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Die Erfindung betrifft Sensoren zur Überwachung eines Mediums mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei sich das Medium im Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem aus Fotodioden bestehenden Detektor befindet und sich die Brechung bei Änderung des Mediums ändert.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2007 010 805 B3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Harnstoffkonzentration in einer Lösung bekannt. Dazu wird Licht unter verschiedenen Einfallswinkeln auf eine Grenzfläche zwischen einem dichteren und einem dünneren Medium, nämlich dem Körper und der Lösung, ausgesendet. Dazu muss eine Grenzfläche zwischen dem Körper und der Lösung vorhanden sein. Das Licht wird an der Grenzfläche je nach Einfallswinkel zum Teil reflektiert, wobei mit zunehmendem Einfallswinkel der von der Grenzfläche reflektierte Anteil des Lichts zunimmt. Die reflektierte Strahlung wird von einem entsprechend angeordneten ortsauflösenden Strahlungsdetektor detektiert.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 056 559 A1 beinhaltet eine Sensoranordnung zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium mittels Reflektion eines emittierten Lichtstrahls sowie einem zugehörigen Empfänger. Dazu sind zwei in einem Gehäuse gekapselte Glasstablinsen parallel zueinander angeordnet. Die Glasstablinsen weisen einen anderen optischen Brechungsindex als die flüssigen Medien auf. Gegenüber den Glasstablinsen ist eine Reflektionsfläche angeordnet, die mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2007 050 731 B3 ist ein Durchlicht-Refraktometer bekannt. Dieses besteht aus einer Lichtquelle an einer Einstrahlseite und optischen Bauelementen, wobei gegenüber einer ein paralleles Strahlenbündel erzeugenden Beleuchtungsoptik und eine Umlenkoptik in der Art angeordnet sind, dass diese das parallele Strahlenbündel durch ein Fenster, die Prozessflüssigkeit und ein Messprisma zurück zur Einstrahlseite umlenkt. Auf dieser sind die Beleuchtungsoptik, eine Abbildungsoptik und eine Detektorebene angeordnet, wodurch nur ein Zugang zum Prozessmedium notwendig ist. Durch die Abbildungsoptik wird ein scharfes Bild vom Spalt in der Detektorebene erzeugt. Aus dem Ort des Spaltbildes lässt sich der Brechungswinkel und damit die Brechzahl der Prozessflüssigkeit bestimmen.
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Aus der Druckschrift
US 2009/0122300 A1 ist ein optisches Refraktometer, insbesondere zur Messung des Salzgehalts von Meerwasser, bekannt. Dieses weist zwei optische Einheiten mit einer Lichtquelle und einem Positionssensor auf, die in Verbindung mit einer optischen Einheit aus einem transparenten Material stehen.
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Nachteilig sind, dass Ablagerungen und Verschmutzungen der Grenzfläche oder der Reflektionsfläche das Messergebnis verfälschen können.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stoffzusammensetzung eines Mediums einfach zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Sensoren zur Überwachung eines Mediums mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei sich das Medium im Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem aus Fotodioden bestehenden Detektor befindet und sich die Brechung bei Änderung des Mediums ändert, zeichnen sich durch ihre einfache Realisierung aus.
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Dazu sind die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Detektor in wenigstens einem Gehäuse angeordnet. Ein erstes Teil des Gehäuses ist ein becherförmiges und aus einem für die Strahlung transparenten Material bestehendes Formteil. Das erste Teil weist weiterhin eine Vertiefung oder ein Ausschnitt für das Medium auf. Wenigstens eine Wand des Ausschnitts als Bereich des Gehäuses ist so angeordnet oder so ausgebildet, dass die Strahlung zur Brechung mit einem Winkel verschieden von 90° auf die Oberfläche trifft oder von dieser austritt. Abgeschlossen ist das Gehäuse mit einem Deckel als ein zweites Teil des Gehäuses. Im ersten Teil sind wenigstens die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Detektor angeordnet. Der Bereich des Gehäuses mit der Vertiefung oder dem Ausschnitt ist im Medium platziert, so dass sich Medium auch in der Vertiefung oder dem Ausschnitt befindet. Über sich gegenüberliegende Wandbereiche der Vertiefung oder des Ausschnitts wird die Strahlung aus- und nach Durchtritt des Mediums eingekoppelt.
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Durch den Sensor wird mittels des Durchlichtprinzips Medium überwacht. Bei einer Änderung des Mediums ändert sich die Brechzahl des Mediums und daraus folgernd der Brechungswinkel. Die Position der Strahlung gegenüber dem Detektor verschiebt sich.
