazu 2. Dieses Prinzip wird etwa umgesetzt im Produkt „FP360 sc PAK/Öl Fluoreszenz-Sonde“ von Hach. Der Winkel von 180° liegt hier allerdings nur zwischen dem Strahlteiler 4 und Medium 5 vor. Der Empfänger 2 ist wieder senkrecht zur Einstrahlrichtung angeordnet und benötigt deshalb seitlichen Bauraum, der häufig nicht vorhanden ist.
  • Grundsätzlich tritt das Problem aber bei weiteren optischen Messverfahren auf, so etwa auch bei einer Streulicht- oder Absorptionsmessung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen platzsparenden optischen Sensor vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor, der zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem Medium ausgestaltet ist, umfassend: zumindest eine Lichtquelle zum Senden von Sendelicht; ein Prisma; und zumindest einen Empfänger zum Empfangen von Empfangslicht, wobei aus dem gewandelten Empfangslicht ein Empfängersignal erzeugbar ist, und wobei der Messwert aus dem Empfängersignal bestimmbar ist, wobei sich ein erster optischer Pfad ergibt zumindest über Lichtquelle und Prisma zum Medium, wobei sich ein zweiter optischer Pfad ergibt vom Medium zumindest über das Prisma zum Empfänger, wobei dabei Sendelicht das Prisma durchstrahlt, das Sendelicht im Medium in Empfangslicht gewandelt wird, und das Empfangslicht das Prisma durchstrahlt, und wobei der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad auf der medienabgewandten Seite des Prismas im Wesentlichen parallel zueinander sind.
  • Damit lassen sich die Komponenten für Lichtquelle bzw. Empfänger parallel zueinander anordnen. Lichtquelle und Empfänger liegen dicht nebeneinander und somit kann die gesamte Anordnung in kleine Rohrdurchmesser eingebaut werden.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor ein röhrenartiges Gehäuse, und Lichtquelle, Prisma und Empfänger sind im Gehäuse angeordnet.
  • In einer Ausgestaltung hat das Gehäuse einen Durchmesser von 35 - 75 mm. Als Beispiele sollen hier 40 mm und 68 mm Außendurchmesser genannt sein.
  • Mit der oben beschriebenen Anordnung lassen sich die Komponenten für Lichtquelle bzw. Empfänger jeweils parallel zur Längsachse eines röhrenartigen Gehäuses anordnen, wo es dann kein Platzproblem gibt.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das Gehäuse ein optisches Fenster, das durchlässig ist zumindest für Sendelicht und Empfangslicht, wobei Prisma und Fenster entweder getrennt, verkittet, verklebt, zusammengefügt oder aus einem Stück gefertigt sind. Es ergibt sich eine einfachere Fertigung und das Gehäuse kann dadurch dicht gegenüber dem zu messenden Medium ausgestaltet werden.
  • In einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle als Leuchtdiode und/oder der Empfänger als Photodiode ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung wird das Sendelicht im Medium mittels Fluoreszenz in Empfangslicht gewandelt.
  • In einer Ausgestaltung sendet die Lichtquelle UV-Licht mit einer Wellenlänge von 200-400 nm aus.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der erste optische Pfad eine Linse und/oder ein Filter.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der zweite optische Pfad eine Linse und/oder ein Filter.
  • In einer Ausgestaltung hat zumindest eine der Linsen eine Brennweite von 2-20 mm.
  • In einer Ausgestaltung sind das oder die Filter als Wellenlängenfilter ausgestaltet, insbesondere ist das oder die Filter als Interferenzfilter ausgestaltet. Der optische Pfad ist somit so ausgestaltet, dass das oder die Filter im Wesentlichen senkrecht von Sendelicht bzw. Empfangslicht durchstrahlt werden.
  • In einer Ausgestaltung beträgt der Abstand zwischen Lichtquelle und Fenster 2-6 cm.
  • In einer Ausgestaltung ist der Sensor zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung ist das Prisma als gerades Prisma mit dreieckiger Grundfläche ausgestaltet. Das Dreieck ist gleichschenklig, wobei dessen Basis in Richtung Medium zeigt. In einer Ausgestaltung ist das Prisma ein rechtwinkliges Prisma. Dies ist ein verhältnismäßig kostengünstiges Bauteil.
  • In einer Ausgestaltung wird der Außendurchmesser des Gehäuses aus einem Bereich von 8-15 mm gewählt, beispielsweise 12 mm. Die oben beschriebenen Ausgestaltungen sind hierbei gleichwohl ebenso anwendbar.
  • In einer Ausgestaltung sind die Lichtquelle und/oder der Empfänger außerhalb des Gehäuses angeordnet.
