DE10221823A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades von Wassern und anderen transparenten Flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades von Wassern und anderen transparenten Flüssigkeiten

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es unter Anwendung der Halbleiter-Optoelektronik ermöglichen, in einem transparenten flüssigen Medium gleichzeitig bei guter Auflösung eine zuverlässige Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus bei simultaner Messung des Verunreinigungsgrades auch unter Berücksichtigung einer Schaumbildung zu realisieren. DOLLAR A Verfahrensseitig besteht der Kern der vorstehenden Lösung darin, dass unterschiedliche Emissionsspektren durch die zu analysierende Flüssigkeit gerichtet und anschließend diese unterschiedlichen, durch die Flüssigkeit modifizierten Emissionsspektren gebündelt aufgenommen, einem optoelektronischen Empfänger zur Registrierung und Auswertung zugeleitet werden. DOLLAR A Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass dem Behälter, in dem die zu analysierende Flüssigkeit ist, eine Messstrecke zugeordnet ist und dass an der Messstrecke eine Anzahl strahlungemittierender Dioden unterschiedlicher Emissionsspektren angeordnet sind und dass in Opposition zu den emittierenden Dioden die Strahlung aufnehmenden Lichtleiter, insbesondere Lichtwellenleiter, angeordnet sind, die zu einem Mehrfachkoppler vereinigt sind und dass dem Mehrfachkoppler ein optoelektronischer Empfänger, zum Beispiel ein faseroptisches Spektrometer, zugeordnet ist, welcher die Registrierung und Auswertung der erfassten Strahlung realisiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus von transparenten Flüssigkeiten sowie zur Bestimmung des Verunreinigungsgrades unterschiedlicher Wasser und ähnlicher transparenter Flüssigkeiten, vorzugsweise in Behältern, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar zur Optimierung technologischer Prozesse, wie zum Beispiel Wasch- und Spülprozesse in Waschmaschinen, in Geschirrspülmaschinen oder in der chemischen Industrie.
  • Die Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus, insbesondere von unterschiedlichem Wasser, ist ein technisch und technologisch bedeutsames Problem, was sich auch in verschiedenen Erfindungsanmeldungen zu diesem Komplex widerspiegelt.
  • Mit der Bereitstellung und der Applikation von optoelektronischen Halbleiterbauelementen entstanden neue Möglichkeiten in der Meßmethodik, wobei sowohl licht- bzw. strahlungsemittierende Dioden als auch einfache und integrierte Photoempfänger zum Einsatz kamen.
  • Bisherige Lösungen nutzen die Grenzfläche Flüssigkeit-Luft (oder Gas) für die Reflexion, die Totalreflexion, die stufenweise Reflexion entsprechend gestalteter Schwimmkörper, die diffuse Reflexion an Schaum, die photoelektrische Messung in Form einer optoelektronischen Lichtschranke (DE 28 55 651 C2) oder von Vielfachlichtschranken (DD 268 522 A1 und DE 36 05 403 A1), weiter durch entsprechend gestaltete Formen für Optokoppler bzw. Lichtschranken (DE 42 42 927 A1), das photometrische Entfernungsgesetz und faseroptische Sensoren (DE 32 35 591 A1) sowie weitere Lösungen zur üblichen Distanzmessung unter Applikation von Laser- und Lichtemitterdioden, um das Flüssigkeitsniveau zu bestimmen.
  • So beschreibt beispielsweise die DE 28 55 651 C2 eine Lösung, bei der eine Lichtschranke an einem Steigrohr in zwei unterschiedlichen Höhen den Durchgang des Flüssigkeitsspiegels über eine elektronische Schaltung registriert. In der Druckschrift DD 268 522 A1 sind eine größere Anzahl von Lichtschranken bei schräg gestelltem Steigrohr angeordnet, um gegenüber der in der Druckschrift DE 28 55 651 C2 beschriebenen Lösung eine höhere Auflösung zu erreichen. Eine ähnliche Lösung wird in der DE 36 05 403 A1 beschrieben, wobei hier das Steigrohr mit anwachsendem Flüssigkeitsniveau als abbildende Linse für den Photoempfänger genutzt wird. Die tatsächliche Steighöhe wird durch Interpolation zwischen den Lichtschranken realisiert.
