DE102009047660A1 - Method for compensating variation of light intensity of light beam during optical measurement, involves supplying light beam signal to adaptive filter, and evaluating filter output signal based on optical characteristics of measuring medium - Google Patents

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Abstract

The method involves passing a light signal (2) through a measuring medium (3), where the light signal is radiated from an optical transmission unit (1). The light signal is detected by an optical receiving unit (5). A light intensity of the light signal transmitted from the transmission unit is measured. The measured signal of a light beam (4) radiated from the transmission unit is supplied to an adaptive filter, which stimulates transmission characteristics of the medium. An output signal is outputted by the filter and is evaluated with respect to optical characteristics of the medium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Lichtstärkeschwankungen eines von einer optischen Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtsignals während einer optischen Messung, bei welchem das von der optischen Sendeeinrichtung ausgestrahlte Lichtsignal ein Messmedium passiert und anschließend von einer optischen Empfangseinrichtung detektiert wird, wobei die Lichtstärke des von der optischen Sendeinrichtung ausgesandten Lichtsignals gemessen wird.The invention relates to a method for compensating the fluctuations in the luminous intensity of a light emitted by an optical transmitter light signal during an optical measurement, in which the light emitted by the optical transmitter light signal passes a measuring medium and is subsequently detected by an optical receiving device, wherein the light intensity of the of the optical transmitting device emitted light signal is measured.

Die Lichtstärke von Lichtemitterdioden (LED) unterliegt deutlichen Schwankungen, die durch Alterung, unterschiedliche Beläge und in erster Linie durch eine schwankende Umgebungstemperatur hervorgerufen werden. Solche Schwankungen sind sehr störend bei dem Einsatz in optischen Sensoren, da man bei optischen Messprinzipien ausschließlich daran interessiert ist, den Einfluss des zu untersuchenden Messmediums auf das ausgesandte Licht der Lichtemitterdiode zu erfassen, wobei das Messmedium das Licht der Lichtemitterdiode absorbiert oder streut. Aus dem durch das Messmedium beeinflussten und von einer optischen Empfangsvorrichtung detektierten Lichtstrahl werden verschiedene Messergebnisse abgeleitet, die Aufschluss über die Eigenschaften des Messmediums geben.The light intensity of light emitting diodes (LED) is subject to significant fluctuations, which are caused by aging, different deposits and primarily by a fluctuating ambient temperature. Such fluctuations are very disturbing when used in optical sensors, since in optical measuring principles it is only interested to detect the influence of the measuring medium to be examined on the emitted light of the light emitting diode, wherein the measuring medium absorbs or scatters the light of the light emitting diode. Various measurement results are derived from the light beam influenced by the measuring medium and detected by an optical receiving device, which provide information about the properties of the measuring medium.

