DE102013108189A1

DE102013108189A1 - Anordnung zur optischen Messung einer Prozessgröße und Messgerät umfassend eine solche

Info

Publication number: DE102013108189A1
Application number: DE102013108189.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Fanselow; Andreas Löbbert; Ronny Michael
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US9488581B2; CN104345051B; US20150034807A1; CN104345051A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (13) zur optischen Messung 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 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. Die Erfindung betrifft weiter ein Messgerät umfassend eine vorstehend beschriebene Anordnung.

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.
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, magnetisch-induktive Schnittstelle erfolgt unidirektional. Durch die Energieübertragung über eine galvanisch getrennte Schnittstelle steht der sensorseitigen Komponente nur wenig Energie zur Verfügung. Entsprechende Sensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Memosens“ angeboten und vertrieben. Es bleibt festzuhalten, dass die „Memosens“-Technologie nicht nur für potentiometrische Sensoren anwendbar ist, sondern dass sie prinzipiell auf jedwede Sensoren zur Bestimmung und Überwachung der unterschiedlichsten Prozessgrößen anwendbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optimalen Lichteintrag und optimalen Lichtaustrag für kompakte, optische und energiearme Sensoren bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur optischen Messung einer Prozessgröße, insbesondere einer analytischen Prozessgröße, in einem Medium, umfassend zumindest eine Lichtquelle zum Senden von Sendelicht; zumindest ein Lichtempfänger zum Empfangen von Empfangslicht, wobei der Lichtempfänger das Empfangslicht in eine elektrische Messgröße wandelt; ein optisches Sensorelement, wobei sich das optische Sensorelement zumindest teilweise in Kontakt mit dem Medium befindet und das Sendelicht in das Empfangslicht wandelt; und zumindest eine Datenverarbeitungseinheit zum Ansteuern und Regeln der Lichtquelle und/oder zum Verarbeiten der elektrischen Messgröße in die Prozessgröße. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter vorgesehen ist, wobei der Lichtleiter die Lichtquelle mit dem optischen Sensorelement und das optische Sensorelement mit dem Lichtempfänger verbindet, wobei der Lichtleiter mehrarmig mit einem ersten Arm, einem zweiten Arm und einem dritten Arm ausgebildet ist, wobei der erste Arm derart an der Lichtquelle angeordnet ist, dass Sendelicht in den ersten Arm gelangt, wobei der zweite Arm derart am Lichtempfänger angeordnet ist, dass Empfangslicht aus dem zweiten Arm in den Lichtempfänger gelangt, wobei der dritte Arm derart am optischen Sensorelement angebracht ist, dass Sendelicht aus dem dritten Arm zum optischen Sensorelement gelangt und dass Empfangslicht aus dem optischen Sensorelement in den dritten Arm gelangt, und wobei sich der erste Arm und der zweite Arm zu dem dritten Arm vereint.
Es kann somit erreicht werden, dass die Lichtquelle, etwa ein LED, und der Lichtempfänger, etwa eine Fotodiode, entfernt von dem etwaig heißen Medium platziert werden kann. In seiner einfachsten Form hat der Lichtleiter eine „Y-Form“. Durch die Verwendung eines Lichtleiters mit mehreren Armen ausgehend von der LED bzw. der Fotodiode, die sich zu einem einzigen Arm am optischen Sensorelement vereinen, ist es möglich die Lichtausbeute zu maximieren.
In einer ersten vorteilhaften Variante ist der Lichtleiter als Glasstab ausgestaltet. Dies ist eine kostengünstige Lösung. Dabei sind der erste und zweite Arm des Glasstabs so gebogen, dass sie gemeinsam den dritten Arm bilden. Wie bereits erwähnt, kann sich dabei eine „Y-Form“ ergeben, d.h. der Glasstab ist als sich an einem Ende verzweigender Glasstab ausgestaltet.
