专利名称：用于确定至少一个物理或化学过程变量，尤其是介质的至少一个成分的浓度的光学�？榈闹谱鞣椒�
技术领域：
本发明涉及一种用于确定至少一个物理或化学过程变量，尤其是介质的至少一个成分的浓度的光学模块。
背景技术：
在用于确定至少一个物理或化学过程变量的光学测量系统中，在给定情况下，在诸如例如透镜、镜子、分束器或光纤的光学元件的辅助下，由光源发出的辐射通过流通池(flow through cell)形成至少部分地的光路上被引导的测量波束或参考波束。在这样的情况下，在辐射和流通池中所包含的介质之间发生相互作用。该相互作用尤其是吸收或散射。 在下文中，通过举例的方式，将讨论用于确定浊度的散射以及用于确定介质的浓度的吸收。当然，本发明的基本原理在分析中也能够与其它光学测量方法一起应用，尤其是在过程测量技术中，其中光学发送器信号的可确定变化因介质的影响而产生。在散射情况下，以特定的角度例如与辐射方向成90°检测散射光。从被测散射光的强度能够推测介质的浊度。通过分散材料的存在，在气体或液体中产生浊度。在吸收的情况下，例如在一定的波长范围内的至少一部分的辐射被介质吸收。介质的吸收取决于材料成分和浓度。在经过流通池之后，因吸收而改变的辐射落到辐射检测器上，该辐射检测器根据入射辐射的强度来输出测量信号。能够从测量信号推断介质的吸收/传输/反射并且因此介质的类型和/或成分，尤其是介质中分析物的浓度。在光度测定的情况下，在光的辅助下测量吸收。如果有人用光辐射吸收性介质的溶液，则吸收取决于介质的光谱性质、浓度以及溶液中光路的长度。光度测定允许定性和定量检测以及对辐射吸收、化合物的化学过程的动态的跟踪。在与光度测定相关的比色法的情况下，(在有色介质的情况下)直接通过光学比较来测量样品的颜色强度，或者介质在通过化学反应转变成有色反应产品之后，在适当的比较标尺的辅助下对介质进行测量。在测量中，用比较标尺直接确定待测量物质的颜色密度。在颜色均等的情况下，介质的浓度对应于刻在标尺上的值或对应于表中的对应值。用比色法，还能够确定胶体溶液和悬浮液中成分的浓度。在分光测定中，用不同的波长来操作光度测定，即，宽带辐射器和接收器或多个(不同的)窄带辐射器和接收器是必要的。在过程测量技术中，例如在监测管道、排水沟和/或澄清装置中的水中，诸如例如铝离子、铵离子、钙离子、铬离子、铁离子、或锰离子的各种离子的含量，氯化物的含量，硝酸盐，亚硝酸盐，磷酸盐，硅酸盐和硫化物，以及有机化合物，诸如例如联氨能够用光度测定法来确定。另外，能够用光度测量方法确定水溶液的硬度。从本发明的意义上说，“光”不应限于电磁频谱的可见范围，而是应当被理解为任何波长的电磁福射，尤其也在远紫外(UV)和红外(IR)波长范围内的福射。对于光度检测，一些介质在远UV区域内示出适当的特性吸收带，因此尤其在200nm和300nm之间。例如，基于214nm的波长吸收，硝酸盐的浓度用被测液体记录。在远UV区域内，尤其在水质监测现场中使用的进一步测光确定的参数是254nm处的频谱吸收系数(SAC)。254nm处的SAC用于检测溶解的有机成分的存在。在已知光学测量系统中，取决于待测量物质，应用宽带辐射器(例如白炽灯泡)或最经常窄带辐射器(例如发光二极管(LED))。在这样的情况下，LED用于产生处于适当波长范围内的测量光。由发光二极管所发出的光的强度对应于传输信号强度。相应地，光电二极管能够用作接收器，光电二极管从接收的光产生例如光电流或光电压的接收器信号。接收器信号强度取决于入射到接收器二极管上的光强度，因此在浊度测量的情况下，取决于散射光的强度。进而，这直接与散射分散材料的颗粒大小和浓度相关联，因此与被测介质的浊度相关联。在浓度测量的情况下，该强度取决于待测介质的传输特性。在LED情况下的问题是，有时诸如例如辐射功率的光学参数的显著的个体变化。在比较来自不同制造商的LED时，差别甚至更大。而且，LED具有相对短的产品寿命周期。因此，不能确保特定类型的LED在几年后仍可在市场上买到。·不管所使用的光源的类型如何，光源的频谱性质成为测量的一部分。因此，为了确�？煽康牟饬浚圆饬肯低秤绕涫枪庠吹男Ｗ际蔷员匾�。通过校准，可以将光源的频谱性质从测量结果中移除，使得结果不依赖于光源的单独的性质。