CN107064119A - 用于监视光学传感器的光源的器件 - Google Patents

用于监视光学传感器的光源的器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于监视光学传感器的光源的器件，该光学传感器被设计用于确定在介质中的过程自动化技术中的被测量参数的被测量值，包括：用于发送透射光的至少一个光源，其中光源与用于接收接收光的接收器相关联，其中光路从光源穿过可填充有介质的测量腔室延伸到接收器，其中透射光，借助于相互作用能够取决于被测量参数，沿着光路被转换成接收光，其中接收器信号能够由被转换的接收光产生，并且其中被测量值能够由接收器信号确定；以及与光源相关联的至少一个监视单元，具有用于监视光源的敏感元件，其中监视单元接收透射光。该器件的特征在于监视单元的敏感元件指向光路的方向并且接收来自与光路相反的方向的光。还涉及在分析器中使用这样的器件。

Description

用于监视光学传感器的光源的器件
技术领域
本发明涉及一种用于监视光学传感器的光源的器件，该光学传感器布置在介质中，用于在过程自动化技术中确定被测量参数的被测量值。本发明还涉及在分析器中使用该器件。本发明不限于在过程自动化技术中应用，还包括至少相邻的技术领域，诸如实验室技术。
背景技术
在各种光学传感器中，来自光源的光与介质例如气体或者液体形成接触，因此，借助于光与介质之间的相互作用改变光的特性。例如，在光度计中，光通过介质中的吸收被衰减。在发光(luminescence)传感器中，介质由入射光被带入激发状态，并且随后在向基态转变的过程中，可能甚至在与入射光的波长不同的波长处发射光辐射。在散射光传感器中，光在介质中被未溶解的颗粒散射。
所有这些效应现在都被用于测量介质的特定目标参数。在吸收或者发光测量中，这个目标参数是例如介质中的物质的浓度，并且在散射光测量中，这是例如介质的浊度。目标参数是通过监视在与介质相互作用之后的光的特性并且通过将由此所测量的、变化的光的特性与该目标参数相关联来确定的。
然而，在光学传感器中，入射光的未知的变化、例如强度或者光谱分布的变化因此导致不期望的被测量值变化。因为在大多数情况下，例如，由于光源的老化、温度变化等，入射光的变化不能够被完全防止，光学传感器的测量精度需要监视光源。
通常，这种监视借助于额外的光检测发生。所发射的光的特性因而在光接触介质之前被监视。这样，入射光的变化能够被检测到并且在被测量值计算中被补偿。
典型地，对于这种光源监视，存在两种不同的可能实施方案。每种实施方案中，光源的光“在一侧上”以特定角度被测量一优选地90°；在这方面参见图1a。可替换地，光“向前”朝向测量介质发射并且借助于分束器分离，其中转向的光束被监视；参见图1b。图1a/b示出光源1，该光源1经由光路4将光发射至待测量的介质15中、穿过窗口21进入测量腔室5。穿过另一窗口21，光接收器2检测被介质15改变了的光。在图1a中，光监视单元6相对于光源1以90°布置。在图1b中，另外布置分束器22。
在这里所示出的光源监视的两种变型(“朝向侧边”和“利用分束器向前”)中，在实施过程中可能发生各种问题。沿着光路4，即，沿着从光源1到光接收器2的路径，需要很多空间。如果光源1的光学部件安装在电路板上，那么附加的电路板或者柔性电路板必须用于光源监视。两种情况都是成本密集的。由于时间或者温度，也必须考虑附加部件例如分束器22的行为的可能的变化。
发明内容
因此，本发明是基于利用光学传感器提供节约成本和节省空间的光源监视的目的。
该目的通过器件实现，该器件包括：用于发送透射光的至少一个光源；其中该光源与用于接收接收光的接收器相关联，其中光路从光源穿过可填充有介质的测量腔室延伸到接收器，其中透射光，借助于相互作用一具体地，吸收、散射、以及荧光一能够取决于被测量参数，沿着光路被转换成接收光，其中接收器信号能够由被转换的接收光产生，并且其中被测量值能够由接收器信号确定；以及与光源相关联的至少一个监视单元，具有用于监视光源的敏感单元，其中监视单元接收透射光。该器件的特征在于，监视单元的敏感单元指向光路的方向并且接收来自与光路相反的方向的光。
在上面提及的光路的定义中，即，从光源到接收器，在优选的实施例中，监视单元因而位于光源后面。
这导致节约成本和节省空间的构造。
优选地，光源和监视单元是SMD部件。
在另一有利的实施例中，光源和监视单元被布置在共用电路板的不同侧上。因此，能够容易实现电和光连接。
在优选的演变中，电路板包括开口，其中来自光源的透射光穿过所述开口到达监视单元。因而确保不能穿过电路板照射的光到达监视单元。
在有利的实施例中，该器件包括孔隙，该孔隙沿着光路位于光源后面，其中被该孔隙反射的光用于监视光源。因而朝向接收器发送的光被用于监视光源。
为了增加监视单元处的信号强度，该孔隙包括高度反射的或者漫散射的表面。
在另一有利的实施例中，监视单元偏离光路布置。因而，敏感元件、光源以及接收器不形成(假想的)直线；相反，在光路和从监视单元到光源的光路径之间形成多于0°的角度。
优选地，在光路和从光源到监视单元的光路径之间的该角度超过90°，并且最高达180°。
通过在用于在过程自动化技术中确定被测量参数的被测量值的分析器(具体地，用于分析至少一个物质浓度)中使用至少一个如上所述的器件进一步实现该目的。
在本发明的意义上的“分析器”将意味着在过程自动化技术中的测量装置，该测量装置借助于湿化学方法测量某些物质含量，诸如例如待分析的介质中的离子浓度。为了这个目的，从待分析的介质采取样品。通常，样品的采取是通过分析器自身借助于例如泵、软管、阀等以全自动的方式来执行的。为了确定某些种类的物质含量，将专门对于相应的物质含量显影的(developed)并且在分析器的壳体中可用的试剂与待测量的样品混合。随后通过适当的测量器件诸如例如光度计测量由此引起的混合物的颜色反应。为了更加精确，样品和试剂被混合在试管(cuvette)中，并且然后使用透射光方法利用不同的波长来光学地测量。因此，基于光吸收和存储的校准模型，被测量值由接收器确定。典型的目标被测量值是例如，铵、总磷酸盐、化学需氧量等。
