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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Farbenmesser zur Messung der Farbe
einer Prozessflüssigkeit,
wobei der Farbenmesser zwei Lichtquellen und zwei Detektoren aufweist,
wobei die beiden Lichtquellen angeordnet sind, einen Strahl durch
ein Prozessmedium und durch ans Prozessmedium grenzende Fenster
zu den beiden Detektoren zu senden und wobei die Detektoren angeordnet
sind, den von den Lichtquellen kommenden Strahl in ein elektrisches
Signal umzuwandeln.
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Auf
einem Vierstrahlprinzip beruhende Farbenmesser dieser Art sind heutzutage
bei verschiedenen industriellen Prozessen und mit denen verbundenen
Messungen bekannt. Obwohl mehrere auf das Messergebnis nachteilig
einwirkende Umstände in
der Theorie durch Verwendung des Vierstrahlprinzips eliminiert werden
können,
ist ein Nachteil der bekannten Lösungen
jedoch die Beschwerlichkeit ihrer Verwendung und auch die -Ungenauigkeit
der Messung in der Praxis. Die Ungenauigkeit der Messung kann beispielsweise
auf einen Lichtstrahl zurückzuführen sein,
der in der Praxis kein idealer Lichtstrahl ist. Weiter kann Ungenauigkeit
auch durch die verwendete Optik hervorgerufen werden, die lokale
Unterschiede aufweisen kann, d. h. die Fenster, durch die die Lichtstrahlen
hindurchgehen, können
an verschiedenen Stellen unterschiedlich verschmutzt sein, wobei
die Lichtstrahlen, die durch verschiedene Stellen eines Fensters
hindurchgehen, auf verschiedene Weisen nachlassen usw.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Farbenmesser zustandezubringen,
mittels dessen die Nachteile des vorbekannten Standes der Technik
eliminiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Farbenmesser gelöst, der
dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes der beiden Fenster aus einem
dreieckigen Prisma gebildet ist, sowie eine Basis und zwei einander
gegenüber
im Winkel liegende Seitenflächen
aufweist. Die Grundfläche
der Basis des Prismas grenzt an das Prozessmedium, und liegt somit
auf der der Lichtquelle abgewandten Seite, während die beiden Seitenflächen des
Prismas der Lichtquelle zugewandt sind. Das einzelne Prisma ist
relativ zur entsprechenden Lichtquelle und zu den zwei Detektoren
so angeordnet, dass von der Lichtquelle kommende, auf die Seitenflächen des
Prismas fallende Strahlen in zwei, in verschiedene Richtungen ausgehende
Strahlen geteilt werden, welche durch einen gemeinsamen Flächenbereich
der Basis hindurch in das Prozessmedium eintreten und von den Detektoren
empfangen werden. Bei den beiden Detektoren sind Spiegelflächen angeordnet,
welche von beiden Lichtquellen kommende Strahlen in einem Sensor
des Detektors sammeln.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist vor allem ihre Einfachheit und der Umstand,
daß man
beispielsweise die durch lokale Verschmutzung der Fenster hervorgerufenen
Nachteile auf eine besonders vorteilhafte Weise hat eliminieren
können.
