DE102017115660A1 - Optisches System - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (10) zur Messung von Absorption von Licht in einem Medium (5), umfassend: zumindest eine Lichtquelle (1) zum Senden von Licht (13), zumindest einen optischen Detektor (3), der das Licht empfängt und in ein elektrisches Signal wandelt. Das System (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) zumindest einen Lichtleiter (8) umfasst, wobei im Bereich der Lichtquelle (1) Licht als Referenzlicht in den Lichtleiter (8) eingekoppelt wird, wobei der Lichtleiter (8) zumindest abschnittsweise am Medium (5) vorbei geführt wird, und wobei der Lichtleiter (8) das Referenzlicht auf den Detektor (3) führt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Messung von Absorption von Licht in einem Medium.
  • Absorption bezeichnet allgemein das Aufnehmen einer Welle (elektromagnetische Wellen, Schallwellen; auch Licht), in einen absorbierenden Stoff. Bei Absorption wird die Transmission durch den Stoff abgeschwächt. Absorptionsmessung in der Prozessautomatisierung wird beispielsweise bei der Bestimmung von Nitrat oder zur SAK-Messung angewandt (spektraler Absorptionskoeffizient), zum Beispiel für die Bestimmung der organischen Last/Fracht in Kläranlagen oder bei Trinkwasser.
  • 1 zeigt das grundlegende Messprinzip nach dem Stand der Technik. Das Licht einer Lichtquelle 1, z.B. einer gepulsten Blitzlampe, durchstrahlt die Messstrecke 5. Im Spalt 6 befindet sich Medium 5, wobei das darin eingestrahlte Messlicht durch die bestimmende Prozessgröße absorbiert wird. Die Messstrecke umfasst optische Fenster 2, die gegebenenfalls auch Linsen umfassen. Ein Strahlteiler 7 führt das Licht letztlich auf die beiden Detektoren 3 für Messlicht bzw. 3.ref für Referenzlicht. Vor den beiden Detektoren 3, 3.ref ist gegebenenfalls jeweils ein Filter 4 angebracht, das beim Detektor 3, 3.ref nur Licht der Messwellenlänge bzw. nur Licht der Referenzwellenlänge durchlässt. Der Strahlteiler 7 kann ebenso nach dem Spalt 6 angeordnet sein.
  • Nachfolgend soll das oben genannte exemplarisch anhand einer Nitratmessung erläutert werden. Nitrationen absorbieren UV-Licht im Bereich von ca. 190 nm bis 230 nm. Im gleichen Bereich haben Nitritionen eine ähnliche Absorption. Im Spalt 6 absorbieren die Nitrat- und Nitritionen das UV-Licht im Bereich der Messwellenlänge 214 nm proportional zu ihrer Konzentration.
  • Sollen Alterungserscheinungen oder Temperatureinflüsse einer Lichtquelle keinen Einfluss auf den Messwert einer optischen Sonde haben, muss die Lichtquelle überwacht werden. In vielen Anwendungsfällen wird dies durch ein zweites Detektorsystem (Photodiode bzw. Spektrometer) direkt bei der Lichtquelle gelöst, siehe 1. Gegebenenfalls vorhandene Mess-und Referenzfilter sind dabei gleich ausgelegt (gleiche Wellenlänge). Kann diese Methode jedoch nicht angewandt werden, entweder weil in der Sonde kein Platz für ein zweites Detektorsystem vorhanden ist oder weil ein zweites Detektorsystem zu teuer ist, und kann auch keine regelmäßige Justierung in einer Nulllösung durchgeführt werden, muss das Licht der Lichtquelle um die Messküvette auf den Messdetektor bzw. das Messspektrometer geführt werden.