  • Die DE 32 35 591 A1 beschreibt eine Lösung, bei der nur der eine Lichtwellenleiter in die Flüssigkeit eintaucht oder eine Verzweigung oder auch ein speziell geformtes Faserende Verwendung finden sollen.
  • Zweck der Erfindung ist es, im Vergleich mit den bekannten Lösungen eine kostengünstige Lösung aufzuzeigen, die sowohl die Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus als auch zusätzlich des Verunreinigungsgrades ermöglicht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es unter Anwendung der Halbleiter-Optoelektronik ermöglichen, in einem transparenten flüssigen Medium gleichzeitig bei guter Auflösung eine zuverlässige Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus bei simultaner Messung des Verunreinigungsgrades auch unter Berücksichtigung einer Schaumbildung zu realisieren.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1, der die grundsätzliche verfahrensseitige Ausgestaltung beinhaltet, sowie durch den Vorrichtungsanspruch 3 gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen sich aus den Unteransprüchen ergeben.
  • Verfahrensseitig besteht der Kern der vorstehenden Lösung darin, dass unterschiedliche Emissionsspektren durch die zu analysierende Flüssigkeit gerichtet und anschließend diese modifizierten unterschiedlichen Emissionspektren gebündelt aufgenommen einem optoelektronischen Empfänger zur Registrierung und Auswertung zugeleitet werden.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, dass dem Behälter, in dem die zu messende und zu analysierende Flüssigkeit ist, eine Meßstrecke zugeordnet ist und dass an der Meßstrecke eine Anzahl strahlungemittierender Dioden unterschiedlicher Emissionsspektren angeordnet sind und dass in Opposition zu den emittierenden Dioden die Strahlung aufnehmende Lichtleiter, insbesondere Lichtwellenleiter, angeordnet sind, die zu einem Mehrfachkoppler vereinigt sind und dass dem Mehrfachkoppler ein optoelektronischer Empfänger, zum Beispiel ein faseroptisches Spektrometer, zugeordnet ist, welcher die Registrierung und Auswertung der erfaßten Strahlung realisiert.
  • Die Lösung ist in ihrer grundsätzlichen Ausgestaltung nicht auf die Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades von hinreichend transparenten Flüssigkeiten in Behältern beschränkt. Das heißt, sie ist grundsätzlich auch darüber hinaus anwendbar, sofern die vorrichtungsseitigen Mittel plazierbar sind.
  • Die Auswertung der Spektren erfolgt vorzugsweise nach Streu- und Absorptionsmodifikationen durch die verunreinigte Flüssigkeit sowie nach Intensitätsverhältnissen. Weitere Kriterien sind die Verschiebung der Peakwellenlänge λp, die Veränderung der Halbwertsbreite Δλ und der Symmetrie sowie der Überlappungsgebiete und der Verbreiterung der Fußpunkte der Spektren.
  • Das Verfahren bietet auch die Möglichkeit, solche Spektren auszuwerten, die infolge einer optischen Anregung durch die LED/IRED entstehen und die damit zu nachweisbaren verunreinigungsspezifischen Fluoreszenzen führen. Diese verunreinigungsspezifischen Fluoreszenzen können gezielt zu einer spezifischen Verunreinigungsanalytik herangezogen werden. Mit Hilfe dieser Analytik ist es beispielsweise in kurzer Zeit möglich, spezielle Verunreinigungen zu bestimmen.
  • Strahlungemittierende Halbleiterdioden (LED; IRED) weisen ein typisches Emissionsspektrum auf, das mit einer schiefen Gaußkurve verglichen werden kann, wobei die Halbwertsbreiten der Spektren zwischen etwa 20 nm und 100 nm liegen können. Verwendet man in einer Vorrichtung, die einen Sensor darstellt, unterschiedliche Strahlungsemitter derart, daß sich die Spektren nicht direkt oder nur an den Fußpunkten sehr schwach überlappen, dann kann jedes einzelne Spektrum in Abhängigkeit vom Abstand zum nächstliegenden gut verifiziert werden. Voraussetzung ist ein Spektrometer mit ausreichendem Auflösungsvermögen.
  • Das Verfahren sieht auch die Möglichkeit vor, dass bedingt durch Ablagerungen an der Meßstrecke, die die Auswertung beeinflussen können, eine veränderte Ansteuerung der emittierenden Dioden mit größeren oder impulsartigen Flußströmen erfolgt, um damit Meßwertfehler bzw. Ungenauigkeiten in einem gewissen Grade kompensieren zu können. Dabei müssen die Pulszeiten etwas länger als die Integrationszeiten des Spektrometers sein.
