WO2009103619A1 - VERFAHREN UND OPTISCHE SENSORANORDNUNG ZUM ERFASSEN EINER MESSGRÖßE EINES MEDIUMS, INSBESONDERE ZUR TRÜBUNGSMESSUNG - Google Patents

VERFAHREN UND OPTISCHE SENSORANORDNUNG ZUM ERFASSEN EINER MESSGRÖßE EINES MEDIUMS, INSBESONDERE ZUR TRÜBUNGSMESSUNG Download PDF

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WO2009103619A1
WO2009103619A1 PCT/EP2009/051331 EP2009051331W WO2009103619A1 WO 2009103619 A1 WO2009103619 A1 WO 2009103619A1 EP 2009051331 W EP2009051331 W EP 2009051331W WO 2009103619 A1 WO2009103619 A1 WO 2009103619A1
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integration time
transmitter
light
signal strength
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Rüdiger FRANK
Markus Berberich
Rainer Morlok
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Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
    • G01N21/532—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke with measurement of scattering and transmission
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/124—Sensitivity
    • G01N2201/1245—Averaging several measurements

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a measured variable of a medium, in particular for turbidity measurement in a liquid or gaseous medium, rasitteis an optical sensor arrangement,
  • the invention further relates to an optical sensor arrangement for determining a measured variable of a medium, in particular for turbidity measurement in a liquid or gaseous medium.
  • Such an optical sensor arrangement may comprise a device for turbidity measurement in the case of gaseous or liquid measuring media.
  • a device for turbidity measurement in the case of gaseous or liquid measuring media.
  • the basic principle according to the invention can also be used in other optical measuring methods in analytical chemistry in which detectable changes in a transmitter signal result from the flow of the measuring medium.
  • Turbidity is generated in gases or liquids by the presence of disperse substances.
  • the turbidity can be determined by the interaction between electromagnetic radiation and the measuring medium, for example either by measuring the attenuation of the intensity of radiation passing through the medium (turbidimetry) or by measuring the intensity of the light scattered on the disperse particles (nephelometry). In nephelometry, the scattered light is determined at an angle, for example 90 °, to a measuring light beam emitted by an optical transmitter.
  • light is meant here and below not only electromagnetic radiation of the visible spectral range, but electromagnetic radiation of any wavelength, in particular in the infrared wavelength range. It is known in this connection to use diodes as optical transmitters and as optical receivers.
  • a light-emitting diode for generating a measurement light lying in a suitable wavelength range for example infrared radiation between 800 and 900 nm
  • the intensity of the light emitted by the light-emitting diode corresponds to the transmitter signal strength.
  • a photodiode can accordingly be used which generates a receiver signal, for example a photocurrent or a photovoltage, from the received scattered light.
  • the receiver signal strength in this case the photocurrent intensity or the size of the photovoltage, depends on the intensity of the light intensity incident on the receiver diode, ie on the intensity of the scattered light. This, in turn, correlates directly with the particle size and the concentration of the disperse substances, ie the turbidity of the measuring medium.
  • a method for turbidity measurement is known which is based on the previously described principle of scattered light measurement.
  • a turbidity sensor is used with multiple receiving diodes, to improve the sensor dynamics, the receiver signals are amplified by means of downstream amplifier. By providing several different degrees of gain depending on the strength of the output signal, a better resolution can be achieved in a subsequent digitization of the amplified analog receiver signals.
  • EP 596 231 A1 can improve the resolution in the range of weak signals.
  • the amplifier electronics are very complicated and prone to defects.
  • discontinuous transitions in the signal strength occur when connecting or disconnecting an amplifier stage.
  • This method for determining a measured variable of a medium, in particular for turbidity measurement in a liquid or gaseous medium, by means of an optical sensor arrangement comprises the steps:
  • An optical sensor arrangement for carrying out this method has as center! for the integration of the receiver signal, thus for the formation of the measurement signal, a Integratorschaitung on.
  • a control and control unit provided to specify the integration time or the transmitter signal strength ate a control and control unit provided.
  • the generation of a transmitter signal or receiver signal should be understood here and below as the active switching in of a transmitter or receiver and the continued irradiation of a transmitter signal by an already switched transmitter or the continued conversion of the converted transmitter signal by the receiver.
  • the use of an integrator circuit to integrate the receiver signal allows the detection of a large signal range of the turbidity measurement, while avoiding discontinuities, since it can be dispensed with the connection of different amplifier stages.
  • An additional advantage of the integrator circuit over the amplifier electronics known from the prior art is the simpler construction, which leads in particular to a reduced defect susceptibility of the sensor arrangement.
  • the measured variable for example the particle size or concentration of the disperse substance or the turbidity of the medium, can be determined from the measurement signal formed by integration.
  • the transmitter signal strength and the integration time are specified in such a way that the specification remains unchanged during the execution of method steps (i) - (iii), but at least during the execution of method step (iii), i.
  • Transmitter signal strength and integration time are fixed for a measurement comprising the method steps (i) - (iii), and are not changed or adjusted during the measurement.
  • the integration time and / or the transmitter signal strength is predetermined as a function of the measurement signal strength.
  • the measurement signal strength can for example be adapted to the input range of components required for the signal conversion, in particular such that a saturation value of these components is not exceeded.
  • the integration time or the signal strength of the transmitter signal can be simultaneously selected such that an optimal signal-to-noise ratio is obtained.
  • the specification of a transmitter signal strength and / or integration time is preferably carried out in an iterative method.
  • the signal strength of the measurement signal formed in step (iii) can be compared with one or more predefined threshold values, and a new transmitter signal strength and / or a new integration time can be specified on the basis of the threshold value overshoot or undershoot value undershooting. With the new transmitter signal strength and / or the new integration time then the measurement, ie the method steps (i) - (iii), repeated.
  • the optical sensor arrangement comprises at least one component for signal conversion and / or for signal transmission, which has an upper saturation value with respect to the integrated receiver signal, that is to say the measuring signal, wherein the integration time and / or the signal strength of the transmitter signal is predetermined so that the measurement signal strength, the saturation value of the component for signal walling and / or for signal transmission does not exceed.
  • the component for signal conversion and / or for signal transmission can comprise an analog / digital converter, in which case the measurement signal strength can be matched to the input range of the analog / digital converter so that the maximum input level is exceeded of the analog / digital converter is prevented, the saturation value of the analog / Dägital- converter is therefore not exceeded.
  • the optical sensor arrangement is used for turbidity measurement.
  • the integration time is selected from a number of discrete values.
  • the method comprises the further steps of: (iv) comparing the measurement signal strength with a first threshold value; (v) when exceeding the first threshold value decreasing the predetermined integration time and / or the predetermined transmitter signal strength and Wiederho ⁇ development of the steps (i) to (iii).
  • the first threshold specifies an upper limit for the measured signal strength, wherein this upper limit may preferably be chosen such that a crossing of the input signal of the component for signal transmission and / or signal conversion, in particular of the analog / digital converter, is reliably avoided.
  • a fall below the first threshold value is determined by the measurement signal strength, that is to say if the measurement signal strength is smaller than the first threshold value
  • the method can be ended and the measurement signal can be evaluated with respect to the measured variable to be determined.
  • a new, lower integration time and / or a new, lower transmitter signal strength is given and again when performing the method step (iii) a new , formed according to the shorter integration time and / or the lower transmitter signal strength weaker measurement signal.
  • the exceeding of the threshold value can already be determined during the integration. The integration is then aborted when the threshold value is reached and, as described, a new, reduced integration time is specified.
  • the signal strength of the newly formed measurement signal is again compared to the first threshold value. If the measuring signal strength of the newly formed measuring signal falls below the first threshold value, the method can be ended and the measuring signal can be evaluated with regard to the measured variable to be determined. If the new measurement signal strength continues to exceed the first threshold value, the predetermined integration time and / or the predetermined transmitter signal strength can be reduced again and the method steps (i) to (iii) can be run through again. This is repeated until the measured signal strength falls below the first threshold value.
