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Die Erfindung betrifft einen Festkörper zum Justieren, Kalibrieren und/oder zur Funktionsüberprüfung eines Trübungssensors.
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Trübungsmessungen im Sinne dieser Erfindung werden mittels eines Trübungssensors insbesondere in Frisch-, Brauch- und Abwasser sowie Gasen durchgeführt. Weiterhin bezieht sich diese Erfindung auf Messungen von ähnlichen Prozessgrößen wie der Feststoffgehalt oder der Schlammspiegel. Messgeräte, die zur Bestimmung der entsprechenden Prozessgrößen geeignet sind, werden von der Firmengruppe Endress+Hauser in großer Variantenvielfalt angeboten und vertrieben, beispielsweise unter dem Namen Turbimax CUS51 D oder Turbimax W CUS65.
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Üblicherweise sind die Sensoren in einem Sensorkörper angeordnet, und die Bestimmung der Prozessgröße geschieht optisch. Dabei werden elektromagnetische Wellen einer bestimmten Wellenlänge von zumindest einer Sendeeinheit gesendet, vom zu messenden Medium gestreut und von einer Empfangseinheit empfangen. Die Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen der optischen Komponenten liegen typischerweise im nahen Infrarot, beispielsweise bei 860 nm. Insbesondere für den amerikanischen Markt sind aber auch Weißlichtquellen gängig.
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Als Sender werden meist schmalbandige Strahler, z. B. eine Leuchtdiode (LED) eingesetzt. Dabei wird die LED zur Erzeugung eines in einem geeigneten Wellenlängenbereich liegenden Licht verwendet. Als Empfänger kann entsprechend eine Fotodiode eingesetzt werden, die aus dem empfangenen Licht ein Empfängersignal, beispielsweise einen Fotostrom oder eine Fotospannung, erzeugt.
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Um Trübungen vergleichbar messen zu können gibt es Trübungsstandardflüssigkeiten, wie beispielsweise Formazin. Die gebräuchlichsten Trübungseinheiten sind FAU (Formazine Attenuation Units), FNU (Formazine Nephelometric Units), FTU (Formazine Turbidity Unit), NTU (Nephelometric Turbidity Unit), TE/F (Trübungseinheit/Formazin), EBC (European Brewery Convention) und ASBC (American Society of Brewing Chemists).
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In der Regel werden Trübungssensoren mit dem Standard Formazin kalibriert.
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Formazin ist eine Mischung aus Hydraziniumsulfat und Urotropin, wobei bei der Herstellung von Formazin sehr sorgfältig gearbeitet werden muss, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
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Formazin weist nur eine sehr geringe Haltbarkeit auf. Insbesondere bei kleinen Trübungswerten beträgt die Haltbarkeit nur wenige Stunden.
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Darüber hinaus steht Formazin im Verdacht, mutagen und krebserregend zu sein.
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Eine Alternative zu Formazin ist ein Referenzmaterial aus einem Festkörper. Festkörperstandards hingegen sind länger haltbar, sofern auf alternde Materialien verzichtet wird. Sie sind zudem von der Handhabung weniger bedenklich.
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Festkörperstandards bestehen bis jetzt entweder aus Materialien, die einfallendes Licht von sich aus streuen (z. B. trübe Kunststoffe) oder aus Materialien, bei denen künstlich eingebrachte Strukturen für die Lichtstreuung verantwortlich sind. Letztere haben zum einen den Vorteil, dass spezifische, unterschiedliche Trübungswerte realisiert werden können und zum anderen, dass die eingebrachten Strukturen lokal auf bestimmte Bereiche des Festkörpers begrenzt werden können. Dies wird bis jetzt ausschließlich mittels eines Glaskörpers realisiert, bei dem kleine Fremdkörper mit einer vom Glas unterschiedlichen Brechzahl via Dotierung eingefügt werden. Dieses Verfahren spiegelt die Lichtstreuung an suspendierten Teilchen in Flüssigkeiten wider und eignet sich dadurch als Sekundärstandard. Der Prozess des Dotierens von Glas ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und somit sehr kostspielig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lösung zur Nachahmung der Lichtstreuung an suspendierten Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Festkörper für einen Trübungssensor, der mit einer elektromagnetischen Welle, insbesondere Licht, zumindest einer ersten Wellenlänge arbeitet, und wobei der Festkörper zumindest für das Licht der ersten Wellenlänge transparent ist. Im Festkörper ist zumindest ein erster Bereich vorgesehen, an dem zumindest einstrahlendes Licht der ersten Wellenlänge gestreut wird, wobei das gestreute Licht ein Maß für die Trübung darstellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung verändert zumindest ein Energieeintrag im zumindest ersten Bereich den Festkörper punktuell zu zumindest einem Mikroriss, wobei der zumindest eine Mikroriss Abmessungen von kleiner 1000 μm, insbesondere kleiner 500 μm, insbesondere kleiner 250 μm, hat. Ein Mikroriss im Sinne dieser Erfindung soll als Strukturänderung im Festkörper aufgefasst werden, d. h. als definierte Zone, die sich von ihrer Umgebung unterscheidet.
