DE102022132802A1

DE102022132802A1 - Optisches Messsystem

Info

Publication number: DE102022132802A1
Application number: DE102022132802.3A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bolle; Andreas Bayer; Thilo KRÄTSCHMER
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2024-06-20
Also published as: US20240192127A1; CN118169035A

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Messsystem Optisches Messsystem (10) zur Bestimmung einer Messgröße in einem Medium (5), umfassend eine Lichtquelle (1) zum Aussenden von Licht (13, 15); ein Behältnis (6) mit Medium (5), wobei die Lichtquelle (1) auf einem ersten Lichtpfad (11) Messlicht (13) in das Behältnis (6) mit Medium (5) einstrahlt, wobei das Messlicht (13) durch das Medium (5) in Abhängigkeit der Messgröße in Empfangslicht (14) gewandelt wird, und auf einem zweiten Lichtpfad (12) Referenzlicht (15) am Behältnis (6) mit Medium (5) vorbei strahlt; eine Streuscheibe (7), die zwischen dem Behältnis (6) mit Medium (5) und einem Empfänger (2) angeordnet ist, wobei die Streuscheibe (7) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das Empfangslicht (14) nach Austritt aus dem Behältnis (6) mit Medium (5) durch die Streuscheibe (7) auf den Empfänger (2) trifft, wobei die Streuscheibe (7) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das Referenzlicht (15) durch die Streuscheibe (7) auf den Empfänger (2) trifft; den Empfänger (2), der das Empfangslicht (14) und das Referenzlicht (15) empfängt; und eine Datenverarbeitungseinheit (17), die mit der Lichtquelle (1) und dem Empfänger (2) verbunden ist, und aus dem Messlicht (13) und dem Empfangslicht (14) die Messgröße bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem zur Bestimmung einer Messgröße in einem Medium.
Bei der optischen Bestimmung einer Messgröße wird Licht als Messlicht in das zu untersuchende Medium eingestrahlt. Dieses Licht wird durch das Medium verändert und als Empfangslicht durch einen Empfänger wieder empfangen. Das Verhältnis von eingestrahltem zu empfangenem Licht ist ein Maß für die Messgröße.
Vorteilhaft ist es, wenn außer dem Messstrahl (Sendelicht) zusätzlich ein Referenzstrahl am Medium vorbei auf den Empfänger geführt wird. Die Analyse des Referenzstrahls gibt Auskunft über die zeitliche Alterung oder andere Veränderungen der Lichtquelle der Lichtquelle und verhindert damit Fehlergebnisse aufgrund von Alterung der Lichtquelle.
Nachteilig ist hierbei, dass die Überlagerung von Mess- und Referenzstrahl vor dem Empfänger unter der Randbedingung einer optimalen Ausleuchtung der numerischen Apertur des Empfängers technisch aufwändig ist. Bei Verwendung eines Referenzstrahls ist die optimale Einkopplung des Mess- und Referenzstrahls in den Empfänger eine Herausforderung. Zur Einkopplung kann in der Nähe des Empfängers z.B. ein Strahlteiler verwendet werden, wobei im optimalen Fall die numerische Apertur des Empfängers voll ausgeleuchtet werden muss. Dazu müssen die beiden Lichtfelder auf eine gemeinsame Achse gebracht werden, was eine genaue Justierung erfordert und damit technisch aufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Referenzpfad eines optischen Messsystems zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Messsystem zur Bestimmung einer Messgröße in einem Medium, umfassend eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht; ein Behältnis mit Medium, wobei die Lichtquelle auf einem ersten Lichtpfad Messlicht in das Behältnis mit Medium einstrahlt, wobei das Messlicht durch das Medium in Abhängigkeit der Messgröße in Empfangslicht gewandelt wird, und auf einem zweiten Lichtpfad Referenzlicht am Behältnis mit Medium vorbei strahlt; eine Streuscheibe, die zwischen dem Behältnis mit Medium und einem Empfänger angeordnet ist, wobei die Streuscheibe so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das Empfangslicht nach Austritt aus dem Behältnis mit Medium durch die Streuscheibe auf den Empfänger trifft, wobei die Streuscheibe so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das Referenzlicht durch die Streuscheibe auf den Empfänger trifft; den Empfänger, der das Empfangslicht und das Referenzlicht empfängt; und eine Datenverarbeitungseinheit, die mit der Lichtquelle und dem Empfänger verbunden ist, und aus dem Messlicht und dem Empfangslicht die Messgröße bestimmt.
