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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den
zugehörigen Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 in einem Diagramm Emissionsspektren von ausgewählten Lichtemitterdioden (LED) und von
ausgewählten Infrarotemitterdioden (IRED);
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Fig. 2 eine schematische Darstellung der Hauptbestandteile der Vorrichtung;
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Fig. 3a den Strahlengang durch eine leere Meßstrecke, d. h. ohne Flüssigkeit, bei symmetrischer
Anordnung der Strahlungsemitter;
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Fig. 3b den Strahlengang durch eine Meßstrecke mit Flüssigkeit, bei symmetrischer Anordnung der
Strahlungsemitter;
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Fig. 4a den Strahlengang einer exzentrisch angeordneten emittierenden Diode durch eine luftgefüllte
Meßstrecke;
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Fig. 4b den Strahlengang einer exzentrisch angeordneten emittierenden Diode durch eine mit Wasser
gefüllte Meßstrecke;
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Fig. 5 ein Auswertungsdiagramm mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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