Infolge der einfachen Struktur bleiben die Herstellungskosten des
erfindungsgemäßen Farbenmessers
auf einem vorteilhaften Niveau. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist ihre Mühelosigkeit
im Gebrauch, denn der Kalibrierbedarf ist zum Beispiel gering. Ein
Vorteil liegt auch darin, daß der
erfindungsgemäße Messer
als sehr sichere Struktur zu verwirklichen ist, wobei zum Beispiel
keine Gefahr der Funkenbildung besteht und der Messer in explositionsempfindlichen
Räumen verwendet
werden kann.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einer bekannten Lösung und
eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher
erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
prinzipielle Ansicht einer auf Vierstrahlprinzip beruhenden Meßvorrichtungslösung nach
dem bekannten Stand der Technik,
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2 das
Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Farbenmessers
im Prinzipbild,
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3 eine
prinzipielle Ansicht einer Lösung, mittels
deren ein von einer Lichtquelle kommender Strahl in zwei Strahlen
eingeteilt wird,
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4 eine
prinzipielle Ansicht eines Prinzips, mittels dessen die von den
Lichtquellen kommenden Strahlen zu einem Detektor gesteuert werden,
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5 prinzipiell
eine Weise, mittels deren Flächen
zum Steuern der Strahlen gebildet werden können,
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6 eine
prinzipielle Ansicht eines Beispiels von den nach 4 und 5 gebildeten,
die Strahlen steuernden Flächen
und
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7 prinzipiell
eine Verwirklichung von zu Spiegelflächen nach 4–5 wesentlich
senkrechten zweiten Spiegelflächen.
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1 stellt
ein Beispiel von einer vorbekannten, auf Vierstrahlprinzip beruhenden
Farbenmesserlösung
prinzipiell dar. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein als
Gegenstand der Messung dienendes Prozeßmedium, die Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnen Lichtquellen
und die Bezugszeichen 4 und 5 Detektoren. In 1 ist
auch das Laufprinzip von Lichtstrahlen von den Lichtquellen 2, 3 durch
das Prozeßmedium 1 zu
den Detektoren 4, 5 mittels Linien bezeichnet.
Die Lichtstrahlen gehen in die Prozeßflüssigkeit hinein und daraus
durch optische Fensterkonstruktionen hindurch. Die bekannten Fensterkonstruktionen sind
optisch unentwickelt. Als Fensterkonstruktionen werden zum Beispiel
aus Teflon hergestellte Fenster verwendet. Das Arbeitsprinzip der
Lösung
gemäß 1 stellt
einem Fachmann den bekannten Stand der Technik dar, weshalb diese
Umstände
hierbei nicht näher
erläutert
werden. In diesem Zusammenhang wird nur allgemein festgestellt,
dass das Vierstrahlprinzip davon ausgeht, dass ein Licht verglichen
wird, das in der Prozessflüssigkeit
eine lange und eine kurze Strecke läuft.
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2 stellt
das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Farbenmessers prinzipiell
dar. Im Beispiel der 2 sind Lichtquellen 6, 7 und
Detektoren 8, 9 in den Ecken eines Rechtecks angebracht. Ein
solches Anbringen ist natürlich
nicht die einzige Möglichkeit,
sondern das Beispiel der Figur ist eine vorteilhafte Weise zur Verwirklichung
der Grundidee der Erfindung. Ein zu messendes Prozessmedium, zum
Beispiel eine Prozessflüssigkeit,
wird in einem aus der Figur ersichtlichen, wesentlich rechteckigen Raum
angeordnet. Die Laufwege der von den Lichtquellen zu den Detektoren
durch das Prozessmedium hindurchgehenden Lichtstrahlen werden in 2 im
Prinzip mittels von der Lichtquelle 6 zu den Detektoren 8 und 9 laufender
Linien dargestellt. Der Lichtstrahl läuft auf eine entsprechende
Weise von der Lichtquelle 7 zu den Detektoren 8 und 9.
Die Linien, die Winkelwerte und die Dimensionen, die in der Figur
bezeichnet sind, beschränken
die Erfindung auf keine Weise, sondern diese Umstände werden
nur als Beispiele und als die Erfindung ihrerseits erläuternde
zusätzliche
Angaben dargestellt.
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Ein
wesentliches Kennzeichen des erfindungsgemäßen Farbenmessers besteht darin,
dass die ans Prozessmedium grenzenden Fenster bei den beiden Lichtquellen 6, 7 aus
einem dreieckigen Prisma 10 gebildet sind, dessen zwei
einander gegenüber
im Winkel liegende Seitenflächen
so angeordnet sind, dass von der Lichtquelle kommende, auf die Seitenflächen 10a, 10b des
Prismas 10 fallende Strahlen in zwei, in verschiedene Richtungen
ausgehende Strahlen geteilt werden, welche durch einen gemeinsamen
Flächenbereich
der Basis 10c Rindurch in das Prozessmedium eintreten.
