DE102018122510A1 - Optischer Sensor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung offenbart einen optischen Sensor (1), umfassend: zumindest eine Lichtquelle (4, 5), die Anregungslicht in Richtung zumindest einer ersten Sensorschicht abstrahlt; zumindest eine erste Sensorschicht, wobei die erste Sensorschicht in Kontakt mit einem Medium bringbar ist, wobei die erste Sensorschicht in Abhängigkeit vom eintreffenden Anregungslicht und einer Konzentration einer Messgröße des Mediums Emissionslicht emittiert; zumindest ein Empfänger (6, 7), der das Emissionslicht empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt, wobei aus dem Emissionslicht ein Messwert für die Messgröße erzeugbar ist; einen ersten Lichtleiter (8), der Anregungslicht von der Lichtquelle (4, 5) auf einen ersten Bereich (2) der ersten Sensorschicht leitet und Emissionslicht vom ersten Bereich (2) der Sensorschicht zum Empfänger (6, 7) leitet; und einen, vom ersten Lichtleiter (8) unabhängigen, zweiten Lichtleiter (9), der Anregungslicht von der Lichtquelle (5, 4) auf einen zweiten Bereich (3) der ersten Sensorschicht leitet und Emissionslicht vom zweiten Bereich (3) der Sensorschicht zum Empfänger (7, 6) leitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.
  • Bei Sensoren, insbesondere bei optischen Sensoren kann es durch Verschmutzung, im Abwasserbereich spricht man von (Bio-) Fouling, der Sensoroberfläche dazu kommen, dass mit der Zeit die Messwerte verfälscht werden oder gar keine Messungen mehr möglich sind. Sehr häufig ist dieses Problem im Abwasserbereich anzutreffen, dabei kann der Anwender nicht unterscheiden, ob die Messwertveränderung prozessbedingt oder durch Fouling verursacht ist.
  • Die Beschichtung der Sensoroberfläche bringt eine gewisse Abhilfe. Dadurch können sich Verschmutzungen bzw. Mikroorganismen nicht mehr so gut am Sensor anlagern. Diese Beschichtung kann aber auch die sensitive Schicht des Sensors beeinflussen und somit die Messperformance verändern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verschmutzung der Sensorschicht eines Sensors zu erkennen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor, umfassend: zumindest eine Lichtquelle, die Anregungslicht in Richtung zumindest einer ersten Sensorschicht abstrahlt; zumindest eine erste Sensorschicht, wobei die erste Sensorschicht in Kontakt mit einem Medium bringbar ist, wobei die erste Sensorschicht in Abhängigkeit vom eintreffenden Anregungslicht und einer Konzentration einer Messgröße des Mediums Emissionslicht emittiert; zumindest ein Empfänger, der das Emissionslicht empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt, wobei aus dem Emissionslicht ein Messwert für die Messgröße erzeugbar ist; einen ersten Lichtleiter, der Anregungslicht von der Lichtquelle auf einen ersten Bereich der ersten Sensorschicht leitet und Emissionslicht vom ersten Bereich der Sensorschicht zum Empfänger leitet; und einen, vom ersten Lichtleiter unabhängigen, zweiten Lichtleiter, der Anregungslicht von der Lichtquelle auf einen zweiten Bereich der ersten Sensorschicht leitet und Emissionslicht vom zweiten Bereich der Sensorschicht zum Empfänger leitet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der optische Sensor eine erste Lichtquelle, insbesondere zumindest eine erste LED, und eine zweite Lichtquelle, insbesondere eine zweite LED, wobei der erste Lichtleiter Anregungslicht von der ersten Lichtquelle zum ersten Bereich der Sensorschicht leitet, und wobei der zweite Lichtleiter Anregungslicht von der zweiten Lichtquelle zum zweiten Bereich der Sensorschicht leitet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der optische Sensor einen ersten Empfänger, insbesondere zumindest einen ersten Photodetektor, und einen zweiten Empfänger, insbesondere einen zweiten Photodetektor, wobei der erste Lichtleiter Emissionslicht vom ersten Bereich zum ersten Empfänger leitet, und wobei der zweite Lichtleiter Emissionslicht vom zweiten Bereich zum zweiten Empfänger leitet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor mehr als zwei Bereiche.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der erste und/oder zweite Lichtleiter Lichtwellenleiter, Fasern, insbesondere Glasfasern, Röhren oder Stäbe, insbesondere auch in Bündeln, zum Leiten von Anregungslicht und Emissionslicht. In einer Ausgestaltung umfassen diese Kunststoffwellenleiter, z.B. aus Polycarbonat oder einem transparenten Silikon.
