DE102011081317B4

DE102011081317B4 - Lichtquelle für Inline-Sensoren mit Festzustands-UV-Ermitter

Info

Publication number: DE102011081317B4
Application number: DE102011081317.9A
Authority: DE
Inventors: William H. Wynn
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: US20120061579A1; CN102563453B; US9766177B2; CN102563453A; DE102011081317A1

Abstract

Eine Lichtquelle für einen Inline-Sensor, bestehend aus einem Gehäuse (11, 26), das für die Befestigung an einem Inline-Sensor geeignet ist, einem ersten UV-Festkörperstrahler (51) im Gehäuse für die Emission von Licht mit einer einzigen Wellenlänge im Bereich von 240 bis 400 nm und einer Öffnung (33) im Gehäuse (11, 26), durch die das Licht vom Festkörperstrahler (51) zum Inline-Sensor gelangt, wobei der Inline-Sensor einschließlich einen zweiten UV-Festkörperstrahler (52) im Gehäuse (11, 26) für die Emission von Licht mit einer zweiten Wellenlänge im Bereich von 240 bis 400 nm und Mittel für die abwechselnde Ansteuerung der zwei UV-Festkörperstrahler (51, 52) für die abwechselnde Lieferung von Licht zum Inline-Sensor mit den zwei Wellenlängen umfasst.

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Inline-Sensoren und Messungen und im Besonderen eine ultraviolette (UV) Lichtquelle für die Verwendung in solchen Anwendungen.
Inline-UV-Sensoren werden häufig in industriellen und pharmazeutischen Anwendungen verwendet. Bisher wurden Nieder- und Mitteldruck-Gasentladungslampen als Lichtquelle bei solchen Messungen verwendet. In pharmazeutischen Anwendungen ist die am häufigsten verwendete Lichtquelle eine Niederdruck-Quecksilberlampe (HG-Lampe), die einzelne Lichtlinien mit vielen spezifischen Wellenlängen in das UV- und das sichtbare Spektrum emittiert. Um spezifische Emissionslinien oder Wellenlängen zu isolieren, müssen Bandpass-Störfilter verwendet werden. Solche Filter reduzieren in erheblichem Maße das verfügbare optische Signal, insbesondere im UV-Spektrum, in dem der Durchlass der Filter selten 20 Prozent übersteigt.
JP 2002 - 5 826 A offenbart ein Ozonkonzentrationsmessgerät vom Typ Lichtabsorption, das bei der Halbleiterherstellung verwendet wird.
US 2007 / 0 217 188 A1 bezieht sich auf das allgemeine Gebiet der LED-Lampen, und insbesondere auf die Struktur und die Steuerschaltung für solche Lampen und für solche Lampen zur Prüfung.
US 2003 / 0 080 193 A1 bezieht sich allgemein auf Scanner zur Echtheitsprüfung von Gegenständen und insbesondere auf einen tragbaren Scanner mit einer oder mehreren Beleuchtungsquellen, der auch mehrere geeignet angeordnete Detektoren enthalten kann.
Die Niederdruck-HG-Lampen-Aufbauten, die im Allgemeinen für Inline-Sensor-Anwendungen verwendet werden, erfordern eine Leistung von ungefähr 4-5 Watt, und die Ausbeute ist gering und über die zahlreichen einzelnen Spektrallinien verteilt, die von der Lampe emittiert werden. Diese Lampen stellen eine optische Störung dar und tendieren zu einer Abweichung in ihrer Leistung, sie führen aufgrund des Betriebs bei hohen Hülltemperaturen Wärme ab und erfordern spezielle Hochspannungsversorgungen.
