DE102022104685A1

DE102022104685A1 - Sensor

Info

Publication number: DE102022104685A1
Application number: DE102022104685.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bernhard; Joachim Bolle; Thilo KRÄTSCHMER
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-08-31
Also published as: CN116660149A; US20230273115A1

Abstract

Es ist ein Sensor mit einer Sendeeinrichtung (3), die Sendestrahlung entlang eines Sendepfads (S) zu einem Medium (1) sendet, und einer Messeinrichtung (5), die aus einer Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium (1) resultierende Messstrahlung empfängt und ein Messergebnis (m) einer Messgröße des Mediums (1) bestimmt, beschrieben, mit dem auf kostengünstige, platzsparende Weise mindestens eine Eigenschaft der mit dem Medium (1) wechselwirkenden Sendestrahlung bestimmt und/oder überwacht werden kann, wobei insb. auch entlang des Sendepfads (S) ggfs. auftretende Veränderungen der Sendestrahlung berücksichtigt werden. Hierzu umfasst der Sensor ein endseitig in den Sendepfad (S) eingesetztes Prisma (11, 21, 55), durch das hindurch ein erster Anteil der Sendestrahlung sich in Richtung des Mediums (1) ausbreitet und an dem ein zweiter Anteil der Sendestrahlung reflektiert wird, und einen Referenzdetektor (15), der den am Prisma (11, 21, 55) reflektierten zweiten Anteil empfängt und ein mindestens eine Eigenschaft (Iref) des am Prisma (11) reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung wiedergebendes Ausgangssignal (d(Iref)) zur Verfügung stellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer Messgröße eines Mediums, mit einer Sendeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Sendestrahlung entlang eines Sendepfads zum Medium zu senden, und einer Messeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, aus einer Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium resultierende Messstrahlung zu empfangen, die Messgröße anhand der empfangenen Messstrahlung zu bestimmen und ein Messergebnis der Messgröße zur Verfügung zu stellen.
Eine Sendeeinrichtung und eine aus einer Wechselwirkung von Sendestrahlung mit dem Medium resultierende Messtrahlung empfangende Messeinrichtung umfassende Sensoren, wie z.B. optische Sensoren und Spektrometer, werden heute bereits in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt. Mit diesen Sensoren können je nach Art der Wechselwirkung unterschiedliche Messgrößen gemessen werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Beispiele umfassen Trübungssensoren zur Messung einer Trübung des Medium, Sensoren zur Messung einer im Medium enthaltenen Feststoffkonzentration, Fluoreszenzsensoren, nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitende Sensoren, nach dem Prinzip der gedämpften Totalreflektion arbeitende Sensoren, und Absorptionssensoren, wie z.B. Sensoren zur Messung eines spektralen Absorptionskoeffizienten, sowie Sensoren zur Messung einer Konzentration eines im Medium enthaltenden Analyten.
Zur Messung der Trübung, sowie auch zur Messung von im Medium enthaltenen Feststoffkonzentration wird in der Regel Licht in das Medium gesendet und eine von der jeweiligen Messgröße abhängige Intensität der an im Medium enthaltenen Partikeln gestreuten oder reflektierten Messstrahlung gemessen.
Bei Fluoreszenzsensoren wird z.B. derart verfahren, dass eine im Medium enthaltene fluoreszierende Komponente durch in das Medium eingestrahltes Licht angeregt wird, und die Intensität der aus der Anregung resultierenden Fluoreszenzstrahlung gemessen wird.
Ein Beispiel eines Fluoreszenzsensors ist in der DE 10 2017 115 661 A1 beschrieben. Dieser Sensor umfasst eine Sendeeinrichtung, mittels der Sendestrahlung über ein endseitig in den Sendepfad eingesetztes Prisma in das Medium eingestrahlt wird, und eine Messeinrichtung, mittels der in Richtung des Prismas zurückgeworfene Messstrahlung über das Prisma empfangen wird.
Alternativ können Fluoreszenzmessungen aber auch nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung ausgeführt werden. Dieses Prinzip wird z.B. bei Sauerstoffsensoren verwendet. In dem Fall umfasst der Sensor z.B. eine mit dem Medium in Kontakt stehende sauerstoffdurchlässige Schicht, die fluoreszierende Makromoleküle umfasst, an denen im Medium enthaltene Sauerstoffmoleküle derart anhaften können, dass sie das von den Makromolekülen ausgegebene Fluoreszenzlicht schwächen. Diese Schwächung ermöglicht es z.B. den Sauerstoffpartialdruck des im Medium enthaltenen Sauerstoffs anhand der Intensität des Fluoreszenzlichts zu bestimmen.
Bei Absorptionsmessungen wird z.B. mittels der Sendeeinrichtung erzeugte Sendestrahlung durch das Medium hindurch gesendet und die Messgröße, wie z.B. ein spektraler Absorptionskoeffizient des Mediums oder eine Konzentration eines im Medium enthaltenen Analyten, anhand der spektralen Intensität oder des Intensitätsspektrums der aus dem Medium austretenden Messstrahlung bestimmt.
Unabhängig von der Art der zur Bestimmung der jeweiligen Messgröße verwendeten Wechselwirkung, wie z.B. Absorption, Reflektion, Streuung oder Fluoreszenz, besteht bei allen diesen Sensoren das Problem, dass in die Messung immer auch mindestens eine Eigenschaft, insb. die Intensität, der Sendestrahlung maßgeblich mit eingeht. Diese Eigenschaften können sich jedoch mit der Zeit und/oder in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. So kann sich z.B. die Sendeintensität von Sendeeinrichtungen, wie z.B. Leuchtdioden, durch Alterung und/oder in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Entsprechend besteht die Gefahr, dass Veränderungen von für die Messungen relevanten Eigenschaften der Sendestrahlung zu Beeinträchtigungen der Messqualität, insb. der Messgenauigkeit, führen können.
Diesem Problem kann z.B. dadurch begegnet werden, dass diese Sensoren mit einem Referenzdetektor zur Messung und/oder Überwachung der Eigenschaft(en) der Sendestrahlung, wie z.B. deren Intensität, ausgestattet werden. Das bietet den Vorteil, dass alternde Sendeeinrichtungen rechtzeitig ausgetauscht werden können und/oder ein Einfluss der sich ggfs. zeitlich verändernden Eigenschaft(en) der von der Sendeeinrichtung ausgestrahlten Sendestrahlung auf die Messung der Messgröße kompensiert werden kann.
Dabei kann der Referenzdetektor z.B. derart angeordnet werden, dass er einen von der Sendeeinrichtung entlang eines von dem Sendepfad verschiedenen Referenzpfads ausgesendeten Teil der von der Sendeeinrichtung erzeugten Sendestrahlung unmittelbar empfängt. Diese Lösung ist einfach und kostengünstig ohne zusätzliche optische Elemente realisierbar. Nachteilig ist jedoch, dass ggfs. entlang des Sendepfads auftretende Veränderungen der Eigenschaften der in Richtung des Mediums gesendeten Sendestrahlung mit diesem Referenzdetektor nicht erfasst werden können. Derartige Veränderungen können z.B. durch in den Sendepfad eingesetzte optische Elemente, wie z.B. Filter oder Linsen, verursacht werden, die einen unter Umständen zeitlich veränderlichen Einfluss auf die Sendestrahlung, auf die räumliche Strahlungscharakteristik und/oder die spektrale Strahlungscharakteristik haben. Auch diese Einflüsse können sich ggfs. nachteilig auf die Messqualität auswirken. Dieser Fall kann z.B. dann eintreten, wenn optische Elemente altern, wenn optische Elemente z.B. durch Vibrationen relativ zum Sendepfad mechanisch verschoben werden, und/oder wenn optische Elemente mit temperatur-abhängigen optischen Eigenschaften eingesetzt werden.