  • the predetermined integration time is halved in step (v).
  • the method comprises the further steps of: (vi) comparing the measurement signal strength with a second threshold value; (vii) falls below the second threshold increase the predetermined integration time and / or the predetermined transmitter signal strength and repetition of steps (i) to (iii).
  • the second threshold specifies a lower limit for the signal strength of the measurement signal. This is preferably chosen so that the influence of the inherent noise of the system can still be tolerated.
  • the first and the second threshold value are chosen such that the first threshold value is close to the saturation value of the analog / digital converter, in particular above 85%, preferably above 90%, particularly preferably above 95%, but always below the saturation value .
  • the second threshold value is advantageously set such that the interval enclosed by the first and second threshold values corresponds to half, preferably a third, more preferably one quarter, particularly preferably one eighth of the measurement range of the analog / digital converter. The closer the second threshold is chosen to the saturation value of the analog-to-digital converter, the less the influence of the inherent noise of the system.
  • method step (vi) If, in method step (vi), exceeding of the second threshold value is determined by the measurement signal strength, that is to say if the measurement signal strength is greater than the second threshold value, the method can be ended and the measurement signal can be evaluated with respect to the measured variable to be determined. If, in method step (vi), a fall below the second threshold value is detected by the measured signal strength, that is to say the measurement signal strength is smaller than the second threshold value, a new, longer integration time and / or a new, higher transmitter signal strength is specified, and again in method step (iii) new, corresponding to the longer integration time and / or the higher transmitter signal strength stronger measurement signal formed by integration.
  • the signal strength of the newly formed measurement signal is again compared to the second threshold value. If the new, correspondingly higher measuring signal strength exceeds the second threshold value, the method can be ended and the measuring signal can be evaluated with regard to the measured variable to be determined. If, however, the new, higher measuring signal strength continues to fall below the second threshold value. th threshold value, the integration time and / or the transmitter signal strength can be increased again and the process steps (i) to (iii) are run through again. This is repeated until the measurement signal strength exceeds the second threshold.
  • step (vii) additionally method steps (iv) and (v) can be carried out. This ensures that the increased integration time and / or transmitter signal strength in step (vii) does not cause the measurement signal strength to become so large that the saturation value of the Anaiog / Digitai converter is exceeded.
  • the receiver signal is normalized with respect to the integration time and / or the light intensity. This measure serves to make measurement signals formed with different integration times comparable with one another. Accordingly, the standardization with respect to the light intensity allows the comparison between receiver signals which were generated at different transmitter signal strengths.
  • the normalization with respect to the integration time is performed by dividing the measurement signal by the integration time.
  • the normalization is performed by means of a normalization unit, which comprises software means and / or at least one additional monitor diode, which is operated with the same integration time as the receiver.
  • At least one light-emitting diode is provided as transmitter and at least one photodiode is provided as receiver.
  • the photodiode light of the LED receives and generates as a receiver signal, a photovoltage or a photocurrent.
  • the receiver either receives the light from the light-emitting diode scattered by the disperse particles or the weakened light from the light-emitting diode that has passed through the medium. Accordingly, the light emitting diode emits the transmitter signal light of a first intensity.
  • the scattered light or the light attenuated by the medium strikes the photodiode at a second intensity, the second intensity being weaker than the first intensity.
  • the integration time or the intensity of the light emitted by the light emitting diode can be varied.
  • the intensity of the intensity of the light emitted by a light-emitting diode can be varied, for example, by filters, but also by varying the input voltage or the operating current of the light-emitting diode.
  • a first and a second light-emitting diode are provided as transmitters and a first and a second photodiode as receivers, the light emitted by the first light-emitting diode being received by the first photodiode and a photovoltage or current being generated therefrom as the receiver signal in that the light emitted by the first light-emitting diode is received by the second photodiode and a photovoltage or inflow is produced therefrom as a receiver signal, wherein the light emitted by the second light-emitting diode is received by the first photodiode and from this a receiver voltage a photovoltage or inflow and wherein the light emitted by the second light-emitting diode is received by the second photodiode, and from this a receiver voltage a photovoltage or a -ström is generated.
  • This method is also known as a four-beam alternating light method.
  • This method has the additional advantage that apparatus disturbances, such as fluctuations in the light intensity emitted by the light emitting diodes, eg due to contamination of the light emitting diodes, can be eliminated.
  • the modulated light W alternately generated by means of the two light emitting diodes is thereby calculated by the following formula: wh '/ 2 where h j, the photocurrent generated by the first photodiode for receiving light emitted from the first light emitting diode light is, wherein I 2 - I of of the second photodiode is the photocurrent generated upon receipt of the light emitted by the first light emitting diode, wherein ha is the photocurrent generated by the first photodiode upon receipt of the light emitted by the second light emitting diode, wherein I 2 _ 2 of the second photodiode upon receipt of the the second LED emitted light is generated photocurrent.
  • FIG. 1 shows an optical sensor arrangement with a light emitting diode, a photodiode, an integration circuit and an analog / digital
  • FIG. 2 shows the temporal voltage curve of an integration circuit after switching on a photodiode as a function of the integration time
  • FIG. 3 shows an optical sensor arrangement with a light-emitting diode, a photodiode, an integration circuit, a normalization unit, a control unit and an analog / digital converter;
  • FIG. 4 shows an optical sensor arrangement with two light-emitting diodes and two photodiodes
  • FIG. 5 shows four measuring diagrams which represent the measurement signals formed by a sensor arrangement according to FIG. 4 as a function of the solids content in a suspension of sewage sludge and water;
  • FIG. 6 shows two measurement diagrams showing the four-beam alternating with the measurement diagrams shown in FIG. 5.
  • FIG. 1 shows an optical sensor arrangement MS with a light-emitting diode E1 and a photodiode D1, an integration circuit I, an analog-to-digital converter AD and a control unit SE.
  • the light-emitting diode E1 emits light into a liquid or gaseous clouded medium M.
  • the photodiode D1 is positioned opposite to the light-emitting diode E1 so that it receives light scattered in the medium M by dispersed solid particles F.
  • the photodiode D1 generates from the received light a photocurrent, which can also be tapped off as a photovoltage.
  • the photocurrent is integrated via an integration circuit I with a capacitor.
  • the voltage applied to the capacitor is thereby converted into a digital signal by means of an analog / digital WancSSers AD.
  • a control unit SE Connected to the analog / digital converter AD is a control unit SE which outputs or forwards the digitized measuring signal. Since the light intensity received by the photodiode D1 and thus the photocurrent emitted by it and the measuring signal formed according to the integration depends on the turbidity of the measuring medium M, the turbidity measured variable to be determined, for example, the concentration and particle size of the dispersed in the medium M solid particles F are determined.
  • FIG. 2 shows the time profile of the signal output in the structure according to FIG. 1 after switching on the photodiode D1.
  • the output of the analog / digital converter AD is shown on the y-axis in intensity levels, known as "counts.”
  • the integration time is plotted on the x-axis, the point P1 of the function shown here marks the time t1,
  • the light-emitting diode E1 is turned on and, correspondingly, the photodiode D1 begins to receive a light signal.
  • the counts of the analog-to-digital converter AD increase linearly, at time t2 the analog-to-digital converter AD has its saturation If the integration time is chosen to be greater than the time interval corresponding to the point P2, the photodiode D1 continues to output a signal, but this signal can no longer be detected by the analog / digital converter AD. because the measurement signal strength exceeds its saturation value.
  • FIG. 3 This is avoided in a structure according to FIG. 3.
  • a similar optical sensor arrangement as shown in FIG. 1, which additionally has a control unit SE and a normalization unit N.
  • the control unit SE monitors the measurement signal formed by integration of the photocurrent or the photovoltage and compares the measurement signal strength with a predetermined upper threshold, which is below the saturation value of the analog / digital converter AD.
  • a predetermined upper threshold which is below the saturation value of the analog / digital converter AD.
  • the upper threshold is set at approximately 7 million counts, for example.