Um Variationen in der Leistung der Lampe auszugleichen und akkurate Ergebnisse zu erhalten, werden Messsignale und Referenzsignale überwacht und verglichen. Um eine bestimmte Spektrallinie zu isolieren, müssen passende Filter sowohl für die Messsignale als auch die Referenzsignale verwendet werden. In Doppelstrahlanwendungen sind die optischen Anforderungen noch komplizierter, da passende Filter und Detektoren für jeden Referenz- und Messkanal erforderlich sind und die Kanäle isoliert sein müssen. Dies kann beispielsweise durch Nebeneinanderanordnung von Filter/Detektor oder durch Strahlenteilung erfolgen, wobei jede der Möglichkeiten zu einer weiteren Reduzierung der optischen Signale führt.
Ist die gewünschte Wellenlänge nicht eine der verfügbaren Emissionslinien, wird die Lampe mit Phosphor ummantelt, das bei der gewünschten Wellenlänge fluoresziert, wenn es von einer der verfügbaren Linien angeregt wird, und der Wirkungsgrad wird weiter reduziert.
Ein typischer Niederdruck-HG-Lampen-Aufbau nach Stand der Technik ist in den dargestellt. Dieser Aufbau verfügt über ein zylindrisches Gehäuse 11 mit einem elektrischen Steckverbinder 12 an einem Ende und einem Fitting 13 am anderen Ende für den Anschluss an eine Durchflusszelle. Eine Niederdruck-HG-Lampe 14 und eine Hochspannungsversorgung 16 sind im Gehäuse zusammen mit den Referenzdetektoren und -filtern 17, 17 eingebettet. Wie aus diesen Zeichnungen hervorgeht, ist aufgrund der relativ großen Dimensionen der Lampe und ihrer Versorgung der Gesamtaufbau ebenfalls relativ groß und sperrig in der Verwendung.
Ein anderes Problem mit Niederdruck-HG-Lampen besteht darin, dass, wenn sie in gefährlichen Umgebungen verwendet werden, spezielle Sicherheitsgehäuse und - steckverbinder verwendet werden müssen, um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Diese Anforderungen beinhalten typischerweise ein freigegebenes Gehäuse, das Explosionen einschließen kann im Fall, dass das Gas in der Lampe zündet, und eine spezielle Verkabelung, die elektrische Signale von den gefährlichen Umgebungen isoliert. Wie in dargestellt, beinhaltet solch ein Gerät typischerweise ein explosionssicheres Gehäuse 19 mit einer explosionssicheren Endkappe 21 und einer explosionssicheren Kabel- und Leitungseinführung 22 an einem Ende und einen explosionssicheren Fensteraufbau 23 und einen Durchflusszellenadapter 24 am anderen Ende.
Es ist im Allgemeinen eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte UV-Lichtquelle für die Verwendung in Inline-Sensor-Anwendungen zu liefern.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Lieferung einer UV-Lichtquelle mit der oben genannten Eigenschaft, die die Begrenzungen und Nachteile bisher verwendeter UV-Lichtquellen nicht aufweist.
Diese und andere Aufgaben werden erreicht in Übereinstimmung mit der Erfindung durch Lieferung einer Lichtquelle für einen Inline-Sensor mit einem oder mehreren Festzustands-Strahlern für die Emission von Licht mit einer Wellenlänge je Strahler im Bereich von 240 bis 400 nm. Das von jedem Strahler emittierte Licht hat eine Bandbreite im Bereich von 10 - 20 nm und wird zu einem Messdetektor im Inline-Sensor geleitet. Die UV-Strahler sind in einem Gehäuse eingebettet, das am Inline-Sensor befestigt werden kann, wobei sich ein Referenzdetektor und ein Regler für die UV-Strahler ebenfalls im Gehäuse befinden sowie eine Öffnung, durch die Licht von den Strahlern zum Messdetektor gelangt.

ist eine isometrische Ansicht einer UV-Lichtquelle nach Stand der Technik.
ist eine vertikale Schnittdarstellung der Lichtquelle aus nach Stand der Technik.
ist eine vertikale Schnittdarstellung einer anderen UV-Lichtquelle nach Stand der Technik.
ist eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer UV-Lichtquelle unter Einbeziehung der Erfindung.
ist eine vertikale Schnittdarstellung der Ausführungsform in .
ist ein Vorderaufriss einer anderen Ausführungsform einer UV-Lichtquelle unter Einbeziehung der Erfindung.
ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 7 - 7 in .
ist ein vereinfachter Schaltplan der Ausführungsform in .
ist ein Steuerungsdiagramm mit Darstellung des Betriebs der Ausführungsform in .

Wie in den und dargestellt, hat die Lichtquelle ein Gehäuse 26 mit einer im Allgemeinen runden Basis 27 und einer abnehmbaren Abdeckung 28, bestehend aus einer zylindrischen Seitenwand 28a und einer Stirnwand 28b, die eine Einheit formen. Die Abdeckung hat Außengewinde 29, die auf Innengewinde 31 an der Seitenwand passen zur Befestigung der Abdeckung an der Basis. Ein elektrischer Steckverbinder 32 ist an der Außenseite der Basis montiert für den Anschluss an externe Kreise, die elektrische Signale und Leistung für das Gerät liefern, und Stirnwand 28b hat eine Gewindeöffnung 33 für den Anschluss an einen Inline-Sensor.
Ein UV-Festkörperstrahler oder eine LED (light emitting diode) 36 ist an einer Schaltkarte 37 im Gehäuse montiert. Im Gegensatz zu den Niederdruck-HG-Lampen, die mit anderen Inline-Sensoren verwendet werden, liefern diese Strahler Emissionen mit einer einzigen Wellenlänge je Strahler mit einer Bandbreite im Bereich von 10 - 20 nm. Die Emissionen sind spektral rein, mit einer Leistung im Bereich von 0,5 - 1,5 Milliwatt, die bei der gewünschten Wellenlänge konzentriert ist. Solche Strahler sind aktuell mit Intervallen von 10 - 20 nm innerhalb eines Spektralbereichs von ungefähr 240 bis 400 nm verfügbar.
Der Strahler ist in einer Buchse 38 auf Schaltkarte 37 zusammen mit der Schaltung 41 zur Regelung des Stroms und infolgedessen der Leistung, mit der der Strahler versorgt wird, montiert. Die Schaltkarte ist an der Basis 27 des Gehäuses mit Befestigungsschrauben 42 und Abstandstücken 43 montiert, wobei der Strahler koaxial im Gehäuse angeordnet ist und zur Öffnung 33 in der Stirnwand 28b zeigt.
Der Strahler hat eine Linse 36a, die die Emissionen entlang der Achse 44 von Gehäuse 26 und Öffnung 33 bündelt. Da die Linsen im Strahler eingebaut sind, besteht keine Notwendigkeit für andere Spiegel, Reflektoren und/oder Linsen für die Bündelung und/oder Richtung der Emissionen. Des Weiteren ist, da die Emissionen nur mit der gewünschten Wellenlänge und Bandbreite produziert werden, eine optische Filterung nicht erforderlich, weder in der Lichtquelle noch im Sensor.
Ein Paar Referenzdetektoren 45, 46 ist auf einer zweiten Schaltkarte 47 montiert, die auf der Reglerkarte 37 mit Befestigungsschrauben 48 und Abstandstücken 49 montiert ist, wobei der Strahler 36 aus einer zentralen Öffnung 50 in der zweiten Karte herausragt. Abstandstücke 49 sind elektrisch leitend und bieten elektrische Anschlüsse zwischen den zwei Karten sowie die Ausrichtung der Karten untereinander. Die Detektoren weisen zur Öffnung und sind in einem Winkel im Bereich von 30 Grad zur Emissionsachse geneigt.
Mit dieser Quelle ist der Austausch des Strahlers leicht durchzuführen und kann bei Bedarf ohne Trennung der Quelle vom Inline-Sensor durchgeführt werden. Hierzu wird die Basis 27 von der Abdeckung 28 des Gehäuses abgeschraubt, und die Basis und die Schaltkarten werden als Einheit aus dem Gehäuse herausgezogen. Detektorkarte 47 wird dann von der Reglerkarte 37 entfernt, anschließend kann der Strahler aus seiner Halterung entfernt und ausgetauscht werden.