Um auch entlang des Sendepfads ggfs. auftretende Veränderungen der mit dem Medium wechselwirkenden Sendestrahlung berücksichtigen zu können, kann in den Sendepfad ein Strahlteiler eingesetzt werden, durch den ein erster Teil der darauf auftreffenden Sendestrahlung in Richtung des Mediums hindurchtritt, und an dem ein zweiter Teil der darauf auftreffenden Sendestrahlung in Richtung des entsprechend positionierten Referenzdetektors reflektiert wird. Das bietet den Vorteil, dass zumindest zwischen der Sendeeinrichtung und dem Strahlteiler ggfs. auftretenden Veränderungen der Sendestrahlung mittels des Referenzdetektors miterfasst und entsprechend berücksichtigt werden können. Nachteilig ist jedoch, dass der Strahlteiler ein zusätzliches Bauteil darstellt, das zusätzlichen Platz im Sensor benötigt und die Herstellungskosten erhöht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Sensor anzugeben, mit dem auf kostengünstige, platzsparende Weise mindestens eine Eigenschaft der mit dem Medium wechselwirkenden Sendestrahlung bestimmt und/oder überwacht werden kann, und hierbei insb. auch entlang des Sendepfads ggfs. auftretende Veränderungen der Sendestrahlung berücksichtigt werden.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Sensor zur Messung einer Messgröße eines Mediums, mit
einer Sendeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Sendestrahlung entlang eines Sendepfads zum Medium zu senden,
einer Messeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, aus einer Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium resultierende Messstrahlung zu empfangen, die Messgröße anhand der empfangenen Messstrahlung zu bestimmen und ein Messergebnis der Messgröße zur Verfügung zu stellen,
einem endseitig in den Sendepfad eingesetzten Prisma, wobei das Prisma derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein erster Anteil der auf das Prisma auftreffenden Sendestrahlung sich durch das Prisma hindurch in Richtung des Mediums ausbreitet und ein zweiter Anteil der auf das Prisma auftreffenden Sendestrahlung am Prisma reflektiert wird, und
einem Referenzdetektor, der dazu ausgebildet ist, den am Prisma reflektierten zweiten Anteil der Sendestrahlung zu empfangen und anhand des zweiten Anteils ein mindestens eine Eigenschaft des am Prisma reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung wiedergebendes Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Referenzdetektor den an dem endseitig in den Sendepfad eingesetzten Prisma reflektierten zweiten Anteil der Sendestrahlung empfängt. Das bietet den Vorteil, dass im Ausgangssignal des Referenzdetektors ggfs. durch die Sendeeinrichtung bedingte Veränderungen, wie z.B. eine vom Alterungszustand und/oder der Temperatur der Sendeeinrichtung abhängige Intensität der erzeugten Sendestrahlung, berücksichtigt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Ausgangssignal des Referenzdetektors zugleich auch ggfs. entlang des Sendepfads auf die Sendestrahlung einwirkende Einflüsse, wie z.B. vom Alterungszustand und/oder der Temperatur abhängige optische Eigenschaften von in dem Sendepfad eingesetzten optischen Elementen, sowie auch der Einfluss dieser ggfs. zeitlich veränderlichen optischen Eigenschaften auf die räumliche und/oder spektrale Strahlungscharakteristik des in das Medium eingestrahlten ersten Anteils der Sendestrahlung berücksichtigt sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Referenzdetektor in unmittelbarer Nähe zu dem Prisma angeordnet werden kann, und abgesehen von dem zugleich auch zur Einkopplung der Sendestrahlung in das Medium dienenden Prisma keine weiteren Komponenten erforderlich sind. Hierdurch wird eine kostengünstige, sehr wenig Platz im Sensor benötigende Durchführung der Referenzmessungen ermöglicht, die insb. auch in Sensoren sehr kleiner Baugröße einsetzbar ist.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Sensor: als Trübungssensor ausgebildet ist, als Sensor zur Messung einer im Medium enthaltenen Feststoffkonzentration ausgebildet ist, als Fluoreszenzsensor ausgebildet ist, als nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitender Sensor ausgebildet ist, als nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitender Sauerstoffsensor ausgebildet ist, als nach dem Prinzip der gedämpften Totalreflektion arbeitender ATR-Sensor ausgebildet ist, oder als Absorptionssensor ausgebildet ist.
Gemäß einer ersten Weiterbildung ist auf einer ersten Außenfläche des Prismas, auf der die entlang des Sendepfads gesendete Sendestrahlung auftrifft, eine als Teilverspiegelung oder als Entspiegelung ausgebildete Beschichtung oder eine spektral selektive Beschichtung angeordnet ist.
Gemäß einer zweiten Weiterbildung ist auf einer zweiten Außenfläche des Prismas, durch die Messstrahlung aus dem Prisma austritt, eine spektral selektive Beschichtung angeordnet, und/oder auf einer dem Medium zugewandten dritten Außenfläche des Prismas jeweils eine spektral selektive Beschichtung angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der ersten und/oder der zweiten Weiterbildung ist die spektral selektive Beschichtung oder mindestens eine der spektral selektiven Beschichtungen jeweils als Filter, als Interferenzfilter, als dichroitischer Filter, als Farbfilter, als bei einer oder mehreren Spektrallinien durchlässiger Spektralfilter oder als in einem begrenzten Wellenlängenbereich durchlässiger Bandpassfilter ausgebildet.
Eine dritte Weiterbildung umfasst einen Sensor, bei dem das Prisma:

a) als Prozesstrennung ausgebildet ist, durch die ein Innenraum des Sensors von dem Medium) getrennt ist, und/oder
b) derart am oder im Gehäuse des Sensors montiert ist, dass das Prisma eine Gehäuseöffnung des Sensors verschließt, und/oder
c) eine im Gehäuse des Sensors angeordnete erste Außenfläche aufweist, durch die der erste Anteil der darauf auftreffenden Sendestrahlung hindurchtritt und an der der zweite Anteil

Eine Weiterbildung der dritten Weiterbildung umfasst einen Sensor, bei dem das Prisma einen außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich aufweist, wobei: das Prisma mittels des Randbereichs am oder im Sensor befestigt ist, und/oder der Randbereich: a) durch eine Fügung oder eine Klebung mit dem Gehäuse des Sensors verbunden ist, b) mittels einer Einspannvorrichtung im Sensor eingespannt ist, oder c) zwischen einer Stirnseite des Gehäuses und einer am Gehäuse montierten Überwurfmutter eingespannt ist.
Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung umfasst einen Sensor, bei dem das Prisma
einen im Gehäuse angeordneten ersten Bereich aufweist, der die erste Außenfläche umfasst,
einen zweiten Bereich aufweist, der den außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich umfasst, und
der zweite Bereich entweder die dritte Außenfläche umfasst oder an einen dritten Bereich des Prismas angrenzt, der die dritte Außenfläche umfasst, wobei der dritte Bereich eine gegenüber dem zweiten Bereich verringerte Grundfläche aufweist und/oder derart ausgebildet ist, dass die dritte Außenfläche frontbündig mit einer Außenseite des Sensors oder einer Stirnseite der Überwurfmutter abschließt.
Eine Ausgestaltung umfasst einen Sensor, bei dem die Messeinrichtung an den Referenzdetektor angeschlossen ist und das Messergebnis anhand der empfangenen Messstrahlung und der Eigenschaft, mindestens einer der Eigenschaften oder jeder der Eigenschaften des am Prisma reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung bestimmt.
Eine weitere Ausgestaltung umfasst einen Sensor, bei dem
die Messeinrichtung einen Messdetektor umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Messstrahlung zu empfangen und ein von der Messgröße abhängiges Detektorsignal auszugeben,
die Messeinrichtung eine an den Messdetektor angeschlossene Messelektronik umfasst, und
die Messelektronik dazu ausgebildet ist, dass Messergebnis als ein bezüglich einer Abhängigkeit einer von der Messgröße abhängigen Eigenschaft der Messstrahlung von der Eigenschaft, mindestens einer der Eigenschaften oder jeder der Eigenschaften des am Prisma reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung kompensiertes Messergebnis zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen.
Eine Weiterbildung umfasst einen Sensor, bei dem an den Referenzdetektor eine Überwachungseinrichtung angeschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, die Eigenschaft oder mindestens eine oder jede der Eigenschaften des am Prisma reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung zu überwachen und/oder einen Alarm auszugeben, wenn die Eigenschaft oder mindestens eine der Eigenschaften außerhalb eines für die jeweilige Eigenschaft vorgegebenen Sollwertbereich liegt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist der Referenzdetektor in einem Gehäuse des Sensors in einem das Prisma außenseitlich umgebenden Bereich angeordnet ist und/oder in einer Ausnehmung in einer Gehäusewand des Gehäuses des Sensors angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die erste Außenfläche des Prismas, auf der die Sendestrahlung auftrifft, eine zweite Außenfläche des Prismas und eine dem Medium zugewandte dritte Außenfläche des Prismas in einem Dreieck angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung der letztgenannten Ausgestaltung umfasst einen Sensor, bei dem die Messeinrichtung die Messstrahlung über einen Empfangspfad empfängt, und der Empfangspfad einen antiparallel zu dem von der Sendeeinrichtung zur ersten Außenfläche des Prismas verlaufenden Abschnitt des Sendepfads verlaufenden Abschnitt umfasst, der von der zweiten Außenfläche des Prismas zur Messeinrichtung verläuft.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist in den Sendepfad mindestens ein optisches Element, ein als Filter ausgebildetes optisches Element und/oder ein als Linse ausgebildetes optisches Element eingesetzt.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt: ein Blockdiagramm eines Sensors;
2 zeigt: einen nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitenden Sensor;
3 zeigt: einen nach dem Prinzip der gedämpften Totalreflektion arbeitenden Sensor;
4 zeigt: einen als Absorptionssensor ausgebildeten Sensor;
5 zeigt: eine Schnittzeichnung eines gemäß 1 ausgebildeten Sensors; und
6 zeigt: eine Schnittzeichnung eines gemäß 1 ausgebildeten Sensors mit einem als Prozesstrennung ausgebildeten Prisma.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensors zur Messung einer Messgröße eines Mediums 1. Der Sensor umfasst eine Sendeeinrichtung 3, wie z.B. eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Sendestrahlung zum Medium 1 zu senden.
Des Weiteren umfasst der Sensor eine Messeinrichtung 5, die dazu ausgebildet ist, aus einer Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium 1 resultierende Messstrahlung zu empfangen, die Messgröße anhand der empfangenen Messstrahlung zu bestimmen und ein Messergebnis m der Messgröße zur Verfügung zu stellen.
Als Messeinrichtung 5 eignet sich z.B. eine Messeinrichtung mit einem Messdetektor 7, der die Messstrahlung empfängt und ein von der Messgröße abhängiges Detektorsignal d(m) ausgibt. Als Messdetektor 7 für elektromagnetische Strahlung eignet sich z.B. eine Photodiode, ein Photodiodenarray oder auch ein Spektrometer. Das Detektorsignal d(m) kann unmittelbar als Messergebnis zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann die Messeinrichtung 5 aber auch eine an den Messdetektor 7 angeschlossene Messelektronik 9 umfassen, die anhand des Detektorsignals d(m) einen Messwert der Messgröße bestimmt und den Messwert und/oder ein dem Messwert entsprechendes Messsignal als Messergebnis m der Messgröße zur Verfügung stellt.
Wie in 1 dargestellt, ist in den Sendepfad S endseitig ein Prisma 11 eingesetzt. Dieses Prisma 11 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass ein erster Anteil der entlang des Sendepfads S auf das Prisma 11 auftreffenden Sendestrahlung sich durch das Prisma 11 hindurch in Richtung des Mediums 1 ausbreitet und ein zweiter Anteil der entlang des Sendepfads S auf das Prisma 11 auftreffenden Sendestrahlung am Prisma 11 reflektiert wird. Wie in 1 dargestellt umfasst das Prima 11 hierzu z.B. eine erste Außenfläche 13, auf der die sich entlang des Sendepfads S ausbreitende Sendestrahlung auftrifft.
Des Weiteren umfasst der Sensor einen Referenzdetektor 15, der den am Prisma 11 reflektierten zweiten Anteil der Sendestrahlung empfängt und anhand des zweiten Anteils ein Ausgangssignal d(I_ref) zur Verfügung zu stellt, das mindestens eine Eigenschaft I_ref, wie z.B. eine Intensität, eine spektrale Intensität und/oder ein Intensitätsspektrum, des am Prisma 11 reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung wiedergibt. Als Referenzdetektor 15 eignet sich z.B. eine Photodiode, ein Photodiodenarray oder auch ein Spektrometer.
Der Sensor weist die zuvor genannten Vorteile auf. Optional können einzelne Komponenten des hier beschriebenen Sensors jeweils einzeln und/oder in Kombination miteinander einsetzbare unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen.
So können je nach Art der Messgröße und/oder der diesbezüglichen Ausgestaltung des Sensors unterschiedliche Formen der Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium 1 genutzt werden.