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Durch den Energieeintrag kann der zumindest ein Mikroriss präzise in den Festkörper eingebracht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Mikrorissen mit einer definierten Mikrorissdichte vorgesehen, wobei die Mikrorissdichte ein Maß für die Trübung darstellt, wobei Mikrorissdichte im Sinne dieser Erfindung von der Anzahl der Mikrorisse, der Form der Mikrorisse, der Größe der Mikrorisse und vom Abstand der Mikrorisse voneinander abhängt. Durch Variation eines der Parameter Anzahl, Form, Größe und/oder Abstand der Mikrorisse voneinander kann die Mikrorissdichte verändert werden.
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Vorteilhafterweise sind die Mikrorisse gleichmäßig verteilt, insbesondere dann, wenn das einstrahlende Licht nicht gleichmäßig verteilt ist. Sind die Mikrorisse gleichmäßig verteilt, ändert sich die gemessene Trübung nicht, falls sich die Lichtverteilung ändert, bei nicht gleich verteilten allerdings schon.
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Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn die Mikrorissdichte so ausgestaltet ist, dass sich das Maß für die Trübung auf eine Trübungsstandardflüssigkeit bezieht, insbesondere, dass sich das Maß für die Trübung in zumindest einer der Trübungseinheiten FAU, FNU, FTU, NTU, EBC, TEF, ASBC oder TE/F ausdrücken lässt. Wird die Mikrorissdichte auf eine Trübungsstandardflüssigkeit bezogen, kann der Festkörper als Sekundärstandard verwendet werden.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Trübungsstandardflüssigkeit um Formazin.
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Bevorzugt geschieht der Energieeintrag durch einen Laser. Somit können die Mikrorisse einfach, präzise und kostengünstig in den Festkörper eingebracht werden.
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Möglichst besteht der Festkörper aus einem der Materialien Glas, Saphir, Diamant, Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat. Diese Materialen haben die potentiellen Eigenschaften, dass sie für das Licht der ersten Wellenlänge transparent sind, die Mikrorisse in den ersten Bereich eingebracht werden können, und somit das Licht streuen können.
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Der Festkörper ist als beliebiger Quader, beispielweise als Würfel ausgestaltet. Andere Formen wie Pyramide, Kugel etc. sind denkbar. Typische Abmessungen des Festkörpers liegen im Bereich von mehreren Millimetern bis hin zu einigen Zentimetern.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind in dem Festkörper mehrere Bereiche vorgesehen, die so ausgestaltet sind, dass sie jeweils ein anderes Maß für die Trübung darstellen. Da in der Praxis üblicherweise mehrere Punkte justiert, kalibriert oder überprüft werden, kann somit mit einem einzigen Festkörper der Sensor justiert, kalibriert oder überprüft werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Trübungssensor, bei dem der Festkörper so am Trübungssensor positioniert ist, dass der Trübungssensor nach einer der Methoden Rückstreulicht, 90°-Streulicht, Vorwärtsstreulicht oder Durchlicht justiert, kalibriert oder einer Funktionsprüfung unterzogen wird.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, bei dem der Festkörper so am Trübungssensor positioniert ist, dass der Trübungssensor nach einer der Methoden Rückstreulicht, 90°-Streulicht, Vorwärtsstreulicht oder Durchlicht justiert, kalibriert oder einer Funktionsprüfung unterzogen wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigt
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1a eine schematische Darstellung eines Herstellungsschrittes des Festkörpers in einer Seitenansicht,
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1b eine Seitenansicht des Festkörper wie er beispielsweise mit dem Herstellungsschritt aus 1a hergestellt wurde in einer Seitenansicht,
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2a–c eine Seitenansicht des Festkörpers mit drei Messmethoden, und
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3 eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des Festkörpers.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der erfindungsgemäße Festkörper ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Festkörper 1 ist aus einem der Materialen Glas, Saphir, Diamant, Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat hergestellt und hat Abmessungen im Zentimeterbereich, beispielsweise ist der Festkörper 1 als Würfel mit einer Kantenlänge von 4 cm ausgestaltet. Ein Würfel hat den Vorteil einer leichten Handhabbarkeit, im Allgemeinen sind jedoch ein (beliebiger) Quader, Pyramide, Kugel etc. möglich. Die Größe ist hierbei nicht entscheidend, wichtig ist, dass die Größe für die Kalibration eines Trübungssensor geeignet ist (siehe unten).
