DE10360563A1 - Fluid contamination measurement procedure records selectively filtered transmitted and scatter light in visible, UV and IR regions as function of contamination level - Google Patents
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- DE10360563A1 DE10360563A1 DE2003160563 DE10360563A DE10360563A1 DE 10360563 A1 DE10360563 A1 DE 10360563A1 DE 2003160563 DE2003160563 DE 2003160563 DE 10360563 A DE10360563 A DE 10360563A DE 10360563 A1 DE10360563 A1 DE 10360563A1
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung des Verunreinigungszustands sowie seiner Veränderung einer Flüssigkeit, hier vorzugsweise von Wasser, das die Spektren von weißen Lichtemitterdioden derart ausnutzt, dass die Intensitätsverhältnisse im Bereich der Peaks der Injektionslumineszenz bei etwa 470 nm und der Photolumineszenz bei etwa 565 nm derart registriert, dass sowohl die Transmission durch einen Behälter, z.B. einen Bypass bzw. ein Stand- und/oder Durchflussrohr, als auch die Streuung der beiden Banden in abweichender Richtung von der Transmission im Flüssigkeitsbehälter ausnutzt, wobei die beiden Banden von zwei weißen LED oder besser einer LED und versetzte Lichtwellenleiter (LWL) durch selektive Filter separiert werden und ihre integralen Intensitäten einem Photoempfänger, hier vorzugsweise eine Quadrantenphotodiode, zugeführt werden.The The invention relates to a method for characterizing the contaminant state as well as its change a liquid, here preferably of water, which is the spectra of white light emitting diodes exploited so that the intensity ratios in the region of the peaks the injection luminescence at about 470 nm and the photoluminescence registered at about 565 nm such that both the transmission through a container, e.g. a bypass or a stand and / or flow tube, as well the scattering of the two bands in a different direction from the Uses transmission in the liquid container, where the two bands of two white LED or better an LED and staggered optical fiber (LWL) separated by selective filters and their integral intensities become a photoreceiver, here preferably a quadrant photodiode.
Erfindungsgemäß können dabei die Wellenlängenabhängigkeit des LED-Lichtes von jeweils einer LED in einem absoluten Verhältnis zueinander registriert werden.According to the invention can thereby the wavelength dependence of the LED light of one LED in absolute relation to each other be registered.
Ziel der Erfindung ist es, den Verunreinigungszustand sowie entsprechende Veränderungen dieses Zustands schnell zu erfassen, so dass infolge des Messvorganges auch in situ-Überwachungen von Prozessen und Prozessoptimierungen möglich werden. Dieses Problem ist bedeutsam für alle technisch-chemischen Vorgänge, die mit hinreichend transparenten Flüssigkeiten arbeiten und einen Vergleich mit dem Ausgangszustand oder einer reinen Flüssigkeit ermöglichen.aim The invention is the impurity state and corresponding Changes this State quickly detect, so that as a result of the measuring process also in situ monitoring of Processes and process optimization are possible. This problem is significant for all technical-chemical processes, which work with sufficiently transparent liquids and one Comparison with the initial state or a pure liquid enable.
Voraussetzung für die Erfindung ist die Abhängigkeit der optischen Daten der Flüssigkeiten von Verunreinigungen. Zu solchen optischen Daten gehören die Absorption (Beer-Lambertsches Gesetz), die Lichtstreuung (Rayleigh- und Mie-Streuung) und die selektive Anregung zur Fluoreszenz (Stokesscher Fall).requirement for the Invention is the dependency the optical data of the liquids of impurities. Such optical data includes the Absorption (Beer-Lambert's law), the light scattering (Rayleigh and Mie scattering) and the selective excitation for fluorescence (Stokesscher Case).
Ausgegangen
wird hierbei von den Spektren weißer LED, wie sie beispielsweise
von NICHIA und OSRAM gefertigt werden (s. [1] bis [4]), die sich
aus der Emission sowohl der Injektionslumineszenz des GaInN-pn-Übergangs
als auch der Photolumi neszenz einer über dem Halbleiterchip befindlichen Phosphoreszenzschicht
zusammensetzen, die einen Teil des Injektionslumineszenzlichtes
absorbiert und nach dem Stokesschen Gesetz im Langwelligeren mit
einer unter 1 liegenden Quantenausbeute wieder emittiert (s.
