DE-102013108189-B4 - Anordnung zur optischen Messung einer Prozessgröße und Messgerät umfassend eine solche

Abstract

Anordnung (13) zur optischen Messung zumindest einer Prozessgröße, insbesondere einer analytischen Prozessgröße, in einem Medium (14), umfassend - zumindest eine Lichtquelle (8) zum Senden von Sendelicht, - zumindest ein Lichtempfänger (9) zum Empfangen von Empfangslicht, wobei der Lichtempfänger (9) das Empfangslicht in eine elektrische Messgröße wandelt, - ein optisches Sensorelement (11), wobei sich das optische Sensorelement (11) zumindest teilweise in Kontakt mit dem Medium (14) befindet und das Sendelicht in das Empfangslicht wandelt, und - zumindest eine Datenverarbeitungseinheit (7) zum Ansteuern und Regeln der Lichtquelle (8) und/oder zum Verarbeiten der elektrischen Messgröße in die Prozessgröße, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter (10) vorgesehen ist, wobei der Lichtleiter (10) die Lichtquelle (8) mit dem optischen Sensorelement (11) und das optische Sensorelement (11) mit dem Lichtempfänger (9) verbindet, wobei der Lichtleiter (10) zumindest dreiarmig ausgebildet ist mit einem ersten Arm (10.1), einem zweiten Arm (10.2) und einem dritten Arm (10.3), wobei der erste Arm (10.1) derart an der Lichtquelle (8) angeordnet ist, dass Sendelicht in den ersten Arm (10.1) gelangt, wobei der zweite Arm (10.2) derart am Lichtempfänger (9) angeordnet ist, dass Empfangslicht aus dem zweiten Arm (10.2) in den Lichtempfänger (9) gelangt, wobei der dritte Arm (10.3) derart am optischen Sensorelement (11) angebracht ist, dass Sendelicht aus dem dritten Arm (10.3) zum optischen Sensorelement (11) gelangt und dass Empfangslicht aus dem optischen Sensorelement (11) in den dritten Arm (10.3) gelangt, und wobei sich der erste Arm (10.1) und der zweite Arm (10.2) zu dem dritten Arm (10.3) vereint, wobei die Leistungsaufnahme der Anordnung (13), insbesondere der Lichtquelle (8) und der Datenverarbeitungseinheit (7), kleiner 1 W ist.

Inventors

• Christian Fanselow
• Andreas Löbbert
• Ronny Michael

Assignees

• ENDRESS+HAUSER CONDUCTA GMBH+CO. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20130731

Claims (12)

