DE102018121534A1 - Optisches Messsystem und Verfahren umfassend ein solches - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein optisches Messsystem (1), umfassend: zumindest eine Lichtquelle (2), die Anregungslicht (8) in das zu messende Medium einstrahlt, wobei das Anregungslicht (8) durch das Medium (3) in Fluoreszenzlicht (9) gewandelt wird; eine erste Fotodiode (4), welche eine Abklingkurve (20) des Fluoreszenzlichts (9) empfängt und in ein erstes Signal wandelt; zumindest ein optisches Bauelement (5, 11), welches das Fluoreszenzlicht (9) empfängt und in ein zweites Signal wandelt; und eine Datenverarbeitungseinheit (10), welche den Öl-in-Wasser Gehalt anhand des ersten Signals und des zweiten Signals bestimmt. Die Erfindung offenbart ebenso ein Verfahren zur Bestimmung des Öl-in-Wasser Gehalts mit einem solchen optischen Messsystem (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem und ein Verfahren zur Bestimmung des Öl-in-Wasser Gehalts mit einem solchen Messsystem.
  • Der Ölgehalt von Wasser lässt sich unter anderem mittels Fluoreszenz messen. Dazu wird die Probe mit kurzwelliger Strahlung angeregt. Das im Wasser verteilte Öl sendet daraufhin Fluoreszenzlicht aus, das sich detektieren lässt. Im einfachsten Fall misst man lediglich die Gesamtintensität des Fluoreszenzlichts. Kennt man den Anteil des Öls, der zur Fluoreszenz fähig ist, kann man bei konstanter Zusammensetzung des Öls über eine Kalibrierung seine Konzentration bestimmen. Ändert sich die Zusammensetzung wird eine feste Kalibrierung zu Messfehlern führen.
  • Zusätzliche Informationen über das Öl stecken in der spektralen Verteilung des Fluoreszenzlichts, seiner Abklingzeit und seiner Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge. Eine Messung der Abklingzeit erfolgt mittels der Aufnahme zeitaufgelöster Spektren. Dazu ist allerdings ein sehr schnelles Spektrometer notwendig, was einem großen apparativen Aufwand mit hohen Kosten gleichkommt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde mit einer kosteneffektiven Anordnung den Öl-in-Wasser Gehalt zu bestimmen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Messsystem, umfassend: zumindest eine Lichtquelle, die Anregungslicht in das zu messende Medium einstrahlt, wobei das Anregungslicht durch das Medium in Fluoreszenzlicht gewandelt wird; eine erste Fotodiode, welche eine Abklingkurve des Fluoreszenzlichts empfängt und in ein erstes Signal wandelt; zumindest ein optisches Bauelement, welches das Fluoreszenzlicht empfängt und in ein zweites Signal wandelt; und eine Datenverarbeitungseinheit, welche den Öl-in-Wasser Gehalt anhand des ersten Signals und des zweiten Signals bestimmt.
  • Dadurch ergibt sich eine kosteneffektive Anordnung, welche mittels eines Kalibriermodells aus dem ersten und zweiten Signal den Öl-in-Wasser Gehalt bestimmen kann. Dies ist möglich, da zusätzliche Informationen über das Öl in der spektralen Verteilung des Fluoreszenzlichts, seiner Abklingzeit und seiner Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge enthalten sind.
  • Im Sinne dieser Anmeldung soll „Licht“ nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt sein, sondern als elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge, insbesondere auch im fernen ultravioletten (UV) und im infraroten (IR) Wellenlängenbereich verstanden werden.
  • In einer Ausgestaltung kommen weitere Messgrößen wie Temperatur, Druck, Trübung, Absorption, pH-Wert, Leitfähigkeit, Dichte, Dielektrizitätskonstante etc. in Frage.
  • In einer Ausgestaltung ist das optische Bauelement als zweite Fotodiode ausgestaltet, welche eine Abklingkurve des Fluoreszenzlichts empfängt und in ein zweites Signal wandelt.
  • In einer Ausgestaltung umfasst die erste Fotodiode ein erstes Filter für ein erstes Wellenlängenlängenintervall, und/oder die zweite Fotodiode umfasst ein zweites Filter für ein zweites Wellenlängenintervall, wobei sich das zweite Wellenlängenintervall von dem ersten Wellenlängenintervall zumindest abschnittweise unterscheidet.
  • In einer Ausgestaltung ist das optische Bauelement als Spektrometer ausgestaltet, dessen Zeitauflösung nicht zur Bestimmung der Abklingkurve des Fluoreszenzlichts ausreicht.
  • In einer Ausgestaltung umfasst das optische Messsystem zumindest zwei optische Bauelemente, insbesondere zumindest eine zweite Fotodiode und ein Spektrometer.