  • Für Prozesssensoren, die über einen langen Zeitraum und damit auch während der notwendigen Referenzmessungen der Lichtquelle im Prozess verbleiben sollen, muss daher das Licht der Lichtquelle über einen von dem Messstrahlengang unterschiedlichen optischen Weg innerhalb des Sensors an der Messstrecke vorbei auf das Detektorsystem geführt werden. Da dieser Referenzstrahl nicht auf der gleichen optischen Achse des Messstrahls liegen kann, werden verschiedene optische Freistrahlkomponenten benötigt um den Referenzstrahl an der Messstrecke vorbeizuführen und auf der Empfangsseite wieder auf das Detektorsystem zu führen. Diese optischen Freistrahlkomponenten können zum Beispiel Linsen, Strahlteiler und Spiegel beinhalten, siehe z.B. die DE 100 84 057 B4 . Um ein stabiles Referenzsignal zu generieren ist es weiterhin notwendig diese Komponenten korrekt und robust zueinander auszurichten.
  • Die notwendigen optischen Freistrahlkomponenten nehmen viel Platz ein, was in immer kleiner werdenden Prozesssensoren ein Hindernis darstellen kann. Sowohl die optischen Freistrahlkomponenten als auch die Produktionskosten für die Ausrichtung dieser sind kostspielig. Zudem können optische Freistrahlkomponenten verschmutzen, etwa durch Feuchte oder durch Ablagerung von verdampfter Materie.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lichtquelle eines optischen Systems, das insbesondere nach dem Absorptionsprinzip funktioniert, einfach, kosteneffizient und robust zu überwachen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System umfassend: zumindest eine Lichtquelle zum Senden von Licht, zumindest einem optischen Detektor, der das Licht empfängt und in ein elektrisches Signal wandelt. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest einen Lichtleiter umfasst, wobei im Bereich der Lichtquelle Licht als Referenzlicht in den Lichtleiter eingekoppelt wird, wobei der Lichtleiter zumindest abschnittsweise am Medium vorbei geführt wird, und wobei der Lichtleiter das Referenzlicht auf den Detektor führt.
  • Es ergibt sich somit ein kostengünstiger Aufbau, der robust ist gegenüber mechanischen Belastungen. Durch die Verwendung eines Lichtleiters ergibt sich ein flexibler Aufbau, so kann etwa der Detektor frei platziert werden. Zudem werden weniger optische Komponenten benötigt im Vergleich zum oben erwähnten Stand der Technik. Aus diesem Grund, aber auch grundsätzlich, ergibt ein platzsparender Aufbau als beim Stand der Technik. Werden weniger oder gar keine optischen Bauteile verwendet, ist das System weniger anfällig für Schmutz und Positionierungenauigkeiten.
  • Der Begriff „Licht“ bezieht hierbei nicht nur auf sichtbares Licht, sondern auch unsichtbares Infrarotlicht und ultraviolette Strahlung.
  • Als „Lichtleiter“ werden transparente Bauteile wie einzelne Fasern, Faserbündel, Röhren oder Stäbe bezeichnet, die Licht über kurze oder lange Strecken transportieren. Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an der Grenzfläche des Lichtleiters entweder durch Totalreflexion auf Grund eines geringeren Brechungsindex das den Lichtleiter umgebenden Mediums oder durch Verspiegelung der Grenzfläche erreicht.
  • In einer Ausgestaltung wird Licht von der Lichtquelle als Messlicht in Richtung Medium gestrahlt, und dieses nach Absorption im Medium durch den Lichtleiter auf den Detektor geleitet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das System einen Lichtselektor, der Licht der Lichtquelle zwischen Messlicht und Referenzlicht umschaltet.
  • In einer Ausgestaltung verändert der Lichtselektor den optischen Strahlengang. Der Lichtselektor umfasst dazu einen klappbaren Spiegel oder ein Endes des Lichtleiters ist bewegbar, sodass entweder der Messlicht oder der Referenzlicht auf den Detektor trifft. Grundsätzlich sind auch andere Bauelemente zur Veränderung des Strahlengangs möglich.