In einer zweiten vorteilhaften Variante ist der Lichtleiter aus einem aus einer Vielzahl von Fasern gebildeten Faserbündel ausgestaltet, wobei eine erste Gruppe der Fasern, die Sendefasern, den ersten Arm bilden, und wobei eine zweite Gruppe der Fasern, die Empfangsfasern, den zweiten Arm bilden. Durch die Verwendung von flexiblen Fasern ist es möglich, etwaige Längenunterschiede auszugleichen. Dieses Problem ist etwa fertigungsbedingt oder tritt bei Temperaturschwankungen auf.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist der Lichtleiter aus einer Vielzahl von Fasern gebildeten Faserbündeln ausgestaltet, wobei neben der bereits angesprochenen ersten und zweiten Gruppe von Fasern, eine dritte und vierte Gruppe von Fasern vorgesehen ist. Die dritte bzw. vierte Gruppe von Fasern bildet einen vierten bzw. fünften Arm des Lichtleiters. Auch der vierte und fünfte Arm vereinen sich im dritten Arm. Während der erste Arm Sendelicht für eine erste Prozessgröße sendet und der zweite Arm Empfangslicht für die erste Prozessgröße empfängt, kann über den vierten Arm Sendelicht für eine zweite Prozessgröße gesendet bzw. über den fünften Arm Empfangslicht für die zweite Prozessgröße empfangen werden. Beispiele für die verschiedenen Prozessgrößen sind etwa Sauerstoff und Temperatur, aber auch die bereits angesprochenen Prozessgrößen.
In einer ersten vorteilhaften Variante der Faseranordnung sind die Sendefasern und Empfangsfasern im dritten Arm so verteilt, dass im Querschnitt des dritten Arms die Sendefasern einen ersten Teilkreis bilden, und die Empfangsfasern einen zweiten, den ersten Teilkreis vervollständigen, Teilkreis bilden, wobei der erste Teilkreis im Flächeninhalt kleiner als der zweite Teilkreis ist.
In einer zweiten vorteilhaften Variante der Faseranordnung sind die Sendefasern und Empfangsfasern im dritten Arm gleichverteilt.
In einer dritten vorteilhaften Variante der Faseranordnung bilden die Empfangsfasern einen inneren Kreis und die Sendefasern einen koaxialen, äußeren Kreisring um den inneren Kreis herum.
Um die Lichtausbeute weiter zu erhöhen und die Anzahl der Licht reflektierenden Grenzflächen zu reduzierten, ist bevorzugt zumindest ein optisches Filter und/oder Linse im Lichtleiter vorgesehen, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Lichtquelle und ersten Arm, Lichtempfänger und zweiten Arm, sowie optischen Sensorelement und dritten Arm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die dem optischen Sensorelement zugewandten Enden der Fasern des Lichtleiters in einem Winkel kleiner 90° zu ihren Längsachsen abgeschnitten. Somit ist es weiter möglich, die Lichtausbeute zu maximieren, da das Sendelicht in einem Winkel auf das optische Sensorelement auftrifft und in einem Winkel, gewandelt vom optischen Sensorelement, dann als Empfangslicht im Empfänger aufgenommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Sensorelement als Photolumineszenz-Sensor, insbesondere als Fluoreszenz-Sensor oder Phosphoreszenz-Sensor, ausgebildet, wobei das optische Sensorelement in Abhängigkeit der Prozessgröße nach Anregung mit dem Sendelicht das Empfangslicht emittiert. Das Empfangslicht im Lichtempfänger kann auf verschiedene Arten analysiert, und somit in Abhängigkeit der Prozessgröße bestimmt, werden. Mögliche Arten sind dabei unterschiedliche Intensität, Phasenwinkel, Ansprechzeit u.a.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das optische Sensorelement zumindest eine Schicht, die bei Kontakt mit der Prozessgröße zumindest eine Eigenschaft ändert, sich insbesondere verfärbt, und in Abhängigkeit der Prozessgröße Sendelicht absorbiert.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Lichtleiter um einen Lichtleiter mit einer numerischen Apertur größer 0,1 handelt.
In einer Ausführungsform ist die Leistungsaufnahme der Anordnung, insbesondere der Lichtquelle und der Datenverarbeitungseinheit, im Allgemeinen also der Sensorelektronik, kleiner 1 W.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Messgerät, umfassend eine vorstehend beschriebene Anordnung, wobei das Messgerät eine sensorseitige Komponente und eine transmitterseitige Komponente umfasst; wobei die Anordnung auf/in der sensorseitigen Komponente positioniert ist; wobei Energie, unidirektional von der transmitterseitigen Komponente zu der sensorseitigen Komponente, sowie Daten bidirektional, insbesondere die elektrische Messgröße und/oder die Prozessgröße, übertragen werden, und die sensorseitige Komponente und die transmitterseitige Komponente über eine galvanisch getrennte Verbindung, insbesondere eine induktive Verbindung, miteinander gekoppelt sind, oder die sensorseitige Komponente und die transmitterseitige Komponente galvanisch gekoppelt sind und über eine galvanisch getrennte Verbindung mit einem Leitsystem verbunden sind.