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Mittels aus in einer Reihe oder in einer Matrix angeordneten Fotodioden, ist der Ort der auf den Detektor gelangten elektromagnetischen Strahlung aus der Position der Fotodioden und daraus das Medium und eine Änderung des Mediums erfassbar.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ansonsten zu einer Intensitätsänderung führende Verschmutzungen am Gehäuse keinen Einfluss auf die Erfassung ausüben. Das Gleiche gilt für das Medium trübende Bestandteile im Medium. Entscheidend für die Erfassung ist der Auftreffort der elektromagnetischen Strahlung und nicht deren Intensität. Damit haben auch Alterungsprozesse der Strahlungsquelle und des Detektors keinen Einfluss auf den Sensor zur Überwachung eines Mediums.
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Damit ist ein einfacher Sensor zur Überwachung eines Mediums, das bei einer Änderung seine Brechzahl ändert, realisiert.
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Darüber hinaus zeichnet sich der Sensor dadurch aus, dass sich nur das Medium außerhalb des Gehäuses befindet. Alle Bestandteile des Sensors sind im Gehäuse angeordnet, so dass ein kompakter Sensor vorhanden ist. Im einfachsten Fall sind dazu die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Detektor sich gegenüberstehend angeordnet, wobei sich ein Raum für das Medium dazwischen befindet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Der Detektor besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 aus in einer Reihe oder in einer Matrix angeordneten Fotodioden, so dass der Ort der auf den Detektor gelangten elektromagnetischen Strahlung aus der Position der Fotodioden und daraus das Medium und eine Änderung des Mediums erfassbar ist. Die Anzahl, die Größe und die Abstände der Fotodioden bestimmen die Genauigkeit des Sensors. Der Sensor ist dazu ein bekanntes Array. Damit sind insbesondere auch die Grade einer Nichtübereinstimmung detektierbar.
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Im Strahlengang nach der elektromagnetischen Strahlungsquelle ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 wenigstens eine die Strahlung leitende und/oder ablenkende Vorrichtung angeordnet, so dass die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Detektor nebeneinander platzierbar sind. Der Aufbau vereinfacht sich wesentlich. Die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Detektor sind auf einem Träger nebeneinander platzierbar.
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Günstigerweise sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 Spiegel oder Prismen die die Strahlung ablenkende Vorrichtung, so dass die Strahlung nacheinander zweimal abgelenkt wird. Die elektromagnetische Strahlungsquelle ist dazu vorteilhafterweise gegenüber dem Medium über dem Detektor angeordnet. Das Medium befindet sich dabei zwischen der Vorrichtung und dem Detektor. Dadurch ist ein sehr einfacher und kompakter Aufbau für den Sensor gegeben.
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Die die Strahlung leitende Vorrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein Lichtwellenleiter. Besitzt der Lichtwellenleiter dazu vorzugsweise eine U-Form, trifft die Strahlung der elektromagnetischen Strahlungsquelle auf den daneben angeordneten Detektor.
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Günstigerweise ist das Formteil nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 einstückig ausgebildet. Damit können ökonomisch günstig zu realisierende Sensoren bereitgestellt werden.
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Der Detektor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein ein- oder ein zweidimensionaler Sensor. Weiterhin sind die elektromagnetische Strahlungsquelle und der Sensor nebeneinander auf einem Träger angeordnet, so dass ein dem Ort der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung zuordenbares Signal detektierbar ist.
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Der Sensor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit einem Datenverarbeitungssystem zur Bestimmung des Ortes der auf den Sensor gelangten Strahlung aus der Position der Fotodioden verbunden. Das Datenverarbeitungssystem ist ein bekannter Mikrorechner.
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Günstigerweise ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 das Medium eine wässrige Lösung, so dass die Konzentration wenigstens eines Stoffes in der wässrigen Lösung erfassbar ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Sensor zur Überwachung eines Mediums in einem Längsschnitt und
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2 einen Sensor in einer Schnittdarstellung.
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Ein Sensor zur Überwachung eines Mediums besteht im Wesentlichen aus einer elektromagnetischen Strahlungsquelle 1, einem Detektor 2, einer die Strahlung ablenkenden Vorrichtung 3 und einem Gehäuse 5.
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Die 1 zeigt einen Sensor zur Überwachung eines Mediums in einem Längsschnitt in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das Medium ist beispielsweise eine wässrige Lösung. Bekannterweise werden für die elektromagnetische Strahlungsquelle 1 eine Lumineszenzdiode 1 und für den Detektor 2 ein CCD-Sensor 2 mit Fotodioden eingesetzt, wobei CCD für Charge-coupled Device steht. Dieser ist als eindimensionaler (Zeile) oder zweidimensionaler (Matrix) CCD-Sensor 2 ausgeführt.
