DE102010052870A1 - Arrangement for detecting level of medium, particularly fluid in container, has area for receiving container with medium introduced in interior of container - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Erkennen von Füllständen in einem Behälter, beispielsweise in einem Reagenzglas oder einer Ampulle.The present invention relates to an arrangement and a method for detecting levels in a container, for example in a test tube or ampoule.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Glasröhrchen, wie Reagenzgläser oder Ampullen, die oft auch als Probenröhrchen bezeichnet werden, werden insbesondere in der Medizin zur Untersuchung von Proben eingesetzt. Blut stellt ein Beispiel für eine solche Probe dar. Zur Analyse des Blutes wird das Blut in ein Probenröhrchen gegeben und dann vorzugsweise zentrifugiert, so dass eine Separation der Blutbestandteile nach ihrer Dichte im Probenröhrchen erfolgt. Die Bestandteile des Blutes sind, insbesondere als Phasen, schichtweise in dem Probenröhrchen angeordnet bzw. verteilt. Die separierten Bestandteile des Blutes können jeweils als Flüssigkeit oder auch als ein weniger flüssiges Medium, zum Beispiel als gallertartige Masse, vorliegen. Die separierten Bestandteile der zu untersuchenden Probe werden daher allgemein auch als Medien bezeichnet. Die Bestandteile können zum Beispiel bestehen aus Blutserum, Trenngel (ein Gel, das bereits vor der Blutentnahme in dem vakuumierten Glasrohr enthalten ist) und Blutkuchen, sowie gegebenenfalls noch weitere Medien zusätzlich, oder auch aus Blutserum und Blutkuchen oder aus Blutplasma und einem separierten Teil mit den zellulären Bestandteilen des Blutes.Glass tubes, such as test tubes or ampoules, which are often referred to as sample tubes, are used in particular in medicine for the examination of samples. Blood is an example of such a sample. To analyze the blood, the blood is placed in a sample tube and then preferably centrifuged so that a separation of the blood components according to their density in the sample tube. The constituents of the blood are, in particular as phases, arranged or distributed in layers in the sample tube. The separated components of the blood can each be present as a liquid or else as a less liquid medium, for example as a gelatinous mass. The separated components of the sample to be examined are therefore generally referred to as media. The constituents may consist, for example, of blood serum, separating gel (a gel which is already contained in the vacuumed glass tube before the blood is taken) and blood cake, and optionally also other media in addition, or also of blood serum and blood cake or of blood plasma and a separated part the cellular components of the blood.
Die Bestandteile des Bluts lassen sich im Allgemeinen gut separieren. Es bilden sich recht klare Trennflächen oder Grenzflächen zwischen den verschiedenen Flüssigkeiten oder Medien. Insbesondere zur Entnahme der Bestandteile des Blutes oder allgemein zur Trennung der Bestandteile ist es erforderlich, den Füllstand der jeweiligen Bestandteile im Probenröhrchen zu kennen.The components of the blood are generally well separated. There are quite clear interfaces or interfaces between the different liquids or media. In particular, for the removal of the components of the blood or generally for the separation of the components, it is necessary to know the level of the respective components in the sample tube.
Die Flüssigkeiten oder Medien können völlig transparent oder absorbierend sein. Erschwerend kann dabei noch hinzukommen, dass auf dem Probenröhrchen, zum Beispiel auf einem Glasrohr, eine leere oder bedruckte Etikette aufgebracht ist, die das Probenröhrchen ganz oder teilweise umfängt.The liquids or media can be completely transparent or absorbent. To make matters worse, that on the sample tube, for example on a glass tube, an empty or printed label is applied, which surrounds the sample tube in whole or in part.
Zum Erkennen und/oder Bestimmen der Füllstande und/oder der Grenzflächen sind verschiedene Methoden bekannt.Various methods are known for detecting and / or determining the fill levels and / or the interfaces.
Ein erster Ansatz basiert auf einer Einweg-Lichtschranke mit einem feinen Strahl, wie zum Beispiel einer Laser-Lichtschranke. Hierbei dringt der Strahl mit Lichtbrechung an den Oberflächen durch die Medien durch. An den Mediengrenzflächen treten Störungen in der empfangenen Lichtmenge auf. Diese Störungen können als Grenzflächen erkannt werden.A first approach is based on a one-way photoelectric sensor with a fine beam, such as a laser photoelectric sensor. In doing so, the beam penetrates through the media with refraction of light at the surfaces. At the media interfaces disturbances occur in the amount of light received. These disturbances can be recognized as interfaces.
Eine Weiterbildung dieser Vermessungsart basiert auf einer Einweg-Lichtschranke mit feinem Strahl und ausgesuchter Wellenlänge. Bei bekannten Flüssigkeiten kann die unterschiedliche Absorption des ausgesandten Lichts ausgewertet werden. Die transmittierte Lichtmenge ändert sich je nach Medium. Der Wechsel der Signalstärke zeigt den Medienwechsel an.A further development of this type of surveying is based on a one-way light barrier with a fine beam and a selected wavelength. In known liquids, the different absorption of the emitted light can be evaluated. The transmitted amount of light changes depending on the medium. The change in signal strength indicates the media change.
Letzteres kann noch weitergebildet werden, indem mehrere unterschiedliche Wellenlängen nacheinander das Glasrohr und seine Medien beleuchten. Die Absorption ist bei günstiger Auswahl der Wellenlängen jeweils wieder anders verteilt auf die verschiedenen Medien.The latter can be further developed by several different wavelengths successively illuminate the glass tube and its media. The absorption is again differently distributed among the different media with a favorable selection of the wavelengths.
In ähnlicher Weise kann ein Lichtstrahl mit weißem Licht oder mit breitbandigem Licht (im Bereich UV, sichtbar oder IR) oder mit Licht bestehend aus mehreren unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Die Transmission des Lichtes durch die verschiedenen Medien wird mit einem Spektrometer beobachtet. Aus dem Transmissionsverhalten verschiedener Wellenlängen kann auf das Medium geschlossen werden und beim Übergang zwischen verschiedenem Transmissionsverhalten auf den Füllstand.Similarly, a light beam may be used with white light or with broadband light (in the UV, visible or IR range) or with light consisting of several different wavelengths. The transmission of light through the various media is monitored by a spectrometer. From the transmission behavior of different wavelengths can be closed to the medium and the transition between different transmission behavior on the level.
Mittels einer Matrixkamera, Bildverarbeitung und diffuser Beleuchtung erscheinen die Trennflächen zwischen den Medien als dunkle Streifen. Diese können dann ausgewertet werden.Using a matrix camera, image processing and diffused lighting, the interfaces between the media appear as dark stripes. These can then be evaluated.
Eine weitere Methode basiert auf einer Messung mittels Ultraschall. Bei einem definierten, beispielsweise ebenen, Boden des Glasrohrs kann ein Ultraschallstrahl von unten in das Glasrohr eingekoppelt werden und die zeitlich nacheinander eintreffenden Echos der verschiedenen Trennflächen ausgemessen werden.Another method is based on a measurement by means of ultrasound. In a defined, for example, level, bottom of the glass tube, an ultrasound beam can be coupled from below into the glass tube and the time successive incoming echoes of the various interfaces are measured.
Alle vorstehend genannten Methoden zur Füllstanderkennung erweisen sich insbesondere dann als nachteilig oder als nicht sinnvoll einsetzbar, sobald eine Etikette auf dem Probenröhrchen aufgebracht ist, die letzte Methode wegen der Variantenvielfalt der Glasrohre.All above-mentioned methods for level detection prove to be particularly disadvantageous or not useful as soon as a label is applied to the sample tube, the last method because of the variety of variants of the glass tubes.
Eine Laserartige Einweglichtschranke wird als unmöglich erachtet bei aufgebrachter, stark lichtstreuender Etikette. Der parallele bzw. gut definierte Lichtstrahl wird durch die Etikette zerstört.A laser-type through-beam sensor is considered impossible with applied, strongly light-scattering label. The parallel or well-defined light beam is destroyed by the label.