  • the method can be terminated and the measurement signal evaluated with respect to the measured variable to be determined. If, in contrast, the signal strength of the measurement signal formed with the given integration time exceeds the upper threshold value or even the saturation value of the analog / digital converter AD is exceeded, a new, shorter integration time is predetermined and the photodiode signal is integrated again to form a new measurement signal. This new measurement signal has a lower signal strength according to the shorter integration time. Alternatively, it can also be provided to monitor the measurement signal during the integration over the predetermined integration time.
  • the integration is aborted, a new, shorter integration time is predetermined and the photodiode signal is integrated again in order to form a correspondingly weaker, new measurement signal.
  • the new, lower measurement signal strength is again compared to the upper threshold. If it does not exceed the threshold, the process can be terminated.
  • the measured variable to be determined is then determined from the new measurement signal.
  • a new, even shorter integration time is specified and a measurement signal is formed again by integration of the photodiode signal.
  • the integration can be aborted before the expiration of the predetermined integration time when the threshold value is exceeded. These steps are repeated until the measurement signal strength no longer exceeds the threshold.
  • a second, lower threshold may be set, to ensure that only a small degree of the system's inherent noise is affected. For example, in the above example of a 24 bit analog to digital converter, the lower threshold can be set at 4 million counts. The measurement signal formed by integration of the photodiode signal over the predetermined integration time is compared with this lower threshold value.
  • the procedure can be ended and the measuring signal! be evaluated with respect to the measured variable to be determined.
  • the measured signal intensity falls below the lower threshold value, a new, longer integration time is specified and an integration of the receiver signal to form a measuring signal is performed again.
  • the method can be ended and the measured variable to be determined can be determined from the measuring signal. If the new measuring signal continues to fall below the lower threshold value, a new, even longer integration time is specified and a measuring signal is formed again. These steps are repeated until the measured signal strength no longer falls below the lower threshold. The method is then terminated and the measured variable to be determined is determined from the measurement signal.
  • the measuring signal can in each case also be set to the exceeding of the first upper value each time a new, longer integration time is specified Threshold checked and the specified integration time threshold exceeded again be lowered.
  • the integrated and digitized photovoltage or the photocurrent is in terms of integ ratio nszeit after the form!
  • Z / IZ (1) normalized by means of a normalization unit N, where Z is the count at the output of the analog / digital converter AD 1 and IZ is the integration time.
  • This simple type of normalization is possible if, as in FIG. 2, there is a linear relationship between the integration time IZ and the counter output in counts of the analog / digital converter AD, if aiso holds:
  • C corresponds to the output of the analog-to-digital converter AD in counts and m
  • d are constants. Ideally, d assumes the value zero.
  • the normalization unit N may include software means. For this purpose, it can communicate with the control unit SE. Alternatively, however, it is also possible to provide an additional photodiode as a monitor diode (not shown) which likewise receives light from the light-emitting diode E1. Accordingly, the monitor diode receives light over the same integration time as the photodiode D1 and can thus be used for normalization and at the same time for monitoring the control unit.
  • the input voltage or the operating current of the light emitting diode E1 and thus the transmitter power can also be provided for adapting the measurement signal to the input range of the analogue / digital converter AD, ie the intensity of the light emitted by the light emitting diode E1 emitted light, to vary.
  • a variation of the light intensity of the light emitting diode E1 can also be performed by the control unit SE.
  • the light intensity of the light emitted by a light-emitting diode can be varied, for example, by filters, but also by varying the input voltage or the operating current of the light-emitting diode E1.
  • the adaptation of the light intensity of the light-emitting diode E1 to the input region of the analog / digital converter AD can be carried out analogously to the previously described iterative method for adapting the integration time on the basis of predetermined threshold values.
  • FIG. 4 schematically shows the sensor arrangement used for this purpose with two photodiodes D1 and D2 and two light-emitting diodes E1 and E2 again.
  • This arrangement allows the implementation of the four-beam alternating light method, which is known for example from US 5,140,168.
  • the LEDs E1 and E2 are alternately turned on and off for the measurement.
  • the scattered by scattering in the medium M to the two photodiodes D1 and D2 light is measured.
  • the numbering of the light paths 1_1, 2_1, 1__2 and 2_2 indicate the light emitter, ie the light emitting diode, and the light receiver, the photodiode.
  • the first digit stands for the light receiver, while the second digit denotes the light emitter.
  • FIG. 5 shows in four measurement diagrams the measurement signal of a measurement series belonging to the four light paths 1_1, 2_2, 2_1, and 1_2, in which a suspension of water and sewage sludge was increasingly diluted.
  • the measured signals which are plotted as a function of the solids content (TS content), correspond to the meter reading at the output of the analog / digital converter AD.
  • the integration times have been adjusted because of the high signal dynamics of the optical measuring sensor MS in order to reduce the measurement signal below the saturation values of the analog-to-digital converter AD.
  • the first measurement diagram 1_1 shows the count on the Analog / Digitai converter AD for the FaI !, That the light emitting diode E1 emits light that is received by the photodiode D1.
  • the second measurement diagram 2_2 shows the count at the Analog / Digitai converter AD in the event that the light emitting diode E2 emits light received by the photodiode D2.
  • the third measurement diagram 2_1 shows the count at the Anaiog / Digitai Wandier AD in the event that the light-emitting diode E1 emits light that is received by the photodiode D2.
  • the fourth measurement diagram 1_2 shows the count at the A / D wall in the event that the light emitting diode E2 emits light received by the photodiode D1.
  • the test series was started at a high solids content of more than 45 g / l with a first integration time T1 of 2880 ⁇ s, the suspension was then increasingly diluted with water. At higher dilution of the suspension, which corresponds to a lower solids concentration, one can observe an increase in the sensor signals. From a solids content of about 10.7 g / l and increasing dilution, the predetermined integration time is reduced to a second integration time T2 of 1022 ⁇ s, since otherwise the signal strength exceeds the saturation value of the analog / digital converter AD. At a solids content of less than 2.8 g / i and increasing dilution, an even lower integration time T3 of 681 ⁇ s is specified to ensure that the measurement signal strength does not exceed the saturation value of the analog / digital converter AD.
  • the four-beam alternating light W is determined according to the following formula:
  • the alternating light in this case a four-beam alternating light, is formed by quotient formation independently of the integration time IZ, so that even a standardization of the individual measured values is not required in order to compare the measuring ranges which were measured with different integration times, since the following applies:
  • the invention is particularly suitable for measuring the solids content in a suspension of water and sewage sludge, but not to this limited in the environmental sector.
  • the invention can be used advantageously wherever the sensor dynamics are so great that the detected input signals for an analog / digital converter exceed its saturation value. This can be the case in general in metrology or in process control technology, in all these technical areas, the invention can be used advantageously.

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Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums (M), insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung (MS), umfasst die Schritte: (i) Erzeugen eines Sendersignals mit einer vorgegebenen Sendersignalstärke mittels mindestens eines optischen Senders, wobei das Sendersignai durch Wechselwirkung mit dem Medium (M) in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird; (ii) Erzeugen eines Empfängersignais mittels mindestens eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus dem gewandelten Sendersignal; (iii) Bilden eines Messsignals durch Integration des Empfängersignals über eine vorgegebene Integrationszeit.

Description

Verfahren und optische Sensoranordnung zum Erfassen einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mätteis einer optischen Sensoranordnung,
Die Erfändung betrifft weiterhin eine optische Sensoranordnung zu Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium.
Eine solche optische Sensoranordnung kann eine Vorrichtung zur Trübungsmessung bei gasförmigen oder flüssigen Messmedien umfassen. Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Trübungsmessung erläutert. Es versteht sich aber, dass das erfindungsgemäße Grundprinzip auch bei anderen optischen Messverfahren in der analytischen Chemie eingesetzt werden kann, bei denen sich durch den Eänfluss des Messmediums erfassbare Veränderungen eines Sendersignals ergeben.
