DE102010060721B3

DE102010060721B3 - Kalibriervorrichtung und Kalibrierverfahren für einen optischen Sensor

Info

Publication number: DE102010060721B3
Application number: DE201010060721
Authority: DE
Inventors: Matthias Aden; Christian Gutmann
Original assignee: FAUDI Aviation GmbH
Current assignee: FAUDI Aviation GmbH
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung für einen optischen Sensor, der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium einen Detektionsraum definiert, mit einem Prüfraum, der mit einem ersten Testmedium befüllbar ist, mit einer Aufnahmeeinrichtung für den zu kalibrierenden optischen Sensor, wobei die Aufnahmeeinrichtung derart ausgebildet ist, dass der Detektionsraum in bestimmungsgemäßer Position des optischen Sensors im Prüfraum liegt, mit wenigstens einem optischen Element zur Beeinflussung eines optischen Strahlengangs im Detektionsraum des optischen Sensors und mit einer Steuer- und Erfassungseinheit zum Ansteuern des zu kalibrierenden optischen Sensors und zum Erfassen von Messdaten des optischen Sensors.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung für einen optischen Sensor gemäß Anspruch 1, ein Kalibrierverfahren für einen optischen Sensor gemäß Anspruch 11.
Derartige Kalibriervorrichtungen und -verfahren dienen einer Überprüfung der Funktionstüchtigkeit und einer Kalibrierung von Sensoren vor deren Auslieferung, sowie während deren Produktlebenszyklus zur Aufrechterhaltung der Qualität der Messergebnisse durch turnusmäßige Kalibrierungen. Je höher die Qualität der Kalibrierung ist, desto weniger weicht ein mit dem Sensor bestimmter Wert von einem real vorliegenden ab. Insbesondere sind die erfindungsgemäß zu kalibrierenden Sensoren optische Sensoren zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium. Zum Beispiel eignen sich diese zur Detektion von Wasser in Treibstoff auf Flughäfen.
Bei der Herstellung, der Lagerung und beim Transport von flüssigen Treibstoffen auf der Basis von Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Kerosin, kommt es regelmäßig Zur Kontamination mit Wasser, weil die Treibstoffe hygroskopisch sind. Aus Sicherheitsgründen ist es daher notwendig, dass in dem Treibstoff befindliche Wasser durch regelmäßige Reinigung zu entfernen. Ansonsten werden die später damit betriebenen Motoren oder Triebwerke beschädigt. Probleme bereiten moderne Treibstoffzusätze mit Additivpaketen, die das Abscheiden von Wasser aus den Treibstoffen erschweren. Ferner kann auch menschliches Versagen zu einer versehentlichen Befüllung von Tankanlagen mit einem Gemisch von Treibstoff und Wasser oder sogar reinem Wasser führen.
Speziell für die Luftfahrtindustrie gelten daher ganz besonders hohe Sicherheitsanforderungen. Man ist bestrebt, die gesamte Lieferkette der Treibstoffe von der Raffinerie bis zur Betankung zu überwachen. Sowohl der Gehalt an freiem Wasser, als auch die Anwesenheit von Wasser anstelle von Treibstoff sind schnell und zuverlässig zu erfassen, um rechtzeitig vor Gefahren warnen und diese ausschalten zu können.
Im Stand der Technik gibt es hierfür eine ganze Reihe bekannter Lösungen, um suspendierte Partikel in Flüssigkeiten zu erfassen. GB 1 460 623 und GB 1 554 309 verwenden beispielsweise Vorrichtungen mit jeweils einer Messkammer. GB 1 460 623 trifft bei einer kontinuierlichen Messung nur qualitative Aussagen. Dahingegen detektiert GB 1 554 309 quantitative Ergebnisse nur bei einer Intervallmessung.
Aus DE 10 2008 056 559 A1 ist hingegen ein Detektor bekannt, der kontinuierlich und quantitativ freies Wasser in Treibstoffen in Behältern und Leitungen bestimmt. Zusätzlich erkennt er die Anwesenheit von reinem Wasser. Der Detektor besteht aus einer optischen Sensoranordnung zur Detektion von Wasser in Treibstoff mittels Reflexion eines emittierten Lichtstrahls einer Wellenlänge an einer Reflexionsfläche. Zwei Stablinsen aus Glas sind hierzu parallel zueinander angeordnet und weisen in Bezug zu ihrer optischen Achse jeweils eine schräge Grenzfläche auf. Die Reflexionsfläche ist gegenüber der zwei Stablinsen aus Glas angeordnet und der so gebildete Zwischenraum ein Detektionsraum.
An den Grenzflächen erfolgt eine Lichtbrechung des emittierten Lichtstrahls. Bei alleiniger Anwesenheit von Treibstoff im Detektionsraum reflektiert der emittierte Lichtstrahl nach Auftreffen auf die Reflexionsfläche zurück in die erste Stablinse aus Glas. Schon bei sehr niedriger Konzentration von Wasser im Treibstoff werden jedoch Anteile von an Tröpfchen des Wassers entstehendem Streulicht über die zweite Stablinse zu einem Empfänger geleitet. Bei alleiniger Anwesenheit von Wasser im Detektionsraum wird der emittierte Lichtstrahl aufgrund des Brechungsindexes derart stark gebrochen, dass er nicht zur ersten Stablinse aus Glas zurückreflektiert wird.
Bei allen genannten Sensoren und Verfahren besteht das Problem, dass die erzielbaren Messergebnisse mit zunehmender Einsatzzeit von den realen Konzentrationen abweichen. Die Gründe hierfür sind vielfältig. So ist beispielsweise die mit dem Treibstoff in Kontakt stehende Sensorzone permanent Verschmutzungs- und Abrasionseinflüssen ausgesetzt. Ferner verlieren die Leuchtmittel mit zunehmenden Betriebsstunden an Leuchtkraft und der ganze Sensor unterliegt mit seinen optischen Elementen und elektronischen Komponenten einem Alterungsprozess. Permanente Weiterentwicklungen der Treibstoffzusammensetzungen können ebenfalls zu Messabweichungen führen. Von den Sensoren ermittelten Konzentrationen sind unter Umständen tolerabel, obwohl die Wasserkonzentrationen tatsächlich über dem Grenzwert vorliegen. Dies erhöht die Gefahr von unerwünschten Wasserkonzentrationen im Treibstoff.
Ein regelmäßiger Austausch der Sensoren kann das Problem der nachlassenden Messgenauigkeit der Sensoren beheben. Dies ist jedoch entsprechend aufwendig und teuer.
Eine Alternative besteht in der regelmäßigen Überprüfung und Kalibrierung der Sensoren, die gewöhnlich alle zwölf Monate erfolgt. Hierzu sind aus dem Stand der Technik stationäre Prüfstände bekannt. Diese kommen sowohl für die Erstkalibrierung von Sensoren als auch für deren routinemäßige Kontrolle entsprechend definierter Wartungsintervalle zum Einsatz.