  • In einer Ausgestaltung lässt der Lichtselektor den optischen Strahlengang unverändert, blockt stattdessen entweder das Messlicht oder das Referenzlicht ab, das jeweils andere Licht aber nicht. In einer Ausgestaltung ist der Lichtselektor eine sich bewegende Blende.
  • In einer Ausgestaltung ist der Lichtleiter Y-förmig ausgestaltet ist, wobei der einzelne Zweig in Richtung des Detektors führt und die beiden anderen Zweige Referenzlicht bzw. Messlicht führen. Da für Mess- und Referenzlicht der gleiche Lichtleiter verwendet wird, werden auch mögliche Alterungseffekte des Lichtleiters kompensiert. Dies ist beim beschriebenen Stand der Technik durch Verwendung mehrerer Freistrahlkomponenten nicht möglich.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das System zumindest einen ersten Lichtleiter für Messlicht und zumindest einen zweiten Lichtleiter für Referenzlicht. Dabei unterscheiden sich der erste und zweite Lichtleiter durch Typ, Durchmesser, Material und/oder die Anzahl an Fasern. Dadurch kann der spektrale Transmissionsbereich im Vergleich zum Stand der Technik erweitert werden. Die oben vorgeschlagene Ausgestaltung kann auch beim Y-Wellenleiter angewendet werden. Dann haben die einzelnen Zweige unterschiedliche Lichtleiter wie beschrieben.
  • In einer Ausgestaltung, bei der der Lichtleiter Y-förmig ausgestaltet ist, umfasst der Lichtselektor einen Faserschalter, welcher zwischen Mess- und Referenzlicht umschaltet, d.h. zwischen Mess- und Referenzstrecke wechselt.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das System genau einen Lichtleiter.
  • Das Medium teilt das System in eine Lichtquellenseite und eine Detektorseite. In einer Ausgestaltung umfasst das System im Bereich der Lichtquelle zumindest eine optische Komponente, umfassend zumindest eine Linse, insbesondere eine bikonvexe Linse, zum Führen von Messlicht in Richtung des Mediums umfasst. Dadurch kann Licht effizient und einfach durch das Medium in Richtung des Detektors geleitet werden.
  • In einer Ausgestaltung fokussiert die optische Komponente das Messlicht auf den Lichtleiter auf Detektorseite.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das System auf Detektorseite zumindest eine optische Komponente, umfassend zumindest eine Linse, welches durch das Medium absorbiertes Messlicht auf den Lichtleiter fokussiert.
  • Das System umfasst eine optische Achse, die im Wesentlichen durch die Lichtquelle und dem Ende des Lichtleiters für Messlicht auf Detektorseite definiert wird. In einer Ausgestaltung ist der Detektor abseits dieser optischen Achse des Systems angeordnet.
  • In einer Ausgestaltung ist der Detektor als ein Spektrometer ausgestaltet ist, sodass das Spektrum des auf den Detektor fallenden Lichts dargestellt werden kann.
  • Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
    • 2 eine Ausgestaltung des beanspruchten Systems,
    • 3 eine weitere Ausgestaltung des beanspruchten Systems, und
    • 4 eine weitere Ausgestaltung des beanspruchten Systems.
  • In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Das beanspruchte optische System in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 10. Etwaig notwendige optische Fenster, wie noch in 1 dargestellt, sind aus Übersichtlichkeitsgründen in den 2-4 nicht eingezeichnet.
  • Das optische System 10 umfasst zumindest eine Lichtquelle 1 zum Senden von Licht 13. Die Lichtquelle ist eine breitbandige Lichtquelle und etwa als Xenon-Blitzlampe ausgestaltet. Alternativ wird etwa ein Array aus LEDs verwendet. Ein möglicher Wellenlängenbereich umfasst den Bereich von 1900-1000 nm. Das System 10 umfasst einen Detektor 3. Das zu messende Medium hat das Bezugszeichen 5. Es befindet sich ein Spalt 6, etwa einer Küvette, zwischen Lichtquelle 1 und Detektor 3. Der Detektor 3 ist als Spektrometer ausgestaltet, so dass das Spektrum des auf den Detektor 3 fallenden Lichts dargestellt werden kann, etwa in einem angeschlossenen Messumformer.