  • In einer Ausgestaltung wird das Empfangslicht bzw. das Sendelicht zum Prisma hin bzw. vom Prisma weg mittels eines oder mehrerer Lichtwellenleiter geführt.
  • Das Sendelicht wird nach Durchgang durch das Prisma im Medium absorbiert und gestreut. Das gestreute Licht wird nach erneutem Durchgang durch das Prisma in Richtung Empfänger wie oben beschrieben geführt.
  • Die Lichtquelle ist in einer Ausgestaltung als breitbandige Lichtquelle ausgeführt.
  • Der Empfänger ist in einer Ausgestaltung ein Spektrometer.
  • Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
    • 3 eine Prinzipdarstellung des beanspruchten Sensors, und
    • 4 eine optische Simulation des beanspruchten Sensors.
  • In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Der beanspruchte Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 3 und ist in 3 in einer Prinzipdarstellung abgebildet.
  • Im Folgenden soll in einem ersten Ausführungsbeispiel nur auf die Unterschiede zum oben beschriebenen Stand der Technik eingegangen werden. Der Sensor 3 ist grundsätzlich geeignet zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts eines Mediums 5.
  • Eine Lichtquelle 1 sendet Sendelicht 8 in Richtung des Medium 5. Die Lichtquelle ist eine UV-Lichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge von 200-400 nm aussendet. Das Sendelicht 8 trifft unter einem Winkel β1 auf einem Prisma 6 auf. Das Prisma 6 ist ein rechtwinkliges Prisma. Die Basis zeigt in Richtung des zu messenden Mediums. Es ergibt sich ein erster optischer Pfad O1 von Lichtquelle 1 zum Prisma 6. Der optische Pfad O1 kann auch ein oder mehrere Linsen L1 oder Filter F1 enthalten, siehe unten.
  • Das Sendelicht 8 wird teilweise im Medium 5 durch Fluoreszenz in Empfangslicht 9 umgewandelt. Das Empfangslicht 9 nimmt den Weg in Richtung Empfänger 2 über das Prisma 6. Das Empfangslicht 9 verlässt das Prisma unter einem Winkel β2. Der Empfänger 2 ist eine Photodiode. Es ergibt sich ein zweiter optischer Pfad O2 von Prisma 6 zum Empfänger 2. Der optische Pfad O2 kann auch ein oder mehrere Linsen L2 oder Filter F2 enthalten, siehe unten. Der erste und zweite optische Pfad O1, O2 sind auf der medienabgewandten Seite des Prismas im Wesentlichen parallel zueinander.
  • Lichtquelle 1, Prisma 6 und Empfänger 2 sind in einem Gehäuse 10 angeordnet. Das Gehäuse ist röhrenartig mit einem Durchmesser von 35-75 mm. Das Gehäuse 10 umfasst ein optisches Fenster 7, das durchlässig ist zumindest für Sendelicht 8 und Empfangslicht 9, wobei das Prisma 6 und das Fenster 7 entweder verkittet, verklebt, zusammengefügt oder aus einem Stück gefertigt sind. Der Abstand von Lichtquelle 1 bzw. Empfänger 2 zu Fenster 7 beträgt etwa 2-6 cm
  • Der oder die Filter F1, F2 sind als Wellenlängenfilter ausgestaltet, genauer als Interferenzfilter.
  • 4 zeigt eine optische Simulation des Sensors 3. Sendlicht 8 aus der Lichtquelle 1 wird dabei zunächst durch eine Linse L1, dann durch ein Filter F1 gesendet. Nach Fluoreszenz am Medium 5 durchdringt Empfangslicht zunächst das Filter F2, dann die Linse L2. Durch die Linsen L1, L2 ist sichergestellt, dass nur im Wesentlichen paralleles Licht auf die Filter F1 und F2 trifft.
  • Die Linsen L1, L2 haben Brennweiten zwischen 2-20 mm. Da die optischen Pfade O1 und O2 parallel verlaufen haben die Linsen L1 und L2 einen Durchmesser von maximal dem halben Durchmesser des Gehäuses 10, also beispielsweise 15-40 mm.
