DE102023134379A1 - LED and turbidity sensor with such a LED - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode (5a), insbesondere für einen Trübungssensor, umfassend einen LED-Chip (5) als Strahlungssender, wobei der LED-Chip (5) von einem Sockel (13), einem Gehäuse und einer Sammellinse hermetisch umschlossen ist, wobei neben dem LED-Chip (5) eine Photodiode (8) als Strahlungsempfänger angeordnet ist, der als Referenzempfänger die Strahlungsintensität des LED-Chips (5) erfasst,wobei der LED-Chip (5) und die Photodiode (8) von einem Blendenelement (10) umschlossen sind, welches eine Durchbohrung (11) zur Weiterleitung der vom LED-Chip (5) ausgesendeten Strahlen in die Umgebung aufweist, im Übrigen jedoch eine Reflexionsebene bildet, durch die die Strahlen vom LED-Chip (5) zur Photodiode (8) gelangen und gleichzeitig das Eindringen von Streulicht aus der Umgebung begrenzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Trübungssensor mit einer solchen Leuchtdiode.The invention relates to a light-emitting diode (5a), in particular for a turbidity sensor, comprising an LED chip (5) as a radiation transmitter, wherein the LED chip (5) is hermetically enclosed by a base (13), a housing and a collecting lens, wherein a photodiode (8) is arranged next to the LED chip (5) as a radiation receiver, which detects the radiation intensity of the LED chip (5) as a reference receiver, wherein the LED chip (5) and the photodiode (8) are enclosed by a diaphragm element (10) which has a through hole (11) for transmitting the rays emitted by the LED chip (5) into the environment, but otherwise forms a reflection plane through which the rays from the LED chip (5) reach the photodiode (8) and at the same time the penetration of scattered light from the environment is limited. The invention also relates to a turbidity sensor with such a light-emitting diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode sowie einen Trübungssensor mit einer solchen Leuchtdiode.The invention relates to a light-emitting diode and a turbidity sensor with such a light-emitting diode.

Eine Leuchtdiode, kurz LED genannt, ist nach allgemeiner Definition ein HalbleiterBauelement, das Licht ausstrahlt, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. Sie umfasst im Wesentlichen einen Halbleiterkristall, der in Form eines LED-Chips den eigentlichen Strahlungssender bildet und zumeist auf einer Trägerplatte angeordnet ist. Mittels Bonddrähte erfolgt der elektrische Anschluss des LED-Chips. Umhüllt ist diese Anordnung von einem lichtbündelnden, transparenten Gehäuse oder einer Hülse mit separater Sammellinse.A light-emitting diode, or LED for short, is generally defined as a semiconductor component that emits light when an electric current flows in the forward direction. It essentially comprises a semiconductor crystal, which forms the actual radiation transmitter in the form of an LED chip and is usually arranged on a carrier plate. The LED chip is electrically connected using bonding wires. This arrangement is encased in a light-bundling, transparent housing or a sleeve with a separate collecting lens.

Trübungssensoren sind dafür vorgesehen, ein Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, hinsichtlich der optischen Eigenschaften zu analysieren. Im Mittelpunkt steht dabei die Bestimmung des Anteils an Schwebstoffen. Eine Lichtquelle, typischerweise eine Leuchtdiode, sendet Licht, insbesondere infrarotes Licht, durch das Medium hindurch zu einem Strahlungsempfänger. Durch Schwebstoffe im Medium wird das Licht aufgrund von Streulichtbildung und Absorption gedämpft, so dass die vom Strahlungsempfänger empfangene Strahlungsintensität ein Maß für die Trübung des Mediums ist.Turbidity sensors are designed to analyze a medium, particularly a liquid, in terms of its optical properties. The focus is on determining the proportion of suspended matter. A light source, typically a light-emitting diode, sends light, particularly infrared light, through the medium to a radiation receiver. Suspended matter in the medium dampens the light due to scattered light formation and absorption, so that the radiation intensity received by the radiation receiver is a measure of the turbidity of the medium.