Eine Form der Wechselwirkung besteht darin, dass zumindest ein Teil des in das Medium 1 eintretenden ersten Anteils der Sendestrahlung im Medium 1 bzw. an im Medium enthaltenen Partikeln oder Feststoffanteilen reflektiert oder gestreut wird. In dem Fall ist die Messtrahlung reflektierte oder gestreute Strahlung. In Verbindung mit dieser Form der Wechselwirkung ist der Sensor z.B. als Trübungssensor oder als Sensor zur Messung einer im Medium 1 enthaltenen Feststoffkonzentration ausgebildet. In beiden Fällen ist die Sendeeinrichtung 3 z.B. als Lichtquelle ausgebildet, mittels der Licht in das Medium 1 gesendet wird. Als Lichtquelle eignet sich hier z.B. eine Lichtquelle, wie z.B. eine LED, eine Glühlampe, eine Blitzlampe, Gasentladungslampe oder ein Laser, die Licht in einem Wellenlängenbereich von 180 nm bis 12000 nm, insbesondere von 180 nm bis 3000 nm aussendet. Bei auf Reflektion oder Streuung basierenden Sensoren ist die Messeinrichtung 5 z.B. dazu ausgebildet eine von der Messgröße, wie z.B. der Trübung oder der Feststoffkonzentration, abhängige Intensität der Messstrahlung zu bestimmen und/oder das Messergebnis m anhand der Intensität der empfangenen Messtrahlung zu bestimmen und auszugeben.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Sensor, wie z.B. der in 1 dargestellte Sensor, als Fluoreszenzsensor ausgebildet ist. Bei Fluoreszenzsensoren besteht die Wechselwirkung z.B. darin, dass eine im Medium 1 enthaltene fluoreszierende Komponente durch den in das Medium 1 eingestrahlten ersten Anteil der Sendestrahlung zu Fluoreszenz angeregt wird. In dem Fall ist die Messtrahlung von der Komponente emittierte Fluoreszenzstrahlung und die Messeinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, die hier z. B. durch eine Konzentration der im Medium 1 enthaltenen Komponente gegebene Messgröße anhand der Intensität, der spektralen Intensität oder des Intensitätsspektrums der Messstrahlung zu bestimmen und auszugeben. Bei als Fluoreszenzsensor ausgebildeten Sensoren ist die Sendeeinrichtung 3 z.B. als Lichtquelle ausgebildet, mittels der Licht mit einem auf die fluoreszierende Komponente des Mediums 1 abgestimmten Wellenlängenbereich in das Medium 1 gesendet wird. So kann zur Messung der im Medium 1 enthaltenen Konzentration eines Analyten z.B. eine LED, eine Glühlampe, eine Blitzlampe, Gasentladungslampe oder ein Laser als Sendeeinrichtung 3 eingesetzt werden, die Sendestrahlung in einem Wellenlängenbereich von 180 nm bis 12000 nm, insbesondere von 180 nm bis 3000 nm aussendet.
2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitenden Sensor. Dieser Sensor unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Sensor lediglich dadurch, dass auf der dem Medium 1 zugewandten Seite des Prismas 11 eine mit dem Medium 1 in Kontakt stehende Schicht 17 angeordnet ist. Diese Schicht 17 enthält fluoreszierende Makromoleküle, an denen im Medium 1 enthaltene Moleküle derart anhaften können, dass sie das von den Makromolekülen ausgegebene Fluoreszenzlicht schwächen. In dem Fall besteht die Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium 1 darin, dass die durch die Sendestrahlung angeregte Fluoreszenz der Makromoleküle durch die anhaftenden Moleküle des Mediums 1 geschwächt wird. Auch hier ist die Messeinrichtung 5 z.B. dazu ausgebildet, die hier z.B. durch die Konzentration oder einen Partialdruck der im Medium 1 enthaltenen Moleküle gegebene Messgröße anhand der Intensität, der spektralen Intensität oder des Intensitätsspektrums der Messstrahlung zu bestimmen und auszugeben. Optional ist der nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitende Sensor, wie z.B. der in 2 dargestellte Sensor, z.B. als Sauerstoffsensor ausgebildet. In dem Fall ist die mit dem Medium 1 in Kontakt stehende Schicht 17 als sauerstoffdurchlässige Schicht ausgebildet, und die Messeinrichtung 5 ist dazu ausgebildet die hier z.B. durch den Sauerstoffpartialdruck des im Medium 1 enthaltenen Sauerstoffs gegebene Messgröße zu bestimmen und auszugeben.
3 zeigt als weiteres Beispiel einen Sensor, der als nach dem unter dem englischen Ausdruck „ attenuated total reflektion“ (ATR) bekannten Prinzip der gedämpften Totalreflektion arbeitender ATR-Sensor ausgebildet ist. Auch bei diesem Sensor sendet die Sendeeinrichtung 3 Sendestrahlung entlang des Sendepfads S in Richtung einer ersten Außenfläche 19 eines auch hier endseitig in den Sendepfad S eingesetzten Prismas 21. Dieses Prisma 21 ist derart ausgebildet, dass der durch die erste Außenfläche 19 in das Prisma 21 eintretende erste Anteil der Sendestrahlung im Prisma 21 mehrfach reflektiert wird und die hieraus resultierende Messstrahlung nachfolgend durch eine zweite Außenfläche 23 des Prismas 21 austritt. Das Prisma 21 weist eine dem Medium 1 zugewandte dritte Außenfläche 25 auf, die mit dem Medium 1 in Kontakt steht. Zusätzlich ist das Prisma 21 derart ausgebildet, dass die im Prisma 21 auftretenden Reflektionen mindestens eine Reflektion an der mit dem Medium 1 in Kontakt stehenden dritten Außenfläche 25 umfassen. Bei jeder dieser Reflektionen findet jeweils eine Wechselwirkung mit dem an die dritte Außenfläche 25 angrenzenden Medium 1 statt, durch die die jeweilige Reflektion abgeschwächt wird. Entsprechend ist die Messeinrichtung 5 hier derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass sie die über die zweite Außenfläche 25 des Prismas 21 austretende, durch die Wechselwirkung gedämpfte Messstrahlung empfängt. Bei als ATR-Sensor ausgebildeten Sensoren ist die Messgröße z.B. eine Konzentration eines Analyten, die mittels der Messeinrichtung 5 z. B. anhand der Absorption bestimmt wird.
4 zeigt als weiteres Beispiel einen als Absorptionssensor ausgebildeten Sensor. Bei diesem Sensor besteht die Wechselwirkung darin, dass zumindest ein Teil des in das Medium 1 eintretenden ersten Anteils der Sendestrahlung im Medium 1 absorbiert wird. Auch hier ist die Sendeeinrichtung 3 derart angeordnet, dass die Sendestrahlung entlang des Sendepfads S auf der ersten Außenfläche 13 des Prismas 11 auftrifft und der erste Anteil der Sendestrahlung durch das Prisma 11 in das Medium 1 eintritt. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen findet hier eine Transmissionsmessung statt, bei der der erste Anteil der Sendestrahlung durch das Medium 1 hindurch gesendet wird und der Messdetektor 7 der Messeinrichtung 5 die aus dem Medium 1 austretende Messtrahlung empfängt. Hierzu weist der Sensor z.B. eine Ausnehmung 27, wie z.B. den in 4 dargestellten Messspalt, zur Aufnahme des Mediums 1 auf. In dem Fall ist das Prisma 11 auf einer Seite der Ausnehmung 27 angeordnet, und der Messdetektor 7 ist auf der dem Prisma 11 gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 27 angeordnet.
