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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus
von transparenten Flüssigkeiten
sowie zur Bestimmung des Verunreinigungsgrades unterschiedlicher
Wasser und ähnlicher
transparenter Flüssigkeiten
in Behältern.
Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar zur Optimierung technologischer
Prozesse, wie zum Beispiel Wasch- und Spülprozesse in Waschmaschinen,
in Geschirrspülmaschinen
oder in der chemischen Industrie.
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Die
Bestimmung der Höhe
des Flüssigkeitsniveaus,
insbesondere von unterschiedlichem Wasser, ist eintechnisch und
technologisch bedeutsames Problem, was sich auch in verschiedenen
Erfindungsanmeldungen zu diesem Komplex widerspiegelt.
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Mit
der Bereitstellung und der Applikation von optoelektronischen Halbleiterbauelementen
entstanden neue Möglichkeiten
in der Messmethodik, wobei sowohl licht- bzw. strahlungsemittierende
Dioden als auch einfache und integrierte Photoempfänger zum
Einsatz kamen.
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Bisherige
Lösungen
nutzen die Grenzfläche Flüssigkeit – Luft (oder
Gas) für
die Reflexion, die Totalreflexion, die stufenweise Reflexion entsprechend gestalteter
Schwimmkörper,
die diffuse Reflexion an Schaum, die photoelektrische Messung in
Form einer optoelektronischen Lichtschranke (
DE 28 55 651 C2 ) oder von
Vielfachlichtschranken (
DD
268 522 A1 und
DE
36 05 403 A1 ) weiter durch entsprechend gestaltete Formen
für Optokoppler
bzw. Lichtschranken (
DE
42 42 927 A1 ), das photometrische Entfernungsgesetz und
faseroptische Sensoren (
DE
32 35 591 C2 ) sowie weitere Lösungen zur üblichen Distanzmessung unter
Applikation von Laser- und Lichtemitterdioden, um das Flüssigkeitsniveau
zu bestimmen.
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So
beschreibt beispielsweise die
DE 28 55 651 C2 eine Lösung, bei der eine Lichtschranke
an einem Steigrohr in zwei unterschiedlichen Höhen den Durchgang des Flüssigkeitsspiegels über eine
elektronische Schaltung registriert. In der Druckschrift
DD 268 522 A1 sind
eine größere Anzahl
von Lichtschranken bei schräg
gestelltem Steigrohr angeordnet, um gegenüber der in der Druckschrift
DE 28 55 651 C2 beschriebenen
Lösung
eine höhere
Auflösung
zu erreichen. Eine ähnliche
Lösung
wird in der
DE 36 05
403 A1 beschrieben, wobei hier das Steigrohr mit anwachsendem
Flüssigkeitsniveau
als abbildende Linse für
den Photoempfänger
genutzt wird. Die tatsächliche
Steighöhe
wird durch Interpolation zwischen den Lichtschranken realisiert.
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Die
DE 32 35 591 C2 beschreibt
eine Lösung,
bei der nur der eine Lichtwellenleiter in die Flüssigkeit eintaucht oder eine
Verzweigung oder auch ein speziell geformtes Faserende Verwendung finden
sollen.
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Aus
DE 100 39 765 A1 ist
die Messung einer Füllhöhe mittels
Lichtschrankenprinzip und aus
DE 101 46 165 A1 die Messung des Verschmutzungsgrades
im Rahmen eines Wasserqualitätsmesssystems
bekannt.
DE 198 33
766 A1 beschreibt eine kontinuierliche Pegelstandsmessung
mit spezifisch geformtem Lichtwellenleiter, während
DE 38 42 480 A1 ein Netz
aus planaren polymeren Lichtleitern zeigt. Schließlich ist
aus
JP 6 20 22 026
A ein Flüssigkeitssensor
zur Pegelstandsmessung bekannt. Aus der nachveröffentlichten Druckschrift
DE 102 01 767 A1 ist
eine Haushaltsmaschine zum Reinigen von Haushaltsgegenständen bekannt,
bei der mit optischen Mitteln der Füllstand und der Verunreinigungsgrad
von Wasser gemessen wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
die es unter Anwendung der Halbleiter-Optoelektronik ermöglicht,
in einem transparenten flüssigen
Medium gleichzeitig bei guter Auflösung eine zuverlässige Bestimmung
der Höhe
des Flüssigkeitsniveaus
bei simultaner Messung des Verunreinigungsgrades auch unter Berücksichtigung
einer Schaumbildung zu realisieren.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst.
