DE29700253U1

DE29700253U1 - Überwachungseinrichtung

Info

Publication number: DE29700253U1
Application number: DE29700253U
Authority: DE
Original assignee: LEHNER OPTOELECTRONIC GmbH
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1997-01-09
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2007-01-10

Description

Überwachungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung zum Erkennen von Stoffen mit fluoreszierenden Substanzen auf Oberflächen von Flüssigkeiten oder Festkörpern, mit Lichtquelle und Empfänger für von einer fluoreszierenden Substanz reflektiertes, von der Lichtquelle ausgesandtes Licht.

Es ist bereits bekannt, zum Beispiel bei Prüfgeräten zur Überwachung von Öl auf einer Wasseroberfläche, als Lichtquelle eine im .Ultraviolett-Bereich abstrahlende Leuchtstoffröhre zu verwendet. Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes beträgt PlO hierbei etwa 3 60 nm. Im Ultraviolettbereich weisen diese Leuchtstoffröhren die für den Betrieb ausreichende, notwendige Lichtintensität auf.

Zur Lichtstrahlerzeugung ist bei der Ultraviolett (UV)-Röhre eine lichtdichte Ummantelung mit einer mittigen Austrittsöffnung vorgesehen. Bei der Austrittsöffnung sind zur Vermeidung von Streulicht Seitenblenden angeordnet und zur Fokussierung ist noch eine Optik, insbesondere eine' Sammellinse vorgesehen.
Diese durch die Bauform der UV-Röhre bedingten Maßnahmen zur Strahlerzeugung und Bündelung sind vergleichsweise aufwendig und reduzieren den Wirkungsgrad erheblich. So steht für den auf den Spiegel auftreffenden Lichtstrahl nur etwa ein Fünftel der

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erzeugten Lichtenergie zur Verfügung.

Zum Betreiben der UV-Röhre sind vergleichsweise aufwendige Schaltungsmaßnahmen erforderlich, unter anderem, da sie mit Hochspannung betrieben werden muß.

Problematisch ist auch der Betrieb der UV-Röhre bei niedrigen Umgebungstemperaturen, da hierbei die Strahlungsintensität stark nachläßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überwachungseinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einen vereinfachten, kostengünstigeren Aufbau aufweist, betriebssicher W und robust ist und die auch bei niedrigen Temperaturen problemlos einsetzbar ist. Außerdem sollen der Wirkungsgrad und die Lebensdauer verbessert sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Lichtquelle wenigstens eine im blauen Lichtbereich abstrahlende und mit ihrer Abstrahlseite direkt der zu überwachenden Oberfläche zugewandte Leuchtdiode ist und daß vor dem Empfänger ein Farbfilter mit einem 0 Wellenlängen-DurchlaßbereichoberhalbderabgestrahltenWellenlänge angeordnet ist.

Diese Lichtquelle ist selbst sehr klein und es sind keinerlei " Abschirm- und Bündelungsmaßnahmen mehr erforderlich, was ebenfalls den Platzbedarf erheblich reduziert und was auch die Verluste kleinhält. So tritt bei dieser punktförmig abstrahlenden Lichtquelle praktisch kein Streulicht auf und das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht steht praktisch vollständig direkt als gebündelter Lichtstrahl zur Verfügung.

Die Strom- beziehungsweise Leistungsaufnahme der Lichtquelle beträgt nur noch einen Bruchteil, insbesondere 5 bis 10% der Leistungsaufnahme einer bisher verwendeten UV-Leuchtstoffröhre und die Lebensdauer der Leuchtdiode ist mindestens um den Faktor 10 größer als bei einer UV-Röhre.

Besonders vorteilhaft ist auch, daß die Leuchtdiode direkt an

eine Stromquelle oder bei gepulstem Betrieb, an eine entsprechende Ansteuereinrichtung anschließbar ist. Aufwendige Netzteile sind somit nicht mehr erforderlich.

Die Leuchtdiode kann bedarfsweise auch mit einer sehr hohen Modulationsfrequenz gepulst betrieben werden. Daraus resultiert, daß auch sehr schnelle Bewegungsabläufe erfaßbar sind. Außerdem wird dadurch auch eine hohe Störsicherheit gegenüber Fremdlicht erreicht. Schließlich kann diese Lichtquelle und damit die Überwachungseinrichtung auch bei niedrigen Temperaturen ohne Einbuße seiner Meßempfindlichkeit eingesetzt werden.

Insgesamt kann mit der vorgesehenen Punktlichtquelle eine P Überwachungseinrichtung mit sehr geringem Aufwand und sehr kleinen Abmessungen aufgebaut werden.

Bevorzugt kann die Überwachungseinrichtung zur Kontrolle von Abwasser auf bestimmte Rückstände eingesetzt werden. Dabei kann die Sende-Empfangseinheit der Überwachungseinrichtung im Bereich einer Strömungsberuhigungsstrecke angeordnet sein. Man erreicht damit eine weitgehende Konstanthaltung des Abstandes 0 zwischen Sende-Empfangseinheit und der zu überwachenden Oberfläche und damit vergleichbare Signale.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß ein Abstandhalter zum Konstanthalten des Abstandes zwischen Sender und Empfängers von der zu überwachenden Oberfläche vorgesehen ist und daß bei einer Flüssigkeit s-Ober flächenüberwachungvor zugsweise der Abstandhalter einen Schwimmkörper mit einer Halterung zumindest für die Sende-Empfangseinheit aufweist.

