DE102014226827A1

DE102014226827A1 - Verfahren, Vorrichtung und Sensor zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums

Info

Publication number: DE102014226827A1
Application number: DE102014226827.3A
Authority: DE
Inventors: Ingo Ramsteiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN105823732B; US20160178508A1; CN105823732A; US10036702B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums (114). Das Verfahren (200) weist einen Schritt (202) des Ermittelns eines Absorptionskoeffizienten (136) des Mediums (114) unter Verwendung eines ersten Intensitätswerts (110) und zumindest eines zweiten Intensitätswerts (110) sowie eines Längenunterschieds (130) zwischen einer ersten Messdistanz (112) und einer zweiten Messdistanz (112) auf. dabei repräsentiert der erste Intensitätswert (110) eine gemessene erste Lichtintensität nach Durchlaufen einer ersten Messdistanz (112) im Medium (114). Der zweite Intensitätswert (110) repräsentiert eine gemessene zweite Lichtintensität nach Durchlaufen einer zweiten Messdistanz (112) im Medium (114). Der erste Intensitätswert (110) und der zweite Intensitätswert (110) werden unter Verwendung von Licht (108) mit einer gemeinsamen Ausgangsintensität gemessen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf einen Sensor zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
Ein Absorptionsverhalten eines Mediums wird durch einen Absorptionskoeffizienten des Mediums beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums, eine entsprechende Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Sensor zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Berechnungsformel für den Absorptionskoeffizienten eines Mediums kann um einen Längenunterschied zweier Messdistanzen im Medium erweitert werden. Durch Umformungen der Formel können verschiedene Störfaktoren aus der Formel eliminiert werden. Insbesondere fallen die Messdistanzen im Medium weg, solange der Längenunterschied zwischen ihnen bekannt ist. Beim Bestimmen eines Absorptionsverhaltens beziehungsweise des Absorptionskoeffizienten des Mediums kann also das gleiche Medium zweimal mit verschiedenen Messdistanzen durchleuchtet werden. Somit kann also die Absorption des Mediums bei zumindest zwei unterschiedlichen Messdistanzen gemessen werden.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums vorgestellt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
Ermitteln eines Absorptionskoeffizienten des Mediums unter Verwendung eines ersten Intensitätswerts und zumindest eines zweiten Intensitätswerts sowie eines Längenunterschieds zwischen einer ersten Messdistanz und einer zweiten Messdistanz, wobei der erste Intensitätswert eine gemessene erste Lichtintensität nach Durchlaufen einer ersten Messdistanz im Medium repräsentiert und der zweite Intensitätswert eine gemessene zweite Lichtintensität nach Durchlaufen einer zweiten Messdistanz im Medium repräsentiert, wobei der erste Intensitätswert und der zweite Intensitätswert unter Verwendung von Licht mit einer gemeinsamen Ausgangsintensität gemessen werden.
Das Verfahren kann einen ersten Schritt des Messens des ersten Intensitätswerts, einen anschließenden Schritt des Veränderns der Messdistanz um den Längenunterschied und einen nachfolgenden zweiten Schritt des Messens des zweiten Intensitätswerts aufweisen. Durch einen integrierten Messvorgang kann das Medium schnell und direkt analysiert werden.
Die Lichtquelle kann gepulst betrieben werden. Die Messdistanz kann gepulst verändert werden. Durch eine gepulste Lichtquelle kann ein Referenzwert der Intensität gemessen werden. Der Referenzwert kann aus den Intensitätswerten herausgerechnet werden. Durch eine gepulste Messdistanz kann periodisch wechselnd der erste Intensitätswert und dann der zweite Intensitätswert gemessen werden. Dadurch ist eine näherungsweise konstante Messung möglich.
Der erste Intensitätswert und der zweite Intensitätswert können unter Verwendung von Licht in einem gemeinsamen Wellenlängenbereich gemessen werden. Insbesondere können die Intensitätswerte unter Verwendung von Licht der gleichen Lichtquelle gemessen werden. Damit kann sichergestellt werden, dass das Licht die gleiche Ausgangsintensität aufweist.
Weiterhin wird ein Sensor zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums vorgestellt, wobei der Sensor die folgenden Merkmale aufweist:
eine Lichtquelle zum Bereitstellen von Licht;
einen Detektor zum Detektieren einer Lichtintensität von auf den Detektor einfallendem Licht; und
eine Einrichtung zum Verändern einer variablen Messdistanz zwischen der Lichtquelle und dem Detektor, wobei das Medium innerhalb der Messdistanz anordenbar ist.
Die Einrichtung zum Verändern kann dazu ausgebildet sein, die Lichtquelle relativ zu dem Detektor zu bewegen. Die Messdistanz kann als Spalt zwischen der Lichtquelle und dem Detektor ausgebildet sein. Die Einrichtung zum Verändern kann auch eine Spaltbreite und somit die Messdistanz verändern. Ebenso können die Lichtquelle und der Detektor einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Dann kann eine Begrenzung des Spalts bewegt werden, um die Messdistanz im Medium zu variieren. Dadurch kann das Medium im Spalt in Bewegung gehalten werden, um Ablagerungen von Schwebstoffen zu verhindern. Außerdem beschleunigt dies den Austausch des im Spalt befindlichen Volumens. Letzteres ist insbesondere vorteilhaft bei sehr engen Spalten, die den Austausch durch Diffusion oder Anströmung hemmen.
Die Lichtquelle und der Detektor können relativ zueinander unbeweglich angeordnet sein. Die Einrichtung zum Verändern kann dazu ausgebildet sein, einen beweglichen Reflektor zu bewegen, der dazu ausgebildet ist, das Licht von der Lichtquelle zu dem Detektor zu reflektieren. Dadurch kann ein besonders robuster Sensor bereitgestellt werden.