Dadurch, dass die Vorrichtung zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades
von Wassern und anderen transparenten Flüssigkeiten in einem Behälter vorgesehen
ist, wobei mehrere Lichtsendeeinheiten und Lichtempfangseinheiten
zur Messung der Höhe
des Flüssigkeitsniveaus
längs einer
Messstrecke, die den Höhenmessbereich
abdeckt, angeordnet sind, wobei als Lichtsendeeinheiten eine Anzahl
Emitterdioden mit in der Wellenlänge
unterschiedlichen Emissionsspektren an der Messstrecke angeordnet
sind und als Lichtempfangseinheiten den Emitterdioden gegenüberliegend
Lichtwellenleiter, deren Enden zur Bündelung der durch die Flüssigkeit
modifizierten Emissionsspektren mittels eines Mehrfachkopplers zusammengeführt sind,
und wobei dem Mehrfachkoppler ein optoelektronischer Empfänger zur
Registrierung und Auswertung der erfassten transmittierten Strahlung
zugeordnet ist, ist es vorteilhaft möglich, eine zuverlässige Bestimmung
der Höhe
des Flüssigkeitsniveaus
und des Verunreinigungsgrades zu erzielen.
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Die
Lösung
ist in ihrer grundsätzlichen
Ausgestaltung nicht auf die Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus und des Verunreinigungsgrades
von hinreichend transparenten Flüssigkeiten
in Behältern beschränkt. Das
heißt,
sie ist grundsätzlich
auch darüber
hinaus anwendbar, sofern die vorrichtungsseitigen Mittel plazierbar
sind.
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Die
Auswertung der Spektren erfolgt vorzugsweise nach Streu- und Absorptionsmodifikationen
durch die verunreinigte Flüssigkeit
sowie nach Intensitätsverhältnissen.
Weitere Kriterien sind die Verschiebung der Peakwellenlänge λp, die Veränderung
der Halbwertsbreite Δλ und der
Symmetrie sowie der Überlappungsgebiete
und der Verbreiterung der Fußpunkte
der Spektren.
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Die
Erfindung bietet auch die Möglichkeit, solche
Spektren auszuwerten, die infolge einer optischen Anregung durch
den LED/IRED entstehen und die damit zu nachweisbaren verunreinigungsspezifischen
Fluoreszenzen führen.
Diese verunreinigungsspezifischen Fluoreszenzen können gezielt
zu einer spezifischen Verunreinigungsanalytik herangezogen werden.
Mit Hilfe dieser Analytik ist es beispielsweise in kurzer Zeit möglich, spezielle
Verunreinigungen zu bestimmen.
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Strahlungemittierende
Halbleiterdioden (LED; IRED) weisen ein typisches Emissionsspektrum
auf, das mit einer schiefen Gaußkurve
verglichen werden kann, wobei die Halbwertsbreiten der Spektren
zwischen etwa 20 nm und 100 nm liegen können. Verwendet man in einer
Vorrichtung, die einen Sensor darstellt, unterschiedliche Strahlungsemitter derart,
dass sich die Spektren nicht direkt oder nur an den Fußpunkten
sehr schwach überlappen,
dann kann jedes einzelne Spektrum in Abhängigkeit vom Abstand zum nächstliegenden
gut verifiziert werden. Voraussetzung ist ein Spektrometer mit ausreichendem
Auflösungsvermögen.