Die Lichtquelle unterliegt naturgemäß einem gewissen Alterungseffekt. Um sicherzustellen, dass eine beim Strahlungsempfänger ankommende reduzierte Strahlungsintensität ausschließlich durch Trübungseigenschaften des Mediums hervorgerufen wurden und nicht auch Folge eines Alterungseffekts ist, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. aus der DE 10 2012 007 864 A1 , innerhalb des Trübungssensors neben der Lichtquelle einen weiteren Strahlungsempfänger anzuordnen. Dieser weitere Strahlungsempfänger dient dann als Referenzempfänger, indem er die Strahlungsintensität der Lichtquelle weitgehend vom Medium unbeeinflusst erfasst. Häufig lässt sich eine geringe Beeinflussung durch das Medium nicht gänzlich ausschließen, die dann aber messtechnisch nicht weiter ins Gewicht fällt.The light source is naturally subject to a certain aging effect. In order to ensure that a reduced radiation intensity arriving at the radiation receiver is caused exclusively by turbidity properties of the medium and is not also the result of an aging effect, it is known from the state of the art, e.g. from the EN 10 2012 007 864 A1 to arrange another radiation receiver next to the light source within the turbidity sensor. This additional radiation receiver then serves as a reference receiver, as it detects the radiation intensity of the light source largely unaffected by the medium. Often, a slight influence from the medium cannot be completely ruled out, but this is then of no further significance in terms of measurement technology.

Problematisch ist dabei, dass der Referenzempfänger auch Störlichteinflüssen unterliegen kann, was dann die Aussagekraft bezüglich der Alterungseffekte der Lichtquelle mindern würde. Außerdem erhöht sich durch das zusätzliche Bauteil zwangsläufig der Platzbedarf.The problem is that the reference receiver can also be subject to interference from stray light, which would then reduce the information it provides regarding the aging effects of the light source. In addition, the additional component inevitably increases the space required.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Strahlungsintensität der Lichtquelle durch einen Referenzempfänger auf sehr kompakte und platzsparende Weise überwachen zu lassen und diesen vor Störlichteinflüssen weitgehend zu schützen.The object of the invention is to have the radiation intensity of the light source monitored by a reference receiver in a very compact and space-saving manner and to protect it largely from the influence of disturbing light.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leuchtdiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Trübungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by a light-emitting diode with the features of claim 1 and by a turbidity sensor with the features of claim 2. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Zunächst umfasst die LED einen LED-Chip als Strahlungssender, der von einem Sockel, einem Gehäuse und einer Sammellinse hermetisch umschlossen ist. Erfindungsgemäß ist neben dem LED-Chip eine Photodiode als Strahlungsempfänger angeordnet ist, der als Referenzempfänger die Strahlungsintensität des LED-Chips erfasst. Beides, der LED-Chip und die Photodiode, sind von einem Blendenelement umschlossen, welches eine Durchbohrung zur Weiterleitung der vom LED-Chip ausgesendeten Strahlen in die Umgebung aufweist, im Übrigen jedoch eine Reflexionsebene bildet, durch die die Strahlen vom LED-Chip zur Photodiode gelangen und gleichzeitig das Eindringen von Streulicht aus der Umgebung begrenzt wird.Firstly, the LED comprises an LED chip as a radiation transmitter, which is hermetically enclosed by a base, a housing and a collecting lens. According to the invention, a photodiode is arranged next to the LED chip as a radiation receiver, which detects the radiation intensity of the LED chip as a reference receiver. Both the LED chip and the photodiode are enclosed by a diaphragm element, which has a hole for transmitting the rays emitted by the LED chip into the environment, but otherwise forms a reflection plane through which the rays pass from the LED chip to the photodiode and at the same time limits the penetration of scattered light from the environment.

Kern der Erfindung ist also, den Referenzempfänger nunmehr innerhalb der Lichtquelle, d.h. der Leuchtdiode, anzuordnen und somit eine sehr kompakte und extrem platzsparende Bauweise zu realisieren. Gleichzeitig wird durch das Blendenelement das Eindringen von Streulicht aus dem Medium begrenzt, so dass sichergestellt wird, dass der Referenzempfänger im Wesentlichen nur die Strahlung des Strahlungssenders empfängt und somit eine verlässliche Aussage über die jeweils aktuelle Strahlungsintensität des Strahlungssenders bzw. etwaige Alterungseffekte des Strahlungssenders möglich ist. Zudem ist ein derartiger Aufbau auch hermetisch dicht, so dass Feuchtigkeit, die bspw. durch Kondensation entstehen kann, auf den LED-Chip, den Referenzempfänger und die sonstigen Komponenten innerhalb der LED keinerlei Einfluss hat.The core of the invention is therefore to arrange the reference receiver within the light source, i.e. the light-emitting diode, and thus to achieve a very compact and extremely space-saving design. At the same time, the aperture element limits the penetration of scattered light from the medium, ensuring that the reference receiver essentially only receives the radiation from the radiation transmitter, thus making it possible to make a reliable statement about the current radiation intensity of the radiation transmitter or any aging effects of the radiation transmitter. In addition, such a structure is also hermetically sealed, so that moisture, which can arise, for example, through condensation, has no effect on the LED chip, the reference receiver and the other components within the LED.