Bei dem Messgerät handelt es sich etwa um ein Messgerät zu Messung einer Prozessgröße aus dem Bereich der Prozessautomatisierung, etwa eine analytische Prozessgröße, beispielsweise die Konzentration eines Analyten, beispielsweise die Sauerstoffkonzentration.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
1 ein erfindungsgemäßes Messgerät,
2 eine erfindungsgemäß Anordnung, und
3a–c Ausgestaltungen des dritten Arms des Lichtleiters im Querschnitt.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zunächst soll auf das erfindungsgemäße Messgerät 1 eingegangen werden. Dabei ist das Messgerät 1 ist nicht als einzelnes Gerät zu verstehen, sondern als Kombination aus einer transmitterseitigen Komponente und einer sensorseitigen Komponente. Die transmitterseitige Komponente ist etwa eine übergeordnete Einheit 2, z.B. ein Transmitter oder eine Leitstelle. Die übergeordnete Einheit 2 umfasst zumindest eine Datenverarbeitungseinheit 10. Die sensorseitige Komponente ist ein über ein Kabel 3 angeschlossener Verbraucher 4, z.B. ein Sensor. Die Verbindung zwischen der Seite der übergeordneten Einheit 2 und der Verbraucherseite geschieht über Schnittstellen 5, 6. Die Schnittstellen 5, 6 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive, Schnittstellen ausgestaltet.
Über das Kabel 3 wird der Sensor 4 mit Energie versorgt. Des Weiteren werden zwischen Sensor 4 und Transmitter 2 Daten bidirektional ausgetauscht. Ein Teil der Aufgaben des Transmitters 2 ist in den Sensor 4, insbesondere in eine Datenverarbeitungseinheit 7, etwa in einen Mikrocontroller, verlagert. Im Mikrocontroller 7, bzw. in dessen Speicher, sind sensorspezifische Daten wie etwa Bezeichnung, Seriennummer, Fertigungsdatum, Gerätedaten, Kalibrationsdaten, Firmwareversion, Herstellerinformationen, Gerätetreiberinformationen, Sensordaten, Historiendaten, Prozessdaten gespeichert.
Die Auswertung der Messdaten des Sensors 4 wird zwischen Transmitter 2 und Sensor 4 aufgeteilt. Eine Vorverarbeitung der Messdaten des Sensors 4 geschieht in der Datenverarbeitungseinheit 7. Insbesondere werden die Lichtquelle 8 und der Lichtempfänger 9 (siehe 2) durch den Mikrocontroller gesteuert. In einer Ausführungsform werden die angesprochenen Aufgaben auch von einem sich im Kabel befindenden weiteren Mikrocontroller übernommen.
Bei dem Sensor 4 handelt es sich um einen Sensor der Prozessautomatisierung, insbesondere um einen optischen Sensor. In Betracht kommen dabei also etwa ein pH-, Temperatur-, Druck-, Sauerstoff-, oder ein Kohlenstoffdioxidsensor; ein Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; ein Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; oder ein Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung.
Der Transmitter 2 wird weiter an ein Leitsystem angeschlossen oder ist selbst Teil eines Leitsystems. Im zuletzt genannten Fall ist der Sensor 4 also direkt an ein Leitsystem etwa über HART, 4 ... 20 mA, Profibus, Modbus, Ethernet etc. angeschlossen.
Alternativ kann der Sensor 4 auch einen integrierten Transmitter umfassen und somit über Transmitterfunktionen verfügen und ggfs. direkt an ein Leitsystem angeschlossen werden. Sensor und integrierter Transmitter sind dann galvanisch miteinander gekoppelt. Eine galvanische Trennung erfolgt dann durch die Verbindung zu einem Leitsystem.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 13 im Detail. In der 2 rechts dargestellt ist ein optisches Sensorelement 11. Das optische Sensorelement 11 wird durch einen Lichtleiter 10 mit einer Lichtquelle 8 bzw. einem Lichtempfänger 9 verbunden. Die Lichtquelle 8 bzw. der Lichtempfänger 9 sind mit der Datenverarbeitungseinheit 7 verbunden. Wie bereits erwähnt wird die Lichtquelle 8 von der Datenverarbeitungseinheit 7 angesteuert.