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Die
Erfindung sieht auch die Möglichkeit
vor, dass bedingt durch Ablagerungen an der Messstrecke, die die
Auswertung beeinflussen können,
eine veränderte
Ansteuerung der emittierten Dioden mit größeren oder impulsartigen Flussströmen erfolgt, um
damit Messwertfehler bzw. Ungenauigkeiten in einem gewissen Grade
kompensieren zu können. Dabei
müssen
die Pulszeiten etwas länger
als die Integrationszeiten des Spektrometers sein.
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Erfindungsgemäß kann die
Messtrecke nach einer weiteren Modifizierung auch derart ausgebildet sein,
dass strahlungemittierende Dioden an verschiedenen Steigrohren bzw.
Bypässen
angeordnet sind. Die Ausbildung der Messstrecke hängt von
den örtlichen
Gegebenheiten und schließlich
von der zu messenden und bezüglich
ihrer Verunreinigung zu analysierenden optisch hinreichend transparenten
Flüssigkeit
ab.
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Zweckmäßigerweise
ist der Strahlengang vor dem Eintritt der Messstrecke durch eine
Mikrolinse parallelisiert. Die Linse ist hierzu vor der Messstrecke
angeordnet. Diese Maßnahme
dient zur Verringerung von Messwertfehlern.
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Der
Vorteil der neuen Lösung
liegt zum einen in dem Einsatz von langlebigen strahlungemittierenden
Dioden in Verbindung mit einem Spektrometer und zum anderen in der
Verknüpfung
der Messung des Flüssigkeitsniveaus
mit einer Aussage zum Verunreinigungsgrad der zu analysierenden
Flüssigkeit.
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Wichtig
und vorteilhaft ist hierbei auch, dass die Meßergebnisse durch eine gleichzeitige
Signalverarbeitung der unterschiedlichen Halbleiterstrahlungsemitter
kurzfristig zur Verfügung
stehen und somit die Möglichkeit
bieten, durch gezielte Veränderungen
im nachfolgenden technologischen Ablauf den Prozeß im Sinne
einer Prozeßoptimierung
zu beeinflussen. Die Veränderung
des technologischen Prozesses kann z. B. dergestalt sein, dass bei
grober Verschmutzung des üblicherweise
letzten Spülwassers
die Anzahl der Spülvorgänge erhöht wird.
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Die
dem Spektrometer zugeführten
unterschiedlichen Spektren werden nach Streu- und Absorptionsmodifikationen
durch die verunreinigte Flüssigkeit
sowie nach Intensitätsverhältnissen
und nach weiteren Merkmalen der Spektren, wie die Verschiebung der
Peakwellenlänge λp,
der Veränderung
der Halbwertsbreite Δλ und der
Symmetrie sowie der Überlappungsgebiete
und der Verbreiterung der Fußpunkte
ausgewertet.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1 in
einem Diagramm Emissionsspektren von ausgewählten Lichtemitterdioden (LED)
und von ausgewählten
Infrarotemitterdioden (IRED);
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2 eine
schematische Darstellung der Hauptbestandteile der Vorrichtung;
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3a den
Strahlengang durch eine leere Meßstrecke, d. h. ohne Flüssigkeit,
bei symmetrischer Anordnung der Strahlungsemitter;
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3b den
Strahlengang durch eine Meßstrecke
mit Flüssigkeit,
bei symmetrischer Anordnung der Strahlungsemitter;
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4a den
Strahlengang einer exzentrisch angeordneten emittierenden Diode
durch eine luftgefüllte
Meßstrecke;
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4b den
Strahlengang einer exzentrisch angeordneten emittierenden Diode
durch eine mit Wasser gefüllte
Meßstrecke;
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5 ein
Auswertungsdiagramm mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen.
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In
der 1 sind die Spektren von Lichtemitterdioden (LED)
und von Infrarotemittern (IRED) dargestellt. Die Spektren kennzeichnen
eine blaue LED 1, eine grüne LED 2 und eine
rote LED 3 sowie zwei Infrarotemitter 4, 5.
Die Überlappung
an den Ausläufern
bzw. an den Fußpunkten
der einzelnen Spektren ist gering und kann durch geeignete Auswahl
der zu verwendenden LED/IRED fast zum Verschwinden gebracht werden.