Ein wesentlicher Nachteil dieser gewöhnlich stationären Prüfstände besteht darin, dass der Anwender der Sensoren keine kurzfristige Überprüfung eines Sensors vornehmen kann. Er verfügt meist nicht über eine solche Anlage. Die Kalibrierung ist daher eine externe Dienstleistung, die der eigentliche Anwender des Sensors in Auftrag geben muss. Zur Durchführung des gesamten Kalibrierprozess vom Ausbau bis zum Wiedereinbau des Sensors vergehen so in der Regel mehrere Tage. Neben der hierfür benötigten Zeit und entstehenden Kosten, benötigt der Anwender einen zusätzlichen Ersatzsensor.
Nachteilig ist weiterhin der aufwendige Kalibrierprozess der bekannten Prüfstände durch Nachstellung der realen Situation. Zunächst erfolgt eine Abreinigung/Abtrocknung des Treibstoffs durch permanentes im Kreis pumpen über einen Filter-Wasser-Abscheider bei möglichst konstantem Volumenstrom. Dieser beträgt hierzu regelmäßig circa 3000 l/min. Nach Einstellung eines stationären Zustands, bei dem ein gleich bleibend niedriger Wert an freiem Wasser vorliegt, möglichst 0 ppm, findet eine Zudosierung einer definierten Menge Wasser in den getrockneten Treibstoff und eine Emulgierung zu einem homogenen Wasser-Treibstoff-Gemisch statt. Erst jetzt kann der Sensor in einem Durchflussverfahren, gleich bzw. ähnlich der realen Anwendung, überprüft/kalibriert werden. Dabei ergibt die Mengenrelation von zudosiertem Wasser zum Treibstoff die für die Kalibrierung erforderlichen Stützpunkte von z. B. 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 ppm freies Wasser im Treibstoff. Nach jeder Überprüfungs-/Kalibriermessung eines Sensors folgt eine erneute Abreinigung/Abtrocknung des Treibstoffs, damit dieser anschließend erneut für eine Messung zur Verfügung steht.
Nach der Messung folgt ein Vergleich zwischen dem Ausgabewert des Sensors, ein aus einem mA-Signal ermittelter korrelierender Konzentrationswert, mit dem tatsächlichen Wert des Wasser-Treibstoff-Gemischs. Eine im Sensor hinterlegte Korrelationskurve erfährt nach Berechnung einer Korrekturgröße eine Anpassung, sodass der Ausgabewert des Sensors und die reale Konzentration übereinstimmen. Die Qualität dieser Kalibrierung steigt mit höherer Anzahl an Widerholungen und Messungen an verschiedenen Gemischkonzentrationen (Stützstellen).
Eine derartige stationäre Kalibrieranlage ist aufgrund dieser Vorgehensweise teuer in der Anschaffung und im Betrieb. Zudem sind für den Betrieb einer solchen Anlage Explosions- und Brandschutzvorkehrungen, sowie Vorkehrungen zum Schutz vor der Toxizität der Treibstoffe zu treffen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kalibriervorrichtung für einen optischen Sensor, der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten Flüssigen Medium einen Detektionsraum definiert, zu schaffen, die klein und kompakt, insbesondere transportabel, gestaltet, sowie flexibel, insbesondere vor Ort, einsetzbar ist. Zudem soll eine kurzfristige Überprüfung und Kalibrierung hoher Qualität mit geringem Zeitaufwand möglich sein. Auf einen vom Markt akzeptierten Anschaffungspreis, sowie geringe laufende Kosten für Personal, Energie, Hilfsmittel, Schutzmaßnahmen vor Toxizität, Explosions- und Brandschutzmaßnahmen und ähnliches ist ebenso zu achten. Auch die weiteren genannten Nachteile des Stands der Technik sollen beseitigt werden. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Sensors bereitzustellen.
Hauptmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 11 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 14.
Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung für einen optischen Sensor, der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium einen Detektionsraum definiert, mit einem Prüfraum, der mit einem ersten Testmedium befüllbar ist, mit einer Aufnahmeeinrichtung für den zu kalibrierenden optischen Sensor, wobei die Aufnahmeeinrichtung derart ausgebildet ist, dass der Detektionsraum in bestimmungsgemäßer Position des optischen Sensors im Prüfraum liegt, mit wenigstens einem optischen Element zur Beeinflussung eines optischen Strahlengangs im Detektionsraum des optischen Sensors und mit einer Steuer- und Erfassungseinheit zum Ansteuern des zu kalibrierenden optischen Sensors und zum Erfassen von Messdaten des optischen Sensors.
Vorzugsweise wird der Sensor dabei über ohnehin vorhandene Schnittstellen mit der Steuer- und Erfassungseinheit verbunden. Es kann jedoch auch eine zusätzliche Schnittstelle vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß korrigieren die optischen Elemente den Strahlengang derart, dass das Sensorverhalten dem regulären Verhalten sehr nahe kommt oder diesem gleicht. Dies macht eine Kalibrierung nunmehr mit einem Testmedium, dessen Brechungsindex von dem des üblicherweise zu messenden Mediums abweicht, möglich.
Durch die Verwendung des Testmediums sind hohe Volumenströme überflüssig. Damit sinken die Mengen an bereitzuhaltender Flüssigkeit zur Durchführung der Kalibrierung. Außerdem muss keine aufwendige Vor- und Nachbereitung des Testmediums erfolgen. Eine Überprüfung des Sensors erfolgt einfach nach Einfüllen des Testmediums in den Prüfraum. Somit kann das Volumen des Prüfraums bezogen auf die Größe des Sensors minimiert werden. Die bauphysikalisch kleinste Größe des Prüfraums wird von dem Platzbedarf des Sensors und der optischen Elemente definiert.
Mit den optischen Elementen zur Beeinflussung des optischen Strahlengangs wird die reale Situation simuliert und der optische Sensor kann in seiner Gesamtanordnung geprüft und kalibriert werden. Fehlerquellen, die etwa bei einer ausschließlichen Überprüfung von Einzelelementen auftreten können, sind dadurch ausgeschlossen. Es liegt somit eine hohe Qualität der Kalibrierung vor.
Durch eine derartige Kalibrierung (Ersatzkalibrierung) ist eine sehr gute Handhabbarkeit gegeben. Die Kalibriervorrichtung kann klein, kompakt und transportabel gestaltet werden und ist somit flexibel vor Ort einsetzbar.
Zwischen dem Sensor und den optischen Elementen sollte ein Spalt sein, der gewährleistet, dass das Testmedium alle für die Kalibrierung wesentlichen Elemente im Detektionsraum umgibt, ohne dass z. B. Luftblasen im Spalt verbleiben. Vorteilhafter Weise füllt sich der Spalt aufgrund seiner Größe durch Kapillarwirkung mit dem Testmedium. Dies verhindert wirksam den Einschluss von Luftblasen im Spalt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kalibriervorrichtung aufgrund niedriger Herstellungskosten zu einem vom Markt akzeptierten Anschaffungspreis angeboten werden kann. Die Herstellungskosten liegen wegen der wesentlich vereinfachten Technologie, durch Simulation der realen Situation und aufgrund der damit verbundenen wesentlich kleineren Bauteile, deutlich unter denen der stationären Anlagen.
Zudem weist die Kalibriervorrichtung geringe laufende Kosten für Personal, Strom/Energie, Testmedien, Hilfsmittel und ähnliches auf. So ist der Personalaufwand unter anderem deswegen gering, da nur eine Person zur Bedienung benötigt wird, und keine weiteren Abteilungen durch administrative Aufgaben mit einbezogen werden müssen.