Ein zweiter Aspekt betrifft einen Trübungssensor, bei dem die Lichtquelle bzw. die Strahlungssendereinheit als eine solche erfindungsgemäße Leichtdiode ausgeführt ist. A second aspect relates to a turbidity sensor in which the light source or the radiation transmitter unit is designed as such a light diode according to the invention.

Vorteilhafterweise ist der Referenzempfänger als Photodiode ausgebildet. Das Blendenelement besteht vorzugsweise aus einem keramischen Material.The reference receiver is advantageously designed as a photodiode. The aperture element is preferably made of a ceramic material.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

  • 1 einen erfindungsgemäßen Trübungssensor;
  • 2 ein Schnittbild einer Sensorspitze des erfindungsgemäßen Trübungssensors und
  • 3 eine erfindungsgemäße Leichtdiode im Schnittbild.
They show schematically:
  • 1 a turbidity sensor according to the invention;
  • 2 a sectional view of a sensor tip of the turbidity sensor according to the invention and
  • 3 a light-emitting diode according to the invention in a cross-sectional view.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference numerals designate like or comparable components.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Trübungssensor 1 in Seitenansicht von außen dargestellt. Der Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 2. Teil des Gehäuses 2 ist ein Prozessanschluss 2 in Form eines Außengewindes, mit dem der Sensor 1 mit einem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter, d.h. einer Rohrleitung, einem Tank oder dergleichen, verbunden wird. Zumeist erfolgt diese Verbindung mittels eines an den Behälter angeformten Flansches oder eines entsprechenden Adapters. Die Gehäuse- bzw. Sensorspitze 1a ragt entsprechend in den Behälter und damit das Medium hinein. Die Sensorspitze 1 a weist im Bereich von zwei Gehäuseabschnitten 2a, 2b eine schlitzartige Ausnehmung auf, welche die eigentliche Messumgebung darstellt. Das zu messende Medium befindet sich dann in dieser Ausnehmung und damit im Strahlengang 7 zwischen einer im ersten Gehäuseabschnitt 2a befindlichen Strahlungssendereinheit 5a bzw. Lichtquelle, welche als Leuchtdiode mit einem LED-Chip 5 ausgebildet ist, und einer im zweiten Gehäuseabschnitt 2b befindlichen Strahlungsempfängereinheit mit einem Strahlungsempfänger 6.In 1 a turbidity sensor 1 according to the invention is shown in a side view from the outside. The sensor 1 comprises a housing 2. Part of the housing 2 is a process connection 2 in the form of an external thread, with which the sensor 1 is connected to a container containing the medium to be measured, i.e. a pipeline, a tank or the like. This connection is usually made by means of a flange molded onto the container or a corresponding adapter. The housing or sensor tip 1a protrudes into the container and thus into the medium. The sensor tip 1a has a slot-like recess in the area of two housing sections 2a, 2b, which represents the actual measuring environment. The medium to be measured is then located in this recess and thus in the beam path 7 between a radiation transmitter unit 5a or light source located in the first housing section 2a, which is designed as a light-emitting diode with an LED chip 5, and a radiation receiver unit with a radiation receiver 6 located in the second housing section 2b.

Der Trübungssensor ist vorliegend als sogenanntes Transmittergerät dargestellt, welches keinerlei Anzeige- oder Bedieneinheit aufweist und lediglich über einen Steckeranschluss 3 ein dem Messergebnis entsprechendes analoges Spannungs- oder Stromsignal ausgibt, das einer übergeordneten Steuereinheit, bspw. einer SPS zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung gestellt wird.The turbidity sensor is shown here as a so-called transmitter device, which has no display or operating unit and only outputs an analog voltage or current signal corresponding to the measurement result via a plug connection 3, which is made available to a higher-level control unit, e.g. a PLC, for further processing and evaluation.

