DE102010041141B4

DE102010041141B4 - Sensor zur Überwachung eines Mediums

Info

Publication number: DE102010041141B4
Application number: DE201010041141
Authority: DE
Inventors: Aldo Bojarski; Dr. Erler Klaus; Katrin Künzelmann; Andre Legner; Paul Smith; Tobby Straßberger
Original assignee: AB Elektronik Sachsen GmbH
Current assignee: AB Elektronik Sachsen GmbH
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: DE102010041141A1

Abstract

Sensor zur Überwachung eines Mediums mit wenigstens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei sich das Medium im Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem Detektor als wenigstens einem eindimensionalen Sensor mit Fotodioden für die gebrochene elektromagnetische Strahlung befindet und ein bei Änderung des Mediums sich änderndes Spektrum erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle (1) und der Detektor (2) in wenigstens einem Gehäuse (5) angeordnet sind, dass ein erstes Teil (6) des Gehäuses (5) ein becherförmiges und aus einem für die Strahlung transparenten Material bestehendes Formteil ist, dass das erste Teil (6) eine Vertiefung oder einen Ausschnitt (8) mit zwei ebenen und winklig zueinander angeordneten sowie für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereichen für das Medium besitzt, so dass diese Wandbereiche und das sich an den Wandbereichen befindliche Medium ein die elektromagnetische Strahlung brechendes Prisma sind, und dass ein zweites Teil (7) des Gehäuses (5) ein Deckel (7) ist.