Bei einer auf einer Absorption basierenden Methode bereitet die Etikette ähnliche Probleme, denn die Transmission wird massiv verändert durch die Etikette. Eine Aussage mit nur einer Lichtquelle mit nur einer Wellenlänge ist damit nicht mehr möglich, insbesondere, wenn die Etikette einmal aufgebracht ist, ein anderes Mal nicht.In an absorption-based method, the label causes similar problems because the transmission is massively changed by the label. A statement with only one light source with only one wavelength is thus no longer possible, especially if the label is once applied, not another time.
Eine spektroskopische Messung erscheint zwar möglich, wird aber als recht teuer und zudem als langsam erachtet.A spectroscopic measurement seems possible, but is considered quite expensive and also considered slow.
Eine Lösung, die auf dem 2-dimensionalen Bild und diffuser Beleuchtung basiert, ist bei aufgebrachten Etiketten sogar unmöglich (siehe dazu zum Beispiel
Die Ultraschalllösung kann scheitern, wenn der Boden des Glasrohrs nicht ausreichend definiert ist, da dann kein Ultraschallstrahl effizient und definiert eingekoppelt werden kann.The ultrasound solution can fail if the bottom of the glass tube is not sufficiently defined, because then no ultrasound beam can be injected efficiently and defined.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt, eine Anordnung und ein Verfahren zum Erkennen von Füllständen in einem Behälter bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest vermindern.Against this background, the present invention has the object to provide an arrangement and a method for detecting levels in a container, which at least reduce the disadvantages of the prior art described above.
Dabei soll es insbesondere möglich sein, den Füllstand der obersten und/oder der verschiedenen Flüssigkeiten oder der mehr oder weniger flüssigen Medien in einem Probenröhrchen zu vermessen.It should be possible in particular to measure the level of the topmost and / or the different liquids or the more or less liquid media in a sample tube.
Insbesondere soll dies auch dann noch möglich sein, wenn auf dem Probenröhrchen eine leere oder bedruckte Etikette aufgebracht ist, welche das Probenröhrchen vollständig oder nur teilweise umfängt.In particular, this should still be possible if an empty or printed label is applied to the sample tube, which completely or only partially surrounds the sample tube.
Es soll hierbei möglich sein, völlig transparente oder auch absorbierende Medien zu erkennen bzw. zu vermessen.It should be possible to detect or measure completely transparent or absorbing media.
Schließlich soll die Füllstanderfassung auch hinsichtlich der Kosten wirtschaftlich realisierbar sein.Finally, the level detection should also be economically feasible in terms of cost.
Gelöst werden die genannten Aufgaben durch eine Anordnung und ein Verfahren gemäß den beiden unabhängigen Ansprüchen.The stated objects are achieved by an arrangement and a method according to the two independent claims.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Advantageous embodiments are the subject of the respective subclaims.
Zunächst wird in der vorliegenden Anmeldung eine Anordnung oder eine Vorrichtung beansprucht zur Erkennung und/oder zur Erfassung wenigstens eines Füllstands eines Mediums, vorzugsweise eines Fluids, in einem Behälter. Diese umfasst die folgenden Bestandteile:
- – einen Bereich zur Aufnahme eines Behälters mit wenigstens einem in einem Innenraum des Behälters eingebrachten Medium,
- – eine Sendeeinheit zum Bereitstellen eines Sendelichts, welche an einer Seite des Aufnahmebereichs für den Behälter angeordnet ist,
- – eine Empfangseinheit für das Sendelicht, welche an einer der Sendeeinheit gegenüberliegenden Seite des Aufnahmebereichs für den Behälter angeordnet ist,
- – wobei die Sendeeinheit derart zu dem Aufnahmebereich angeordnet ist, dass ein im Aufnahmebereich positionierter Behälter im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu seiner Längsachse mittels des Sendelichts durchleuchtbar ist, wobei
- A region for receiving a container with at least one medium introduced in an interior of the container,
- A transmitting unit for providing a transmission light which is arranged on one side of the receptacle for the container,
- A receiving unit for the transmitted light, which is arranged on an opposite side of the transmitting unit of the receiving area for the container,
- - Wherein the transmitting unit is arranged to the receiving area such that a container positioned in the receiving area is substantially transversely, preferably perpendicular, transilluminable to its longitudinal axis by means of the transmitted light, wherein
Im Bereich der Erfindung liegt ebenso ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter, indem
der Behälters mit einem Sendelicht im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu einer Längsachse des Behälters durchleuchtet wird, wobei
das Sendelicht im Inneren des Behälters, vorzugsweise zumindest abschnittsweise, eine ausgehend von einer Eintrittseite in den Behälter in Richtung einer Austrittseite aus dem Behälter im Wesentlichen divergente Strahlcharakteristik aufweist.Within the scope of the invention is also a method for detecting at least one level of a medium in a container by
the container is transilluminated with a transmitted light substantially transversely, preferably perpendicular, to a longitudinal axis of the container, wherein
the transmitted light in the interior of the container, preferably at least in sections, a starting from an inlet side into the container in the direction of an outlet side of the container substantially divergent beam characteristic.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorzugsweise geeignet zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch das. erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ausführbar mittels der erfindungsgemäßen Anordnung.The arrangement according to the invention is preferably suitable for carrying out the method according to the invention. The inventive method is preferably carried out by means of the inventive arrangement.
Der Aufnahmebereich definiert einen Raum, in welchem der Behälter während der Füllstanderfassung positioniert ist. Beispielsweise kann der Aufnahmebereich durch eine Art Öffnung und/oder eine Art Halterung in oder an einem Gerät bereitgestellt werden, welche die Sendeeinheit und die Empfangseinheit enthält.The receiving area defines a space in which the container is positioned during level detection. For example, the receiving area can be provided by a kind of opening and / or a type of holder in or on a device which contains the transmitting unit and the receiving unit.
Der Behälter ist vorzugsweise ein Rohr oder Glasrohr, wie zum Beispiel ein Reagenzglas, eine Ampulle oder allgemein ein Probenröhrchen Grundsätzlich sind auch andere Behälter denkbar. Es beschränkt sich nicht auf Glasrohre allein. Das Gefäß sollte eine glatte, durchsichtige Wand aufweisen auf der Eintrittsseite und der Austrittsseite.The container is preferably a tube or glass tube, such as a test tube, an ampoule or generally a sample tube. Basically, other containers are conceivable. It is not limited to glass tubes alone. The vessel should have a smooth, transparent wall on the inlet side and the outlet side.
Das Sendelicht dringt quer oder im Wesentlichen quer durch das Glas oder die Seitenwand des Behälters in den Innenraum des Behälters und in die im Behälter angeordneten Medien ein. Im Allgemeinen tritt das Sendelicht horizontal ein. Das Sendelicht tritt dabei vorzugsweise stark divergierend ein.The transmitted light penetrates transversely or substantially transversely through the glass or the side wall of the container into the interior of the container and into the in the container arranged media. In general, the transmitted light enters horizontally. The transmitted light occurs preferably strongly divergent.
Eine divergente Strahlcharakteristik oder ein divergenter Strahlungsverlauf ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sendelicht von einem Zentrum, vorzugsweise im Wesentlichen radial, nach außen wegläuft. Das Zentrum wird durch einen Quellbereich für das Sensorlicht, im Idealfall durch einen Quellpunkt, definiert. Zur Charakterisierung kann der Öffnungswinkel des Strahlengangs oder des bereitgestellten Strahlenkegels verwendet werden. Der Öffnungswinkel mit dem das Sendelicht bereitgestellt wird, liegt vorzugsweise in einem Bereich von größer als 30°.A divergent beam characteristic or a divergent radiation profile is characterized in that the transmitted light runs away from a center, preferably substantially radially, to the outside. The center is defined by a source region for the sensor light, ideally by a source point. For characterization, the opening angle of the beam path or the provided beam cone can be used. The opening angle at which the transmission light is provided is preferably in a range of greater than 30 °.