  • Zusätzlich steht die Lichtquelle 1 vorzugsweise ungefähr im Brennpunkt der Linse L1 und der Detektor 2 vorzugsweise ungefähr im Brennpunkt der Linse L2.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Gehäuses 10 kleiner als oben beschrieben, also etwa aus dem Bereich 8-15 mm, zum Beispiel 12 mm. Das oben beschriebene Prinzip mit dem ersten und zweiten optischen Pfad O1 und O2, die parallel verlaufen, sowie dem Prisma 6 ist hier ebenso anwendbar. Durch den geringeren Durchmesser sind in einer Ausführung die Lichtquelle 1 und der Empfänger 2 sowie die Linsen L1, L2 und die Filter F1, F2 außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet. In einer Ausführung kann auf die Linsen L1, L2 sowie auf die Filter F1, F2 verzichtet werden. Die Lichtquelle 1 ist als breitbandige Lichtquelle ausgestaltet, etwa im Wellenlängenbereich von 400-2500 nm. Der Empfänger 2 ist als Spektrometer ausgestaltet. Hierbei können ein oder beide optischen Pfade O1 und/oder O2 mittels Lichtwellenleiter oder als freie Strahlen ausgestaltet sein. Das Sendelicht 8 wird im Medium 5 in Empfangslicht 9 gewandelt. Im Medium 5 wird ein Teil des Sendelichts 8 absorbiert und ein Teil gestreut. Der unter einem Winkel α gestreute Teil ist das Empfangslicht 9, das vom Empfänger 9 nach Durchtritt durch das Prisma 6 empfangen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtquelle
    2
    Empfänger
    3
    Sensor
    4
    Strahlteiler
    5
    Medium
    6
    Prisma
    7
    Optisches Fenster
    8
    Sendelicht
    9
    Empfangslicht
    10
    Gehäuse
    F1
    Filter in O1
    F2
    Filter in O2
    L1
    Linse in O1
    L2
    Linse in O2
    O1
    Erster optischer Pfad
    O2
    Zweiter optischer Pfad
    α
    Winkel nach Wandlung von 8 in 9
    β1
    Winkel an 6 von O1
    β2
    Winkel an 6 nach O2

Claims (14)

  1. Optischer Sensor (3), der zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik in einem Medium (5) ausgestaltet ist, umfassend - zumindest eine Lichtquelle (1) zum Senden von Sendelicht (8), - ein Prisma (6), und - zumindest einen Empfänger (2) zum Empfangen von Empfangslicht (9), wobei aus dem gewandelten Empfangslicht (9) ein Empfängersignal erzeugbar ist, und wobei der Messwert aus dem Empfängersignal bestimmbar ist, wobei sich ein erster optischer Pfad (O1) ergibt zumindest über Lichtquelle (1) und Prisma (6) zum Medium (5), wobei sich ein zweiter optischer Pfad (O2) ergibt vom Medium (5) zumindest über das Prisma (6) zum Empfänger (2), wobei dabei Sendelicht (8) das Prisma (6) durchstrahlt, das Sendelicht (8) im Medium (5) in Empfangslicht (9) gewandelt wird, und das Empfangslicht (9) das Prisma (6) durchstrahlt, und wobei der erste optische Pfad (O1) und der zweite optische Pfad (O2) auf der medienabgewandten Seite des Prismas (6) im Wesentlichen parallel zueinander sind.
  2. Sensor (3) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (10) ein optisches Fenster (7) umfasst, das durchlässig ist zumindest für Sendelicht (8) und Empfangslicht (9), wobei Prisma (6) und Fenster (7) entweder getrennt, verkittet, verklebt, zusammengefügt oder aus einem Stück gefertigt sind.
  3. Sensor (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (1) als Leuchtdiode und/oder der Empfänger (2) als Photodiode ausgestaltet ist.
  4. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtquelle (1) UV-Licht mit einer Wellenlänge von 200-400 nm aussendet.
  5. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gehäuse (10) einen Durchmesser von 35 - 75 mm hat.
  6. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, der ein röhrenartiges Gehäuse (10) umfasst und Lichtquelle (1), Prisma (6) und Empfänger (2) im Gehäuse (10) angeordnet sind.
  7. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das das Sendelicht (8) im Medium (5) mittels Fluoreszenz in Empfangslicht (9) gewandelt wird.
  8. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste optische Pfad (O1) eine Linse (L1) und/oder ein Filter (F1) umfasst.
  9. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite optische Pfad (O2) eine Linse (L2) und/oder ein Filter (F2) umfasst.
  10. Sensor (3) nach Anspruch 8 oder 9, wobei zumindest eine der Linsen (L1, L2) eine Brennweite von 2-20 mm umfasst.
  11. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das oder die Filter (F1, F2) als Wellenlängenfilter ausgestaltet sind, insbesondere ist das oder die Filter (F1, F2) als Interferenzfilter ausgestaltet.
  12. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Abstand zwischen Lichtquelle (1) und Fenster (7) 2-6 cm beträgt.
  13. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, der zur Bestimmung des Öl-in-Wasser-Gehalts ausgestaltet ist.
  14. Sensor (3) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Sendelicht (8) im Medium (5) mittels Absorption und Streuung in Empfangslicht (9) gewandelt wird.
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