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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung.
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Eine solche optische Sensoranordnung kann eine Vorrichtung zur Trübungsmessung bei gasförmigen oder flüssigen Messmedien umfassen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Trübungsmessung erläutert. Es versteht sich aber, dass das erfindungsgemäße Grundprinzip auch bei anderen optischen Messverfahren in der Analyse, insbesondere in der Prozessmesstechnik, eingesetzt werden kann, bei denen sich durch den Einfluss des Mediums erfassbare Veränderungen eines optischen Sendersignals ergeben.
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Trübung entsteht in Gasen oder Flüssigkeiten durch die Anwesenheit disperser Stoffe. Die Trübung kann anhand der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung mit dem Messmedium bestimmt werden, zum Beispiel durch Messung der Schwächung der Intensität einer durch das Medium durchgehenden Strahlung (Turbidimetrie) oder durch Messung der Intensität des an den dispersen Stoffen gestreuten Lichts (Nephelometrie). Bei der Nephelometrie wird das Streulicht in einem Winkel, beispielsweise 90°, zu einem von einem optischen Sender ausgestrahlten Messlichtstrahl bestimmt.
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Unter „Licht” wird hier und im Folgenden nicht nur elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Spektralbereichs, sondern elektromagnetische Strahlung jedweder Wellenlänge, insbesondere auch im infraroten Wellenlängenbereich verstanden.
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Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, als optische Sender und als optische Empfänger Dioden einzusetzen. Dabei wird als optischer Sender eine Leuchtdiode zur Erzeugung eines in einem geeigneten Wellenlängenbereich liegenden Messlichts (z. B. Infrarotstrahlung zwischen 800 und 1000 nm) verwendet. Die Intensität des von der Leuchtdiode emittierten Lichts entspricht der Sendersignalstärke. Als Empfänger kann entsprechend eine Fotodiode eingesetzt werden, die aus dem empfangenen Streulicht ein Empfängersignal, beispielsweise einen Fotostrom oder eine Fotospannung, erzeugt. Die Empfängersignalstärke, hier die Fotostromstärke bzw. die Größe der Fotospannung, hängt von der Intensität der auf die Empfängerdiode auftreffenden Lichtintensität, also bei der Trübungsmessung von der Intensität des Streulichts ab. Diese korreliert wiederum unmittelbar mit der Teilchengröße und der Konzentration der streuenden dispersen Stoffe, also der Trübung des Messmediums.
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Häufig wird der Fotostrom bzw. die Fotospannung der als Empfänger eingesetzten Fotodiode über eine bestimmte Zeitspanne, die sogenannte Integrationszeit, aufintegriert und anschließend durch einen nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Dieses digitale Signal kann einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise einem Mikrocomputer oder Mikrocontroller zugeführt werden, die das Digitalsignal mittels eines in einem Speicher der Datenverarbeitungseinrichtung hinterlegten Kalibriermodells auf einen Messwert der zu bestimmenden Messgröße abbildet.
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Problematisch ist die Wahl einer geeigneten Integrationszeit. Sie muss für jedes Messmedium unterschiedlich gewählt werden. Denn eine zu kurze Integrationszeit kann bei bestimmten Medien und Trübungswerten zu einem zu schwachen Signal führen, das im schlimmsten Fall im Quantisierungsrauschen des Analog/Digital-Wandlers untergeht. Wird die Integrationszeit dagegen zu lang gewählt, kann wiederum das Signal so stark werden, dass der Analog/Digital-Wandler in die Sättigung gerät und die Messung unbrauchbar wird.
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Aus
DE 10 2008 010 446 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung bekannt, bei dem das Messsignal eines Empfängers einer optischen Messvorrichtung über eine vorgegebene Integrationszeit integriert wird, wobei die Integrationszeit oder die Sendersignalstärke in Abhängigkeit von der Messsignalstärke vorgegeben werden. Auf diese Weise kann die Messsignalstärke beispielsweise an den Eingangsbereich des Analog/Digital-Wandlers angepasst werden, insbesondere derart, dass ein Sättigungswert des Analog/Digital-Wandlers nicht überschritten wird. Ist eine geeignete Integrationszeit oder eine geeignete Sendersignalstärke festgelegt, bei der das durch Integration des Fotostroms oder der Fotospannung der Fotodiode erzeugte Empfängersignal unterhalb der Sättigung des Analog/Digital-Wandlers bleibt, wird das integrierte und digitalisierte Empfängersignal als Messsignal in der voranstehend beschriebenen Weise zur Bestimmung der Messgröße, z. B. der Trübung, verwendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren unabhängig von der gewählten Integrationszeit verlässliche Messwerte liefern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren zur Bestimmung eines Messwerts einer Messgröße eines Mediums, insbesondere zur Trübungsmessung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, mittels einer optischen Sensoranordnung, welche mindestens einen Sender und mindestens einen dem Sender zugeordneten Empfänger aufweist, umfasst die Schritte:
- – Beaufschlagen des mindestens einen Senders mit einem Anregungssignal zur Erzeugung eines optischen Sendersignals mit einer Sendersignalstärke, wobei das Sendersignal durch Wechselwirkung mit dem Medium in Abhängigkeit von der Messgröße in ein gewandeltes Sendersignal gewandelt wird;
- – Erzeugen eines Empfängersignals mittels des mindestens einen Empfängers aus dem gewandelten Sendersignal und Erfassen einer Empfängersignalstärke des Empfängersignals;
- – Anpassen einer Anregungssignalstärke des Anregungssignals anhand der erfassten Empfängersignalstärke zur Erreichung einer vorgegebene Empfängersignalstärke;
- – Erfassen der zur Erreichung der vorgegebenen Empfängersignalstärke erforderlichen Anregungssignalstärke und daraus Bestimmen des Messwerts.