Bei den beiden Detektoren 8, 9 sind Spiegelflächen 11 gebildet, die
angeordnet sind, die von den beiden Lichtquellen 6, 7 kommende
Strahlung in einem Sensor des Detektors 8, 9 zu
sammeln. Die Spiegelflächen
und die Sensoren in den Detektoren 8 und 9 sind
nicht aus 2 sondern aus 4–7 ersichtlich,
auf die später
zurückgekommen
wird.
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Die
in der Erfindung verwendeten Lichtquellen 6, 7 sind
aus mehre ren LED-Elementen gebildet, um mehrere Wellenlängen zustandezubringen.
Es können
beispielsweise sieben Stück
LED-Elemente sein, wobei jedes LED-Element nach der emittierenden
Wellenlänge
gewählt
ist. Darüber
hinaus soll bemerkt werden, dass, wenn es die Absicht ist, ein ähnliches
Strahlprofil für
jede Farbe zustandezubringen, soll die Lösung nur einen emittierenden
Bereich enthalten. Das von der aus getrennten LED-Elementen bestehenden
Quelle strahlende Licht kann mittels optischer Fasern und eines
Lichtmischers dadurch vereinigt werden, dass jedes LED-Element mit
dem einen Ende einer optischen Faser verknüpft wird und dass die anderen
Enden der Fasern zusammengesetzt werden. Als Ansatz eines so erhaltenen
Faserbündels
kann eine dickere Faser oder eine Stange zugefügt werden, die als Lichtmischer
fungiert. Der Durchmesser der optischen Fasern kann beispielsweise
etwa 1 mm und der Durchmesser der als deren Ansatz dienenden dickeren
Faser oder Stange kann entsprechend etwa 3 mm betragen.
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Der
von den nach dem obigen Prinzip gebildeten Lichtquellen kommende
Lichtstrahl wird nach dem in 3 beschriebenen
Prinzip in zwei Strahlen eingeteilt. 3 stellt
das Prisma 10 dar, das auch ein ans Prozessmedium grenzendes
Fenster bildet, wie 2 zeigt. Das von der Lichtquelle 6, 7 kommende
Licht ist in 3 mit von links nach rechts
laufenden Pfeillinien bezeichnet. Ein von der Lichtquelle kommender
Lichtstrahl wird so zum Prisma 10 gesteuert, dass das Licht
zwei einander gegenüber
im Winkel liegende Flächen 10a und 10b des
Prismas trifft, wie in der Figur gezeigt wird. Die Basis 10c des Prismas 10 bildet
eine ans Prozessmedium grenzende Fläche.
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Ein
Lichtstrahl ändert
seine Richtung im Prisma 10 gemäß an sich bekannten Gesetzmäßigkeiten auf
die in 3 dargestellte Weise, weshalb der von der Lichtquelle
kommende Lichtstrahl veranlasst werden kann, sich in zwei in verschiedene
Richtungen laufende Strahlen zu teilen. Wie oben angeführt wurde,
ist es wesentlich, dass die sich ins Prozessmedium fortpflanzenden
Lichtstrahlen durch den gleichen Flächenteil der Fensterfläche hindurchgehen. Die
Größe, mittels
deren bestimmt werden kann, ein wie großer Teil der geteilten Strahlen
durch den gemeinsamen Flächenbereich
der Basis 10c hindurchgeht, ist die Höhe h des Prismas. Wenn also
die Höhe h
des Prismas 10 passend gewählt wird, können die Strahlen veranlasst
werden, durch den gemeinsamen Flächenbereich
der Basis 10c hindurchzugehen. Die Höhe h kann aufgrund des Durchmessers des
zum Prisma kommenden Lichtstrahles und der Brecheigenschaften des Herstellungsmaterials
des Prismas berechnet werden. Das Prisma 10 kann natürlich aus
jedem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise aus Kunststoff,
Glas usw. hergestellt werden.