  • Vorrichtungsseitig kann die Meßstrecke nach einer weiteren Modifizierung auch derart ausgebildet sein, dass strahlungemittierende Dioden an verschiedenen Steigrohren bzw. Bypässen angeordnet sind. Die Ausbildung der Meßstrecke hängt von den örtlichen Gegebenheiten und schließlich von der zu messenden und bezüglich ihrer Verunreinigung zu analysierenden optisch hinreichend transparenten Flüssigkeit ab.
  • Zweckmäßigerweise ist der Strahlengang vor dem Eintritt der Meßstrecke durch eine Mikrolinse parallelisiert. Die Linse ist hierzu vor der Meßstrecke angeordnet. Diese Maßnahme dient zur Verringerung von Meßwertfehlern.
  • Der Vorteil der neuen Lösung liegt zum einen in dem Einsatz von langlebigen strahlungemittierenden Dioden in Verbindung mit einem Spektrometer und zum anderen in der Verknüpfung der Messung des Flüssigkeitsniveuaus mit einer Aussage zum Verunreinigungsgrad der zu analysierenden Flüssigkeit.
  • Wichtig und vorteilhaft ist hierbei auch, dass die Meßergebnisse durch eine gleichzeitige Signalverarbeitung der unterschiedlichen Halbleiterstrahlungsemitter kurzfristig zur Verfügung stehen und somit die Möglichkeit bieten, durch gezielte Veränderungen im nachfolgenden technologischen Ablauf den Prozeß im Sinne einer Prozeßoptimierung zu beeinflussen. Die Veränderung des technologischen Prozesses kann z. B. dergestalt sein, dass bei grober Verschmutzung des üblicherweise letzten Spülwassers die Anzahl der Spülvorgänge erhöht wird.
  • Die dem Spektrometer zugeführten unterschiedlichen Spektren werden nach Streu- und Absorptionsmodifikationen durch die verunreinigte Flüssigkeit sowie nach Intensitätsverhältnissen und nach weiteren Merkmalen der Spektren, wie die Verschiebung der Peakwellenlänge λp, der Veränderung der Halbwertsbreite Δλ und der Symmetrie sowie der Überlappungsgebiete und der Verbreiterung der Fußpunkte ausgewertet.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 in einem Diagramm Emissionsspektren von ausgewählten Lichtemitterdioden (LED) und von ausgewählten Infrarotemitterdioden (IRED);
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung der Hauptbestandteile der Vorrichtung;
  • Fig. 3a den Strahlengang durch eine leere Meßstrecke, d. h. ohne Flüssigkeit, bei symmetrischer Anordnung der Strahlungsemitter;
  • Fig. 3b den Strahlengang durch eine Meßstrecke mit Flüssigkeit, bei symmetrischer Anordnung der Strahlungsemitter;
  • Fig. 4a den Strahlengang einer exzentrisch angeordneten emittierenden Diode durch eine luftgefüllte Meßstrecke;
  • Fig. 4b den Strahlengang einer exzentrisch angeordneten emittierenden Diode durch eine mit Wasser gefüllte Meßstrecke;
  • Fig. 5 ein Auswertungsdiagramm mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen.
  • In der Fig. 1 sind die Spektren von Lichtemitterdioden (LED) und von Infrarotemittem (IRED) dargestellt. Die Spektren kennzeichnen eine blaue LED 1, eine grüne LED 2 und eine rote LED 3 sowie zwei Infrarotemitter 4, 5. Die Überlappung an den Ausläufern bzw. an den Fußpunkten der einzelnen Spektren ist gering und kann durch geeignete Auswahl der zu verwendenden LED/IRED fast zum Verschwinden gebracht werden. Als Spektrometer, welches auch hier zum Einsatz zum Nachweis der Strahlung kommt, verwendet man gegenwärtig immer häufiger faseroptische Kompaktspektrometer, die je nach Breite des Eingangsspalts bzw. des Faserdurchmessers, der häufig als Eingangsspalt dient, Auflösungen bis zu 1 nm erreichen können.