Trübung entsteht in Gasen oder Flüssigkeiten durch die Anwesenheit disperser Stoffe, Die Trübung kann durch die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung mit dem Messmedium bestimmt werden, zum Beispiel entweder durch Messung der Schwächung der Intensität einer durch das Medium durchgehenden Strahlung (Turbidimetrie) oder durch Messung der Intensität des an den dispersen Teilchen gestreuten Lichts (Nephelometrie). Bei der Nephelometrie wird das Streulicht in einem Winkel, beispielsweise 90°, zu einem von einem optischen Sender ausgestrahlten Messlichtstrahl bestimmt.
Unter „Licht" wird hier und im folgenden nicht nur elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs, sondern elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich verstanden. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, als optische Sender und als optische Empfänger Dioden einzusetzen. Dabei wird als optischer Sender eine Leuchtdiode zur Erzeugung eines in einem geeigneten Welienlängenbereich liegenden Messlichts (z.B. Infrarotstrahlung zwischen 800 und 900 nm) verwendet. Die Intensität des von der Leuchtdiode emittierten Lichts entspricht der Sendersignalstärke. Als Empfänger kann entsprechend eine Photodiode eingesetzt werden, die aus dem empfangenen Streulicht ein Empfängersignai, beispielsweise einen Photostrom oder eine Photospannung, erzeugt. Die Empfängersignalstärke, hier die Photostromstärke bzw. die Größe der Photospannung, hängt von der Intensität der auf die Empfängerdiode auftreffenden Lichtintensität, also von der Lichtstärke des Streulichts ab. Diese korreliert wiederum unmittelbar mit der Teüchengröße und der Konzentration der dispersen Stoffe, also der Trübung des Messmediums.
Aus EP 596 231 A1 ist ein Verfahren zur Trübungsmessung bekannt, das auf dem zuvor beschriebenen Prinzip der Streuiichtmessung beruht. Dabei wird ein Trübungssensor mit mehreren Empfangsdioden verwendet, wobei zur Verbesserung der Sensordynamik die Empfängersignale mittels nachgeschalteter Verstärker verstärkt werden. Durch Vorsehen mehrerer unterschiedlicher Verstär- kungsgrade je nach Stärke des Ausgangssignals kann eine bessere Auflösung bei einer anschließenden Digitalisierung der verstärkten analogen Empfängersignale erreicht werden.
Mit dem in EP 596 231 A1 beschriebenen Verfahren kann zwar die Auflösung im Bereich schwacher Signale verbessert werden. Allerdings ist die Verstärkerelektronik sehr kompliziert und anfällig für Defekte. Zusätzlich treten beim Zu- bzw. Abschalten einer Verstärkerstufe unstetige Übergänge in der Signalstärke auf.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dieses Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mit- tels einer optischen Sensoranordnung umfasst die Schritte:
(i) Erzeugen eines Sendersignals mit einer vorgegebenen Sendersignalstärke mittels mindestens eines optischen Senders, wobei das Sendersignal durch Wechselwirkung mit dem Medium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird; (ii) Erzeugen eines Empfängersignals mittels mindestens eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus dem gewandelten Sendersignai; (iii) Bilden eines Messsignals durch Integration des Empfängersignals über eine vorgegebene Integrationszeit.
Eine optische Sensoranordnung zur Durchführung dieses Verfahrens weist als Mitte! für die Integration des Empfängersignais, somit für die Bildung des Messsignals, eine Integratorschaitung auf. Zur Vorgabe der Integrationszeit oder der Sendersignalstärke äst eine Kontroll- und Steuereinheit vorgesehen.
Unter dem Erzeugen eines Sendersignals bzw. Empfängersignals soll hier und im Folgenden neben dem aktiven Zuschalten eines Senders bzw. Empfängers auch das fortgesetzte Einstrahlen eines Sendersignals durch einen bereits zugeschalteten Sender bzw. das fortgesetzte Umwandeln des gewandelten Sendersignals durch den Empfänger verstanden werden.
Die Verwendung einer Integratorschaltung zur Integration des Empfängersignals erlaubt die Erfassung eines großen Signalbereichs der Trübungsmessung, während gleichzeitig Unstetigkeiten vermieden werden, da auf die Zuschaltung verschiedener Verstärkerstufen verzichtet werden kann. Ein zusätzlicher Vorteil der Integratorschaltung gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Verstärkerelektronik besteht in der einfacheren Bauweise, die insbesondere zu einer verringerten DefektanfälSigkeit der Sensoranordnung führt. Aus dem durch Integration gebildeten Messsignal kann die Messgröße, beispielsweise die Teilchengröße oder Konzentration des dispersen Stoffs bzw. die Trübung des Mediums ermittelt werden.
Die Sendersignalstärke und die Integrationszeit werden derart vorgegeben, dass die Vorgabe während der Durchführung der Verfahrensschritte (i)-(iii), zumindest aber während der Durchführung des Verfahrensschritts (iii), unverändert bleibt, d.h. Sendersignalstärke und integrationszeit werden für eine Mes- sung, welche die Verfahrensschritte (i)-(iii) umfasst, fest vorgegeben und während der Messung nicht verändert oder angepasst.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Integrationszeit und/oder die Sendersignalstärke in Abhängigkeit von der Messsignalstärke vorgegeben. Auf diese Weise kann die Messsignalstärke beispielsweise an den Eingangsbereich von für die Signalwandlung benötigten Komponenten angepasst werden, insbesondere derart, dass ein Sättigungswert dieser Komponenten nicht überschritten wird. Zusätzlich kann die Integrationszeit oder die Signalstärke des Sendersignals gleichzeitig derart gewählt werden, dass ein optimales Signai/Rausch- Verhältnis erhalten wird. Die Vorgabe einer Sendersignalstärke und/oder Integrationszeit erfolgt bevorzugt in einem iterativen Verfahren. Dabei kann die Signalstärke des in Schritt (iii) gebildeten Messsignals mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellenwerten verglichen werden und anhand der Schwel- lenwertüber- bzw. Schweüenwertunterschreitung eine neue Sendersignalstärke und/oder eine neue Integrationszeit vorgegeben werden. Mit der neuen Sendersignalstärke und/oder der neuen Integrationszeit wird dann die Messung, also die Verfahrensschritte (i)-(iii), wiederholt.
in einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die optische Sensoranordnung mindestens eine Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung, welche bezüglich des auf integrierten Empfängersignals, also des Messsignals, einen oberen Sättigungswert aufweist, wobei die Integrationszeit und/oder die Signalstärke des Sendersignals so vorgegeben wird, dass die Messsignalstärke, den Sättigungswert der Komponente zur Signalwandiung und/oder zur Signalübertragung nicht übersteigt. Die Komponente zur Signalwandiung und/oder zur Signalübertragung kann in einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung einen Analog/Digital-Wandler umfassen, in diesem Fall kann die Messsignalstärke so an den Eingangsbereich des Anaϊog/Digitai-Wandiers an- gepasst werden, dass ein Überschreiten des maximalen Eingangspegels des Analog/Digital-Wandlers verhindert wird, der Sättigungswert des Analog/Dägital- Wandlers also nicht überschritten wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die optische Sensoranordnung zur Trübungsmessung verwendet.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Integrationszeit aus einer Reihe diskreter Werte ausgewählt.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte: (iv) Vergleichen der Messsignalstärke mit einem ersten Schwellenwert; (v) bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts Verringern der vorgegebenen Integrationszeit und/oder der vorgegebenen Sendersignalstärke und Wiederho¬ lung der Schritte (i) bis (iii).
Der erste Schwellenwert gibt eine Obergrenze für die Messsignalstärke vor, wobei diese Obergrenze bevorzugt so gewählt werden kann, dass ein Über- schreiten des Eingangspegeis der Komponente zur Signalübertragυng und/oder Signalwandlung, insbesondere des Analog/Digital-Wandlers, sicher vermieden wird.