Als Spektrometer, welches auch hier zum Einsatz zum Nachweis der
Strahlung kommt, verwendet man gegenwärtig immer häufiger faseroptische
Kompaktspektrometer, die je nach Breite des Eingangsspalts bzw.
des Faserdurchmessers, der häufig
als Eingangsspalt dient, Auflösungen bis
zu 1 nm erreichen können.
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In 2 ist
der Grundgedanke der Erfindung in Gestalt der Vorrichtung dargestellt.
Dieser besteht, wie vorstehend schon erläutert wurde, darin, unterschiedliche
Emitterdioden 11 an einem Steigrohr 24 oder an
einem Bypass in unterschiedlichen Höhen anzuordnen. Das Steigrohr 24 ist
in diesem Falle als einfacher Zylinder ausgebildet und bis zu einer
bestimmten Höhe
mit einer Flüssigkeit 7 gefüllt, darüber befindet
sich nur Luft 6 oder ein anderes Gas/Gasgemisch. Gegenüber den
in der Halterung 10 befestigten Emitterdioden 11 sind
nur Lichtleiter, insbesondere Lichtwellenleiter 13, mit
evtl. abbildenden Elementen 12 angebracht, deren Enden
zu einem symmetrischen 5:1 Koppler (Mehrfachkoppler 14)
führen
und vereinigt werden, so dass alle Signale der unterschiedlichen
Emitter letztendlich über
einen weiteren Lichtwellenleiter 15 dem faseroptischen
Spektrometer 16 zugeführt
werden. Das Spektrometer 16 und die Emitterdiode 11 werden über eine
zentrale Steuereinheit 8, z. B. über einen Bordrechner, derart
synchron angesteuert, dass eine schnelle Meßwertaufnahme und -auswertung
im Millisekundenbereich und eine LED-Ansteuerung über ein
Netzteil 9 möglich
ist. Aus diesen Daten kann dann eine Prozessoptimierung abgeleitet
werden. Das Spektrometer 16 registriert also in seinem
Empfindlichkeitsbereich gleichzeitig die unterschiedlichen Signale
der verschiedenen Emitterdioden 11.
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Damit
stehen zur weiteren Auswertung und zur Prozeßoptimierung die Peakwellenlängen, die
integralen Intensitäten
der Spektren und die Modifikationen der Spektren durch selektive
Absorptionen und Streuungen in der Regel zur Verfügung. Da
in relativ sauberen Flüssigkeiten
nur die Rayleigh-Streuung und keine Mie-Streuung vorliegt, wird
sich im Kurzwelligen dies infolge der Intensitätsabhängigkeit von der inversen vierten
Potenz der Wellenlänge
(I ≈ λ–4) stärker als
im Langwelligen auswirken. Setzt man in Abhängigkeit von der Wellenlänge die
Halbleiteremitter günstig,
so sind diese Auswirkungen gut zu registrieren. Gleiches trifft
auf die selektiven Absorptionen zu, die auch zu einer Anregung von
Fluoreszenzstrahlung Anlaß geben
können.
Nach einer entsprechenden Eichung lassen sich so die Verunreinigungen
abschätzen
bzw. mit anderen Proben oder bzgl. entsprechender Veränderungen
im Prozeßverlauf vergleichen.
Nimmt die Verunreinigungskonzentration und insbesondere die Größe der Verunreinigungspartikel
derart zu, daß sie
mit der Wellenlänge
vergleichbar oder gar größer werden,
dann wird die Streuung durch die Mie-Theorie beschrieben, die nur eine
schwache Wellenlängenabhängigkeit
aufweist. Beide Streuarten besitzen eine unterschiedliche Richtungscharakteristik
der gestreuten Strahlung. Während
in der Rayleigh-Streuung eine um den Faktor zwei variierende symmetrische
cos-Verteilung auftritt, nimmt nach der Mie-Theorie bei zunehmender
Konzentration und Größe der Streuzentren
die Vorwärtsstreuung
um Größenordnungen
zu, was auch zur Auswertung herangezogen werden kann. Der Vergleich
der beiden Streuarten läßt Schlüsse auf
die Konzentration und unter Umständen
auch auf die Größe der Streuzentren
zu. Um schon bei niedrigen Flüssigkeitsständen eine
Verunreinigungsbestimmung zu ermöglichen,
ist für
die unterste LED ein geringerer Zwischenabstand vorgesehen, wobei
diese beiden LED wellenlängenmäßig so ausgewählt werden,
dass sie eine Einschätzung
der Rayleigh- bzw. Mie-Streuung
erlauben. Prinzipiell ist auch eine harmonisierende Anordnung der
beiden wellenlängenmäßig sehr
unterschiedlichen LED in gleicher Höhe auf dem Niveau der untersten
Diode möglich.