Durch die Schwankungen in der Lichtstärke des von der Lichtemitterdiode ausgesandten Lichtes wird in den Messergebnissen der Eindruck erweckt, dass sich die zu messende Eigenschaft des Messmediums ändert, was aber tatsächlich nicht der Fall ist. Um solche Schwankungen in der Lichtstärke der Lichtemitterdiode einzuschränken, ist es bekannt, das Licht der Lichtemitterdiode auf der Senderseite des Messmediums mit einer sogenannten Monitordiode zu messen und das auf der Empfängerseite des Messmediums detektierte Signal auf dieses Monitorsignal zu normieren. Durch diese Normierung wird die Dynamik des Sendesignals im Empfangssignal reduziert. Allerdings reicht die dadurch erzielte Schwankungskompensation nicht aus, um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, welche ausschließlich die sich ändernden Eigenschaften des Messmediums widerspiegeln.The fluctuations in the light intensity of the light emitted by the light emitting diode gives the impression in the measurement results that the property of the measuring medium to be measured changes, which is actually not the case. In order to limit such variations in the light intensity of the light emitting diode, it is known to measure the light of the light emitting diode on the transmitter side of the measuring medium with a so-called monitor diode and to normalize the signal detected on the receiver side of the measuring medium to this monitor signal. This normalization reduces the dynamics of the transmitted signal in the received signal. However, the resulting fluctuation compensation is insufficient to obtain reliable measurement results, which only reflect the changing properties of the measuring medium.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation der Lichtstärkeschwankungen eines von einer optischen Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtsignals während einer optischen Messung anzugeben, bei welchem unabhängig von den während der Messung auftretenden Eigenschaften des Messmediums die Schwankungen der Lichtstärke der optischen Sendeeinrichtung zuverlässig kompensiert werden.The invention is thus based on the object of specifying a method for compensating the fluctuations in the luminous intensity of a light signal emitted by an optical transmitter during an optical measurement in which the fluctuations in the luminous intensity of the optical transmitter are reliably compensated independently of the properties of the medium during the measurement.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das gemessene Signal des von der optischen Sendeeinrichtung ausgesandten Lichtes einem adaptiven Filter zugeführt wird, welches die Übertragungseigenschaften des Messmediums modelliert, wobei das adaptive Filter ein Ausgangssignal ausgibt, welches hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft des Messmediums ausgewertet wird. Dieses adaptive Verfahren hat den Vorteil, dass die Übertragungseigenschaften des Messmediums geschätzt werden und ein schwankungskompensiertes Ausgangssignal ausgegeben wird. Bei der Modellierung des Messmediums wird angenommen, dass das von der optischen Sendeeinrichtung ausgesandte Licht bzw. das Messsignal keine Schwankungen in seiner Lichtstärke aufweist. Dadurch werden die Alterungs- bzw. die Umgebungseinflüsse der optischen Sendeeinrichtung, vorzugsweise die Temperaturabhängigkeit dieser, unterbunden.According to the invention, the object is achieved in that the measured signal of the light emitted by the optical transmitting device is fed to an adaptive filter which models the transmission properties of the measuring medium, wherein the adaptive filter outputs an output signal which is evaluated with regard to at least one optical property of the measuring medium. This adaptive method has the advantage that the transmission properties of the measuring medium are estimated and a fluctuation-compensated output signal is output. In the modeling of the measuring medium, it is assumed that the light emitted by the optical transmitting device or the measuring signal has no fluctuations in its intensity. As a result, the aging or the environmental influences of the optical transmitting device, preferably the temperature dependence of these, are prevented.

Vorteilhafterweise stellt das Ausgangssignal des adaptiven Filters die Summe der Koeffizienten des adaptiven Filters dar, welche auf der Grundlage des aktuell gemessenen Signals bestimmt werden. Die Koeffizienten charakterisieren dabei die Eigenschaft des Messmediums, welche durch die Messung bestimmt werden soll. Da es sich bei den Koeffizienten um feste Werte handelt, ist das Ausgangssignal des adaptiven Filters während einer Messung konstant.Advantageously, the output signal of the adaptive filter represents the sum of the coefficients of the adaptive filter, which are determined on the basis of the currently measured signal. The coefficients characterize the property of the medium to be determined by the measurement. Since the coefficients are fixed values, the output of the adaptive filter is constant during a measurement.

In einer Ausgestaltung werden die Koeffizienten des adaptiven Filters bei jeder Messung des von der optischen Sendeeinrichtung ausgesandten Lichtes neu bestimmt. Die Änderung der Koeffizienten ist ein Maß dafür, dass sich die zu bestimmende Eigenschaft des Messmediums verändert. Daher müssen die Koeffizienten zu jedem Messzeitpunkt neu geschätzt werden, um die tatsächlich auftretenden Variationen im Messmedium bei der Messung mit zu berücksichtigen.In one embodiment, the coefficients of the adaptive filter are redetermined each time the light emitted by the optical transmitter is measured. The change of the coefficients is a measure that changes the property of the medium to be determined. Therefore, the coefficients have to be reevaluated at each measurement time in order to take into account the actually occurring variations in the measurement medium during the measurement.

In einer Weiterbildung wird die Messung der Lichtstärke des von der optischen Sendeeinrichtung ausgesandten Lichtstrahles zyklisch wiederholt. Die damit einhergehende ständige Veränderung der Koeffizienten führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangssignals des adaptiven Filters, welches somit als Messwert die Veränderungen der Eigenschaft des Messmediums immer realistischer wiedergibt.In a further development, the measurement of the light intensity of the light beam emitted by the optical transmitting device is cyclically repeated. The concomitant constant change of the coefficients leads to an improvement of the accuracy of the output signal of the adaptive filter, which thus reproduces the changes of the property of the measuring medium more and more realistically as a measured value.

