CN116660149A - 传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器，该传感器具有：传输设备，其将透射辐射沿着传输路径向介质传输；和测量设备，其接收由透射辐射与介质的相互作用产生的测量辐射并确定介质的被测变量的测量结果，利用该传感器，能够以成本有效、节省空间的方式确定和/或监测与介质相互作用的透射辐射的至少一种性质，特别地，还考虑了沿着传输路径发生的透射辐射中的任何发生的变化。为此，该传感器包括：棱镜，其在端部处插入到传输路径中，透射辐射的第一部分沿着介质的方向传播穿过该棱镜，并且透射辐射的第二部分在该棱镜处被反射；以及参考检测器，其接收在该棱镜处被反射的第二分量，并提供表示在该棱镜处被反射的透射辐射的第二分量的至少一种性质的输出信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量介质的被测变量的传感器，该传感器具有：传输设备，该传输设备被设计用于将电磁透射辐射沿着传输路径向介质传输；以及测量设备，该测量设备被设计用于接收由透射辐射与介质的相互作用产生的测量辐射，用于基于所接收的测量辐射来确定被测变量，以及用于提供被测变量的测量结果。
背景技术
包括传输设备和测量设备透射辐射的传感器，其接收由透射辐射与介质的相互作用产生的测量辐射，诸如光学传感器和光谱仪，目前已经用于许多不同的应用中。利用这些传感器，能够取决于相互作用的类型测量不同的被测变量。从现有技术已知的示例包括用于测量介质的浊度的浊度传感器、用于测量介质中包含的固体浓度的传感器、荧光传感器、根据荧光猝灭原理工作的传感器、根据衰减全反射原理工作的传感器以及吸收传感器，诸如用于测量光谱吸收系数的传感器以及用于测量包含介质的分析物的浓度的传感器。
为了测量浊度以及测量介质中包含的固体的浓度，通常将光传输到介质中，并且测量由介质中包含的颗粒散射或反射的测量辐射的强度，测量辐射的强度取决于相应的被测变量。
对于荧光传感器，过程是这样的，即例如介质中包含的荧光成分被辐照到介质中的光激发，并且测量由该激发产生的荧光辐射的强度。
在DE 10 2017 115 661 A1中描述了荧光传感器的实施例。该传感器包括：传输设备，借助于该传输设备，透射辐射经由在端部处插入到传输路径中的棱镜被辐射到介质中；以及测量设备，借助于该测量设备，在棱镜的方向上反射的测量辐射被棱镜接收。
替代地，还能够根据荧光猝灭原理进行荧光测量。例如，该原理用于氧传感器。在这种情况下，传感器包括例如透氧层，该透氧层与介质接触并且包括荧光大分子，介质中包含的氧分子能够附着在该荧光大分子上，使得介质中包含的氧分子削弱由大分子发出的荧光。这种削弱使得例如可能基于荧光的强度来确定介质中包含的氧的氧分压。
利用吸收测量，借助于传输设备产生的透射辐射被传输例如穿过介质，并且被测变量，诸如介质的光谱吸收系数或介质中包含的分析物的浓度，基于从介质出射的测量辐射的光谱强度或强度谱来确定。
无论用于确定特定被测变量的相互作用类型如何，诸如吸收、反射、散射或荧光，所有这些传感器的问题是，透射辐射的至少一种性质特别是强度也总是基本上涉及测量。然而，这些性质能够随时间和/或取决于温度而变化。因此，传输设备诸如发光二极管的传输强度，例如，能够由于老化和/或取决于温度而改变。因此，透射辐射的与测量相关的性质的变化能够导致测量质量的损害，尤其是测量准确度的损害。
例如，通过这些传感器配备有用于测量和/或监测透射辐射的(一种或多种)性质(诸如透射辐射的强度)的参考检测器，能够解决这个问题。这提供的优点是，能够以及时方式更换交替的传输设备，和/或能够补偿由传输设备发出的透射辐射的可能随时间而改变的(一种或多种)性质对被测变量的测量的影响。
因此，参考检测器能够被布置，例如，使得它沿着不同于传输路径的参考路径直接接收由传输设备产生的一部分透射辐射。该解决方案能够在没有附加光学元件的情况下以容易且成本有效的方式实现。然而，缺点是，在沿着传输路径的介质方向上传输的辐射的性质的任何变化都不能利用该参考检测器检测到。例如，这样的变化能够由插入传输路径中的光学元件，诸如滤波器或透镜，引起，这些光学元件对透射辐射、对空间辐射性质和/或对可能随时间变化的光谱辐射性质具有影响。这些影响也可能对测量质量产生不利效果。这种情况在以下条件下能够发生：例如，如果光学元件老化，光学元件发生机械位移，例如由相对于传输路径的振动，和/或如果插入了具有取决于温度的光学性质的光学元件。
