CN108169140A - 用于确定与消光相关的被测量的方法及相应的传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定与消光相关的被测量的方法及相应的传感器装置。公开了一种用于确定介质中的与消光相关的被测量的方法，包括以下步骤：将光辐射到介质中并在第一路径长度(OPL1)之后测量消光(21，22，23)；将光辐射到介质中并在第二路径长度(OPL2)之后测量消光(31，32，33)，其中第一路径长度(OPL1)不同于第二路径长度(OPL2)，以及利用第一路径长度(OPL1)之后的消光(21，22，23)和第二路径长度(OPL2)之后的消光(31，32，33)确定与消光相关的被测量。另外，公开了一种用于执行该方法的传感器装置(10)。

Description

用于确定与消光相关的被测量的方法及相应的传感器装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定与消光相关的被测量的方法。本发明还涉及一种用于实现该方法的传感器装置。
背景技术
与消光相关的一个被测量例如是浓度。用于确定介质中物质浓度的光学传感器通常以紫外(UV)、可见(VIS)、近红外(NIR)和/或中红外(MIR)光波长进行操作。因此，通常执行消光测量。在下文中，应当利用浓度的被测量来描述问题，但类似地可利用与消光相关的附加被测量来描述问题。
用于确定浓度的测量原理是基于朗伯-比尔定律。对于低浓度和中等浓度，存在光的消光与待测物质的浓度之间的线性相关，公式为：
E为消光，I0为入射光的强度，I为透射光的强度，ε为消光系数，c为浓度，并且OPL为光学路径长度，即辐射光穿过待测介质的路径。在这方面，同样参见图1。强度10可以经由参考测量来确定。在较高的浓度下，这种线性相关不再适用。
光源1将辐射通过光学窗口2发送到介质5中。在检测器3处测量经过介质5后经常是经过滤光器4后剩余的辐射。光从而由光电二极管转换为光电流。借助于在相关联的测量换能器(未示出)中的数学模型例如关联表将确定的消光最终转换为浓度。
消光具有几个不同的原因。一方面是位于介质中的颗粒处的散射，并且另一方面是辐射在介质中和颗粒处的吸收。作为额外的原因，利用这种测量原理的衍射和反射起到次要和可忽略的作用。
如果以如上所述的方式测量消光，则吸收和散射的比例不能分离，并且通常有效地确定待确定物质的浓度是不可能的。每种介质需要单独的模型。待测介质(例如，污水污泥)是类似介质(各种污泥)类别的成员，然而在它们的组成以及因此它们的吸收散射比方面有所变化。如果仅测量消光，则将该比率作为常数插入模型中，这就是为什么它仅对于特定的物质也是有效的。可能从而会出现问题。如果介质的组成从系统到系统发生变化，则每个系统都需要不同的模型。初始化后必须调整模型。首先，这是复杂的，并且对于连续运行的系统不总是可能的。如果处理介质随着时间的推移(例如夏季/冬季)而变化，则必须依次调整模型，否则必须在不同模型之间进行切换。
发明内容
本发明是基于创建一种用于确定与消光相关的被测量的通用方法的目的，该被测量与测量位置和环境条件无关。
该目的通过包括以下步骤的方法实现：将光辐射到介质中并在第一路径长度之后测量消光，将光辐射到介质中并在第二路径长度之后测量消光，其中第一路径长度不同于第二路径长度，以及利用第一路径长度之后的消光和第二路径长度之后的消光确定与消光相关的被测量。
如果现在使用两个路径长度，或者如果从两个不同的路径长度确定消光，则可以因此从两个不同的消光中明确地确定与消光相关的被测量，特别是即使当介质未知时也是如此。此外，该方法也可以被应用于在消光和待确定的被测量之间不存在线性相关的测量领域中。
在一个实施例中，模型将第一路径长度后的消光和第二路径长度后的消光和与消光相关的被测量相关联。因此给出了与环境条件和测量位置无关的通用模型。