In einer Variante wird dem adaptiven Filter ein aus dem von der Empfangseinrichtung detektiertem Lichtsignal und einem von dem adaptiven Filter simulierten Signal gebildetes Fehlersignal zugeführt, welches bei der Bildung der Koeffizienten des adaptiven Filters berücksichtigt wird. Durch den Abgleich der Koeffizienten mit Hilfe des Fehlersignals gibt das adaptive Filter nach und nach in den aufeinanderfolgenden Messschritten die tatsächliche Eigenschaft des Messmediums immer besser wieder, weshalb sich auch das Ausgangssignal immer genauer den realen Bedingungen anpasst.In one variant, the adaptive filter is supplied with an error signal formed from the light signal detected by the receiving device and a signal simulated by the adaptive filter, which error signal is taken into account when forming the coefficients of the adaptive filter. By adjusting the coefficients with the aid of the error signal, the adaptive filter gradually enters the successive measuring steps, the actual property of the medium to be measured is always better, which is why the output signal adapts more and more accurately to the real conditions.

Vorteilhafterweise wird das Fehlersignal aus einer Abweichung des von der optischen Empfangseinrichtung detektierten Lichtsignals von dem durch das adaptive Filter simulierten Signal bestimmt. Dadurch verringern sich die Abweichungen des Ausgangssignals des adaptiven Filter immer mehr, so dass nach einer bestimmten Anzahl von Messzyklen das Ausgangssignal dem durch das Messmedium beeinflussten Empfangssignal entspricht, welches aufgetreten wäre, wenn die optische Sendeeinrichtung keine Schwankungen in ihrer Lichtstärke aufweisen würde.Advantageously, the error signal is determined from a deviation of the light signal detected by the optical receiving device from the signal simulated by the adaptive filter. As a result, the deviations of the output signal of the adaptive filter are decreasing more and more, so that after a certain number of measuring cycles, the output signal corresponds to the received signal influenced by the measuring medium which would have occurred if the optical transmitting device had no fluctuations in its intensity.

In einer Ausgestaltung wird zu Beginn der Messung ein erster Satz der Koeffizienten des adaptiven Filters mit Hilfe des Fehlers berechnet, der aus der Differenz des erstmalig simulierten Signals des adaptiven Filters und des von der optischen Empfangseinrichtung detektierte Lichtsignals gebildet wird. Die erstmalig zu verwendenden Koeffizienten werden somit in diesem einmaligen Initialisierungsschritt bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Unterschied zwischen dem von der Empfangseinrichtung gemessenen Lichtsignal und dem erstmalig aus dem gemessenen Signal der optischen Sendeinrichtung durch das adaptive Filter errechneten simulierten Signal am größten, was als Ausgangspunkt der Simulation aber nicht weiter bedenklich ist, da sich in den sich anschließenden Messzyklen dieser Unterschied verringert.In one embodiment, at the beginning of the measurement, a first set of the coefficients of the adaptive filter is calculated with the aid of the error, which is formed from the difference between the first simulated signal of the adaptive filter and the light signal detected by the optical receiving device. The coefficients to be used for the first time are thus determined in this one-time initialization step. At this point in time, the difference between the light signal measured by the receiving device and the simulated signal calculated for the first time from the measured signal of the optical transmitting device by the adaptive filter is greatest, which, however, is no further concern as the starting point of the simulation, since in the following Measuring cycles this difference is reduced.

In einer Weiterbildung wird als adaptives Filter ein lineares Prädiktionsfilter, insbesondere ein Recursive-Least-Squares-Algorithmus, eingesetzt. Mittels dieses zeitrekursiven Algorithmus lassen sich die Koeffizienten jederzeit neu schätzen.In a further development, a linear prediction filter, in particular a recursive least squares algorithm, is used as the adaptive filter. Using this time-recursive algorithm, the coefficients can be re-estimated at any time.

Vorteilhafterweise wird als optische Sendeeinrichtung eine Lichtemitterdiode verwendet. Lichtemitterdioden sind hinsichtlich ihrer kleinen Bauform gut in optischen Sensoren einsetzbar und daher vielseitig verwendbar.Advantageously, a light emitting diode is used as the optical transmitting device. Light emitting diodes are well in optical sensors used in their small size and therefore versatile.