  • In Fig. 2 ist der Grundgedanke der Erfindung in Gestalt der Vorrichtung dargestellt. Dieser besteht, wie vorstehend schon erläutert wurde, darin, unterschiedliche Emitterdioden 11 an einem Steigrohr 24 oder an einem Bypass in unterschiedlichen Höhen anzuordnen. Das Steigrohr 24 ist in diesem Falle als einfacher Zylinder ausgebildet und bis zu einer bestimmten Höhe mit einer Flüssigkeit 7 gefüllt, darüber befindet sich nur Luft 6 oder ein anderes Gas/Gasgemisch. Gegenüber den in der Halterung 10 befestigten Emitterdioden 11 sind nun Lichtleiter, insbesondere Lichtwellenleiter 13, mit evtl. abbildenden Elementen 12 angebracht deren Enden zu einem symmetrischen 5 : 1 Koppler 14 führen und vereinigt werden, so dass alle Signale der unterschiedlichen Emitter letztendlich über einen weiteren Lichtwellenleiter 15 dem faseroptischen Spektrometer 16 zugeführt werden. Das Spektrometer 16 und die Emitterdioden 11 werden über eine zentrale Steuereinheit 8, z. B. über einen Bordrechner, derart synchron angesteuert, dass eine schnelle Meßwertaufnahme und -auswertung im Millisekundenbereich und eine LED-Ansteuerung über ein Netzteil 9 möglich ist. Aus diesen Daten kann dann eine Prozessoptimierung abgeleitet werden. Das Spektrometer 16 registriert also in seinem Empfindlichkeitsbereich gleichzeitig die unterschiedlichen Signale der verschiedenen Emitterdioden 11.
  • Damit stehen zur weiteren Auswertung und zur Prozeßoptimierung die Peakwellenlängen, die integralen Intensitäten der Spektren und die Modifikationen der Spektren durch selektive Absorptionen und Streuungen in der Flüssigkeit zur Verfügung. Da in relativ sauberen Flüssigkeiten nur die Rayleigh- Streuung und keine Mie-Streuung vorliegt, wird sich im Kurzwelligen dies infolge der Intensitätsabhängigkeit von der inversen vierten Potenz der Wellenlänge (l ≍ λ-4) stärker als im Langwelligen auswirken. Setzt man in Abhängigkeit von der Wellenlänge die Halbleiteremitter günstig, so sind diese Auswirkungen gut zu registrieren. Gleiches trifft auf die selektiven Absorptionen zu, die auch zu einer Anregung von Fluoreszenzstrahlung Anlaß geben können. Nach einer entsprechenden Eichung lassen sich so die Verunreinigungen abschätzen bzw. mit anderen Proben oder bzgl. entsprechender Veränderungen im Prozeßverlauf vergleichen. Nimmt die Verunreinigungskonzentration und insbesondere die Größe der Verunreinigungspartikel derart zu, daß sie mit der Wellenlänge vergleichbar oder gar größer werden, dann wird die Streuung durch die Mie-Theorie beschrieben, die nur eine schwache Wellenlängenabhängigkeit aufweist. Beide Streuarten besitzen eine unterschiedliche Richtungscharakteristik der gestreuten Strahlung. Während in der Rayleigh-Streuung eine um den Faktor zwei variierende symmetrische cos-Verteilung auftritt, nimmt nach der Mie-Theorie bei zunehmender Konzentration und Größe der Streuzentren die Vorwärtsstreuung um Größenordnungen zu, was auch zur Auswertung herangezogen werden kann. Der Vergleich der beiden Streuarten läßt Schlüsse auf die Konzentration und unter Umständen auch auf die Größe der Streuzentren zu. Um schon bei niedrigen Flüssigkeitsständen eine Verunreinigungsbestimmung zu ermöglichen, ist für die unterste LED ein geringerer Zwischenabstand vorgesehen, wobei diese beiden LED wellenlängenmäßig so ausgewählt werden, dass sie eine Einschätzung der Rayleigh- bzw. Mie-Streuung erlauben. Prinzipiell ist auch eine harmonisierende Anordnung der beiden wellenlängenmäßig sehr unterschiedlichen LED in gleicher Höhe auf dem Niveau der untersten Diode möglich.