Allgemein sind Streuscheiben optische und lichttechnische Bauteile und dienen zur gleichmäßigen Streuung des einfallenden Lichtes, ohne die spektrale Charakteristika der einfallenden Strahlung zu verändern. Damit können Objekte in optischen Strahlengängen gleichmäßig ausgeleuchtet und abgebildet werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Streuscheibe als Volumenstreuscheibe ausgestaltet ist, insbesondere ist die Volumenstreuscheibe aus Opalglas, Quarzglas oder Milchüberfangglas gefertigt.
Volumenstreuscheiben bestehen beispielsweise aus Opalglas oder Milchüberfangglas. Die lichtstreuende Wirkung der Volumenstreuscheiben wird durch die unterschiedlichen Brechzahlen von unlöslichen Glasbestandteilen oder Kristalliten in der Glasmatrix verursacht. Die Oberfläche des Grundglases ist nicht durch Schleifen oder Sandstrahlen aufgeraut, sondern mit einer milchig weißen Opalschicht beschichtet, um ein äußerst gleichmäßiges und diffuses Licht zu erzeugen. Opalglas kann eingesetzt werden, um einen nahezu Lambert'schen Strahler zu erhalten. Der hohe Diffusionsgrad in Opalglas sorgt zwar für einen Verlust durch Vorwärts- und Rückwärtsstreuung, aber dafür erhält man eine äußerst homogene schattenarme Ausleuchtung. Volumenstreuscheiben streuen das Licht in einem weiten Spektralbereich sehr gleichmäßig und homogen.
In einer Ausgestaltung besteht eine Volumenstreuscheibe aus Quarzglas. Das Quarzglas umfasst viele, etwa Millionen, kleiner Gasbläschen in synthetischem Quarzglas. Sie fungieren als optische Streuzentren. Diese Gasbläschen haben einen Durchmesser von ca. 4 µm, sind gleichmäßig im Quarzglasvolumen verteilt. Aufgrund dieses Funktionsprinzips haben weder Oberflächendefekte noch oberflächliche Verschmutzungen einen Effekt auf das Streuverhalten.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Streuscheibe als Oberflächenstreuscheibe ausgestaltet ist.
Bei Oberflächenstreuscheiben wird die lichtstreuende Wirkung durch die mikroskopisch feinen Unregelmäßigkeiten an der Glasoberfläche verursacht. Durch die einzelnen Unebenheiten an jedem Punkt der Glasoberfläche wird das Licht durch Beugung, Brechung und Reflexion in verschiedenen Richtungen abgelenkt. Das Aufrauen der Glasoberfläche kann mechanisch durch Schleifen oder Sandstrahlen und chemisch durch Ätzen mittels Flusssäure oder Phosphaten erfolgen. Je rauer die Oberfläche, umso grösser ist die lichtstreuende Wirkung.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Streuscheibe als Sammellinse ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Empfangslicht und das Referenzlicht eine Überlappfläche auf der Streuscheibe bilden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messsystem einen Lichtselektor umfasst, der Licht von der Lichtquelle zwischen dem ersten Lichtpfad und dem zweiten Lichtpfad umschaltet als Messlicht bzw. Referenzlicht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Empfänger als Spektrometer ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messsystem einen Lichtwellenleiter umfasst, wobei die Lichtquelle Referenzlicht auf dem zweiten Lichtpfad in den Lichtwellenleiter einkoppelt, der Lichtwellenleiter am Behältnis mit Medium vorbeiführt, und Referenzlicht aus dem Lichtwellenleiter auf die Streuscheibe auskoppelt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messsystem einen oder mehrere Spiegel umfasst, wobei die Lichtquelle Referenzlicht auf dem zweiten Lichtpfad über den zumindest einen Spiegel am Behältnis mit Medium vorbei und auf die Streuscheibe führt.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

1 zeigt das beanspruchte Messsystem.