Bei schwankendem Flüssigkeitspegel macht der Schwimmkörper diese Bewegungen mit, so daß auch hierbei der Abstand zwischen Sender-0 Empfangs einheit und der zu überwachenden Oberfläche gleich bleibt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert. 35

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung und
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Fig. 2 eine schematische Darstellung mehrerer, nebeneinander angeordneter Sender und einem zugeordneten Empfänger oberhalb eines Strömungsabschnittes.

In Fig. 1 ist schematisch eine Überwachungseinrichtung 100 gezeigt, mittels der fluoreszierende Stoffe zum Beispiel auf Wasserober- W flächen erkannt werden können. Auch fluoreszierende Flüssigkeiten selbst lassen sich damit dedektieren. Die Einrichtung weist als Lichtquelle eine im blauen Lichtbereich bei etwa 400 Nanometer bis etwa 470 Nanometer abstrahlende Leuchtdiode 2 auf, die mit ihrer Abstrahlseite direkt der zu überwachenden Wasseroberfläche 18 zugewandt ist. In Abstrahlrichtung vor der Leuchtdiode 2 befindet sich ein Farbfilter 4 (Kurzpaßfilter), um das vergleichsweise breite Abstrahlspektrum der Leuchtdiode auf den vorgesehenen 0 Wellenlängenbereich einzuschränken.

Trifft das von der Leuchtdiode 2 ausgesandte Licht auf fluoreszierende Substanzen, wird ein Teil der Anregungsstrahlung absorbiert und der Stoff zur Emission von energieärmerem, langwelligerem * Licht angeregt. Dieses Lumineszenzlicht wird vom Empfänger 3 dedektiert und kann dann ausgewertet werden. Vor dem Empfänger 3 befindet sich ein Farbfilter 5 {Langpaßfilter), um sicherzustellen, daß nur das längerwellige, angeregte Lumineszenzlicht zum Empfänger 3 gelangt.
Die Leuchtdiode 2 und der Empfänger 3 sind bezüglich ihrer 0 Abstrahl- beziehungsweise Einstrahlrichtungen winklig zueinander angeordnet. Aus dem beliebigen jedoch fest eingestellten Winkel von Leuchtdiode 2 und Empfänger 3 relativ zu einer Bezugsgeraden oder zueinander sowie dem Abstand von Sender und Empfänger zueinander, ergibt sich die bevorzugte Tastweite a zur Wasseroberfläche 18. Zu beachten ist hierbei, daß hierbei keine optischen

Reflektionsverhältnisse gelten, sondern daß der zur Fluoreszenz angeregte Bereich praktisch eine eigene Lichtquelle bildet.

Sender und Empfänger können bezüglich der Anzahl und der Anordnung in unterschiedlichsten Konstellationen angeordnet sein. Je nach dem zu überwachenden Bereich können also, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Reihe von Sender-Leuchtdioden 2 nebeneinander angeordnet sein und, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, mit einem Empfanger 3 zusammenarbeiten. Die in Fig. 2 schematisch angedeutete Überwachungseinrichtung dient hierbei zur Überwachung eines Strömungsabschnittes 20 auf fluoreszierende Oberflächensubstanzen. ' Dies könnte zum Beispiel ein oder mehrere Ölflecken 19 auf einer Wasseroberfläche 18 sein. Da solche Ölflecken über den Strömungsabschnitt 20 verteilt sein können, ist es hier zweckmäßig, über die Breite dieses Strömungsabschnittes auch Leuchtdioden 2 anzuordnen. Je nach Breite des Strömungsabschnittes genügt zum Erkennen von Fluoreszenzereignissen ein einziger Empfänger 3, dem bedarfsweise auch eine Sammellinse vorgeschaltet sein kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, jeweils einer oder einer Gruppe 0 von Leuchtdioden 2 einen Empfänger 3 zuzuordnen. Dies ist dann

sinnvoll, wenn große Flächen zu überwachen sind. Es besteht dabei auch die Möglichkeit, die Sende-LEDs um einen Empfänger 3 herum anzuordnen. Auch hier kann bei dem Empfänger eine Sammellinse angeordnet sein.
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Die Tastweite a ist zwar über einen großen Bereich variabel, sollte aber konstant gehalten werden, um vergleichbare Signale zu erhalten. Es ist deshalb zweckmäßig, wenn die Überwachungseinrichtung 100 im Bereich einer Wasserberuhigungsstrecke angeordnet 0 ist, in deren Bereich eine weitgehend geglättete Oberfläche und geregelte Strömungsparameter vorhanden sind. Durch Kontanthalten des Flüssigkeitsstandes wird somit bei einer fest installierten Überwachungseinrichtung 100 auch die Tastweite a entsprechend konstant gehalten.
5 Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Überwachungseinrichtung

100 oder zumindest deren Sende-Empfangseinheit mit einem Schwimmkörper zu verbinden, so daß auch bei schwankenden Flüssigkeitspegeln ein konstanter Abstand von der Oberfläche 18 zu dem Sender beziehungsweise Empfänger und damit eine konstante Tastweite a vorhanden ist.