Die Lichtquelle 8 ist etwa als LED realisiert; der Lichtempfänger 9 ist etwa als Fotodiode realisiert. Wie bereits erwähnt erfolgt die Energieversorgung der Anordnung 1 über induktive Schnittstellen 5, 6, über die keine großen Energiedichten möglich sind. Der Gesamtenergieverbrauch bzw. die gesamte umgesetzte Leistung der Anordnung 13, also insbesondere von Datenverarbeitungseinheit 7, Lichtquelle 8 und Lichtempfänger 9, im Allgemeinen also von der Sensorelektronik, soll dabei unter 1 W betragen.
Mit der Lichtquelle 8 ist ein erster Arm 10.1 des Lichtleiters 10 verbunden. Mit dem Lichtempfänger 9 ist ein zweiter Arm 10.2 des Lichtleiters 10 verbunden. Diese Verbindungen sind etwa durch Kleben, Fügen o.ä umgesetzt, wobei die jeweilige Methode den optischen Anforderungen wie etwa Transparenz bei der entsprechenden Wellenlänge etc. genügt.
An der Grenzfläche Lichtquelle 8 zu erstem Arm 10.1 bzw. Lichtempfänger 9 zu zweitem Arm 10.2 sowie an der Grenzfläche dritter Arm 10.3 zu optischem Sensorelement 11 (siehe unten) ist in einer Ausgestaltung ein optisches Filter und/oder eine Linse vorgesehen.
Der erste Arm 10.1 und der zweite Arm 10.2 vereinen sich zu einem dritten Arm 10.3. Der dritte Arm 10.3 ist mit dem optischen Sensorelement 11 verbunden, wobei das optische Sensorelement 11 mit dem Medium 14 in Kontakt steht.
Der Sensor 4 ist als optischer Sensor ausgestaltet, dessen Funktionsweise kurz erläutert werden soll. Die Lichtquelle 8 sendet Sendelicht über den Lichtleiter 10.1 und 10.3 zu dem optischen Sensorelement 11. Das optische Sensorelement 11 verändert eine Eigenschaft des Sendelichts und emittiert Empfangslicht. Das Empfangslicht nimmt den umgekehrten Weg über den Arm 10.3 und 10.2 zum Lichtempfänger 9. Bei der Änderung der Eigenschaft handelt es sich etwa um die Intensität, Phasenwinkel, Wellenlänge etc. Die Höhe der Änderung hängt dann direkt mit der im Medium zu messenden Prozessgröße wie etwa die Konzentration eines bestimmten Analyten, etwa Sauerstoffkonzentration zusammen. Das optische Sensorelement 11 ist somit als Fluoreszenz-Element oder Phosphoreszenz-Element ausgestaltet.
Als Alternative zu dem beschriebenen Fluoreszenz-Sensor umfasst das optische Sensorelement 11 zumindest eine Schicht, die bei Kontakt mit der Prozessgröße im Medium 14 zumindest eine Eigenschaft ändert, sich beispielsweise verfärbt, und in Abhängigkeit der Prozessgröße Sendelicht absorbiert.
Wie bereits erwähnt wird der Sensor 4 über eine induktive Schnittstelle 5, 6 mit Energie versorgt. Definitionsgemäß sind dabei nur geringe Energiemengen übertragbar. Der Sensor hat üblicherweise einen Durchmesser von 12 mm.
Mit der Anordnung in 2 ist es möglich diese Energie- und Platzanforderungen umzusetzen.
Der Lichtleiter 11 ist als mehrarmiger, im Beispiel zweiarmiger, Lichtleiter ausgestaltet. Die Arme vereinen sich zu einem einzigen Arm am sensorseitigen Ende.
Eine mögliche Ausgestaltung des Lichtleiters 11 ist die Realisierung als Glasstab. Der Glasstab wird entsprechend in Form gebogen, gezogen etc. Die zwei einzelnen Arme vereinen sich dann zu einem einzigen Glasstab.
Eine Alternative ist die Ausgestaltung des Lichtleiters 11 als Faserbündel, wobei das Faserbündel aus einer Vielzahl von Fasern gebildet ist. Eine erste Gruppe der Fasern, die Sendefasern 12.1, bilden den ersten Arm 10.1; eine zweite Gruppe der Fasern, die Empfangsfasern 12.2, bilden den zweiten Arm 10.2.