在给定情况下，在校准期间必须中断工艺流程。因此，为了最小化过程停机时间，操作员应努力尽可能少且尽可能快速地执行校准。在每次更换光源时，必须重新校准，否则会不利地影响生产率。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种允许更换光源而无需重新校准的系统。该目的通过一种光学�？槔词迪郑霉庋？榘�-至少一个光源；-至少一个数据存储器，其中该光源的至少一个特性存储在数据存储器中；-至少一个接口，其中该接口被设计用于数据传输和/或能量传输；以及-平台，其中所述光源、数据存储器和接口布置在该平台上/中。通过存储该光源的至少一个特性，不再需要现场校准，并且减少校准努力。以这种方式，缩短维护时间，并且最小化设备的停机时间。以这种方式，能够节省成本和资源。而且，减少对部件规格的依赖性，并且整个测量系统的质量能够保持较高，而不管不同部件规格。在一有利实施例中，光源是LED。LED发送非常特定的波长并且能够被选定为分析物的函数。最为需要的分析物的波长是可用的。LED消耗相对小的能量，体积小且可集成，由此能够节省成本。在一优选实施例中，光源的至少一个光学特性被存储在数据存储器中，其中光学特性是(中央)波长、带宽、辐射特性、色温、辐射功率、频谱和/或显色指数。在实施例的一有利形式中，至少一个电气特性被存储在数据存储器中，其中所述电气特性是接通电压、驱动频率、接通/断开时间、功率消耗、效率和/或驱动电流。至少存储在数据存储器中的一般信息优选地是序号、制造日期等。在一优选实施例中，至少操作数据被存储在数据存储器中，其中所述操作数据是校正数据、运行时数、温度负载、装置数据、过程数据和历史数据。当然，上述列举并不完整，并且任何类型的信息能够被存储在数据存储器中。可想象的是，取决于客户和/或客户需求，其它数据和信息被存储在存储器中。通过存储在数据存储器中的特性内容，当发生更换光源时，不再需要现场校准。连续、可靠和正确测量所需的所有数据被保存在数据存储器中并且被读出。一种选项是，提早在实验室内确定所需的性质并将其存储在数据存储器中。能够直接将数据保存在数据存储器中或创建包含所有所需信息的校准模型。在调换光源之后，可以依赖包含正确测量所需的所有数据并且在实验室内创建的校准模型，并且无需现场校准。 优选地，数据存储器是非易失性存储器。以这种方式，所存储的数据得到长期维护，尤其还当未连接电流供应装置时。在光学�？榈囊挥欣贾弥校柚糜兄辽僖桓龉饧觳馄髟�。该检测器元件与光源相关联，使得由光源所发出的光信号在与介质相互作用之后例如在散射之后，至少部分地由检测器元件接收。因此，所接收到的强度是对例如介质的浊度的特定化学或物理过程变量的测量。在一优选实施例中，至少一个光检测器兀件被设置在外部�？樯希渲性诟猛獠磕？樯仙柚糜猩杓朴糜谑荽浜�/或能量传输的至少一个接口，其中所述外部模块经由接口连接到光学�？�。如果检测器元件位于外部�？樯希蚩山煅槠髟牍庋？橐黄鸩贾迷诠艿�、容器、透明小容器等上或中。然后，从光源发出的光在与位于管道、容器、透明小容器等中的介质交互作用之后被检测器元件至少部分地检测到。外部�？榫山涌诹拥焦庋？�。在实施例的一有利形式中，至少一个上级单元设置在光学�？楹�/或外部�？樯希渲懈蒙霞兜ピ葱邢铝泄δ苤械闹辽僖幌�-对光源的校验、开环控制和/或闭环控制，-写入到数据存储器和/或从数据存储器读�。�-对检测器元件的检验、开环控制和/或闭环控制，-存储数据，-处理和/或转发由检测器元件测量到的信号。例如，通过该至少一个上级单元，通常，诸如微处理器或FPGA的“智能代理”能够控制光源，并且能够处理、存储和分派测量数据。以这种方式，还能够直接“现场”管理复杂的任务，由此能够避免原始数据的传输,并且提高传输安全性。
将基于附图更为详细地解释本发明，附图中的图示出如下图I :本发明的光学�？椋煌�2 :进一步的实施例中的本发明的光学模块；以及
图3:附加实施例中的本发明的具有外部�？榈墓庋？�。附图标记清单I :光学模块2 :光源3 :数据存储器4:1 的接口5 :平台6:1的检测器元件
7 8的检测器元件8 :外部�？�9:8 的接口10:1的上级单元11 8的上级单元