  • In einer Ausgestaltung sind der erste und der zweite Bereich konzentrisch oder in zwei Halbkreisen angeordnet. In einer Ausgestaltung sind die Bereiche rechteckig ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung ist der erste Bereich der Messbereich, und der zweite Bereich ist der Kontroll- oder Referenzbereich. Dabei wird aus dem ersten Bereich der eigentliche Messwert ermittelt, während die Messung aus dem zweiten Bereich zur Kontrolle dient. Ergibt sich eine Abweichung zwischen beiden Messungen, ist eine Wartung oder zumindest Überprüfung notwendig. In einer Ausgestaltung umschließt der zweite Bereich den ersten Bereich. Das Fouling erfolgt meist von außen nach innen.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor eine erste Sensorschicht und eine davon unabhängige zweite Sensorschicht, wobei der erste Bereich auf der ersten Sensorschicht und der zweite Bereich auf der zweiten Sensorschicht angeordnet ist.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der erste und/oder zweite Lichtleiter einen Y-Wellenleiter, der Anregungslicht und/oder Emissionslicht auf den ersten und/oder zweiten Bereich leitet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der optische Sensor eine Reinigungsvorrichtung, insbesondere eine Druckluftreinigung oder Ultraschallreinigung, welche die Sensorschicht reinigt.
  • In einer Ausgestaltung ist der oder die Sensorschicht/en zur Messung von Sauerstoff ausgestaltet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor ein Gehäuse, das im Wesentlichen zylinderförmig mit einem Durchmesser von etwa 40 mm ausgestaltet ist, wobei Lichtquelle, Empfänger, Lichtleiter und Sensorschicht im Gehäuse angeordnet sind.
  • In einer Ausgestaltung ist der Sensor als Ex-Sensor ausgestaltet. Der Sensor kann also Anwendung finden in Bereichen mit erhöhter Explosionsgefahr.
  • Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
    • 1 zeigt den beanspruchten optischen Sensor in einer schematischen Übersicht von der Seite.
    • 2 zeigt den beanspruchten optischen Sensor von der Stirnseite aus.
  • In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Der beanspruchte optische Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
  • Im Folgenden soll kurz der Sensoraufbau beschrieben werden. Beispielhaft ist der Sensor 1 zur optischen Erfassung der Sauerstoffkonzentration ausgestaltet. Anderes Messgrößen wie beispielsweise CO2 und pH sind denkbar.
  • Der Sensor 1 umfasst ein Gehäuse, welches zylinderförmig ausgestaltet ist. Es hat etwa einen Durchmesser von 40 mm. Das Material des Gehäuses 10 ist Edelstahl oder ein widerstandsfähiger Kunststoff. Anwendung findet der Sensor 1 vor allem im Abwasserbereich.
  • Im Allgemeinen umfasst der Sensor 1 eine optisch aktive Schicht, die Sensorschicht 2, 3, die etwa als Lumineszenzschicht, insbesondere als Fluoreszenzschicht und Phosphoreszenzschicht, ausgestaltet ist. Die Sensorschicht 2, 3 umfasst sauerstoffsensitive Moleküle. Die Oberfläche der Sensorschicht 2, 3 steht im Kontakt zum zu messenden Medium 12. Die Sensoroptik 14, 15, gemeint sind Lichtquelle 4, 5, Empfänger 6, 7 ist auf die Rückseite der Sensorschicht 2, 3 gerichtet.
  • Es besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Sauerstoffpartialdruck im Medium 12 und dem in der Sensorschicht 2, 3. Wird der Sensor 1 ins Medium 12 getaucht, bildet sich sehr schnell ein Gleichgewicht aus.
  • Die Sensoroptik 14, 15, konkret die Lichtquelle 4, 5 sendet grüne Lichtimpulse (Anregungslicht) in die Sensorschicht 2, 3. Die sauerstoffsensitiven Moleküle in der Schicht 2, 3 „antworten“ (fluoreszieren, phosophoreszieren) mit roten Lichtimpulsen (Emissionslicht). Die Dauer und Intensität der Antwortsignale sind direkt abhängig vom Sauerstoffgehalt bzw. -partialdruck. Ist das Medium 12 sauerstofffrei, sind die Antwortsignale lang und von hoher Intensität. Sauerstoffmoleküle maskieren die sauerstoffsensitiven Moleküle in der Schicht 2, 3. Die Antwortsignale werden dadurch kürzer und von geringerer Intensität. Die Antwortsignale werden durch die Sensoroptik 14, 15, konkret den Empfänger 5, 6 empfangen und in ein entsprechendes Signal gewandelt.