2 zeigt ein Schnittbild der Sensorspitze 1a des erfindungsgemäßen Trübungssensors 1. In den Gehäuseabschnitten 2a, 2b in Strahlungsrichtung im Bereich hinter der Leichtdiode 5a und in Strahlungsrichtung im Bereich vor dem Strahlungsempfänger 6 ist jeweils ein Fensterbereich 9 angeordnet, durch den der Strahlengang 7 verläuft. Die vom Strahlungsempfänger 6 empfangene Strahlungsintensität kann dann als ein Maß für die Trübung des Mediums ausgewertet werden. 2 shows a sectional view of the sensor tip 1a of the turbidity sensor 1 according to the invention. In the housing sections 2a, 2b in the radiation direction in the area behind the light diode 5a and in the radiation direction in the area in front of the radiation receiver 6, a window area 9 is arranged through which the beam path 7 runs. The radiation intensity received by the radiation receiver 6 can then be evaluated as a measure of the turbidity of the medium.

In 3 ist ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode 5a als Strahlungssendereinheit dargestellt. Die Leuchtdiode 5a besteht zunächst im Wesentlichen aus einem Sockel 13, einer darauf befindlichen Hülse 14 und eine dem Sockel 13 gegenüberliegende und die Hülse 14 verschließende Sammellinse 12 besteht. Durch den Sockel 13 sind diverse elektrische Anschlusspins 15 geführt, die eine Leiterplatte 16 kontaktieren. Auf der Leiterplatte 16 sind u.a. der LED-Chip 5 als eigentlicher Strahlungssender sowie der als Photodiode ausgeführte Referenzempfänger 8 angeordnet.In 3 a sectional view of a light-emitting diode 5a according to the invention is shown as a radiation transmitter unit. The light-emitting diode 5a consists essentially of a base 13, a sleeve 14 located thereon and a collecting lens 12 opposite the base 13 and closing the sleeve 14. Various electrical connection pins 15 are led through the base 13 and contact a circuit board 16. The LED chip 5 as the actual radiation transmitter and the reference receiver 8 designed as a photodiode are arranged on the circuit board 16.

Die Leiterplatte 16 und damit auch der LED-Chip 5 sowie der Referenzempfänger 8 sind von einem Blendenelement 10 überdeckt. Dieses Blendenelement 10 weist eine Durchbohrung 11 auf, durch das die vom Strahlungssender 5 ausgesendeten Strahlen in Richtung Sammellinse 12 und damit in Richtung Medium durchgelassen werden. Die Strahlungsrichtung ist schematisch durch die drei parallelen Pfeile angedeutet.The circuit board 16 and thus also the LED chip 5 and the reference receiver 8 are covered by a diaphragm element 10. This diaphragm element 10 has a hole 11 through which the rays emitted by the radiation transmitter 5 are passed in the direction of the converging lens 12 and thus in the direction of the medium. The direction of radiation is indicated schematically by the three parallel arrows.