同时，根据本发明的器件还可用在其它光学单元中，诸如浊度传感器或者光度计。
附图说明
参考下面的附图更加详细地解释本发明。附图示出：
图1a/b为根据现有技术的器件，
图2a/b为根据本发明在第一和第二实施例中的器件，
图3为根据本发明在第三实施例中的器件；并且
图4为根据本发明的分析器，其中使用所述器件。
在附图中，相同的特征用相同的附图标记进行标记。
具体实施方式
根据本发明，提出了用于监视光学传感器3的光源1的器件20，该光学传感器3用于确定在介质15的过程自动化技术中的被测量参数的被测量值。
根据本发明的光源监视是基于布置在光源1的后面(即与测量流的方向相反，即与光路4相反)的监视单元6。光路4在这里被定义为从光源1到接收器2的方向。利用了两个事实：光源1还向后发射一些光，并且光源监视与测量信号检测相比需要少得多的光，因为，一方面，在光源监视中，不存在通过与介质15的相互作用光衰减；并且另一方面，作为直接路径的结果的光学损耗少于测量信号的光损耗。这在图2a中示出。在这种情况下，光源1被设计为发光二极管(LED)，诸如红外二极管或者蓝色发光二极管。光接收器2被设计为光电二极管。监视单元6也被设计为光电二极管。光电二极管6的敏感元件8被定向成使得它指向光源1的方向。换句话说，检测器6的敏感元件8指向光路4的方向，但是接受来自与光路4相反的方向的光。
在优选的实施例中，光源1和光源监视6两者都能够安装在同一电路板23上，例如利用SMD(表面安装器件)LED和SMD光电检测器能够实现。在这种情况下，用于监视的光直接穿过电路板23，例如，在红外二极管中，并随后通过光电二极管6被转换成电信号。
如果上面所描述的实施例由于电路板23的吸收(剩余的光强度太低，例如当使用蓝色光源1和绿色电路板23时)而不可能穿过电路板23，则也能够在LED 1和检测器6之间添加开口7，诸如通孔或者狭槽，穿过该开口，光直接照射(impinge)在检测器6上；在这方面参见图2b。
另一可能性在于：以穿过电路板23的开口7稍微偏离LED 1的方式附接光电二极管6，光电二极管6附接在后侧上。对于测量，测量光穿过孔隙18，该孔隙18布置在LED 1的前方，并且孔隙18的表面19构成为使得它将被阻挡住的光在与光路4相反的方向上反射。这样，由光源1在测量腔室5的方向上发射的光可用于光源监视6。孔隙18能够例如被设计为反射的，从而接收尽可能多的信号；或者甚至漫散射的，从而平均化所发射光束的不均匀性；在这方面参见图3。
用于光源1的监视6的器件20被用在例如，浊度传感器或者光度传感器中。
图4示出另一可能的应用，就是，在分析器9中，下面将对其更详细描述。
分析器9是用于测量物质的直接吸收或者颜色的强度，例如，这是通过将待确定的物质借助于试剂转换成颜色复合物来产生的。其它可能的测量的参数是，如所提及的浊度，或者甚至荧光等。
进一步应用示例是测量化学需氧量、或者COD，其中COD是总和参数，其意味着被测量值由物质的总计产生，并且因而不能够归因于一个单独的物质。在这种测量方法中，颜色的变化在反应器中产生；参见下面。其它可能的参数是例如，总碳量、总氮量、或者离子浓度，诸如铵、磷酸盐、硝酸盐等的离子的浓度。
样品13取自待分析的介质15，该介质能够是例如液体或气体。通常，样品13的采取借助于子系统14诸如，泵、软管、阀等全自动发生。为了确定某一种类的物质含量，一个或多个试剂16与要测量的样品13混合，所述一个或多个试剂16针对相应的物质含量而专门显影(developed)并且在分析器的壳体内是可用的。在图4中，这被象征性地示出。实际上，分析器壳体设置有带有不同试剂的不同容器，借助于前面提及的泵、软管、阀等抽取试剂，并且如果适用，混合试剂。同样地，对于每一个过程(采取样品、混合试剂等)，能够使用单独的泵、软管以及阀。
在这种混合物中由此所引起的颜色反应随后借助于适当的传感器3测量，例如，借助于布置在分析器壳体内的光度计17一并且在图4中仅象征性地示出。为了这个目的，样品13以及试剂16例如在测量腔室5中混合，并且使用透射光方法利用至少一个波长的光来光学地测量。在确定COD或磷酸盐离子的情况下，使用一种波长；然而，还有其中使用至少两种不同的波长的方法。在这些方法中，借助于已经提及的光源1，光透射穿过样品13。前面也提及的用于接收透射光的接收器2被分配给光源1，具有从光源1延伸到接收器的光学测量路径4(在图4中由虚线示出)。光穿过光学窗口21，该光学窗口21穿过测量腔室5。光源1包括例如一个或多个LED，即，每波长一个LED，或者具有宽带激励的适当的光源。可替换地，使用装配有适当的滤波器的宽带光源。典型的波长范围是从红外至紫外，即，从约1100nm至200nm。
基于光吸收和存储的校准功能，被测量值由接收器产生。当测量COD时，被测量值如所提及的借助于颜色的改变产生。开始，样品13与试剂16混合，并且执行基线测量。随后，添加额外的试剂16-特别地硫酸，并且加热混合物以加速反应。在一定时间段之后，执行高原测量(plateau measurement)。从高原测量和基线测量确定上升量，该上升量与所存储的校准曲线一起产生测量的值。
此外，分析器9包括上级单元(superordinate unit)，例如，具有微控制器11以及存储器12的传送器10。分析器9能够经由传送器10连接至现场总线。此外，分析器9经由传送器10被控制。因此，从介质15抽取样品13，例如是由微控制器11通过向子系统14发送适当的控制命令来启动的。同样地，由传感器3、就是光度计17进行的测量通过微控制器11来控制和调节。样品13的投配也能够通过传送器10控制。投配或多或少是全自动的。
附图标记列表
1.光源
2.光接收器
3.传感器
4.光路
5.测量腔室
6.监视单元
7.开口
8.6的敏感元件
9.分析器
10.传送器
11.微控制器
12.存储器
13.样品
14.9的子系统
15.介质
16.试剂
17.光度计
18.孔隙
19.18的表面
20.器件
21.窗口
22.分束器
23.电路板