Der Quellbereich für das Sensorlicht wird erfindungsgemäß in einer Ausführungsform direkt oder unmittelbar durch eine Lichtquelle, insbesondere durch die lichtemittierende Seite oder Lichtaustrittsseite einer Lichtquelle, bereitgestellt.In one embodiment, the source region for the sensor light is provided directly or directly by a light source, in particular by the light-emitting side or light exit side of a light source.
Die Anordnung ist hierbei dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit eine Lichtquelle umfasst, die den Quellbereich für das Sendelicht definiert. Die Lichtquelle ist an einer Seite des Behälters angeordnet, an der das Sendelicht in den Behälter eintritt. Die Lichtquelle wird vorzugsweise direkt an der Eintrittsseite für das Sendelicht an dem Behälter positioniert.The arrangement here is characterized in that the transmitting unit comprises a light source, which defines the source area for the transmitted light. The light source is disposed on a side of the container where the transmitted light enters the container. The light source is preferably positioned directly on the entry side for the transmitted light on the container.
Bei einer direkten Positionierung der Lichtquelle auf der Eintrittsseite ist die Lichtquelle in einem Abstand von kleiner als etwa 8 mm, vorzugsweise von kleiner als etwa 3 mm, zur Eintrittsseite des Behälters angeordnet.In a direct positioning of the light source on the inlet side, the light source is arranged at a distance of less than about 8 mm, preferably less than about 3 mm, to the inlet side of the container.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle nicht direkt auf sondern in einem Abstand zu der Eintrittsseite positioniert.In a further embodiment, the light source is not directly positioned but at a distance from the entrance side.
Hierzu umfasst die Sendeeinheit eine Lichtquelle und ein optisches Bauteil, wobei das Sendelicht mittels des optischen Bauteils auf eine Seite des Behälters fokussierbar ist, an welcher das Sendelicht in den Behälter eintritt, wobei der oben beschriebene Quellbereich für das Sendelicht hier dem Abbild (Fokus) des optischen Bauteils entspricht und vorzugsweise durch den Fokus definiert ist.For this purpose, the transmitting unit comprises a light source and an optical component, wherein the transmitted light can be focused by means of the optical component on one side of the container, at which the transmitted light enters the container, wherein the above-described source region for the transmitted light here the image (focus) of the corresponds to optical component and is preferably defined by the focus.
Im Allgemeinen liegt der Fokus in einem Abstand von kleiner als etwa 8 mm, vorzugsweise von kleiner als etwa 3 mm, innerhalb oder außerhalb der Eintrittsseite oder der Seitenwand des Behälters, an der das Sendelicht in den Behälter eintritt. Der Fokus liegt vorzugsweise direkt auf der Eintrittseite des Behälters. Insbesondere besitzt das Sendelicht im Fokus einen Sendespot mit einem Durchmesser von kleiner als etwa 6 mm, vorzugsweise von kleiner als etwa 3 mm, oder einen Lichtspalt mit einer Breite von kleiner als 6 mm, vorzugsweise von kleiner als 3 mm.In general, the focus is at a distance of less than about 8 mm, preferably less than about 3 mm, inside or outside the entrance side or side wall of the container where the transmitted light enters the container. The focus is preferably directly on the inlet side of the container. In particular, the transmitted light in focus has a broadcasting spot having a diameter of less than about 6 mm, preferably less than about 3 mm, or a light gap having a width of less than 6 mm, preferably less than 3 mm.
Die vorstehend angegebenen Werte sind insbesondere dann zutreffend, wenn der Behälter ein Glasrohr oder Gefäß mit einem Durchmesser in einer Größenordnung von etwa 12 mm ist. Bei Behältern mit einem deutlich größeren Format als die angenommenen ca. 12 mm Durchmesser können insbesondere die Abstände von Sendeeinheit zum Behälter und/oder von der Behälterwand zur Empfangseinheit auch größer sein als die erwähnten Maße.The values given above are particularly applicable when the container is a glass tube or vessel with a diameter of the order of about 12 mm. In the case of containers with a significantly larger format than the assumed approx. 12 mm diameter, in particular the distances from the transmitting unit to the container and / or from the container wall to the receiving unit can also be greater than the dimensions mentioned.
In einem ersten Ansatz sind die Maße, insbesondere die Abstände, in etwa proportional zu vergrößern wie die Größe oder der Durchmesser des Behälters. Die Werte sind dann mit einem Wert von Behälterdurchmesser (oder Rohrdurchmesser) geteilt durch 12 mm zu skalieren (Wert·ø/12 mm).In a first approach, the dimensions, in particular the distances, are to be increased approximately proportionally to the size or diameter of the container. The values should then be scaled with a value of vessel diameter (or pipe diameter) divided by 12 mm (value · ø / 12 mm).
In einem zweiten Ansatz sind die Maße, insbesondere die Abstände, in etwa proportional zur Wurzel der Formatverhältnisse zu vergrößern. Die Werte sind dann mit einem Wert von der Wurzel aus dem Behälterdurchmesser (oder Glasrohrdurchmesser) geteilt durch 12 mm zu skalieren (Wert·(ø/12 mm)1/2). Vorzugsweise stellt dies den Mindestfaktor zum Skalieren oder zum Vergrößern dar.In a second approach, the dimensions, in particular the distances, are to be increased approximately proportionally to the root of the format ratios. The values should then be scaled with a value of the root of the vessel diameter (or glass tube diameter) divided by 12 mm (value x (ø / 12 mm) 1/2 ). Preferably, this represents the minimum factor for scaling or zooming.
Vorzugsweise grenzt die Sendeeinheit in den zwei vorstehend beschriebenen Ausführungsformen an den Aufnahmebereich für den Behälter oder an eine Außenseite des Behälters an.Preferably, in the two embodiments described above, the transmitting unit adjoins the receiving area for the container or on an outer side of the container.
Die Lichtquelle kann eine einzelne Lichtquelle sein. Sie kann aber auch eine Vielzahl an Lichtquellen umfassen. In Abhängigkeit von der Ausführungsform der Erfindung kann die Lichtquelle eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle oder eine im Wesentlichen linienförmige Lichtquelle sein. Vorzugsweise wird die Lichtquelle durch eine LED oder eine Vielzahl an LEDs bereitgestellt. Es kann noch zusätzlich eine Blende zwischen der Lichtquelle und der Eintrittsseite angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorzusehen, wenn größere Lichtquellen eingesetzt werden. Im Allgemeinen wird eine in Relation zum Behälter kleine Sendequelle verwendet, insbesondere zumindest in Längsrichtung zum Behälter gesehen. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Lichtquelle oder die Breite eines Lichtspaltes oder -flecks kleiner als 40%, vorzugsweise kleiner als 10%, des Durchmessers oder der Durchstrahlungsbreite des Behälters.The light source may be a single light source. But it can also include a variety of light sources. Depending on the embodiment of the invention, the light source may be a substantially punctiform light source or a substantially linear light source. Preferably, the light source is provided by an LED or a plurality of LEDs. It may additionally be arranged a diaphragm between the light source and the inlet side. This is especially to be provided when larger light sources are used. In general, a small transmission source relative to the container is used, in particular seen at least in the longitudinal direction of the container. Preferably, the diameter of the light source or the width of a light slit or spot is less than 40%, preferably less than 10%, of the diameter or transmittance width of the container.
Die Empfangseinheit ist ausgebildet zum Erfassen des Sendelichts, das von der der Sendeeinheit in den Behälter eingekoppelt, durch den Behälter und die Medien in dem Behälter übertragen und aus dem Behälter ausgekoppelt wird. Vorzugsweise grenzt die Empfangseinheit an den Aufnahmebereich für den Behälter oder an eine Außenseite des in dem Aufnahmebereich angeordneten Behälters an.The receiving unit is designed to detect the transmitted light, which is coupled from the transmitting unit into the container, transmitted through the container and the media in the container and coupled out of the container. The receiving unit preferably adjoins the receiving area for the container or to an outside of the arranged in the receiving area container.