Die Lichtquelle kann eine optische Linse zum Formen des Lichts in Richtung des Detektors aufweisen. Vorteilhaft ist ein kollimierter Strahlengang (parallele Strahlen) des Lichts beim Durchgang durch das Medium, weil dann Intensitätsdichte und Strahlquerschnitt bei Veränderung des Abstands konstant bleiben. Der Detektor kann eine Linse zum Konzentrieren des Lichts von der Lichtquelle auf den Detektor aufweisen. Durch optisch wirksame Elemente im Strahlengang kann die Lichtintensität im Medium an das Medium angepasst werden.
Der Detektor kann zumindest zwei lichtempfindliche Bereiche aufweisen. Die Bereiche können für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts empfindlich sein. Dies ermöglicht die Messung der Lichtabsorption durch das Medium bei unterschiedlichen Wellenlängen, z.B. um verschiedene Absorptionsbanden zu quantifizieren oder Referenzwerte für eine Baseline-Korrektur zu gewinnen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Sensors zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
die 3 bis 5 Betriebsschemata zum Betreiben eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Darstellung eines Sensors zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung eines Sensors zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine Darstellung eines Sensors mit einem beweglichen Reflektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 Transmissionskurven von verschiedenen Medien.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensors 100 zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 weist eine Lichtquelle 102, einen Detektor 104 und eine Einrichtung 106 zum Verändern auf. Die Lichtquelle 102 ist dazu ausgebildet, Licht 108 bereitzustellen. Der Detektor 104 ist dazu ausgebildet, eine Lichtintensität von auf den Detektor 104 einfallendem Licht 108 zu detektieren und in einem Intensitätswert 110 abzubilden. Die Einrichtung 106 zum Verändern ist dazu ausgebildet, eine Messdistanz 112 zwischen der Lichtquelle 102 und dem Detektor 104 zu verändern. Innerhalb der Messdistanz 112 ist ein Medium 114 anordenbar, dessen Absorptionsverhalten bestimmt werden soll.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Messdistanz 112 durch zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Scheiben 116 definiert. Die Scheiben 116 sind transparent für das Licht 108. Mit anderen Worten ist die Lichtquelle 102 hinter einer ersten Scheibe 116 angeordnet, während der Detektor 104 hinter einer zweiten Scheibe 116 angeordnet ist. Zwischen den Scheiben 116 befindet sich ein Spalt 112. Die Einrichtung 106 zum Verändern ist mechanisch mit den Scheiben 116 gekoppelt. Die Einrichtung 106 kann entweder eine der Scheiben 116 oder beide Scheiben 116 so bewegen, dass der Spalt 112 enger oder weiter wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 106 zum Verändern von der Lichtquelle 102 und dem Detektor 104 entkoppelt. Damit bleibt eine Entfernung zwischen der Lichtquelle 102 und dem Detektor 104 auch beim Verändern der Messdistanz 112 gleich.
Wenn ein Medium 114 in dem Spalt 112 angeordnet ist und die Lichtquelle 102 das Licht 108 durch das Medium 114 sendet, absorbiert das Medium 114 zumindest einen Anteil des Lichts 108. Da eine Absorption zwischen der Lichtquelle 102 und der ersten Scheibe 116, innerhalb der Scheiben 116 sowie zwischen der zweiten Scheibe 116 und dem Detektor 104 vernachlässigbar ist, hängt die am Detektor 104 erfassbare Intensität des Lichts 108 lediglich von einer Ausgangsintensität des Lichts 108 an der Lichtquelle 102 und der Absorption im Medium 114 ab. Die Absorption im Medium 114 ist abhängig von dem Abstand 112 zwischen den Oberflächen 118 der Scheiben 116 und einem Absorptionskoeffizienten des Mediums 114.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz geht der absolute Abstand 112 zwischen den Scheiben 116 beziehungsweise die Strecke 112, die das Licht 108 im Medium 114 zurückgelegt, nicht in eine Berechnung des Absorptionskoeffizienten ein. Dazu ist der Sensor 100 mit einer Vorrichtung 120 zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden.
Die Vorrichtung 100 weist eine Abstandssteuereinrichtung 122 für den Abstand 112, eine Lichtsteuereinrichtung 124 für die Lichtquelle 102 sowie eine Einrichtung 126 zum Ermitteln auf. Die Abstandssteuereinrichtung 122 ist über eine Steuerleitung mit der Einrichtung 106 zum Verändern verbunden. Über die Steuerleitung stellt die Abstandssteuereinrichtung 122 ein Abstandssignal 128 für die Einrichtung 106 zum Verändern bereit. Das Abstandssignal 128 repräsentiert eine Änderungsanforderung für den Abstand 112. Ein Wert 130 der die Abstandsänderung beziehungsweise einen Längenunterschied 130 zweier Messdistanzen 112 repräsentiert wird für die Einrichtung 126 zum Ermitteln bereitgestellt. Die Lichtsteuereinrichtung 124 ist über eine Steuerleitung mit der Lichtquelle 102 verbunden. Über die Steuerleitung stellt die Lichtsteuereinrichtung 124 ein Lichtsignal 132 für die Lichtquelle 102 bereit. Das Lichtsignal 132 repräsentiert eine Statusanforderung des Lichts 108. Der angeforderte Status 134 des Lichts 108 wird für die Einrichtung 126 zum Ermitteln bereitgestellt. In der Einrichtung 126 zum Ermitteln wird unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift, dem Längenunterschied 130, dem Status 134 der Lichtquelle 108 und zumindest zwei Intensitätswerten 110, die bei unterschiedlichen Abständen 112 erfasst werden, der Absorptionskoeffizient 136 des Mediums 114 ermittelt.
Mit anderen Worten zeigt 1 einen optischen Mediensensor 100 mit variablem Messspalt 112. Dabei ist schematisch das Prinzip eines Sensors 100, der mittels einer Licht-Transmissionsmessung das optische Absorptionsverhalten eines Mediums 114 bestimmt, dargestellt.