Da keine Filter erforderlich sind, weder für die Referenzdetektoren noch für die Messdetektoren, kann die Betriebswellenlänge der Quelle und somit der Sensor einfach durch Austausch des UV-Festkörperstrahlers durch einen mit der gewünschten Wellenlänge geändert werden.
Der Leistungsbedarf des UV-Festkörperstrahlers liegt bei nur ca. 50 - 100 Milliwatt, was gering genug ist für einen sicheren Betrieb in explosiven Umgebungen. Da die Leistung gering ist, sind solche Strahler als eigensichere Geräte klassifiziert, die in gefährlichen Umgebungen mit eigensicheren Trennbarrieren betrieben werden können. Dies bedeutet, dass die Lichtquelle in den meisten gefährlichen Umgebungen ohne explosionssichere Behälter und/oder spezielle Verdrahtung verwendet werden kann.
und zeigen eine Doppelstrahlausführungsform der Lichtquelle, die vergleichbar ist mit der Einzelstrahlausführungsform in den und , wobei dieselben Referenzzahlen die entsprechenden Elemente in den zwei Ausführungsformen bezeichnen. In der Doppelstrahlquelle ist ein Paar UV-Festkörperstrahler 51, 52 nebeneinander auf der Schaltkarte 37 montiert, und die Reglerschaltung 41 auf der Karte hat die Kapazität, die zwei Strahler mit Betriebsleistung zu versorgen. Die Strahler sind in Buchsen 53, 54 montiert und die Emissionen der zwei Strahler werden durch Einstellung der Winkel zwischen den Buchsen und der Karte auf den Messdetektor gebündelt. In der dargestellten Ausführungsform liegen die Winkel α und β zwischen den Buchsen und der Karte und somit die Winkel zwischen den Strahlen und der Achse 44 im Bereich von 2,5 Grad.
Jeder der Strahler 51, 52 ist mit Strahler 36 vergleichbar und kann jede beliebige Betriebswellenlänge liefern. In der dargestellten Ausführungsform funktionieren die zwei Strahler mit Wellenlängen von 280 nm bzw. 254 nm.
Wie in dargestellt, wird die Versorgungsspannung Vcc auf die Reglerkreise angelegt, die Ausgänge der Regler sind mit den Anoden der Strahler 51, 52 verbunden und SELECT-Signale werden auf die Kathoden der Strahler angewendet. Referenzdioden 45, 46 sind parallel geschaltet und liefern Referenzsignale +Ref.Sig. und -Ref.Sig. und der Messdetektor 56 im Inline-Sensor liefert Messsignale +Mess.Sig. und -Mess.Sig. entsprechend den Emissionen, die darauf auftreffen.
Die Spannung Vcc ist stromgeregelt an jede der UV-emittierenden Dioden angelegt und die Regler können einzeln eingestellt werden, entsprechend ihren jeweiligen Ausgaben zum Messdetektor. In der dargestellten Ausführungsform hat der Sensor lediglich eine Messdiode, die Emissionen von beiden UV-Strahlern erfasst.
Wie im Steuerungsdiagramm in dargestellt, werden UV-Strahler 51, 52 abwechselnd durch Select-Signale 57, 58 eingeschaltet und Messdetektor 56 reagiert auf den jeweils aktiven Strahler und produziert ein Ausgabesignal 59, das zwischen 280 nm und 254 nm wechselt in Synchronisation mit der Aktivierung der Strahler. Dieses Signal kann von einem einzelnen Verstärker zur weiteren Verarbeitung und Anzeige verarbeitet werden.
UV-Festkörperstrahler befinden sich üblicherweise in Standard-TO-39-Gehäusen, und zusätzliche Kanäle können einfach bereitgestellt werden durch Zufügung zusätzlicher Strahler zur Reglerkarte, die nacheinander betrieben werden.