Da die Wellenlängenpeaks λp um etwa 100 nm voneinander getrennt sind und auch die Emissionsbanden eine unterschiedliche Halbwertsbreite Δλ sowie eine unterschiedliche Struktur haben, lassen sich spektroskopisch nach dem Durchgang des Lichtes durch eine Flüssigkeit feinste Änderungen feststellen. Die Ausnutzung dieser Modifikationen der Spektren sind in der Anmeldung [5] dargelegt, wobei hier auf ein faseroptisches Kompaktspektrometer zurückgegriffen wurde.Since the wavelength peaks λ p are separated from one another by about 100 nm and the emission bands also have a different half-width Δλ and a different structure, it is possible spectroscopically to detect the finest changes after passage of the light through a liquid. The exploitation of these modifications of the spectra are set forth in the application [5], in which case a fiber optic compact spectrometer was used.
Mit dieser Anmeldung wird eine Analyse des gesamten Spektrums der weißen LED sowie seine Modifikationen durch die Flüssigkeit vorgenommen und ausgewertet. Da für viele Prozesse Sensoren benötigt werden, die in einem normalen Verhältnis zum Preis der Anlage stehen (beispielsweise als Sensor in einer Wasch- oder Spülmaschine), muss man in absehbarer Zeit aus Kostengründen auf ein faseroptisches Kompaktspektrometer leider verzichten.With This application will analyze the entire spectrum of white LEDs as well as its modifications made by the liquid and evaluated. Therefore many processes sensors needed which are in a normal relationship to the price of the plant stand (for example, as a sensor in a washing machine or dishwasher), you have to in the foreseeable future for reasons of cost on a fiber optic Unfortunately, compact spectrometers do without.
Aus diesem Grunde wurde erfindungsgemäß auf einen billigen Empfänger orientiert, der eine hohe Empfindlichkeit aber geringe spektrale Auflösung besitzt. Ein solcher Empfänger kann beispielsweise eine Si-Quadrantenphotodiode oder ein ähnlicher positionsempfindlicher Empfänger und unter bestimmten Umständen auch ein Satz einfacher diskreter Photodioden sein, der eine mehrkanalige Verarbeitung verschie dener optischer Signale erlaubt. Im Falle einer Quadrantenphotodiode werden vier individuelle Photosignale aufgenommen und können mit einander verglichen werden.Out For this reason, the invention was based on a cheap receiver, which has a high sensitivity but low spectral resolution. Such a receiver For example, a Si quadrant photodiode or the like position sensitive receiver and under certain circumstances also be a set of simple discrete photodiodes that are multi-channel Processing various optical signals allowed. In case of a Quadrant photodiode are recorded four individual photosignals and can be compared with each other.
Bezeichnet man die Photoströme der Quadranten mit 1 bis 4 und beachtet, dass alle Photoströme gegen Masse gemessen werden könnten, kann man folglich auch jeden einzelnen Photostrom Iph1 bis Iph4 gegen Masse exakt nachweisen. Außerdem lassen sich die Differenzphotoströme zwischen den einzelnen Quadranten registrieren, also die Permutationen der Differenzphotoströme Iph12, Iph13, Iph14, Iph23, Iph24 Und Iph34. Damit stehen bei entsprechenden Ausgängen für alle Quadranten und für die gemeinsame Masse die differenzierte Auswertung von vier Eingangssignalen zur Verfügung, wenn man denn in der Lage ist, alle Photoströme an den Ausgängen so zu entnehmen, dass sie einzeln nachgewiesen werden können und sich nicht gegenseitig beeinflussen. Hinzu kommen noch bei entsprechender Auswerteschaltung die Summen der einzelnen Photoströme zueinander sowie die Gesamtsumme aller Photoströme. Unter Umständen ist eine Quotientenbildung der Photoströme ebenfalls gut auswertbar. Die Applikation wird detaillierter in den Ausführungsbeispielen diskutiert.If one characterizes the photocurrents of the quadrants with 1 to 4 and observes that all photocurrents could be measured to ground, one can consequently also accurately detect each individual photocurrent I ph1 to I ph4 to ground. In addition, the differential photocurrents between the individual quadrants can be registered, ie the permutations of the differential photocurrents I ph12 , I ph13 , I ph14 , I ph23 , I ph24 and I ph34 . Thus, with appropriate outputs for all quadrants and for the common ground, the differentiated evaluation of four input signals are available, if one then in the It is able to take all photocurrents at the outputs so that they can be detected individually and do not influence each other. In addition, the sums of the individual photocurrents to each other and the total sum of all photocurrents still come with appropriate evaluation circuit. Under certain circumstances, a quotient of the photocurrents is also well evaluated. The application will be discussed in more detail in the embodiments.