为了还能够考虑在沿着传输路径与介质相互作用的透射辐射中可能发生的变化，能够将分束器插入到传输路径中，入射在该分束器上的透射辐射的第一部分沿着介质的方向传递穿过该分束器，并且在该传输路径入射在该分束器上的透射辐射的第二部分在对应地定位的参考检测器的方向上被反射。这提供的优点是，至少在传输设备与分束器之间，透射辐射中可能发生的变化也能够通过参考检测器被检测到并且相应地被考虑。然而，不利的是，分束器代表了在传感器中需要附加空间并增加生产成本的附加部件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种传感器，利用该传感器能够以成本有效、节省空间的方式确定和/或监测与介质相互作用的透射辐射的至少一种性质，并且特别是考虑特别是沿着传输路径发生的透射辐射中的任何变化。
为了这个目的，本发明包括一种用于测量介质的被测变量的传感器，该传感器具有：
传输设备，该传输设备被设计用于将电磁透射辐射沿着传输路径向介质传输，
测量设备，该测量设备被设计用于接收由透射辐射与介质的相互作用产生的测量辐射，用于基于接收的测量辐射确定被测变量，以及用于提供被测变量的测量结果，
棱镜，该棱镜在端部处插入到传输路径中，其中该棱镜被设计并且被布置成使得入射在该棱镜上的透射辐射的第一部分沿着介质的方向传播穿过该棱镜，并且入射在该棱镜上的透射辐射的第二部分在该棱镜处被反射，以及
参考检测器，该参考检测器被设计用于接收在棱镜处被反射的透射辐射的第二部分，并基于该第二部分提供输出信号，该输出信号表示在棱镜处被反射的透射辐射的第二部分的至少一种性质。
本发明具有的优点是，参考检测器接收由在端部处插入传输路径中的棱镜反射的透射辐射的第二部分。这提供的优点是，参考检测器的输出信号考虑了任何变化，诸如取决于发射器的老化状态和/或温度的透射辐射的强度。另一个优点是，参考检测器的输出信号还考虑了沿着传输路径作用于透射辐射的任何影响，诸如例如插入传输路径中的光学元件的取决于老化状态和/或温度的光学性质，以及可能随时间而变化的这些光学性质对辐射到介质中的透射辐射的第一部分的空间和/或光谱辐射特性的影响。
另一个优点是，参考检测器能够紧邻棱镜布置，并且除了还被用于将透射辐射耦合到介质中的棱镜之外，不需要附加的部件。这能够经济有效地执行参考测量，在传感器中需要非常小的空间，并且参考测量特别是能够用于非常小尺寸的传感器中。
本发明的实施例提供如下传感器：该传感器被设计为浊度传感器，被设计为用于测量介质中包含的固体浓度的传感器，被设计为根据衰减全反射原理工作的ATR传感器或被设计为吸收传感器。
根据第一进一步的发展，被设计为部分反射涂层或被设计为抗反射涂层的涂层或光谱选择性涂层被布置在棱镜的第一外表面上，沿着传输路径传输的透射辐射照射在该第一外表面上。
根据第二发展，光谱选择性涂层被布置在棱镜的第二外表面上，测量辐射穿过该第二外表面从棱镜出射，和/或光谱选择性涂层被布置在棱镜的面对介质的第三外表面上。
根据第一和/或第二发展的发展，光谱选择性涂层或至少一个光谱选择性涂层被设计为滤波器，被设计为干涉滤波器，被设计为二向色滤波器，被设计为彩色滤波器，被设计为在一条或多条光谱线处透明的光谱滤波器或被设计为在有限波长范围内透明的带通滤波器。
第三发展包括传感器，其中棱镜：
a)被设计为过程分离器，传感器的内部通过该过程分离器与介质分离，和/或
b)安装在传感器的壳体上或壳体中，使得该棱镜关闭传感器的壳体开口，和/或
c)具有布置在传感器的壳体中的第一外表面，入射在该第一外表面上的透射辐射的第一部分传递穿过该第一外表面，并且透射辐射的第二部分在该第一外表面上被反射到参考检测器，并且该棱镜具有在测量模式期间与介质接触的第三外表面。
第三发展的另一种发展具有传感器，其中棱镜具有向外突出的外边缘区域，其中：棱镜借助于边缘区域固定在传感器上或传感器中，和/或边缘区域：a)通过接头或粘合剂结合连接到传感器的壳体，b)通过夹持设备被夹持在传感器中，或c)被夹持在壳体的端面与安装在壳体上的联管螺母之间。
上述发展的发展包括传感器，其中棱镜：
具有第一区域，该第一区域布置在壳体中并且包括第一外表面，
具有第二区域，该第二区域包括向外突出的外边缘区域，并且
该第二区域包括第三外表面或邻接棱镜的包括第三外表面的第三区域，其中第三区域与第二区域相比具有较小的底面积和/或被设计成使得第三外表面终止于与传感器的外侧或联管螺母的端面齐平。
一个实施例包括传感器，其中测量设备被连接到参考检测器，并且测量结果基于接收的测量辐射和在棱镜处被反射的透射辐射的第二部分的性质、性质中的至少一种或性质中的每一种而被确定。
另一个实施例包括传感器，其中：
测量设备包括测量检测器，该测量检测器被设计用于接收测量辐射，以及用于输出取决于被测变量的检测器信号，