Bei dem Medium 114 handelt es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas, das den Raum 112 zwischen zwei Fenstern 116 ausfüllt, die ihrerseits für das zur Messung verwendete Licht 108 transparent sind. Das Licht 108 wird von einer Lichtquelle 102 erzeugt, tritt durch das Eintrittsfenster 116 in das Medium 114 ein, durchläuft es, tritt durch das Austrittsfenster 116 hindurch und trifft auf ein Detektorelement 104. Die dort nachgewiesene Lichtintensität I 110 erlaubt die Bestimmung des Absorptionskoeffizienten α des Mediums 114 gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz. I = I₀e^–αd
Dabei ist d die Wegstrecke d 112 im Medium 114 und I₀ ist die Lichtintensität, die ohne Absorption im Medium 114 auf den Detektor 104 fallen würde.
Gewöhnlich ist die Absorption α(λ) bei einer bestimmten Wellenlänge λ bzw. einer definierten Anzahl einzelner Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, ... von Interesse. Dabei ist jetzt wie im Folgenden mit "Wellenlänge λ" immer ein Wellenlängenintervall endlicher Breite zentriert um λ gemeint.
In der Praxis sind nicht alle Transmissionsverluste allein dem Absorptionskoeffizienten α des Mediums 114 zuzuschreiben. So können sich im Laufe der Zeit Beläge an den Fensteroberflächen 116 bilden oder die Fenster 116 selbst durch Materialalterung eintrüben. Beides kann zu zusätzlicher Absorption oder Streuung führen. Alle diese Effekte führen zu einem zusätzlichen, von der optischen Weglänge d 112 unabhängigen Extinktionsfaktor A(λ), und das präziser formulierte Lambert-Beer-Gesetz lautet I(λ) = I₀(λ)A(λ)e^–α(λ)d
I₀(λ) und A(λ) werden bei Laborspektrometern durch eine Referenzmessung an einem nicht absorbierenden (Referenz-)Medium bestimmt. Dies ist bei einem Sensor 100 im Feld, der in eine Leitung oder einen Tank eingebaut ist, aber meist nicht möglich. Sind die Größen aber unbekannt, reicht zur Bestimmung von α(λ₂), wie in 9 dargestellt, und damit der Konzentrationsbestimmung des Analyten eine alleinige Messung bei λ₂ nicht aus.
Erst die Quotientenbildung der transmittierten Intensitäten 110 bei den beiden Wellenlängen
erlaubt die Korrektur dieser Effekte unter den Bedingungen, dass das Verhältnis I₀(λ₂)/I₀(λ₁) bekannt und zeitlich stabil ist sowie das Verhältnis A(λ₂)/A(λ₁) bekannt und zeitlich stabil ist.
Das Verhältnis der Intensitäten 110 ist z. B. nicht gegeben, wenn zwei getrennte Leuchtdioden verwendet werden, die unterschiedliches Alterungsverhalten zeigen. Das Verhältnis der Extinktionsfaktoren ist z. B. nicht gegeben, wenn sich auf den Fenstern 116 ein Belag bildet, der bei beiden Wellenlängen unterschiedliches Absorptionsverhalten zeigt.
Sind diese Bedingungen erfüllt und der optische Weg d bekannt, ist somit die Bestimmung (α(λ₂) – α(λ₁)) möglich.
In unserem Beispiel war (α(λ₁) = 0), aber die bisherige Diskussion lässt sich leicht verallgemeinern. In der Praxis gibt es bei allen Wellenlängen eine vom Analyten 114 unabhängige Grundabsorption. Dies ist entweder bekannt oder lässt sich aus der Messung bei weiteren Wellenlängen herleiten. Grundsätzlich gilt, je mehr separate Wellenlängen betrachtet werden, desto mehr Unbekannte lassen sich in Bezug auf Messvorrichtung und Medium eliminieren.
In der Praxis scheitern Sensorkonzepte oft an der Tatsache, dass die genannten Bedingungen eben nicht erfüllt sind. Als Ursachen wurden bereits unterschiedliches Alterungsverhalten der Quellen oder spektral inhomogen absorbierende Fensterbeläge genannt, aber die Liste ließe sich beliebig erweitern, z. B. zeitliche Schwankungen in der Abstrahlcharakteristik einer einzelnen Quelle 102 und damit andere Lichtverteilung auf die Detektorelemente 104. Wellenlängenabhängige Streueffekte durch Materialalterung oder Partikelablagerungen am Fenster 116.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden durch Variation des optischen Lichtwegs d 112 alle von d 112 unabhängigen Einflüsse auf die gemessene Intensität 110 eliminiert. Dabei können Alterungs- und Verschmutzungseffekte der Hardware, eine Reduzierung der zu messenden Wellenlängen und/oder eine Verbesserung der Zuverlässigkeit durch Überbestimmung der Messgröße sowie ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen und/oder eine Reduzierung des Kalibrieraufwandes erreicht werden.
Insbesondere werden Sensoren vorgestellt, bei denen die Lichtwege d 112 wegen stark absorbierender Medien 114 sehr klein sind, sodass die Variationen des Lichtwegs d 112 durch Piezoelemente 106 bewerkstelligt werden können. Konkrete Anwendung sind infrarot-optische Messungen an Flüssigkeiten 114, ganz speziell die Bestimmung des Anteils von Ethanol in Otto- oder Fettsäure-Methylestern (FAME) in Diesel-Kraftstoffen.
Allgemein weist ein Sensor 100 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung 106 auf, die erlaubt, den Lichtweg d 112 im Medium 114, also die Distanz 112 zwischen den medienseitigen Fensteroberflächen 118, um eine Differenz δ zu variieren.
Werden für die gleiche Wellenlänge λ zwei Messungen über d und (d + δ) durchgeführt, so erhält man durch Quotientenbildung.
Den Verstellweg δ als bekannt vorausgesetzt, ist der Absorptionskoeffizient α die einzige Unbekannte in dieser Gleichung. Selbst der absolute Weg d ist nicht mehr enthalten, sodass beispielsweise Fertigungstoleranzen nicht mehr durch Kalibrierung ausgeglichen werden müssen. Im Idealfall kann so α(λ) durch Messung bei einer einzigen Wellenlänge bestimmt werden.
Das beschriebene Prinzip lässt sich grundsätzlich überall anwenden, wo der Absorptions- oder Extinktionskoeffizient eines gasförmigen oder flüssigen Mediums 114 bestimmt werden soll.