Die einzelnen Photoströme werden dann von einem Analog-Digital-Wandler aufgenommen und mit einem Mikropozessor weiter verarbeitet. Da die spektrale Empfindlichkeit eines solchen Si-Empfängers im zu nutzenden Wellenlängenbereich zwischen etwa 350 nm und 950 nm mit der Wellenlänge maximal um den Faktor 6 variiert, dagegen sich im Bereich des Spektrums der weißen LED nur um etwa den Faktor 2,5 ändert (hier liegt auch nahezu ein linearer Funktionsverlauf vor!), muss man bei Absolutmessungen diese teilweise lineare Empfängerabhängigkeit berücksichtigen. Im Rahmen der Erfindung werden jedoch immer Vergleiche von Spektrenmodifikationen vorgenommen bzw. die Ausgangszustände als Bezugswerte registriert, so dass diese Wellenlängenabhängigkeit kaum stört.The individual photocurrents are then picked up by an analog-to-digital converter and with a Micro-processor processed further. Because the spectral sensitivity such a Si receiver in the wavelength range to be used between about 350 nm and 950 nm with the wavelength at most by a factor of 6 varies, however, in the range of the spectrum of the white LED only changes by a factor of about 2.5 (here is also almost a linear function history!), Must For absolute measurements, this partial linear receiver dependence consider. Within the scope of the invention, however, comparisons of spectral modifications are always made or the initial states registered as reference values, so that this wavelength dependence hardly bothers.
Um die Lichtsignale eindeutig den Quadranten des Empfängers zuzuführen, werden erfindungsgemäß Lichtwellenleiter herangezogen, die dann lokal auf dem Empfänger in den jeweiligen Quadranten positioniert werden können. Da der optoelektronische Empfänger nur integrale Lichtsignale in einen Photostrom umwandeln kann, müssen die Banden der Injektions- und Photolumineszenz der weißen LED getrennt werden. Dies geschieht dadurch, dass kleinflächige Farbfiltergläser (Kantenfilter) wie beispielsweise Langpassfilter von Schott (OG 495 bzw. OG 515) oder Optima Inc. (JB 490) bzw. Gelbgläser, die als Ausgangsprodukt dichroitischer Polarisationsfilter genutzt werden (s. [6]), derart Verwendung finden, dass sie auf die Plastiklichtwellenleiter (POF = plastic optical fibre) oder auf die einzelnen Quadranten der Photodiode aufgesetzt werden. Damit kann man die kurzwellige Bande total abschneiden.Around to supply the light signals uniquely to the quadrant of the receiver According to the invention optical waveguide then positioned locally on the receiver in each quadrant can be. As the optoelectronic receiver Only integral light signals can convert into a photocurrent, the Gangs of white LED injection and photoluminescence be separated. This happens because small-area color filter glasses (edge filters) such as long-pass filters from Schott (OG 495 or OG 515) or Optima Inc. (JB 490) or yellow glasses, which are used as starting material dichroic polarizing filter are used (see [6]), such Use find them on the plastic fiber optic cables (POF = plastic optical fiber) or on the individual quadrants of the photodiode be put on. So you can totally cut off the short-wave band.
Für das Abschneiden der langwelligen Bande der Photolumineszenz im LWL können Violettglasfilter wie beispielsweise ZB 3 von Optima Inc. herangezogen werden. Derartige Filter weisen Transmissionskurven auf, die garantieren, dass zum einen nur die Bande der Injektionslumineszenz und zum anderen nur die Bande der Photolumineszenz durchgelassen wird, so dass von derselben LED beide Spektren getrennt und im festen Verhältnis mittels POF auf den gewünschten Quadranten gelenkt werden können. Eine Selektivität kann auch dadurch erreicht werden, dass Photodioden aus SiC oder GaP verwendet werden, die im Sichtbaren teilweise „blind" sind und so ermöglichen, das UV-Spektrum bzw. die blaue Bande vom gelben Spektrum zu trennen. Dann benötigt man nur eine einfache Si-Photodiode für die gelbe Bande und eine für das Sichtbare „blinde" Photodiode. Dadurch kann ohne irgend einen Schaltprozess der Lichtemitterdioden oder eines Multiplexers für LWL-Schaltungen eine Unterscheidung von unterschiedlich verunreinigten Gewässern getroffen werden.For cutting off The long-wavelength band of photoluminescence in the optical fiber can violet glass filters such as ZB 3 of Optima Inc. are used. such Filters have