测量设备包括连接到测量检测器的测量电子器件，并且
测量电子器件被设计用于确定并提供测量结果作为相对于测量辐射的性质的相关性而被补偿的测量结果，该测量辐射的性质于被测变量、在棱镜处被反射的透射辐射的第二部分的性质、性质中的至少一种或每一种。
附加发展包括传感器，其中监测设备被连接到参考检测器，该监测设备被设计用于监测在棱镜处被反射的透射辐射的第二部分的性质或性质中的至少一种或每一种，和/或用于在性质或性质中的至少一种位于针对特定性质指定的设置点范围之外的情况下输出警报。
根据另一个发展，参考检测器被布置在传感器的壳体中、在外部地围绕棱镜的区域中，和/或被布置在传感器的壳体的壳体壁中的凹部中。
根据一实施例，棱镜的第一外表面、棱镜的第二外表面和棱镜的面对介质的第三外表面被布置成三角形，透射辐射照射在该第一外表面上。
后一实施例的实施例包括传感器，其中测量设备经由接收路径接收测量辐射，并且该接收路径包括与传输路径的区段反向平行地延伸并且从棱镜的第二外表面延伸到测量设备的区段，该传输路径的区段从传输设备延伸到棱镜的第一外表面。
根据另一个实施例，至少一个光学元件、被设计为滤波器的光学元件和/或被设计为透镜的光学元件被插入传输路径中。
附图说明
现在将使用附图中的图来详细解释本发明及其优点，这些图示出实施例的几个示例。相同的元件在这些图中由相同的附图标记表示。
图1示出传感器的框图；
图2示出根据荧光消光原理工作的传感器；
图3示出根据衰减全反射原理工作的传感器；
图4示出被设计为吸收传感器的传感器；
图5示出根据图1设计的传感器的截面图；以及
图6示出根据图1设计的传感器的截面图，其中棱镜被设计为过程分离器。
具体实施方式
图1示出用于测量介质1的被测变量的传感器的框图。该传感器包括：传输设备3，诸如光源，其被设计用于将电磁透射辐射传输到介质1。
此外，该传感器包括测量设备5，测量设备5被设计用于：接收由透射辐射与介质1的相互作用产生的测量辐射；基于接收的测量辐射来确定被测变量；以及提供被测变量的测量结果m。
合适的测量设备5是例如具有测量检测器7的测量设备，该测量检测器7接收测量辐射并输出取决于被测变量的检测器信号d(m)。用于电磁辐射的合适的测量检测器7例如是光电二极管、光电二极管阵列或还有光谱仪。能够将检测器信号d(m)作为测量结果直接提供。然而，替代地，测量设备5还能够包括连接到测量检测器7的测量电子器件9，该测量电子器件9基于检测器信号d(m)确定被测变量的测量值，并提供测量值和/或提供与测量值相对应的测量信号作为被测变量的测量结果m。
如图1中所示，棱镜11被插在传输路径S的端部处。棱镜11被设计并布置，使得沿着传输路径S照射在棱镜11上的透射辐射的第一部分沿着介质1的方向传播穿过棱镜11，并且沿着传输路径S照射在棱镜11上的透射辐射的第二部分在棱镜11处被反射。如图1中所示，在这种情况下，棱镜11包括例如第一外表面13，沿着传输路径S传播的透射辐射照射在该第一外表面13上。
此外，传感器包括参考检测器15，参考检测器15接收在棱镜11处被反射的透射辐射的第二部分，并基于该第二部分提供输出信号d(I)ref)，该输出信号d(I)ref)反映至少一种性质Iref，诸如在棱镜11处被反射的透射辐射的第二部分的强度、光谱强度和/或强度谱。合适的参考检测器15是例如光电二极管、光电二极管阵列或甚至光谱仪。
该传感器具有上述优点。可选地，这里描述的传感器的各个部件能够各自具有能够单独使用和/或彼此组合使用的不同实施例。
因此，取决于被测变量的类型和/或传感器的相关实施例，能够使用透射辐射与介质1的不同形式的相互作用。
相互作用的一种形式是进入介质1的透射辐射的第一部分中的至少一部分在介质1中被反射或被散射，或者被介质中包含的颗粒或固体成分反射或散射。在这种情况下，测量辐射是反射辐射或散射辐射。结合这种形式的相互作用，传感器被设计例如为浊度传感器或设计为用于测量介质1中包含的固体浓度的传感器。在这两种情况下，传输设备3被设计例如为光源，借助于该光源，光被传输到介质1中。这里合适的光源是例如诸如LED、白炽灯、闪光灯、气体放电灯或激光器的光源，其发出波长范围从180nm到12000nm，特别是从180nm到3000nm的光。对于基于反射或散射的传感器，测量设备5被设计例如：用于确定测量辐射的强度，测量辐射的强度取决于被测变量，诸如浊度或固体浓度；和/或用于基于接收的测量辐射的强度来确定并输出测量结果m。