具体实施例方式在图中，相同的特征用相同的参考文字标记。图I示出本发明的光学�？椋媚？橐云湔逵貌慰嘉淖諭标记。光学�？镮包括至少一个光源2、数据存储器3和接口 4。所述部件被布置在平台5上。平台5通常是印刷电路板(PCB)并且包括电气绝缘材料，最常用纤维加强合成材料，诸如FR-4。然而，可想象的是，光源2、数据存储器3和接口 4被布置在作为平台的(共享)壳体上/中。因此，例如，接口 4能够直接布置在该壳体的对应的开口中。光源2包括至少一个LED，其中能够使用两个不同的LED，并且LED能够冗余地布置在平台5上。尤其，不同的波长的LED能够被放置在平台5上/中。数据存储器3通常是非易失性存储器，诸如，例如，EPROM、EEPROM或闪速存储器。下面的信息能够被存储在数据存储器3中光学信息、电气信息、一般信息和/或操作信息。光源2的光学信息的例子是(中央)波长、带宽、辐射特性、色温、辐射功率、频谱和显色指数。电气性质的例子是接通电压、驱动频率、接通/断开时间、功率消耗、效率和驱动电流。一般信息的例子是序号或制造日期。操作数据的例子是校正数据、运转时数、温度负载、装置数据、过程数据或历史数据。当然，以上列举并不完整，并且任何类型的信息能够被存储在数据存储器3中。可想象的是，取决于客户和/或客户要求，其它数据和信息被存储在存储器中。具有所述部件的平台5能够经由接口 4与“外部世界”通信。在该实施例中，光源2“外部地”受到控制并且从外部对存储器进行写或读。接口 4体现为流电接口，即例如，体现为可能具有电缆的插头。变型也是可想象的，其中接口 4体现为流电去耦接口(S卩，光学接口、电容接口、电感接口)。如果需要，部件相互电连接。因此，例如，两个光源2以及数据存储器3均具有到接口 4的连接件(未示出)。在将部件即光源2、数据存储器3和接口 4安装在平台5上之后，能够确定光源2的性质。因此，例如，这些光学性质包括辐射功率或辐射能量(见上文)，这些光学性质由对应的测量装置确定。可想象的是，测量发生在实验室环境中。所确定的性质直接被存储在数据存储器3中和/或所确定的性质用于创建适当的校准模型。由于所有的信息存在于数据存储器3中并且能够读出，所以如果稍后更换光学模块，则不再需要进行“现场”校准。测量所需的所有性质，例如，浓度或浊度、以及光源的特征被包含在校准模型中并且被存储在数据存储器3中。因为部件之一是有缺陷的或因为期望扩大功能范围例如以便包括其它波长，所以会发生对光学�？镮的更换。因此，还能够扩大整个测量系统的光学�？镮的使用范围。图2示出光学�？镮的一实施例，其中，除图I中所描述的部件之外，至少一个检测器元件6和上级单元10位于平台5上。在这样的情况下，检测器元件6能够是光电二极管、光电二极管阵列、CXD摄像机或一些其它光学电子设备。一般而言，取决于入射辐射的强度，检测器元件6能够输出测量信号(最常用的，电气信号)。检测器元件6与光源2相关联，使得由光源2发出的光信号， 在与介质相互作用之后例如在散射之后，至少部分地由检测器元件6接收并且被转换成电信号，尤其是光电流或光电压。上级单元10能够是例如微处理器或现场可编程门陈列(FPGA)。通过这种类型的“智能”，能够接收和处理由检测器元件6输出的测量信号，以便确定诸如成分的浓度或介质的浊度的特定物理或化学过程变量。而且，数据，在给定情况下的已处理的数据，还能够被存储在数据存储器3中或经由接口 4转发。可想象的是，使用多个光源2和检测器元件6，其中将至少一个光源检测器元件对用作参考元件。另一选项是如下变型，其中，不存在任何上级单元10，即光学�？镮包括如下部件平台5、光源2、数据存储器3、接口 4和检测器元件6。而且，包括安装在平台上/中的部件，即光源2、数据存储器3、接口 4和上级单元10的一实施例形成了另一选项。对已经描述部件的补充，图3示出包括至少一个检测器元件7、上级单元11和接口9的外部�？�8。外部�？�8经由接口 4、9连接到光学�？镮。外部�？�8上的检测器元件7能够拥有与光学模块I上的检测器元件6相同的性质。检测器元件7与光源2相关联，使得由光源2发出的光信号，在与介质相互作用之后，至少部分地被检测器元件7接收到并且被转换成电信号，尤其是光电流或光电压。可想象的是，将光学�？镮和外部�？�8布置在管道、容器、透明小容器等上或中，并且通过所描述的部件来检查位于其中的介质。上级单元10、11能够接收并处理由检测器元件7输出的测量信号，以便确定诸如成分的浓度或介质的浊度的特定物理或化学过程变量。而且，可能被进一步处理的数据能够被存储在数据存储器3中或经由接口 4、9中的一个被分派。上级单元10、11能够经由适当的协议相互通信。另一选项是实施例的一如下形式其中，只有一个上级单元被布置在外部模块8或光学模块I上。而且，附加存储器还能够放置在外部�？�8上，或上级单元本身能够具有存储器。