transmission curves that guarantee that one only the band of injection luminescence and the other only the band of photoluminescence is allowed to pass through, leaving the same LED both spectra separated and fixed ratio by means of POF to the desired Quadrants can be steered. A selectivity can also be achieved by photodiodes of SiC or GaP are used, which are partially "blind" in the visible and thus enable to separate the UV spectrum or the blue band from the yellow spectrum. Then needed just a simple Si photodiode for the yellow band and one for the Visible "blind" photodiode can without any switching process of light emitting diodes or a multiplexer for fiber optic circuits made a distinction between differently contaminated waters become.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigenThe Invention is based on embodiments explained. In the drawing show
- 11
- das Spektrum der Injektionslumineszenzbande undthe Spectrum of the injection luminescence band and
- 22
- das Spektrum der Photolumineszenzbandethe Spectrum of the photoluminescent band
- 33
- Steuerrechner und Diodenversorgungtax calculator and diode supply
- 44
- Steuerleitungencontrol lines
- 55
- weiße LEDwhite LED
- 66
- UVEDUVED
- 77
- IREDIRED
- 88th
- Behälter mit FlüssigkeitContainer with liquid
- 99
- Behälterwandcontainer wall
- 1010
- abgedunkelte BehälterwandTinted container wall
- 1111
- ausgewählte direkte Strahlen der LEDselected direct Rays of the LED
- 1212
- ausgewählte Strahlen gestreuter Strahlungselected rays scattered radiation
- 1313
- Fenster im Behälterwindow in the container
- 1414
- Fassungen der Lichtwellenleiter am Behälterfenstemrversions the optical fiber at the Behälterfenstemr
- 1515
- Lichtwellenleiter, beispielsweise POFOptical fiber, for example POF
- 1616
- QuadrantenphotodiodeQuadrant photodiode
- 1717
- Quadranten für die kurzwelligen Banden der Injektionslumineszenzquadrant for the short-wave bands of injection luminescence
- 1818
- Quadranten für die langwelligen Banden der Photolumineszenzquadrant for the long wavelength bands of photoluminescence
- 1919
- elektrische Zuleitungen zum DA-Wandlerelectrical Supply lines to the DA converter
- 2020
- DA-WandlerDA converter
- 2121
- blaue Bande der Injektionslumineszenzblueness Band of injection luminescence
- 2222
- gelbe Bande der Photolumineszenzyellow Band of photoluminescence
- 2323
- UV-Bande des LeitungswassersUV band of tap water
- 2424
- UV-Bande des FlusswassersUV band of the river water
- 2525
- blaue Bande des Leitungswassersblueness Gang of tap water
- 2626
- blaue Bande des Flusswassersblueness Gang of river water
- 2727
- gelbe Bande des Leitungswassersyellow Gang of tap water
- 2828
- gelbe Bande des Flusswassersyellow Gang of river water
- 2929
- 2. Ordnung der UV-Bande des LeitungswassersSecond Order of the UV band of tap water
- 3030
- 2. Ordnung der UV-Bande des FlusswassersSecond Order of the UV band of river water
- 3131
- 2. Ordnung der blauen Bande des LeitungswassersSecond Trim of blue gang of tap water
- 3232
- 2. Ordnung der blauen Bande des Flusswassers,Second Order of the blue gang of river water,
- 3535
- Spektrum des Berliner Leitungswassersspectrum the Berlin tap water
- 3636
- Spektrum von Leitungswasser mit definiert verunreinigtem Textil nach [8], Einlagerung 1 h bei Raumtemperatur,spectrum of tap water with defined contaminated textile according to [8], Storage for 1 h at room temperature,
- 3737
- Spektrum von Leitungswasser mit definiert verunreinigtem Textil nach [8], Einlagerung 24 h bei Raumtemperatur,spectrum of tap water with defined contaminated textile according to [8], Storage for 24 h at room temperature,
- 3838
-
wie
Kurve
37 , jedoch mit Rotweinzusatz,like curve37 , but with red wine additive,
Die
Kennzeichnungen bedeuten:
The labels mean:
- 3939
- UV-Bande des HW'sUV band of the HW's
- 4040
- UV-Bande des NW'sUV band of the NW
- 4141
- blaue Bande des HW'sblueness Gang of the HW's
- 4242
- blaue Bande des NW'sblueness Gang of the NW's
- 4343
- gelbe Bande des HW'Syellow Gang of the HW'S
- 4444
- gelbe Bande des NW'Syellow Gang of the NW's
- 4545
- 2. Ordnung der UV-Bande des HW'sSecond Order of the UV band of the HW
- 4646
- 2. Ordnung der UV-Bande des NW'sSecond Order of the UV band of the NW
- 4747
- 2. Ordnung der blauen Bande des HW's.Second Order of the blue ribbon of the HW.