替代实施例在于，传感器，诸如图1中所示的传感器，被设计为荧光传感器。在荧光传感器中，相互作用在于，例如，介质1中包含的荧光成分被辐照到介质1中的透射辐射的第一部分激发而发出荧光。在这种情况下，测量辐射是由该成分发出的荧光辐射，并且测量设备5被设计用于基于测量辐射的强度、光谱强度或强度谱，例如，通过介质1中包含的成分的浓度来确定和输出这里给出的被测变量。对于被设计为荧光传感器的传感器，传输设备3被设计例如为光源，借助于该光源，具有与介质1的荧光成分相匹配的波长范围的光被透射到介质1中。例如，为了测量介质1中包含的分析物的浓度，可能使用例如LED、白炽灯、闪光灯、气体放电灯或激光器作为发出波长范围从180nm到12000nm、特别是从180nm到3000nm的透射辐射的传输设备3。
作为另一个示例性实施例，图2示出根据荧光消光原理工作的传感器。该传感器与图1中所示传感器的不同之处仅在于，与介质1接触的层17被布置在棱镜11的面对介质1的一侧上。该层17包含荧光大分子，介质1中包含的分子能够附着在荧光大分子上，使得这些分子削弱由该大分子发出的荧光。在这种情况下，透射辐射与介质1的相互作用在于，由透射辐射激发的大分子的荧光被介质1的附着分子削弱。这里，测量设备5也被设计例如用于基于测量辐射的强度、光谱强度或强度谱例如通过介质1中包含的分子的浓度或分压来确定并输出这里给出的被测变量。可选地，根据荧光猝灭原理工作的传感器诸如图2中所示的传感器被设计例如为氧传感器。在这种情况下，与介质1接触的层17被设计为透氧层，并且测量设备5被设计用于例如通过介质1中包含的氧的氧分压来确定并输出这里给出的被测变量。
图3示出根据英语表达“衰减全反射”(ATR)下已知的原理操作的ATR传感器的另一个示例。同样地，对于该传感器，传输设备3将透射辐射沿着传输路径S在棱镜21的第一外表面19的方向上传输，棱镜21在这里也被插入在端部侧处。该棱镜21被设计，使得穿过第一外表面19进入棱镜21的透射辐射的第一部分在棱镜21中被反射几次，并且产生的测量辐射随后穿过棱镜21的第二外表面23离开。棱镜21具有面对介质1的与介质1接触的第三外表面25。另外，棱镜21被设计成使得在棱镜21中发生的反射包括在与介质1接触的第三外表面25处的至少一次反射。在这些反射中的每一次反射中，发生与邻接第三外表面25的介质1的相互作用，借助于该相互作用，相应的反射被衰减。因此，测量设备5在这里被设计和/或布置，使得测量设备5接收经由棱镜21的第二外表面25出射并通过所述相互作用而衰减的测量辐射。对于被设计为ATR传感器的传感器，被测变量是例如分析物的浓度，其借助于测量设备5例如基于吸收而被确定。
作为另一个示例，图4示出被设计为吸收传感器的传感器。在该传感器中，相互作用在于，进入介质1的透射辐射的第一部分中的至少一部分被吸收在介质1中。在这里，同样地，传输设备3被布置成使得透射辐射沿着传输路径S照射在棱镜11的第一外表面13上，并且透射辐射的第一部分穿过棱镜11进入介质1。与前面的示例性实施例相比，在这里进行传输测量，通过该传输测量，透射辐射的第一部分被传输穿过介质1，并且测量设备5的测量检测器7接收从介质1出射的测量辐射。为了这个目的，传感器具有例如用于接收介质1的凹部27，诸如图4中所示的测量间隙。在这种情况下，棱镜11被布置在凹部27的一侧上，并且测量检测器7被布置在凹部27的与棱镜11相对的一侧上。
不管前面描述的实施例和/或所采用的相互作用的形式如何，传感器都能够包括例如插入传输路径S中的至少一个光学元件29、31。图1至图4各自示出被设计为滤波器的元件29和被设计为透镜的光学元件31作为示例。结合被插入在传输路径S中的光学元件29、31，在棱镜11、21处反射到参考检测器15的透射辐射的第二部分提供的优点是，参考检测器15还自动地检测特别是由插入传输路径S中的每个光学元件29、31引起的、进入介质1的透射辐射的第一部分的(一或多种)性质Iref的变化。特别地，这允许光学元件29和31的光学性质的取决于温度的变化和/或与老化相关的变化对与待测量的介质1相互作用的透射辐射的第一部分的影响，这些变化诸如是滤波器的滤波器性质的变化或波动和/或透镜的成像特性的变化或波动。另外，这还允许光学元件29、31的可能发生的空间位移，诸如由振动引起的位移，对也通过测量来检测的透射辐射的影响。
可选地，还可能在延伸至测量设备5的接收路径E中，测量设备5经由该路径接收测量辐射，使用至少一个光学元件29、31，诸如例如被设计为图1至图4中所示的滤波器的光学元件29和/或被设计为图4中所示的透镜的光学元件31设备设备。