Unabhängig von den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und/oder der Form der genutzten Wechselwirkung kann der Sensor z.B. mindestens ein in den Sendepfad S eingesetztes optisches Element 29, 31 umfassen. 1 bis 4 zeigen als Beispiele hierzu jeweils ein als Filter ausgebildete Element 29 und ein als Linse ausgebildetes optisches Element 31. In Verbindung mit in den Sendepfad S eingesetzten optischen Elementen 29, 31 bietet der am Prisma 11, 21 zum Referenzdetektors 15 reflektierte zweite Anteil der Sendestrahlung den Vorteil, dass mit dem Referenzdetektors 15 insb. auch durch jedes in den Sendepfad S eingesetzte optische Element 29, 31 verursachte Veränderungen der Eigenschaft(en) I_ref des in das Medium 1 eintretenden ersten Anteils der Sendestrahlung automatisch miterfasst werden. Hierüber ist insb. auch der Einfluss von temperaturabhängigen und/oder durch Alterung bedingte Veränderungen der optischen Eigenschaften der optischen Elemente 29, 31, wie z. B. Veränderungen oder Schwankungen der Filtercharakteristik des Filters und/oder der Abbildungscharakteristik der Linse, auf den mit dem Medium 1 wechselwirkenden ersten Anteil der Sendestrahlung messtechnisch erfassbar. Darüber hinaus ist hierüber auch der Einfluss von ggfs. auftretenden räumlichen Verschiebungen der optischen Elemente 29, 31, wie z.B. durch Vibrationen verursachte Verschiebungen, auf die Sendestrahlung messtechnisch erfassbar.
Optional kann auch in einem zur Messeinrichtung 5 verlaufenden Empfangspfad E, über den die Messeinrichtung 5 die Messstrahlung empfängt, mindestens ein optisches Element 29, 31, wie z.B. die in 1 bis 4 darstellten, als Filter ausgebildeten optischen Elemente 29 und/oder die in 1 bis 4 darstellten als Linse ausgebildeten, optischen Elemente 31, eingesetzt sein.
Alternativ oder zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen kann das Prisma 11, 21 je nach Art des Sensors und/oder der zu messenden Messgröße unterschiedlich ausgestaltet sein. 1 und 2 zeigen hierzu eine Ausführungsform, bei der die erste Außenfläche 13 des Prismas 11, auf der die Sendestrahlung auftrifft, eine zweite Außenfläche 33 des Prisma 11 und eine dem Medium 1 zugewandte dritte Außenfläche 35 des Prismas 11 in einem Dreieck angeordnet sind. Dabei ist das Prisma 11 derart endseitig in den Sendepfad S eingesetzt, dass die entlang des Sendepfads S zum Prisma 11 gesendete Sendestrahlung unter einem Einfallswinkel zur Flächennormale auf die erste Außenfläche 13 des Prismas 11 auftrifft. Entsprechend wird der zweite Anteil der Sendestrahlung an der ersten Außenfläche 13 in eine Richtung zum Referenzdetektor 15 reflektiert, die senkrecht zu dem auf die erste Außenfläche 13 auftreffenden Abschnitt des Sendepfads S verläuft.
Diese Ausführungsform ist insb. dann von Vorteil, wenn es sich bei der Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium 1 um eine Wechselwirkung handelt, bei der sich die Messstrahlung zumindest auch in einer entgegen der Senderichtung durch das Prisma 11 hindurch gerichteten Richtung ausbreitet. In dem Fall ist der Sensor z.B. derart ausgebildet, dass die über das Prisma 11 von der Messeinrichtung 5 empfangene Messtrahlung durch die zweite Außenfläche 33 des Prismas 11 hindurch aus dem Prisma 11 austritt. Bei dieser Ausführungsform weist der Empfangspfad E vorzugsweise einen antiparallel zu dem von der Sendeeinrichtung 3 zur ersten Außenfläche 13 des Prismas 11 verlaufenden Abschnitt des Sendepfads S verlaufenden Abschnitt auf, der von der zweiten Außenfläche 33 des Prismas 11 zur Messeinrichtung 5 verläuft.
5 zeigt hierzu eine Schnittzeichnung einer Ausführungsform des in 1 dargestellten Sensors, bei dem die Sendeeinrichtung 3, die Messeinrichtung 5, der Referenzdetektor 15 und das Prisma 11 in einem Gehäuse 37, wie z.B. einem zylindrischen Gehäuse, angeordnet sind. Hierdurch wird eine sehr kompakte Bauform des Sensors ermöglicht.
Insb. im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauform des Sensors ist der Referenzdetektor 15 vorzugsweise in einem geringen Abstand vom Prisma 11, 21, wie z.B. einem Abstand von 1 mm bis 20 mm, angeordnet. Hierzu ist der Referenzdetektor 15 z.B. in einem das Prisma 11, 21 außenseitlich umgebenden Bereich des Sensors angeordnet. 5 zeigt hierzu eine Ausführungsform, bei der der Referenzdetektor 15 auf platzsparende Weise in einer Ausnehmung 39 in einer Gehäusewand des Gehäuses 37 des Sensors angeordnet ist. Analog können auch die in den 1 bis 4 dargestellten Referenzdetektoren 15 in einem das jeweilige Prisma 11, 21 außenseitlich umgebenden Bereich des Sensors und/oder in einer Ausnehmung in einer Gehäusewand eines Gehäuses des Sensors angeordnet sein.
Eine weitere optionale Ausgestaltung besteht darin, dass auf der ersten Außenfläche 13 des Prismas 11, auf der die zum Prisma 11 gesendete Sendestrahlung auftritt, eine Beschichtung 41 oder 42 angeordnet ist. Diese in 1 als optionales Merkmal gestrichelt dargestellte Beschichtung 41, 42 ist analog auch auf der ersten Außenfläche von Prismen, wie z.B. dem in 3 dargestellten Prisma 21, einsetzbar, die eine andere Form aufweisen.
Als Beschichtung 41 eignet sich z.B. eine Teilverspiegelung oder eine Entspiegelung. Durch die Teilverspiegelung oder die Entspiegelung wird der an der ersten Außenfläche 13 des Prismas 11 reflektierte, zweite Anteil der auf die erste Außenfläche 13 auftreffenden Sendestrahlung erhöht bzw. erniedrigt. Das bietet den Vorteil, dass die Intensität des reflektierten zweiten Anteils über die dementsprechend ausgebildete Beschichtung 41 auf eine für die mittels des Referenzdetektors 15 ausführbare Referenzmessung optimale Intensität einstellbar ist bzw. eingestellt wird.
Alternativ kann die Beschichtung als spektral selektive Beschichtung 42 ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist insb. dann von Vorteil, wenn nur ein Teilbereich eines Wellenlängenspektrums der von der Sendeinrichtung 3 ausgesendeten Sendestrahlung für die Messung der Messgröße relevant ist und/oder Störstrahlung ausgeblendet werden soll. Insoweit ist die spektral selektive Beschichtung 42 z. B. als Filter ausgebildet. Dieser Filter ist je nach Art des Teilbereichs des Wellenlängenspektrums und/oder der auszublenden Störstrahlung z.B. als bei einer oder mehreren Spektrallinien durchlässiger Spektralfilter oder als ein in einem begrenzten Wellenlängenbereich durchlässiger Bandpassfilter ausgebildet. Hierzu kann die spektral selektive Beschichtung 42 z.B. als Interferenzfilter, als dichroitischer Filter oder als Farbfilter ausgebildet sein. Hierdurch ist es insb. auch möglich, die mittels des Referenzdetektors 15 auszuführende Referenzmessung bei einer anderen Wellenlänge vorzunehmen als die Messung der Messgröße. Die spektral selektive Beschichtung 42 bietet den Vorteil, dass sie kostengünstiger ist und weniger Platz benötigt als herkömmliche als Einzelbauteil in den in den Sendepfad S einsetzbare Filter.
