CN103884686B - 光学测量介质的一个或多个物理、化学和/或生物过程变量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学测量介质(2)的一个或多个物理、化学和/或生物过程变量的装置(1)，其中所述装置(1)包括用于容纳确定一个或多个物理和/或化学过程变量的测量设备(4)的壳体(3)，其中壳体(3)中设置有至少一个窗(5)，并且至少所述窗(5)接触所述介质，并且其中提供振荡换能器(6)用于发射声波，其特征在于：窗(5)刚性地与壳体(3)连接，振荡换能器(6)设置于具有模块壳体(8)的外围设备模块(7)中，设置外围设备模块(7)使得振荡换能器(6)朝向窗(5)发射声波，其中声波在出口区域(9)穿过模块壳体(8)，并且如此设置外围设备模块(7)使得介质(2)位于窗(5)以及出口区域(9)的范围中。

Description

光学测量介质的一个或多个物理、化学和/或生物过程变量的 装置

技术领域

本发明涉及一种用于光学测量介质的一个或多个物理、化学和/或生物过程变量的装置。所述装置特别包括一种测量设备，特别是一种传感器。

背景技术

测量某些介质，尤其是液体的传感器的主要问题是它们的污染。所述污染通过沉淀物、生物膜等产生。在基本上所有的传感器类型(电化学，生物化学，光学的，……)中，这样的污染物都能够引起错误的测量值并且甚至导致传感器的完全失效，其中，最重要的，膜的、电极的、活性表面的、光学窗……的污染必须被视为关键。

这将以示例的方式基于浊度传感器进行解释。基本地，无论如何，问题产生在所有在液体中测量并且需要一些传感器部件的一定清洁度的传感器的情形中。在此还特别提到相似的过程变量，例如固体含量或污泥或泥浆水平。适用于确定相应过程变量的测量设备，由恩德斯+豪斯(Endress+Hauser)企业集团大量制造和出售。

通常，传感器设置于传感器壳体内，并且过程变量的确定频繁地可见地发生。在这种情形中，从至少一个发射单元发射一定波长的电磁波，通过介质散射后被接收单元测量和接收。根据散射推断出测量参数。

电磁波穿过电磁波能透过的材料的壳体，通常是对应的窗。经过一定时间，在窗上产生污染并且电磁波不再能穿过(不受阻碍的)。测量值变得被破坏并且传感器甚至会完全失效。

为了维持传感器的功能性能力，窗必须被清洁。

已知可用下列方法进行清洁：手动，利用擦拭物，利用空气，进行冲洗或清洗，以及借助于位于壳体内的振荡或者超声换能器。

在手动清洁的情况下，传感器必须从过程中移除。在应用涉及管道的情况下，就需要或者使过程暂停或者使用昂贵的可收缩组件。为了卫生应用，由于存在死区，不能使用擦拭物、空气和冲洗或清洗的清洁方式。

DE4317068C2示出了一种直接安装在窗上的超声波发射器。在这种方式下，不仅窗，还有壳体都会被引起振动。通常，传感器中用于超声波发射器的安装空间非常有限。正因如此，必须使用低功率的发射器。此外，由于窗玻璃的厚度，传送到液体中的超声波能量不是最佳的。又由于传感器中可用的有限电源，这导致只能进行小的清洁动作。

DE9015235.2公开了一种具有窗的浊度传感器，其中窗通过振荡换能器保持持续地振动。其结果是，不可能有高精度测量。

US5,889,209示出了一种用于传感器的可浸入式超声波发射器，传感器用于测量位于例如河流、海洋或池塘的相对开放的环境中的水性介质中的溶解氧。超声波发射器和传感器都完全位于水下，并且超声波发射器以与传感器4mm至10mm的小空间间隔并且以5分钟至120分钟的时间间隔朝向传感器膜的方向发射持续时间为5s到90s的超声波。由于完全浸入并且与水接触，在这种情况下似乎不存在卫生应用的问题。

DE19811876B4公开了一种机械地耦接到窗的振动发生器，其中窗弹性地悬浮在壳中。为了产生振动，最常使用压电换能器。它的操作需要大电压和电流。因此，很显然在紧邻测量系统处有电磁场，这可能会导致EMC(电磁兼容性)问题，尤其是对测量电子器件。通常，传感器中用于超声波发射器的安装空间非常有限。正因如此，必须使用低功率发射器。此外，由于窗玻璃的厚度，传送到液体中的超声波能量不是最佳的。又由于传感器中可用的有限电源，这导致只能进行小的清洁动作。

发明内容

因此，本发明的目的是在不干扰测量的同时提供一种窗的有效的清洁。

通过一种装置可以达到该目的，所述装置包括体现为用于容纳用来确定物理和/或化学过程变量的测量设备的壳体。在壳体中至少设置有一个窗并且至少该窗接触所述介质。此外，提供一种用于发射声波的振荡换能器。窗刚性地与壳体连接，振荡换能器设置在具有模块壳体的外围设备模块内，并且外围设备模块如此设置以便振荡换能器朝向窗发射声波。因此，声波在出口区域穿过模块壳体，并且外围设备模块如此设置以便介质位于窗以及出口区域的范围中。因此，窗能够被最佳地清洁。在本发明的意义中的术语“窗”包括光学窗，因此，例如，在浊度传感器的应用中，并且还包括非光学窗，例如，应用于pH传感器或电导传感器。