  • In einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle als zumindest eine LED, Blitzlampe oder als zumindest ein Laser ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung ist das optische Messsystem als Eintauchsonde mit einem Durchmesser von 20-50 mm, insbesondere 40 mm, ausgestaltet, wobei Lichtquelle, erste Fotodiode, optisches Bauelement und Datenverarbeitungseinheit in der Eintauchsonde angeordnet sind.
  • In einer Ausgestaltung ist das optische Messsystem als Eintauchsonde ausgestaltet, wobei die Eintauchsonde einen mediumsberührenden ersten Abschnitt mit einem Durchmesser von 12 mm und einen nichtmediumsberührenden zweiten Abschnitt mit einem Durchmesser größer oder gleich als 12 mm umfasst, wobei Lichtquelle, erste Fotodiode, optisches Bauelement und Datenverarbeitungseinheit im zweiten Abschnitt angeordnet sind.
  • In einer Ausgestaltung ist das optische Messsystem als Durchflussmesszelle ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung ist die Lichtquelle in einem ersten Modul angeordnet, und wobei die erste Fotodiode und das optische Bauelement in einem zweiten Modul angeordnet sind, wobei das erste Modul vom zweiten Modul abgesetzt ist.
  • Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Öl-in-Wasser Gehalts mit einem optischen Messsystem wie obenstehend beschreiben, umfassend die Schritte: Einstrahlen von Anregungslicht in das zu messende Medium, das darin in Fluoreszenzlicht gewandet wird; Messen von Fluoreszenzlicht durch eine Fotodiode; Messen von Fluoreszenzlicht durch ein optisches Element; und Bestimmen des Öl-in-Wasser Gehalts mittels der Messungen durch die Fotodiode und das optische Element.
  • Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
    • 1 zeigt das beanspruchte optische Messsystem in einer Ausgestaltung.
    • 2 zeigt das beanspruchte optische Messsystem in einer Ausgestaltung.
    • 3 zeigt das beanspruchte optische Messsystem in einer Ausgestaltung.
    • 4 zeigt eine Bauform des beanspruchten optischen Messsystems.
    • 5 zeigt eine Bauform in einer Ausgestaltung des beanspruchten optischen Messsystems.
    • 6a/b zeigt eine Bauform in zwei Ausgestaltungen des beanspruchten optischen Messsystems im Querschnitt.
  • In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt ein optisches Messsystem 1 mit einer Lichtquelle 2. Die Lichtquelle 2 strahlt Anregungslicht 8 in das zu messende Medium 3, wobei das Anregungslicht 8 durch das Medium 3 in Fluoreszenzlicht 9 gewandelt wird. Das Fluoreszenzlicht 9 wird empfangen von einer ersten Fotodiode 4 und in ein erstes Signal gewandelt. Die Fotodiode 4 misst die Abklingkurve 20 des Fluoreszenzlicht 9. Über die Abklingkurve wird die Abklingzeit bestimmt. Die erhaltene Abklingzeit ist eine integrale Größe ohne spektrale Informationen. Mit dem Merkmal „Bestimmen der Abklingkurve“ soll auch die Bestimmung der Abklingzeit durch die Messung der Phasenverschiebung bei periodischer Anregung gemeint sein.
  • In 1 wird das Fluoreszenzlicht 9 auch empfangen von einem Spektrometer 11, der das Fluoreszenzlicht 9 in ein zweites Signal wandelt. Die Zeitauflösung des Spektrometers 11 reicht nicht zur Bestimmung der Abklingkurve des Fluoreszenzlichts 9 aus. Das Spektrometer 11 misst das Spektrum 19 des Fluoreszenzlichts 9. In 1 ist das Spektrometer 11 das zweite optische Element im Sinne dieser Anmeldung.
  • Die Lichtquelle 2, das Spektrometer 11 und die Fotodiode 4 sind mit einer Datenverarbeitungseinheit 10 verbunden, welche aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal den Öl-in-Wasser Gehalt der Probe 3 bestimmt. Das Bestimmen dieser Konzentration erfolgt mittels eines Kalibriermodells, welches die gemessenen Informationen über Abklingzeiten in diskreten Wellenlängenintervallen und über Fluoreszenzintensitäten zusammenführt und daraus die Konzentration ermittelt. Zusätzliche Informationen über das Öl stecken in der spektralen Verteilung des Fluoreszenzlichts, seiner Abklingzeit und seiner Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge. In einer Ausgestaltung kommen unterstützend auch weitere Messgrößen wie Temperatur, Druck, Trübung, Absorption, pH-Wert, Leitfähigkeit, Dichte, Dielektrizitätskonstante oder andere in Frage.