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3a veranschaulicht
den Strahlengang durch ein Steigrohr, bei dem der Flüssigkeitsspiegel unterhalb
des Strahlungsemitters (11) sich befindet. Die Höhe des Flüssigkeitsniveaus
wird nun folgendermaßen
bestimmt. Die Emitterdioden (1 bis 5) sind in
diesem Ausführungsbeispiel
symmetrisch bzw. zentrisch zur Achse des zylindrischen Steigrohres 24 angeordnet.
Ihr Strahlengang wird durch eine Mikrolinse 17 parallelisiert.
Wenn keine Flüssigkeit 7 sondern
nur Luft 6 bzw. ein Gas oder ein Gasgemisch im Bypass am
Ort einer LED bzw. IRED 1 bis 5 vorhanden ist,
erhält
man schematisch den Strahlengang entsprechend 3a.
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Das
heißt,
der mit Strahlen durchdrungene Bereich ist mit Luft 6 bzw.
mit einem anderen Gas/Gasgemisch besetzt. Hier ist die Wirkung der dünnen Glaswand,
die nur eine Strahlversetzung im Zylinder bewirkt, die beim Durchtritt
durch die zweite Wand wieder aufgehoben wird, vernachlässigt worden.
Man erhält
dann eine Strahlfläche
A1 auf dem Schirm 18 nach Durchtritt
des Lichtes bzw. der Strahlung durch das Steigrohr 24 bzw.
durch den Bypass, die der Eingangsfläche nach der Linse 17 nahezu gleichkommt.
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Steigt
nun entsprechend 3b das Niveau der Flüssigkeit 7 in
dem Steigrohr 24 an und übersteigt den Strahlengang
einer LED, dann stellt der Bypass/das Steigrohr für diese
LED bzw. IRED und für
die darunterliegenden eine Zylinderlinse dar. Der schematisierte
Strahlengang mit Breiten von etwa einem Millimeter parallel zur
Zylinderachse ist ebenfalls der 3b zu
entnehmen. Die Strahlfläche
A2 auf dem Schirm 18 weist eine
Randverschmierung mit der Ungewissheit der Brennlinie auf. Befindet
sich an der Stelle des Schirmes 18 im Bereich der Strahlenfläche A2 jetzt ein Lichtwellenleiter, registriert
er bei vorliegender Flüssigkeitsfüllung eine
mehrfache Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, die umgekehrt
proportional zu den Strahlflächen
auf dem Schirm 18 sind. Da der Anstieg der Flüssigkeit
meist noch in einer sauberen Flüssigkeit
gemessen wird, verändert
sich die Höhe
des Spektrums um einen bestimmten Wert. Dieser Wert wird durch Schaum
auf der Flüssigkeit
nicht verschlechtert, wie das bei den üblichen Flüssigkeitsniveausensoren der
Fall ist, sondern sogar noch verbessert, da der Schaum infolge der
Vielfachstreuung und -reflexion an den kleinen Blasen die Strahlfläche A1 noch größer als
in Luft werden lässt.
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Da
die Verwendung von Halbleiterstrahlungsemittern um mehr als den
Faktor 100 kostengünstiger
als die Verwendung einer stabilisierten Lampe ist, und da diese
Emitter eine Lebensdauer von bis zu 106 h
und mehr erreichen, eine hohe Quantenflußdichte aufweisen und auch
ihre Strahlung in Lichtwellenleiter gut eingekoppelt werden kann,
ist der Einsatz dieser Strahlungsemitter besonders wirtschaftlich.