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Im
Zusammenhang mit den Detektoren 8, 9 ist es wesentlich,
daß das
von den Lichtquellen 6, 7 kommende Licht möglichst
effektiv in den Sensoren der Detektoren gesammelt werden kann. Beispielsweise
ist eine parabelförmige
Spiegelfläche
ein effektives Mittel, wenn man den Lichtstrahl auf einen bestimmten
Punkt richten will. Weil nach dem Vierstrahlprinzip zwei Lichtstrahlen,
die aus verschiedenen Richtungen kommen, zu jedem Sensor gesteuert werden,
kann eine aus zwei parabelförmigen
Flächen
bestehende Spiegelfläche
als Lösung
verwendet werden.
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4 stellt
ein vorteilhaftes Beispiel von dem Bildungsprinzip einer beim Detektor
liegenden Spiegelfläche
dar. Die Spiegelfläche
ist aus zwei teilweise aufeinander angeordneten, parabelförmigen Flächen dadurch
gebildet, daß die übrigen Teile
außer
denjenigen, die aufeinander liegen, entfernt werden. Die Parabeln
sind so teilweise aufeinander angeordnet, daß die Brennpunkte der beiden
Parabeln in demselben Punkt F liegen. Die zu entfernenden Teile
der Parabelflächen
sind mit einer Strichlinie in der Figur bezeichnet und die Teile,
aus denen die Spiegelfläche
gebildet wird, sind mit einer Linierung und außerdem mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
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Die
Strahlen mit einem großen
Anlaufwinkel sind im Sensor ineffektiv, denn sie werden leicht reflektiert
und sind sehr empfindlich für
Positionsfehler des Sensors. Somit ist keine Spiegelfläche für große Anlaufwinkel
nötig,
d. h. der aus dem Unterteil der 4 ersichtliche
Teil der Spiegelfläche
kann entfernt werden, wie 5 zeigt.
In 5 werden die Spiegelflächen mit ähnlicher Linierung wie in 4 gezeigt
und sie sind auch mit demselben Bezugszeichen 11 bezeichnet.
In 5 wird außerdem
der Sensor des Detektors mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
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Beim
Betrachten der 5 kann festgestellt werden,
daß drei
Parameter, die Breite wp der Parabeln sowie
deren Ablaufpunkte S und Endpunkte E bestimmt werden müssen, um
Spiegelflächen
zustandezubringen. Eine Spiegelfläche soll außerdem zu einem Kreis L passen,
dessen Mittelpunkt an der optischen Achse der Anordnung liegt und
der einen solchen Radius hat, daß der Sensor 12, dessen
Breite ID ist, einen Winkel bildet, der
größer als
oder ebenso groß wie
der Unterschied zwischen dem Minimum γmin und
dem Maximum γmax des Anlaufwinkels der kommenden Strahlung
ist. Der Punkt E wird von dem Maximumanlaufpunkt φ der zum
Sensor kommenden Strahlung bestimmt. Der Punkt S liegt auf der Gerade,
die durch den Punkt E läuft
und den Winkel γmax optischen Achse der Anordnung bildet.
Die Breite wp der Parabeln wird so gewählt, dass
die Länge
des Spiegels möglichst
groß ist.
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6 zeigt
ein praktisches Beispiel von der nach dem in 4 und 5 dargestellten
Prinzip gebildeten Spiegelflächenlösung. In 6 werden an
den entsprechenden Stellen die gleichen Bezugszeichen wie in 4 und 5 verwendet.