Wird in Verfahrensschritt (iv) ein Unterschreiten des ersten Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke kleiner als der erste Schwellenwert, so kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Wird dage- gen in Verfahrensschritt (iv) ein Überschreiten des Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke größer als der Schwellenwert, wird eine neue, niedrigere Integrationszeit und/oder eine neue, niedrigere Sendersignalstärke vorgegeben und erneut bei Durchführung des Verfahrensschritts (iii) ein neues, entsprechend der kürzeren Integrationszeit und/oder der niedrigeren Sendersignalstärke schwächeres Messsignal gebildet. Insbesondere kann das Überschreiten des Schwellenwerts bereits während der Integration festgestellt werden. Die Integration wird dann bei Erreichen des Schwellenwerts abgebrochen und wie beschrieben eine neue, verringerte Integ- rationszeit vorgegeben.
Die Signalstärke des neu gebildeten Messsignals wird erneut mit dem ersten Schwellenwert verglichen. Unterschreitet die Messsignalstärke des neu gebildeten Messsignais den ersten Schwellenwert kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Überschreitet die neue Messsignalstärke weiterhin den ersten Schwellenwert, kann die vorgegebene Integrationszeit und/oder die vorgegebene Sendersignalstärke erneut verringert und die Verfahrensschritte (i) bis (iii) erneut durchlaufen werden. Dies wird so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den ersten Schwellenwert unterschreitet.
In einer Weiterbildung dieser Verfahrensausgestaltung wird in Schritt (v) die vorgegebene Integrationszeit halbiert.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte: (vi) Vergleichen der Messsignalstärke mit einem zweiten Schwellenwert; (vii) bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts Erhöhen der vorgegebenen Integrationszeit und/oder der vorgegebenen Sendersignalstärke und Wiederholung der Schritte (i) bis (iii). Der zweite Schwellenwert gibt eine Untergrenze für die Signaistärke des Messsignals vor. Diese wird bevorzugt so gewählt, dass der Einfluss des Eigenrauschens des Systems noch toleriert werden kann.
Vorteilhafterweise wird der erste und der zweite Schwellenwert so gewählt, dass der erste Schwellenwert nahe am Sättigungswert des Analog/Digttal- Wandiers liegt, insbesondere oberhalb von 85%, bevorzugt oberhalb von 90%, besonders bevorzugt oberhalb von 95%, aber stets unterhalb des Sättigungswerts. Der zweite Schwellenwert wird vorteilhafterweise so festgelegt, dass das vom ersten und zweiten Schwellenwert eingeschlossene Intervall der Hälfte, bevorzugt einem Dritte!, besonders bevorzugt einem Viertel, besonders bevorzugt einem Achtel des Messumfangs des Analog/Digital-Wandlers entspricht. Je näher der zweite Schwellenwert am Sättigungswert des Analog/Digital- Wandlers gewählt wird, desto geringer ist der Einfluss des Eigenrauschens des Systems.
Wird in Verfahrensschritt (vi) ein Überschreiten des zweiten Schwellenwerts durch die Messsignalstärke festgestellt, ist also die Messsignaistärke größer als der zweite Schwellenwert, kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Wird in Verfahrensschritt (vi) ein Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts durch die Messsignaistärke festgestellt, ist also die Messsignalstärke kleiner als der zweite Schwellenwert, wird eine neue, längere Integrationszeit und/oder eine neue, höhere Sendersignafstärke vorgegeben, und erneut im Verfahrensschritt (iii) ein neues, entsprechend der längeren Integrationszeit und/oder der höheren Sendersignalstärke stärkeres Messsignal durch Integration gebildet.
Die Signalstärke des neu gebildeten Messsignais wird erneut mit dem zweiten Schwellenwert verglichen. Überschreitet die neue, entsprechend höhere Mess- signalstärke den zweiten Schwellenwert, kann das Verfahren beendet und das Messsignat bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden, Unterschreitet die neue, höhere Messsignaistärke dagegen weiterhin den zwei- ten Schwellenwert, kann die Integrationszeit und/oder die Sendersignalstärke erneut erhöht und die Verfahrensschritte (i) bis (iii) erneut durchlaufen werden. Dies wird so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den zweiten Schwellenwert überschreitet.
In einer Weiterbildung des Verfahrens können zusätzlich Verfahrensschritte (iv) und (v) durchgeführt werden. Dies stellt sicher, dass die in Schritt (vii) erhöhte Integrationszeit und/oder Sendersignalstärke nicht dazu führt, dass die Messsignalstärke so groß wird, dass der Sättigungswert des Anaiog/Digitai-Wandlers überschritten wird.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren und seinen Varianten wird davon ausgegangen, dass die zu bestimmende Messgröße während der Durchführung aller Verfahrensschritte im wesentlichen konstant bleibt.
In einer Weiterbildung wird das Empfängersignai bezüglich der Integrationszeit und/oder der Lichtintensität normiert. Diese Maßnahme dient dazu, mit unterschiedlichen Integrationszeiten gebildete Messsignale untereinander vergleichbar zu machen. Entsprechend erlaubt die Normierung bezüglich der Lichtinten- sität den Vergleich zwischen Empfängersignalen, die bei unterschiedlichen Sendersignalstärken erzeugt wurden.
In einer Weiterbildung erfolgt die Normierung bezüglich der Integrationszeit durch Division des Messsignais durch die Integrationszeit.
in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Normierung mittels einer Normierungseinheit durchgeführt, welche Softwaremittel und/oder mindestens eine zusätzliche Monitor-Diode umfasst, welche mit der gleichen Integrationszeit betrieben wird wie der Empfänger.
in einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Sender mindestens eine Leuchtdiode und als Empfänger mindestens eine Photodiode vorgesehen, wo- bei die Photodiode Licht der Leuchtdiode empfängt und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder einen Photostrom erzeugt. Im Faϊle einer Trübungsmessung wird, je nachdem ob es sich um eine nephelometrische oder turbidimetrische Messung handelt, vom Empfänger entweder das durch die dispersen Teilchen gestreute Licht der Leuchtdiode oder das durch das Medium hindurch getretene abgeschwächte Licht der Leuchtdiode von der Photodiode empfangen. Entsprechend sendet die Leuchtdiode ais Sendersignal Licht einer ersten Intensität aus. Das Streulicht bzw. das durch das Medium abgeschwächte Licht trifft mit einer zweiten Intensität auf die Photodiode, wobei die zweite Intensität schwächer ist als die erste Intensität. Um den aufintegrierten Photostrom bzw. die aufintegrierte Photospannung an den Eingangsbereich der Komponente zur Signalwandlung und/oder Signalübertragung anzupassen, beispielsweise an einen Analog/DigitaS-Wandler, kann in diesem Fall entweder die Integrationszeit oder die Intensität des von der Leuchtdiode emittierten Lichts variiert werden. Die Lächtintensität des von einer Leuchtdiode emittierten Lichts fässt sich beispielsweise durch Filter, aber auch durch Variation der Eingangsspannung bzw. des Betriebsstroms der Leuchtdiode variieren.
In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung werden als Sender eine erste und eine zweite Leuchtdiode und als Empfänger eine erste und eine zweite Photodiode vorgesehen, wobei das von der ersten Leuchtdiode emittierte Licht von der ersten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein - ström erzeugt wird, wobei das von der ersten Leuchtdiode emittierte Licht von der zweiten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -ström erzeugt wird, wobei das von der zweiten Leuchtdiode emittierte Licht von der ersten Photodiode empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -ström erzeugt wird und wobei das von der zweiten Leuchtdiode emittierte Licht von der zweiten Photodiode empfangen und daraus a!s Empfängersignal eine Photospannung oder ein -ström erzeugt wird. Dieses Verfahren ist auch als Vierstrahl-Wechsellicht- Verfahren bekannt. Dieses Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich apparative Störungen, wie Schwankungen der von den Leuchtdioden emittierten Lichtintensität, z.B. aufgrund von Verschmutzung der Leuchtdioden, elimi- nieren lassen.
