CN104111237A - 用于光学地测量介质的一种或更多种物理、化学和/或生物学过程变量的布置 - Google Patents

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Abstract

本发明有关于一种用于光学地测量介质（5）的一种或更多种物理、化学和/或生物学过程变量的布置（1），其中所述介质（5）位于管道（3）中，特别地所述介质（5）流经所述管道（3），其中所述布置（1）包括外壳（4）并且所述外壳（4）被具体实施以用于在所述管道（3）中的固定，其中所述外壳（3）被具体实施以用于容纳用于将光通过窗口区域（9）发射到所述介质（5）中的至少一个光源（7）以及用于通过所述窗口区域（9）从所述介质（5）接收光的至少一个光接收器（8），并且其中所述光被所述介质（5）散射并且由所述光接收器（8）接收的光强度是用于所述物理、化学和/或生物学过程变量的量度，其特征在于，所述光源（7）被布置为使得所述光在所述在所述管道（3）的纵向方向（L3）上介质（5）中传播。本发明还涉及一种浊度传感器。

Description

用于光学地测量介质的一种或更多种物理、化学和/或生物学过程变量的布置
技术领域
本发明涉及一种用于光学地测量介质的一种或更多种物理、化学和/或生物学过程变量的布置。本发明还涉及一种浊度传感器。
背景技术
浊度是由不溶解物质的存在所导致的、介质例如液体的透明度的变小，这是因为被辐射到介质中的光在这些不溶解物质上散射。在光学浊度传感器的情况下，通过测量该散射光确定液体的浊度值。
在本发明的意义上，特别是通过处于新鲜和工业水以及气体中的浊度传感器执行浊度测量。此外，本发明关注类似过程变量的测量，诸如固体含量或污泥水平。适合确定相应过程变量的测量装置由恩德莱斯和豪瑟尔集团公司以大量变体，例如以商品名称“TurbimaxCUS51D”，制造和销售。
通常，传感器被布置在外壳中，并且诸如上文所述地，光学发生对过程变量的确定。在该情况下，从至少一个光源发出特定波长的电磁波，该电磁波被正在测量的介质散射，并且散射波被光接收器接收。在该情况下，“光”在本发明的意义上不限于电磁波谱的可见范围，而是能够为任何波长的电磁辐射，特别是还有处于远紫外（UV）和红外（IR）波长范围内的辐射。例如，光学组件的电磁波的波长通常处于近红外，例如在860nm。
被用作光源的最通常为窄带辐射器，例如发光二极管（LED）。在该情况下，LED被用于产生处于适当波长范围内的光。相应地，被用作光接收器的能够为光电二极管，其从所接收的光产生接收器信号，例如光电流或光电压。
传感器被安装在密闭容器内。当测量信号被传感器检测时，在密闭容器壁上散射或反射的光破坏测量信号。由于这些壁体的影响效果随着介质的浊度变小而增大（介质消光更小，并且测量信号更小），在测量介质模糊较小的情况下（例如，在净水或饮用水域中），壁体影响使得几乎不可能测量浊度。
因此，在实践中，做出了努力以将光学传感器定位得以尽可能大的间距远离壁体，例如使用大容积容器。
然而，从用户的观点看，通常优选的是将传感器直接定位在管线中，分别在过程管线中。通常，光学元件被外部定位在传感器的笔直、直角端面上，并且所发出的光被倾斜地辐射到介质中。由于在这种管道安装的情况下，传感器被表面从外围围绕，所以根据管道的直径，壁体影响导致不同的干扰。
通常，在操作说明中指示，传感器应被定位得尽可能远离壁体或远离地面，或者定向传感器以使得所发出的光不指向壁体区域或地面。因而，通常推荐传感器应倾斜安装，即相对于管道或密闭容器成一定角度。然而，在实践中是不期望这种定位，例如45°角的定位，这是因为管道接头、法兰等等，通常具体实施为关于管轴线成90°。