在优选实施例中，外围设备模块机械地与壳体连接。在这种情况下，术语“机械地”包括，形状连锁(通过相应的装置)，力连锁(通过拧接)，或者材料接合连锁(通过粘合剂)。

为了增强清洁效力，声波优选地在介质内引起气穴。

针对后续的安装，外围设备模块被实施为插入到壳体上。因此，传感器也能被改装。

在实施例中，振荡换能器被实施为压电换能器。因此，能够成本有效且相对简单地产生声波。

在这种情况下，振荡换能器发射16kHz至200kHz频率的声波。经发现这是最佳的用于清洁的频率范围。

在实施例的有利的形式中，振荡换能器被实施为径向振荡器、厚度振荡器或剪切振荡器。因此，振荡器以及装置的设计具有相当大的自由度。

因此在为了增强幅度以及因此带来的增强清洁效力的实施例的特殊形式中，振荡换能器被实施为耦合的振荡器。

为了最佳的耦合，声波的频率对应于振荡换能器的共振频率。

在优选实施例中，提供控制单元，其操作振荡换能器和测量设备。

优选地，测量设备是浊度传感器。

在实施例的有利的形式中，壳体被实施为适配于可收缩组件，尤其是可收缩的浸没组件。于是这种装置能够在过程中简单并且快速地运行。

附图说明

将基于附图更详尽地解释本发明，附图的说明如下所示：

图1为本发明第一实施例中的装置的部分截面图，

图2为本发明第二实施例中的装置的部分截面图，以及

图3为本发明第三实施例中的装置的部分截面图。

在附图中，相同的特征使用相同的附图标记。

具体实施方式

本发明的装置在全文中标记为附图标记1。

在附图中，用于测量介质2的装置1被实施在容器10中。容器可以-如图所示-为管道或管段。在管道中的应用是特别有利的，因为，在这种情形中，管道中的污染和沉淀能够直接被流体冲走。此外，然而，在(开放的)水池、渠道或类似的中的应用提供其他的选择。装置1还能够用在可收缩组件中，尤其是可收缩的浸没组件。被测量的介质2最常为液体，通常为用于工业用途的水和废水。然而，装置也被发现应用于例如清水中。此外，装置1能够被应用于非水介质中，例如奶，酸奶，……，(水果-)汁或悬浮液中。

由于如下所述的实施例的几何形状和形式，装置1还基本适合于卫生应用。装置1满足已确立的卫生需求，诸如那些规定，举例来说，通过欧洲卫生工程和设计集团(EHEDG)或者食品药品监督管理局(FDA)制定的那些规定。

为了测量至少一个物理、化学和/或生物过程变量，装置1包括测量设备4。不加限制地，附图中的测量设备4实施为浊度传感器。测量设备4定位于壳体3内。壳体3通过合适的装置，例如法兰11，连接到容器10。测量设备4通过连接12连接到控制单元(未示出)。控制单元例如是测量发射器、控制站等。

浊度传感器4具有至少一个光源，通常是LED，其在介质2的方向上发射光。在这种情况下，术语“光”在本发明中的意义不仅限于可视范围的电磁频谱，还包括任意波长的电磁辐射，尤其是还在远紫外线(UV)和红外线(IR)波长范围内的电磁辐射。

光穿过壳体3穿过光学窗5，光学窗5对于来自光源的辐射光是透明的。窗5例如是硬矿石材料的固体光学窗，诸如，举例为蓝宝石。窗5和壳体3刚性地相互连接，尤其是窗5和壳体3相互连接以封住介质进入到壳体内的侵入。

如果装置用于非光学的应用，则窗显然地实施为非光学窗。如果装置用于例如pH传感器，则窗可以被理解为在介质和pH敏感的传感器部件之间的对应的分隔层。作为进一步的示例，在电导传感器的情况下，窗可以理解为壳体的范围，在该情形中，由线圈生成的磁通量进入到待测量介质内。

然后光被介质散射。有不同的应该如何记录散射光的方法。示例包括从入射方向的90。或135。处进行记录。然而，这并不是本发明的一部分并且可以从现有的教科书中收集。

用于装置1例如壳体3和外围设备模块7的材料，可以为不锈钢，合成材料，例如塑料，或者陶瓷。正如已经提到的，浊度传感器常用于饮用水、废水或非水介质。选择材料使得它们适合于应用，例如，在废水中应用。因此，合成材料相应地必须是耐久的合成材料，例如PTFE等等。