Ist beispielsweise in der realen Situation das erste flüssige Medium Wasser und das zweite flüssige Medium Kerosin, so eignen sich zur Simulation der realen Situation als Testmedium Formazin und als optische Elemente Prismen. Dabei sind Schutzmaßnahmen für die Verwendung von Formazin nicht notwendig und die Umwelt sowie Personen werden nicht durch toxische Stoffe gefährdet. Gleichzeitig ist die Qualität der Kalibrierung hoch, da Formazin eine hohe Qualität der relevanten optischen Eigenschaften aufweist. Bei den bekannten zu prüfenden Sensoren zur Detektion von Wasser in Kerosin, beträgt das minimale Prüfraumvolumen beispielsweise circa 100 ml bis 200 ml. Die hieraus resultierende geringe Menge des Testmediums pro Messvorgang verursacht nur geringe Kosten.
Eine geringe Baugröße der Kalibriervorrichtung und der verringerte Aufwand der Kalibrierung, ermöglicht es einem Sensorinhaber oder einer Bedarfsgemeinschaft, z. B. einem Flughafen, eine solche Kalibriervorrichtung anzuschaffen und diese am Ort seiner Bestimmung in eigener Verantwortung zu betreiben. Hierdurch werden kurzfristige Überprüfungen und Kalibrierungen ermöglicht. Außerdem entfällt ein Großteil des bei den bekannten stationären Prüfständen der Hersteller anfallenden administrativen Aufwands.
Besonders attraktive laufende Kosten ergeben sich, wenn die Automatisierung der Kalibrierung weiter steigt. Allerdings muss auch dann der Anwender zunächst den optischen Sensor in die Aufnahme einbringen, sodass dieser in bestimmungsgemäßer Position sitzt. Ausgestaltet werden kann die Verbindung zwischen Sensor und Aufnahme beispielsweise durch festen Sitz aufgrund von Erdanziehungskraft, oder aber durch eine Befestigungseinrichtung, die beispielsweise als Rastmittel, Schnellspanner oder Flügelmutter ausgebildet sein könnte. Nach der Verbindung des Sensors mit der Steuer- und Erfassungseinheit, können anschließend zahlreiche Schritte automatisiert werden.
Ein besonders hoher Automatisierungsgrad ergibt sich, wenn der Prüfraum einen Zulauf, einen Ablauf und einen Überlauf besitzt. Die Steuer- und Erfassungseinheit kann dann auch die Befüll- und Entleervorgänge des Prüfraums mit Hilfe von ansteuerbaren Ventilen und Pumpen übernehmen. Somit wären sämtliche Stützstellen automatisiert abarbeitbar. Ein eingearbeiteter Anwender könnte auf diese Weise mehrere Sensoren pro Stunde kalibrieren.
Vorteilhafter Weise sind die optischen Elemente derart gestaltet und relativ zum Sensor anordenbar, dass diese die unterschiedlichen Brechungsindexeinflüsse zwischen dem zweiten flüssigen Medium und dem ersten Testmedium ausgleichen. Insbesondere ermöglicht dies, den Sensor in seiner Gesamtanordnung zu überprüfen. Auf diese Weise kann die reale Situation am besten simuliert werden, was die Qualität der Kalibrierung erheblich steigert.
Eine weitere vorteilhafte Gestaltung sieht vor, dass die optischen Elemente austauschbar sind. Vor allem durch aggressive Medien kann die Qualität der optischen Elemente beeinträchtigt werden. Die Austauschbarkeit ermöglicht es dem Anwender, diese Verschleißteile auszutauschen, was wiederum zu einer hohen Qualität der Kalibrierung führt und die Lebensdauer der Kalibriervorrichtung erhöht.
Bevorzugt ist die Kalibriervorrichtung derart gestaltet, dass jedes optische Element mittels eines Stellglieds in den Detektionsraum des optischen Sensors einbringbar ist. Über ein Stellglied lassen sich die Zustellbewegung und die Endposition definieren. Dies vereinfacht das Einbringen der optischen Elemente und vermeidet zuverlässig Fehler durch eine falsche Positionierung der optischen Elemente im Strahlengang des Sensors.
Gemäß einer Ausführungsform sind das oder die optischen Elemente an Haltern derartig befestigt, dass sie relativ zum optischen Sensor und somit dessen Detektionsraum beweglich sind. Hierdurch wird die Einbringung des optischen Sensors in den Prüfraum erleichtert. Davon profitiert sowohl der Anwender durch eine vereinfachte Handhabung, als auch das Volumen des Prüfraums, da der optische Sensor linear von oben eingesetzt werden kann.
Die zum Beispiel an Halter in Form von Schwenkarmen befestigten optischen Elemente könnten mechanisch in den Detektionsraum eingebracht werden, indem die Einschwenkarme eine L-Form aufweisen, deren eines Ende als Hebelarm dient und über eine Kontaktfläche zum Sensor während dessen Einbringung in die Aufnahme, um einen Drehpunkt gedreht wird. Die Endposition des Sensors in der Aufnahme definiert dann ebenfalls die Endposition der optischen Elemente. Im entlasteten Zustand ohne Sensor, würden die optischen Elemente dann derart positioniert sein, dass ein lineares Einsetzen von oben, ohne Kollision des Sensors mit den optischen Elementen und deren Haltern möglich ist. Hier sind jedoch auch vielfältige andere Ausgestaltungen wie zum Beispiel lineare mechanische Bewegungen denkbar, oder eine automatisierte Einbringung der optischen Elemente in den Detektionsraum.
Eine weitere Ausführungsform der Kalibriervorrichtung sieht vor, dass wenigstens ein zweites Testmedium oder ein weiteres Testmedium in den Prüfraum einfüllbar ist. Durch Mehrfachbestimmung und durch Bestimmung mehrerer Messpunkte (Stützpunkte) an mehreren Testmedien unterschiedlicher Konzentration, steigt die Qualität der Kalibrierung. Je nach Anwendungsfall, der sich aus gesetzlichen Bestimmungen oder internen Anforderungen des Sensorbetreibers ergibt, kann zwischen Kalibrieraufwand in Form von Hilfsmitteln, Kosten und Zeit, sowie dem Ziel einer möglichst exakten Kalibrierung abgewogen werden. Es besteht die Möglichkeit unterschiedlicher Konfigurationen der Messpunkte, insbesondere der Anzahl der Messungen und der Konzentrationen der Stützpunkte. Der Hersteller der Kalibriervorrichtung richtet diese ein oder aber sie sind vom Anwender auswählbar.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass für jede benötigte Flüssigkeit Vorratsbehälter vorhanden sind. Auf diese Weise muss der Anwender nicht umständlich mit unpassenden Gefäßen hantieren, um die Testmedien bereit zu stellen. Dies erhöht die Anwenderfreundlichkeit.