In einer Ausführungsform umfasst die Empfangseinheit einen Empfänger, der an einer Seite des Behälters, an der das Sendelicht aus dem Behälter austritt, angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung ist der Empfänger möglichst nahe an der Austrittsseite angeordnet. Vorzugsweise ist er direkt oder unmittelbar auf der Austrittsseite aufgebracht. Der Empfänger kann zum Beispiel in einem Abstand von kleiner als etwa 8 mm, vorzugsweise von kleiner als etwa 3 mm, zur Austrittsseite des Behälters angeordnet werden.In one embodiment, the receiving unit comprises a receiver, which is arranged on one side of the container, at which the transmitted light emerges from the container. In this embodiment, the receiver is arranged as close as possible to the outlet side. Preferably, it is applied directly or directly on the exit side. For example, the receiver may be located at a distance of less than about 8 mm, preferably less than about 3 mm, to the exit side of the container.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Empfänger nicht unmittelbar an der Austrittseite angeordnet. Die Anordnung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit einen Empfänger und ein optisches Bauteil umfasst, wobei der Empfänger beabstandet zu einer Seite des Behälters, an der das Sendelicht aus dem Behälter austritt, angeordnet ist und das aus dem Behälter austretende Licht mittels des optischen Bauelements auf den Empfänger abbildbar ist.In a further embodiment, the receiver is not arranged directly on the outlet side. The arrangement is characterized in that the receiving unit comprises a receiver and an optical component, wherein the receiver is spaced from one side of the container, at which the transmitted light emerges from the container, and the light emerging from the container by means of the optical component can be mapped to the recipient.
Der Empfänger kann durch wenigstens einen, vorzugsweise 1-dimensionalen oder 2-dimensionalen, Bildaufnehmer und/oder durch wenigstens einen Helligkeitssensor bereitgestellt werden. Ein Beispiel für einen Bildaufnehmer stellt eine CCD-Kamera dar. Ein Beispiel für einen Helligkeitssensor stellt eine Photodiode dar.The receiver can be provided by at least one, preferably 1-dimensional or 2-dimensional, image sensor and / or by at least one brightness sensor. An example of an image sensor is a CCD camera. An example of a brightness sensor is a photodiode.
Das optische Bauelement zum Abbilden des aus dem Behälter austretenden Sendelichts kann durch wenigstens eine Linse, ein Objektiv und/oder ein Linsen-Array, vorzugsweise ein CIS-Linsen-Array (Contact-Image-Sensor) bereitgestellt werden. Vorzugsweise besteht das Array aus oder umfasst das Array GRIN-Linsen (Gradienten-Index-Linsen). In einer Ausführungsform ist das optische Bauteil geeignet zum Abbilden der vorzugsweise gewölbte Austrittsfläche auf den Empfänger.The optical component for imaging the transmitted light emerging from the container can be provided by at least one lens, an objective and / or a lens array, preferably a CIS lens array (contact image sensor). Preferably, the array consists of or comprises the array of GRIN lenses (gradient index lenses). In one embodiment, the optical component is suitable for imaging the preferably curved exit surface onto the receiver.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung einen Verstärker, eine Einrichtung zum Steuern der Belichtungszeit und/oder der Verstärkung und/oder eine Einrichtung zum Steuern der Sendeleistung. Dadurch kann das durch den Empfänger empfangene Sendelicht derart verstärkt und/oder die Belichtungszeit zum Durchstrahlen des Behälters derart verlängert und/oder die Sendeleistung zum Durchstrahlen des Behälters derart erhöht werden, dass eine Beeinflussung oder Absorption, insbesondere durch ein auf dem Behälter angeordnetes Etikett, im Wesentlichen kompensierbar ist.In a further embodiment of the invention, the arrangement comprises an amplifier, a device for controlling the exposure time and / or the amplification and / or a device for controlling the transmission power. As a result, the transmitted light received by the receiver can be amplified and / or the exposure time for irradiating the container can be extended and / or the transmission power for irradiating the container can be increased such that an influence or absorption, in particular by a label disposed on the container, in Substantially compensable.
Sofern Helligkeitssensoren als Empfänger verwendet werden, werden in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest zwei oder genau zwei Helligkeitssensoren bereitgestellt. Ein erster Helligkeitssensor ist oberhalb der Sendeeinheit und ein zweiter unterhalb der Sendeeinheit angeordnet (bezogen auf die Längsachse des Behälters).If brightness sensors are used as receivers, in a preferred embodiment at least two or exactly two brightness sensors are provided. A first brightness sensor is arranged above the transmitting unit and a second below the transmitting unit (with respect to the longitudinal axis of the container).
Im Allgemeinen wird der Behälter und die darin befindlichen Medien gescannt oder abgetastet. Eine Haupt-Scanrichtung ist quer, vorzugsweise senkrecht, zu den Mediengrenzen.Generally, the container and the media therein are scanned or scanned. A main scanning direction is transverse, preferably perpendicular, to the media boundaries.
Eine weitere Scan-Richtung, d. h. die Bewegung entlang des Umfangs erfolgt senkrecht zu der Haupt-Scanrichtung entlang der vorzugswesie durchsichtigen Behälterwand.Another scan direction, d. H. the movement along the circumference is perpendicular to the main scanning direction along the vorzugswesie transparent container wall.
Zum Abtasten des Behälters und der im Behälter befindlichen Medien werden in einer Ausführungsform die Lichtquelle und der Behälter, und insbesondere die Empfangseinheit, oder die Sendeeinheit zusammen mit der Empfangseinheit und der Behälter relativ zueinander bewegt. Im Allgemeinen befinden sich die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in Ruhe und der Behälter wird quer zu den Mediengrenzen, typischerweise also entlang der Behälterlängsachse relativ zu den beiden Einheiten bewegt. Vorzugsweise sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit starr zu einander und werden relativ zum Behälter bewegt. Beispielsweise kann der Behälter durch einen Roboterarm in den Aufnahmebereich eingeführt werden und die Bewegung zum Abtasten des Behälters bereitstellen. Als Alternative oder Ergänzung zu der Bewegung entlang der Längsachse des Behälters kann noch eine Bewegung über den Umfang des Behälters und somit eine Drehung des Behälters erfolgen, so dass der Behälter entlang seiner Längsachse und/oder über seinen Umfang abtastbar ist.For scanning the container and the media located in the container, in one embodiment, the light source and the container, and in particular the receiving unit, or the transmitting unit are moved together with the receiving unit and the container relative to each other. In general, the transmitting unit and the receiving unit are at rest and the container is moved across the media boundaries, typically along the container longitudinal axis relative to the two units. Preferably, the transmitting unit and the receiving unit are rigid with each other and are moved relative to the container. For example, the container may be inserted into the receiving area by a robotic arm and provide the movement to scan the container. As an alternative or supplement to the movement along the longitudinal axis of the container, a movement over the circumference of the container and thus a rotation of the container can take place, so that the container can be scanned along its longitudinal axis and / or over its circumference.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abtasten des Behälters nicht über eine Bewegung der Komponenten zueinander. Dazu wird die Lichtquelle durch eine Vielzahl einzelner Lichtquellen bereitgestellt. Diese sind entlang der Längsachse des Aufnahmebereichs und insbesondere des Behälters und/oder über den Umfang des Aufnahmebereichs und insbesondere des Behälters verteilt angeordnet. Zum Abtasten des Behälters und der Medien werden die einzelnen Lichtquellen zeitlich abgestimmt aufeinander eingeschaltet und/oder ausgeschaltet. Dazu weist die Anordnung eine Einrichtung zum Ansteuern der einzelnen Lichtquellen auf, so dass diese, vorzugsweise zeitlich nacheinander, einschaltbar und/oder ausschaltbar sind und zum Abtasten des Behälters ein vorzugsweise gepulstes Sendelicht entlang der Längsachse und/oder über den Umfang des Behälters bereitstellbar ist.In a further embodiment, the scanning of the container does not take place via a movement of the components relative to one another. For this purpose, the light source is provided by a plurality of individual light sources. These are arranged distributed along the longitudinal axis of the receiving area and in particular of the container and / or over the circumference of the receiving area and in particular of the container. For scanning the container and the media, the individual light sources are switched on and / or switched off in a time-coordinated manner. For this purpose, the arrangement has a device for driving the individual light sources so that they can be switched on and / or off, preferably one after the other, and a preferably pulsed transmitted light along the longitudinal axis and / or over the circumference of the container can be provided for scanning the container.