In einer Ausgestaltung wird zur Prüfung des adaptiven Filters auf seine Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im Messmedium das durch die optische Empfangseinrichtung detektierte Lichtsignal mit einem additiven, sich linear vergrößernden Prüfsignal beaufschlagt. Mit dieser Prüfung wird sichergestellt, dass das adaptive Filter die Veränderungen im Messmedium auch tatsächlich nachbildet und daher ein zuverlässiges Messergebnis liefert.In one embodiment, to test the adaptive filter for its sensitivity to changes in the measured medium, the light signal detected by the optical receiving device is subjected to an additive, linearly increasing test signal. This test ensures that the adaptive filter actually replicates the changes in the measurement medium and therefore provides a reliable measurement result.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention allows numerous embodiments. One of them will be explained in more detail with reference to the figures shown in the drawing.

Es zeigt:It shows:

1: Prinzipdarstellung eines optischen Sensors für eine Trübungsmessung 1 : Schematic representation of an optical sensor for turbidity measurement

2: zeitlicher Verlauf des Signals einer Monitordiode und des Signals einer optischen Empfangseinrichtung 2 : Time course of the signal of a monitor diode and the signal of an optical receiving device

3: zeitlicher Verlauf des nach dem Stand der Technik kompensierten Signals der optischen Empfangseinrichtung 3 : Time course of the prior art compensated signal of the optical receiving device

4: Prinzipdarstellung der adaptiven Kompensation der Schwankungen der Lichtstärke einer Lichtemitterdiode mit einem adaptiven Filter 4 : Schematic representation of the adaptive compensation of the fluctuations of the light intensity of a light emitting diode with an adaptive filter

5: Gegenüberstellung des zeitlichen Verlaufes des nach dem Stand der Technik kompensierten Signals und des mit einem adaptiven Filter kompensierten Signals 5 : Comparison of the time course of the prior art compensated signal and the compensated with an adaptive filter signal

6: zeitlicher Verlauf des Empfangssignals mit linearem Trend 6 : Timing of the received signal with linear trend

7: Gegenüberstellung des zeitlichen Verlaufs des nach dem Stand der Technik kompensierten Signals mit linearem Trend und dem adaptiv kompensierten Signals mit additiven Trend 7 : Comparison of the time course of the prior art compensated signal with linear trend and the adaptively compensated signal with additive trend

Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Identical features are identified by the same reference numerals.

In 1 ist das Prinzip eines optischen Trübungssensors dargestellt, wie er zur Untersuchung der Eigenschaften in fließenden Gewässern oder Abwasseranlagen eingesetzt wird. Als optische Sendeeinrichtung 1 ist eine Lichtemitterdiode zur Aussendung eines Lichtsignals 2 vorgesehen. Das Lichtsignal 2 trifft auf ein optisches Medium 3, beispielsweise Wasser, und durchquert dieses. Der aus den optischen Medium 3 wieder ausgetretene Lichtstrahl 4 trifft auf eine optische Empfangseinrichtung 5 und wird von dieser in ein elektrisches Signal s(t) umgewandelt, welches einer Auswerteeinrichtung 6 zugeführt wird. Die Lichtstärke des von der Lichtemitterdiode 1 ausgesandten Lichtstrahls 2 wird von einer sogenannten Monitordiode 7 gemessen, die annähernd senkrecht zu dem von der Lichtemitterdiode 1 ausgestrahlten Lichtsignal 2 angeordnet ist und ebenfalls mit der Auswerteeinheit 6 verbunden ist.In 1 is the principle of an optical turbidity sensor shown, as it is used to study the properties in flowing waters or sewage systems. As optical transmitting device 1 is a light emitting diode for emitting a light signal 2 intended. The light signal 2 meets an optical medium 3 , For example, water, and traverses this. The from the optical medium 3 again leaked light beam 4 meets an optical receiving device 5 and is converted by this into an electrical signal s (t), which an evaluation device 6 is supplied. The light intensity of the of the light emitting diode 1 emitted light beam 2 is from a so-called monitor diode 7 measured approximately perpendicular to that of the light emitting diode 1 emitted light signal 2 is arranged and also with the evaluation 6 connected is.