Claims (9)

1.用于监视光学传感器(3)的光源(1)的器件(20)，所述光学传感器(3)被设计用于在介质(15)中确定过程自动化技术中的被测量参数的被测量值，包括：
-用于发送透射光的至少一个光源(1)，
其中所述光源(1)与用于接收接收光的接收器(2)相关联，
其中光路(4)从所述光源(1)穿过可填充有介质(15)的测量腔室(5)延伸到所述接收器(2)，
其中所述透射光，借助于相互作用一具体地，吸收、散射、以及荧光一能够取决于所述被测量参数，沿着所述光路(4)被转换成所述接收光，
其中接收器信号能够由被转换的所述接收光产生，并且
其中所述被测量值能够由所述接收器信号确定；以及
-与所述光源(1)相关联的至少一个监视单元(6)，具有用于监视所述光源(1)的敏感元件(8)，
其中所述监视单元(6)接收所述透射光，
其特征在于：
所述监视单元(6)的所述敏感元件(8)指向所述光路(4)的方向并且接收来自与所述光路(4)相反的方向的光。
2.根据权利要求1所述的器件(20)，
其中所述光源(1)和所述监视单元(6)是SMD部件。
3.根据权利要求1或2所述的器件(20)，
其中所述光源(1)和所述监视单元(6)被布置在共用电路板(23)的不同侧上。
4.根据权利要求3所述的器件(20)，
其中所述电路板(23)包括开口(7)，其中来自所述光源(1)的所述透射光穿过所述开口(7)到达所述监视单元(6)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的器件(20)，
其中所述器件(20)包括孔隙(18)，所述孔隙(18)沿着所述光路(4)位于所述光源(1)后面，其中被所述孔隙(18)反射的光用于监视所述光源(1)。
6.根据权利要求5所述的器件(20)，
其中所述孔隙(18)包括高度反射的或者漫散射的表面(19)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的器件(20)，
其中所述监视单元(6)被布置为偏离所述(4)光路。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的器件(20)，
其中在所述光路(4)和从所述光源(1)到所述监视单元(6)的光路径之间的角度超过90°，并且最高达180°。
9.在分析器(9)中使用根据权利要求1至8中的任一项所述的至少一个器件(20)，所述分析器(9)用于确定在过程自动化技术中的被测量参数的被测量值-具体地用于分析至少一个物质浓度。
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