因此，通常必须在安装后状态中重新调整传感器，以便使它们匹配具体情况。例如，这能够通过调节一个或更多测量点发生。在该情况下，被壁体影响破坏的测量信号与基准值相关联。另一种方法是根据安装情况，通过试验确定的修正因子调节测量值。在其它情况下，在工厂中，传感器与管件或者与流通池协作，并且它们被作为匹配“对”交货。在所有所述实例中，结果都是给用户造成很大麻烦，这不解决而是最多改善实际问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于实现一种结合尽可能简单安装的对干扰壁体影响的最小化。
通过下列布置实现该目的，其中该布置包括外壳并且外壳被具体实施以用于在管道中的固定，其中外壳被具体实施以用于容纳至少一个光源和至少一个光接收器，至少一个光源用于将光通过窗口区域发送到介质中，至少一个光接收器用于通过窗口区域从介质接收光，并且其中光被介质散射并且由光接收器接收的光强度是物理、化学和/或生物学过程变量的量度。光源被布置为使得光在管道的纵向方向上在介质中传播。
因而最小化并且在给定情况下完全消除了密闭容器的壁体特别是管壁上的反射和散射导致的干扰影响。不再必需在安装该布置后重新调节，也不需要通过试验修正因子修正。
优选地，外壳被布置成本质上垂直于管道的纵向轴线。因而，该布置的安装简单，并且可能通过已确定的方法，例如使用法兰，安装。
在优选实施例中，在窗口区域处设置具有接触介质的外表面的第一界面，其中光源被布置为使得光在第一界面处折射后，在管道的纵向方向上传播。因而，光源本身不需要被布置在管道的纵向方向上。
在另一优选实施例中，在窗口区域处设置具有接触介质的外表面的第二界面，其中光接收器被布置为使得在介质中，优选以90°，散射的光在第二界面上折射后，在光接收器方向上传播。取决于应用的类型，诸如ISO7027或EPA（环境保护署）的不同标准要求测量特定角度的散射光。在该情况下，通常是关于入射方向90°和/或135°。所提出的实施例提供，光接收器接收90°散射光，即使当例如由于折射，光接收器未被定位为关于入射方向成90°时。
在优选实施例形式中，第一界面和第二界面被布置成关于外壳的纵向轴线成一定角度，特别是45°。因而，介质直接在窗口区域上流过，并且这促成自清洁效果（因而，介质清洁窗口区域）。同样地，气泡能够自动滑出。此外，在该布置的情况下，不存在光串扰，这是因为来自光源的光不能在直接路径上到达光接收器。
在优选实施例中，接触介质的外壳的所有表面和边缘都为光滑的并且被倒角，以便进一步有助于自清洁。同样地，也能够更易于执行机械清洁。
在优选变体中，窗口区域成阶梯状，并且第一界面和第二界面被布置成关于彼此成90°角。同样地，在该实施例中，最小化干扰壁体效果，并且促成自清洁。
为了能够不发生光源对光接收器的直接光串扰，外壳包括凸出体，该凸出体被具体实施为使得光源发出的光不在直接路径上到达光接收器。
在实施例中，光源被布置成垂直于外壳的纵向轴线。
在实施例的优选形式中，窗口区域包括保护壳，保护壳被具体实施为其对光透明。特别地，窗口区域由保护壳形成。保护壳例如由石英玻璃形成。通过使用保护壳，窗口区域不再需要通过粘合剂，焊料等等与外壳连接。
本发明还涉及一种包括根据一个上述实施例的布置的浊度传感器。优选地，浊度传感器被用于低浊度域，例如用于饮用水测量。
附图说明
现在将基于附图，更详细地解释本发明，附图中的图示出如下：
图1a管道上的本发明的布置，
图1b图1a的布置的横截面图，
图2本发明的布置的实施例，
图3a本发明的另一布置的实施例，
图3b图3a的布置的横截面，
图3c图3a的布置的实施例的横截面，
图4a本发明的另一布置的实施例，和
图4b图4a的布置的横截面。
在附图中，相同特征被给予相同的标记。
具体实施方式
本发明的布置整体具有标识符1，并且在图1a中示出。非限制地，图1a示出浊度传感器2，其包括布置1。浊度传感器2被布置在密闭容器上，特别是管道3上。这通过固定装置6，诸如例如法兰实现。同样地，浊度传感器2能够被布置在浸没或可缩回组件等等上。位于管道3中的是介质5。特别地，介质5流经管道3。将被测量的介质5最通常为液体，通常是用于工业使用的水，或者废水。然而，该布置例如也可应用于分析新鲜水，特别是饮用水。浊度传感器2包括外壳4，其具有纵向轴线L4。浊度传感器2被布置成本质上垂直于管道3的纵向轴线L3。