1. Anordnung (13) zur optischen Messung zumindest einer Prozessgröße, insbesondere einer analytischen Prozessgröße, in einem Medium (14), umfassend - zumindest eine Lichtquelle (8) zum Senden von Sendelicht, - zumindest ein Lichtempfänger (9) zum Empfangen von Empfangslicht, wobei der Lichtempfänger (9) das Empfangslicht in eine elektrische Messgröße wandelt, - ein optisches Sensorelement (11), wobei sich das optische Sensorelement (11) zumindest teilweise in Kontakt mit dem Medium (14) befindet und das Sendelicht in das Empfangslicht wandelt, und - zumindest eine Datenverarbeitungseinheit (7) zum Ansteuern und Regeln der Lichtquelle (8) und/oder zum Verarbeiten der elektrischen Messgröße in die Prozessgröße, dadurch gekennzeichnet , dass ein Lichtleiter (10) vorgesehen ist, wobei der Lichtleiter (10) die Lichtquelle (8) mit dem optischen Sensorelement (11) und das optische Sensorelement (11) mit dem Lichtempfänger (9) verbindet, wobei der Lichtleiter (10) zumindest dreiarmig ausgebildet ist mit einem ersten Arm (10.1), einem zweiten Arm (10.2) und einem dritten Arm (10.3), wobei der erste Arm (10.1) derart an der Lichtquelle (8) angeordnet ist, dass Sendelicht in den ersten Arm (10.1) gelangt, wobei der zweite Arm (10.2) derart am Lichtempfänger (9) angeordnet ist, dass Empfangslicht aus dem zweiten Arm (10.2) in den Lichtempfänger (9) gelangt, wobei der dritte Arm (10.3) derart am optischen Sensorelement (11) angebracht ist, dass Sendelicht aus dem dritten Arm (10.3) zum optischen Sensorelement (11) gelangt und dass Empfangslicht aus dem optischen Sensorelement (11) in den dritten Arm (10.3) gelangt, und wobei sich der erste Arm (10.1) und der zweite Arm (10.2) zu dem dritten Arm (10.3) vereint, wobei die Leistungsaufnahme der Anordnung (13), insbesondere der Lichtquelle (8) und der Datenverarbeitungseinheit (7), kleiner 1 W ist.
2. Anordnung (13) nach Anspruch 1 , wobei der Lichtleiter (10) als Glasstab ausgestaltet ist.
3. Anordnung (13) nach Anspruch 1 , wobei der Lichtleiter (10) aus einer Vielzahl von Fasern gebildetes Faserbündel ausgestaltet ist, wobei eine erste Gruppe der Fasern, die Sendefasern (12.1), den ersten Arm (10.1) bilden, und wobei eine zweite Gruppe der Fasern, die Empfangsfasern (12.2), den zweiten Arm (10.2) bilden.
4. Anordnung (13) nach Anspruch 3 , wobei die Sendefasern (12.1) und Empfangsfasern (12.2) im dritten Arm (10.3) so verteilt sind, dass im Querschnitt des dritten Arms (10.3) die Sendefasern (12.1) einen ersten Teilkreis bilden, und die Empfangsfasern (12.2) einen zweiten, den ersten Teilkreis vervollständigen, Teilkreis bilden, wobei der erste Teilkreis im Flächeninhalt kleiner als der zweite Teilkreis ist.
5. Anordnung (13) nach Anspruch 3 , wobei die Sendefasern (12.1) und Empfangsfasern (12.2) im dritten Arm (10.3) gleichverteilt sind.
6. Anordnung (13) nach Anspruch 3 , wobei die Empfangsfasern (12.2) einen inneren Kreis bilden und die Sendefasern (12.1) einen koaxialen, äußeren Kreisring um den inneren Kreis herum bilden.
7. Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei zumindest ein optisches Filter und/oder Linse im Lichtleiter (10) vorgesehen ist, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Lichtquelle (8) und ersten Arm (10.1), Lichtempfänger (9) und zweiten Arm (10.2), sowie optischen Sensorelement (11) und dritten Arm (10.3).
8. Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei die dem optischen Sensorelement (11) zugewandten Enden der Fasern des Lichtleiters (10) in einem Winkel kleiner 90° zu ihren Längsachsen abgeschnitten sind.
9. Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei das optische Sensorelement (11) als Photolumineszenz-Sensor, insbesondere als Fluoreszenz-Sensor oder Phosphoreszenz-Sensor, ausgebildet ist, wobei das optische Sensorelement (11) in Abhängigkeit der Prozessgröße nach Anregung mit dem Sendelicht das Empfangslicht emittiert.
10. Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 , wobei das optische Sensorelement (11) zumindest eine Schicht umfasst, die bei Kontakt mit der Prozessgröße im Medium (14) zumindest eine Eigenschaft ändert, sich insbesondere verfärbt, und in Abhängigkeit der Prozessgröße Sendelicht absorbiert.
11. Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 , wobei es sich bei dem Lichtleiter (10) um einen Lichtleiter (10) mit einer numerischen Apertur größer 0,1 handelt.
12. Messgerät (1), umfassend eine Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Messgerät (1) eine sensorseitige Komponente (4) und eine transmitterseitige Komponente (2) umfasst, wobei die Anordnung (13) auf/in der sensorseitigen Komponente (4) positioniert ist, wobei Energie, unidirektional von der transmitterseitigen Komponente (2) zu der sensorseitigen Komponente (4), sowie Daten bidirektional, insbesondere die elektrische Messgröße und/oder die Prozessgröße, übertragen werden, und die sensorseitige Komponente (4) und die transmitterseitige Komponente (2) über eine galvanisch getrennte Verbindung (5, 6), insbesondere eine induktive Verbindung, miteinander gekoppelt sind, oder die sensorseitige Komponente (4) und die transmitterseitige Komponente (2) galvanisch