Insbesondere wird die nichtdispersive Infrarotspektroskopie (NDIR) von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen beschrieben.
Hier sind die Absorptionslängen 112 außerordentlich kurz (< 1mm). Der erforderliche Verstellweg δ im 10 µm-Bereich lässt sich also präzise, langfristig reproduzierbar und verschleißfrei durch Piezoaktoren 106 realisieren.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz geht eine mögliche Belagbildung auf den Fenstern 116 nicht in die Berechnung des Absorptionskoeffizienten ein. Durch die Unabhängigkeit der Berechnung von der absoluten Messdistanz 112 kann der Sensor 100 unkalibriert betrieben werden.
Ebenfalls kann durch den hier vorgestellten Ansatz die Zahl der Wellenlängen-Kanäle reduziert werden. Da bei preisgünstigen Ausführungsformen eines Sensors 100 mit einer thermischen Strahlungsquelle 102 und einem Detektor 104 pro Wellenlänge die Bandpassfilter einen wesentlichen Teil der Kosten ausmachen, skaliert der Sensorpreis direkt mit der Zahl der zu erfassenden Wellenlängen.
In einem Ausführungsbeispiel ist in 1 eine Variante eines Sensors 100 zur Bestimmung des Gehalts von Fettsäuremethylestern (FAME) in Biodiesel-Blends beschrieben.
Der Sensor 100 weist eine thermische Strahlungsquelle 102, die als Glühdraht 102 oder Micro-Hotplate 102 ausgeführt ist, auf. Weiterhin weist der Sensor einen Detektor 104, der als Mikrobolometer 104, Thermosäule 104 oder pyroelektrisch ausgeführt ist, auf. Der Detektor 104 ist inklusive eines Bandpassfilters für eine Wellenlänge λ = 5,7 µm, FWHM 100 bis 500 nm, insbesondere 200 nm ausgeführt.
Optional weist der Sensor 100 einen zweiten Detektor mit Bandpassfilter für eine Wellenlänge λ = 4 µm, 4,5 µm oder 5,3 µm und FWHM wie oben auf.
Der Absorptionsweg d 112 beträgt zehn Mikrometer bis 100 µm, insbesondere 30 µm. Durch einen Piezoaktor 106 ist ein Verstellweg δ von einem Mikrometer bis 20 µm, insbesondere fünf Mikrometer einstellbar.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Sensor 100 einen zweiten Detektor 104 mit einem Bandpassfilter für eine Wellenlänge λ von vier Mikrometer, 4,5 µm oder 5,3 µm auf.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Sensor 100 eine Quelle 102 und einen Detektor 104 wie zuvor beschrieben auf. Dabei ist der Bandpassfilter jedoch für eine Wellenlänge λ von 4,9 µm, FWHM 100 bis 300 nm, insbesondere 200 nm ausgeführt. Die Messdistanz d 112 liegt zwischen 100 bis 1000 µm, insbesondere bei 200 µm. Die Abstandsdifferenz δ liegt zwischen einem Mikrometer und 50 µm, insbesondere 20 µm.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Sensor 100 einen zweiten Detektor 104 mit einem Bandpassfilter für eine Wellenlänge λ von vier Mikrometern oder 4,5 µm auf.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann unter Verwendung eines Sensors, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist, sowie einer Vorrichtung, wie Sie beispielsweise in 1 dargestellt ist ausgeführt werden. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Ermittelns auf. Im Schritt 202 des Ermittelns wird ein Absorptionskoeffizient des Mediums unter Verwendung eines ersten Intensitätswerts und zumindest eines zweiten Intensitätswerts sowie eines Längenunterschieds ermittelt. Der erste Intensitätswert repräsentiert eine gemessene erste Lichtintensität nach Durchlaufen einer ersten Messdistanz im Medium. Der zweite Intensitätswert repräsentiert eine gemessene zweite Lichtintensität nach Durchlaufen einer zweiten Messdistanz im Medium. Die erste Messdistanz ist um den Längenunterschied verschieden von der zweiten Messdistanz. Der erste Intensitätswert und der zweite Intensitätswert werden unter Verwendung von Licht mit einer gemeinsamen Ausgangsintensität gemessen.
Das Verfahren 200 kann einen ersten Schritt 204 des Messens des ersten Intensitätswerts, einen anschließenden Schritt 206 des Veränderns der Messdistanz um den Längenunterschied und einen nachfolgenden zweiten Schritt 208 des Messens des zweiten Intensitätswerts aufweisen. Die Schritte 204, 206, 208 werden vor dem Schritt 202 des Ermittelns ausgeführt.
Die 3 bis 5 zeigen Betriebsschemata 300, 302, 304 zum Betreiben eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Sensor, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist, kann entsprechend den hier dargestellten Betriebsschemata 300, 302, 304 von einer Vorrichtung, wie Sie beispielsweise in 1 dargestellt ist, angesteuert werden. Es sind drei voneinander unabhängige Betriebsschemata 300, 302, 304 dargestellt. Pro Betriebsschema 300, 302, 304 ist jeweils eine Lichtintensität I über eine Zeit t sowie ein Lichtsignal 306 beziehungsweise das Steuersignal 306 für die Lichtquelle 102 über die Zeit t und ein Abstandssignal 308 beziehungsweise das Steuersignal 308 für die Einrichtung 106 zum Verändern über die Zeit t dargestellt. In allen Betriebsschemata 300, 302, 304 wird die Lichtquelle 102 sowie die Einrichtung 106 zum Verändern gepulst betrieben. Dadurch kann die Lichtintensität I drei verschiedene Werte 310, 312, 314 aufweisen. Eine erste Lichtintensität 310 stellt sich ein, wenn die Lichtquelle 102 außer Betrieb ist. Die erste Lichtintensität 310 repräsentiert beispielsweise Streulicht, dass durch das Medium in den Sensor eingekoppelt wird. Ebenso repräsentiert die erste Lichtintensität 310 ein Dunkelrauschen des Detektors. Eine zweite Lichtintensität 312 und eine dritte Lichtintensität 314 stellen sich ein, wenn die Lichtquelle 102 in Betrieb ist. Dabei unterscheiden sich die beiden Lichtintensitäten 312, 314 in ihrem Wert. Der Wert ist abhängig von der Strecke, die das Licht im Medium zurücklegt. Somit ist die Lichtintensität I, wenn die Lichtquelle 102 in Betrieb ist, abhängig von der durch die Einrichtung 106 zum Verändern eingestellten Messdistanz im Medium. Ein Verhältnis zwischen der zweiten Lichtintensität 312 und der dritten Lichtintensität 314 ist dabei jedoch abhängig von dem Längenunterschied zwischen den durchleuchteten Strecken. Dieser Längenunterschied ist bekannt.