自然地，窗5随着时间的推移被废水污染。根据本发明，振荡换能器6被提供用于清洁窗。

振荡换能器6朝窗5发射声波。在这种情况下，振荡换能器6被实施为压电换能器并且发射一定频率的声波，其范围在16kHz到200kHz之间。振荡换能器6因而发射超声波。优选地，使用40kHz的频率。优选地，换能器以对应于压电换能器的共振频率的频率发射。仅有有限的功率可用于振荡换能器6。例如，振荡换能器6的功率是50w。例如，振荡换能器6每几分钟例如每分钟或每两分钟开启大约500毫秒(ms)。该节奏是可选择的，因为可以发现在振荡换能器6开启后直接产生了最佳清洁效果。

振荡换能器6设置于外围设备模块7内。图1示出了第一实施例。理想地，外围设备模块7恰好与窗5相对设置。振荡换能器6朝窗5发射声波并且因而清洁它。为了声波能够最佳地以16kHz到200kHz的建议的频率传播，使得清洁动作最大，振荡换能器6具有与窗5约40mm到100mm的距离。外围设备模块7包括模块壳体8；声波在出口区域9穿过模块壳体8。为了使声波最佳地耦合，使用“耦合膏”或耦合剂。

模块壳体8还可实施为一种杯体，例如，不锈钢的杯体，其一体成型到容器10内，或者通过开口伸入到容器10中的介质2内。因此避免与测量介质2直接接触，并且装置1基本适合于卫生应用。为了声波很好的传播，杯体具有薄的，恒定的壁厚。因此，外围设备模块7更容易修复。

振荡换能器6通过连接13驱动。能够通过已经提到的控制单元或第二额外的单元进行控制。图1的配置仅仅对于具有直径明显地小于振荡换能器6的传播范围的管道是可感测的。

图2示出了本发明的第二实施例。在这种情况下，外围设备模块7位于壳体3上，也就是说，模块7和壳体3被机械地耦合。外围设备模块7能够被实施为插件模块，也就是说，该清洁系统是可改装且可修复的。然而，还能够采用例如粘结、旋拧、铆接等安装方法将模块7与壳体3连接。应当注意到没有介质能够进入模块7和壳体3之间并且从容器10漏出。如果装置1被用于可收缩组件中，则外围设备模块7也能安装于该组件上。

在图2中，振荡换能器6实施为径向振荡器并且因而围绕面向介质2的测量设备4的末端。这样，窗5可以被声波最佳地冲击并且因而被清洁。

图3示出了第三实施例。在这种情况下，振荡换能器6实施为厚度振荡器。振荡换能器6与窗5相对定位，使得窗5被声波最佳地击打并且被清洁。

关于开启间隔以及振荡换能器6与窗5之间的距离的类似细节在图2和图3中示例出。

清洁的基本原理是气穴作用。振荡换能器6将声波耦合到介质2中，由此在介质中产生具有正负循环压力的波。当负压出现在污染的窗5上时，形成充满蒸汽的气穴。在介质中的下一个正压力出现时，蒸汽如同冲击地冷凝，借以去除粘结到窗5的污染。

附图标记列表

1 装置

2 介质

3 壳体

4 测量设备

5 窗

6 振荡换能器

7 外围设备模块

8 模块壳体

9 出口区域

10 容器

11 法兰

12 连接

13 连接

Claims (9)

1.一种用于光学测量介质(2)的一个或多个物理、化学和/或生物过程变量的装置(1)，

其中所述装置(1)包括用于容纳用来确定一个或多个物理和/或化学过程变量的测量设备(4)的壳体(3)，

其中所述壳体(3)中设置有至少一个窗(5)，并且至少所述窗(5)接触所述介质，并且

其中提供振荡换能器(6)用于发射声波，

其特征在于：

所述窗(5)刚性地连接到所述壳体(3)，

所述振荡换能器(6)设置于具有模块壳体(8)的外围设备模块(7)中，

设置所述外围设备模块(7)使得所述振荡换能器(6)朝向所述窗(5)发射所述声波，

其中所述声波在出口区域(9)处穿过所述模块壳体(8)，

设置所述外围设备模块(7)使得介质(2)位于所述窗(5)以及出口区域(9)的范围中，

其中，所述外围设备模块(7)被实施为插入到所述壳体(3)，并且

所述振荡换能器(6)被实施为压电换能器，用于在所述介质(2)中引起气穴的声波，

所述壳体(3)被实施为适配于可收缩组件。

2.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

所述可收缩组件是可收缩的浸没组件。

3.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

所述外围设备模块(7)机械地与所述壳体(3)连接。

4.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

所述振荡换能器(6)发射16kHz到200kHz频率的声波。

5.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

所述振荡换能器(6)被实施为径向振荡器、厚度振荡器或剪切振荡器。

6.如权利要求5所述的装置(1)，其特征在于：

所述振荡换能器(6)被实施为耦合的振荡器。

7.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

所述声波的频率对应于所述振荡换能器(6)的共振频率。

8.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

提供操作所述振荡换能器(6)和所述测量设备(4)的控制单元。

9.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：

所述测量设备(4)为浊度传感器。