Die Lichtstärke der Lichtemitterdiode 1 ändert sich auf Grund von Alterung und/oder Temperatureinflüssen der Umgebung, was einen entscheidenden Einfluss auf das Messergebnis hat, welches von der optischen Empfangseinrichtung 5 ausgegeben wird. Die Lichtstärke des von der Lichtemitterdiode 1 ausgesandten Lichtstrahls 2 wird von dem Messmedium 3 verändert. So kann es beispielsweise durch Trübungen im Wasser, das als Messmedium dient, zu Absorptionen oder Steuerungen des Lichtstrahles 2 innerhalb des Messmediums 3 kommen, wodurch der austretende Lichtstrahl 4, der von der optischen Empfangseinrichtung 5 als Empfangssignal s(t) gemessen wird, in seiner Lichtstärke verändert ist. Diese Veränderung in der Lichtstärke dient als Maß für die Trübung und wird durch die Auswerteeinrichtung 6 bestimmt.The light intensity of the light emitting diode 1 changes due to aging and / or temperature influences of the environment, which has a decisive influence on the measurement result, which is influenced by the optical receiving device 5 is issued. The light intensity of the of the light emitting diode 1 emitted light beam 2 is from the measuring medium 3 changed. For example, it may be due to turbidity in the water, which serves as the measuring medium, to absorptions or controls of the light beam 2 within the measuring medium 3 come, whereby the emergent ray of light 4 that of the optical receiving device 5 is measured as received signal s (t), is changed in its intensity. This change in light intensity serves as a measure of the turbidity and is determined by the evaluation device 6 certainly.

Der Einfluss einer Temperaturänderung auf das Messsignal der Monitordiode 7 und dem aus dem Messmedium 3 austretenden Lichtstrahl 4 ist in 2 verdeutlicht. 2a zeigt einen Temperaturverlauf, welchem eine Trübungssonde mit ungefähr konstanter Trübung ausgesetzt wurde. Der entsprechende Verlauf des Messsignals m(t) der Monitordiode 7, welches im Weiteren als Monitorsignal m(t) bezeichnet wird, und des Empfangssignals s(t) des Trübungssensors ist über der Zeit in 2b dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass beide Signale s(t) und m(t) eine deutliche Abhängigkeit von dem Temperaturverlauf aufweisen. Das Monitorsignal m(t) weist dabei eine geringere Intensität des Lichtes auf als das Empfangssignal s(t), was auf die Beobachtungsposition der Monitordiode 7 zu dem von der Lichtemitterdiode 1 ausgesandten Lichtstrahl 2 zurückzuführen ist.The influence of a temperature change on the measuring signal of the monitor diode 7 and from the measuring medium 3 emerging light beam 4 is in 2 clarified. 2a shows a temperature profile to which a turbidity probe was exposed with approximately constant turbidity. The corresponding course of the measuring signal m (t) of the monitor diode 7 , which is hereinafter referred to as monitor signal m (t), and the received signal s (t) of the turbidity sensor is over time in 2 B shown. It can be seen that both signals s (t) and m (t) have a clear dependence on the temperature profile. The monitor signal m (t) has a lower intensity of the light than the received signal s (t), which is due to the observation position of the monitor diode 7 to that of the light emitting diode 1 emitted light beam 2 is due.

Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Kompensation des schwankungsbehafteten Empfangssignals s(t) aus einer Normierung auf das Monitorsignal m(t). Das so kompensierte Signal sh(t) ergibt sich zu sh(t) = s(t)/m(t). According to the prior art, the compensation of the fluctuating received signal s (t) from a normalization to the monitor signal m (t). The thus compensated signal s h (t) is given by s h (t) = s (t) / m (t).

Der Verlauf des so normiertem Signals sh(t) ist aus 3 ersichtlich. Auch nach der durch Normierung durchgeführten Kompensation sind die Temperaturschwankungen der Umgebung im normierten Empfangssignal sh(t) noch deutlich wahrnehmbar, weshalb dieses Empfangssignal sh(t) nicht nur die Änderungen in der Trübung des Messmediums 3 wiedergibt, sondern auch die Umgebungsänderungen, wodurch der aus diesem Signal bestimmte Trübungsmesswert weiterhin stark verfälscht ist.The course of the thus normalized signal s h (t) is off 3 seen. Even after the compensation carried out by normalization, the temperature fluctuations of the environment in the normalized received signal s h (t) are still clearly perceptible, which is why this received signal s h (t) not only the changes in the turbidity of the medium 3 but also the environmental changes, whereby the determined from this signal turbidity measurement is still heavily distorted.