Das mittels der zwei Leuchtdioden abwechselnd erzeugte Wechsellicht W wird dabei nach folgender Formel berechnet: w h , ' /, 2 wobei hj der von der ersten Photodiode bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei I2 -I der von der zweiten Photodiode bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei h a der von der ersten Photodiode bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei I2_2 der von der zweiten Photodiode bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben und erläu- tert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine optische Sensoranordnung mit einer Leuchtdiode, einer Pho- todiode, einer Integrationsschaltung und einem Analog/Digital-
Wandier;
Fig. 2 den zeitlichen Spannungsverlauf einer Integrationsschaltung nach dem Einschalten einer Photodiode als Funktion der integrations- zeit; Fig. 3 eine optische Sensoranordπung mit einer Leuchtdiode, einer Photodiode, einer Integrationsschaltung, einer Normierungseinheit, einer Steuereinheit und einem Anaiog/Digitai-Wandler;
Fig. 4 eine optische Sensoranordnung mit zwei Leuchtdioden und zwei Photodioden;
Fig. 5 vier Messdiagramme, die die von einer Sensoranordnung gemäß Fig. 4 gebildeten Messsignale als Funktion des Feststoffgehalts in einer Suspension aus Klärschlamm und Wasser wiedergeben; und
Fig. 6 zwei Messdiagramme, welche das Vierstrahl-Wechselücht zu den in der Fig. 5 dargestellten Messdiagrammen zeigen.
In der Fig. 1 ist eine optische Sensoranordnung MS mit einer Leuchtdiode E1 und einer Photodiode D1 , einer Integrationsschaltung I, einem Analog/Digital- Wandler AD und einer Steuereinheit SE abgebildet. Die Leuchtdiode E1 emittiert Licht in ein flüssiges oder gasförmiges getrübtes Medium M. Die Photodio- de D1 ist gegenüber der Leuchtdiode E1 so positioniert, dass sie im Medium M durch disperse Feststoff-Teilchen F gestreutes Licht empfängt. Die Photodiode D1 erzeugt aus dem empfangenen Licht einen Photostrom, welcher auch als Photospannung abgreifbar ist. Der Photostrom wird über eine IntegrationsschaS- tung I mit einem Kondensator auf integriert. Die am Kondensator anliegende Spannung wird dabei mittels eines Analog/Digital-WancSSers AD in ein digitales Signal umgewandelt. Mit dem Analog/Digital-Wandler AD ist eine Steuereinheit SE verbunden, die das digitalisierte Messsignal ausgibt oder weiterleitet. Da die von der Photodiode D1 empfangene Lichtintensität und damit der von ihr ausgegebene Photostrom und entsprechend das mitteis Integration gebildete Messsignal von der Trübung des Messmediums M abhängt, kann aus dem Messsignal die zu ermittelnde Trübungs-Messgröße, beispielsweise die Kon- zentration und Teilchengröße der im Medium M dispergierten Feststoff-Teilchen F bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des im Aufbau nach Fig. 1 nach dem Ein- schalten der Photodiode D1 ausgegebenen Signais. Auf der y-Achse ist hier die Ausgabe des Analog/Digital-Wandlers AD in Intensitätsstufen, so genannten „Counts", dargestellt. Auf der x-Achse ist die integrationszeit aufgetragen. Der Punkt P1 der dargestellten Funktion markiert dabei den Zeitpunkt t1 , zu dem die Leuchtdiode E1 eingeschaltet wird und zu dem entsprechend die Photodiode D1 beginnt, ein Lichtsignal zu empfangen. Mit zunehmender Integrationszeit steigen die Counts des Analog/Digitals-Wandlers AD linear an. Zum Zeitpunkt t2 hat der Analog/Digital-Wandler AD seinen Sättigungs-Wert, die maximale Countzahl P2, erreicht. Wenn die Integrationszeit größer gewählt wird als das dem Punkt P2 entsprechende Zeitintervall, wird von der Photodiode D1 zwar weiterhin ein Signal ausgegeben, dieses Signal kann jedoch nicht mehr vom Analog/Digital-Wandler AD erfasst werden, da die Messsignalstärke seinen Sättigungswert überschreitet.
Dies wird bei einem Aufbau gemäß Fig. 3 vermieden. Hier ist eine ähnliche op- tische Sensoranordnung wie in Fig. 1 gezeigt, die zusätzlich noch eine Steuereinheit SE und eine Normierungseinheit N aufweist.
Die Steuereinheit SE überwacht das durch Integration des Photostroms bzw. der Photospannung gebildete Messsignal und vergleicht die Messsignalstärke mit einem vorgegebenen oberen Schwellenwert, der unterhalb des Sättigungswerts des Analog/Digital-Wandlers AD liegt. Zur Illustration sei beispielhaft angenommen, dass für die Digitalisierung ein 24 Bit Analog/Digital-Wandler zur Verfügung steht. Für den positiven Photostrom- bzw. Spannungsbereich stehen somit ca. 8 Millionen Counts zur Verfügung. In diesem Fall wird der obere Schwellenwert beispielsweise bei ca. 7 Millionen Counts festgelegt. Zur Anpassung des integrierten Signals an den Eingangsbereich des Analog/Digital- Wandlers regelt die Steuereinheit SE die Integrationszeit bei Erreichen bzw. Überschreiten des oberen Schwellenwerts herunter.
Dies kann beispielsweise iterativ in folgender Weise erfolgen: Wird beim Ver- gleich der Messsignalstärke mit dem oberen Schwellenwert festgestellt, dass die Messsignalstärke den oberen Schwellenwert unterschreitet, kann das Verfahren beendet und das Messsignal bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Überschreitet dagegen die Signalstärke des mit der vorgegebenen Integrationszeit gebildeten Messsignals den oberen Schwellen- wert oder wird gar der Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers AD überschritten, wird eine neue, kürzere Integrationszeit vorgegeben und das Photodiodensignal erneut aufintegriert um ein neues Messsignal zu bilden. Dieses neue Messsignal weist entsprechend der kürzeren Integrationszeit eine niedrigere Signalstärke auf. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Messsignal noch während der Integration über die vorgegebene Integrationszeit zu überwachen. Überschreitet die Messsignalstärke noch vor Ende der vorgegebenen Integrationszeit den Schwellenwert, wird die Integration abgebrochen, eine neue, kürzere Integrationszeit vorgegeben und das Photodiodensignal erneut aufintegriert, um ein entsprechend schwächeres, neues Messsignal zu bilden.
Die neue, niedrigere Messsignalstärke wird erneut mit dem oberen Schwellenwert verglichen. Überschreitet sie den Schwellenwert nicht, kann das Verfahren beendet werden. Aus dem neuen Messsignal wird dann die zu bestimmende Messgröße ermittelt.
Überschreitet die neue, niedrigere Messsignalstärke den Schwellenwert nach wie vor, wird eine neue, noch kürzere Integrationszeit vorgegeben und erneut ein Messsignal durch Integration des Photodiodensignals gebildet. Wiederum kann alternativ die Integration bei Überschreiten des Schwellenwerts bereits vor Ablauf der vorgegebenen Integrationszeit abgebrochen werden. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den Schwellenwert nicht mehr überschreitet. Um auch bei einer starken Abschwächung der Sendersignalstärke durch die Wechselwirkung mit einem stark getrübten Medium ein Messsϊgna! zu gewährleisten, das nur in geringem Maße von dem Eigenrauschen des Systems beetn- flusst ist, kann zusätzlich oder alternativ ein zweiter, unterer Schwellenwert festgelegt werden. Bei dem oben genannten Beispiel eines 24 Bit Analog/Digitai- Wandlers kann der untere Schwellenwert beispielsweise bei 4 Millionen Counts festgelegt werden. Das durch Integration des Photodiodensignals über die vorgegebene Integrationszeit gebildete Messsignal wird mit diesem unteren Schwellenwert verglichen.