Das wird noch dadurch untermauert, dass die Flußstromdichte über Größenordnungen
der Anzahl der emittierten Photonen direkt proportional ist, dass
ihre Ansteuerung bis in den untersten Mikrosekundenbereich möglich ist
und dass durch eine entsprechende Variation des Plastiklinsendoms
unterschiedlichste Abstrahlcharakteristika erreichbar sind.
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Alle
Veränderungen
der LED/IRED-Spektren durch die Flüssigkeit „sortiert" das Spektrometer 16 im Verlaufe
von Millisekunden aus und erlaubt so eine Überwachung und in situ Optimierung
von technologischen Vorgängen
wie von Wasch- und Spülprozessen
sowie anderen chemischen und technischen Vorgängen.
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In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt.
Diese zweite Ausführungsbeispiel
veranschaulicht eine modifizierte Anordnung von unterschiedlichen
Emitterdioden 11 an einem Steigrohr 24 bzw. einen
Bypass in Analogie zu 2. Das Steigrohr 24 bzw.
der Bypass weist ein für
die verwendete Strahlung transparentes Material auf und ist in Form eines
Zylinders ausgebildet. Dieser zylinderförmige mit Luft 6 bzw.
mit Flüssigkeit 7 teilweise
gefüllte
hinreichend transparente Körper
wird nun. von der Strahlung der Emitterdioden 11 durchsetzt.
Da gegenwärtig
schon LED und IRED mit Abstrahlwinkeln um 6° angeboten werden, wird auf
eine Parallelisierung des Strahls der LED/IRED 11, wie
er oben angenommen wurde, verzichtet. Um den Strahl der Emitterdiode 11 noch
etwa einzuengen, wird eine Kanalisierung des Strahls durch einen
Adapter von 1 bis 2 cm Länge,
der Teil der Halterung 10 ist, vorgenommen, so dass bei
einer Öffnung
von weniger als 3 mm die Strahldivergenz Θ/2 eindeutig unter 4° liegt. Da die
Effizienz der LED/IRED groß ist,
kann auf die ausgeblendete Strahlung ohne Einschränkung der
Allgemeinheit verzichtet werden. Damit entfallen teure optische
Mikrolinsen 17 zur Strahlparallelisierung. Der Strahlengang
im Falle des luftgefüllten
Bypass einer exzentrisch angebrachten LED/IRD ist in 4a enthalten.
Vernachlässigt
man wieder die Bypasswand, die wiederum nur eine sehr geringe Strahlversetzung hervorruft,
dann wird auf dem Schirm 18 eine Strahlfläche A1 sichtbar, die durch den Öffnungswinkel Θ/2 bestimmt
wird. Sie liegt der LED direkt gegenüber. Wird der Bypass jetzt
mit Wasser gefüllt,
dann wirkt er wieder als Zylinderlinse und fokussiert die einfallende
parallele oder leicht divergente Strahlung.
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Verwendet
man Halbleiteremitter mit einem engen Abstrahlkegel von etwa 4°, dann tritt
ebenfalls noch eine Strahlmodifikation auf, die sich eindeutig von
dem mit Luft 6 bzw. Gas gefülltem Zylinder unterscheidet,
wie das in 4b dargestellt ist. Die entscheidende
Neuerung besteht nun darin, daß diese zylinderförmige Linse
von vielen LED/IRED nicht mittig durchstrahlt wird, sondern um eine
gewisse Versetzung exzentrisch zur Zylinderachse. Damit tritt neben
der Strahlformung durch die Flüssigkeit
(z. B. Wasser mit einem Brechungsindex von 1,333 gegenüber Luft
von 1) im Gegensatz von der diffusen Durchleuchtung im Falle von
Luft auch eine Strahlversetzung auf, die in Abhängigkeit von der Versetzung
der Diode und dem Durchmesser des Bypass mehrere mm bis zu cm betragen
kann (im ersteren Falle bei einem Zylinderdurchmesser von etwa 2
cm dann mehrere mm). Während
der entsprechend auf A2 angebrachte Lichtwellenleiter
im Falle von Luft im Zylinder ein schwaches oder bei guter Versetzung bzw.