  • Fig. 3a veranschaulicht den Strahlengang durch ein Steigrohr, bei dem der Flüssigkeitssspiegel unterhalb des Strahlungsemiters 11 sich befindet. Die Höhe des Flüssigkeitsniveaus wird nun folgendermaßen bestimmt. Die Emitterdioden 1 bis 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch bzw. zentrisch zur Achse des zylindrischen Steigrohres 24 angeordnet. Ihr Strahlengang wird durch eine Mikrolinse 17 parallelisiert. Wenn keine Flüssigkeit 7 sondern nur Luft 6 bzw. ein Gas oder ein Gasgemisch im Bypass am Ort einer LED bzw. IRED 1 bis 5 vorhanden ist, erhält man schematisch den Strahlengang entsprechend Fig. 3a.
  • Das heißt, der mit Strahlen durchdrungene Bereich ist mit Luft 6 bzw. mit einem anderen Gas/Gasgemisch besetzt. Hier ist die Wirkung der dünnen Glaswand, die nur eine Strahlversetzung im Zylinder bewirkt, die beim Durchtritt durch die zweite Wandung wieder aufgehoben wird, vernachlässigt worden. Man erhält dann eine Strahlfläche A1 auf dem Schirm 18 nach Durchtritt des Lichtes bzw. der Strahlung durch das Steigrohr 24 bzw. durch den Bypass, die der Eingangsfläche nach der Linse 17 nahezu gleichkommt.
  • Steigt nun entsprechend Fig. 3b das Niveau der Flüssigkeit 7 in dem Steigrohr 24 an und übersteigt den Strahlengang einer LED, dann stellt der Bypass/das Steigrohr für diese LED bzw. IRED und für die darunterliegenden eine Zylinderlinse dar. Der schematisierte Strahlengang mit Breiten von etwa einem Millimeter parallel zur Zylinderachse ist ebenfalls der Fig. 3b zu entnehmen. Die Strahlfläche A2 auf dem Schirm 18 weist eine Randverschmierung mit der Ungewissheit der Brennlinie auf. Befindet sich an der Stelle des Schirmes 18 im Bereich der Strahlenfläche A2 jetzt ein Lichtwellenleiter, registriert er bei vorliegender Flüssigkeitsfüllung eine mehrfache Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, die umgekehrt proportional zu den Strahlflächen auf dem Schirm 18 sind. Da der Anstieg der Flüssigkeit meist noch in einer sauberen Flüssigkeit gemessen wird, verändert sich die Höhe des Spektrums um einen bestimmten Wert. Dieser Wert wird durch Schaum auf der Flüssigkeit nicht verschlechtert, wie das bei den üblichen Flüssigkeitsniveausensoren der Fall ist, sondern sogar noch verbessert, da der Schaum infolge der Vielfachstreuung und -reflexion an den kleinen Blasen die Strahlfläche A1 noch größer als in Luft werden lässt.
  • Da die Verwendung von Halbleiterstrahlungsemittern um mehr als den Faktor 100 kostengünstiger als die Verwendung einer stabilisierten Lampe ist, und da diese Emitter eine Lebensdauer von bis zu 106 h und mehr erreichen, eine hohe Quantenflußdichte aufweisen und auch ihre Strahlung in Lichtwellenleiter gut eingekoppelt werden kann, ist der Einsatz dieser Strahlungsemitter besonders wirtschaftlich. Das wird noch dadurch untermauert, dass die Flußstromdichte über Größenordnungen der Anzahl der emittierten Photonen direkt proportional ist, dass ihre Ansteuerung bis in den untersten Mikrosekundenbereich möglich ist und dass durch eine entsprechende Variation des Plastiklinsendoms unterschiedlichste Abstrahlcharakteristika erreichbar sind.
  • Alle Veränderungen der LED/IRED-Spektren durch die Flüssigkeit "sortiert" das Spektrometer 16 im Verlaufe von Millisekunden aus und erlaubt so eine Überwachung und in situ Optimierung von technologischen Vorgängen wie von Wasch- und Spülprozessen sowie anderen chemischen und technischen Vorgängen.