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1a zeigt den entscheidenden Herstellungsschritt schematisch. Ein Laser 7 strahlt hoch energetisches Laserlicht auf den Festkörper 1, genauer in einen ersten Bereich 5. Dabei werden Linsen, Spiegel und evtl. weitere optische Werkzeuge und Methoden verwendet um den Laserstrahl auf einen Punkt im Bereich 5 zu fokussieren. In einer Variante ist es möglich mehrere Laser 7 zu benützen, die auf einen Punkt fokussiert sind dort einen Mikroriss 2 (siehe unten) erzeugen.
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Der erste Bereich 5 nimmt einen Teilbereich des Festkörpers 1 ein. Es ist denkbar, dass der erste Bereich 5 mehrere Zentimeter umfasst, im Maximalfall umfasst der erste Bereich 5 den kompletten Festkörper 1. Da der Laser 7 Mikrorisse 2 von mehreren hundert Mikrometern in den ersten Bereich 5 lasert (siehe unten), kann der erste Bereich auch nur aus wenigen Millimetern bestehen.
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Im Fokus ist die räumliche und zeitliche Energiedichte des Laserstrahls so hoch, dass durch Ionisierung und Bildung von Plasma der Festkörper 1 in einem Punkt thermisch zerstört und auskristallisiert (Rissbildung, Aufschmelzung und Verdampfung) wird, während der noch breite Strahl davor und dahinter weder den beiden Festkörperoberflächen noch den Linsen Schaden zufügt. Die entstehenden Mikrorisse sind mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Der Laser 7 oder der Festkörper 1 werden in x-, y- und z-Richtung bewegt um Mikrorisse 2 an verschiedenen räumlichen Koordinaten zu bekommen.
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Ein Mikroriss 2 im Sinne dieser Erfindung kann als Strukturänderung im Festkörper 1 aufgefasst werden, d. h. als definierte Zone, die sich von ihrer Umgebung unterscheidet. Dabei kann die Form der Mikrorisse 2 je nach Anforderung gewählt werden. Typische Formen sind reiskornartige oder kugelförmige Strukturen mit Abmessungen von mehren hundert Mikrometern, typische Werte sind Abmessungen kleiner 1000 μm, insbesondere kleiner 500 μm, insbesondere kleiner 250 μm.
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1b zeigt das Resultat. Im ersten Bereich 5 befindet sich ein regelmäßiges Muster von Mikrorissen 2. Selbstredend sind auch unregelmäßige Strukturen denkbar.
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Durch die Mikrorisse 2 werden im Prinzip Partikel in einer Flüssigkeit oder einem Gas simuliert. Trifft Licht auf die Mikrorisse 2, wird das Licht gestreut. Die Art und Menge der Streuung ist eine Maß für die Trübung. Somit wird jedem Muster ein bestimmter Trübungswert zugeordnet, wobei die Mikrorissdichte (siehe unten) die Streuung, und damit die Trübung, bestimmt. Der Trübungswert basiert auf einer der Einheiten FAU, FNU, FTU, NTU, EBC, TE/F, ASBC oder TE/F. Es sind Trübungswerte von nahezu 0 FNU (sehr klares Wasser) bis zu mehreren Hundert, insbesondere bis zu mehreren Tausend FNU möglich.
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Dieser Trübungswert wird mit einem Flüssigkeitsstandard, beispielsweise Formazin verglichen, so dass der gelaserte Festkörper als Sekundärstandard dienen kann.
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Werden die Mikrorisse 2 dicht neben einander positioniert, wird eine große Trübung simuliert; es ergibt sich eine hohe Mikrorissdichte. Sind die Mikrorisse 2 weiter weg voneinander positioniert, wird eine kleine Trübung simuliert; es ergibt sich eine kleine Mikrorissdichte.