Optional kann auch auf der zweiten Außenfläche 33 des Prismas 11, durch die die Messstrahlung aus dem Prisma 11 austritt, und/oder auf der dem Medium 1 zugewandten dritten Außenfläche 35 des Prismas 11 jeweils eine spektral selektive Beschichtung 43, 45 angeordnet sein. Analog zu der spektral selektiven Beschichtung 42 ist eine oder jede dieser in 1 jeweils als Option gestrichelt dargestellten, spektral selektiven Beschichtungen 43, 45 jeweils z.B. als Filter, als Spektralfilter oder als Bandpassfilter ausgebildet. Entsprechende spektral selektiven Beschichtungen können analog auf den entsprechenden Außenflächen von eine andere Formgebung aufweisenden Prismen vorgesehen sein. Diese spektral selektiven Beschichtungen 43, 45 bietet jeweils den Vorteil, dass durch sie die von der Messeinrichtung 5 empfangende Messstrahlung auf eine oder mehrere für die Messung der Messgröße relevante Spektrallinien oder einen für die Messung der Messgröße relevanten Wellenlängenbereich begrenzbar ist. Dabei sind sie kostengünstiger und benötigen weniger Platz als ein als Einzelbauteil in den Empfangspfad E einsetzbarer Filter.
Unabhängig von den zuvor genannten Ausgestaltungen kann der Sensor z.B. ein in eine Gehäusewand des Sensors eingesetztes, für die Sendestrahlung transparentes erstes Fenster 47 aufweisen, durch das hindurch der erste Anteil der Sendestrahlung in das Medium 1 eintritt. Beispiele hierzu sind in 4 und 5 dargestellt. Dort weist das erste Fenster 47 jeweils eine mit dem Medium 1 in Kontakt stehende Außenseite auf, und das Prisma 11 ist auf einer der Außenseite des ersten Fensters 47 gegenüberliegenden Seite im Gehäuse 37 des Sensors angeordnet. Bei Sensoren, wie z.B. den in 1 und 5 dargestellten Sensoren, bei denen die Messstrahlung durch das Prisma 11 zur Messeinrichtung 5 gelangt, tritt auch die Messtrahlung durch das erste Fenster 47 hindurch in das Prisma 11 ein.
5 zeigt ein Beispiel, bei dem das Prisma 11 im Sensor auf einem zwischen dem Prisma 11 und dem ersten Fenster 47 angeordneten, z.B. ringscheibenförmigen, Montageelement 49 angeordnet ist. Das Montageelement 49 weist mindestens eine Durchtrittsöffnung 51 auf, durch die der erste Anteil der Sendestrahlung in das Medium 1 eintritt und durch die hindurch die Messstrahlung empfangen wird.
Bei dem in 4 dargestellten Sensor ist das erste Fenster 47 in einen die Ausnehmung 27 begrenzenden Gehäusewandbereich des Sensorgehäuses 52 eingesetzt. Zusätzlich ist in einen dem ersten Fenster 47 auf der anderen Seite der Ausnehmung 27 gegenüberliegenden Gehäusewandbereich des Sensorgehäuses 52 ein zweites Fenster 53 eingesetzt, durch das der Messdetektor 7 der Messeinrichtung 5 die Messstrahlung empfängt.
Wie in den 4 und 5 dargestellt, bildet das erste Fenster 47 eine Prozesstrennung, durch die ein Innenraum des Sensors in für die Sendestrahlung bzw. für die Sendestrahlung und die Messstrahlung transparenter Weise von dem im Messbetrieb auf der Außenseite des ersten Fensters 47 befindlichen Medium 1 getrennt ist.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass das Prisma 55 des Sensors dazu ausgebildet ist, zugleich auch die Funktion des ersten Fensters 47 als Prozesstrennung zu übernehmen. 6 zeigt als ein Beispiel hierzu eine Abwandlung des in 5 dargestellten Sensors, bei der das Prisma 55 als den Innenraum des Sensors vom Medium 1 trennende Prozesstrennung ausgebildet ist. Hierzu ist das Prisma 55 z.B. derart am oder im Gehäuse 37 des Sensors montiert, dass es eine Gehäuseöffnung des Sensors verschließt. Dabei ist die erste Außenfläche 57 des Prismas 55, durch die der erste Anteil der darauf auftreffenden Sendestrahlung hindurchtritt und an der der zweite Anteil der Sendestrahlung zum Referenzdetektor 15 reflektiert, im Gehäuse 37 angeordnet. Darüber hinaus ist die dem Medium 1 zugewandte dritte Außenfläche 59 des Prismas 55 derart angeordnet, dass sie im Messbetrieb mit dem Medium 1 in Kontakt steht.
Das als Prozesstrennung ausgebildete Prisma 55 kann auf unterschiedliche Weise montiert sein. 6 zeigt als ein Beispiel hierzu eine Ausgestaltung, bei der das Prisma 55 einen außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich 61 aufweist, mittels dessen das Prisma 55 am oder im Sensor befestigt ist. Dieser Randbereich 61 kann z.B. durch eine Fügung oder eine Klebung mit dem Gehäuse 37 des Sensors verbunden sein. Alternativ kann der Randbereich 61 aber auch mittels einer Einspannvorrichtung im Sensor eingespannt sein. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu, bei dem der äußere Randbereich 61 zwischen einer Stirnseite des Gehäuses 37 und einer am Gehäuse 37 montierten, z.B. aufgeschraubten, Überwurfmutter 63 eingespannt ist. Die Überwurfmutter 63 weist eine Durchtrittöffnung auf, die die im Messbetrieb mit dem Medium 1 in Kontakt stehende dritte Außenfläche 59 des Prismas 55 freigibt. Unabhängig von der Wahl der Einspannvorrichtung erfolgt die Einspannung des äußeren Randbereichs 61 z.B. unter Zwischenfügung einer Dichtung 65, wie z.B. der in 6 zwischen dem äußeren Randbereich 61 und der Überwurfmutter 63 eingespannten Dichtung 65.
Das in 6 dargestellte Prisma 55 weist einen im Gehäuse 37 angeordneten ersten Bereich auf, der die erste Außenfläche 57 umfasst. An den ersten Bereich grenzt ein zweiter Bereich an, der den außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich 61 aufweist. Dabei kann das Prisma derart geformt sein, dass die vom ersten Bereich abgewandte Seite des zweiten Bereichs die dritte Außenfläche umfasst. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der das Prisma 55 zusätzlich einen dritten Bereich aufweist, der auf der dem ersten Bereich gegenüberliegenden Seite des zweiten Bereichs angeordnet ist und die dritte Außenfläche 59 umfasst. Dabei weist der dritte Bereich z.B. eine gegenüber dem zweiten Bereich verringerte Grundfläche auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist der dritte Bereich z.B. derart ausgebildet, dass die dritte Außenfläche 59 frontbündig mit einer Außenseite des Sensors, wie z.B. der Stirnseite Überwurfmutter 63, abschließt.