  • In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese zweite Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine modifizierte Anordnung von unterschiedlichen Emitterdioden 11 an einem Steigrohr 24 bzw. einen Bypass in Analogie zu Fig. 2. Das Steigrohr 24 bzw. der Bypass weist ein für die verwendete Strahlung transparentes Material auf und ist in Form eines Zylinders ausgebildet. Dieser zylinderförmige mit Luft 6 bzw. mit Flüssigkeit 7 teilweise gefüllte hinreichend transparente Körper wird nun von der Strahlung der Emitterdioden 11 durchsetzt. Da gegenwärtig schon LED und IRED mit Abstrahlwinkeln um 6° angeboten werden, wird auf eine Parallelisierung des Strahls der LED/IRED 11, wie er oben angenommen wurde, verzichtet. Um den Strahl der Emitterdiode 11 noch etwa einzuengen, wird eine Kanalisierung des Strahls durch einen Adapter von 1 bis 2 cm Länge, der Teil der Halterung 10 ist, vorgenommen, so dass bei einer Öffnung von weniger als 3 mm die Strahldivergenz Θ/2 eindeutig unter 4° liegt. Da die Effizienz der LED/IRED groß ist, kann auf die ausgeblendete Strahlung ohne Einschränkung der Allgemeinheit verzichtet werden. Damit entfallen teure optische Mikrolinsen 17 zur Strahlparallelisierung. Der Strahlengang im Falle des luftgefüllten Bypass einer exzentrisch angebrachten LED/IRD ist in Fig. 4a enthalten. Vernachlässigt man wieder die Bypasswand, die wiederum nur eine sehr geringe Strahlversetzung hervorruft, dann wird auf dem Schirm 18 eine Strahlfläche A1 sichtbar, die durch den Öffnungswinkel Θ/2 bestimmt wird. Sie liegt der LED direkt gegenüber. Wird der Bypass jetzt mit Wasser gefüllt, dann wirkt er wieder als Zylinderlinse und fokussiert die einfallende parallele oder leicht divergente Strahlung.
  • Verwendet man Halbleiteremitter mit einem engen Abstrahlkegel von etwa 4°, dann tritt ebenfalls noch eine Strahlmodifikation auf, die sich eindeutig von dem mit Luft 6 bzw. Gas gefülltem Zylinder unterscheidet, wie das in Fig. 4b dargestellt ist. Die entscheidende Neuerung besteht nun darin, daß diese zylinderförmige Linse von vielen LED/IRED nicht mittig durchstrahlt wird, sondern um eine gewisse Versetzung exzentrisch zur Zylinderachse. Damit tritt neben der Strahlformung durch die Flüssigkeit (z. B. Wasser mit einem Brechungsindex von 1,333 gegenüber Luft von 1) im Gegensatz von der diffusen Durchleuchtung im Falle von Luft auch eine Strahlversetzung auf, die in Abhängigkeit von der Versetzung der Diode und dem Durchmesser des Bypass mehrere mm bis zu cm betragen kann (im ersteren Falle bei einem Zylinderdurchmesser von etwa 2 cm dann mehrere mm). Während der entsprechend auf A2 angebrachte Lichtwellenleiter im Falle von Luft im Zylinder ein schwaches oder bei guter Versetzung bzw. abgedunkelter Fläche A1 überhaupt kein LED-Licht empfängt, tritt im Falle von Wasser eine Strahlfokussierung mittig auf, deren Intensitäten um ein Vielfaches größer sein kann und die Fläche A2 hat. Damit ist beim Durchgang von Wasser durch die horizontale Linie Diode-Lichtwellenleiter (LWL) sowohl eine Registrierung des ansteigenden Flüssigkeitsniveaus als eine Auswertung der durch die Flüssigkeit gehenden Strahlung mit dem Spektrometer möglich. Außerdem ist ein eindeutiger Strahlengang nur dann gegeben, wenn die Strahlung durch die Flüssigkeit tritt, was bedeutet, daß ein auf der Flüssigkeit vorhandener Schaum den Meßvorgang überhaupt nicht stört, sondern ihn noch weiter als im ersten Ausführungsbeispiel verbessert. Damit ist neben der Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus auch eine Verunreinigungscharakterisierung wie im obigen Beispiel möglich.