  • In der Ausführungsform in 2 wird Licht der Lichtquelle 1 im Bereich der Lichtquelle in einen Lichtleiter 8 eingekoppelt. Der Lichtleiter 8 ist Y-förmig aufgebaut mit den Zweigen 8.1, 8.2, 8.3. Der einzelne Zweig 8.1 zeigt in Richtung Detektor 3 bzw. wird direkt in den Detektor 3 geführt. In einer Ausgestaltung können auch direkt beide Zweige in den Detektor 3 geführt werden. Dabei wird etwa eine gemeinsame Ferrule verwendet. Beide Zweige werden so direkt in den Detektor 3 geführt. Dies kann auch mit einer Vielzahl von Lichtleitern durchgeführt werden.
  • Es wird ein Lichtselektor 7 (in 2 nicht eingezeichnet, siehe aber 3-4) zum Umschalten zwischen einer Messstrecke und einer Referenzstrecke verwendet. Ein erster einzelner Zweig 8.3 des Lichtleiters 8 wird für die Messstrecke verwendet („Messlicht“), ein zweiter Zweig 8.2 für die Referenzstrecke („Referenzlicht“). Der Lichtselektor 7 ist eine sich bewegende Blende, sodass entweder Messlicht oder das Referenzlicht abgeblockt wird. Der eigentliche Strahlengang bleibt durch den Lichtselektor 7 unverändert. In einer Ausgestaltung ist der Lichtselektor 7 als optischer Schalter an der Verzweigung des Y-Wellenleiters angebracht.
  • Der Lichtleiter 8 wird abschnittsweise, genauer gesagt wird zumindest ein Zweig - hier Zweig 8.2 - am Medium 5 vorbeigeführt. Die Referenzstrecke mit dem Referenzlicht führt somit am Medium 5 vorbei.
  • In einer möglichen Ausführungsform, siehe 3, wird das Licht 13 der Lichtquelle 1 mit einer Optik, umfassend mindestens eine Linse 11, die sich entweder zwischen Lichtquelle 1 und Küvette 6 oder zwischen Küvette 6 und Zweig 8.3 des Lichtleiters 8 befindet, auf die Öffnung des Lichtleiters 8 fokussiert. Dies erfolgt am Sammelpunkt 9. Die Linse 11 ist als bikonvexe Linse ausgestaltet. In 3 dargestellt ist der erste Fall. Die Referenzstrecke wird um die Küvette 6 herumgeführt, die Messstrecke geht selbstredend durch das Medium 5.
  • In einer Ausführungsform, siehe 4, umfasst das System 10 eine erste Optik, umfassend mindestens eine erste Linse 11, und eine zweite Optik, umfassend mindestens eine zweite Linse 12. Die erste Linse 11 parallelisiert eintreffendes Licht 13, das durch das Medium 5 geleitet wird. Die zweite Linse 12 fokussiert das Licht auf die Öffnung des Lichtleiters 8, genauer auf den Zweig 8.3. Dies erfolgt am Sammelpunkt 9. Die Referenzstrecke wird um die Küvette 6 herumgeführt, die Messstrecke geht selbstredend durch das Medium 5.
  • Der Detektor 3 kann so angeordnet werden, dass dieser nicht auf der optischen Achse liegt, siehe 4. Die optische Achse wird definiert durch die Lichtquelle 1 und dem Ende des Zweigs des Lichtleiters 3 für Messlicht, hier also der Zweig mit dem Bezugszeichen 8.3.