Vorteilhafter Weise sind die Vorratsbehälter auch aus der Kalibriervorrichtung entnehmbar und/oder austauschbar. Derartige leere Vorratsbehälter sind gründlich reinigbar, bevor eine erneute Befüllung erfolgt. Weiterhin bietet dies den Vorteil, dass die benötigten Flüssigkeiten als Verbrauchsprodukte passend abgepackt vertrieben werden können, was ein Nachfolgegeschäft ermöglicht und die Kundenbindung erhöht. Außerdem kann so eine Verwendung von falschen Testmedien vermieden werden. Mittels einer herstellerseitigen Qualitätskontrolle der verwendeten Testmedien ist auch die Qualität der Kalibrierung hoch und sicherstellbar.
Vorteile ergeben sich weiterhin, wenn ein Sammelbehälter für die Testmedien vorhanden ist. Dieser nimmt die aus dem Prüfraumgefäß abgelassenen Flüssigkeiten auf und der Anwender muss die Kalibriervorrichtung nicht an einem Ort betreiben, an dem die Flüssigkeiten entsorgt werden können. Vorteilhafter Weise ist der Sammelbehälter auch entnehmbar und austauschbar. So kann der Sammelbehälter ohne Transport der gesamten Kalibriervorrichtung an einem geeigneten Ort entleert und für den Zeitraum der Entleerung ein anderer Sammelbehälter eingesetzt werden.
Montierbare Schläuche auf der Zulauf- und der Ablaufseite der Kalibriervorrichtung, könnten es dem Anwender auch erlauben, das Kalibriertool an größere Behältnisse, wie z. B. an Fässer, anzuschließen. Die großen Flüssigkeitsvorräte verringern die Anzahl der Auffüll- und Entleervorgänge. Das kann immer dann von Vorteil sein, wenn die Kalibriervorrichtung vorwiegend an einem bestimmten Ort, z. B. einer Werkstatt, betrieben wird, die Mobilität der Kalibriervorrichtung nur selten in Anspruch genommen wird und eine hohe Anzahl an Kalibrierungen durchzuführen ist.
Um den Einsatz der Kalibriervorrichtung weiter zu optimieren, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Prüfraum mit einem Ultraschallgeber für eine Ultraschallreinigung ausgestattet ist. Eine solche Ultraschallreinigung erfordert nur eine grobe Vorreinigung des optischen Sensors vor Einbringung in die Aufnahme. Dies reduziert wiederum den Zeitaufwand für die Kalibrierung. Generell erzielt eine Ultraschallreinigung ein sehr gutes Reinigungsergebnis, was die Messgenauigkeit des Sensors weiter erhöht, dessen Kalibrierung verbessert und dessen Lebensdauer verlängert.
Die Reinigung und die Qualität der Kalibrierung können weiterhin auch dadurch verbessert werden, dass in dem Prüfraum ein Strömungserzeuger angeordnet ist. Bevorzugt ist dieser ein Rührwerk oder ein Magnetrührwerk. Bei einer Reinigung führt eine Strömung dazu, dass sich Ablagerungen schneller lösen und schnell abtransportiert werden. Während der Messung passiert durch die Strömung eine größere und somit repräsentativere Menge des Testmediums den Detektionsraum. Eine strömungsbedingte Durchmischung des Testmediums kann in Abhängigkeit der Testmedieneigenschaften außerdem zu einer höheren Qualität der Kalibrierung führen.
Auch der Ultraschallgeber und/oder der Strömungserzeuger könnten von der Steuer- und Erfassungseinheit angesteuert und so automatisch aktiviert und deaktiviert werden.
Die Erfindung betrifft zusätzlich ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Sensors, der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium einen Detektionsraum definiert, umfassend die Schritte:

a) Einbringen des Detektionsraumes des optischen Sensors in einen Prüfraum;
b) Positionierung (Einbringung) von optischen Elementen relativ zum Detektionsraum des optischen Sensors;
c) Einfüllen eines ersten Testmediums in den Prüfraum;
d) Ausmessen des ersten Testmediums;
e) Berechnen einer Korrekturgröße;
f) Zuordnen der Korrekturgröße zum optischen Sensor.

Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für optische Sensoren, die mit Hilfe einer Lichtbrechung im Strahlengang eine Detektion vornehmen. Bei diesen kommt es zu einer Lichtbrechung des Strahlengangs am Übergang zwischen einem optischen Element, z. B. einer Linse, und dem Detektionsraum durch eine schräge Grenzfläche. Unter Verwendung eines Testmediums, dessen Brechungsindex von dem des üblicherweise zu messenden Mediums abweicht, war der Sensor bisher nicht in seiner Gesamtanordnung überprüfbar. Der Strahlengang wich vom regulär vorliegenden derart ab, dass ein vollkommen verändertes Sensorverhalten vorlag. Erfindungsgemäß korrigieren die optischen Elemente den Strahlengang derart, dass das Sensorverhalten dem regulären Verhalten sehr nahe kommt oder diesem gleicht. Dies macht eine Kalibrierung nunmehr möglich.
Vorzugsweise wird der Sensor dabei über ohnehin vorhandene Schnittstellen mit der Steuer- und Erfassungseinheit verbunden. Es kann jedoch auch eine zusätzliche Schnittstelle vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist durch eine derartige Kalibrierung (Ersatzkalibrierung) eine sehr gute Handhabbarkeit gegeben. Eine Kalibriervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann klein, kompakt und transportabel gestaltet werden und ist somit flexibel vor Ort einsetzbar.
So macht die Verwendung des Testmediums die hohen Volumenströme überflüssig. Damit sinken die Mengen an bereitzuhaltender Flüssigkeit zur Durchführung der Kalibrierung. Außerdem muss keine aufwendige Vor- und Nachbereitung des Testmediums erfolgen. Eine Überprüfung des Sensors erfolgt einfach nach Einfüllen des Testmediums in den Prüfraum. Somit kann das Volumen des Prüfraums bezogen auf die Größe des Sensors minimiert werden. Die bauphysikalisch kleinste Größe des Prüfraums definiert der Platzbedarf des Sensors und der optischen Elemente.
Mit den optischen Elementen zur Beeinflussung des optischen Strahlengangs wird die reale Situation simuliert und der optische Sensor kann in seiner Gesamtanordnung geprüft und kalibriert werden. Fehlerquellen, die etwa bei einer ausschließlichen Überprüfung von Einzelelementen auftreten können, sind dadurch ausgeschlossen. Es liegt somit eine hohe Qualität der Kalibrierung vor.
Bevorzugt sind die optischen Elemente mittels eines Stellglieds in den Detektionsraum des optischen Sensors einbringbar. Über ein Stellglied lassen sich die Zustellbewegung und die Endposition definieren. Dies vereinfacht das Einbringen der optischen Elemente und vermeidet zuverlässig Fehler durch eine falsche Positionierung der optischen Elemente im Strahlengang des Sensors. Davon profitiert der Anwender durch vereinfachte Handhabung und Fehler durch eine falsche Positionierung sind ausgeschlossen.