Eine andere Kompensation der Schwankungen der Lichtstärke des von der Lichtemitterdiode 1 ausgesandten Lichtstrahls 2 soll anhand von 4 erläutert werden. Das Monitorsignal m(t) der Monitordiode 7 wird auf ein adaptives Filter 8 geführt, welches als lineares Prädiktionsfilter die Übertragungseigenschaften des Messmediums 3 modelliert. Diesem Ansatz liegt die Annahme zugrunde, dass das Empfangssignal s(t) zu einem beliebigen Zeitpunkt ti durch die letzten N Monitorsignale m(ti-1), ..., m(ti-N) linear prädizierbar ist in der Form

Figure 00060001
Another compensation for the variations in light intensity of the light from the light emitting diode 1 emitted light beam 2 should be based on 4 be explained. The monitor signal m (t) of the monitor diode 7 becomes an adaptive filter 8th guided, which as a linear prediction filter the transmission properties of the measuring medium 3 modeled. This approach is based on the assumption that the received signal s (t) can be linearly predicted in the form at any time t i by the last N monitor signals m (t i-1 ),..., M (t iN )
Figure 00060001

Hierbei werden die Koeffizienten wn des linearen Prädiktionsfilters zu einem Koeffizientenvektor w zusammengefasst. e(ti) bezeichnet den Prädiktionsfehler zum Zeitpunkt ti. Da sich die Trübung des Messmediums 3 ständig ändert, müssen auch die Koeffizienten wn verändert werden. Diese Koeffizienten wn werden deshalb zu jedem Zeitpunkt neu geschätzt. Für eine Neuschätzung der Koeffizienten wn werden zeitrekursive Algorithmen eingesetzt. In der vorliegenden Simulation wird ein Recursive-Least-Squares-Algorithmus (RLS-Algorithmus) verwendet, der in der Auswerteeinrichtung 6 abgelegt ist und auch in dieser bearbeitet wird. Ein solcher Algorithmus ist aus S. Haykin: Adaptive Filtering Theory – Prentice Hall, 2002 bekannt.In this case, the coefficients w n of the linear prediction filter are combined to form a coefficient vector w. e (t i ) denotes the prediction error at time t i . As the turbidity of the medium 3 constantly changing, the coefficients w n must also be changed. These coefficients w n are therefore re-estimated at each time point. For a new estimate of the coefficients w n , time-recursive algorithms are used. In the present simulation, a recursive least squares (RLS) algorithm is used, which is in the evaluation 6 is stored and edited in this. Such an algorithm is off S. Haykin: Adaptive Filtering Theory - Prentice Hall, 2002 known.

Ausgehend davon wird jederzeit ein Empfangssignal sa(ti) berechnet, das entstanden wäre, wenn das, das Messmedium 3 anregende Monitorsignal m(t) als ideal, also konstant, betrachtet wird. Somit entsteht mit jeder neuen Berechnung der Koeffizienten wn eine neu geschätzte Übertragungscharakteristik des Messmediums in Form von neu geschätzten Koeffizienten wn. Das berechnete Signal sa(ti) ist folglich schwankungskompensiert und ergibt sich zu

Figure 00070001
On the basis of this, a received signal s a (t i ) is calculated at any time, which would have been produced if that, the measuring medium 3 stimulating monitor signal m (t) as ideal, so constant, is considered. Thus, with each new calculation of the coefficients w n, a newly estimated transmission characteristic of the measuring medium is produced in the form of newly estimated coefficients w n . The calculated signal s a (t i ) is thus fluctuation-compensated and results in
Figure 00070001

Bis auf einen Skalierungsfaktor ist das mit diesem adaptiven Filter 8 kompensierte Signal sa(ti) gleich der Summe 9 der aktuellen Koeffizienten wn des verwendeten adaptiven Filters 8.Except for a scaling factor, this is with this adaptive filter 8th compensated signal s a (t i ) equal to the sum 9 the current coefficients w n of the adaptive filter used 8th ,

In einem Initialisierungsschritt zu Beginn der Messung wird ein erster Satz von Koeffizienten wn aus der Differenz des Empfangssignals s(t) der optischen Empfangseinrichtung 5 und einem ersten simulierten Signal ss(t) bestimmt. e(ti) = s(ti) – ss(ti) In an initialization step at the beginning of the measurement, a first set of coefficients w n is obtained from the difference between the received signal s (t) of the optical receiving device 5 and a first simulated signal s s (t). e (t i ) = s (t i ) -s s (t i )

Diese Differenz wird als Fehler e(t) zurück auf das adaptive Filter 8 geführt, an welchem das als konstant betrachtete Monitorsignal m(t) anliegt (4). Auf der Grundlage des neu zugeführten Fehlersignals e(t) werden neue Koeffizienten wn bestimmt, die zu einer Summe 9 addiert das Ausgangssignal sa(t) ergeben, welches temperaturkompensiert ist und zur Auswertung der Trübung des Messmediums 3 genutzt wird.This difference is returned as an error e (t) to the adaptive filter 8th at which the monitor signal m (t) regarded as constant is present ( 4 ). On the basis of the newly supplied error signal e (t) new coefficients w n are determined, which form a sum 9 adds the output signal s a (t), which is temperature-compensated and for the evaluation of the turbidity of the medium to be measured 3 is being used.