作为上述实施例的替代或补充，取决于传感器的类型和/或待测量的被测变量，能够不同地设计棱镜11、21。就此，图1和图2示出实施例，对于该实施例，棱镜11的第一外表面13，透射辐射照射在该第一外表面13上、棱镜11的第二外表面33和棱镜11的面对介质1的第三外表面35被布置成三角形。棱镜11在端部处插入到传输路径S中，使得沿着传输路径S传输到棱镜11的透射辐射相对于表面法线以一定入射角照射在棱镜11第一外表面13上。因此，透射辐射的第二部分在第一外表面13处沿着朝向参考检测器15的方向被反射，该方向垂直于传输路径S的照射在第一外表面13上的区段延伸。
该实施例在如下情况下是特别有利的：当透射辐射与介质1的相互作用是以下相互作用时，通过该相互作用，测量辐射至少也沿着与传输方向相反定向的方向传播穿过棱镜11。在这种情况下，传感器被设计成使得由测量设备5经由棱镜11接收的测量辐射穿过棱镜11的第二外表面33从棱镜11离开。在该实施例中，接收路径E优选地具有与传输路径S的区段反向平行延伸并且从棱镜11的第二外表面33延伸到测量设备5的区段，该传输路径S从传输设备3延伸到棱镜11的第一外表面13。
图5示出图1中所示的传感器的实施例的截面图，对于该截面图，传输设备3、测量设备5、参考检测器15和棱镜11布置在诸如圆柱形壳体的壳体37中。
这实现传感器的非常紧凑的设计。
特别是关于传感器的非常紧凑的设计，参考检测器15优选地被布置在距棱镜11、21小距离处，诸如1mm至20mm的距离。为了这个目的，参考检测器16例如布置在传感器的外部围绕棱镜11、22的区域中。就此，图5示出实施例，对于该实施例，参考检测器15以节省空间的方式被布置在传感器的壳体37的壳体壁中的凹部39中。类似地，图1至图4中所示的参考检测器15也能够被布置在传感器的外部围绕特定棱镜11、21的区域中，和/或也能够被布置在传感器的壳体的壳体壁中的凹部中。
附加可选实施例在于，涂层41或42布置在棱镜11的第一外表面13上，被传输到棱镜11的透射辐射撞击。图1中以虚线所示的涂层41、42作为可选特征也能够类似地用于具有不同形状的棱镜(诸如例如图3中所示的棱镜21)的第一外表面。
例如，部分镜面涂层或抗反射涂层适合作为涂层41。部分镜面涂层或抗反射涂层增加或相应地减少入射在棱镜11的第一外表面13上且在棱镜11的第一外表面13处被反射的透射辐射的第二部分。这提供的优点是，被反射的第二部分的强度能够被调节或被设置为参考测量的最佳强度，该参考测量能够借助于参考检测器15经由相应形成的涂层41进行。
替代地，涂层能够被设计为光谱选择性涂层42。该实施例在以下情况下是特别有利的：如果由传输设备3发出的透射辐射的波长谱的仅部分范围与被测变量的测量相关，和/或干扰辐射被消除。就此，光谱选择性涂层42被设计例如为滤波器。取决于波长谱的部分范围的类型和/或要被屏蔽的干扰辐射，该滤波器被设计例如为能让一条或多条光谱线透过的光谱滤波器，或者为在有限波长范围内透明的带通滤波器。为了这个目的，光谱选择性涂层42能够被设计例如为干涉滤波器、设计为二向色滤波器或为彩色滤波器。作为结果，特别地，还可能在与被测变量的测量不同的波长进行由参考检测器15执行的参考测量。光谱选择性涂层42具有的优点是与能够作为单个部件插入到传输路径S中的常规滤波器相比更便宜并且需要更少的空间。
可选地，光谱选择性涂层43、45还能够被布置在棱镜11的第二外表面33上，测量辐射通过该第二外表面33从棱镜11离开；和/或被布置在棱镜11的面对介质1的第三外表面35上。与光谱选择性涂层42类似，这些光谱选择性涂层43、45中的一个或每个，各自如图1中作为选项以虚线所示，被设计例如为滤波器、光谱滤波器或带通滤波器。能够类似地在具有不同形状的棱镜的对应的外表面上设置对应的光谱选择性涂层。这些光谱选择性涂层43、45各自提供的优点是，它们能够将由测量设备5接收的测量辐射限制到与被测变量的测量相关的一条或多条光谱线，或限制到与被测变量的测量相关的波长范围。与能够作为单个部件插入到接收路径E中的滤波器相比，这些光谱选择性涂层43、45更具成本效益并且需要更少的空间。
不管前面提到的实施例如何，传感器都能够具有例如第一窗口47，该第一窗口47插入到传感器的壳体壁中并且对透射辐射透明，透射辐射的第一部分通过第一窗口47进入介质1。这方面的示例如图4和图5中所示。在那里，第一窗口47具有与介质1接触的外侧，并且棱镜11被布置在传感器的壳体37中、在与第一窗口47的外侧相对的一侧上。对于诸如例如图1和图5所示的传感器的传感器，测量辐射穿过棱镜11到达测量设备5，测量辐射还穿过第一窗口47进入棱镜11。