Zwischen dem Sensor und den optischen Elementen sollte ein Spalt sein, der gewährleistet, dass das Testmedium alle für die Kalibrierung wesentlichen Elemente im Detektionsraum umgibt, ohne dass z. B. Luftblasen im Spalt verbleiben. Vorteilhafter Weise füllt sich der Spalt aufgrund seiner Größe durch Kapillarwirkung mit dem Testmedium. Dies verhindert wirksam den Einschluss von Luftblasen im Spalt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Kalibriervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgrund niedriger Herstellungskosten zu einem vom Markt akzeptierten Anschaffungspreis angeboten werden kann. Die Herstellungskosten liegen wegen der wesentlich vereinfachten Technologie, durch Simulation der realen Situation und aufgrund der damit verbundenen wesentlich kleineren Bauteile, deutlich unter denen der stationären Anlagen.
Zudem weist das Verfahren geringe laufende Kosten für Personal, Strom/Energie, Testmedien, Hilfsmittel und ähnliches auf. So ist der Personalaufwand unter anderem deswegen gering, da nur eine Person zur Bedienung benötigt wird, und keine weiteren Abteilungen durch administrative Aufgaben mit einbezogen werden müssen.
Ist beispielsweise in der realen Situation das erste flüssige Medium Wasser und das zweite flüssige Medium Kerosin, so eignen sich zur Simulation der realen Situation als Testmedium Formazin und als optische Elemente Prismen. Dabei sind Schutzmaßnahmen für die Verwendung von Formazin nicht notwendig und die Umwelt sowie Personen werden nicht durch toxische Stoffe gefährdet. Gleichzeitig ist die die Qualität der Kalibrierung hoch, da Formazin eine hohe Qualität der relevanten optischen Eigenschaften aufweist. Bei den bekannten zu prüfenden Sensoren zur Detektion von Wasser in Kerosin, beträgt das minimale Prüfraumvolumen beispielsweise circa 100 ml bis 200 ml. Die hieraus resultierende geringe Menge des Testmediums pro Messvorgang verursacht nur geringe Kosten.
Eine geringe Baugröße der benötigten Kalibriervorrichtung und der verringerte Aufwand der Kalibrierung, ermöglicht es einem Sensorinhaber oder einer Bedarfsgemeinschaft, z. B. einem Flughafen, eine solche Kalibriervorrichtung anzuschaffen und das Verfahren am Ort seiner Bestimmung in eigener Verantwortung durchzuführen. Hierdurch werden kurzfristige Überprüfungen und Kalibrierungen ermöglicht. Außerdem entfällt ein Großteil des bei den bekannten stationären Prüfständen der Hersteller anfallenden administrativen Aufwands.
In einer Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass weitere Testmedien in den Prüfraum eingefüllt und weitere Messungen durchgeführt werden. Durch Mehrfachbestimmung und durch Bestimmung mehrerer Messpunkte (Stützpunkte) an mehreren Testmedien unterschiedlicher Konzentration, steigt die Qualität der Kalibrierung. Je nach Anwendungsfall, der sich aus gesetzlichen Bestimmungen oder internen Anforderungen des Sensorbetreibers ergeben kann, kann zwischen Kalibrieraufwand in Form von Hilfsmitteln, Kosten und Zeit, sowie dem Ziel einer möglichst exakten Kalibrierung abgewogen werden. Es besteht die Möglichkeit unterschiedlicher Konfigurationen der Messpunkte, insbesondere der Anzahl an Messungen und der Konzentrationen der Stützpunkte. Der Hersteller der zur Durchführung des Verfahrens benötigten Kalibriervorrichtung richtet diese ein oder aber sie sind vom Anwender auswählbar.
Das Verfahren kann dadurch ergänzt werden, dass wenigstens eine Reinigung der optischen Elemente und der Teile des optischen Sensors, die im Detektionsraum liegen, durchgeführt wird. Eine in den meisten Fällen notwendige Reinigung des Sensors und der optischen Elemente vor der Kalibrierung, kann so in das Verfahren integriert werden. Dies stellt sicher, dass keine Mess- und Kalibrierfehler durch Verunreinigungen auftreten und eine hohe Qualität der Kalibrierung erreicht wird.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn Verfahrensschritte automatisiert durchgeführt werden. Hierdurch sinken die laufenden Kosten erheblich. So muss der Anwender zwar zunächst den optischen Sensor in die Aufnahme einbringen, dann sitzt dieser jedoch in bestimmungsgemäßer Position, die er während des Kalibriervorgangs einnehmen muss. Nach der Verbindung des Sensors mit der Steuer- und Erfassungseinheit, können nach dem Einbringen des Sensors in den Prüfraum alle weiteren Schritte automatisiert ablaufen, beginnend mit der Positionierung der optischen Elemente im Detektionsraum des Sensors.
Ein besonders hoher Automatisierungsgrad ergibt sich, wenn der Prüfraum einen Zulauf, einen Ablauf und einen Überlauf besitzt. Eine Steuer- und Erfassungseinheit kann dann auch die Befüll- und Entleervorgänge des Prüfraums mit Hilfe von ansteuerbaren Ventilen und Pumpen übernehmen. Somit wären sämtliche Stützstellen automatisiert durchführbar. Ein eingearbeiteter Anwender könnte auf diese Weise mehrere Sensoren pro Stunde kalibrieren.
Vorzugsweise beinhaltet eine verfahrensgemäße Kalibrierung, dass eine im optischen Sensor hinterlegte Kalibrierkurve entsprechend der ermittelten Korrekturgröße angepasst wird. Somit ist lediglich eine elektronische Veränderung vorzunehmen und keine physischen Maßnahmen zur Korrektur der Messabweichung am Sensor erforderlich. Die Kalibrierung ist somit sehr schnell und einfach.
Im Rahmen des Verfahrens kann auch eine Software des optischen Sensors aktualisiert, ergänzt oder überschrieben werden. Ein Softwareupdate erreicht so alle Sensoren, da eine Kalibrierung in den meisten Anwendungsfällen zwingend und regelmäßig durchzuführen ist. So entfällt auch ein zusätzlicher Wartungsschritt und die Kalibrierung erfolgt entsprechend der aktuellsten Software. Zusätzlich treten Inkompatibilitäten mit Messfehlern durch ein Software-Update ohne Kalibrierung nicht auf.
Auch kann vorgesehen sein, dass zu bestimmten Verfahrensschritten ein Ultraschallgeber und/oder ein Strömungserzeuger aktiviert werden. Ein Ultraschallgeber ist sehr gut geeignet dazu, eine Reinigung des optischen Sensors, des Prüfraums und der optischen Elemente durchzuführen. Eine solche Ultraschallreinigung erfordert nur eine grobe Vorreinigung des optischen Sensors vor Einbringung in die Aufnahme. Dies reduziert wiederum den Zeitaufwand für die Kalibrierung. Generell erzielt eine Ultraschallreinigung ein sehr gutes Reinigungsergebnis, was die Messgenauigkeit des Sensors weiter erhöht, dessen Kalibrierung verbessert und dessen Lebensdauer verlängert.
Die Reinigung und die Qualität der Kalibrierung können weiterhin auch dadurch verbessert werden, dass der Strömungserzeuger im Prüfraum aktiviert wird. Bevorzugt ist dieser ein Rührwerk oder ein Magnetrührwerk. Bei einer Reinigung führt eine Strömung dazu, dass sich Ablagerungen schneller lösen und schnell abtransportiert werden. Während der Messung durchströmt eine größere und somit repräsentativere Menge des Testmediums den Detektionsraum. Eine strömungsbedingte Durchmischung des Testmediums kann in Abhängigkeit der Testmedieneigenschaften außerdem zu einer höheren Qualität der Kalibrierung führen.