gekoppelt sind und über eine galvanisch getrennte Verbindung (5, 6) mit einem Leitsystem verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Messung einer Prozessgröße, insbesondere einer analytischen Prozessgröße, in einem Medium sowie ein Messgerät umfassend eine solche. Obwohl die Erfindung im Folgenden anhand eines Sauerstoffsensors, der nach dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung arbeitet, erläutert wird, soll die erfinderische Idee nicht auf solche Sensoren beschränkt werden. Vielmehr sind andere Prozessgrößen, insbesondere Konzentrationen von bestimmten Analysten wie Ionen, Moleküle, Gase oder anderen chemischen Verbindungen, pH-Wert oder Temperatur sind ebenso durch eine solche Anordnung mit üblichen Modifikationen messbar. Messgeräte, die zur Bestimmung der entsprechenden Prozessgrößen geeignet sind, werden von der Firmengruppe Endress+Hauser in großer Variantenvielfalt angeboten und vertrieben. Der Sensor umfasst etwa einen, ein optisches Sensorelement enthaltenen Sensorkopf, an welchen sich ein Gehäuse anschließt, das eine Datenverarbeitungseinheit enthält, wobei das optisches Sensorelement von einer Lichtquelle mit Licht angestrahlt wird. Das Licht wird von dem optischen Sensorelement in einer bestimmten Lichtcharakteristik, möglicherweise nach Wandlung, zurückgestrahlt, von einem Lichtempfänger detektiert und ein die Lichtcharakteristik repräsentatives Signal des Lichtempfängers von der Datenverarbeitungseinheit ausgewertet. Aus der EP 2 295 953 A1 ist eine Einrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen in Lösungen auf Basis einer Fluoreszenzmessung bekannt. Die Einrichtung umfasst eine Lichtquelle, die ein Sendelicht in ein zu untersuchendes Medium ausstrahlt. Durch dieses Sendelicht wird ein optisches Sensorelement angeregt, das in Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium angeordnet ist. Bei der Fluoreszenzmessung wird das Sendelicht von dem optischen Sensorelement absorbiert und Licht einer anderen Wellenlänge in Abhängigkeit Prozessgröße, also etwa der Konzentration eines Analyten, zurückgestrahlt. Die von dem optischen Sensorelement zurück gestrahlte Strahlung wird durch einen Lichtempfänger als Empfangslicht aufgenommen, in eine elektrische Messgröße gewandelt und an eine Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet. Je nach Eigenschaften des optischen Sensorelementes reagiert der optische Sensor auf unterschiedliche Teilchenkonzentrationen mit unterschiedlichen Empfangslichtintensitäten, Empfangsfrequenzen, Phasenwinkel und/oder Abklingkurven. DE 37 02 210 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von in einer Substanz enthaltenen Stoffen, insbesondere von Sauerstoff, mit einem Lumineszenzindikator, dessen Lumineszenzintensität von den zu bestimmenden Stoffen gemindert bzw. gelöscht wird. Das Anregungslicht gelangt mittels eines ersten Lichtleiters zum Sensorelement und das Lumineszenzlicht gelangt mittels weiteren Lichtleiters zum Detektor. Grundsätzlich existieren verschieden Methoden die Lichtquelle / den Lichtempfänger mit dem optischen Sensorelement anzuordnen, was im Folgenden erläutert wird. Bei Sensoren mit ausreichender Energieversorgung können die Lichtquelle / der Lichtempfänger direkt am optischen Sensorelement angeordnet werden. Dies ist allerdings bei Hochtemperatursensoren schwierig zu realisieren, da sich lange und störanfällige Verbindungsleitungen von der entfernt von der Hochtemperaturmessstelle angeordneten Datenverarbeitungseinheit zu den optischen Bauelementen ergeben. Um dies zu vermeiden können Lichtquelle und Lichtempfänger weit von dem möglicherweise heißen, zu untersuchenden Medium entfernt platziert werden. Dann kann das Licht über einen einzigen Lichtleiter zum optischen Sensorelement gebracht werden. Dies ist für kompakte Sensoren in kleiner Bauweise nicht zu realisieren, da ein relativ großer Lichtleiter benötigt wird. Weiter können getrennte Lichtleiter für Lichtquelle und Lichtempfänger verwendet werden. Dies ist beispielsweise aus der EP 0 940 662 B1 bekannt. Für ein optimales Messsignal müssen die Lichtleiter am optischen Sensorelement in einem Winkel, etwa 45°, aufeinandertreffen. Dies ist wiederrum für kompakte Sensoren nicht zu realisieren. In der DE 102 18 606 A1 ist ein digitaler Sensor beschrieben, der aus zwei lösbar miteinander verbundenen Komponenten besteht: eine sensorseitige Komponente (Steckkopf), mit dem ein Sensorelement (dort: ein potentiometrischer Sensor) und ein Datenspeicher untrennbar verbunden sind, und einer transmittseitigen Komponente (eine Steckverbinderkupplung oder ein Sensorkabel), über die die sensorseitige Komponente mit einem Messumformer oder direkt mit einem Leitsystem gekoppelt ist. Ein digitaler bidirektionaler Datentransfer zwischen den beiden beschriebenen Seiten erfolgt kontaktlos über eine magnetisch-induktiv koppelnde Schnittstelle. Der Energietransfer über die kontaktlose, magnetischinduktive Schnittstelle erfolgt unidirektional. Durch die Energieübertragung über eine galvanisch getrennte Schnittstelle steht der sensorseitigen Komponente nur wenig Energie zur Verfügung. Entsprechende Se