  • In 2 ist das optische Element als zweite Fotodiode 5 ausgestaltet. Erste und zweite Fotodiode 4, 5 haben je einen Filter 6, 7 für ein erstes bzw. zweites Wellenlängenlängenintervall λ1, λ2, wobei sich das zweite Wellenlängenintervall λ2 von dem ersten Wellenlängenintervall A1 zumindest abschnittweise unterscheidet. Die Filter 6, 7 sind als Bandpassfilter ausgestaltet. Dadurch wird ein grobes, d.h. nur aus wenigen Wellenlängenintervallen λ1, λ2 bestehendes zeitaufgelöstes Spektrum, erreicht. Dargestellt ist weiter als Ausgestaltung eine weitere Fotodiode 5 mit einem weiteren Filter 7, der wiederum einen anderen Wellenlängenbereich λ3 umfasst. Anhand der Abklingkurven 20 bzw. der Abklingzeiten bei verschiedenen Wellenlängenbereichen λ1, λ2, λ3 wird mittels eines Kalibriermodels die ÖI-in-Wasser-Konzentration bestimmt. In 2 und 3 nicht dargestellt, aber gleich wie in 1 vorhanden ist die Datenverarbeitungseinheit.
  • 3 zeigt die Kombination von 1 mit 2: ein langsames Spektrometer 11 und mehrere Fotodioden 4, 5 mit verschiedenen, diskreten Bandpass-Filtern 6, 7.
  • Der Aufbau des Messsystems 1 umfasst ein oder mehrere gepulste Anregungslichtquellen 2. Dafür in Frage kommen LEDs (z.B. UV-LED), evtl. mehrere LEDs mit verschiedenen Wellenlängen; eine Blitzlampe (z.B. Xenon-Blitzlampe), evtl. mehrere Blitzlampen mit unterschiedlichen Filtern für die Anregung bei verschiedenen Wellenlängen; und Laser, evtl. mehrere Laser mit verschiedenen Wellenlängen. Gegebenenfalls umfasst die Anregungslichtquelle eine (eigene) Fotodiode als Referenzdiode. Anhand dieser Referenzdiode kann die Abklingkurve zum Zeitpunkt t=0 bestimmt werden. Dies entspricht dem Anfangswert. Weiter bestimmt diese Referenzdiode die Abklingkurve ohne Medium. In einer Ausgestaltung wird der maximale Peak als Referenz genommen.
  • 4 zeigt eine Bauform des optischen Messsystems 1. Diese ist als Eintauchsonde 12 ausgestaltet. Die Eintauchsonde 12 hat einen Durchmesser d von 20-50 mm, beispielsweise 40 mm, wobei Lichtquelle 2, erste Fotodiode 4, optisches Bauelement 5 (und/oder 11) und Datenverarbeitungseinheit 10 in der Eintauchsonde 12 angeordnet sind.
  • 5 zeigt eine Bauform des optischen Messsystems 1. Diese ist als Eintauchsonde 13 ausgestaltet. Die Eintauchsonde hat einen mediumsberührenden ersten Abschnitt 14 mit einem Durchmesser von etwa 12 mm und einen nichtmediumsberührenden zweiten Abschnitt 15 mit einem Durchmesser größer als 12 mm, wobei Lichtquelle, 2 erste Fotodiode 4, optisches Bauelement 5 (und/oder 11) und Datenverarbeitungseinheit 10 im zweiten Abschnitt 15 angeordnet sind. Beispielweise mittels Lichtleiter werden die optischen Signale vom zweiten Abschnitt 15 durch den ersten Abschnitt 14 in Richtung Medium 3 geführt. Der erste Abschnitt 14 taucht in das Medium 3 ein.
  • 6a/b zeigen eine Bauform des optischen Messsystems 1. Diese ist als Durchflussmesszelle 16 ausgestaltet. In 6a umfasst die Durchflussmesszelle 16 einen Sensorkopf, der die Lichtquelle 2, erste Fotodiode 4, optisches Bauelement 5 (und/oder 11) und Datenverarbeitungseinheit 10 umfasst. In 6b ist die Lichtquelle 2 in einem ersten Modul 17 angeordnet, und die erste Fotodiode 2 und das optische Bauelement 5 (und/oder 11) sind in einem zweiten Modul 18 angeordnet, wobei das erste Modul 17 vom zweiten Modul 18 abgesetzt ist. Erstes und zweites Modul 17, 18 umfassen entweder je eine Datenverarbeitungseinheit 10 oder teilen sich eine solche.