Auch der Ultraschallgeber und/oder der Strömungserzeuger könnten von der Steuer- und Erfassungseinheit angesteuert und so automatisch aktiviert und deaktiviert werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung bestehend aus Prüfraum, optischen Elementen, erstem Testmedium sowie Steuer- und Erfassungseinheit;
2 einen erfindungsgemäßen Prüfraum mit eingesetztem optischen Sensor sowie im Detektionsraum positionierten optischen Elementen;
3 eine Kalibriervorrichtung mit eingesetztem Sensor, Steuereinheit, Pumpen, Ventilen, Kanälen, Ultraschallgeber, sowie Vorrats- und Sammelbehältern;
4 eine Kalibriervorrichtung mit eingesetztem Sensor, Strömungserzeuger, Pumpe, Ventilen, Kanälen, sowie Vorrats- und Sammelbehältern;
5a Strahlengang eines optischen Sensors, ohne optische Elemente, bei einem zweiten flüssigen Medium;
5b Strahlengang eines optischen Sensors, mit optischen Elementen, bei einem zweiten Testmedium;
5c Detailansicht von verschiedenen Strahlengängen;
6a Strahlengang eines optischen Sensors, ohne optische Elemente, bei einem ersten Medium in einem zweiten Medium;
6b Strahlengang eines optischen Sensors, mit optischen Elementen, bei einem ersten oder bei weiteren Testmedien.
1 zeigt eine Kalibriervorrichtung 100 für einen optischen Sensor 10, der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium einen Detektionsraum DR definiert. Die Kalibriervorrichtung 100 hat einen Prüfraum 130 befüllt mit einem ersten Testmedium 113. Zudem weist sie eine Aufnahmeeinrichtung 139 für den zu kalibrierenden optischen Sensor 10 auf. Dieser ist derart ausgebildet, dass der Detektionsraum DR in der gezeigten bestimmungsgemäßen Position des optischen Sensors 10 im Prüfraum 130 liegt. In den Detektionsraum DR ragen dabei zwei optische Elemente 120. Weiterhin sieht eine Steuer- und Erfassungseinheit 150 eine Verbindung zum optischen Sensor 10 vor. Diese dient der Ansteuerung des optischen Sensors, der Erfassung von Messdaten von diesem sowie der Zuordnung einer zu berechnenden Korrekturgröße zu diesem.
2 zeigt eine Kalibriervorrichtung 100 mit einem eingesetzten optischen Sensor 10, der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums in einem zweiten flüssigen Medium einen Detektionsraum DR definiert. Die Kalibriervorrichtung 100 hat einen Prüfraum 130, der mit einem ersten Testmedium 113, einem zweiten Testmedium 114 oder weiteren Testmedien 115 befüllt ist. Zudem weist sie eine Aufnahmeeinrichtung 139 mit einer nicht näher dargestellten Befestigung 140 für den zu kalibrierenden optischen Sensor 10 auf. Die Aufnahmeeinrichtung 139 ist derart ausgebildet, dass der Detektionsraum DR in der gezeigten bestimmungsgemäßen Position des optischen Sensors 10 im Prüfraum 130 liegt.
In den Detektionsraum DR ragen weiterhin zwei optische Elemente 120. Diese sind als erstes Prisma 121 und zweites Prisma 122 ausgebildet und jeweils an einem Halter 141 befestigt. Dabei sind die Halter 141 Stellvorrichtungen 142 und insbesondere Einschwenkarme 143 mit jeweils in einem Drehpunkt DP und einem Hebelarm 143a. Zwischen den Hebelarmen 143a und dem eingesetzten optischen Sensor 10 besteht eine Kontaktfläche, wodurch die optischen Elemente 10 in einer definierten Position gehalten werden. Schwerkraftbedingt üben die Einschwenkarme 143 und die optischen Elemente 120 dabei eine Kraft derart aus, dass sie bei einer Entlastung der Hebelarme 143a eine Bewegung aus dem Detektionsraum DR heraus durchführen. Somit kommt es zu keiner Kollision der optischen Elemente 120 mit dem optischen Sensor 10, wenn dieser angehoben wird.
Zusätzlich weist der Prüfraum 130 auf den Flächen, die in Kontakt mit den Testmedien 113, 114, 115 stehen, eine Beschichtung 190 auf, die insbesondere Schmutzablagerungen verhindert. Außerdem hat der Prüfraum 130 einen oben angeordneten Zulauf 131 und einen unten angeordneten Ablauf 132.
Bevorzugt ist der Prüfraum 130 als ein nach oben geöffneter Behälter ausgebildet. Somit wird das Einsetzen des Sensors 10 in den Prüfraum 130 möglichst einfach gestaltet und eine Fixierung des Sensors 10 an diesem kann aufgrund der Schwerkraft entfallen. Besonders geeignet als Material für den Prüfraum 130 ist dabei Edelstahl.
Um die Kalibriervorrichtung für verschiedenartige, insbesondere ähnliche, Sensoren nutzbar zu machen, kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmeeinrichtung 139 und/oder die Halter 141 und/oder die optischen Elemente 120 austauschbar sind.
In 3 ist eine Kalibriervorrichtung 100 mit einem eingesetzten optischen Sensor 10 dargestellt. Die Kalibriervorrichtung 100 hat einen Prüfraum 130 mit einem Zulauf 131, einem Ablauf 132 und einem Überlauf 133. Des Weiteren sind im Prüfraum 130 zwei optische Elemente 120 und am Prüfraum 130 ein Ultraschallgeber 191 angeordnet.
Der Zulauf 131 ist mit einem ersten Vorratsbehälter 193, einem zweiten Vorratsbehälter 194 und einem weiteren Vorratsbehälter 195 jeweils über eine Leitung 155 verbunden. In diesen Leitungen 155 sind jeweils eine Pumpe 153 und ein Ventil 154 angeordnet. Weiterhin ist der Ablauf 132 über eine Pumpe 153 und ein Ventil 154 aufweisende Leitung 155 mit einem Sammelbehälter 196 verbunden. In diesen Sammelbehälter 196 mündet auch eine an den Überlauf 133 angeschlossene Leitung 155.
Des Weiteren weist die Kalibriervorrichtung 100 eine Steuer- und Erfassungseinheit 150 auf, die mit dem optischen Sensor 10, sowie dem Ultraschallgeber 191, den Pumpen 153 und den Ventilen 154 verbunden ist.
4 zeigt eine Kalibriervorrichtung 100 mit einem eingesetzten optischen Sensor 10, die einen Prüfraum 130 mit einem Zulauf 131, einem Ablauf 132 und einem Überlauf 133 aufweist. Dazu sind im Prüfraum 130 zwei optische Elemente 120 an Haltern 141 und ein Strömungserzeuger 192 angeordnet.