图5示出一示例，对于该示例，棱镜11被布置在传感器中、在例如环形安装元件49上，安装元件49被布置在棱镜11与第一窗口47之间。安装元件49具有至少一个通路开口51，透射辐射的第一部分通过至少一个通路开口51进入介质1，并且通过至少一个通路开口51接收测量辐射。
在图4中所示的传感器中，第一窗口47被插入到传感器壳体52的与凹部27接壤的壳体壁区域中。另外，第二窗口53被插入到传感器壳体52的在凹部27的另一侧上与第一窗口47相对的壳体壁区域中，测量设备5的测量检测器7通过该第二窗口53接收测量辐射。
如图4和图5中所示，第一窗口47形成过程分离器，通过该过程分离器，传感器的内部以在测量模式期间对发出的辐射或对来自位于第一窗口47外部的介质1的发出的辐射和测量辐射透明的方式被分离。
替代实施例提供的是，传感器的棱镜55被设计用于同时还承担第一窗口47作为过程分离器的功能。图6作为示例示出图5中所示的传感器的修改，对于该修改，棱镜55被设计为将传感器内部与介质1分离的过程分离器。为了这个目的，棱镜55例如被安装在传感器的壳体37上或传感器的壳体37中，使得棱镜55关闭传感器中的壳体开口。在这种情况下，棱镜55的第一外表面57被布置在壳体37中，照射在该第一外表面57上的第一部分透射辐射传递穿过该第一外表面57，透射辐射的第二部分在该第一外表面57处被反射到参考检测器15。另外，棱镜55的面对介质1的第三外表面59被布置成使得该第三外表面59在测量模式期间与介质1接触。
被设计为过程分离器的棱镜55能够以不同的方式被安装。作为这种情况的示例，图6示出实施例，对于该实施例，棱镜55具有向外突出的外边缘区域61，棱镜55借助于该外边缘区域61被固定在传感器上或传感器中。该边缘区域61例如能够通过接头或粘合剂结合连接到传感器的壳体37。然而，替代地，边缘区域61也能够借助于夹持设备被夹持在传感器中。图6示出这种情况的实施例，对于该实施例，外边缘区域61被夹持在壳体37的端面与安装在壳体37上，例如螺接在壳体37上，的联管螺母63之间。联管螺母63具有通路开口，该通路开口在测量模式期间释放棱镜55的与介质1接触的第三外表面59。无论夹持设备的选择如何，外边缘区域61例如通过密封件65，诸如例如，在图6中被夹持在外边缘区域62与联管螺母63之间密封件65，的介入而被夹持。
图6所示的棱镜55具有布置在壳体37中的第一区域，该第一区域包括第一外表面57。与第一区域相邻的第二区域具有向外突出的外边缘区域61。在这种情况下，棱镜能够被成形为使得第二区域的背离第一区域的一侧包括第三外表面。图6示出替代实施例，对于该替代实施例，棱镜55还具有第三区域，该第三区域被布置在第二区域的与第一区域相对的一侧上，并且包括第三外表面59。在这种情况下，第三区域与第二区域相比具有例如较小的底面积。替代地或附加地，第三区域被例如设计使得第三外表面59终止于与传感器的外侧，诸如例如联管螺母63的端面，齐平。
同样地，与图6中所示三角形形状相比具有不同的棱镜几何形状的棱镜也能够被设计为过程分离器。例如，图3中所示的棱镜21因此能够使用图6中所示的棱镜55的示例以这里所描述的方式被设计为过程分离器。就此，图3中所示的棱镜21还能够具有例如向外突出的外边缘区域61，如图3中作为选项以虚线所示，借助于该外边缘区域61，棱镜21能够被固定到或被固定到图3中未示出的传感器的壳体或能够被固定在或被固定在该壳体之中。
与具有第一窗口47的传感器相比，具有还被设计为过程分离器的棱镜55的传感器提供的优点是，省略了棱镜11与第一窗口47之间的光学过渡。这实现了透射辐射的更有效、特别是低损耗的用途。另外的优点是，没有第一窗口47的传感器具有较少的可能变脏的表面，并且省略了在生产期间具有第一窗口47的传感器所需的棱镜11与第一窗口47的彼此对准。
如上所述，参考检测器15被设计用于接收在棱镜11、21、55处被反射的透射辐射的第二部分，并且用于基于该第二部分提供表示在棱镜11、21、55处被反射的透射辐射的第二部分的至少一种性质Iref的输出信号d(Iref)，该至少一种性质Iref诸如强度、光谱强度和/或强度谱。能够以不同的方式使用该输出信号d(Iref)。
图1至图6中所示的实施例提供的是，测量设备5被连接到参考检测器15并基于接收的测量辐射和参考检测器15的输出信号d(I)ref)确定测量结果m。在这种情况下，测量电子器件9优选地被设计，使得它们确定并提供测量结果m作为相对于测量辐射的性质的相关性而被补偿的测量结果，该测量辐射的性质取决于被测变量、在棱镜11、21、55处被反射的透射辐射的第二分量的性质Iref或性质Iref中的至少一种或每一种。以这种方式，例如，借助于用于确定被测变量的测量检测器7测量的测量辐射的强度能够相对于其对照射在棱镜11、21、55上的透射辐射的强度的相关性而被补偿。在这样做时，自动地考虑了影响可能照射在棱镜11、21、55上的透射辐射的(一种或多种)性质Iref的所有因素。这些包括例如由传输器设备3老化现象和/或温度相关性引起的透射辐射的变化以及传输设备3沿着传输路径S发出的透射辐射在它撞击棱镜11、21、55之前可能产生的任何变化。这提供了测量结果m的相对较低的测量误差的优点。