在一个实施例中，与消光相关的被测量是吸收、散射、浓度或浊度，并且对于这些与消光相关的被测量中的每一个使用单独的模型。因此，可以彼此独立地确定这些被测量中的每一个。由于吸收和散射是消光的主要原因，所以给定一个的知识，可以确定相应的另一个。对于未知介质和待确定的被测量的未知目标范围，不可能利用一个被测量的知识不加调整地去确定额外的被测量(除了在前述句子中描述的吸收和散射之间的相关性)。使用两个路径长度并且对于每个被测量单独地使用模型，其中相应的模型考虑了两个路径长度的消光，可以明确地确定相应的被测量。
该目的进一步通过设计成执行如上所述的方法的传感器装置实现。为此，传感器装置包括至少一个用于将光辐射到介质中的光源和至少一个用于测量消光的检测器。布置至少两个光源或两个检测器，使得可以确实光是否已被经由第一或第二光学路径长度引导。在一个实施例中，该装置包括将光转向一个或另一个路径或者遮蔽一个路径的致动器。
在一个实施例中，传感器装置包括壳体，该壳体包括第一和第二路径长度。因此只有一个壳体是必要的；所有必需的部件例如(一个或多个)光源、(一个或多个)检测器、(一个或多个)透镜等从而被容纳在壳体中，并因此保护它们免于介质的影响。
在一个实施例中，传感器装置包括用于在第一路径长度的方向上辐射光的第一光源，其中传感器装置包括用于在第二路径长度的方向上辐射光的第二光源，其中传感器装置包括用于测量第一路径长度之后的消光的第一检测器，并且其中传感器装置包括用于测量第二路径长度之后的消光的第二检测器。这种设计的生产和维护比较简单。
在一个实施例中，光源被设计为(一个或多个)LED。
在一个实施例中，在借助于第一LED辐射具有第一波长的光之后，进行在第一路径长度之后的消光的测量，并且在借助于第二LED辐射具有第二波长的光之后，进行在第二路径长度之后的消光的测量。
在一个实施例中，第一和第二波长因此是相同的。在一个实施例中，辐射红外光。
在一个实施例中，附加检测器与每个光源或多个光源相关联，该附加检测器被设计成检测光源或多个光源中的强度变化。可借助于附加检测器来检测LED的老化迹象、由于温度影响所引起的LED特性变化、或者LED的期望属性的一般偏差。
在一个实施例中，传感器装置被设计为固体含量传感器。
附图说明
参照如下附图更详细地说明本发明。这些附图显示：
图1是现有技术的装置的示意图，
图2a和图2b是要求保护的两个实施例中的传感器装置的示意图，
图3是可以从消光确定浓度的模型，并且
图4是给出的两个路径长度的消光相对于浓度的二维特征图。
在附图中，相同的特征采用相同的附图标记表示。
具体实施方式
要求保护的传感器装置具有附图标记10并且在图2a和图2b中进行了描述。原则上该装置与现有技术的装置相似(见图1)；因此这里仅讨论差异。在图1中未示出能够发散、聚焦、线性化、平行化、遮蔽或偏转光的透镜或其它的光学元件6。
所描绘的窗口2被设计为例如由玻璃或塑料制成的光学窗口。
显着的差异是要求保护的传感器装置10包括两个光学路径长度OPL1和OPL2，其中这些光学路径长度彼此不同。图2a示出了具有光源1和检测器3的实施例。图2b示出了具有两个光源1和两个检测器3的实施例，每个光学路径一个光源和一个检测器。对于要求保护的方法，只要各个光学路径OPL1和OPL2不同，就可以使用两个完全不同的传感器中的任一个。或者，两个光源1和/或检测器3可以被布置在传感器内。光源1和检测器3被布置在壳体11内。
在一个实施例中，光源1发射红外光，其中这些光源被设计为LED。原则上，可以使用LED发射不同的波长。在一个实施例中，波长是相同的。
在一个实施例中，分配给每个LED 1的检测LED的强度变化的附加检测器与每个LED 1相关联。这可能是由于老化或温度波动引起的。如果LED 1不再具有期望的属性，则必须被更换掉。
与消光相关的被测量例如介质5中的物质浓度以及固体浓度可以例如用传感器装置10来确定。也可以确定与消光相关的附加的被测量，诸如吸收、散射和浊度。在下文中首先讨论浓度。
图3呈现的浓度和消光的相关是非线性的，并且对于不同的介质和光学路径长度是不同的。图3显示了将消光E映射到浓度c的模型。两者均以任意单位a.u呈现。为此传感器装置10还包括例如测量换能器的处理单元，或者通过直接处于传感器中的处理单元，利用此处理单元可以进行该计算。为此，该模型被存储在处理单元的存储器中。为此在图3中描述了三种介质(实线21和31、22和32、23和33)和两个光学路径长度(实线和虚线)。因此，下面将结合图3说明要求保护的方法。