  • Die Ausführung in den 6a/b und/oder die anderen Ausführungen umfassen dabei ein weiteres Filter. Das weitere Filter filtert die anregende Strahlung. Dadurch kann vermieden werden, dass ein Verstärker übersteuert. Das weitere Filter ist als Hochpass- oder Tiefpassfilter ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung ist die Fotodiode im Frequenzbereich des Anregungslichts nicht sensitiv. In anderen Worten: ein Filter, insbesondere die Filter 6, 7 werden nicht benötigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    optisches Messsystem
    2
    Lichtquelle
    3
    Medium
    4
    erste Fotodiode
    5
    zweite Fotodiode
    6
    erstes Filter
    7
    zweites Filter
    8
    Anregungslicht
    9
    Fluoreszenzlicht
    10
    Datenverarbeitungseinheit
    11
    Spektrometer
    12
    Eintauchsonde
    13
    Eintauchsonde
    14
    erster Abschnitt von 13
    15
    zweiter Abschnitt von 13
    16
    Durchflussmesszelle
    17
    erstes Modul von 16
    18
    zweites Modul von 16
    19
    Spektrum
    20
    Abklingkurve
    d
    Durchmesser von 12, 13
    t
    Zeit
    λ
    Wellenlänge

Claims (11)

  1. Optisches Messsystem (1), umfassend - zumindest eine Lichtquelle (2), die Anregungslicht (8) in das zu messende Medium einstrahlt, wobei das Anregungslicht (8) durch das Medium (3) in Fluoreszenzlicht (9) gewandelt wird, - eine erste Fotodiode (4), welche eine Abklingkurve (20) des Fluoreszenzlichts (9) empfängt und in ein erstes Signal wandelt, - zumindest ein optisches Bauelement (5, 11), welches das Fluoreszenzlicht (9) empfängt und in ein zweites Signal wandelt, und - eine Datenverarbeitungseinheit (10), welche den Öl-in-Wasser Gehalt anhand des ersten Signals und des zweiten Signals bestimmt.
  2. Optisches Messsystem (1) nach Anspruch 1, wobei das optische Bauelement als zweite Fotodiode (5) ausgestaltet ist, welche eine Abklingkurve (20) des Fluoreszenzlichts (9) empfängt und in ein zweites Signal wandelt.
  3. Optisches Messsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Fotodiode (4) ein erstes Filter (6) für ein erstes Wellenlängenlängenintervall (λ1) umfasst, und/oder wobei die zweite Fotodiode (5) ein zweites Filter (7) für ein zweites Wellenlängenintervall (λ2) umfasst, wobei sich das zweite Wellenlängenintervall (λ2) von dem ersten Wellenlängenintervall (λ1) zumindest abschnittweise unterscheidet.
  4. Optisches Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das optische Bauelement als Spektrometer (11) ausgestaltet ist, dessen Zeitauflösung nicht zur Bestimmung der Abklingkurve des Fluoreszenzlichts (9) ausreicht.
  5. Optisches Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Messsystem (1) zumindest zwei optische Bauelemente (5, 11), insbesondere zumindest eine zweite Fotodiode (5) und ein Spektrometer (11) umfasst.
  6. Optisches Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtquelle (2) als zumindest eine LED, Blitzlampe oder als zumindest ein Laser ausgestaltet ist.
  7. Optisches Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Messsystem (1) als Eintauchsonde (12) mit einem Durchmesser (d) von 20-50 mm, insbesondere 40 mm, ausgestaltet ist, wobei Lichtquelle (2), erste Fotodiode (4), optisches Bauelement (5, 11) und Datenverarbeitungseinheit (10) in der Eintauchsonde (12) angeordnet sind.
  8. Optisches Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Messsystem (1) als Eintauchsonde (13) ausgestaltet ist, wobei die Eintauchsonde (13) einen mediumsberührenden ersten Abschnitt (14) mit einem Durchmesser von 12 mm und einen nichtmediumsberührenden zweiten Abschnitt (14) mit einem Durchmesser (d) größer oder gleich 12 mm umfasst, wobei Lichtquelle (2), erste Fotodiode (4), optisches Bauelement (5, 11) und Datenverarbeitungseinheit (12) im zweiten Abschnitt (14) angeordnet sind.
  9. Optisches Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Messsystem als Durchflussmesszelle (16) ausgestaltet ist.
  10. Optisches Messsystem (1) nach Anspruch 9, wobei die Lichtquelle (2) in einem ersten Modul (17) angeordnet ist, und wobei die erste Fotodiode (4) und das optische Bauelement (5, 11) in einem zweiten Modul (18) angeordnet ist, wobei das erste Modul (17) vom zweiten Modul (18) abgesetzt ist.
  11. Verfahren zur Bestimmung des Öl-in-Wasser Gehalts mit einem optischen Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte - Einstrahlen von Anregungslicht (8) in das zu messende Medium, das darin in Fluoreszenzlicht (9) gewandet wird, - Messen von Fluoreszenzlicht (8) durch eine Fotodiode (4), - Messen von Fluoreszenzlicht (8) durch ein optisches Element (5 ,11), und - Bestimmen des Öl-in-Wasser Gehalts mittels der Messungen durch die Fotodiode (4) und dem optischen Element (5, 11).
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