Die parabelförmigen
Flächen
können
auf jede beliebige geeignete Weise gebildet werden, beispielsweise
dadurch, dass passendes Grundmaterial, zum Beispiel Bronze, mit
einer Bearbeitungsmaschine bearbeitet wird, deren Bearbeitungsbewegung
so gesteuert wird, dass eine gewünschte
Oberflächenform
zustandegebracht wird. Die auf die obige Weise bearbeiteten Oberflächen können in
der folgenden Phase mit einem passenden Überzugsmaterial überzogen
werden, das zum Beispiel Silber sein kann. Es ist klar, dass auch
andere geeignete Materialien und Herstellungsverfahren zur Bildung
von Spiegelflächen
verwendet werden können. 7 stellt
ein Prinzip dar, nach dem der Teil der Optik, der wesentlich senkrecht zu
den aus den Parabeln bestehenden Spiegelflächen 11 liegt, mittels
zweiter Spiegelflächen 13 gebildet
ist. Wie oben erwähnt
wurde, ist eine parabelförmige
Spiegelfläche
ziemlich effektiv, Licht auf dem gewünschten Punkt zu sammeln. Es
ist jedoch technisch relativ schwierig, eine mit einer zweidimensionalen
Parabelfläche
versehene, optische Anordnung zustandezubringen. 7 zeigt
eine einfache Verwirklichung, in der die beim Detektor angeordneten, zum
Beispiel zu den Spiegelflächen
der 6 wesentlich senkrechten, zweiten Spiegelflächen 13 aus ebenen
Flächen
bestehen, die einander gegenüber in
einer Winkelstellung angeordnet sind. Wie aus 7 hervorgeht,
bilden die auf die obige Weise angeordneten, zweiten Spiegelflächen 13 einen
sich in der Laufrichtung des Lichtes verengenden Spalt, wobei sich
das in die breitere Öffnung
des Spaltes kommende Licht bei Fortpflanzung in einem schmalen Spalt
sammelt, in dem der Sensor 12 des Detektors angebracht
ist. Die Größe des Winkels
zwischen den Spiegelflächen
wird der jeweiligen Situation angepasst. Im Beispiel der 3–7 bilden
die parabelförmigen
Spiegelflächen 11 und
die planaren Spiegelflächen 13 eine
hohlförmige
Konstruktion, die ziemlich schwierig zu verwirklichen ist. Die Spiegelflächen können gemäß der Grundidee
der Erfindung auch umgekehrt verwirklicht werden. Dabei wird aus einem
passenden Material, zum Beispiel aus Glas, ein Stück gebildet,
dessen Außenflächen in
ihrer Form dem oben beschriebenen, von den Spiegelflächen abgegrenzten
Hohlraum entsprechen. Das auf diese Weise hergestellte Glasstück wird
an den Außenflächen, die
den obigen Spiegelflächen
entsprechen, mit einem geeigneten Material überzogen, das eine sich ins
Stück richtende
Spiegelfläche
bildet, beispielsweise mit Palladium-Rhodium. Der Vorteil der alternativen
Lösung
dieser Art besteht darin, daß die
Reinigung der Spiegelflächen
ausfällt,
weil das Glasmaterial die Spiegelflächen schützt, und außerdem ist eine Konstruktion,
deren Außenflächen verformt
werden, herstellungstechnisch leichter als wenn eine entsprechende
Form durch Verformen der Innenflächen
zustandegebracht wird.
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Die
oben angeführten
Ausführungsbeispiele sollen
keineswegs dazu dienen, die Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken, sondern
die Erfindung kann völlig
frei im Rahmen der Patentansprüche
modifiziert werden. Somit ist es klar, daß verschiedene Einzelheiten
des erfindungsgemäßen Farbenmessers
den in den Figuren gezeigten Lösungen nicht
notwendigerweise genau zu entsprechen brauchen, sondern auch andere
Lösungen
möglich
sind. Beispielsweise können
die Umwandlung der zu den Detektoren kommenden Information in ein
elektrisches Signal und die Übertragung
dieser Signale mit jeder beliebigen geeigneten Lösung verwirklicht werden.