Im
ersten Ausführungsbeispiel
der
Die
LED
Von
der Photodiode
Analog
dazu überführen die
LWL
Mit
dieser Anordnung ist man also in der Lage, durch je zwei Langpassfilter
bzw. je zwei Violettglasfilter die blauen und gelben Banden zu trennen. Die
Veränderung
der Spektren einer weißen
LED durch Verunreinigungen von definiert verschmutzten Lappen des
Prüfinstitutes
EMPA aus St. Gallen (Lagerung der Lappen
So
nimmt in diesem Beispiel der kurzwellige Peak
Bedingt durch den wellenlängenabhängigen Brechungsindex von beispielsweise Wasser tritt eine unterschiedliche Schwächung des Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge auf. Die Auswirkungen sind im Rahmen des Spektrums der weißen LED im Falle von reinem Wasser nicht sehr groß (s. Mobley [7]), zumal auch die Behälterabmaße und damit die optischen Weglängen relativ klein sind und höchstens einige cm betragen. Starke Veränderungen treten allerdings auf, wenn der spektrale Messbereich so erweitert wird, dass auch Infrarotemitterdioden (IRED) und UV-Emitterdioden (UVED) Berücksichtigung finden, was im nächsten Anwendungsbeispiel diskutiert werden soll.conditioned by the wavelength-dependent refractive index For example, a different weakening of water occurs Light in dependence from the wavelength on. The effects are within the scope of the white LED spectrum not very large in the case of pure water (see Mobley [7]), especially as well the container dimensions and thus the optical path lengths are relatively small and at most a few cm. Strong changes However, they occur when the spectral measuring range expands will be that also infrared emitter diodes (IRED) and UV emitter diodes (UVED) consideration find what's next Application example to be discussed.
Entscheidende Modifikationen des LED-Spektrums treten auf, wenn selektive Absorptionen durch die Wirkung von Verunreinigungen in der Flüssigkeit verursacht werden. Das kann in Wasser durch chemische Substanzen (beispielsweise durch Waschmittel) oder auch durch organische Substanzen (beispielsweise durch Chlorophyll) erfolgen. Dann werden diese Veränderungen durch die Photosignale nachweisbar.decisive Modifications of the LED spectrum occur when selective absorptions caused by the action of impurities in the liquid. This can be done in water by chemical substances (for example by detergents) or by organic substances (for example by chlorophyll) respectively. Then these changes detectable by the photosignals.
Entscheidende Veränderungen treten auch dann auf, wenn Verunreinigungen in der Flüssigkeit vorhanden sind, die Lichtstreuungen, meist durch die Rayleighsche bzw. durch die Miesche Theorie beschreibbar, verursachen.decisive changes Occur even when contaminants are present in the liquid are, the light scattering, mostly through the Rayleigh or through describable, cause the Mieshe theory.
Eine
Lichtstreuung nach Rayleigh tritt natürlich auch an den Molekülen von
reinem Wasser auf (Dichte-Inhomogenitäten), benötigt aber für einen eindeutigen Nachweis
große
optische Weglängen, die
in dem hier betrachteten Behälter
nicht vorliegen. Wenn nun Verunreinigungen der Flüssigkeit
beigemischt werden, deren Größe noch
eindeutig kleiner als die Wellenlänge des Lichtes λ ist, dann
ergeben sich bei entsprechender Konzentration gut nachweisbare Lichtstreuungen.
Die Intensität
des gestreuten Lichtes lässt
sich entsprechend der Rayleighschen Theorie aus Gleichung (1) errechnen:
In dieser Gleichung stellen C* eine Konstante, V das Streuvolumen, Io die einfallende Lichtintensität, R den Abstand des Beobachters vom Streuort und ϑ den Streuwinkel dar. Vielfachstreuung wird nicht berücksichtigt. Das gestreute Licht weist auch eine Vorzugspolarisation auf, die unter unseren Bedingungen ebenfalls nicht weiter beachtet werden soll. Bei festem Winkel ϑ gibt es also eine Abhängigkeit der Intensität I von der Wellenlänge λ–n, wobei Exponent n normalerweise zwischen 4 und 4,15 liegt, aber unter bestimmten Bedingungen auch wesentlich kleinere Werte annehmen kann. Die Größe C* enthält sowohl die Anzahl der Streuzentren als auch einige andere konstante Größen. Die Winkelabhängigkeit ist durch eine Cosinusverteilung gegeben und variiert nur um den Faktor 2 für die Geradeaus- und Rückwärtsrichtung gegenüber der 90°-Richtung. Sowohl die Intensitäts- als auch die Winkelabhängigkeit mit der Wellenlänge können als Veränderungen des Spektrums der weißen LED registriert werden.In this equation, C * represents a constant, V the scattering volume, I o the incident light intensity, R the observer's distance from the scattering location, and θ the scattering angle. Multiple scattering is not considered. The scattered light also has a preferential polarization which, under our conditions, should not be considered further. At a fixed angle θ there is therefore a dependence of the intensity I on the wavelength λ -n , where exponent n is normally between 4 and 4.15, but under certain conditions it can also assume much smaller values. The size C * contains both the number of scattering centers and some other constant quantities. The angle dependence is given by a cosine distribution and varies only by a factor of 2 for the straight ahead and backward directions from the 90 ° direction. Both the intensity and the angle dependence with the wavelength can be registered as changes in the spectrum of the white LED.