Das vom Empfänger 3 empfangene Signal wird für einen Analogstromausgang 14 (0 - 20 Milliampere) aufbereitet. Aus diesem Signal kann unmittelbar auf die Konzentration der fluoreszierenden Stoffe geschlossen werden. Für unterschiedlichste Stoffe läßt sich die Meßempfindlichkeit einstellen. Weiterhin stehen Schaltausgänge w 16, 17 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.

Die Sende-Leuchtdiode 2 wird gepulst betrieben, unter anderem um eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Fremdlichtquellen zu erreichen. Dazu ist ein Pulsgenerator 8 vorgesehen und mit 6 ist eine Sendedioden-Ansteuerung bezeichnet. Mit dem Pulgenerator sind außer der Ansteuerung 6 noch eine Sample and Ho ld-Schaltung 10 sowie eine Auswertestufe 12 verbunden. Der Empfänger 3 ist an einen Vorverstärker 7 angeschlossen, der mit einem nachgeschalteten Operationsverstärker 9 verbunden ist. Mit 11 ist eine Analogausgangsstufe und mit 13 eine Schalt ausgangsstufe bezeichnet. 15 ist ein Anschluß zur Verstärkungsregelung. Die gesamte Elektronik einschließlich der Sende-Empfänger-Einheit ist in einem gemeinsamen Gehäuse 1 untergebracht. Dieses Gehäuse kann vergleichsweise kompakt und klein sein, da die zur Funktion der Überwachungseinrichtung notwendigen Teile sehr wenig Platz beanspruchen.

Die Überwachungseinrichtung ist in zahlreichen Anwendungsfällen einsetzbar. Fluoreszenz tritt bei zahlreichen organischen und anorganischen, im Wasser gelösten Stoffen beziehungsweise Flüssigkeiten auf. Beispielsweise sind dies Schmieröle, Petroleum, Benzin, organische Farbstoffe, Milchsäure, Glyzerin, Dextrose, Zellulose, optische Aufheller in Waschmitteln, Chlorophyll, Chinin, Flußspat und dergleichen-. Daraus ergibt sich eine bevorzugte

Anwendung zur Überwachung von Tankstellen auf Öl- oder Benzinrückstände im Wasser, zur Abwasserkontrolle in Heiz- oder Atomkraftwerken, bei der Papier-- beziehungsweise Zellstoffherstellung, zur Qualitätskontrolle in der chemischen Industrie und Pharmazie, in Kläranlagen, zum Beispiel zur Überprüfung auf Waschmittelrückstände sowie in Abwasserkanälen von Industrie und verarbeitendem Gewerbe jeglicher Art.

/Ansprüche

Claims

Ansprüche

1. Überwachungseinrichtung (1) zum Erkennen von Stoffen mit fluoreszierenden Substanzen auf Oberflächen von Flüssigkeiten oder Festkörpern, mit Lichtquelle (2) und Empfänger (4) für von einer fluoreszierenden Substanz reflektiertes, von der Lichtquelle ausgesandtes Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle wenigstens eine im blauen Lichtbereich abstrahlende und mit ihrer Abstrahlseite direkt der zu überwachenden Oberfläche zugewandte Leuchtdiode (2) ist und daß vor dem Empfänger ein Farbfilter (4) mit einem Wellenlän-

w gen-Durchlaßbereich oberhalb der abgestrahlten Wellenlänge

angeordnet ist.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgestrahlte Wellenlänge der Leuchtdiode (2) etwa 400 run bis etwa 470 nm beträgt und daß im Lichtstrahl der Leuchtdiode vorzugsweise ein Farbfilter {4) mit diesem Wellenlängen-Durchlaßbereich vorgesehen ist.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandhalter zum Konstanthalten des Senders und des Empfängers von der zu überwachenden Oberfläche (18) vorgesehen ist.

4. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter einen Schwimmkörper mit einer Halterung zumindest für die Sende-Empfangseinheit aufweist.

5. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Empfangseinheit im Bereich einer Strömungsberuhigungsstrecke angeordnet ist.

6. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) und der Empfänger {3) bezüglich der Strahlführung winklig zueinander und vorzugsweise schräg zu der zu überwachenden Oberfläche angeordnet sind.
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7. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sender und/oder Empfänger vorgesehen sind.

8. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Sendern (2) jeweils ein ' Empfänger (3) zugeordnet ist und daß dem Empfänger vorzugsweise eine Sammellinse vorgeschaltet ist.

9. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sender nebeneinander, insbesondere quer zu einer Abtastrichtung angeordnet sind.

10. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (2) mit einer Ansteuereinrichtung (10) verbunden ist, die einen Modulator für einen Pulsbetrieb der Leuchtdiode aufweist und daß die Pulsfrequenz wenigstens bis zu 10 kHz beträgt.

Henrich Börjes-Pestalozza Patent- und Rechtsanwalt