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Das Anregungssignal kann in Abhängigkeit von der erfassten Empfängersignalstärke aktiv geregelt werden, so dass sich die Empfängersignalstärke auf einen vorgegebenen Wert einstellt.
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Der mindestens eine Sender kann eine Lichtquelle, insbesondere eine Leuchtdiode umfassen. Das Anregungssignal kann in diesem Fall eine Betriebsspannung oder ein Betriebsstrom der Lichtquelle, beispielsweise der Leuchtdiode, sein. Durch Variation des Anregungssignals, also hier der Betriebsspannung bzw. des Betriebsstroms, variiert entsprechend die Sendersignalstärke, hier die Intensität der von der Leuchtdiode emittierten Strahlung.
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Der mindestens eine Empfänger kann mindestens ein fotoelektrisches Element, insbesondere eine Fotodiode, umfassen. Das fotoelektrische Element ist dem Sender, beispielsweise einer Leuchtdiode in der Weise zugeordnet, dass ein von der Leuchtdiode emittiertes Sendersignal, hier ein Lichtsignal, nach Wechselwirkung mit dem Medium mindestens teilweise von dem fotoelektrischen Element empfangen und von diesem in ein elektrisches Signal, insbesondere einen Fotostrom oder eine Fotospannung gewandelt wird.
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Bei einer optischen Trübungsmessung wird ein von einer als Sender dienenden Lichtquelle emittiertes Sendersignal in Form eines Messlichtstrahls im Medium gestreut. Der Empfänger, z. B. eine Fotodiode, kann beispielsweise derart bezogen auf die Lichtquelle ausgerichtet sein, dass er das Sendersignal direkt, also im Durchtritt empfängt, d. h. dass der Messlichtstrahl nach Durchlaufen des Mediums auf den Empfänger trifft. Das Empfängersignal, z. B. der Fotostrom der Fotodiode, oder ein daraus abgeleitetes Signal, ist dann ein Maß für die durch die Wechselwirkung mit dem Medium, insbesondere der Streuung an Partikeln oder Gasblasen des Mediums, verursachte Abschwächung des Sendersignals.
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Alternativ kann der Empfänger zur Trübungsmessung so bezüglich des Senders ausgerichtet sein, dass er die im Medium gestreute Strahlung empfängt. Die Wechselwirkung des von der Lichtquelle emittierten Messlichtstrahls mit dem Medium in Form von Streuung an Partikeln oder Luftblasen im Medium, führt zur Entstehung von Streustrahlung, die sich in unterschiedlicher Intensität in alle Raumrichtungen ausbreitet. Der Empfänger, z. B. ein fotoelektrisches Element, wie z. B. eine Fotodiode, wird zum Empfang der Streustrahlung daher in einem von 0° und 180° verschiedenen Winkel zum Messlichtstrahl ausgerichtet, vorzugsweise in einem Winkel von 90° oder 135°. Das Empfängersignal, z. B. der Fotostrom des fotoelektrischen Elements, insbesondere der Fotodiode, oder ein daraus abgeleitetes Signal, ist ein Maß für die Streulichtintensität und damit ein Maß für die Trübung des Mediums.
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Das Empfängersignal kann ein von einer von dem fotoelektrischen Element empfangenen Lichtintensität abhängiger Fotostrom oder eine von der auf das fotoelektrische Element auftreffenden Lichtintensität abhängige Fotospannung sein.
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Das Empfängersignal kann auch durch Integration eines von einer von dem fotoelektrischen Element empfangenen Lichtintensität abhängigen Fotostroms oder einer von der auf das fotoelektrische Element auftreffenden Lichtintensität abhängigen Fotospannung über eine vorgegebene Integrationszeit erzeugt werden.
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Das Empfängersignal, insbesondere das durch eine Integrationsschaltung durch Integration des Fotostroms oder der Fotospannung erzeugte Empfängersignal, kann mittels eines Analog/Digital-Wandlers in ein digitales Empfängersignal gewandelt werden.
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Zur Anpassung oder Regelung des Anregungssignals kann das digitale Empfängersignal mit einem vorgegebenen Signalwert verglichen werden, und basierend auf diesem Vergleich das Anregungssignal derart angepasst werden, dass das Empfängersignal mit dem vorgegebenen Signalwert übereinstimmt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein Messsystem mit einer optischen Sensoranordnung mit einer Leuchtdiode und einer Fotodiode zur Trübungsmessung.