In einer Variante umfasst der Lichtleiter 11 neben dem ersten Arm 10.1 und dem zweiten Arm 10.2 einen vierten bzw. fünften Arm des Lichtleiters (nicht dargestellt). Auch der vierte und fünfte Arm vereinen sich im dritten Arm 10.3. Während der erste Arm 10.1 wie bereits angesprochen Sendelicht für eine erste Prozessgröße sendet und der zweite Arm Empfangslicht für die erste Prozessgröße empfängt, kann über den vierten Arm Sendelicht für eine zweite Prozessgröße gesendet bzw. über den fünften Arm Empfangslicht für die zweite Prozessgröße empfangen werden. Beispiele für die verschiedenen Prozessgrößen sind etwa Sauerstoff und Temperatur.
Es muss darauf geachtet werden, dass der Bereich am optischen Sensorelement 11, der von den Empfangsfasern 12.2 abgedeckt wird, auch von den Sendefasern 12.1 angestrahlt wird.
Bei den Fasten handelt es sich etwa um Fasern aus verklebten, gefügten oder ähnlich geformten Glasfasern (Luft/Glas), Dickkernfasern (Quarz/Quarz), polymerbeschichtetem Glas (Luft/Polymer), Kunststoff (POF-Luft/Polymer) oder photonisch-kristallinen Fasern (Glas/Luft, Polymer/Luft).
Auf der, dem optischen Sensorelement 11, zugewandten Seite des Lichtleiters 10 bzw. des dritten Armes 10.3 können die Fasern verschieden angeordnet sein.
3 zeigt eine Auswahl. In 3a sind die Fasern im dritten Arm 10.3 so verteilt, 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. In einer Ausgestaltung ist der erste Teilkreis im Flächeninhalt kleiner als der zweite Teilkreis. So kann sich für eine Gruppe der Fasern etwa ein „sichelförmiger“, „halbmondartiger“ oder ein ähnlicher Querschnitt bilden.
In 3b sind die Fasern 12.1, 12.2 gleichverteilt angeordnet. Dabei kann sich etwa eine Symmetrie ergeben. Auch willkürliche Verteilungen sind aber möglich.
3c zeigt eine Anordnung, bei der Empfangsfasern 12.2 einen inneren Kreis bilden und die Sendefasern 12.1 einen koaxialen, äußeren Kreisring um den inneren Kreis herum bilden.
Um die Lichtausbeute zu steigern sind die dem optischen Sensorelement zugewandten Enden der Fasern des Lichtleiters 11 in einem Winkel kleiner 90° zu ihren Längsachsen abgeschnitten. Somit kann das Empfangs- und Sendelicht noch besser geleitet werden.
Um den Anforderungen an den Ex-Schutz zu genügen, kann die Anordnung 13 zumindest teilweise vergossen sein. Dabei ist insbesondere ein Vergießen der Datenverarbeitungseinheit 7 zu erwähnen.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Übergeordnete Einheit
3: Kabel
4: Verbraucher
5: Schnittstelle
6: Schnittstelle
7: Datenverarbeitungseinheit
8: Lichtquelle
9: Lichtempfänger
10: Lichtleiter
10.1: Erster Arm von 10
10.2: Zweiter Arm von 10
10.3: Dritter Arm von 10
11: Optisches Sensorelement
12: Faser
12.1: LED-Faser
12.2: Fotodiode-Faser
13: Anordnung
14: Medium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2295953 A1 [0004]
EP 0940662 B1 [0008]
DE 10218606 A1 [0009]

Claims

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 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.
Anordnung (13) nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter (10) als Glasstab ausgestaltet ist.
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.
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.
Anordnung (13) nach Anspruch 3, wobei die Sendefasern (12.1) und Empfangsfasern (12.2) im dritten Arm (10.3) gleichverteilt sind.
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.
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).
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.
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.
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.
Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei es sich bei dem Lichtleiter (10) um einen Lichtleiter mit einer numerischen Apertur größer 0,1 handelt.
Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Leistungsaufnahme der Anordnung (13), insbesondere der Lichtquelle (8) und der Datenverarbeitungseinheit (7), kleiner 1 W ist.
Messgerät (1), umfassend eine Anordnung (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, 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.