  • Der Sensor 1 liefert ein der Sauerstoffkonzentration des Mediums 12 proportionales Signal. Die Temperatur des Mediums 12 und der Luftdruck werden im Sensor 1 bei der Berechnung der Sauerstoffkonzentration berücksichtigt. Außer den Größen Konzentration, Sättigungsindex und Partialdruck kann der Sensor 1 auch einen Rohmesswert in Zeiteinheiten liefern.
  • Die optischen Signale des Sensors 1 werden kontinuierlich überwacht und auf Plausibilität geprüft. Bei Unstimmigkeiten erfolgt eine Fehlermeldung. Beispielsweise werden Fehlerzustände erkannt wie unplausibel hohe oder niedrige Messwerte oder gestörte Regelung durch fehlerhafte Messwerte. Dies ist auch der Fall, wenn sich unterschiedliche Werte bei der Messung des ersten bzw. zweiten Bereichs 2, 3 ergeben, siehe unten.
  • In 1 wird gezeigt, dass der Sensor 1 einen ersten Lichtleiter 8 und einen zweiten Lichtleiter 9 umfasst. Der erste Lichtleiter 8 ist vom zweiten Lichtleiter 9 unabhängig. Der Sensor 1 umfasst eine erste Lichtquelle 4 und eine zweite Lichtquelle 5, die entsprechend auf den ersten bzw. zweiten Lichtleiter 8, 9 gerichtet sind. Die erste und zweite Lichtquelle 4, 5 senden Licht mittels des ersten und zweiten Lichtleiters 8, 9 auf einen ersten Bereich 2 bzw. einen zweiten Bereich 3 der Sensorschicht. Wie oben erläutert wird das ankommende Anregungslicht entsprechend der Konzentration in Emissionslicht gewandelt. Das Emissionslicht gelangt wiederum über die Lichtleiter 8, 9 zu den Empfängern 6, 7.
  • 2 zeigt die Stirnseite 11 des Sensors 1. Zu sehen ist eine Verschmutzung 13. Die Verschmutzung erfolgt häufig von außen nach innen. Wenn man den Sensor 1 mit einem weiteren Sende- und Empfangsweg 8, 9 ausstattet, kann eine Änderung durch beispielsweise eine Verschmutzung 13 in einem Lichtweg erkannt werden. Durch wechselseitige Messung und Vergleich der Messwerte kann eine Verschmutzung bzw. ein Defekt erkannt werden
  • Der mittlere der beiden Bereiche, im Allgemeinen der erste Bereich 2, wird beispielsweise als eigentlicher Messkanal verwendet, der äußere Bereich, im Allgemeinen der zweite Bereich 3, als Referenzkanal.
  • Der erste Lichtleiter 8 ist vom zweiten Lichtleiter 9 abgeschirmt. Es findet kein Übersprechen statt. In einer Ausgestaltung sind die Lichtleiter 8, 9 nicht gegeneinander abgeschirmt. Dann wird entsprechend nacheinander gemessen und Messsignale, die vom zweiten Empfänger 7 beim Senden der ersten Lichtquelle 4 (und umgekehrt) herausgerechnet.
  • In einer Ausgestaltung sind der erste und zweite Bereich 2, 3 der Sensorschicht auf einer gemeinsamen Sensorschicht angeordnet. In einer Ausgestaltung sind der erste und zweite Bereich 2, 3 auf einer ersten und einer zweiten, d.h. zwei verschiedenen Sensorschichten angeordnet.
  • Der zweite Bereich 3 ist konzentrisch um den ersten Bereich 2 angeordnet. In einer Ausgestaltung sind die Bereiche nicht konzentrisch, sondern nebeneinander angeordnet.
  • Die Bereiche 2, 3 sind kreisförmig, andere Formen wie rechteckig, gegebenenfalls auch konzentrisch, sind denkbar. Auch eine Ausführung mit zwei Halbkreisen ist möglich.
  • Dargestellt sind zwei Bereiche, mehrere Bereiche sind aber denkbar.
  • In einer Ausgestaltung wird nur eine einzige Lichtquelle verwendet. In einer Ausgestaltung wird nur ein einziger Empfänger verwendet. Dann wird entsprechend ein Y-Lichtleiter verwendet, der Licht von der Lichtquelle zu den mindestens zwei Bereichen leitet. Entsprechend wird durch den Y-Lichtleiter Licht von den Sensorschichten zum Empfänger geleitet.
  • Die Lichtquellen 4, 5 sind als LEDs ausgestaltet. Die Empfänger 5, 6 sind als Photodetektoren ausgestaltet. Die Lichtleiter 8, 9 sind als Lichtwellenleiter, Fasern, insbesondere Glasfasern, Röhren oder Stäbe, insbesondere auch in Bündeln ausgestaltet.