Der Referenzempfänger 8 hingegen ist derart zwischen Blendenelement 10 und Leiterplatte 16 angeordnet, dass der Einfluss von Streulicht aus dem Medium praktisch ausgeschlossen ist und das Blendenelement 10 im Wesentlichen eine Reflexionsebene bildet, durch die die Strahlen vom LED-Chip 5 zum Referenzempfänger 8 gelangen. Die reflektierte Strahlung ist ebenfalls durch zwei Pfeile schematisch dargestellt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Referenzempfänger 8 im Wesentlichen nur die Strahlung des LED-Chips 5 empfängt und somit eine verlässliche Aussage über die jeweils aktuelle Strahlungsintensität des LED-Chips 5 bzw. etwaige Alterungseffekte des LED-Chips 5 möglich ist. Gleichzeit führt diese konstruktive Maßnahme zu keiner nennenswerten Vergrößerung der gesamten Leuchtdiode 5a als Bauteil, so dass nach wie vor eine kompakte Bauweise möglich ist. Dadurch, dass nun bei Verwendung dieser Leuchtdiode in einem Trübungssensor 1 aber kein gewissermaßen extern angeordneter Referenzempfänger notwendig ist, kann der Trübungssensor 1 selbst sehr kompakt und platzsparend ausgeführt werden.The reference receiver 8, on the other hand, is arranged between the aperture element 10 and the circuit board 16 in such a way that the influence of scattered light from the medium is practically excluded and the aperture element 10 essentially forms a reflection plane through which the rays from the LED chip 5 reach the reference receiver 8. The reflected radiation is also shown schematically by two arrows. In this way, it can be ensured that the reference receiver 8 essentially only receives the radiation from the LED chip 5 and thus a reliable statement about the current radiation intensity of the LED chip 5 or any aging effects of the LED chip 5 is possible. At the same time, this design measure does not lead to any significant enlargement of the entire light-emitting diode 5a as a component, so that a compact design is still possible. Because no externally arranged reference receiver is necessary when using this light-emitting diode in a turbidity sensor 1, the turbidity sensor 1 itself can be designed to be very compact and space-saving.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
TrübungssensorTurbidity sensor
1a1a
SensorspitzeSensor tip
22
GehäuseHousing
2a2a
GehäuseabschnittHousing section
2b2 B
GehäuseabschnittHousing section
33
SteckeranschlussPlug connection
44
ProzessanschlussProcess connection
55
LED-Chip, StrahlungssenderLED chip, radiation transmitter
5a5a
Strahlungssendereinheit, LichtquelleRadiation transmitter unit, light source
66
StrahlungsempfängerRadiation receiver
77
StrahlengangBeam path
88th
ReferenzempfängerReference recipient
99
FensterbereichWindow area
1010
BlendenelementAperture element
1111
DurchbohrungPerforation
1212
SammellinseConverging lens
1313
Sockelbase
1414
HülseSleeve
1515
elektrische Anschlüsseelectrical connections
1616
LeiterplatteCircuit board

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Leuchtdiode (5a), umfassend einen LED-Chip (5) als Strahlungssender, wobei der LED-Chip (5) von einem Sockel (13), einem Gehäuse und einer Sammellinse hermetisch umschlossen ist, wobei neben dem LED-Chip (5) eine Photodiode (8) als Strahlungsempfänger angeordnet ist, der als Referenzempfänger die Strahlungsintensität des LED-Chips (5) erfasst, wobei der LED-Chip (5) und die Photodiode (8) von einem Blendenelement (10) umschlossen sind, welches eine Durchbohrung (11) zur Weiterleitung der vom LED-Chip (5) ausgesendeten Strahlen in die Umgebung aufweist, im Übrigen jedoch eine Reflexionsebene bildet, durch die die Strahlen vom LED-Chip (5) zur Photodiode (8) gelangen und gleichzeitig das Eindringen von Streulicht aus der Umgebung begrenzt wird.Light emitting diode (5a) comprising an LED chip (5) as a radiation transmitter, wherein the LED chip (5) is hermetically enclosed by a base (13), a housing and a collecting lens, wherein a photodiode (8) is arranged next to the LED chip (5) as a radiation receiver, which detects the radiation intensity of the LED chip (5) as a reference receiver, wherein the LED chip (5) and the photodiode (8) are enclosed by a diaphragm element (10) which has a through hole (11) for transmitting the rays emitted by the LED chip (5) into the environment, but otherwise forms a reflection plane through which the rays pass from the LED chip (5) to the photodiode (8) and at the same time the penetration of scattered light from the environment is limited. Leuchtdiode (5a) nach Anspruch 1, wobei das Blendenelement (10) aus einem keramischen Material besteht.LED (5a) after Claim 1 , wherein the aperture element (10) consists of a ceramic material. Trübungssensor, umfassend eine Strahlungssendereinheit (5a) und einen Strahlungsempfängereinheit (6a), die derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen Strahlengang (7) zur Messung der Trübung eines sich im Strahlengang (7) befindlichen Mediums bilden, und die durch den Strahlungsempfängereinheit (6a) empfangene Strahlungsintensität ein Maß für die Trübung des Mediums ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungssendereinheit (5a) als Leichtdiode gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Turbidity sensor, comprising a radiation transmitter unit (5a) and a radiation receiver unit (6a), which are arranged relative to one another in such a way that they form a beam path (7) for measuring the turbidity of a medium located in the beam path (7), and the radiation intensity received by the radiation receiver unit (6a) is a measure of the turbidity of the medium, characterized in that the radiation transmitter unit (5a) is designed as a light diode according to one of the preceding claims. Trübungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger (6) als Photodiode ausgebildet ist.Turbidity sensor according to Claim 3 , characterized in that the radiation receiver (6) is designed as a photodiode.
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