Analog können auch eine andere Prismen-Geometrie als die in 6 dargestellte Dreiecksform aufweisende Prismen als Prozesstrennung ausgebildet sein. So kann z.B. das in 3 dargestellte Prisma 21 auf die hier am Beispiel des in 6 dargestellten Prismas 55 beschriebene Weise als Prozesstrennung ausgebildet sein. Dabei kann auch das in 3 dargestellte Prisma 21 z.B. einen in 3 als Option gestrichelt dargestellten außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich 61 aufweisen, mittels dessen das Prisma 21 an oder in einem in 3 nicht dargestellten Gehäuse des Sensor befestigbar bzw. befestigt ist.
Sensoren mit zugleich auch als Prozesstrennung ausgebildetem Prisma 55 bieten gegenüber Sensoren mit ersten Fenstern 47 den Vorteil, dass die optischen Übergänge zwischen dem Prisma 11 und dem ersten Fenster 47 entfallen. Damit wird eine effizientere, insb. verlustärmere Nutzung der Sendestrahlung erzielt. Weitere Vorteile bestehen darin, dass Sensoren ohne das erste Fenster 47 weniger Oberflächen aufweisen, die unter Umständen verschmutzen können, und dass die bei Sensoren mit erstem Fenster 47 bei der Herstellung erforderliche Ausrichtung des Prismas 11 und des ersten Fensters 47 zueinander entfällt.
Wie zuvor beschrieben, ist der Referenzdetektor 15 dazu ausgebildet ist, den am Prisma 11, 21, 55 reflektierten zweiten Anteil der Sendestrahlung zu empfangen und anhand des zweiten Anteils ein mindestens eine Eigenschaft I_ref, wie z.B. eine Intensität, eine spektrale Intensität und/oder ein Intensitätsspektrum, des am Prisma 11, 21, 55 reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung wiedergebendes Ausgangssignal d(I_ref) zur Verfügung zu stellen. Dieses Ausgangssignal d(I_ref) kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden.
Eine in den 1 bis 6 dargestellte Ausführungsform sieht vor, dass die Messeinrichtung 5 an den Referenzdetektor 15 angeschlossen ist und das Messergebnis m anhand der empfangenen Messstrahlung und des Ausgangssignal d(I_ref) des Referenzdetektors 15 bestimmt. Dabei ist die Messelektronik 9 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie das Messergebnis m als ein bezüglich einer Abhängigkeit einer von der Messgröße abhängigen Eigenschaft der Messstrahlung von der Eigenschaft I_ref bzw. mindestens einer oder jeder der Eigenschaften I_ref des am Prisma 11, 21, 55 reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung kompensiertes Messergebnis bestimmt und zur Verfügung stellt. Auf diese Weise kann z.B. eine mittels des Messdetektors 7 zur Bestimmung der Messgröße gemessene Intensität der Messstrahlung bezüglich deren Abhängigkeit von der Intensität der auf das Prisma 11, 21, 55 auftreffenden Sendestrahlung kompensiert werden. Dabei werden automatisch alle ggfs. die Eigenschaft(en) I_ref der auf das Prisma 11, 21, 55 auftreffenden Sendestrahlung beeinflussenden Faktoren berücksichtigt. Hierzu zählen z.B. durch Alterungserscheinungen und/oder Temperaturabhängigkeiten der Sendereinrichtung 3 bedingte Veränderungen der ausgesendeten Sendestrahlung, sowie entlang des Sendepfads S bis zum Auftreffen auf das Prisma 11, 21, 55 ggfs. auftretende Veränderungen der von der Sendeeinrichtung 3 ausgesendeten Sendestrahlung. Das bietet den Vorteil eines entsprechend geringen Messfehlers des Messergebnisses m.
Alternativ oder zusätzlich hierzu umfasst der Sensor z.B. eine an den Referenzdetektor 15 angeschlossene Überwachungseinrichtung 67, die dazu ausgebildet ist, die Eigenschaft I_ref bzw. mindestens eine oder jede der Eigenschaften I_ref des am Prisma 11, 21, 55 reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung zu überwachen und/oder einen Alarm A auszugeben, wenn die Eigenschaft I_ref oder mindestens eine der Eigenschaften I_ref außerhalb eines für die jeweilige Eigenschaft I_ref vorgegebenen Sollwertbereich liegt. Insoweit kann z.B. ein Alarm A ausgegeben werden, wenn die Intensität des vom Referenzdetektor 15 empfangenen zweiten Anteils der Sendestrahlung unter einen vorgegebenen Mindestwert abfällt. In den 1 bis 4 ist die Überwachungseinrichtung 67 als Bestandteil der Messelektronik 9 ausgebildet. Alternativ kann die Überwachungseinrichtung 67 aber auch als separate, an den Referenzdetektor 15 angeschlossene Einrichtung ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Medium
3: Sendeinrichtung
5: Messeinrichtung
7: Messdetektor
9: Messelektronik
11: Prisma
13: Erste Außenfläche
15: Referenzdetektor
17: Schicht
19: Erste Außenfläche
21: Prisma
23: Zweite Außenfläche
25: Dritte Außenfläche
27: Ausnehmung
29: Optisches Element
31: Optisches Element
33: Zweite Außenfläche
35: Dritte Außenfläche
37: Gehäuse
39: Ausnehmung
41: Beschichtung
42: Spektral selektive Beschichtung
43: Spektral selektive Beschichtung
45: Spektral selektive Beschichtung
47: Erstes Fenster
49: Montageelement
51: Durchtrittsöffnung
52: Sensorgehäuse
53: Zweites Fenster
55: Prisma
57: Erste Außenfläche
59: Dritte Außenfläche
61: Randbereich
63: Überwurfmutter
65: Dichtung
67: Überwachungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017115661 A1 [0005]

Claims

Sensor zur Messung einer Messgröße eines Mediums (1), mit einer Sendeeinrichtung (3), die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Sendestrahlung entlang eines Sendepfads (S) zum Medium (1) zu senden, einer Messeinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, aus einer Wechselwirkung der Sendestrahlung mit dem Medium (1) resultierende Messstrahlung zu empfangen, die Messgröße anhand der empfangenen Messstrahlung zu bestimmen und ein Messergebnis (m) der Messgröße zur Verfügung zu stellen. einem endseitig in den Sendepfad (S) eingesetzten Prisma (11, 21, 55), wobei das Prisma (11, 21, 55) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass ein erster Anteil der auf das Prisma (11, 21, 55) auftreffenden Sendestrahlung sich durch das Prisma (11, 21, 55) hindurch in Richtung des Mediums (1) ausbreitet und ein zweiter Anteil der auf das Prisma (11, 21, 55) auftreffenden Sendestrahlung am Prisma (11, 21, 55) reflektiert wird, und einem Referenzdetektor (15), der dazu ausgebildet ist, den am Prisma (11, 21, 55) reflektierten zweiten Anteil der Sendestrahlung zu empfangen und anhand des zweiten Anteils ein mindestens eine Eigenschaft (I_ref) des am Prisma (11) reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung wiedergebendes Ausgangssignal (d(I_ref)) zur Verfügung zu stellen.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor: als Trübungssensor ausgebildet ist, als Sensor zur Messung einer im Medium (1) enthaltenen Feststoffkonzentration ausgebildet ist, als Fluoreszenzsensor ausgebildet ist, als nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitender Sensor ausgebildet ist, als nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitender Sauerstoffsensor ausgebildet ist, als nach dem Prinzip der gedämpften Totalreflektion arbeitender ATR-Sensor ausgebildet ist, oder als Absorptionssensor ausgebildet ist.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 2, bei dem auf einer ersten Außenfläche (13) des Prismas (11), auf der die entlang des Sendepfads (S) gesendete Sendestrahlung auftrifft, eine als Teilverspiegelung oder als Entspiegelung ausgebildete Beschichtung (41) oder eine spektral selektive Beschichtung (42) angeordnet ist.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 3, bei dem auf einer zweiten Außenfläche (33) des Prismas (11), durch die Messstrahlung aus dem Prisma (11) austritt, eine spektral selektive Beschichtung (43) angeordnet ist, und/oder auf einer dem Medium (1) zugewandten dritten Außenfläche (35) des Prismas (11) jeweils eine spektral selektive Beschichtung (45) angeordnet ist.