图1b示出穿过浊度传感器2的横截面。为了测量至少一个物理、化学和/或生物学过程变量，布置1包括测量设备，该测量设备具有至少一个光源7和光接收器8。通过连接15，光源7和光接收器与控制单元（未示出）连接。控制单元例如能够为测量发射器，控制站等等。
光接收器8例如被具体实施为光电二极管，其从所接收的光产生接收器信号，例如光电流或光电压。
光源7，通常是LED，在介质5的方向上发出光。在该情况下，“光”在本发明的意义上不限于电磁波谱的可见范围，而是能够为任何波长的电磁辐射，特别是还有处于远紫外（UV）和红外（IR）波长范围内的辐射。特别地，能够使用860nm的波长。
光从外壳4穿过对所辐射的光透明的光窗口区域9。窗口区域9例如由蓝宝石玻璃、石英玻璃等等组成。窗口区域9能够被具体实施为单个大窗口，或者多个小窗口（其每个都用于光源/光接收器）。窗口9和外壳4彼此刚性连接。特别地，窗口区域9和外壳4相对于介质密封地彼此连接。窗口区域9和外壳4例如通过粘合剂、焊料、铜焊等等彼此连接。
光源7被布置在外壳4中以使得所辐射的光在管道3的纵向轴线L3的方向上传播。通过这种方式，能够防止在管壁的方向上发出光，由此发生干扰。
图1a示出第一实施例。在窗口区域9处设置的是第一界面10；也结合参见图1b。光源7被布置为使得光在第一界面10处折射后，在管道3的纵向方向L3上传播。换句话说，光源7在图1b中不被定位在管道3的纵向方向L3中，并且界面10处的折射实现了光在纵向方向L3上传播。
然后，光被介质散射，即介质5产生散射12。存在用于然后应如何记录所散射的光的不同方法。实例包括记录关于入射方向90°或135°。图1b示出以90°角的记录。
图1b示出第二界面11被设置在窗口区域9中。在该情况下，光接收器8被布置为使得所散射的光在第二界面11处折射后，在光接收器8的方向上传播。换句话说，光接收器8在图1b中不被定位在外壳4的纵向方向L4中，并且在界面11上以90°散射的光的折射实现了该光在光接收器8的方向上传播。因而，这不导致光串扰，因为来自光源7的光不在直接路径上到达光接收器。
被用作用于布置1，特别是外壳3，的材料能够为不锈钢、合成材料，诸如塑料，或陶瓷。如上已提及的，浊度传感器通常被应用于饮用水和废水分析。选择材料以使得它们适合于例如应用于废水处理的应用。因而，合成材料必须为相应的耐腐蚀合成材料，诸如PTFE等等。
在图1a、图11b和图2中，第一界面10和第二界面11被布置成关于外壳4的纵向轴线L4成一定角度，尤其是45°。该倾斜布置促成窗口区域9的自清洁，并且可能发生气泡自动滑走。
图2示出布置1的介质侧一端的更大表示图。明显地，接触介质5的外壳4的所有表面和边缘都为光滑的并且被倒角。这最小化外壳4的流动阻力。
图3a示出另一实施例。在该情况下，窗口区域9被具体实施为阶梯形，其中界面10和11被布置成关于彼此成90°角。因而，窗口区域9包括两个部分9.1、9.2，其中两部分彼此垂直。图3b示出该实施例的横截面。因而，光源7被布置成垂直于外壳4的纵向轴线L4，并且在管道3的纵向轴线L3的方向上发射。因而，光源7从窗口9的部分9.1发射。光接收器8被布置成平行于纵向轴线L4。因而，光接收器8通过窗口区域9的部分9.2接收。
为了不发生光源7对光接收器8的直接光串扰，外壳4包括凸出体13；结合参见图3c。因而，不存在直接光路径。为了使发射的光到达接收器，其必须被介质散射。光源7和光接收器8在图3c中被具体实施为使得以90°散射的光击中光接收器8。