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren zur Überwachung eines Mediums mit wenigstens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei sich das Medium im Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem Detektor als wenigstens einem eindimensionalen Sensor mit Fotodioden für die gebrochene elektromagnetische Strahlung befindet und ein bei Änderung des Mediums sich änderndes Spektrum erfassbar ist.
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.
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.
Nachteilig sind, dass Ablagerungen und Verschmutzungen der Grenzfläche oder der Reflektionsfläche das Messergebnis verfälschen können.
Aus der Druckschrift EP 0 337 173 A2 ist ein Sensor zur Überwachung eines Mediums bekannt. Dieser besteht aus einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, einem elektromagnetische Strahlung brechenden Prisma und einem Gehäuse. Das Prisma ist über eine Dichtung mit dem Gehäuse verbunden.
Aus der Druckschrift US 2009/0 122 300 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 mit einer Öffnung für das Medium stehen. Die Lichtstrahlen werden an einem Spiegel reflektiert, an Grenzflächen zwischen optischer Einheit und Medium gebrochen und an einem zweiten Spiegel wiederholt reflektiert.
Durch die Druckschrift DD 85 666 A5 ist ein Wasserhärteprüfer zum Bestimmen der Resthärte des Gebrauchswassers durch elektronische Messung der Beugung mit einem Hohlprisma bekannt. Dabei können auch Absorptionsfilter eingesetzt werden.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stoffzusammensetzung eines Mediums einfach zu überwachen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Sensoren zur Überwachung eines Mediums mit wenigstens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei sich das Medium im Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem Detektor als wenigstens einem eindimensionalen Sensor mit Fotodioden für die gebrochene elektromagnetische Strahlung befindet und ein bei Änderung des Mediums sich änderndes Spektrum erfassbar ist, zeichnen sich durch ihre einfache Realisierung aus.
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 besitzt eine Vertiefung oder einen Ausschnitt mit zwei ebenen und winklig zueinander angeordneten sowie für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereichen für das Medium, so dass diese Wandbereiche und das sich an den Wandbereichen befindliche Medium ein die elektromagnetische Strahlung brechendes Prisma sind. Weiterhin ist ein zweites Teil des Gehäuses ein Deckel.
Durch den Sensor wird mittels des Durchlichtprinzips das Medium überwacht. Durch das Prisma wird die elektromagnetische Strahlung an der Eintritts- und an der Austrittsfläche in Abhängigkeit der Wellenlänge gebrochen. Resultat ist ein Spektrum der elektromagnetischen Strahlungsquelle. Bei einer Änderung des Mediums ändert sich die Brechung der elektromagnetischen Strahlung insbesondere bei Durchtritt der Wandbereiche, so dass ein verändertes Spektrum entsteht. Die Position von Spektrallinien verschieben sich, so dass sich der Ort auf den Detektor auftreffender elektromagentischer Strahlung bestimmter Wellenlänge verändert. Das wird mit dem Detektor erfasst, so dass eine Änderung des Mediums erfassbar ist. Das erfolgt beispielweise mit einem bekannten Datenverarbeitungssystem, welches mit dem Detektor verbunden ist. Das Datenverarbeitungssystem ist dazu insbesondere ein bekannter Mikrorechner.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ansonsten zu einer Intensitätsänderung führende Verschmutzungen am Gehäuse keinen Einfluss auf die Erfassung ausüben. Das Gleiche gilt für 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.
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.
Im ersten Teil des Gehäuses 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 die winklig zueinander angeordneten Wandbereiche der Vertiefung oder des Ausschnitts wird die Strahlung aus- und nach Durchtritt des Mediums eingekoppelt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Im Strahlengang nach der elektromagnetischen Strahlungsquelle ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 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.
Günstigerweise sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 Spiegel oder totalreflektierende 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.
Die die Strahlung leitende Vorrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Lichtwellenleiter. Besitzt der Lichtwellenleiter dazu vorzugsweise eine U-Form, trifft die Strahlung der elektromagnetischen Strahlungsquelle auf den daneben angeordneten Detektor.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 sind elektromagnetische Strahlungsquellen für Strahlungen verschiedener Wellenlänge und der Detektor mit einem Datenverarbeitungssystem verbunden, so dass nacheinander Strahlung verschiedener Wellenlänge im Prisma gebrochen und daraus resultierende Spektren erfass- und auswertbar sind. Dazu werden die elektromagnetischen Strahlungsquellen vorzugsweise getaktet betrieben, so dass eine örtliche Verschiebung einzelner Spektrallienien feststellbar ist. Die Empfindlichkeit des Sensors wird erhöht.
Das Datenverarbeitungssystem ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein jeweils den Ort der auf den Detektor gelangten elektromagnetischen Strahlung bestimmter Wellenlänge ermittelndes Datenverarbeitungssystem. Änderungen des Mediums sind über die Ortsbestimmung leicht feststellbar.
Im Strahlengang nach der elektromagentischen Strahlungsquelle ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein die elektromagentische Strahlung beeinflussende Einrichtung angeordnet, so dass elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge das Medium durchdringt und auf den Detektor gelangt. Das ist insbesondere ein Filter oder ein Gitter. Die Empfindlichkeit des Sensors ist erhöht.
Günstigerweise ist das Formteil nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 einstückig ausgebildet. Damit können ökonomisch günstig zu realisierende Sensoren bereitgestellt werden.
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.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Sensor zur Überwachung eines Mediums in einem Längsschnitt und
2 ein Sensor in einer Schnittdarstellung.
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.
Die 1 zeigt einen Sensor zur Überwachung eines Mediums in einem Längsschnitt in einer prinzipiellen Darstellung.
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.
Die Lumineszenzdiode 1 und der CCD-Sensor 2 sind nebeneinander auf einer Leiterplatte 4 als Träger 4 angeordnet.
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.
Im Strahlengang nach der Lumineszenzdiode 1 ist eine die Strahlung ablenkende Vorrichtung 3 mit zwei totalreflektierenden Prismen 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 die Wandbereiche des Ausschnitts 8 die elektromagnetische Strahlung den durch den Ausschnitt 8 ausgebildeten Raum mit dem Medium durchdringt. Die Wandbereiche sind eben ausgeführt und winklig zueinander angeordnet. Der die Wandbereiche einschließende Winkel ist kleiner 180°. Die Wandbereiche sind dazu weiterhin gegenüber der elektromagnetischen Strahlung so angeordnet, dass im Zusammenhang mit dem Medium ein die elektromagnetische Strahlung brechendes Prisma vorhanden ist.
Die optischen Elemente sind dabei so angeordnet, dass das Spektrum der Strahlung auf den CCD-Sensor 2 gelangt. Dabei wird der Ort vorbestimmter Spektrallinien erfasst. Ändert sich die Zusammensetzung des Mediums, ändert sich auch die Brechung. Die Spektrallinien der Strahlung verschieben sich. Über den CCD-Sensor 2 ist diese Verschiebung örtlich bestimmbar.
Das kann auch bezüglich der Veränderung elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Wellenlänge erfolgen. Dabei wird eine elektromagnetische Strahlungsquelle 1 mit wenigstens einer bestimmten Wellenlänge eingesetzt.
Mit dem Einsatz einer Mehrfarben-Lumineszenzdiode 1 als elektromagnetische Strahlungsquelle 1 ist elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen einfach zu realisieren.
In einer ersten Ausführungsform ist die Lumineszenzdiode 1 gegenüber dem Medium im Ausschnitt 8 beabstandet über dem CCD-Sensor 2 angeordnet (Darstellung in der 1).
In einer zweiten Ausführungsform ist die Lumineszenzdiode 1 beabstandet neben dem CCD-Sensor 2 angeordnet.
Die 2 zeigt dazu einen Sensor in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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.
Zur Steuerung der Messung und Auswertung der Messergebnisse sind die elektromagnetische Strahlungsquelle 1 und der CCD-Sensor 2 mit einem Datenverarbeitungssystem zusammengeschaltet. Das ist ein bekannter Mikrorechner auf der Leiterplatte 4 mit einem Mikrocontroller als zentrale Verarbeitungseinheit.
Das zweite Teil 7 des Gehäuses 5 ist ein Deckel 7, so dass ein in sich abgeschlossener Sensor zur Überwachung des Mediums realisiert ist.