Überschreitet die Messsignalstärke den unteren Schwellenwert, kann das Verfahren beendet und das Messsigna! bezüglich der zu bestimmenden Messgröße ausgewertet werden. Unterschreitet die Messsignalstärke dagegen den un- teren Schwellenwert, wird eine neue, längere Integrationszeit vorgegeben, und erneut eine Integration des EmpfängersignaSs zur Bildung eines Messsignals durchgeführt. Überschreitet die neue, entsprechend höhere Messsignalstärke den unteren Schwellenwert, so kann das Verfahren beendet und aus dem Messsignal die zu bestimmende Messgröße ermittelt werden. Unterschreitet das neue Messsignal nach wie vor den unteren Schwellenwert, so wird eine neue, noch längere Integrationszeit vorgegeben und erneut ein Messsignal gebildet. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis die Messsignalstärke den unteren Schwellenwert nicht mehr unterschreitet. Dann wird das Verfahren beendet und aus dem Messsignal die zu bestimmende Messgröße ermittelt.
Um zu vermeiden, dass die Vorgabe längerer Integrationszeiten dazu führt, dass die neue, höhere Messsignalstärke den Sättigungswert des Analog/Digital- Wandlers AD überschreitet, kann bei jeder Vorgabe einer neuen, längeren Integrationszeit das Messsignal zusätzlich auch auf die Überschreitung des ers- ten oberen Schwellenwerts geprüft und die vorgegebene Integrationszeit bei Schwellenwertüberschreitung wieder herabgesetzt werden. Die integrierte und digitalisierte Photospannung bzw. der Photostrom wird bezüglich der integ ratio nszeit nach der Forme!
Z/IZ (1 ) mittels einer Normierungseinheit N normiert, wobei Z der Zählerstand am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers AD1 und IZ die Integrationszeit ist. Diese einfache Art der Normierung ist möglich, wenn wie in Fig. 2 ein linearer Zusammenhang zwischen der Integrationszeit IZ und der Zählerausgabe in Counts des Analog/Digital-Wandlers AD besteht, wenn aiso gilt:
C = rrvIZ + d, mit d=const, (2)
wobei C der Ausgabe des Analog/Digital-Wandlers AD in Counts entspricht und m, und d Konstanten sind. Idealerweise nimmt d den Wert Null an.
Die Normierungseinheit N kann Softwaremittel umfassen. Hierzu kann sie mit der Steuereinheit SE kommunizieren. Alternativ kann aber auch eine zusätzliche Photodiode als Monitor-Diode (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die ebenfalls Licht von der Leuchtdiode E1 empfängt. Entsprechend empfängt die Moni- tor-Diode Licht über die gleiche integrationszeit wie die Photodiode D1 und kann somit zur Normierung und gleichzeitig zur Überwachung der Steuereinheit herangezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Änderung der Integrationszeit kann zur Anpas- sung des Messsignals an den Eingangsbereich des Analog/Digitai-Wandiers AD auch vorgesehen sein, die Eingangsspannung bzw. den Betriebsstrom der Leuchtdiode E1 und somit die Senderleistung, aiso die Intensität des von der Leuchtdiode E1 emittierten Lichts, zu variieren. Eine Variation der Lichtintensität der Leuchtdiode E1 kann ebenfalls durch die Steuereinheit SE durchgeführt werden. Die Lichtintensität des von einer Leuchtdiode emittierten Lichts lässt sich beispielsweise durch Filter, aber auch durch Variation der Eingangsspannung bzw. des Betriebsstroms der Leuchtdiode E1 variieren. Die Anpassung der Lichtintensität der Leuchtdiode E1 an den Eingangsbereich des Anaiog/Digital-Wandlers AD kann analog zum zuvor beschriebenen iterativen Verfahren zu Anpassung der Integrationszeit anhand vorgegebener Schwellenwerte durchgeführt werden.
Im Falle einer Variation der Lichtintensität erfolgt entsprechend eine Normierung des Messsignais bezüglich der Lichtintensität bzw. des Betriebsstroms der Leuchtdiode E1. Die Normierung erfolgt in diesem Fall ebenfalls über die Nor- mierungseinheit N.
Im folgenden werden beispielhafte Messungen der Trübung einer Suspension aus ausgefauitem Klärschlamm und Wasser gezeigt. Fig. 4 gibt schematisch die hierzu verwendete Sensoranordnung mit zwei Photodioden D1 und D2 und zwei Leuchtdioden E1 und E2 wieder. Diese Anordnung erlaubt die Durchführung des Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahrens, welches beispielsweise aus US 5,140,168 bekannt ist.
Die Leuchtdioden E1 und E2 werden für die Messung abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Das dabei durch Streuung im Medium M zu den beiden Photodioden D1 und D2 gestreute Licht wird gemessen. Die Bezifferung der Lichtwege 1_1 , 2_1 , 1__2 und 2_2 geben jeweils den Lichtemitter, also die Leuchtdiode, und den Lichtempfänger, die Photodiode, an. Die erste Ziffer steht für den Lichtempfänger, während die zweite Ziffer den Lichtemitter bezeichnet.
In der Fig. 5 sind in vier Messdiagrammen die zu den vier Lichtwegen 1_1 , 2_2, 2_1 , und 1_2 gehörenden Messsignaie einer Messreihe abgebildet, bei der eine Suspension aus Wasser und Klärschlamm zunehmend verdünnt wurde. Die in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt (TS-Gehalt) aufgetragenen Messsignale ent- sprechen dem Zählerstand am Ausgang des Anaiog/Digital-Wandlers AD. Die Integrationszeiten sind wegen der hohen Signaldynamik des optischen Messsensors MS angepasst worden, um das Messsignal unterhalb des Sättigungs- werts des Analog/Digital-Wandlers AD zu halten. Das erste Messdiagramm 1_1 zeigt den Zählerstand am Analog/Digitai-Wandler AD für den FaI!, dass die Leuchtdiode E1 Licht emittiert, das von der Photodiode D1 empfangen wird. Das zweite Messdiagramm 2_2 zeigt den Zählerstand am Analog/Digitai- Wandler AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E2 Licht emittiert, das von der Photodiode D2 empfangen wird. Das dritte Messdiagramm 2_1 zeigt den Zählerstand am Anaiog/Digitai-Wandier AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E1 Licht emittiert, das von der Photodiode D2 empfangen wird. Schließlich zeigt das vierte Messdiagramm 1_2 den Zählerstand am A/D-Wand!er AD für den Fall, dass die Leuchtdiode E2 Licht emittiert, das von der Photodiode D1 empfangen wird.
Die Messreihe wurde bei einem hohen Feststoffgehalt von mehr als 45 g/l mit einer ersten Integrationszeit T1 von 2880 μs gestartet, die Suspension wurde danach mit Wasser zunehmend verdünnt. Bei höherer Verdünnung der Suspension, was einer niedrigeren Feststoffkonzentration entspricht, kann man ein Ansteigen der Sensorsignale beobachten. Ab einem Feststoffgehalt von etwa 10,7 g/l und zunehmender Verdünnung wird die vorgegebene Integrationszeit auf eine zweite Integrationszeit T2 von 1022 μs verringert, da sonst die Signai- stärke den Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers AD überschreitet. Bei einem Feststoff-Gehalt von weniger als 2,8 g/i und zunehmender Verdünnung wird eine noch geringere Integrationszeit T3 von 681 μs vorgegeben um zu gewährleisten, dass die Messsignalstärke den Sättigungswert des Ana- iog/Digitalwandlers AD nicht überschreitet.
Zur Auswertung der in Fig. 5 dargesteliten Signale wird das Vierstrahl- Wechsellicht W nach der folgenden Formel bestimmt:
I1 , - / ι-' 2.