2 zeigt einen Ausschnitt des beanspruchten Messsystems.
3 zeigt das beanspruchte Messsystem in einer Ausgestaltung.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das beanspruchte Messsystem in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 10 und ist in 1 dargestellt.
Das optische Messsystem 10 umfasst zumindest eine Lichtquelle 1 zum Senden von Licht. Die Lichtquelle 1 ist eine breitbandige Lichtquelle und etwa als Xenon-Blitzlampe ausgestaltet. Alternativ wird etwa ein Array aus LEDs verwendet. Ein möglicher Wellenlängenbereich umfasst den Bereich von 200-1000 nm. Das System 10 umfasst einen Empfänger 2. Der Empfänger 2 wird auch als Detektor bezeichnet. Das zu messende Medium hat das Bezugszeichen 5. Es befindet sich in einem Behältnis 6, etwa einer Küvette, zwischen der Lichtquelle 1 und dem Detektor 2. Der Detektor 2 ist als Spektrometer ausgestaltet, so dass das Spektrum des auf den Detektor 2 fallenden Lichts dargestellt werden kann, etwa in einem angeschlossenen Messumformer (nicht dargestellt). Das Behältnis 6 hat für das gesendete Licht transparente Fenster 3 am Eintritt und Austritt.
Spektrometrische Messungen sind für den Industriebereich ein aussagekräftiges Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten und Gasen. Bei der Absorptionsspektroskopie wird wie erwähnt eine breitbandige Lichtquelle verwendet, deren Licht durch das zu untersuchende Medium geleitet wird und anschließend in einem Spektrometer analysiert wird. Die im zu untersuchenden Medium vorhandenen Stoffe und Stoffgemische können dann anhand ihrer charakteristischen Absorptionslinien identifiziert werden. Je nach Atom- und Molekülspektrum sind dabei verschiedene Wellenlängen interessant. Wichtig ist dabei, dass hier nicht nur der Wunsch der Identifikation einzelner Linien relevant ist, sondern auch deren absolute Signalstärke, da aus dieser sich Informationen zur jeweiligen Konzentration errechnen lassen. Insbesondere verfügen viele für Industrieanwendungen praktisch bedeutsame Stoffe Absorptionslinien im ultravioletten Spektralbereich. Ein UV-Spektrometer zur Analyse eines solchen Stoffgemischs benötigt somit insbesondere einen für den Wellenlängenbereich ausgelegten Fotodetektor und eine zugehörige geeignete Lichtquelle.
Die Lichtquelle 1 sendet auf einem ersten Lichtpfad 11 Messlicht 13 in das Behältnis 6 mit Medium 5, wobei das Messlicht 13 durch das Medium 5 in Abhängigkeit der Messgröße in Empfangslicht 14 gewandelt wird. Das System 10 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 17, die mit der Lichtquelle 1 und dem Empfänger 2 verbunden ist, und aus dem Empfangslicht 14 und dem Referenzlicht 15 die Messgröße bestimmt. Das Referenzlicht 15 wird von der Lichtquelle 1 aus am Medium 5 vorbei gesendet.
Auf einem zweiten Lichtpfad 12 sendet die Lichtquelle 1 also das Referenzlicht 15 am Behältnis 6 mit Medium 5 vorbei. Dafür sollen zwei Ausgestaltungen gezeigt werden, die erste in den 1 mit einem Ausschnitt in 2; die zweite Ausgestaltung zeigt 3.
In der Ausführungsform in den 1 und 2 wird Referenzlicht 15 der Lichtquelle 1 im Bereich der Lichtquelle 1 in einen Lichtwellenleiter 4 eingekoppelt. Der Lichtwellleiter 4 wird am Behältnis vorbeigeführt.
In der Ausführung in der 3 wird das Referenzlicht 15 als Freistahl um das Behältnis 6 herumgeleitet. Dazu umfasst das Messsystem 10 einen oder mehrere Spiegel 9.