Claims

Sensor zur Überwachung eines Mediums mit wenigstens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und einem Detektor für elektromagnetische Strahlung, wobei sich das Medium im Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und dem Detektor als wenigstens einem eindimensionalen Sensor mit Fotodioden für die gebrochene elektromagnetische Strahlung befindet und ein bei Änderung des Mediums sich änderndes Spektrum erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle (1) und der Detektor (2) in wenigstens einem Gehäuse (5) angeordnet sind, dass ein erstes Teil (6) des Gehäuses (5) ein becherförmiges und aus einem für die Strahlung transparenten Material bestehendes Formteil ist, dass das erste Teil (6) eine Vertiefung oder einen Ausschnitt (8) mit zwei ebenen und winklig zueinander angeordneten sowie für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandbereichen für das Medium besitzt, so dass diese Wandbereiche und das sich an den Wandbereichen befindliche Medium ein die elektromagnetische Strahlung brechendes Prisma sind, und dass ein zweites Teil (7) des Gehäuses (5) ein Deckel (7) ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nach der elektromagnetischen Strahlungsquelle (1) wenigstens eine die Strahlung leitende und/oder ablenkende Vorrichtung (3) angeordnet ist, so dass die elektromagnetische Strahlungsquelle (1) und der Detektor (2) nebeneinander platzierbar sind.
Sensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Spiegel (10) oder totalreflektierende Prismen die die Strahlung ablenkende Vorrichtung (3) sind, so dass die Strahlung nacheinander zweimal abgelenkt wird.
Sensor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Strahlung leitende Vorrichtung (3) ein Lichtwellenleiter ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlungsquellen (1) für Strahlungen verschiedener Wellenlänge und der Detektor (2) mit einem Datenverarbeitungssystem verbunden sind, so dass nacheinander Strahlung verschiedener Wellenlänge im Prisma, gebildet aus den Wandbereichen und dem sich an den Wandbereichen befindlichen Medium, gebrochen und daraus resultierende Spektren erfass- und auswertbar sind.
Sensor nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem ein jeweils den Ort der auf den Detektor (2) gelangten elektromagnetischen Strahlung bestimmter Wellenlänge ermittelndes Datenverarbeitungssystem ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nach der elektromagnetischen Strahlungsquelle (1) eine die elektromagnetische Strahlung beeinflussende Einrichtung angeordnet ist, so dass elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlänge das Medium durchdringt und auf den Detektor (2) gelangt.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil einstückig ausgebildet ist.
Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium eine wässrige Lösung ist, so dass die Konzentration wenigstens eines Stoffes in der wässrigen Lösung erfassbar ist.