Die Erfindung hat eine Reihe wichtiger Funktionen und Vorteile. Bei den UV-Festkörperstrahlern liefert die Quelle selbst UV-Emissionen mit der gewünschten Wellenlänge und Bandbreite, und es besteht kein Bedarf mehr an einer Filterung zur Isolierung der interessanten Emissionen. Die Emissionen sind störungsfrei und stabil, und durch die Konzentration auf eine einzelne Wellenlänge übersteigt die Leistung die einer Gasentladungslampe bei der gewünschten Wellenlänge.
Die von einem UV-Festkörperstrahler verbrauchte Leistung liegt typischerweise im Bereich von 50 - 100 Milliwatt, was erheblich weniger ist als die 4 - 5 Watt, die von einer typischen Entladungslampe benötigt werden. Außerdem ist der Festzustands-Strahler, zusätzlich dazu, dass er leistungsstärker ist und teure Leistungsversorgungen bei seinem Einsatz unnötig sind, ein eigensicheres Gerät, das in den meisten gefährlichen Umgebungen ohne explosionssicheres Gehäuse und/oder spezielle Verkabelung verwendet werden kann.
Dennoch ist der spektrale Ausgang des UV-Festzustands-Strahlers stabil im Hinblick auf die Zeit, der Ausgang ist umgekehrt proportional zur Temperatur und die Referenzdetektoren liefern den Ausgleich für temperaturabhängige Abweichungen.
Auch wenn die Erfindung hauptsächlich in Verbindung mit neuen Installationen offenbart wird, kann sie auch einfach in bestehende Systeme einbezogen werden durch Austausch der Gasentladungslampe und Leistungsversorgung durch einen UV-Festkörperstrahler und einen einfachen Reglerkreis. Bei der Verwendung in solchen Systemen ist die Einbeziehung von UV-Festzustands-Strahler-Quellen im Wesentlichen transparent und erfordert wenig oder keine Änderungen oder spezielle Kalibrierung.
Aus dem Vorherigen wird ersichtlich, dass eine neue und verbesserte UV-Lichtquelle zur Verfügung steht. Während nur bestimmte momentan bevorzugte Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, was für jene, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, ersichtlich ist, können bestimmte Änderungen ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, vorgenommen werden.

Claims

Eine Lichtquelle für einen Inline-Sensor, bestehend aus einem Gehäuse (11, 26), das für die Befestigung an einem Inline-Sensor geeignet ist, einem ersten UV-Festkörperstrahler (51) im Gehäuse für die Emission von Licht mit einer einzigen Wellenlänge im Bereich von 240 bis 400 nm und einer Öffnung (33) im Gehäuse (11, 26), durch die das Licht vom Festkörperstrahler (51) zum Inline-Sensor gelangt, wobei der Inline-Sensor einschließlich einen zweiten UV-Festkörperstrahler (52) im Gehäuse (11, 26) für die Emission von Licht mit einer zweiten Wellenlänge im Bereich von 240 bis 400 nm und Mittel für die abwechselnde Ansteuerung der zwei UV-Festkörperstrahler (51, 52) für die abwechselnde Lieferung von Licht zum Inline-Sensor mit den zwei Wellenlängen umfasst.
Die Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das emittierte Licht eine Bandbreite im Bereich von 10 - 20 nm hat.
Die Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Strahler (51, 52) eine Linse (36a) beinhaltet, die das Licht vom Strahler (51, 52) an einer Achse entlang in Flucht mit der Öffnung (33) bündelt.
Die Lichtquelle nach Anspruch 1 einschließlich eines Referenzdetektors (45, 46) im Gehäuse (11, 26) für die Überwachung des emittierten Lichts.
Die Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (33) eine Seitenwand (28a) mit Gewinde für die Befestigung am Inline-Sensor hat.