Im ersten Betriebsschema 300 wird die Lichtquelle 102 mit einer niedrigen Frequenz gepulst betrieben. Die Einrichtung 106 zum Verändern wird mit einer hohen Frequenz gepulst betrieben. Dabei ist die Frequenz des Abstandssignals 308 hier dreimal so hoch, wie die Frequenz des Lichtsignals 306. Dadurch verändert sich die Lichtintensität I sechs Mal, während die Lichtquelle 102 eingeschaltet ist. Mit anderen Worten werden innerhalb eines Lichtpulses dreimal der zweite Intensitätswert 312 und dreimal der dritte Intensitätswert 314 erfasst. Während die Lichtquelle 102 dunkel ist, wird nur der erste Intensitätswert 310 erfasst.
Im zweiten Betriebsschema 302 wird die Lichtquelle 102 mit der hohen Frequenz gepulst betrieben. Die Einrichtung 106 zum Verändern wird mit der niedrigen Frequenz gepulst betrieben. Die Frequenz des Lichtsignals 306 ist hier dreimal so hoch, wie die Frequenz des Abstandssignals 308. Damit wird die Lichtquelle 102 jeweils dreimal aktiviert, während die Messdistanz vergrößert beziehungsweise verkleinert ist. Während die Messdistanz vergrößert ist, schwankt die erfasste Lichtintensität I damit zwischen dem ersten Intensitätswert 310 und dem zweiten Intensitätswert 312. Während die Messdistanz verkleinert ist, schwankt die erfasste Lichtintensität I zwischen dem ersten Intensitätswert 310 und dem dritten Intensitätswert 314.
Im dritten Betriebsschema 304 werden die Lichtquelle 102 und die Einrichtung 106 zum Verändern mit der gleichen mittleren Frequenz betrieben. Dabei sind die Lichtpulse um eine viertel Periode zu den Bewegungsimpulsen versetzt. Damit verändert sich die Messdistanz jeweils in der Mitte eines Lichtpulses. Daraus resultiert ein treppenförmiger Anstieg der Lichtintensität I von dem ersten Intensitätswert 310, wenn die Lichtquelle 102 aus ist, über den zweiten Intensitätswert 312, wenn die Lichtquelle 102 an ist und die Messdistanz vergrößert ist, zu dem dritten Intensitätswert 314, wenn die Messdistanz verkleinert wird. Dann fällt die Lichtintensität I wieder auf den ersten Intensitätswert, wenn die Lichtquelle 102 ausgeschaltet wird.
Bei allen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, die Lichtquelle gepulst zu betreiben, wie es in der optischen Sensorik üblich ist. Messungen mit ausgeschalteter Quelle empfehlen sich ohnehin, um Dunkelströme der Detektoren und eventuelle Streulichteinflüsse durch fremde Quellen in der Umgebung zu korrigieren. Ein gepulster Betrieb erlaubt aber darüber hinaus, durch eine Korrelation der gemessenen Intensität mit dem Ansteuersignal der Quelle das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern beziehungsweise eine Lock-in-Verstärkung.
Da auch die Absorptionsstrecke d variiert wird, treten mindestens drei verschiedene Intensitäten I an einem Detektorelement auf. Dabei repräsentieren die drei Intensitäten Licht aus, Licht an und Abstand d, Licht an und Abstand d + δ. Drei beispielhafte Betriebsschemata 300, 302, 304 sind in den 3 bis 5 illustriert.
Im ersten Betriebsschema 300 ist die Periode der mechanischen Abstandsänderung kürzer als die der Strahlungspulse. Dieser Betrieb ist vorteilhaft, wenn die Quelle eine langsame Dynamik aufweist, was besonders bei thermischen Quellen der Fall ist.
Im zweiten Betriebsschema 302 haben die Strahlungspulse eine höhere Frequenz, als die der Abstandsänderung. Vorteilhaft ist hier je nach Konstruktion eine geringere Materialermüdung, weil über die Lebensdauer des Sensors weniger mechanische Zyklen erfolgen.
Im dritten Betriebsschema weisen die mechanische und optische Ansteuerung die gleiche Frequenz auf, sind aber phasenverschoben. Die Samplingrate aller drei Intensitäten ist hier relativ hoch, was gut für schnell veränderliche Messungen ist, aber die Auswertung ist komplexer.
Bei der Wahl der mechanischen Frequenz ist außerdem Gas- oder Hydrodynamik des Mediums zu berücksichtigen, da die mechanischen Längenänderungen insbesondere in engen Messspalten gleichzeitig eine Rolle für den Austausch des Probenvolumens spielen und sich auf die Dynamik des Sensors auswirken.
6 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums 114 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensor in 1. Im Gegensatz dazu sind die Lichtquelle 102 und der Detektor 104 jeweils in separaten Gehäuseteilen 600, 602 angeordnet. Die Gehäuseteile 600, 602 sind als Ganzes relativ zueinander beweglich, um die Messdistanz 112 zu verändern. Die Einrichtung 106 zum Verändern ist hier ein Piezoaktor 106. Der Piezoaktor 106 verbindet die Gehäuseteile 600, 602 miteinander. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktor 106 verändert sich eine Länge des Piezoaktors 106 proportional zu einem Wert der angelegten Spannung.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Gehäuseteil 600 beweglich ausgeführt. Der zweite Gehäuseteil 602 ist feststehend ausgeführt.