Der Zulauf 131 ist mit einem ersten Vorratsbehälter 193, einem zweiten Vorratsbehälter 194 und einem weiteren Vorratsbehälter 195 über eine Leitung 155 verbunden. Die Vorratsbehälter 194, 195, 196 sind dabei aus Kammern in einem gemeinsamen Behältnis ausgebildet. In der Leitung 155 ist eine Pumpe 153 angeordnet. Zwischen dieser Pumpe 153 und den Vorratsbehältern 193, 194, 195 teilt sich die Leitung 155 entsprechend der Anzahl der Vorratsbehälter 193, 194, 195 derart auf, dass jedem von diesen ein Anschluss mit Ventil 154 zugeordnet ist.
Weiterhin ist der Ablauf 132 über eine Ventil 154 aufweisende Leitung 155 mit einem Sammelbehälter 196 verbunden. In diesen Sammelbehälter 196 mündet auch eine an den Überlauf 133 angeschlossene Leitung 155.
Mittels des Überlaufs 133 lässt sich die Einfüllmenge des Prüfraumes 130 begrenzen und/oder definieren. Ein Anwender hat, sofern eine durchsichtige Leitung 155 an den Überlauf 133 angeschlossen ist, immer im Blick, ob genügend Flüssigkeit im Prüfraum 130 vorhanden ist. Zudem ist der Ablauf 132 vorzugsweise so groß dimensioniert, dass die Flüssigkeit nicht höher steigen kann. Die Flüssigkeit kann somit nicht unkontrolliert oben aus dem Prüfraum 130 laufen und unnötige Reinigungsarbeiten werden wirksam vermieden.
5a beschreibt einen Strahlengang eines optischen Sensors 10, ohne erfindungsgemäße optische Elemente, bei einem zweiten flüssigen Medium 112. Eine Lichtstrahlung A wird an einer Lichtquelle 5 emittiert und passiert eine erste Stablinse aus Glas 20a. An einer relativ zur optischen Achse der ersten Stablinse aus Glas 20a schräg angeordneten ersten Grenzfläche 21a, verlässt die Lichtstrahlung A die Stablinse aus Glas 20a und tritt in einen Detektionsraum DR ein. Aufgrund des Brechungsindexes des in diesem befindlichen zweiten flüssigen Mediums 112 wird die Lichtstrahlung A hierbei gebrochen, d. h. sie ändert ihre Richtung. Schließlich trifft sie auf einer gegenüber der ersten Stablinse aus Glas 20a angeordneten Reflexionsfläche 30 auf. Von dieser wird die Lichtstrahlung A als Reflexionsstrahlung R reflektiert.
Der optische Sensor ist hierbei so ausgelegt, dass bei ausschließlichem Vorhandensein des zweiten flüssigen Mediums die Reflexionsstrahlung R wieder entlang des Herkunftspfads zurück zur ursprünglichen Lichtquelle 5 reflektiert wird. In eine parallel zur ersten Stablinse aus Glas 20a angeordnete zweite Stablinse aus Glas 20b, die ebenfalls eine schräge Grenzfläche 21b aufweist, gelangen keine Anteile des Lichtstrahlung A und der Reflexionsstrahlung R, sodass ein zugehöriger Empfänger 6 auch kein Licht detektiert.
5b unterscheidet sich dahingehend von 5a, dass statt des zweiten flüssigen Mediums 112 ein zweites Testmedium 114, sowie ein erstes Prisma 121 und ein zweites Prisma 122 im Detektionsraum DR vorhanden sind. Das zweite Testmedium 114 weist einen anderen Brechungsindex auf als das zweite flüssige Medium 112, sodass der Strahlengang von dem in 5a gezeigten abweicht. Die Abweichung wird derart mit dem im Detektionsraum DR angeordneten ersten Prisma 121 korrigiert, dass die Lichtstrahlung A in gleichem Winkel und am gleichen Ort auf die Reflexionsfläche 30 trifft wie in 5a, sowie die Reflexionsstrahlung R am gleichen Ort durch die Grenzfläche 21a in die erste Stablinse aus Glas 20a eindringt. Anschließend entspricht der Verlauf der Reflexionsstrahlung R zur Lichtquelle 5 dem aus 5a. In die parallel zur ersten Stablinse aus Glas 20a angeordnete zweite Stablinse aus Glas 20b gelangen wiederum keine Anteile der Lichtstrahlung A und der Reflexionsstrahlung R, sodass der Empfänger 6 auch kein Licht detektiert.
5c zeigt eine Detailansicht eines Strahlengangs, einer Lichtstrahlung A, A_N, A_T, die eine erste Stablinse aus Glas 20a durch eine relativ zu deren optischen Achse schräge Grenzfläche 21a verlässt, unter unterschiedlichen Szenarien.
Lichtstrahlung A_N stellt einen Strahlengang dar, wie er unter regulären Einsatzbedingungen des optischen Sensors vorliegt, wenn ausschließlich ein zweites flüssiges Medium 112, jedoch kein erstes Prisma 121 vorhanden ist.
Lichtstrahlung A_T ist ein resultierender Strahlengang, wie er vorliegen würde, wenn statt des zweiten flüssigen Mediums 112 ein zweites Testmedium 114 im Detektionsraum DR vorliegt, jedoch ebenfalls kein erstes Prisma 121 im Strahlengang angeordnet ist. An der ersten Grenzfläche 21a wird der Lichtstrahl A_T stärk gebrochen als unter regulären Einsatzbedingungen (vgl. A_N). Dies führt dazu, dass der Lichtstrahl A_T an einem anderen Ort und in einem anderen Winkel auf die Reflexionsfläche 30 auftrifft als A_N und nicht wieder entlang des Herkunftspfads zur ersten Stablinse aus Glas 20a zurückreflektiert wird. Somit lässt sich mit dem zweiten Testmedium 114 keine Kalibrierung des optischen Sensors vornehmen.
Die Lichtstrahlung A zeigt einen Strahlengang, wie er erfindungsgemäß mit Hilfe eines in den Strahlengang eingebrachten ersten Prismas 121 bei Vorliegen des zweiten Testmediums 114 im Detektionsraum DR ist. Die Lichtstrahlung A wird an der ersten Grenzfläche 21a von deren Lot weg gebrochen, trifft anschließend auf die erste Grenzfläche vom ersten Prisma 123, wo sie zu deren Lot hin gebrochen wird, passiert das erste Prisma 121 und beim Übergang zurück in das zweite Testmedium 114 wird die Lichtstrahlung A vom Lot der zweiten Grenzfläche des ersten Prismas 124 weg gebrochen. Anschließend trifft die Lichtstrahlung A auf die Reflexionsfläche 30 und wird als Reflexionsstrahlung R entlang des Herkunftspfads zurück reflektiert. Mit Ausnahme der Wegstrecke zwischen der ersten Grenzfläche 21a und der zweiten Grenzfläche des ersten Prismas 124 ist der Strahlengang somit deckungsgleich mit dem Strahlengang A_N. Auf der Wegstrecke zwischen erster Grenzfläche 21a und der ersten Grenzfläche des ersten Prismas 123, ist der Strahlengang weiterhin deckungsgleich mit dem Strahlengang A_T. Somit wird ermöglicht, eine Ersatzkalibrierung mit dem zweiten Testmedium 114 durchführen zu können, da der Strahlengang der Lichtstrahlung A repräsentativ für die regulären Einsatzbedingungen (A_N) ist.