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Das Messsystem 1 umfasst eine als Sender dienende Leuchtdiode S, die mittels einer Versorgungsschaltung V mit einem Betriebsstrom versorgt wird. Die Leuchtdiode S strahlt Messlicht 2, dessen Intensität von der Stärke des Betriebsstroms abhängt, in ein, insbesondere flüssiges, Medium M ab, das streuende Partikel P enthält, beispielsweise Feststoffpartikel oder Gasblasen. Im Medium M wird durch Wechselwirkung zwischen dem Messlicht 2 und den streuenden Partikeln P Streulicht 3 in alle Raumrichtungen emittiert. Eine Fotodiode E ist so positioniert, dass sie Streulicht 3 empfängt, welches bezüglich des eingestrahlten Messlichtstrahls 2 in einem Winkel von 90° gestreut wird. Die Fotodiode E kann selbstverständlich auch in einem anderen Winkel bezüglich des Messlichtstrahls 2 angeordnet sein. Die Fotodiode E erzeugt in Abhängigkeit von der von ihr empfangenen Streulichtintensität ein elektrisches Signal, insbesondere einen Fotostrom bzw. eine Fotospannung, dessen Signalintensität oder Signalstärke von der Streulichtintensität abhängt. Der Fotostrom oder entsprechend die Fotospannung wird über eine Integrationsschaltung I mit einem Kondensator zur Bildung eines Empfängersignals aufintegriert. Die am Kondensator anliegende Spannung wird dabei mittels eines Analog/Digital-Wandlers AD in ein digitales Empfängersignal umgewandelt. Mit dem Analog/Digital-Wandler AD ist eine Steuereinheit SE verbunden, die das digitalisierte Empfängersignal empfängt und weiterverarbeitet.
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Die Steuereinheit SE kann durch eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Mikrocomputer, welcher einen Mikroprozessor und gegebenenfalls einen oder mehrere zusätzliche Datenspeicher umfasst, gebildet sein. In dem Mikrocomputer ist ein vorgegebener Empfängersignalwert hinterlegt, mit dem die Steuereinheit SE das erfasste digitalisierte Empfängersignal vergleicht. Hierzu ist in dem Mikrocomputer ein Vergleichsalgorithmus hinterlegt, durch den ein Toleranzbereich um den vorgegebenen Empfängersignalwert festgelegt wird. Fällt das erfasste digitale Empfängersignal in den Toleranzbereich, wird eine Übereinstimmung zwischen dem erfassten und dem vorgegebenen Empfängersignalwert festgestellt.
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Weicht das erfasste digitale Empfängersignal dagegen von dem vorgegebenen Empfängersignal so weit ab, dass es nicht mehr innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereiches liegt, wird von der Steuereinheit SE eine Abweichung fest gestellt. In diesem Fall kann über einen in der Steuereinheit SE vorgesehenen Standard-Regler, der mit der Versorgungsschaltung V verbunden ist, das Anregungssignal, hier die Betriebsspannung bzw. der Betriebsstrom der Leuchtdiode S so lange variiert werden, bis eine Übereinstimmung zwischen dem erfassten und dem vorgegebenen Empfängersignalwert festgestellt wird.
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Die Regelung der Versorgungsschaltung kann durch eine Regler-Schaltung oder durch eine in der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung der Steuereinrichtung SE lauffähige Software realisiert werden. Im letzteren Fall bestimmt die Datenverarbeitungseinrichtung aus der Abweichung zwischen der Signalstärke des erfassten Empfängersignals und der vorgegebenen Empfängersignalstärke anhand der bekannten Übertragungsfunktion der Messeinrichtung 1 die erforderliche Versorgungsspannung bzw. den erforderlichen Versorgungsstrom zur Erreichung der vorgegebenen Empfängersignalstärke und stellt den von der Versorgungsschaltung der Lichtquelle E zur Verfügung gestellten Versorgungsstrom entsprechend ein.
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Die Anregungssignalstärke, im hier gezeigten Beispiel also der Versorgungsstrom der Leuchtdiode E, die zum Erfassen einer mit der vorgegebenen Empfängersignalstärke übereinstimmenden Empfängersignalstärke führt, wird als Messsignal erfasst. Anhand einer in einem Datenspeicher der Steuereinheit hinterlegten Kalibrierfunktion wird das Messsignal auf einen Trübungsmesswert abgebildet. Dieser kann an eine Anzeigeeinheit D ausgegeben werden. Alternativ kann der Messwert an eine übergeordnete Einheit, beispielsweise an einen Messumformer, oder eine Prozessleitstelle ausgegeben werden.
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Die Erfindung ist besonders gut geeignet zur Messung des Feststoffgehaltes in einer Suspension aus Wasser und Klärschlamm, jedoch nicht auf diesen Bereich im Umweltsektor beschränkt. Die Erfindung lässt sich insbesondere überall dort vorteilhaft einsetzen, wo starke Schwankungen der Messgröße, insbesondere der Trübung, auftreten. Das kann allgemein in der Messtechnik oder in der Prozesstechnik der Fall sein. In allen diesen technischen Gebieten kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008010446 A1 [0008]