替代地或另外，传感器包括例如连接到参考检测器15的监测设备67，该监测设备67被设计用于监测在棱镜11、21、55处被反射的透射辐射的第二部分的性质Iref或性质Iref中的至少一种或每一种，和/或用于在Iref性质或Iref性质中的至少一种位于针对相应性质Iref指定的设定点范围之外的情况下输出警报A。就此，例如，如果由参考检测器15接收的透射辐射的第二部分的强度低于预定的最小值，则能够输出警报A。在图1至图4中，监测设备67被设计为测量电子器件9的部件。然而，替代地，监测设备67还能够被设计为连接到参考检测器15的分离的设备。
附图标记列表
1介质 37壳体
3 传输设备 39 凹部
5 测量设备 41 涂层
7 测量检测器 42 光谱选择性涂层
9 测量电子器件 43 光谱选择性涂层
11 棱镜 45 光谱选择性涂层
13 第一外表面 47 第一窗口
15 参考检测器 49 安装元件
17 层 51 通路开口
19 第一外表面 52 传感器壳体
21 棱镜 53 第二窗口
23 第二外表面 55 棱镜
25 第三外表面 57 第一外表面
27 凹部 59 第三外表面
29 光学元件 61 边缘区域
31 光学元件 63 联管螺母
33 第二外表面 65 密封件
35 第三外表面 67 监测设备
Claims (15)
1.一种用于测量介质(1)的被测变量的传感器，所述传感器包括：
传输设备(3)，所述传输设备(3)被设计用于将电磁透射辐射沿着传输路径(S)向所述介质(1)传输，
测量设备(5)，所述测量设备(5)被设计用于接收由所述透射辐射与所述介质(1)的相互作用产生的测量辐射，用于基于所接收的测量辐射确定所述被测变量，以及用于提供所述被测变量的测量结果(m)，
棱镜(11、21、55)，所述棱镜(11、21、55)在端部处插入到所述传输路径(S)中，其中所述棱镜(11、21、55)被设计并且被布置成使得入射在所述棱镜(11、21、55)上的所述透射辐射的第一部分沿着所述介质(1)的方向传播穿过所述棱镜(11、21、55)，并且入射在所述棱镜(11、21、55)上的所述透射辐射的第二部分在所述棱镜(11、21、55)处被反射，以及
参考检测器(15)，所述参考检测器(15)被设计用于接收在所述棱镜(11、21、55)处被反射的所述透射辐射的所述第二部分，并基于所述第二部分提供输出信号(d(Iref))，所述输出信号(d(Iref))表示在所述棱镜(10)处被反射的所述透射辐射的所述第二部分的至少一种性质(Iref)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器：被设计为浊度传感器，被设计为用于测量所述介质(1)中包含的固体浓度的传感器，被设计为荧光传感器，被设计为根据荧光猝灭原理工作的传感器，被设计为根据荧光猝灭原理工作的氧传感器，被设计为根据衰减全反射原理工作的ATR传感器或被设计为吸收传感器。
3.根据权利要求1至2所述的传感器，其中，被设计为部分反射涂层或抗反射涂层的涂层(41)或光谱选择性涂层(42)被布置在所述棱镜(11)的第一外表面(13)上，沿着所述传输路径传输的所述透射辐射照射在所述第一外表面(13)上。
4.根据权利要求1至3所述的传感器，其中，光谱选择性涂层(43)被布置在所述棱镜(11)的第二外表面(33)上，测量辐射通过所述第二外表面(33)从所述棱镜(11)出射，和/或光谱选择涂层(45)被布置在所述棱镜(11)的面对所述介质(1)的第三外表面(35)上。
5.根据权利要求3至4所述的传感器，其中，所述光谱选择性涂层(42、43、45)或所述光谱选择涂层(42、43、45)中的至少一个被设计为滤波器，被设计为干涉滤波器，被设计为二向色滤波器，被设计为彩色滤波器，被设计为对一条或多条光谱线透明的光谱滤波器或被设计为对有限波长范围透明的带通滤波器。
6.根据权利要求1至5所述的传感器，其中，所述棱镜(55)：
a)被设计为过程分离器，所述传感器的内部通过所述过程分离器与所述介质(1)分离，和/或
b)被安装在所述传感器的所述壳体(37)上或中，使得所述棱镜(55)关闭所述传感器的壳体开口，和/或