Entscheidenden
Einfluss auf das Licht der weißen
LED hat die Mie-Streuung, die auftritt, wenn der Durchmesser D der
Streuzentren mit der Wellenlänge λ des Lichtes
vergleichbar oder größer ist.
Die mathematisch anspruchsvolle Mie-Theorie ergibt näherungsweise
folgende Intensitätsabhängigkeit:
Hier stellen i1,2 die Intensitätsfunktionen für die senkrechte und parallele Komponente des gestreuten polarisierten Lichts dar. Weiterhin sind n der Brechungsindex des Streuzentrums und in α geht die Dimension des Streuzentrums ein (α = dπ/λ mit d als Durchmesser des Streuzentrums). Ansonsten ist die Wahl der Größen wie in Gleichung (1). Die Streufunktionen i1,2 stellen mathematisch komplizierte Ausdrücke dar und sind schwer zu bestimmen, da die darin enthaltenen Reihen langsam konvergieren. Die Streuintensität hängt also schwach von der Wellenlänge ab (gut anschaulich anhand weißer Wolken gegenüber dem blauen Himmel, verursacht durch Rayleigh-Streuung), aber verändert sich stark mit der Größe der Streuzentren. So kann die Vorwärtsstreuung mit zunehmendem Durchmesser d der Streuzentren um Größenordnungen zunehmen, was durch die allgemeine Beschreibung der Beugungs- und Absorptionsphänomene der Mie-Theorie verständlich ist.Here, i 1,2 represent the intensity functions for the vertical and parallel component of the scattered polarized light. Furthermore, n is the refractive index of the scattering center and α is the dimension of the scattering center (α = dπ / λ with d as the diameter of the scattering center). Otherwise, the choice of sizes is as in equation (1). The scatter functions i 1,2 represent mathematically complicated expressions and are difficult to determine because the rows contained therein converge slowly. Thus, the scattering intensity is weakly dependent on the wavelength (well illustrated by white clouds versus the blue sky caused by Rayleigh scattering), but it varies greatly with the size of the scattering centers. Thus, the forward scattering can increase by orders of magnitude with increasing diameter d of the scattering centers, which is explained by the general description of the diffraction and decay sorption phenomena of Mie theory is understandable.
In diese Theorie gehen also auch Teilchenauswirkungen ein, wenn das Streuzentrum selektiv Licht absorbiert und beugt. Auch diese Phänomene verändern das Licht der weißen Diode in Abhängigkeit von der Konzentration und Art der Verunreinigungen stark und können durch den Sensor registriert werden. Dazu werden die Photoströme der beiden Banden in 90°-Richtung ausgewertet.In So this theory also takes into account particle effects, if that Scattering center selectively absorbs and diffracts light. These phenomena change that as well Light of the white Diode depending strong and able by the concentration and type of impurities to register the sensor. These are the photocurrents of the two bands in 90 ° direction evaluated.
In beiden Streuarten hängt die Streuintensität von der Konzentration der Streuzentren linear ab, wenn man Vielfachstreuprozesse ausschließt.In depends on both types of litter the scatter intensity from the concentration of the scattering centers linearly, if you multiply scattering processes excludes.
Das durch unterschiedliche Verunreinigungen so modifizierte Licht gelangt nach Verlassen des Behälters in Plastiklichtwellenleiter, die mit selektiven Filtern versehen sind. Damit gelangen im Falle der einen Flüssigkeit nur schwach veränderte Spektren auf die einzelnen Quadranten, im Falle stark modifizierter Spektren wesentlich andere Intensitäten. Diese Anordnung weist also die direkte Transmission nach, die auch Anteile des in Vorwärtsrichtung gestreuten Lichtes enthalten kann.The light so modified by different impurities passes after leaving the container in plastic fiber optics with selective filters are. Thus, in the case of one liquid, only slightly different spectra are obtained on the individual quadrants, in the case of heavily modified spectra significantly different intensities. This arrangement thus has the direct transmission, which also Proportions of the forward direction may contain scattered light.