6a beschreibt einen Strahlengang eines optischen Sensors 10 ohne erfindungsgemäße optische Elemente bei einem Gemisch von erstem flüssigen Medium 111 und zweitem flüssigen Medium 112 im Detektionsraum DR. Eine Lichtstrahlung A wird an einer Lichtquelle 5 emittiert und passiert eine erste Stablinse aus Glas 20a. An einer relativ zur optischen Achse der ersten Stablinse aus Glas 20a schräg angeordneten ersten Grenzfläche 21a, verlässt die Lichtstrahlung A die Stablinse aus Glas 20a und tritt in den Detektionsraum DR ein. Aufgrund des Brechungsindexes des in diesem befindlichen zweiten flüssigen Mediums 112 wird die Lichtstrahlung A hierbei gebrochen. Schließlich trifft sie dann auf einer gegenüber der ersten Stablinse aus Glas 20a angeordneten Reflexionsfläche 30 auf. Von dieser wird die Lichtstrahlung A als Reflexionsstrahlung R reflektiert und trifft anschließend auf ein Tröpfchen T des ersten flüssigen Mediums 111, wodurch Streulicht entsteht. Anteile dieses Streulichtes gelangen dabei zu einer zweiten Stablinse aus Glas 20b, die ebenfalls eine relativ zu deren optischen Achse schräge zweite Grenzfläche 21b aufweist. Diese ist derart gestaltet, dass das Streulicht an dieser zur optischen Achse der zweiten Stablinse aus Glas 20b hin gebrochen wird. Anschließend wird das Streulicht von einem Empfänger 6 detektiert.
Der optische Sensor ist hierbei weiterhin so ausgelegt, dass bei ausschließlichem Vorhandensein des zweiten flüssigen Mediums 112 die Reflexionsstrahlung R wieder entlang des Herkunftspfads zurück zur ursprünglichen Lichtquelle 5 reflektiert wird.
6b unterscheidet sich dahingehend von 6a, dass statt des ersten flüssigen Mediums 111 und des zweiten flüssigen Mediums 112 ein erstes Testmedium 113 oder ein weiteres Testmedium 115, sowie ein erstes Prisma 121 und ein zweites Prisma 122 im Detektionsraum DR vorhanden sind. Die Testmedien 113, 115 weisen einen anderen Brechungsindex auf als das zweite flüssige Medium 112, sodass der Strahlengang von dem in 6a abweicht. Die Abweichung wird derart mit den im Detektionsraum DR angeordneten Prismen 121, 122 korrigiert, dass die Lichtstrahlung A in gleichem Winkel und am gleichen Ort auf die Reflexionsfläche 30 trifft wie in 6a. Weiterhin trifft die Reflexionsstrahlung R am gleichen Ort auf die Grenzfläche 21a der ersten Stablinse aus Glas 20a, sofern sie nicht auf ein Testmediumteilchen F trifft (nicht dargestellt).
Trifft sie hingegen auf ein derartiges Testmediumteilchen F, entsteht Streulicht. Anteile dieses Streulichtes gelangen dabei über das zweite Prisma 122 zur zweiten Stablinse aus Glas 20b und werden anschließend von einem Empfänger 6 detektiert. Dabei wird das Streulicht an der ersten Grenzfläche vom zweiten Prisma 125, der zweiten Grenzfläche vom zweiten Prisma 126 und der zweiten Grenzfläche 21b derart gebrochen, dass der Strahlengang nur auf der Wegstrecke zwischen diesen Grenzflächen vom unter regulären Bedingungen vorliegenden abweicht.
Beispielsweise könnten die Testmedien 113, 115 Formazin unterschiedlicher Konzentration sein.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.

Claims

Kalibriervorrichtung (100) für einen optischen Sensor (10), der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums (111) in einem zweiten flüssigen Medium (112) einen Detektionsraum (DR) aufweist, a) mit einem Prüfraum (130), der mit einem ersten Testmedium (113) befüllbar ist, b) mit einer Aufnahmeeinrichtung (139) für den zu kalibrierenden optischen Sensor (10), wobei die Aufnahmeeinrichtung (139) derart ausgebildet ist, dass der Detektionsraum (DR) in bestimmungsgemäßer Position des optischen Sensors (10) im Prüfraum (130) liegt, c) mit wenigstens einem in den Detektionsraum (DR) einbringbaren optischen Element (120) zur Beeinflussung eines optischen Strahlengangs im Detektionsraum (DR) des optischen Sensors (10), und d) mit einer Steuer- und Erfassungseinheit (150) zum Ansteuern des zu kalibrierenden optischen Sensors (10) und zum Erfassen von Messdaten des optischen Sensors (10).
Kalibriervorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die optischen Elemente (120) derart gestaltet und in den Detektionsraum (DR) einbringbar sind, dass eine Abweichung im Strahlengang korrigiert wird, die dann entsteht, wenn statt des zweiten flüssigen Mediums (112) das erste Testmedium (113) im Detektionsraum (DR) vorhanden ist, wobei das erste Testmedium (113) und das zweite flüssige Medium (112) unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
Kalibriervorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die optischen Elemente (120) austauschbar sind.
Kalibriervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes optische Element (120) mittels eines Stellglieds (142) in den Detektionsraum (DR) des optischen Sensors (10) einbringbar ist.
Kalibriervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die optischen Elemente (120) an Haltern (141) derartig befestigt sind, dass es/sie relativ zum optischen Sensor (10) und somit relativ zu dessen Detektionsraum (DR) beweglich ist/sind.
Kalibriervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Testmedium (114, 115) in den Prüfraum (130) einfüllbar ist.
Kalibriervorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes benötigte Testmedium (113, 114, 115) ein Vorratsbehälter (193, 194, 195) vorhanden ist.
Kalibriervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sammelbehälter (196) für die Testmedien (113, 114, 115) vorhanden ist.
Kalibriervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfraum (130) mit einem Ultraschallgeber (191) für eine Ultraschallreinigung ausgestattet ist.
Kalibriervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Prüfraum (130) ein Strömungserzeuger (192) angeordnet ist.
Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Sensors (10), der zur Detektion eines ersten flüssigen Mediums (111) in einem zweiten flüssigen Medium (112) einen Detektionsraum (DR) aufweist, umfassend die Schritte: a) Einbringen des Detektionsraumes (DR) des optischen Sensors (10) in einen Prüfraum (130); b) Einbringung von optischen Elementen (120) in den Detektionsraum (DR); c) Einfüllen eines ersten Testmediums (112) in den Prüfraum (130); d) Ausmessen des ersten Testmediums (112); e) Berechnen einer Korrekturgröße; f) Zuordnen der Korrekturgröße zum optischen Sensor (10).
Verfahren zur Kalibrierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Testmedien (114, 115) in den Prüfraum (130) eingefüllt und weitere Messungen durchgeführt werden.
Verfahren zur Kalibrierung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Reinigung der optischen Elemente (120) und der Teile des optischen Sensors (10), die im Detektionsraum (DR) liegen, durchgeführt wird.
Verfahren zur Kalibrierung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine im optischen Sensor (10) hinterlegte Kalibrierkurve entsprechend der ermittelten Korrekturgröße angepasst wird.