Durch die häufige Wiederholung dieses Zyklusses wird der Fehler e(t) immer geringer, wobei das adaptive Filter 8 die Übertragungseigenschaften des Messmediums 3 immer besser abbildet, weshalb die Summe 9 der Koeffizienten wn immer genauer die tatsächliche Trübung des Messmediums 3 wiedergibt. Wie aus 5 ersichtlich, wo das nach dem Stand der Technik kompensierte Signal sh(t) dem adaptiv kompensierten Signal sa(t) gegenübergestellt ist, benötigt das adaptive Filter 8 nur eine kurze Lernphase, um die Übertragungseigenschaften des Messmediums 3 korrekt zu modellieren. Das adaptiv kompensierte Signal sa(t) ist somit wesentlich robuster gegenüber Temperaturänderungen. Due to the frequent repetition of this cycle, the error e (t) becomes ever smaller, with the adaptive filter 8th the transmission properties of the medium to be measured 3 always better reflects, which is why the sum 9 the coefficients w n more and more accurately the actual turbidity of the medium to be measured 3 reproduces. How out 5 As can be seen, where the prior art compensated signal s h (t) is contrasted with the adaptively compensated signal s a (t), the adaptive filter is required 8th only a short learning phase to the transmission properties of the medium 3 to model correctly. The adaptively compensated signal s a (t) is thus much more robust to temperature changes.

Um festzustellen, ob das adaptive Filter auch tatsächlich Veränderungen in der Trübung des Messmediums 3 erkennt, wird das Empfangssignal s(t) aus 2 mit einem additiven linearen Trend versehen. Additiver linearer Trend bedeutet, dass ein sich ständig linear erhöhender Wert auf das Empfangssignal s(t) addiert wird. Daraus ergibt sich ein stetig ansteigender Verlauf des Empfangssignals s(t), wie er in 6 dargestellt ist.To determine if the adaptive filter actually changes in the turbidity of the medium to be measured 3 detects, the received signal s (t) is off 2 provided with an additive linear trend. Additive linear trend means that a constantly linearly increasing value is added to the received signal s (t). This results in a steadily increasing course of the received signal s (t), as in 6 is shown.

In 7 werden wieder beide Kompensationsarten gegenübergestellt, wobei in beiden Fällen der lineare Trend auf die Empfangssignale addiert wurde. Es ist deutlich erkennbar, dass im Gegensatz zur herkömmlichen Kompensation, welche durch das Signal shT(t) dargestellt ist, das adaptive Verfahren gemäß dem Signal saT(t) den linearen Trend ohne überlagerte Temperaturabhängigkeit herausfiltert.In 7 Again, both types of compensation are compared, in both cases, the linear trend was added to the received signals. It can be clearly seen that, in contrast to the conventional compensation, which is represented by the signal s hT (t), the adaptive method according to the signal s aT (t) filters out the linear trend without superimposed temperature dependence.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • S. Haykin: Adaptive Filtering Theory – Prentice Hall, 2002 [0031] S. Haykin: Adaptive Filtering Theory - Prentice Hall, 2002 [0031]

Claims (10)