如果在路径长度的第一个处测得消光为1.0(这方面参见实线21，22，23)，取决于介质，在图3中得到不同的浓度，即大约3、7或14g/L。由于介质或其组成是未知的，消光与浓度的映射因此不是明确的。如果第二路径长度的消光值是附加地已知的(参见虚线31，32，33；在该示例中，因此大约为0.6、0.75或0.9)，则关联是确定的。该模型同样被存储在处理单元中并且相应地被计算。
图4示出了其扩展，即没有离散的曲线，而是二维特征图。这因此对应于二维模型。在x轴或y轴上，消光Am，5mm和Am，10mm被列在两个不同的路径长度处，即5mm和10mm。z轴显示了与不同路径长度处的相应消光相关的浓度。
因此可以明确地确定浓度，与介质并且与数值范围无关。
对应于浓度模型，可以创建用于确定吸收、散射和浊度的附加模型。这些模型也被存储在处理单元中。由于可以为四个被测量中的每一个存储模型，因此可以彼此独立地确定这些被测量。为此，整个消光基本上包括吸收和散射。
有可能通过使用变化的光学路径长度来确定吸收和散射。
附图标记列表
1 光源
2 窗口
3 检测器
4 滤光器
5 介质
6 透镜
10 传感器装置
11 壳体
21 OPL1处的消光
22 OPL1处的消光
23 OPL1处的消光
31 OPL2处的消光
32 OPL2处的消光
33 OPL2处的消光
c 浓度
E 消光
OPL 光学路径长度
OPL1 光学路径长度
OPL2 光学路径长度
ε 消光系数

Claims (9)

1.一种用于确定介质中的与消光相关的被测量的方法，包括以下步骤：
将光辐射到所述介质中并在第一路径长度(OPL1)之后测量消光(21，22，23)，
将光辐射到所述介质中并在第二路径长度(OPL2)之后测量消光(31，32，33)，其中所述第一路径长度(OPL1)不同于所述第二路径长度(OPL2)，以及
利用第一路径长度(OPL1)之后的消光(21，22，23)和第二路径长度(OPL2)之后的消光(31，32，33)确定所述与消光相关的被测量。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中模型将第一路径长度(OPL1)之后的消光(21，22，23)和第二路径长度(OPL2)之后的消光(31，32，33)和所述与消光相关的被测量相关联。
3.根据权利要求1或2中至少一项所述的方法，
其中所述与消光相关的被测量是吸收、散射、浓度或浊度，并且对于这些与消光相关的被测量中的每一个使用单独的模型。
4.一种用于确定介质中的与消光相关的被测量的传感器装置(10)，所述传感器装置(10)被设计为执行根据权利要求1至3中一项所述的方法，
其中所述传感器装置(10)包括至少一个用于将光辐射到介质中的光源(1)，并且
其中所述传感器装置(10)包括至少一个用于测量消光的检测器(3)。
5.根据权利要求4所述的传感器装置(10)，
包括壳体(11)，所述壳体(11)包括第一和第二路径长度(OPL1，OPL2)。
6.根据权利要求4或5所述的传感器装置(10)，
其中所述传感器装置(10)包括用于在所述第一路径长度(OPL1)的方向上辐射光的第一光源(1)，
其中所述传感器装置包括用于在所述第二路径长度(OPL2)的方向上辐射光的第二光源(1)，
其中所述传感器装置(10)包括用于测量第一路径长度(OPL1)之后的消光(21，22，23)的第一检测器(3)，并且
其中所述传感器装置(10)包括用于测量第二路径长度(OPL2)之后的消光(31，32，33)的第二检测器(3)。
7.根据权利要求4至6中至少一项所述的传感器装置(10)，其中所述光源(1)被设计为LED。
8.根据权利要求6或7所述的传感器装置(10)，
其中附加检测器与所述光源(1)或多个所述光源(1)相关联，所述附加检测器被设计成检测所述光源(1)中的强度变化。
9.根据权利要求4至8中至少一项所述的传感器装置(10)，
其中所述传感器装置(10)被设计为固体含量传感器。
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