  • Der Lichtleiter 3 umfasst transparente Bauteile wie Fasern, Röhren oder Stäbe, die Licht über kurze oder lange Strecken transportieren. Hier umfasst der Lichtleiter 3 ein oder mehrere Fasern. Durch die Verwendung mehrerer Fasern eines Typs, sowie durch die Verwendung unterschiedlicher Faserdurchmesser, verschiedene Materialien oder unterschiedlicher Typen kann die Signalstärke für Mess- sowie Referenzlicht unabhängig voneinander beeinflusst werden. Hierzu werden keine zusätzlichen optischen Komponenten (Blende, etc.) benötigt.
  • Durch eine geeignete Wahl der optischen Fasern des Lichtleiters und ggf. auch die Verwendung mehrerer Fasertypen kann ein sehr breiter spektraler Anwendungsbereich abgedeckt werden. So können zum Beispiel UV-, VIS-NIR-, und MIR-Fasern in eine optische Multi-Typen Faser integriert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtquelle
    2
    Fenster
    3
    Detektor
    3.ref
    Detektor
    4
    Filter
    5
    Medium
    6
    Spalt
    7
    Strahlteiler
    8
    Lichtleiter mit den jeweiligen Zweigen 8.1, 8.2, 8.3
    9
    Sammelpunkt
    10
    System
    11
    Linse
    12
    Linse
    13
    Licht von 1
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10084057 B4 [0006]

Claims (11)

  1. Optisches System (10) zur Messung von Absorption von Licht in einem Medium (5), umfassend, - zumindest eine Lichtquelle (1) zum Senden von Licht (13), - zumindest einen optischen Detektor (3), der das Licht empfängt und in ein elektrisches Signal wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) zumindest einen Lichtleiter (8) umfasst, wobei im Bereich der Lichtquelle (1) Licht als Referenzlicht in den Lichtleiter (8) eingekoppelt wird, wobei der Lichtleiter (8) zumindest abschnittsweise am Medium (5) vorbei geführt wird, und wobei der Lichtleiter (8) das Referenzlicht auf den Detektor (3) führt.
  2. System (10) nach Anspruch 1, wobei Licht von der Lichtquelle (1) als Messlicht in Richtung Medium gestrahlt wird, und dieses nach Absorption im Medium (5) durch den Lichtleiter (8) auf den Detektor (3) geleitet wird.
  3. System (10) nach Anspruch 2, das einen Lichtselektor (7)umfasst, der Licht der Lichtquelle (1) zwischen Messlicht und Referenzlicht umschaltet.
  4. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lichtleiter (8) Y-förmig (8,1, 8.2, 8.3) ausgestaltet ist, wobei der einzelne Zweig (8.1) in Richtung des Detektors (3) führt und die beiden anderen Zweige (8.2, 8.3) Referenzlicht bzw. Messlicht führen.
  5. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, das genau einen Lichtleiter umfasst.
  6. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, das zumindest einen ersten Lichtleiter für Messlicht und zumindest einen zweiten Lichtleiter für Referenzlicht umfasst, und sich der erste und zweite Lichtleiter durch Typ, Durchmesser, Material und/oder die Anzahl an Fasern unterscheiden.
  7. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 6, das im Bereich der Lichtquelle (1) zumindest eine optische Komponente (11), umfassend zumindest eine Linse, insbesondere eine bikonvexe Linse, zum Führen von Messlicht in Richtung des Mediums (5) umfasst.
  8. System (10) nach Anspruch 7, wobei die optische Komponente (11) das Messlicht auf den Lichtleiter (8) auf Detektorseite fokussiert.
  9. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, das auf Detektorseite zumindest eine optische Komponente (12), umfassend zumindest eine Linse, umfasst und absorbiertes Messlicht auf den Lichtleiter (8) fokussiert.
  10. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Detektor (3) abseits der optischen Achse des Systems (10) angeordnet ist.
  11. System (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Detektor (3) als ein Spektrometer ausgestaltet ist, so dass das Spektrum des auf den Detektor (3) fallenden Lichts dargestellt werden kann.
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