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle eine IR-Lichtquelle. Die Lichtquelle besitzt im Allgemeinen ein Emissionsspektrum, das an die zu untersuchenden Medien angepasst ist. Das Emissionsspektrum der Lichtquelle oder der Lichtquellen wird vorzugsweise so gewählt, dass das Sendelicht von den zu untersuchenden Medien und der Glaswand nicht oder nur wenig absorbiert wird oder in wenigstens einem Medium wenig absorbiert und in einem anderen Medium stark absorbiert wird. Bei starker Absorption in mehreren Medien liegt vorzugsweise zwischen diesen Medien jeweils ein Medium mit kleiner Absorption. Besteht die Lichtquelle aus mehreren einzelnen Lichtquellen, so wird in einer anderen Ausführungsform das Sendelicht von den verschiedenen Lichtquellen mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert, wobei diese vorzugsweise so gewählt sind, dass das Sendelicht einer ersten Wellenlänge in wenigstens einem Medium wenig absorbiert wird und das Sendelicht einer zweiten Wellelänge in dem gleichen Medium stark absorbiert wird. Eine starke Absorption liegt insbesondere vor bei einer Absorption von größer als 80%, vorzugsweise von größer als 90%. Eine schwache Absorption liegt insbesondere vor bei einer Absorption von weniger als 20%, vorzugsweise von weniger als 10%. Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle ein Sendelicht in einem Spektralbereich, der so gewählt ist, dass das Sendelicht in allen oder in allen außer einem Medium wenig absorbiert wird.Preferably, the light source is an IR light source. The light source generally has an emission spectrum that is adapted to the media to be examined. The emission spectrum of the light source or of the light sources is preferably selected so that the transmitted light is not or only slightly absorbed by the media to be examined and the glass wall or is little absorbed in at least one medium and strongly absorbed in another medium. With strong absorption in several media is preferably between these media each a medium with low absorption. If the light source consists of a plurality of individual light sources, in another embodiment the transmitted light is emitted by the different light sources having at least two different wavelengths, which are preferably chosen so that the transmitted light of a first wavelength is at least slightly absorbed in at least one medium and the transmitted light a second wavelength is strongly absorbed in the same medium. A strong absorption is present in particular at an absorption of greater than 80%, preferably greater than 90%. In particular, a weak absorption is present at an absorption of less than 20%, preferably less than 10%. Preferably, the light source emits a transmitted light in a spectral range selected so that the transmitted light is little absorbed in all or in all but one medium.
Schließlich liegt im Bereich der Erfindung auch noch ein System zur Erfassung wenigstens eines Füllstands eines Mediums, vorzugsweise eines Fluids, in einem Behälter. Das System umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung und eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist zum Bestimmen eines Helligkeitsverlauf des aus dem Behälter ausgetretenen Sendelichts im Wesentlichen quer zur Medientrennfläche.Finally, within the scope of the invention is also a system for detecting at least one level of a medium, preferably a fluid, in a container. The system comprises an arrangement according to the invention and an evaluation unit which is designed to determine a brightness profile of the transmitted light emitted from the container substantially transversely to the media separation surface.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.The present invention will be explained in detail with reference to the following embodiments. For this purpose, reference is made to the accompanying drawings. The same reference numerals in the various drawings refer to the same parts.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Zur Illustration zeigt
Diese besitzt dabei in einer ersten Ausführungsform die folgenden Eigenschaften: Das Sendelicht
Die Fokusebene oder das Erzeugen des Lichts direkt vor der Eintrittsfläche
Die Lichtquelle oder Sendequelle
Das Licht dringt per Lichtbrechung ins Glas und sodann ins Medium ein. Danach breitet es sich im Medium mit starker Divergenz aus. Vorzugsweise tritt das Sendelicht
An einer vorzugsweise horizontalen Medientrennfläche wird das Licht reflektiert, insbesondere wenn der Brechungsindex der beiden angrenzenden Medien sich ausreichend groß unterscheidet (Beispiel: Öl-Wasser, Wasser-Luft). Bei einem Übergang oder einer Trennfläche von einem Medium mit höherem zu einem mit niedrigerem Brechungsindex tritt sogar Totalreflexion auf. Auf diese Weise breitet sich das Licht im Medium, in welches das Licht direkt, vorzugsweise durch das Glas hindurch, eingekoppelt wurde, stark aus. Es koppelt aber fast gar nicht hinüber in das angrenzende Medium. Die Medientrennfläche ist so auch eine Trennfläche für das Licht.The light is reflected on a preferably horizontal media separating surface, in particular if the refractive index of the two adjacent media differs sufficiently large (example: oil-water, water-air). In a transition or separation area from a higher to a lower refractive index medium, even total reflection occurs. In this way, the light in the medium, in which the light was coupled directly, preferably through the glass, spreads strong. It almost does not connect to the adjacent medium. The media raceway is also a separation surface for the light.
Auf der dem Sendespot gegenüberliegenden Seite trifft das Licht wieder auf die Glaswand. Es wird mit recht kleinen Reflexionsverlusten durch die Glaswand transmittiert und tritt aus dem Behälter oder Gefäß aus. Wegen seiner divergierenden Abstrahlung trifft das Licht nicht nur exakt gegenüber des Senders auf die Glaswand, sondern ringsum. Allerdings nehmen dort, d. h. je weiter weg von der dem Sendespot gegenüberliegenden Seite, die Reflexionen und damit auch die Reflexionsverluste beim Durchtritt durch die Glaswand immer mehr zu. An der Austrittsstelle kann auch wiederum eine Etikette angebracht sein.On the opposite side of the transmitter, the light hits the glass wall again. It is transmitted through the glass wall with quite small reflection losses and leaves the container or vessel. Because of its divergent radiation, the light hits not only exactly opposite the transmitter on the glass wall, but all around. However, there, d. H. the farther away from the side opposite the broadcasting station, the reflections and thus also the reflection losses as they pass through the glass wall become more and more. Again, a label may be attached to the exit point.
Das auf der gegenüberliegenden Seite des Sendespots austretende Licht wird von einem bildgebenden Sensor, vorzugsweise 2- oder 1-dimensional, also von einer Matrix- oder Zeilenkamera aufgenommen. Dabei wird vor allem der vertikale Helligkeitsverlauf, also quer zur Medientrennfläche ausgewertet.The light emerging on the opposite side of the transmission spot is picked up by an imaging sensor, preferably 2-dimensional or 1-dimensional, ie by a matrix or line scan camera. In particular, the vertical brightness profile, that is, evaluated transversely to the media separation surface.
Es ist erforderlich, dass der Bildaufnehmer im Wesentlichen direkt auf der Austrittsfläche aufgebracht wird mit einem Abstand möglichst nahe bei Null oder dass alternativ die Austritts-Glasfläche des Glasrohrs mit einer Optik, vorzugsweise mit großer Apertur, auf den Bildaufnehmer abgebildet wird.It is necessary that the image sensor is applied substantially directly on the exit surface with a distance as close to zero or alternatively that the exit glass surface of the glass tube with an optic, preferably with a large aperture, is imaged on the image sensor.