  • Der Sensor 1 umfasst weiter eine Reinigungseinheit (nicht dargestellt), die in beispielsweise regelmäßigen Abständen oder bewusst ausgelöst die Stirnseite 11 des Sensors 1 reinigt. Die Reinigungseinheit ist etwa als Druckluftreinigung oder Ultraschallreinigung ausgestaltet. Durch den beanspruchten Sensor 1 ist es möglich eine Verschmutzung der Sensorschicht 2, 3 zu erkennen und dann zu reinigen, wenn eine solche erkannt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    optischer Sensor
    2
    erster Bereich der Sensorschicht
    3
    zweiter Bereich der Sensorschicht
    4
    erste Lichtquelle
    5
    zweite Lichtquelle
    6
    erster Empfänger
    7
    zweiter Empfänger
    8
    erster Lichtleiter
    9
    zweiter Lichtleiter
    10
    Gehäuse
    11
    Stirnseite von 1
    12
    Medium
    13
    Verschmutzung
    14
    erste Sensoroptik
    15
    zweite Sensoroptik

Claims (9)

  1. Optischer Sensor (1), umfassend - zumindest eine Lichtquelle (4, 5), die Anregungslicht in Richtung zumindest einer ersten Sensorschicht abstrahlt, - zumindest eine erste Sensorschicht, wobei die erste Sensorschicht in Kontakt mit einem Medium bringbar ist, wobei die erste Sensorschicht in Abhängigkeit vom eintreffenden Anregungslicht und einer Konzentration einer Messgröße des Mediums Emissionslicht emittiert, - zumindest ein Empfänger (6, 7), der das Emissionslicht empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt, wobei aus dem Emissionslicht ein Messwert für die Messgröße erzeugbar ist, - einen ersten Lichtleiter (8), der Anregungslicht von der Lichtquelle (4, 5) auf einen ersten Bereich (2) der ersten Sensorschicht leitet und Emissionslicht vom ersten Bereich (2) der Sensorschicht zum Empfänger (6, 7) leitet, und - einen, vom ersten Lichtleiter (8) unabhängigen, zweiten Lichtleiter (9), der Anregungslicht von der Lichtquelle (5, 4) auf einen zweiten Bereich (3) der ersten Sensorschicht leitet und Emissionslicht vom zweiten Bereich (3) der Sensorschicht zum Empfänger (7, 6) leitet.
  2. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei der optische Sensor eine erste Lichtquelle (4), insbesondere zumindest eine erste LED, und eine zweite Lichtquelle, insbesondere eine zweite LED, umfasst, wobei der erste Lichtleiter (8) Anregungslicht von der ersten Lichtquelle (4) zum ersten Bereich (2) der Sensorschicht leitet, und wobei der zweite Lichtleiter (9) Anregungslicht von der zweiten Lichtquelle (5) zum zweiten Bereich (3) der Sensorschicht leitet.
  3. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Sensor (1) einen ersten Empfänger (6), insbesondere zumindest einen ersten Photodetektor, und einen zweiten Empfänger, insbesondere einen zweiten Photodetektor, umfasst, wobei der erste Lichtleiter (8) Emissionslicht vom ersten Bereich (2) zum ersten Empfänger (6) leitet, und wobei der zweite Lichtleiter (9) Emissionslicht vom zweiten Bereich (3) zum zweiten Empfänger (7) leitet.
  4. Optischer Sensor (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Lichtleiter (8, 9) Lichtwellenleiter, Fasern, insbesondere Glasfasern, Röhren oder Stäbe, insbesondere auch in Bündeln, zum Leiten von Anregungslicht und Emissionslicht umfasst.
  5. Optischer Sensor (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Bereich (2 ,3) konzentrisch oder in zwei Halbkreisen angeordnet sind.
  6. Optischer Sensor (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (1) eine erste Sensorschicht und eine davon unabhängige zweite Sensorschicht umfasst, und wobei der erste Bereich (2) auf der ersten Sensorschicht und der zweite Bereich (3) auf der zweiten Sensorschicht angeordnet ist.
  7. Optischer Sensor (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der optische Sensor (1) eine Reinigungsvorrichtung, insbesondere eine Druckluftreinigung oder Ultraschallreinigung, welche die Sensorschicht reinigt umfasst.
  8. Optischer Sensor (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der oder die Sensorschicht/en zur Messung von Sauerstoff ausgestaltet ist.
  9. Optischer Sensor (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (1) ein Gehäuse (10) umfasst, das im Wesentlichen zylinderförmig mit einem Durchmesser von etwa 40 mm ausgestaltet ist, wobei Lichtquelle (4, 5), Empfänger (6, 7), Lichtleiter (8, 9) und Sensorschicht im Gehäuse (10) angeordnet sind.
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