Verfahren zur Kompensation der Lichtstärkeschwankungen eines von einer optischen Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtstrahls während einer optischen Messung, bei welchem das von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgestrahlte Lichtsignal (2) ein Messmedium (3) passiert und anschließend von einer optischen Empfangseinrichtung (5) detektiert wird, wobei die Lichtstärke des von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgesandten Lichtsignals (2) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Signal m(t) des von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgestrahlten Lichtstrahls (2) einem adaptiven Filter (8) zugeführt wird, welches die Übertragungseigenschaften des Messmediums (3) modelliert, wobei das adaptive Filter (8) ein Ausgangssignal (sa(t)) ausgibt, welches hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft des Messmediums (3) ausgewertet wird.Method for compensating for fluctuations in the luminous intensity of a light beam emitted by an optical transmitter during an optical measurement, in which the light emitted by the optical transmitter ( 1 ) emitted light signal ( 2 ) a measuring medium ( 3 ) and then by an optical receiving device ( 5 ) is detected, wherein the light intensity of the of the optical transmitting device ( 1 ) emitted light signal ( 2 ), characterized in that the measured signal m (t) of the signal transmitted by the optical transmitting device ( 1 ) emitted light beam ( 2 ) an adaptive filter ( 8th ), which determines the transmission properties of the measuring medium ( 3 ), wherein the adaptive filter ( 8th ) outputs an output signal (s a (t)), which with regard to at least one optical property of the measuring medium ( 3 ) is evaluated. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des adaptiven Filters (8) die Summe der Koeffizienten (wn) des adaptiven Filters (8) darstellt, welche auf der Grundlage des aktuell gemessenen Signals (m(t)) bestimmt werden.Method according to claim 1, characterized in that the output signal of the adaptive filter ( 8th ) the sum of the coefficients (w n ) of the adaptive filter ( 8th ), which are determined on the basis of the currently measured signal (m (t)). Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten (wn) des adaptiven Filters (8) bei jeder Messung des von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgesandten Lichtes (2) neu bestimmt werden.Method according to claim 2, characterized in that the coefficients (w n ) of the adaptive filter (w n ) 8th ) at each measurement of the optical transmitter ( 1 ) emitted light ( 2 ) be redetermined. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Lichtstärke des von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgesandten Lichtstrahles zyklisch wiederholt wird.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the measurement of the intensity of light emitted by the optical transmission device ( 1 ) emitted light beam is repeated cyclically. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass dem adaptiven Filter (8) ein aus dem von der Empfangseinrichtung (5) detektierten Lichtsignal s(t) und einem von dem adaptiven Filter (8) simulierten Signal ss(t) gebildetes Fehlersignal e(t) zugeführt wird, welches bei der Bildung der Koeffizienten (wn) des adaptiven Filters (8) berücksichtigt wird.Method according to claim 3 or 4, characterized in that the adaptive filter ( 8th ) from the receiving device ( 5 ) detected light signal s (t) and one of the adaptive filter ( 8th supplied simulated signal s s (t) formed error signal e (t), which in the formation of the coefficients (w n ) of the adaptive filter ( 8th ) is taken into account. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal e(t) aus einer Abweichung des von der optischen Empfangseinrichtung (5) detektierten Lichtsignals (s(t)) von dem durch das adaptive Filter (8) simulierten Signal ss(t) bestimmt wird.A method according to claim 5, characterized in that the error signal e (t) from a deviation of the optical receiving device ( 5 ) detected light signal (s (t)) of which through the adaptive filter ( 8th ) simulated signal s s (t) is determined. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Messung ein erster Satz der Koeffizienten (wn) des adaptiven Filters (8) mit Hilfe des Fehlersignals e(t) berechnet wird, der aus der Differenz des erstmalig simulierten Signals ss(t) des adaptiven Filters (8) und des von der optischen Empfangseinrichtung (5) detektierte Lichtsignals s(t) gebildet wird.A method according to claim 6, characterized in that at the beginning of the measurement, a first set of the coefficients (w n ) of the adaptive filter ( 8th ) is calculated with the aid of the error signal e (t), which is calculated from the difference of the first simulated signal s s (t) of the adaptive filter ( 8th ) and of the optical receiving device ( 5 ) detected light signal s (t) is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als adaptives Filter (8) ein lineares Prädiktionsfilter, insbesondere ein Recursive-Least-Squares-Algorithmus, eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as an adaptive filter ( 8th ) a linear prediction filter, in particular a recursive least squares algorithm, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass als optische Sendeeinrichtung (1) eine Lichtemitterdiode verwendet wird.Method according to one of claims 1, 3 or 4, characterized in that as an optical transmitting device ( 1 ) a light emitting diode is used. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung des adaptiven Filters (8) auf seine Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen im Messmedium (3) das durch die optische Empfangseinrichtung (5) detektierte Lichtsignal s(t) mit einem additiven, sich linear vergrößernden Prüfsignal beaufschlagt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that for testing the adaptive filter ( 8th ) on its sensitivity to changes in the measuring medium ( 3 ) by the optical receiving device ( 5 ) detected light signal s (t) is acted upon with an additive, linear magnifying test signal.
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Title
S. Haykin: Adaptive Filtering Theory - Prentice Hall, 2002

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