Die Gehäuseteile 600, 602 sind mediendicht beziehungsweise fluiddicht. Die dem Spalt 112 beziehungsweise der Messdistanz 112 zugewandten Seitenflächen der Gehäuseteile 600, 602 sind durch die Scheiben 116 verschlossen.
Die Lichtquelle 102 ist hier eine Glühlichtquelle 102 und stellt Licht 108 mit einem breiten Frequenzspektrum bereit. Der Detektor 104 ist dazu ausgebildet, Licht 108 in einem ersten Spektralbereich und in einem zweiten Spektralbereich zu detektieren. Die Spektralbereiche sind voneinander verschieden. Dazu weist der Detektor 104 einen ersten Teilbereich 604 und zumindest einen zweiten Teilbereich 606 auf. Die Teilbereiche 604, 606 sind nebeneinander hinter der zweiten Scheibe 116 angeordnet. Zwischen der zweiten Scheibe 116 und dem ersten Teilbereich 604 ist ein erster Filter 608 angeordnet, der Wellenlängen beziehungsweise Frequenzen des Lichts 108 außerhalb des ersten Spektralbereichs ausfiltert oder zumindest wesentlich abschwächt. Zwischen der zweiten Scheibe 116 und dem zweiten Teilbereich 604 ist ein zweiter Filter 608 angeordnet, der Wellenlängen beziehungsweise Frequenzen des Lichts 108 außerhalb des zweiten Spektralbereichs ausfiltert oder zumindest wesentlich abschwächt. Der erste Teilbereich 604 ist mit dem ersten Filter 608 also dazu ausgebildet, Licht 108 in dem ersten Spektralbereich zu detektieren. Der zweite Teilbereich 606 ist mit dem zweiten Filter 608 dazu ausgebildet, Licht 108 in dem zweiten Spektralbereich zu detektieren.
Die Lichtquelle 102 ist über ein flexibles Kabel 610 angeschlossen. Das Kabel überbrückt den Spalt 112 frei in dem Medium 114 und ist über eine mediendichte Durchführung in das Gehäuse 600 geführt.
Eine Wellenlängenselektivität kann auch hergestellt werden, indem eine oder mehrere inhärent schmalbandige Lichtquellen, also beispielsweise Leuchtoden oder Laserdioden verwendet werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden Bandpassfilter 608 verwendet, wie sie beispielsweise durch dielektrische Schichtsysteme auf Basis von Interferenzeffekten realisiert werden können. Diese Filter 608 können entweder auf Seite der Lichtquelle(n) 102 oder auf Seite des Detektors 104 oder eines Detektor-Arrays 104 in den Strahlengang 108 gesetzt werden.
Als eine breitbandige Lichtquelle 102 kann ein thermischer Strahler beispielsweise mit einer Glühwendel 102 verwendet werden. Dann können beispielsweise zwei Detektoren 104, die mit unterschiedlichen Bandpassfiltern 608 abgedeckt sind, verwendet werden, sodass einer von ihnen sensitiv für Licht der Wellenlänge λ₁, der andere für λ₂ empfindlich ist, und somit zwei Transmissionsmessungen durchgeführt werden.
Ein nicht dispersiver Infrarot (NDIR)-Sensor 100 misst die optische Transmittivität eines flüssigen oder gasförmigen Mediums 114. "Nicht-dispersiv" bedeutet, dass im Hinblick auf eine möglichst einfache, kostengünstige Realisierung keine kontinuierlichen Spektren mit hoher Auflösung vermessen werden, sondern eben nur ausgesuchte Wellenlängen λ im nahen (λ = 600 – 2.500nm) oder mittleren (λ = 2.500 – 20.000nm) Infrarotbereich (NIR und MIR).
Technisch besteht ein NDIR-Sensor 100 aus einer oder mehreren Strahlungsquellen 102, wie beispielsweise einem thermischen Strahler, Leuchtdioden oder Laserdioden, einem oder mehreren für die betreffende Strahlung 108 empfindlichen Detektoren 104, wie beispielsweise Thermosäulen, pyroelektrische Elemente oder Bolometer, im NDIR-Bereich auch Fotodioden und einer zwischen Quelle 102 und Detektor 104 liegenden, zumindest teilweise von dem Medium 114 erfüllten Absorptionsstrecke 112.
Mit wenigen Ausnahmen, wie LEDs oder Laserdioden sind weder Quelle 102, noch Detektor 104 spektral selektiv. Zur Einschränkung des Spektralbereichs werden dann meist auf der Detektorseite interferometrische Bandpass-Filter 608 eingesetzt.
Der hier beschriebene Ansatz erweitert das beschriebene Prinzip um eine variable Absorptionsstrecke 112. Konkret werden hier Ausführungsformen mit einem thermischen Strahlungsemitter 102 als Quelle 102 und zwei nicht näher spezifizierten Detektorelementen 104 beschrieben, die mit zwei unterschiedlichen Bandpassfiltern 608 versehen sind. Es handelt sich um einen Flüssigkeitssensor 100. Die Absorption des Mediums 114 ist bei mindestens einer der betreffenden Wellenlängen ist so hoch, dass die Absorptionsstrecke d 112, also die Breite des mit dem Medium 114 gefüllten Spaltes 112 deutlich kürzer als ein Millimeter sein kann. Die Variation δ liegt im 10µm-Bereich und wird technisch durch ein Piezoelement 106 realisiert.
Diese spezielle Ausführungsform ist jedoch nur ein besonders anwendungsrelevantes Beispiel. Der hier vorgestellte Ansatz ist anwendbar auf jede andere Kombination aus beliebig vielen Quellen 102 und Detektorelementen 104, egal, auf welcher konkreten Technologie diese Komponenten beruhen und ob sie mit Bandpassfiltern 608 versehen sind.