abgedunkelter Fläche
A1 überhaupt
kein LED-Licht empfängt,
tritt im Falle von Wasser eine Strahlfokussierung mittig auf, deren
Intensitäten
um ein Vielfaches größer sein
kann und die Fläche
A2 hat. Damit ist beim Durchgang von Wasser
durch die horizontale Linie Diode – Lichtweltenleiter (LWL) sowohl
eine Registrierung des ansteigenden Flüssigkeitsniveaus als eine Auswertung
der durch die Flüssigkeit
gehenden Strahlung mit dem Spektrometer möglich. Außerdem ist ein eindeutiger
Strahlengang nur dann gegeben, wenn die Strahlung durch die Flüssigkeit
tritt, was bedeutet, daß ein
auf der Flüssigkeit
vorhandener Schaum den Meßvorgang überhaupt
nicht stört,
sondern ihn noch weiter als im ersten Ausführungsbeispiel verbessert.
Damit ist neben der Bestimmung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus auch eine
Verunreinigungscharakterisierung wie im obigen Beispiel möglich.
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Als
weiteres Anwendungsbeispiel sind die in einem solchen Bypass gemessenen
Werte für
Leitungswasser, für
ein Waschmittel in Leitungswasser in Geradeausrichtung und in 90°-Richtung
dargestellt. In der 5 sind die entsprechenden spektralen
Verteilungen zu sehen. Die Meßkurve 19 stellt den
Verlauf der Transmission mit der Wellenlänge für Leitungswasser dar, dividiert
durch die Transmissionswerte von destilliertem Wasser. Gibt man
dem Leitungswasser ein Colorwaschmittel hinzu, ändern sich die Transmissionswerte
(gemessen in Geradeausrichtung) und die Streuwerte (gemessen in 90°-Richtung zum primären Strahlenbündel der LED/IRED)
mit der Einwirkungszeit des Waschmittels, hier für Zimmertemperatur aufgezeichnet.
Die Meßkurven
wurden nach einer Einwirkungszeit des Waschmittels von etwa 5 min
in Geradeausrichtung als Transmission 20 und bzw. in 90°-Richtung
als Streuwerte 21 gemessen. Man erkennt eine starke Abnahme
der Transmission gegenüber
der Leitungswasserkurve im gesamten Spektralbereich, während die
Streuwerte 21 – diese
verkörpern
die Streustrahlintensität – von maximalen
Werten bei etwa 420 nm einen starken Abfall mit zunehmender Wellenlänge und
im langwelligen Teil des Spektrums kaum noch Veränderungen aufweisen. Im kurzwelligen
Teil des Spektrums wird durch die Einwirkung des Waschmittels die
Lichtstreuung durch die Rayleigh-Streuung bestimmt. Nach einer Einwirkungszeit
von 60 min verändert
sich die Transmission 22 sehr stark, während die Streuintensität 23 einen
wesentlich anderen Anstieg als die Anfangskurve nach 5 min aufweist. Die
Auswertung der sehr unterschiedlichen spektralen Daten und der Intensitäten erlaubt
nun nach einer Eichung eine Charakterisierung des Verunreinigungszustandes.
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- 1
- blaue
LED
- 2
- grüne LED
- 3
- rote
LED
- 4
- IRED
- 5
- IRED
- 6
- Luft
- 7
- Flüssigkeit
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Netzteil
- 10
- Halterung
- 11
- Emitterdiode
- 12
- abbildendes
Element
- 13
- Lichtwellenleiter
- 14
- Koppler,
Mehrfachkoppler
- 15
- Lichtwellenleiter
- 16
- Spektrometer
- 17
- Mikrolinse
- 18
- Schirm
- 19
- Meßkurve
- 20
- Transmission
- 21
- Streuwert
- 22
- Transmission
- 23
- Streuintensität
- 24
- Steigrohr