Diese Abbildung kann mit einer einfachen Linse oder einem Objektiv gemacht werden oder mit einer CIS-Linsenarray (CIS = Contact-Image-Sensor). Letzteres besteht aus oder umfasst GRIN-Linsen (Gradienten-Index-Linsen). Dank dieser Art der Optik darf nun auch ein streuendes Objekt wie Papier, Papieretikette oder sogar eine dünne weiße Plastiketikette auf die Glas-Austrittsfläche aufgebracht oder aufgeklebt sein. Eine solche Etikette verändert auch auf der Austrittsfläche das empfangene Bild nicht wesentlich, sondern dunkelt das Bild einzig etwas ab. Ist die Etikette über der ganzen Austrittsfläche aufgebracht, so ist das ganze Bild etwas dunkler. Das stört in keiner Weise, da dies mit etwas mehr Verstärkung, einer längeren Belichtungszeit oder einer höheren Sendeleistung beim Sender vollständig kompensiert werden kann. Ist die Etikette nur über einen Teil des Glasrohrs angebracht, so gibt es einen zusätzlichen Hell-Dunkel-Übergang im Bild. Dieser ist aber normalerweise nicht so stark wie derjenige, der durch die Medientrennfläche erzeugt wird. Insbesondere bei großer Apertur ist der Einfluss eines dünnen Papiers nicht groß. Das Licht wird zwar im Papier gestreut, wird aber dank der großen Apertur immer noch zur Hauptsache empfangen.This image can be taken with a simple lens or lens, or with a CIS lens array (CIS = contact image sensor). The latter consists of or includes GRIN lenses (gradient index lenses). Thanks to this type of optics, a scattering object such as paper, paper labels or even a thin white plastic label may now be applied or glued to the glass exit surface. Such a label does not significantly alter the received image on the exit surface, but darkens the image a little. If the label is applied over the entire exit surface, the whole picture is a bit darker. This does not bother in any way, since this can be fully compensated with a little more gain, a longer exposure time or a higher transmission power at the transmitter. If the label is only applied over part of the glass tube, there is an additional light-dark transition in the picture. However, this is usually not as strong as the one created by the media raceway. Especially with a large aperture, the influence of a thin paper is not great. The light is scattered in the paper, but thanks to the large aperture, it is still the main object.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform kann das Licht auch mit einem oder mehreren, helligkeitsmessenden Sensoren aufgenommen werden. Die Anforderungen an die Optik (große Apertur) oder die Anordnungsgeometrie, bei der die Sensoren auf der Glasaustrittsfläche aufliegen oder diese abbilden, ist dabei die gleiche wie soeben beschrieben. Einzig die Anforderung an die optische Auflösung ist hier geringer. Eine empfohlene Lösung besteht aus wenigstens 2 solchen Helligkeitssensoren, wobei einer etwas über, der andere etwas unterhalb des gegenüberliegenden Senders angebracht werden. Hier kann dann insbesondere mit der Differenz und der Summe und/oder dem Verhältnis der beiden Signale und/oder mit dem Verhältnis der Differenz zur Summe der Signale gearbeitet werden.In an alternative or supplementary embodiment, the light can also be recorded with one or more brightness-measuring sensors. The requirements for the optics (large aperture) or the arrangement geometry, in which the sensors rest on the glass exit surface or image, is the same as just described. Only the requirement for the optical resolution is lower here. A recommended solution consists of at least 2 such brightness sensors, one mounted slightly above and the other slightly below the opposite transmitter. In this case, it is then possible in particular to work with the difference and the sum and / or the ratio of the two signals and / or with the ratio of the difference to the sum of the signals.
In einer ersten Ausführungsform werden Sender und Empfänger entlang des Glasrohres bewegt und so der Flüssigkeitsinhalt oder die dort eingeschlossenen Medien mit den verschiedenen Medientrennflächen abgetastet oder abgescannt. Wird zum Beispiel der Sender-Empfänger von oben nach unten gescannt, dann wird zuerst Licht in die im Glasgefäß enthaltene Luft eingekoppelt. Je näher man sich an die erste Medientrennfläche nähert, desto klarer erscheint die Grenzfläche, es wird nur sehr wenig Licht in dieses erste Medium eingekoppelt. Aus diesem Grund erscheint im Bild oder im Zeilenbild die obere Hälfte des Bildes hell, die untere dunkel. Direkt unter der Grenzfläche ist es dunkel.In a first embodiment transmitter and receiver are moved along the glass tube and so scanned or scanned the liquid contents or the media enclosed there with the various media separation surfaces. If, for example, the transmitter-receiver is scanned from top to bottom, then light is first coupled into the air contained in the glass vessel. The closer one approaches the first media separation surface, the clearer the interface appears, only very little light is coupled into this first medium. For this reason, the upper half of the picture appears bright in the picture or in the line picture, the lower one dark. It is dark just below the interface.
Wird weiter nach unten gescannt trifft der Sender für einen kurzen Moment die Grenzfläche und beleuchtet das untere Medium sowie die Luft oben. Beide werden etwas hell. Wenn der Sender aber schmal ist in Bewegungsrichtung, dann ist die Einkopplung meist schlecht, da die Medientrennfläche häufig nicht exakt flach ist, sondern an den Rändern meist minimal gewölbt (wegen der Oberflächenspannung). Zudem ist dieser Moment des Einkoppelns in beide Medien sehr kurz.Scanning further downwards, the transmitter briefly hits the interface and illuminates the lower medium as well as the upper air. Both are a bit bright. If the transmitter is narrow in the direction of motion, then the coupling is usually poor because the media raceway is often not exactly flat, but at the edges usually slightly curved (because of the surface tension). In addition, this moment of coupling into both media is very short.
Kurz danach wird das Licht nur noch in das Medium unter der obersten Medientrennfläche eingekoppelt. Nun ist im Bild sofort die obere Bildhälfte dunkel, die untere ist hell. Aus dem Übergang von obere Bildhälfte hell zu untere Bildhälfte hell wird aus der Scanbewegung die Pegelhöhe des Mediums ausgerechnet.Shortly thereafter, the light is only coupled into the medium under the top media separation surface. Now the upper half of the picture is dark in the picture, the lower one is bright. From the transition from the upper half of the picture to the lower half of the picture, the height of the medium is calculated from the scan movement.
Wird Sender und Empfänger weiter nach unten bewegt, dann bewegt sich die Dunkel-Hell-Grenze im Bild weiter nach oben, der mittlere und große Teil des Bildes ist nun hell ausgeleuchtet.If the transmitter and receiver are moved further down, then the dark-bright border in the image continues to move upwards, the middle and large part of the image is now brightly illuminated.
Wird nochmals weiter nach unten gescannt, so können weitere Medientrennflächen auf die genau gleiche Art erkannt werden.If scanning is continued downwards, further media separation surfaces can be identified in exactly the same way.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn es einen klaren Brechungsindexunterschied zwischen den Medien gibt. Dabei liegt der Brechungsindexunterschied zwischen den Medien vorzugsweise in einem Bereich von größer als 0.05 oder von größer als 0.1. Ab einem Unterschied von 0.2, wie zum Beispiel bei Öl-Wasser, gibt es sehr deutliche Bilder.It has proven to be advantageous if there is a clear refractive index difference between the media. In this case, the refractive index difference between the media is preferably in a range of greater than 0.05 or greater than 0.1. From a difference of 0.2, such as oil-water, there are very clear images.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Lichtquelle oder die Breite eines Lichtspaltes oder -flecks kleiner ist als 40%, vorzugsweise kleiner als 10%, des Durchmessers oder der Durchstrahlungsbreite des Behälters beträgt. Bei einem typischen Behälterdurchmesser von 12 mm entspricht dies einer Quellengröße kleiner 5, vorzugsweise kleiner 1 mm.It is also advantageous if the diameter of the light source or the width of a light slit or spot is less than 40%, preferably less than 10%, of the diameter or the transmission width of the container. For a typical container diameter of 12 mm, this corresponds to a source size smaller than 5 mm, preferably smaller than 1 mm.