In 6 ist schematisch eine Ausführungsform eines Sensors 100 mit zwei Detektoreinheiten 604, 606, jeweils abgedeckt durch zwei verschiedene Bandpassfilter 608. Diese Bauteile sind in einem Gehäuseteil 602 untergebracht, der starr und unbeweglich mit der Innenwand 612 eines Tanks oder einer Leitung verbunden ist. Die Strahlungsquelle 102 befindet sich in einem separaten Gehäuseteil 600, der gegenüber dem Ersten 602 beweglich beabstandet ist. Beide Gehäuseteile 600, 602 verfügen über strahlungsdurchlässige Fenster 116, die zueinander parallel im Abstand d 112 stehen und deren Zwischenraum 112 durch das den Sensor 100 umgebende, zu charakterisierende Medium 114 erfüllt ist. Die mechanische Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen 600, 602 ist so ausgestaltet, dass der Abstand d 112 zwischen den Fenstern 116 unter Beibehaltung ihrer Parallelität um einen Betrag δ variiert werden kann, was in dem konkreten Beispiel durch Längenänderung eines Piezoaktor 106 erfolgen kann, der die Gehäuseteile 600, 602 verbindet. Zusätzliche Mittel wie Führungsschienen, Klammern, Bälge, Federn oder andere flexible Verbindungen sind hier nicht dargestellt, können jedoch eingesetzt werden, um die Parallelität der Fenster 116 zu stabilisieren und den Piezoaktor 106 zu von Scher-, Biege- und Torsionskräften zu entlasten. Die Stromversorgung der Quelle 102 ist über eine flexible Leitung 610 realisierbar, die optional zusätzlich eine mechanische Stabilisierungsfunktion erfüllen kann.
7 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums 114 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensor in 6. Zusätzlich ist die erste Scheibe 116 zwischen der Lichtquelle 102 und dem Spalt 112 als optisches Element 700 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Scheibe im Bereich der Lichtquelle 102 eine Verdickung auf, die als Sammellinse 700 wirkt. Durch die optische Linse 700 wird das von der Lichtquelle 102 bereitgestellte divergente Licht 108 im Bereich des Spalts 112 näherungsweise parallel ausgerichtet beziehungsweise kollimiert. Dadurch ist die Messdistanz 112 im Spalt 112 für alle Lichtstrahlen 108 näherungsweise gleich.
In der Herleitung der hier dargestellten Formeln wurde vernachlässigt, dass sich bei der hier wesentlichen Änderung des Abstandes zwischen Quelle 102 und Detektor 104 bereits aus strahlenoptischen Gründen die nachgewiesene Intensität ändern kann, denn schließlich ändert sich aus Sicht der Quelle 102 der durch den Detektor 104 abgedeckte Raumwinkel. Ob dieser Effekt auftritt und wie stark er ist, hängt von der konkreten Ausführungsform ab. Besonders stark wäre er bei einer punktförmigen, isotrop strahlenden Quelle 102, die zu einer quadratischen Intensitätsabhängigkeit führen würde. Bei kleinen Abstandsvariationen δ ist der Effekt jedoch gut berechenbar und kann in der Datenauswertung kompensiert werden. Ist die Quelle 102 groß gegen den Gesamtabstand, kann man ihn für kleine δ möglicherweise auch ganz vernachlässigen.
Durch Integration einer Linse 700 als zusätzliches Element zwischen Quelle 102 und Fenster 116 kann die auf die Detektoren 104 gerichtete Strahlung 108 kollimiert werden beziehungsweise zu parallelen Strahlenbündeln geformt werden, sodass kleine Abstandvariationen δ keine Rolle spielen. In 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Fenster 116 selbst als Linse 700 ausgeführt ist. Es ist nicht unbedingt erforderlich, aber vorteilhaft, in diesem Fall die Wölbung auf der Innenseite des Bauteils 600 vorzusehen, während die dem Medium 114 zugewandte Seite des Linsenfensters 116 eben ist. Auf diese Weise bleibt der Strahlengang 108 unabhängig von der möglicherweise variablen Brechzahl des Mediums 114.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind auch detektorseitig Linsenelemente integriert, um Strahlung 108 auf die Detektorfläche zu konzentrieren.
8 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 mit einem beweglichen Reflektor 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht im Wesentlichen dem Sensor in 1. Im Gegensatz dazu sind die Lichtquelle 102 und der Detektor 104 hier auf der gleichen Seite des Spalts 112 in einem gemeinsamen Gehäuse 802 angeordnet. Auf der anderen Seite des Spalts 112 ist der Reflektor 800 angeordnet. Die Einrichtung 106 zum Verändern ist mit dem Reflektor 800 und dem Gehäuse 802 gekoppelt und dazu ausgebildet, den Reflektor 800 relativ zum Gehäuse 802 zu bewegen. Das Licht 108 wird also von der Lichtquelle 102 durch das Medium 114 auf den Reflektor 800 geworfen. Dort wird das Licht 108 reflektiert und auf den Detektor 104 geworfen. Dabei durchläuft das Licht 108 erneut das Medium 114. Eine Bewegung des Reflektors 800 wirkt sich damit doppelt auf die vom Licht 108 durchlaufene Strecke 112 im Medium 114 aus.
Alternativ zu den bisher gezeigten Ausführungsformen ist es auch wie in 8 gezeigt möglich, die Quelle 102 und Detektor(en) 104 in einem gemeinsamen Gehäuseteil 802 unterzubringen. Die Strahlung 108 der Quelle 102 wird dann über einen Spiegel 800, der vorzugsweise als Hohlspiegel 800 ausgeführt ist, auf den oder die Detektor(en) 104 gelenkt. Der Raum zwischen Spiegel 800 und dem Gehäuseteil 802 ist durch das zu charakterisierende Medium 114 erfüllt. Der Spiegel 800 ist hier beweglich angeordnet, beispielsweise durch eine elastische Feder 804 und kann durch einen mechanischen Aktor 106, beispielsweise einen Piezoaktor 106 ausgelenkt werden, wodurch sich der Weg 112 der Strahlung 108 durch das Medium 114 um eine kleine Differenz δ ändert.