Es kann ein Lichtselektor 8 zum Umschalten zwischen dem ersten 11 und zweiten 12 Lichtpfad verwendet werden. 1 deutet den Lichtselektor 8 symbolisch an. Der Lichtselektor 8 ist beispielsweise eine sich bewegende Blende, sodass entweder Messlicht 13 oder Referenzlicht 15 abgeblockt wird. Der eigentliche Strahlengang bleibt durch den Lichtselektor 8 unverändert. In einer Ausgestaltung ist der Lichtselektor 8 als optischer Schalter ausgestaltet. Alternativ kann ein Strahlteiler 16 (siehe 3) verwendet werden. Gegebenenfalls ist ein Shutter notwendig.
Bei Verwendung eines Referenzstrahls ist die Einkopplung des Mess- und Referenzlichts in das Spektrometer 2 wichtig. Zur Einkopplung kann auch auf dieser Seite ein Strahlteiler verwendet werden, wobei im optimalen Fall die numerische Apertur N.A. des Spektrometers 2 voll ausgeleuchtet werden muss. Dazu müssen die beiden Lichtfelder auf eine gemeinsame Achse gebracht werden, was eine genaue Justierung erfordert und damit technisch aufwendig ist.
Bei Verwendung einer Streuscheibe 7, die zwischen dem Behältnis 6 mit Medium 5 und dem Empfänger 2 angeordnet ist, fällt dieser Justageaufwand weg, wenn nur die Scheibe vom Mess- und Referenzlicht 13, 15 geeignet ausgeleuchtet ist.
Die Streuscheibe 7 ist dabei so ausgestaltet und angeordnet, dass das Empfangslicht 14 nach Austritt aus dem Behältnis 6 durch die Streuscheibe 7 auf den Empfänger 2 trifft. Die Streuscheibe 7 ist so ausgestaltet und angeordnet, dass das Referenzlicht 15 durch die Streuscheibe 7 auf den Empfänger 2 trifft. Siehe dazu die 1 und 2.
Nach dem Austritt des Empfangslichts 14 aus dem Behältnis 6 am Fenster 3 trifft dieses auf die Streuscheibe 7. Beispielsweise ist die Streuscheibe 7 direkt hinter dem Behältnis 6 angeordnet, sodass Empfangslicht 14 im Wesentlichen senkrecht auf die Scheibe 7 auftrifft. Der Lichtwellenleiter 4 wird um das Behältnis herumgeführt und der Lichtwellenleiter 4 wird in Richtung der Scheibe 7 gerichtet. Das Referenzlicht 15 trifft nicht senkrecht auf die Scheibe 7, sondern unter einem Winkel > 0 ° zur Normalen zur Kreisebene, beispielsweise 45 °.
Die Streuscheibe 7 ist beispielsweise als Sammellinse ausgestaltet.
Die Streuscheibe 7 ist beispielsweise als Volumenstreuscheiben ausgestaltet, insbesondere ist die Volumenstreuscheibe aus Opalglas, Quarzglas oder Milchüberfangglas gefertigt.
Die Streuscheibe 7 kann auch als Oberflächenstreuscheibe ausgestaltet sein.
Das Referenzlicht 15 wird mit dem optischen Lichtleiter 4 oder freistrahlmäßig (mit z.B. Spiegeln 9; alternativ zu den abgebildeten Spiegeln können auch Linsen oder andere optische Umlenkelemente verwendet werden) um das Medium 5 herumgeführt, grob ausgerichtet und auf die Streuscheibe 7 gerichtet. Die Streuscheibe 7 garantiert dann die optimale Einkopplung in das Spektrometer 2, ohne genaue Justage des Ausgangs des Lichtleiters 4 oder des Strahlführungselementes 9, wenn freistrahlmäßig um das Medium herumgeführt wird.
Der Ausgang des Lichtleiters 4 muss nur grob auf die Streuscheibe 7 ausgerichtet werden, so dass ein Überlapp A zwischen Mess- und Referenzlicht 13, 15 auf der Streuscheibe 7 entsteht.