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Neben dem Abstand der Mikrorisse 2 voneinander haben auch die Form, die Größe und die Anzahl der Mikrorisse 2 einen Einfluss auf die Mikrorissdichte, wobei die Mikrorissdichte wie bereits erwähnt das Maß für die Trübung darstellt, d. h. wird zumindest einer der vier Parameter (Anzahl, Form, Größe, Abstand) verändert, so hat dies Einfluss auf die Mikrorissdichte und somit auf die simulierte Trübung.
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Die Form, die Größe, der Abstand und die Anzahl der Mikrorisse 2 können auch so ausgestaltet sein, dass verschiedenste Medien, Partikel, Schlammarten, Bakterien etc. simuliert werden können.
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Die Figuren 2a–c zeigen die Anwendung des Festkörpers 1. Ein Trübungsmessgerät umfasst zumindest eine Sendeeinheit 8 und eine Empfangseinheit 9. Zur Kalibration des Trübungsmessgeräts sendet die Sendeeinheit 8 Licht, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 860 nm, in einem bestimmten Öffnungswinkel 8.1 auf den Festkörper 1, insbesondere auf den Bereich 5. In einer Variante wird eine Weißlichtquelle verwendet. Im Wesentlichen ist der Festkörper 1 transparent für das eingestrahlte Licht 3, nur im Bereich 5 wird das Licht gestreut und das gestreute Licht 4 gelangt an eine Empfangseinheit 9, die das Licht in einem bestimmten Öffnungswinkel 9.1 empfängt.
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Da dem Festkörper 1 wie oben beschrieben ein bestimmter Trübungswert zugeordnet wurde, kann eine Justierung, Kalibration und/oder Funktionskontrolle des Trübungssensors erfolgen.
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In den Figuren 2a–c sind die verschieden Messmethoden dargestellt.
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2a zeigt die Rückstreulichtmethode, wobei das zurück gestreute Licht gemessen wird. Dabei sind das einstrahlende Licht 3 und das gestreute Licht 4 durch Pfeile symbolisiert. In 2a sind Sendeeinheit 8 und Empfangseinheit 9 als einzige Einheit dargestellt. Selbstredend sind auch getrennte Einheiten denkbar. Die Messung der Rückstreuung kann unter verschiedenen Winkeln erfolgen.
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2b zeigt die 90°-Streulicht-Methode, bei der das gestreute Licht 4 gemessen wird, das 90° zum eingestrahlten Licht 3 gestreut wird.
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2c zeigt die Durchlichtmethode oder die Vorwärtsstreuungsmethode, bei der das Durchlicht oder die Vorwärtsstreuung gemessen wird. Die Messung der Vorwärtsstreuung kann unter verschiedenen Winkeln erfolgen. So muss etwa die Empfangseinheit 9 nicht in der gleichen Ebene wie die Sendeeinheit 8 liegen.
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3 zeigt eine isometrische Ansicht des Festkörpers 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung. Dabei ist zusätzlich zum ersten Bereich 5 ein zweiter Bereich 6 vorgesehen. Im zweiten Bereich 6 ist eine andere Struktur der Mikrorisse 2 vorgesehen. In 3 ist dies mit einer verschieden Anzahl an Mikrorissen 2 dargestellt. Generell können aber auch andere Muster, Größen, Formen etc. im zweiten Bereich 6 verwendet werden. Somit können mit einem Festkörper 1 mehrere verschieden Trübungswerte simuliert werden. Dabei muss lediglich die Position von Festkörper 1 geändert werden. In 3 treffen sich der Bereiche 5 und der Bereich 6 nicht. Dennoch ist es natürlich möglich und für gewisse Anwendungen auch sinnvoll den Bereiche 5 und den Bereich 6 überschneiden zu lassen. Selbstreden sind auch mehr als nur zwei verschiedene Bereiche möglich. So ist es etwas möglich, dass sich mit einem ersten Bereich 5, der einen zweiten Bereich 6 überschneidet, ein dritter Bereich in der Überschneidungszone bildet. Darüber hinaus ist möglich, dass sich ein vierter und fünfter Bereich ergibt, wenn man den Festkörper 1, die Sendeeinheit 8 und/oder die Empfangseinheit 9 dreht oder verschiebt, so dass das einstrahlende Licht 3 die Überschneidungszone von einer anderen Seite trifft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Festkörper
- 2
- Mikroriss
- 3
- Einstrahlendes Licht
- 4
- Gestreutes Licht
- 5
- Erster Bereich
- 6
- Zweiter Bereich
- 7
- Laser
- 8
- Sendeeinheit
- 8.1
- Öffnungswinkel von 8
- 9
- Empfangseinheit
- 9.1
- Öffnungswinkel von 9