Insbesondere zu einem ersten oder zweiten Zeitpunkt erfolgt die Einkopplung in das Medium mit dem höheren Brechungsindex. Denn das Bild bei Einkopplung in das Medium mit höherem Brechungsindex ist, im Vergleich zur anderen Seite der Grenzfläche, etwas sauberer. Zu einem großen Teil tritt hier Totalreflexion auf. Es wird fast überhaupt nichts in das Medium mit kleinerem Index hinübergekoppelt. Zum anderen Zeitpunkt erfolgt die Einkopplung auf der anderen Seite der Grenzfläche, also ins Medium mit dem kleineren Brechungsindex. Hier tritt eine kleine oder minimale Einkopplung ins gegenüberliegende Medium auf. Diese ist aber wegen der Brechung weg vom Lot insbesondere ganz nahe an der Grenzfläche minimal, da hier die Winkel der Lichtstrahlen von der Lichtquelle zur Grenzfläche klein sind. Diese Lichtstrahlen werden dadurch stark gebrochen und breiten sich im gegenüberliegenden Medium mit deutlich erhöhtem Winkel zur Grenzfläche aus. Somit bleibt der Bildbereich entlang des gegenüberliegenden Mediums nahe bei der Grenzfläche dunkel.In particular, at a first or second time, the coupling takes place in the medium with the higher refractive index. Because the image when coupled into the medium with a higher refractive index, in comparison to the other side of the interface, a little cleaner. To a large extent, total reflection occurs here. Almost nothing is coupled into the smaller index medium. At the other time, the coupling takes place on the other side of the interface, ie in the medium with the smaller refractive index. Here is a small or minimal coupling into the opposite medium. However, this is minimal because of the refraction away from the solder, in particular very close to the interface, since here the angles of the light beams from the light source to the interface are small. As a result, these light beams are strongly refracted and propagate in the opposite medium at a significantly elevated angle to the interface. Thus, the image area along the opposite medium near the interface remains dark.
In einer weiteren Ausführungsform braucht es keine Abstast- oder Scanbewegung. Diese Ausgestaltung ist in der Anwendung einfacher, braucht aber auf der Sensorikseite mehr Aufwand. Hier wird auf der Eintrittsseite des Glasrohrs mit vielen kleinen LED's, vorzugsweise IR-LED's, oder Sendelichtquellen gearbeitet, welche entlang der vorzugsweise ganzen Höhe oder der Längsachse des Glasrohrs aufgebracht sind oder mindestens den vertikalen Bereich der verschiedenen auszumessenden Medien gut abdeckt.In a further embodiment, there is no need for a scanning or scanning movement. This embodiment is simpler to use but requires more effort on the sensor side. Here, on the inlet side of the glass tube with many small LEDs, preferably IR LEDs, or transmitted light sources are used, which are applied along the preferably entire height or the longitudinal axis of the glass tube or at least the vertical area of the various media to be measured well covers.
Die LED's werden im einfachsten Fall nacheinander durch einen Strompuls zum Leuchten gebracht. Von jedem Puls wird auf der gegenüberliegenden Seite ein Bild oder Zeilenbild gemacht. Der Bildaufnehmer ist vorzugsweise auch so groß gewählt, dass mindestens der vertikale Bereich der verschiedenen auszumessenden Medien gut abdeckt ist. Insbesondere sind die Anzahl und/oder die Anordnung der Sendelichtquellen so gewählt und/oder der Bildaufnehmer ist so groß gewählt, dass die auszumessenden Medien erfassbar sind.The LEDs are brought in the simplest case one after the other by a current pulse to light up. From each pulse, a picture or line image is made on the opposite side. The image recorder is preferably also chosen so large that at least the vertical area of the various media to be measured is well covered. In particular, the number and / or the arrangement of the transmitted light sources are selected and / or the image sensor is chosen so large that the media to be measured can be detected.
Blitzen nun die LED's der Reihe nach von oben nach unten oder umgekehrt, so ergeben sich Bilder, die denjenigen der Scanmethode entsprechen. Einzig die Positionen der Hell-Dunkel-Wechsel wegen einer Mediengrenzfläche liegen nicht mehr wie bisher an der gleichen Stelle im Bild, sondern immer gegenüber der aktuell leuchtenden LED. Diese Lösung erfordert jedoch eine gewisse Größe des Bildsensors. Zudem ist ein LED-Array, hier eine LED-Zeile, anstatt einer einzelnen LED erforderlich. Der Sensor ist entsprechend größer zu wählen.If the LEDs now flash from top to bottom or vice versa, the result is images that match those of the scanning method. Only the positions of the light-dark changes due to a media interface are no longer in the same position in the picture as before, but always opposite the currently lit LED. However, this solution requires a certain size of the image sensor. In addition, an LED array, here an LED line, instead of a single LED is required. The sensor should be selected larger accordingly.
Es ist vorteilhaft, wenn der Durchmesser oder die Breite der einzelnen Lichtquellen in Array-Richtung kleiner ist als 40%, vorzugsweise kleiner ist als 10% des Durchmessers oder der Durchstrahlungsbreite des Behälters. Bei einem typischen Behälterdurchmesser von 12 mm entspricht dies einer Quellengröße kleiner 5, vorzugsweise kleiner 1 mm.It is advantageous if the diameter or the width of the individual light sources in the array direction is less than 40%, preferably less than 10% of the diameter or Radiation width of the container. For a typical container diameter of 12 mm, this corresponds to a source size smaller than 5 mm, preferably smaller than 1 mm.
Im Falle von bedruckten Etiketten empfiehlt es sich mit Nah-Infrarot-Lichtquellen zu arbeiten. Es können auch Fern-IR-Lichtquellen eingesetzt werden. In diesem Bereich sind viele Drucktinten nur noch schwach absorbierend und stören das Bild viel weniger. Graphit-basierte Tinten oder Bedruckungspartikel sollten dabei vermieden werden, da diese ein breites Absorptionsspektrum aufweisen und auch im nahen IR noch starke Absorption aufweisen.In the case of printed labels, it is recommended to work with near-infrared light sources. Remote IR light sources can also be used. In this area, many printing inks are only weakly absorbent and disturb the image much less. Graphite-based inks or printing particles should be avoided, since they have a broad absorption spectrum and even in the near IR still have strong absorption.
Der Einfluss von breitbandig absorbierender Bedruckung kann im Falle der Lösung mit der LED-Zeile vermindert oder sogar minimiert werden, indem das Glasrohr gedreht wird und so zusätzliche Messungen ringsum das Glasrohr gemacht werden. Die gesamte Messung dauert dann natürlich etwas länger.The effect of broadband absorbing printing can be reduced or even minimized in the case of solution with the LED line by rotating the glass tube to make additional measurements around the glass tube. Of course, the entire measurement takes a little longer.
Im Fall der Scan-Lösung kann das zusätzliche Drehen des Glasrohrs auch eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend zur Drehbewegung kann hier mit optischen Mitteln eine zusätzliche Verbesserung erzielt werden. Hierzu wird eine Empfangsoptik gewählt, die nicht die Austrittsebene des Glasrohrs sondern im Wesentlichen deren gewölbte Austrittsfläche auf den Empfänger abbildet. Weiter werden in der horizontalen Ebene rings um das Glasrohr nicht nur eine LED angebracht. Sondern es werden mehrere LEDs angeordnet. Diese befinden sich vorzugsweise jeweils wieder in einem direkte Kontakt mit dem Glasrohr. Oder es erfolgt eine Abbildung des LED-Spots auf die vorzugsweise gewölbte Eintrittsfläche des Glasrohrs. In einer Ausgestaltung wird etwa ein Drittel oder eine Hälfte des Glasrohrumfangs damit abgedeckt.In the case of the scan solution, the additional rotation of the glass tube can also be used. Alternatively or in addition to the rotational movement, an additional improvement can be achieved here with optical means. For this purpose, a receiving optics is selected, which does not image the exit plane of the glass tube but essentially its curved exit surface on the receiver. Further, not only an LED is mounted in the horizontal plane around the glass tube. Instead, several LEDs are arranged. These are preferably each again in direct contact with the glass tube. Or there is an image of the LED spot on the preferably curved entrance surface of the glass tube. In one embodiment, about one third or one half of the glass tube circumference is covered with it.
Die LED's können nun nacheinander oder gegebenenfalls auch miteinander zum Leuchten gebracht werden. Im besten Fall wird ein Bild aufgenommen, welches von jeweils einer LED belichtet wurde. Nun kann eine Bedruckung der Etikette, wie z. B. ein Barcode oder eine Schrift, ausgemittelt und damit ausgeblendet werden.The LED's can now be successively or optionally also lit together. In the best case, an image is taken, which was exposed by one LED. Now, a printing of the label such. As a barcode or a font, averaged out and thus hidden.