图4a示出另一实施例。图4b示出其横截面。窗口区域9包括保护壳14。该保护壳14对光透明，因而例如由石英玻璃制成。如果保护壳14被布置在整个窗口区域9上，就不需要诸如上文所述的独立的窗口（例如，比较图2）。与在不存在保护壳14的实施例中一样，凸出体13也能够被用于防止光源7对光接收器8的直接光串扰。外表面，因而为接触介质的部分，形成同质主体，并且因而能够相对简单地清洁。例如，保护壳14通过粘合剂、焊接或通过具有追加密封的机械连接，与外壳连接。
图4a和图4b示出具有阶梯状窗口区域9的保护壳14。同样地，保护壳能够与下列实施例一起使用，其中窗口区域9，特别是第一和第二界面10、11，被布置成关于纵向轴线L4成一定角度（比较图2）。
标识符列表
1   布置
2   浊度传感器
3   管道
4   外壳
5   介质
6   固定装置
7   光源
8   光接收器
9   窗口区域
9.1 9的第一部分
9.2 9的第二部分
10  第一界面
11  第二界面
12  散射
13  凸出体
14  保护壳
15  连接线
L3  3的纵向轴线
L4  4的纵向轴线

Claims (11)

1.一种用于光学地测量介质（5）的一种或更多种物理、化学和/或生物学过程变量的布置（1），
其中所述介质（5）位于管道（3）中，特别地所述介质（5）流经所述管道（3），
其中所述布置（1）包括外壳（4）并且所述外壳（4）被具体实施以用于在所述管道（3）中的固定，
其中所述外壳（3）被具体实施以用于容纳至少一个光源（7）以及至少一个光接收器（8），所述至少一个光源（7）用于将光通过窗口区域（9）发射到所述介质（5）中，所述至少一个光接收器（8）用于通过所述窗口区域（9）从所述介质（5）接收光，并且
其中所述光被所述介质（5）散射并且由所述光接收器（8）接收的光强度是用于所述物理、化学和/或生物学过程变量的量度，
其特征在于，
所述光源（7）被布置为使得所述光在所述管道（3）的纵向方向（L3）上在所述介质（5）中传播。
2.根据权利要求1所述的布置（1），
其中所述外壳（4）被布置成本质上垂直于所述管道（3）的所述纵向轴线（L3）。
3.根据权利要求1或2所述的布置（1），
其中具有接触介质的外表面的第一界面（10）设置在所述窗口区域（9）处，
其中所述光源（7）被布置为使得所述光在所述第一界面（10）处折射后，在所述管道（3）的所述纵向方向（L3）上传播。
4.根据权利要求1-3的至少一项所述的布置（1），
其中具有接触介质的外表面的第二界面（11）设置在所述窗口区域（9）处，
其中所述光接收器（8）被布置为使得在所述介质（5）中，优选以90°，散射的光在所述第二界面（11）上折射后，在所述光接收器（8）方向上传播。
5.根据权利要求3或4所述的布置（1），
其中所述第一界面（10）和所述第二界面（11）被布置成关于所述外壳（4）的所述纵向轴线（L4）成一定角度，特别是45°。
6.根据权利要求1-5的至少一项所述的布置（1），
其中接触所述介质（5）的所述外壳（4）的所有表面和边缘都为光滑的并且被倒角。
7.根据权利要求1、2、3、4或6的至少一项所述的布置（1），
其中所述窗口区域（9）成阶梯状，并且所述第一界面（10）和所述第二界面（11）被布置成关于彼此成90°角。
8.根据权利要求1、2、3、4、6或7的至少一项所述的布置（1），
其中所述外壳（4）包括凸出体（13），所述凸出体被具体实施为使得所述光源（7）发出的光不在直接路径上到达所述光接收器（8）。
9.根据权利要求7或8所述的布置（1），
其中所述光源（7）被布置成垂直于所述外壳（4）的所述纵向轴线（L4）。
10.根据权利要求1-9的至少一项所述的布置（1），
其中所述窗口区域（9）包括保护壳（14），所述保护壳（14）被具体实施为其对光透明。
11.一种浊度传感器（2），
包括根据权利要求1-10的至少一项所述的布置（1）。
12.根据权利要求11所述的浊度传感器（2），
用于在低浊度域中的应用，特别是用于测量饮用水。
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