权利要求
1.一种用于确定至少一个物理或化学过程变量，尤其是介质的至少一个成分的浓度的光学模块(I)，其中所述光学模块包括 -至少一个光源(2)； -至少一个数据存储器(3)， 其中所述光源(2)的至少一个特性被存储在所述数据存储器(3)中； -至少一个接口(4)， 其中所述接口被设计用于数据传输和/或能量传输；以及 -平台(5)， 其中所述光源(2 )、所述数据存储器(3 )和所述接口( 4 )被布置在所述平台(5 )上/中。
2.如权利要求I所述的光学�？�(1)， 其中所述光源(2)是LED。
3.如权利要求I或2所述的光学模块(I)， 其中所述光源(2)的至少一个光学特性被存储在所述数据存储器(3)中； 其中所述光学特性是(中央)波长、带宽、辐射特性、色温、辐射功率、频谱和/或显色指数。
4.如前述权利要求中至少一项所述的光学�？�(I)， 其中至少一个电气特性被存储在所述数据存储器(3)中； 其中所述电气特性是接通电压、驱动频率、接通/断开时间、功率消耗、效率和/或驱动电流。
5.如前述权利要求中至少一项所述的光学�？�(I)， 其中至少一个通用信息被存储在所述数据存储器(3)中； 其中所述通用信息是序号、制造日期等。
6.如前述权利要求中至少一项所述的光学�？�(I)， 其中至少操作数据被存储在所述数据存储器(3)中； 其中所述操作数据是校正数据、运转时数、温度负载、装置数据、过程数据或历史数据。
7.如前述权利要求中至少一项所述的光学�？�(I)， 其中所述数据存储器(3)是非易失性存储器。
8.如前述权利要求中至少一项所述的光学模块(I)， 其中设置有至少一个光检测器元件(6 )。
9.如前述权利要求中至少一项所述的光学�？�(I)， 其中至少一个光检测器元件(7)被设置在外部�？�(8)上； 其中在所述外部�？�(8)上设置有至少一个接口(9)，所述至少一个接口(9)被设计用于数据传输和/或能量传输； 其中所述外部�？�(8)经由所述接口(4，9)连接到所述光学�？�(I)。
10.如前述权利要求中至少一项所述的光学模块(I)， 其中至少一个上级单元(10/11)被设置在所述光学�？�(I)和/或所述外部�？�(8)上； 其中所述上级单元(10/11)执行下列功能中的至少一项 -对所述光源(2)的校验、开环控制和/或闭环控制；-写入到所述数据存储器(3)和/或从所述数据存储器(3)读出；-对所述检测器元件(6/7)的校验、开环控制和/或闭环控制， -存储数据，-处理和/或转发由所述检测器元件(6/7)测量到的信号。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定至少一个物理或化学过程变量，尤其是介质的至少一个成分的浓度的光学�？�(1)，所述光学�？�(1)包括–至少一个光源(2)；–至少一个数据存储器(3)，其中光源(2)的至少一个特性被存储在数据存储器(3)中；–至少一个接口(4)，其中该接口被设计用于数据传输和/或能量传输；以及–平台(5)，其中光源(2)、数据存储器(3)和接口(4)被布置在平台(5)上/中。
文档编号G01N21/17GK102901704SQ20121026450
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者拉尔夫·伯恩哈特, 赖纳·莫洛克 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司
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