Kritisch ist hierbei der gegenüber den anderen Ausführungen komplexere Strahlengang, der die Gefahr birgt, dass sich die auf den Detektor 104 fallende Lichtmenge schon aus Gründen der geometrischen Optik ändert, also unabhängig von der Absorption im Medium 114. Dem kann entgegengewirkt werden, indem der Lichtkegel 108 mit einer Blende 806 so weit einschränkt wird, dass alle ausgesendeten Lichtstrahlen 108 auf den Spiegel 800 fallen, unabhängig von dessen Position. Mit anderen Worten wird der Querschnitt des Strahlenbündels 108 komplett von der Spiegelfläche 800 abgedeckt. Weiterhin ist die Krümmung des Spiegels 800 so ausgelegt, dass er in allen vorgesehenen Positionen des Spiegels 800 die Strahlung 108 vollständig auf den Detektor 104 lenkt.
9 zeigt Transmissionskurven 900, 902 von verschiedenen Medien. Die Transmissionskurven 900, 902 sind in einem Diagramm aufgetragen, das auf der Abszisse ein Wellenlängenspektrum aufgetragen hat. Auf der Ordinate ist eine Transmission T in Prozent angetragen. Die zwei Transmissionskurven 900, 902 repräsentieren eine Lichtdurchlässigkeit von zwei verschiedenen Medien über das Wellenlängenspektrum. Im Diagramm sind zwei Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ eingezeichnet. Die Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ sind beabstandet voneinander eingetragen.
Das erste Medium weist in über das ganze Wellenlängenspektrum keine wesentliche Absorption auf, deswegen ist die erste Transmissionskurve 900 des ersten Mediums im Wesentlichen konstant bei 90 Prozent.
Das zweite Medium weist im Bereich des zweiten Wellenlängenbereichs λ₂ eine wesentliche Absorption auf. Die zweite Transmissionskurve 902 entspricht daher im Wesentlichen der ersten Transmissionskurve 900. Im Gegensatz dazu weist die zweite Transmissionskurve 902 ein Minimum im zweiten Wellenlängenbereich λ₂. Die zweite Transmissionskurve 902 sinkt hier bis auf etwa 40 Prozent.
Durch eine Betrachtung beider Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ können die zwei Transmissionskurven 900, 902 und damit die unterschiedlichen Medien in einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterschieden werden.
Bei dem in 9 illustrierten Beispiel sei 900 die Transmissionskurve T = Iλ/I₀(λ) eines Mediums, das im gesamten Messbereich keine Absorption (α(λ) = 0) aufweist. 902 sei die Kurve desselben Mediums, jetzt aber mit Zusatz eines Stoffes (dem "Analyt"), der bei λ₂, nicht aber bei λ₁ Licht absorbiert.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (200) zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums (114), wobei das Verfahren (200) den folgenden Schritt aufweist: Ermitteln (202) eines Absorptionskoeffizienten (136) des Mediums (114) unter Verwendung eines ersten Intensitätswerts (110) und zumindest eines zweiten Intensitätswerts (110) sowie eines Längenunterschieds (130) zwischen einer ersten Messdistanz (112) und einer zweiten Messdistanz (112), wobei der erste Intensitätswert (110) eine gemessene erste Lichtintensität nach Durchlaufen einer ersten Messdistanz (112) im Medium (114) repräsentiert und der zweite Intensitätswert (110) eine gemessene zweite Lichtintensität nach Durchlaufen einer zweiten Messdistanz (112) im Medium (114) repräsentiert, wobei der erste Intensitätswert (110) und der zweite Intensitätswert (110) unter Verwendung von Licht (108) mit einer gemeinsamen Ausgangsintensität gemessen werden.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, mit einem ersten Schritt (204) des Messens des ersten Intensitätswerts (110), einem anschließenden Schritt (206) des Veränderns der Messdistanz (112) um den Längenunterschied (130) und einem nachfolgenden zweiten Schritt (208) des Messens des zweiten Intensitätswerts (110).
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem in den Schritten (204, 208) des Messens die Lichtquelle (102) gepulst betrieben wird, und/oder im Schritt (206) des Veränderns die Messdistanz (112) gepulst verändert wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem in den Schritten (204, 208) des Messens der erste Intensitätswert (110) und der zweite Intensitätswert (110) unter Verwendung von Licht (108) in einem gemeinsamen Wellenlängenbereich gemessen werden.
Sensor (100) zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums (114), wobei der Sensor (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (102) zum Bereitstellen von Licht (108); einen Detektor (104) zum Detektieren einer Lichtintensität (110) von auf den Detektor (104) einfallendem Licht (108); und eine Einrichtung (106) zum Verändern einer variablen Messdistanz (112) zwischen der Lichtquelle (102) und dem Detektor (104), wobei das Medium (114) innerhalb der Messdistanz (112) anordenbar ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 5, bei dem die Einrichtung (106) zum Verändern dazu ausgebildet ist, die Lichtquelle (102) relativ zu dem Detektor (104) zu bewegen und die Messdistanz (112) als Spalt (112) zwischen der Lichtquelle (102) und dem Detektor (104) ausgebildet ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 5, bei dem die Lichtquelle (102) und der Detektor (104) relativ zueinander unbeweglich angeordnet sind und/oder die Einrichtung (106) zum Verändern dazu ausgebildet ist, einen beweglichen Reflektor (800) zu bewegen, wobei der Reflektor (800) dazu ausgebildet ist, das Licht (108) von der Lichtquelle (102) zu dem Detektor (104) zu reflektieren.
Sensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtquelle (102) eine optische Linse (700) zum Formen des Lichts (108) in Richtung des Detektors (104) aufweist und/oder der Detektor (104) eine Linse (700) zum Konzentrieren des Lichts (108) von der Lichtquelle (102) auf den Detektor (104) aufweist.
Sensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (104) zumindest zwei lichtempfindliche Bereiche (604, 606) aufweist, wobei die Bereiche (604, 606) für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts (108) empfindlich sind.
Vorrichtung (120) zum Bestimmen eines Absorptionsverhaltens eines Mediums (114), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.