Das entstehende Streulicht wird mit den Lichtwellenleitern in 90°-Richtung wieder auf die restlichen Quadranten gelenkt, durch Filter getrennt nach Banden. Damit gelangen die Streuintensitäten auf die beiden anderen Quadranten des Photoempfängers, der sie dann als Photostrom (oder in Abhängigkeit von der Schaltung der Photodiode als Photospannung) zur Verfügung stellt und sie letztendlich über einen Analog-Digital-Wandler einem Computer zuführt. Die Steuerung der LED, die wahlweise ein geschaltet werden kann bzw. mit einem größeren Flussstrom oder gar mit einem Impulsstrom betrieben werden kann, was infolge ihrer exponentiellen Flusskennlinie über nahezu zwei Größenordnungen variierbare Lichtintensität ergeben könnte, die für stark verunreinigte Flüssigkeiten gegeben ist, erfolgt ebenfalls vom Computer aus. Damit stehen der Auswerteelektronik Photospannungssignale der vier Quadranten der Photodiode zur Verfügung, die alle ihren Ursprung in der einen weißen LED haben. Außerdem sind damit Streuphänomene noch besser nachweisbar (insbesondere durch die Strahlung der UVED) und Transmissionskontrollen stark verschmutzter Flüssigkeiten eindeutiger messbar (insbesondere durch die Strahlung der IRED).The Resulting stray light is with the optical waveguides in 90 ° direction again directed to the remaining quadrants, separated by filters after gangs. Thus, the scattering intensities reach the other two Quadrant of the photoreceiver, They then as a photocurrent (or depending on the circuit the photodiode as a photovoltage) and ultimately provides them via a Analog to digital converter to a computer. The control of the LED, which can be switched on or with a larger flow stream or even with a pulse current can be operated, which is due their exponential flow characteristic over almost two orders of magnitude variable light intensity could result the for heavily contaminated liquids is given, also takes place from the computer. Thus stand the Evaluation electronics Photovoltage signals of the four quadrants of the Photodiode available, which all have their origin in the one white LED. Besides, they are thus scattering phenomena even better detectable (especially by the radiation of the UVED) and Transmission controls of heavily contaminated liquids more clearly measurable (in particular by the radiation of the IRED).
Setzt man, wie oben schon bemerkt, voraus, dass die Injektions- und die Photolumineszenzintensität direkt dem Flussstrom proportional sind, dann stehen die modifizierten Teilbanden alle in einem bestimmten Verhältnis zueinander, wenn man sich auf den Ausgangszustand oder den der reinen Flüssigkeit bezieht und ihn im Computer speichert. Wird also beispielsweise nur die Intensität der kurzwelligen Bande der Injektionslumineszenz verändert und die der Photolumineszenz bleibt konstant, kann man sofort auf die Verunreinigungswirkung schließen.Puts one, as already noted above, that the injection and the photoluminescence are directly proportional to the flow, then the modified Partial all in a certain relationship to each other, if you on the initial state or that of the pure liquid and save it in the computer. So for example only the intensity the short-wave band of injection luminescence changed and the photoluminescence remains constant, you can immediately on the Close pollution effect.
Gleiches trifft auf die Intensitäten der Streuungen zu. Ist die Streuung sehr stark, können ihre Intensitäten eventuell größer als die der direkt transmittierten Strahlung werden; tritt gar noch eine wellenlängenabhängige Streuung wie oben diskutiert auf, lässt sich anhand der unterschiedlichen Intensitäten auch auf die Konzentration und die Art der Streuzentren schließen.The same meets the intensities the scatters too. If the dispersion is very strong, theirs can intensities possibly greater than those of the directly transmitted radiation; even happens a wavelength-dependent dispersion as discussed above based on the different intensities on the concentration and close the type of scattering centers.