c)具有布置在所述传感器的所述壳体(37)中的第一外表面(57)，入射在所述第一外表面(57)上的所述透射辐射的所述第一部分传递穿过所述第一外表面(57)，并且所述透射辐射的所述第二部分在所述第一外表面(57)上被反射到所述参考检测器(15)，并且所述棱镜(55)具有在测量模式期间与所述介质(1)接触的第三外表面(59)。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述棱镜(55)具有向外突出的外边缘区域(61)，其中：
所述棱镜(55)借助于所述边缘区域(61)固定到所述传感器或固定在所述传感器中，和/或
所述边缘区域(61)：
a)借助于接头或粘合剂结合连接到所述传感器的所述壳体(37)，
b)借助于夹持设备被夹持在所述传感器中，或
c)被夹持在所述壳体(37)的端面与安装在所述壳体(37)上的联管螺母(63)之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述棱镜(55)：
具有第一区域，所述第一区域布置在所述壳体(37)中并且包括所述第一外表面(57)，
具有第二区域，所述第二区域包括所述向外突出的外边缘区域(61)，并且
所述第二区域包括所述第三外表面或邻接所述棱镜(55)的包括所述第三外表面(59)的第三区域，其中所述第三区域与所述第二区域相比具有更小的底面积和/或被设计成使得所述第三外表面(59)终止于与所述传感器的外侧或所述联管螺母(63)的端面齐平。
9.根据权利要求1至8所述的传感器，其中，所述测量设备(5)被连接到所述参考检测器(15)，并且所述测量结果(m)基于所接收的测量辐射和在所述棱镜(11、21、55)处被反射的所述透射辐射的所述第二部分的所述性质(Iref)、所述性质(Iref)中的至少一种或所述性质(Iref)中的每一种而确定。
10.根据权利要求1至9所述的传感器，其中：
所述测量设备(5)包括测量检测器(7)，所述测量检测器(7)被设计用于接收所述测量辐射，以及用于输出取决于所述被测变量的检测器信号(d(m))，
所述测量设备(5)包括连接到所述测量检测器(7)的测量电子器件(9)，并且
所述测量电子器件(9)被设计用于确定并提供测量结果(m)作为相对于所述测量辐射的性质(Iref)的相关性而被补偿的测量结果(m)，所述测量辐射的所述性质(Iref)取决于所述被测变量、在所述棱镜(11、21、55)处被反射的所述透射辐射的所述第二部分的所述性质(Iref)、所述性质中的至少一种或所述性质(Iref)中的每一种。
11.根据权利要求1至10所述的传感器，其中，监测设备(67)连接到所述参考检测器(15)并且被设计用于监测在所述棱镜(11、21、55)处被反射的所述透射辐射的所述第二部分的所述性质(Iref)，或所述性质(Iref)中的至少一种或每一种，和/或被设计用于在所述性质(Iref)或所述性质(Iref)中的至少一种位于针对相应的性质(Iref)指定的设定点范围之外的情况下输出警报(A)。
12.根据权利要求1至11所述的传感器，其中，所述参考检测器(15)被布置在所述传感器的壳体(37)中、在外部地围绕所述棱镜(11、21、55)的区域中，和/或被布置在所述传感器的所述壳体(37)的壳体壁中的凹部(39)中。
13.根据权利要求1至12所述的传感器，其中，所述棱镜(11、55)的所述第一外表面(13、57)、所述棱镜(11、55)的第二外表面(33)和所述棱镜(11、55)的面对所述介质(1)的第三外表面(35、59)被布置成三角形，所述透射辐射照射在所述第一外表面(13、57)上。
14.根据权利要求13所述的传感器，其中：
所述测量设备(5)经由接收路径(E)接收所述测量辐射，并且
所述接收路径(E)包括与所述传输路径(S)的区段反向平行地延伸并且从所述棱镜(11、55)的所述第二外表面(35)延伸到所述测量设备(5)的区段，所述传输路径(S)的所述区段从所述传输设备(3)延伸到所述棱镜(11、55)的所述第一外表面(13、57)。
15.根据权利要求1至14所述的传感器，其中，至少一个光学元件(29、31)、被设计为滤波器的光学元件(29)和/或被设计为透镜的光学元件(31)被插入到所述传输路径(S)中。
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Legal Events
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