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Die Lumineszenzdiode 1 und der CCD-Sensor 2 sind nebeneinander auf einer Leiterplatte 4 als Träger 4 angeordnet.
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Die Leiterplatte 4 befindet sich in einem ersten Teil 6 des Gehäuses 5. Dieser erste Teil 6 ist becherförmig ausgebildet und besteht aus einem für die Strahlung der Lumineszenzdiode 1 transparenten Material. Weiterhin ist dieses erste Teil 6 ein einstückig ausgebildetes Formteil, welches einen Ausschnitt 8/eine Aussparung für das Medium aufweist.
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Im Strahlengang nach der Lumineszenzdiode 1 ist die die Strahlung ablenkende Vorrichtung 3 mit zwei Prismen oder Spiegeln angeordnet, so dass die Strahlung nacheinander zweimal um 90° abgelenkt wird. Der Eintritt der Vorrichtung 3 ist in der Ebene der Lumineszenzdiode 1 angeordnet, so dass deren elektromagnetische Strahlung in die Vorrichtung 3 eingekoppelt wird. Der Austritt zur Auskopplung der zweimal um 90° abgelenkten elektromagnetischen Strahlung der Lumineszenzdiode 1 ist in der Ebene des CCD-Sensors 2 angeordnet. Zwischen der Vorrichtung 3 und dem CCD-Sensor 2 befindet sich der Ausschnitt 8 für das Medium, so dass über Wandbereiche des Ausschnitts die elektromagnetische Strahlung diese Wandbereiche und den durch den Raum ausgebildeten Raum des Ausschnitts 8 durchdringt. Wenigstens eine Wand des Ausschnitts 8 ist so angeordnet oder so ausgebildet, dass die Strahlung zur Brechung mit einem Winkel verschieden von 90° auf die Oberfläche trifft oder von dieser austritt. Dazu ist beispielsweise entweder eine plattenförmige Wand mit einem Winkel verschieden 90° zur Strahlung angeordnet oder diese Wand keilförmig ausgebildet.
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Im Einsatzfall befindet sich Medium in diesem Ausschnitt 8, so dass die Strahlung im Ausschnitt befindliches Medium durchdringt. Vorteilhafterweise sind die optischen Elemente so angeordnet, dass die Strahlung im Normalfall mittig auf den CCD-Sensor 2 gelangt. Ändert sich die Zusammensetzung des Mediums, ändert sich auch dessen Brechzahl und damit der Brechungswinkel. Die Strahlung der Lumineszenzdiode 1 gelangt auf einen gegenüber dem Normalfall anderen Ort und damit auf eine andere Fotodiode des CCD-Sensors 2. Der Ort und damit die Position ist detektier- und signalisierbar.
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In einer ersten Ausführungsform ist die Lumineszenzdiode 1 gegenüber dem Medium beabstandet über dem CCD-Sensor 2 angeordnet (Darstellung in der 1).
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In einer zweiten Ausführungsform ist die Lumineszenzdiode 1 beabstandet neben dem CCD-Sensor 2 angeordnet.
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Die 2 zeigt dazu einen Sensor in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Im Strahlengang nach der Lumineszenzdiode 1 ist die die Strahlung ablenkende Vorrichtung 3 mit die Strahlung reflektienden Einrichtungen 10 in Form von Spiegeln 10 in einem Lichtleitkanal 9 angeordnet, so dass die Strahlung nacheinander zweimal um 90° abgelenkt wird. Die die Strahlung ablenkende Vorrichtung 3 und das erste Teil 6 des Gehäuses 5 sind dabei entweder mehr- oder einstückig ausbildbar. Die Lumineszenzdiode 1, der CCD-Sensor 2, die Vorrichtung 3 und der Ausschnitt 8 befinden sich dabei in einer Ebene. In einer Variante dieser zweiten Ausführungsform ist eine Schlitzblende 11 ein Bestandteil der Vorrichtung 3.
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Das zweite Teil 7 des Gehäuses 5 ist ein Deckel 7, so dass ein in sich abgeschlossener Sensor zur Überwachung des Mediums realisiert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der CCD-Sensor 2 mit einem Datenverarbeitungssystem zur Bestimmung des Ortes der auf den CCD-Sensor 2 gelangten Strahlung aus der Position der Lumineszenzdioden. Das Datenverarbeitungssystem ist dazu ein bekannter Mikrocontroller und befindet sich vorteilhafterweise auf der Leiterplatte 4.