Eine Lichtquelle für einen Inline-Sensor, bestehend aus einem Gehäuse (11, 26), das eine Basis und eine an der Basis montierte abnehmbare Abdeckung (28) hat, Mittel für die Befestigung des Gehäuses (11, 26) an einem Inline-Sensor, einer Schaltkarte (37), die an der Basis im Gehäuse (11, 26) montiert ist, einem UV-Festkörperstrahler (51) für die Emission von Licht mit einer einzigen Wellenlänge im Bereich von 240 bis 400 nm, der an der Schaltkarte (37) montiert ist, der Schaltung auf der Schaltkarte (37) für die Regelung der Leistung, mit der der UV-Strahler (51) versorgt wird, und einer Öffnung im Gehäuse (11, 26), durch die das emittierte Licht zum Inline-Sensor gelangt, wobei die Lichtquelle eine zweite Schaltkarte (47) umfasst, die auf der ersten genannten Schaltkarte (37) montiert ist, und einen Referenzdetektor umfasst, der auf der zweiten Schaltkarte (47) für die Überwachung des emittierten Lichts montiert ist, wobei die Schaltkarten (37, 47) durch Abstandstücke getrennt sind, die gleichzeitig als elektrische Leiter zwischen den Karten (37, 47) fungieren.
Die Lichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Festkörperstrahler (51) durch eine Öffnung (50) in der zweiten Schaltkarte (47) herausragt.
Die Lichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung eine zylindrische Seitenwand (28a) und eine Stirnwand hat, in der eine Öffnung (33) geformt ist, wobei der UV-Strahler (51) und die Öffnung (33) koaxial zur Seitenwand (28a) angeordnet sind.
Die Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Strahler (51) eine Linse (36a) für die Bündelung des emittierten Lichts entlang der Achse der Seitenwand (28a) und der Öffnung (33) beinhaltet.
Die Lichtquelle nach Anspruch 6 einschließlich eines zweiten UV-Festkörperstrahlers (52), der auf der erstgenannten Schaltkarte (37) für die Emission von Licht mit einer zweiten Wellenlänge montiert ist.
Die Lichtquelle nach Anspruch 10 einschließlich Mittel für die abwechselnde Ansteuerung der zwei UV-Strahler (51, 52) zur abwechselnden Lieferung von Licht zu den Inline-Sensoren mit den zwei Wellenlängen.
Eine Lichtquelle für einen Inline-Sensor, bestehend aus einem Gehäuse (11, 26), Mitteln für die Befestigung des Gehäuses (11, 26) an einem Inline-Sensor, einer ersten Schaltkarte (37), die an der Basis im Gehäuse (11, 26) montiert ist, mehreren UV-Festkörperstrahlern (51, 52), die auf der ersten Schaltkarte (37) für die Emission von Licht mit jeweiligen Wellenlängen im Bereich von 240 bis 400 nm montiert sind, einer Schaltung auf der ersten Schaltkarte zur Regelung der Leistung, mit der die UV-Strahler versorgt werden, einer zweiten Schaltkarte (47), die auf der ersten Schaltkarte montiert ist, einem Referenzdetektor (45), der auf der zweiten Schaltkarte (47) für die Überwachung des emittierten Lichts montiert ist und einer Öffnung im Gehäuse (11, 26), durch die das emittierte Licht zum Inline-Sensor gelangt.
Die Lichtquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11, 26) eine Basis und eine abnehmbare Abdeckung (28) hat, deren zylindrische Seitenwand (28a) an der Basis befestigt ist, wobei die Öffnung (33) koaxial zur Seitenwand angeordnet ist und die UV-Strahler (51, 52) symmetrisch zur Achse angeordnet sind und die Schaltkarten (37, 47) entlang der Achse verteilt sind.
Die Lichtquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht, das von jedem der UV-Strahler (51, 52) emittiert wird, eine Bandbreite im Bereich von 10 - 20 nm hat.
Die Lichtquelle nach Anspruch 12 einschließlich von Mitteln für die aufeinander folgende Ansteuerung der UV-Strahler (51, 52) zur aufeinander folgenden Lieferung von Licht zum Inline-Sensor mit verschiedenen Wellenlängen.