Sensor gemäß Anspruch 3 bis 4, bei dem die spektral selektive Beschichtung (42, 43, 45) oder mindestens eine der spektral selektiven Beschichtungen (42, 43, 45) jeweils als Filter, als Interferenzfilter, als dichroitischer Filter, als Farbfilter, als bei einer oder mehreren Spektrallinien durchlässiger Spektralfilter oder als in einem begrenzten Wellenlängenbereich durchlässiger Bandpassfilter ausgebildet ist.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 5, bei dem das Prisma (55): a) als Prozesstrennung ausgebildet ist, durch die ein Innenraum des Sensors von dem Medium (1) getrennt ist, und/oder b) derart am oder im Gehäuse (37) des Sensors montiert ist, dass das Prisma (55) eine Gehäuseöffnung des Sensors verschließt, und/oder c) eine im Gehäuse (37) des Sensors angeordnete erste Außenfläche (57) aufweist, durch die der erste Anteil der darauf auftreffenden Sendestrahlung hindurchtritt und an der der zweite Anteil der Sendestrahlung zum Referenzdetektor (15) reflektiert wird, und eine im Messbetrieb mit dem Medium (1) in Kontakt stehende, dritte Außenfläche (59) aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem das Prisma (55) einen außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich (61) aufweist, wobei: das Prisma (55) mittels des Randbereichs (61) am oder im Sensor befestigt ist, und/oder der Randbereich (61): a) durch eine Fügung oder eine Klebung mit dem Gehäuse (37) des Sensors verbunden ist, b) mittels einer Einspannvorrichtung im Sensor eingespannt ist, oder c) zwischen einer Stirnseite des Gehäuses (37) und einer am Gehäuse (37) montierten Überwurfmutter (63) eingespannt ist.
Sensor gemäß Anspruch 7, bei dem das Prisma (55) einen im Gehäuse (37) angeordneten ersten Bereich aufweist, der die erste Außenfläche (57) umfasst, einen zweiten Bereich aufweist, der den außenseitlich vorstehenden äußeren Randbereich (61) umfasst, und der zweite Bereich entweder die dritte Außenfläche umfasst oder an einen dritten Bereich des Prismas (55) angrenzt, der die dritte Außenfläche (59) umfasst, wobei der dritte Bereich eine gegenüber dem zweiten Bereich verringerte Grundfläche aufweist und/oder derart ausgebildet ist, dass die dritte Außenfläche (59) frontbündig mit einer Außenseite des Sensors oder einer Stirnseite der Überwurfmutter (63) abschließt.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 8, bei dem die Messeinrichtung (5) an den Referenzdetektor (15) angeschlossen ist und das Messergebnis (m) anhand der empfangenen Messstrahlung und der Eigenschaft (I_ref), mindestens einer der Eigenschaften (I_ref) oder jeder der Eigenschaften (I_ref) des am Prisma (11, 21, 55) reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung bestimmt.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 9, bei dem die Messeinrichtung (5) einen Messdetektor (7) umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Messstrahlung zu empfangen und ein von der Messgröße abhängiges Detektorsignal (d(m)) auszugeben, die Messeinrichtung (5) eine an den Messdetektor (7) angeschlossene Messelektronik (9) umfasst, und die Messelektronik (9) dazu ausgebildet ist, dass Messergebnis (m) als ein bezüglich einer Abhängigkeit einer von der Messgröße abhängigen Eigenschaft der Messstrahlung von der Eigenschaft (I_ref), mindestens einer der Eigenschaften (I_ref) oder jeder der Eigenschaften (I_ref) des am Prisma (11, 21, 55) reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung kompensiertes Messergebnis (m) zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 10, bei dem an den Referenzdetektor (15) eine Überwachungseinrichtung (67) angeschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, die Eigenschaft (I_ref) oder mindestens eine oder jede der Eigenschaften (I_ref) des am Prisma (11, 21, 55) reflektierten zweiten Anteils der Sendestrahlung zu überwachen und/oder einen Alarm (A) auszugeben, wenn die Eigenschaft (I_ref) oder mindestens eine der Eigenschaften (I_ref) außerhalb eines für die jeweilige Eigenschaft (I_ref) vorgegebenen Sollwertbereich liegt.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 11, bei dem der Referenzdetektor (15) in einem Gehäuse (37) des Sensors in einem das Prisma (11, 21, 55) außenseitlich umgebenden Bereich angeordnet ist und/oder in einer Ausnehmung (39) in einer Gehäusewand des Gehäuses (37) des Sensors angeordnet ist.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 12, bei dem die erste Außenfläche (13, 57) des Prismas (11, 55), auf der die Sendestrahlung auftrifft, eine zweite Außenfläche (33) des Prismas (11, 55) und eine dem Medium (1) zugewandte dritte Außenfläche (35, 59) des Prismas (11, 55) in einem Dreieck angeordnet sind.
Sensor gemäß Anspruch 13, bei dem die Messeinrichtung (5) die Messstrahlung über einen Empfangspfad (E) empfängt, und der Empfangspfad (E) einen antiparallel zu dem von der Sendeeinrichtung (3) zur ersten Außenfläche (13, 57) des Prismas (11, 55) verlaufenden Abschnitt des Sendepfads (S) verlaufenden Abschnitt umfasst, der von der zweiten Außenfläche (35) des Prismas (11, 55) zur Messeinrichtung (5) verläuft.
Sensor gemäß Anspruch 1 bis 14, bei dem in den Sendepfad (S) mindestens ein optisches Element (29, 31), ein als Filter ausgebildetes optisches Element (29) und/oder ein als Linse ausgebildetes optisches Element (31) eingesetzt ist.