W = 2 - 22 , (3)
J - I wobei I1 1 der von der ersten Photodiode D1 bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode E1 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei I2 j der von der zweiten Photodiode D2 bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode E1 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei I1 2 der von der ersten Photodiode D1 bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode E2 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist und wobei I2_2 der von der zweiten Photodiode D2 bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode E2 emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist. Dabei ist der Photostrom I jeweils in Counts des Analog/Digital-Wandlers angegeben. Das so berechnete Vterstrahl-Wechsellicht der in Fig. 5 gezeigten Messwerte ist in Fig. 6 als Funktion des Feststoff-Gehalts (TS-Gehalt) dargestellt. Dabei ist der Bereich sehr geringer Trübung, entsprechend sehr geringem TS-Gehalt, separat vergrößert dargestellt.
Bei einem linearen Zusammenhang zwischen der Integrationszeit und der Anzahl der Counts am Analog/Digital-Wandler mit d=0 (vgl. GIg. (2)) wird das Wechsellicht, in diesem Fall ein Vierstrahlwechsellicht, durch die Quotientenbildung unabhängig von der Integrationszeit IZ, so dass nicht einmal eine Normierung der einzelnen Messwerte erforderlich ist, um die Messbereiche, die mit unterschiedlichen Integrationszeiten gemessen wurden, untereinander zu vergleichen, da gilt:
Figure imgf000020_0001
Es sind daher auch ohne Normierung zwischen den einzelnen, mit unterschiedlichen Integrationszeiten gebildeten Messsignalen keine unstetigen Übergänge festzustellen.
Die Erfindung ist besonders gut geeignet zur Messung des Feststoffgehaltes in einer Suspension aus Wasser und Klärschlamm, jedoch nicht auf diesen Be- reich im Umweltsektor beschränkt. Die Erfindung lässt sich überall dort vorteilhaft einsetzen, wo die Sensordynamik so groß ist, dass die detektierten Eän- gangssignale für einen Anaiog/Digital-Wandler dessen Sättigungswert übersteigen. Das kann allgemein in der Messtechnik oder in der Prozessleittechnik der Fall sein, in allen diesen technischen Gebieten kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums (M), insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung (MS), mit den Schritten:
(i) Erzeugen eines Sendersignais mit einer vorgegebenen Sendersignalstärke mittels mindestens eines optischen Senders, wobei das Sender- slgnal durch Wechselwirkung mit dem Medium (M) in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird;
(ii) Erzeugen eines Empfängersignals mitteis mindestens eines dem Sender zugeordneten Empfängers aus dem gewandelten Sendersignal; (iii) Bilden eines Messsignals durch Integration des Empfängersignals über eine vorgegebene Integrationszeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Messsignal eine mit der Integrationszeit und der Messgröße korrelierte Messsignalstärke aufweist, und wobei die Integrationszeit und/oder die Sendersignaistärke in Abhängig- keit von der Messsignalstärke vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Sensoranordnung (MS) mindestens eine Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung umfasst, welche bezüglich des Messsignais einen o- beren Sättigungswert aufweist, wobei die Integrationszeit und/oder die
Sendersignaistärke so vorgegeben wird, dass die Messsignalstärke den Sättigungswert der Komponente zur Signaiwandiung und/oder zur Signalübertragung nicht übersteigt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung einen Analog/Digital-Wandler (AD) umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Integrationszeit aus einer Reihe diskreter Werte ausgewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den weiteren Schritten: (iv) Vergleichen der Messsignaistärke mit einem ersten Schwellenwert; (v) bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts Verringern der vorgegebenen Integrationszeit und/oder der vorgegebenen Sendersignalstärke und Wiederholung der Schritte (i) bis (in).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt (v) die Integrationszeit halbiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den weiteren Schritten: (vi) Vergleichen der Messsignaistärke mit einem zweiten Schwellenwert;
(vii) bei Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts Erhöhen der vorgegebenen integrationszeit und/oder der vorgegebenen Sendersignaistärke und Wiederholung der Schritte (i) bis (iü).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in Schritt (vii) die Integrationszeit verdoppelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Messstgnai bezüglich der Integrationszeit und/oder der Sendersignaistärke normiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Normierung bezüglich der integrationszeit durch Division der Messsignaistärke durch die Integrationszeit erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Normierung mitteis einer Normierungseinheit (N) durchgeführt wird, welche Softwaremittel und/oder mindestens eine zusätzliche Monitor-Diode umfasst, die mit der gleichen Integrationszeit betrieben wird wie der Empfänger.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei als Sender mindes- tens eine Leuchtdiode (E1) und als Empfänger mindestens eine Photodiode (D1 ) vorgesehen werden, wobei die Photodiode (D1 ) Licht der Leuchtdiode empfängt und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder einen Photostrom erzeugt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei als Sender eine erste und eine zweite Leuchtdiode (E1 , E2) und a!s Empfänger eine erste und eine zweite Photodiode (D1 , D2) vorgesehen werden, wobei das von der ersten Leuchtdiode (E1 ) emittierte Licht von der ersten Photodiode (D1 ) empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -ström erzeugt wird, wobei das von der ersten Leuchtdiode (E1 ) emittierte Licht von der zweiten Photodiode (D2) empfangen und daraus ais Empfängersignal eine Photospannung oder ein -ström erzeugt wird, wobei das von der zweiten Leuchtdiode (E2) emittierte Licht von der ers- ten Photodiode (D1 ) empfangen und daraus als Empfängersigna! eine
Photospannung oder ein -ström erzeugt wird, wobei das von der zweiten Leuchtdiode (E2) emittierte Licht von der zweiten Photodiode (D2) empfangen und daraus als Empfängersignal eine Photospannung oder ein -ström erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mittels der zwei Leuchtdioden (E1 , E2) abwechselnd erzeugte Wechsellicht W nach folgender Formel berechnet wird: wobei I1J der von der ersten Photodiode (D1 ) bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode (E1 ) emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei I2J der von der zweiten Photodiode (D2) bei Empfang des von der ersten Leuchtdiode (E1 ) emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei I1 2 der von der ersten Photodiode (1 ) bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode (E2) emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist, wobei hj. der von der zweiten Photodiode (D2) bei Empfang des von der zweiten Leuchtdiode (E2) emittierten Lichtes erzeugte Photostrom ist.
16. Optische Sensoranordnung (MS) zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums (M), insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mit mindestens einem optischen Sender zur Erzeugung eines Sendersignafs mit einer vorgegebenen Sendersignalstärke und mindestens einem dem Sender zugeordneten Empfänger zur Erzeugung eines Empfängersignals aus dem durch Wechselwirkung mit dem Medium (M) in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelten Sendersignal, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (MS) eine Integra- torschattung (I) zur Integration des Empfängersignals über eine vorgege- bene Integrationszeit zur Bildung eines Messsignals umfasst, wobei die
Integrationszeit und/oder die Signaistärke des Sendersignals mittels einer Kontroll- und Steuereinheit (SE) vorgebbar ist.
17. Optische Sensoranordnung (MS) nach Anspruch 16, wobei die Sensor- anordnung (MS) weiterhin mindestens eine Komponente zur Signaiwand- lung und/oder zur Signalübertragung umfasst, welche bezüglich des Messsignals einen oberen Sättigungswert aufweist, und wobei die Integrationszeit und/oder Sendersignaistärke derart mittels der Kontroll- und Steuereinheit vorgebbar ist, dass die Messsignalstärke den Sättigungs- wert der Komponente zur Signalwandlung und/oder zur Signalübertragung nicht übersteigt.
18. Optische Sensoranordnung (MS) nach Anspruch 17, wobei die mindestens eine Komponente zur Signalwandlung und/oder Signalübertragung einen Analog/Dtgital-Wandler (AD) umfasst.
19. Optische Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Sensoranordnung weiterhin eine Normierungseinheit (N) umfasst, mittels derer das Messsignal bezüglich der Integrationszeit und/oder der Sendersignalstärke des Sendersignals normierbar ist.
20. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 19, wobei die Normierungseinheit (N) Softwaremittel und/oder mindestens eine zusätzliche Monitor- Diode zur Überwachung des Empfängers und/oder zur Ermittlung der Integrationszeit umfasst.
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