Die Streuscheibe 7 sorgt dafür, dass sowohl Mess- als auch Referenzlicht 13, 15 optimal die numerische Apertur N.A. des Spektrometers 2 ausleuchten.
Dies führt zu einer justagefreien Einkopplung eines Referenzstrahls 15 analog zum Messstrahl 13 in das Spektrometer mit Hilfe einer Streuscheibe 7.
Die Analyse des Referenzstrahls gibt Auskunft über die zeitliche Alterung oder andere Veränderungen der Lichtquelle 1 und verhindert damit fehlerhafte Messergebnisse aufgrund von Alterung der Lichtquelle 1.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: Detektor/Empfänger
3: Fenster
4: Lichtwellenleiter
5: Medium
6: Behältnis
7: Streuscheibe
8: Lichtselektor
9: Spiegel
10: Messsystem
11: 1. Lichtpfad
12: 2. Lichtpfad
13: Messlicht
14: Empfangslicht
15: Referenzlicht
16: Strahlteiler
A: Fläche des Überlapp
N.A.: numerische Apertur

Claims

Optisches Messsystem (10) zur Bestimmung einer Messgröße in einem Medium (5), umfassend - eine Lichtquelle (1) zum Aussenden von Licht (13, 15); - ein Behältnis (6) mit Medium (5), wobei die Lichtquelle (1) ▪ auf einem ersten Lichtpfad (11) Messlicht (13) in das Behältnis (6) mit Medium (5) einstrahlt, wobei das Messlicht (13) durch das Medium (5) in Abhängigkeit der Messgröße in Empfangslicht (14) gewandelt wird, und ▪ auf einem zweiten Lichtpfad (12) Referenzlicht (15) am Behältnis (6) mit Medium (5) vorbei strahlt; - eine Streuscheibe (7), die zwischen dem Behältnis (6) mit Medium (5) und einem Empfänger (2) angeordnet ist, wobei die Streuscheibe (7) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das Empfangslicht (14) nach Austritt aus dem Behältnis (6) mit Medium (5) durch die Streuscheibe (7) auf den Empfänger (2) trifft, wobei die Streuscheibe (7) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass das Referenzlicht (15) durch die Streuscheibe (7) auf den Empfänger (2) trifft; - den Empfänger (2), der das Empfangslicht (14) und das Referenzlicht (15) empfängt; und - eine Datenverarbeitungseinheit (17), die mit der Lichtquelle (1) und dem Empfänger (2) verbunden ist, und aus dem Empfangslicht (14) und dem Referenzlicht (15) die Messgröße bestimmt.
Messsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Streuscheibe (7) als Volumenstreuscheibe ausgestaltet ist, insbesondere ist die Volumenstreuscheibe aus Opalglas, Quarzglas oder Milchüberfangglas gefertigt.
Messsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Streuscheibe (7) als Oberflächenstreuscheibe ausgestaltet ist.
Messsystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Streuscheibe als Sammellinse ausgestaltet ist.
Messsystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Empfangslicht (14) und das Referenzlicht (15) eine Überlappfläche auf der Streuscheibe (7) bilden.
Messsystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend - einen Lichtselektor (8), der Licht (13, 15) von der Lichtquelle (1) zwischen dem ersten Lichtpfad (11) und dem zweiten Lichtpfad (12) umschaltet als Messlicht bzw. Referenzlicht.
Messsystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Empfänger (2) als Spektrometer ausgestaltet ist.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend - einen Lichtwellenleiter (4), wobei die Lichtquelle (1) Referenzlicht (15) auf dem zweiten Lichtpfad (12) in den Lichtwellenleiter (4) einkoppelt, der Lichtwellenleiter (4) am Behältnis (6) mit Medium (5) vorbeiführt, und Referenzlicht aus dem Lichtwellenleiter (4) auf die Streuscheibe (7) auskoppelt.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend - einen oder mehrere Spiegel (9), wobei die Lichtquelle (1) Referenzlicht (15) auf dem zweiten Lichtpfad (12) über den zumindest einen Spiegel (9) am Behältnis (6) mit Medium (5) vorbei und auf die Streuscheibe (7) führt.