Die
Die
Die nachfolgend beschriebenen
Aus den Simulationen und aus den Überlegungen zur Strahlgeometrie kann gefolgert werden, dass bei einem Scan der Übergang der Lichteinkopplung von Luft auf Wasser oder generell von einem Medium mit höherem Brechungsindex zu einem mit kleineren Brechungsindex (oder umgekehrt) zu einem Seitenwechsel des Lichtflecks führt: Zuerst erscheint ein heller Lichtfleck über der Grenzfläche, danach darunter. Bei einer Etikette dagegen gibt es keinen solchen Seitenwechsel. Die Oberkante der Etikette führt im Bild immer zu einer schwachen Helligkeitsgrenze, bei der es oberhalb der Grenze heller ist als darunter, unabhängig davon, ob das Licht oberhalb oder unterhalb der Etiketten-Oberkante eingekoppelt wird. Das Entsprechende gilt für die Unterkante der Etikette.From the simulations and the beam geometry considerations, it can be concluded that in a scan, the transition of light from air to water, or more generally from a higher refractive index to a lower refractive index (or vice versa) results in a paging change: first A bright spot of light appears above the interface, then below. With a label, however, there is no such page break. The upper edge of the label always leads to a weak brightness limit in the image, where it is brighter above the border than below, regardless of whether the light is coupled in above or below the upper edge of the label. The same applies to the lower edge of the label.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Erfindung noch erweitert werden mit der Absorption spezifischer Wellenlängen: Wenn ein Medium genau bekannt ist, dann kann die Wellenlänge der Lichtquelle so gewählt werden, dass dieses Medium dieses Licht sehr stark absorbiert. Das Licht wird beispielsweise bis zu 90%, vorzugsweise bis zu 99.5% absorbiert. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Licht sogar nahezu bis zu 100% absorbiert werden.In a further embodiment, the invention can be extended even further with the absorption of specific wavelengths: If a medium is precisely known, then the wavelength of the light source can be selected so that this medium absorbs this light very strongly. The light is absorbed, for example, up to 90%, preferably up to 99.5%. In one embodiment of the invention, the light can even be absorbed almost up to 100%.
Dadurch erscheint bei einem Scan bei Einkopplung oberhalb der Grenzfläche, also bei Einkopplung in das nicht absorbierende Medium, eine Grenzfläche wie ein heller Fleck mit scharfer Begrenzung bei der Grenzfläche (ähnlich wie in
In einer weiteren Ausführungsform wird diese Methode noch einmal erweitert, indem nicht nur eine Lichtquelle mit spezifischer Wellenlänge, sondern zwei oder mehrere Lichtquellen mit jeweils spezifisch ausgewählten Wellenlängen verwendet werden. Dabei sollte wenigstens eine Lichtquelle von einem der vorhandenen Medien stark absorbiert werden und eine andere Lichtquelle vom gleichen Medium nur wenig absorbiert werden.In a further embodiment, this method is extended once more by using not only one light source with a specific wavelength, but two or more light sources each with specifically selected wavelengths. In this case, at least one light source should be strongly absorbed by one of the existing media and a different light source from the same medium should be absorbed only slightly.
In manchen Fällen kann die physikalische Grenzfläche einen Meniskus ausbilden, sie kann also, vor allem am Rand zur Glaswand, stark gewölbt sein. Dies führt im 2-dimensionalen Bild zu einer Krümmung der abgebildeten Grenzfläche. Die Grenzfläche zu dieser nicht mehr geraden Grenzlinie des hellen Flecks wird gebogen oder kreisartig sein. Auf diese Art kann auch auf die Stärke des Meniskus geschlossen werden.In some cases, the physical interface can form a meniscus, so it can, especially at the edge of the glass wall, be strongly curved. This leads in the 2-dimensional image to a curvature of the imaged interface. The boundary to this no longer straight line of the bright spot will be curved or circular. In this way, one can also conclude on the strength of the meniscus.
Zur Auswahl der Wellenlänge: Bei Verwendung von nur einer Lichtquelle sollte die Wellenlänge so gewählt werden, dass dieses Licht mindestens in einem Medium wenig absorbiert wird.To select the wavelength: When using only one light source, the wavelength should be chosen so that this light is absorbed little in at least one medium.
Betauung oder leichte Reifbildung auf der Glaswand oder auf der aufgebrachten Etikette stört die erfindungsgemäße Messmethode auch nur wenig. Auch hier bleiben die wesentlichen optischen Eigenschaften der Lichtstrahlen unverändert. Beim Lichteintritt bewirken sie keine Vergrößerung der realen oder scheinbaren Lichtquelle. Sie verändern die Strahlwinkel nicht wesentlich. Im Falle von leichter Reifbildung wird eine gewisse Lichtstreuung auftreten. Diese ist sehr ähnlich zum Effekt der Lichtstreuung in einer aufgebrachten weißen Etikette. Im Falle einer betauten Glaswand gibt es entweder großflächig benetzte Stellen. Diese bewirken einzig eine leichte Ablenkung der Strahlen, was bei stark divergierenden Strahlen wenig ausmacht. Oder es gibt viele kleine Wasserperlen mit nicht benetzten Stellen daneben. Im letzteren Fall lassen die nicht benetzten Stellen eine normale Transmission des Lichtes zu. Die Wasserperlen führen zu sehr starker Lichtablenkung. Diese wirkt ähnlich wie sehr starke Lichtstreuung. Der Effekt ist also auch hier ähnlich zum Effekt einer stark streuenden Etikette.Dewing or slight frosting on the glass wall or on the applied label disturbs the measurement method according to the invention only slightly. Again, the essential optical properties of the light rays remain unchanged. When entering the light, they do not increase the real or apparent light source. They do not change the beam angles significantly. In the case of slight frosting, some light scattering will occur. This is very similar to the effect of light scattering in an applied white label. In the case of a dewed glass wall, there are either large areas wetted areas. These cause only a slight deflection of the rays, which makes little sense in strongly divergent rays. Or there are many small water pearls with not wetted places next to it. In the latter case, the non-wetted sites allow normal transmission of light. The water pearls lead to very strong light deflection. This works similar to very strong light scattering. The effect is therefore similar to the effect of a strongly scattering etiquette.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Merkmale einzelner Ausführungsformen und die im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Merkmale können jeweils untereinander als auch miteinander kombiniert werden.It will be apparent to those skilled in the art that the described embodiments are to be understood as exemplary. The invention is not limited to these but can be varied in many ways without departing from the spirit of the invention. Features of individual embodiments and the features mentioned in the general part of the description can each be combined with each other and with each other.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Behälter oder Probenröhrchen oder GlasrohrContainer or sample tube or glass tube
- 1a1a
- Eintrittsseite oder Eintrittsfläche für das Sendelicht in den BehälterEntry side or entrance surface for the transmitted light into the container
- 1b1b
- Austrittsseite oder Austrittsfläche für das Sendelicht aus dem BehälterExit side or exit surface for the transmitted light from the container
- 1c1c
- Seitenwand des BehältersSide wall of the container
- 1d1d
- Längsachse des BehältersLongitudinal axis of the container
- 22
- Erstes Medium oder WasserFirst medium or water
- 33
- Trennfläche oder Grenzfläche zwischen zwei MedienInterface or interface between two media
- 44
- Zweites Medium oder ÖlSecond medium or oil
- 55
- Trennfläche oder Grenzfläche zwischen zwei MedienInterface or interface between two media
- 66
- Luftair
- 77
- Trennfläche oder Grenzfläche zwischen zwei MedienInterface or interface between two media
- 1010
- Etikette oder PapieretiketteEtiquette or paper etiquette
- 2020
- Lichtquelle oder Sender oder LED oder LED-Array oder LED-ZeileLight source or transmitter or LED or LED array or LED line
- 2121
- Fokussierendes optisches Bauteil oder LinseFocusing optical component or lens
- 2222
- Quellbereich oder Quellpunkt oder FokusSource area or source point or focus
- 2323
- Sendelicht oder Sendestrahl oder LichtstrahlTransmitted light or transmitted beam or light beam
- 2424
- Öffnungswinkel des SendelichtsOpening angle of transmitted light
Claims (22)
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-
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- 2010-12-01 DE DE201010052870 patent/DE102010052870A1/en not_active Withdrawn
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