Im Prinzip können die Permutationen der Kanäle, wie oben beschrieben, auch die Anzahl der Vergleichsmöglichkeiten und damit der in-situ-Messung des Verunreinigungszustands liefern. Da gegenüber der hochauflösenden Spektrometermessung für ein Pixel der Photodiodenzeile bzw. der CCD im Spektrometer wesentlich weniger Photonen als für einen Quadranten der Photodiode zur Verfügung stehen, erhält man bei Nutzung einer Quadrantenphotodiode eine wesentlich größere Nachweisempfindlichkeit, denn die Dunkelströme eines Quadranten einer typischen Quadrantenphotodiode liegen unter 1 nA.in the Principle can the permutations of the channels, As described above, the number of comparison options and thus provide in-situ measurement of the contaminant state. Because opposite the high-resolution Spectrometer measurement for a pixel of the photodiode array or the CCD in the spectrometer essential less photons than for One quadrant of the photodiode available, you get at Using a quadrant photodiode a much greater detection sensitivity, because the dark currents One quadrant of a typical quadrant photodiode is lost 1 nA.
Durch die Verwendung von integrierten Verstärkern für die einzelnen Quadranten kann ein noch besseres Signal-Rausch-Verhältnis realisiert werden. Dies ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung.By the use of integrated amplifiers for each quadrant an even better signal-to-noise ratio can be realized. This is another advantage of the present invention.
Das
zweite Ausführungsbeispiel
geht ebenfalls auf
Dabei
erfolgt die Messwertaufnahme durch die gleichen LWL
Wird
die IRED
Es kann erwartet werden, dass beispielsweise im Falle der Rayleigh-Streuung die Intensität des gestreuten Lichtes beim Übergang von den Stufen von 860 nm auf 560 nm, auf 470 nm und auf 370 nm jeweils um die Faktoren 5,6, 2,01 und 2,6, also insgesamt um den Faktor 29,2 zu nimmt, wenn man die Intensität bei 860 nm gleich 1 setzt. Allein zwischen der blauen Bande um 470 nm und der ultravioletten Bande nähme die gestreute Intensität für die gleiche Teilchenart und Konzentration um den Faktor 2,6 zu, ein Wert, der eindeutig mit einer Photodiode nachweisbar ist.It can be expected, for example, in the case of Rayleigh scattering the intensity of the scattered light at the transition from the steps of 860 nm to 560 nm, to 470 nm and to 370 nm, respectively by the factors 5,6, 2,01 and 2,6, so in total by the factor 29.2 increases by setting the intensity at 1 at 860 nm. Alone between the blue band around 470 nm and the ultraviolet Gang would take the scattered intensity for the same particle type and concentration by a factor of 2.6, a value which is clearly detectable with a photodiode.
Im
Gegensatz dazu kann man erwarten, dass für Normalfälle die Rayleigh-Streuung im
Bereich der infraroten Bande sehr klein sein sollte. Verändern sich
jedoch die Streuzentren und verursachen eine Mie-Streuung, dann
dürfte
dies auch die IRED
Auch
hier stehen die Messwerte für
die einzelnen Photoströme,
die Differenzen und Summen sowie die Quotienten zur Auswertung zur
Verfügung. Durch
das Steuerge rät
Im dritten Ausführungsbeispiel soll eine weiße LED zur Verfügung stehen, die eine sehr große Intensität der blauen Bande und eine etwa gleich große oder etwas kleinere Intensität der gelben Bande besitzt. Dann haben die integrierten Flächen der beiden Banden ein „normales" Verhältnis zueinander.in the third embodiment should a white one LED available stand, which is a very big one intensity the blue band and an approximately equal or slightly smaller intensity of the yellow Gang owns. Then the integrated surfaces of the two bands have a "normal" relationship to each other.
In
diesem Falle benötigt
man nur zwei Gelbglasfilter. Man misst dann die Gesamtintensität der beiden
Diodenspektren, d. h., die LWL
Um ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, können im erfindungsgemäßen Verfahren die LED mit unterschiedlich großen Gleichströmen, oder mit Impulsen oder auch mit modulierter Flussspannung betrieben werden. Damit kann die Nachweisempfindlichkeit für Verunreinigungen erheblich verbessert werden (Wechselstromtechnik).Around to get a very good signal-to-noise ratio, can in inventive method the LED with different sizes DC currents, or operated with pulses or with modulated forward voltage become. Thus, the detection sensitivity for impurities can considerably be improved (AC technology).
In den folgende Figuren sollen noch einige Details typischer Messungen zum besseren Verständnis angeführt werden.In The following figures will give some details of typical measurements for better understanding cited become.
Aus
Die
zweite Kurve mit dem UV-Spektrum
In
Abschließend ist
in
Der
Vollständigkeit
halber sei noch auf ein weiteres Messbeispiel hingewiesen, dass
die Modifikation der Spektren einer weißen LED und einer UV-Diode
durch unterschiedliche Wässer
zum Ausdruck bringt.
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