  • Als weiteres Anwendungsbeispiel sind die in einem solchen Bypass gemessenen Werte für Leitungswasser, für ein Waschmittel in Leitungswasser in Geradeausrichtung und in 90°-Richtung dargestellt. In der Fig. 5 sind die entsprechenden spektralen Verteilungen zu sehen. Die Meßkurve 19 stellt den Verlauf der Transmission mit der Wellenlänge für Leitungswasser dar, dividiert durch die Transmissionswerte von destilliertem Wasser. Gibt man dem Leitungswasser ein Colorwaschmittel hinzu, ändern sich die Transmissionswerte (gemessen in Geradeausrichtung) und die Streuwerte (gemessen in 90°- Richtung zum primären Strahlenbündel der LED/IRED) mit der Einwirkungszeit des Waschmittels, hier für Zimmertemperatur aufgezeichnet. Die Meßkurven wurden nach einer Einwirkungszeit des Waschmittels von etwa 5 min in Geradeausrichtung als Transmission 20 und bzw. in 90°-Richtung als Streuwerte 21 gemessen. Man erkennt eine starke Abnahme der Transmission gegenüber der Leitungswasserkurve im gesamten Spektralbereich, während die Streuwerte 21 - diese verkörpern die Streustrahlintensität - von maximalen Werten bei etwa 420 nm einen starken Abfall mit zunehmender Wellenlänge und im langwelligen Teil des Spektrums kaum noch Veränderungen aufweisen. Im kurzwelligen Teil des Spektrums wird durch die Einwirkung des Waschmittels die Lichtstreuung durch die Rayleigh-Streuung bestimmt. Nach einer Einwirkungszeit von 60 min verändert sich die Transmission 22 sehr stark, während die Streuintensität 23 einen wesentlich anderen Anstieg als die Anfangskurve nach 5 min aufweist. Die Auswertung der sehr unterschiedlichen spektralen Daten und der Intensitäten erlaubt nun nach einer Eichung eine Charakterisierung des Verunreinigungszustandes. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 blaue LED
    2 grüne LED
    3 rote LED
    4 IRED
    5 IRED
    6 Luft
    7 Flüssigkeit
    8 Steuereinheit
    9 Netzteil
    10 Halterung
    11 Emitterdiode
    12 abbildendes Element
    13 Lichtwellenleiter
    14 Koppler
    15 Lichtwellenleiter
    16 Spektrometer
    17 Mikrolinse
    18 Schirm
    19 Meßkurve
    20 Transmission
    21 Streuwert
    22 Transmission
    23 Streuintensität
    24 Steigrohr

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades von Wassern und anderen transparenten Flüssigkeiten, vorzugsweise in einem Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Emissionsspektren durch die zu messende und zu analysierende Flüssigkeit gerichtet und anschließend diese unterschiedlichen, durch die Flüssigkeit modifizierten Emissionspektren gebündelt aufgenommen einem optoelektronischen Empfänger zur Registrierung und Auswertung zugeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden Dioden mit einer veränderten Ansteuerung betrieben werden, zum Beispiel mit größeren oder impulsartigen Flußströmen.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Behälter eine Meßstrecke zugeordnet ist und dass eine Anzahl emittierender Dioden (11) unterschiedlicher Emissionsspektren an der Meßstrecke angeordnet sind und dass den emitierenden Dioden (11) gegenüberliegend Lichtwellenleiter (13) angeordnet und zu einem Mehrfachkoppler (14) vereinigt sind und dass dem Mehrfachkoppler (14) ein optoelektronischer Empfänger, zum Beispiel ein faseroptisches Spektrometer (16), zugeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit dem Behälter verbundenes Steigrohr (24) oder ein Bypass die Meßstrecke bildend ausgestaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßstrecke ein unterschiedliches geometrisches Querschnittsprofil, z. B. Kugelform, einseitige Zylinderlinse, Sammellinse und dgl., aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden Dioden (11) am Steigrohr (24) oder an dem Bypass symmetrisch, asymmetrisch oder exzentrisch in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (24) oder der Bypass zumindest teilweise als transparenter Zylinder ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder emittierenden Diode (11) eine Mikrolinse (17) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierenden Dioden (11) mit Lichtwellenleitern verbunden und dass diese durch einen Bordcomputer steuerbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die messenden Lichtwellenleiter (13) durch einen n : 1-fachen Koppler (14) zusammengeführt sind und dass der Koppler (14) mit einem Spektrometer (16) verbunden ist.
DE2002121823 2002-05-10 2002-05-10 Vorrichtung zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades von Wassern und anderen transparenten Flüssigkeiten Expired - Fee Related DE10221823B4 (de)

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