专利名称：用于确定介质的测量变量、特别是用于浊度测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种借助光学传感器设备用于确定介质的测量变量，特别是用于在液态或气态介质中的浊度测量的方法。
背景技术：
这样的光学传感器设备可以包括用于液态或气态测量介质的浊度测量的设备。在下文中，将基于浊度测量解释本发明。然而可以理解的是，本发明的原理也可以应用在分析技术中的其他光学测量技术的情况，特别是过程测量技术，在该情况下通过介质的影响导致光发射机信号的可记录(信号)的变化。通过在气体和液体中存在分散的物质而产生浊度。可以基于电磁辐射和测量介质之间的相互作用确定浊度，例如，通过测量贯穿通过介质的辐射强度减弱(比浊法)，或通过测量在分散的材料上散射的光强度(散射测浊法)。在散射测浊法的情况下，在与从光发射机辐射的测量光束成例如90°的角度测量散射光。在此处和下文中，术语“光”理解为不仅表示可见光谱区的电磁辐射，也表示任何波长的电磁福射，特别是也表不红外波长范围。就这一点，已知使用二极管作为光发射机并且作为光接收机。在这种情况下用作光发射机的是用于在适合的波长范围内(例如在800和IOOOnm之间的红外辐射)生成测量光的发光二极管。从发光二极管发出的光强度对应于传输信号强度。反过来，接收机可以是光电二极管，该光电二极管根据接收的散射光生成接收机信号，例如光电流或光电压。 在此是光电流强度或光电压大小的接收机信号强度取决于照射到接收机二极管的光强度， 因此在浊度测量的情况下，取决于散射光强度。这进而与进行散射的分散物质的颗粒大小和浓度相关，从而与测量介质的浊度相关。经常在称为积分时间的特定时间跨度上将安装作为接收机的光电二极管的光电流或光电压积分，并且随后通过连接到下游的模拟/数字转换器转换为数字信号。这个数字信号可以馈送至例如微型计算机或微控制器的电子数据处理系统，该电子数据处理系统通过其存储器中存储的校正模型将数字信号映射成待确定的测量变量的测量值。选择适合的积分时间是个问题。对于每一个测量介质必须做出不同的选择。在特定的介质和浊度值的情况下，太短的积分时间可能导致信号太弱。在最坏的情况下，信号可能消失在模拟/数字转换器的量化噪声中。相比之下，如果积分时间选择的太长，反过来信号可能太强，使得模拟/数字转换器被迫进入饱和状态，并且测量变得不可用。从DE 102008010446A1已知一种用于确定介质的测量变量，特别是用于浊度测量的方法，在该情况下光学测量装置的接收机的测量信号在预定积分时间上积分，其中该积分时间或传输信号强度预定为测量信号强度的函数。这样，可以在例如模拟/数字转换器的输入范围，特别是以未超过模拟/数字转换器的饱和值的方式调节测量信号强度。在由光电二极管的光电流或光电压的积分生成的接收机信号保持在模拟/数字转换器的饱和状态以下的情况下，如果适合的积分时间或适合的传输信号强度被固定，则经积分且经数字化的接收机信号以前述方式用作测量信号用于确定例如浊度的测量变量。
发明内容
本发明的一个目的是提供简化的开头指定类型的方法。特别地，该方法应当独立于选择的积分时间传送可靠的测量值。该目的通过如权利要求I中限定的方法实现。其他有利的实施例在从属权利要求中阐述。用于通过具有至少一个发射机和与该发射机相关联的至少一个接收机的光学传感器设备确定介质的测量变量的测量值，特别是用于液态或气态介质中的浊度测量的方法，包括下述步骤-向至少一个发射机提供激励器信号，该激励器信号用于生成具有传输信号强度的光发射机信号，其中发射机信号通过与作为测量变量的函数的该介质的相互作用转换为改变的发射机信号；-通过至少一个接收机根据变换的发射机信号生成接收机信号，并记录该接收机信号的接收机信号强度；-基于记录的接收机信号，使激励器信号的激励信号强度符合而达到预定的接收机信号强度；并且-记录达到预定的接收机信号强度需要的激励信号强度，并且从此确定测量值。可以作为记录的接收机信号强度的函数主动地控制激励器信号，以便使接收机信号强度调谐到预定值。至少一个发射机可以包括光源，特别是发光二极管。在这个情况下，激励器信号可以是例如发光二极管的光源的工作电压或工作电流。通过激励器信号的变化，传输信号强度相应的变化，此处激励器信号是工作电压或工作电流，传输信号强度此处是发光二极管发出的福射强度。至少一个接收机可以包括至少一个光电元件，特别是光电二极管。光电元件以这样的方式与例如发光二极管的发射机匹配从发光二极管发出的此处是光信号的发射机信号在与介质相互作用之后，至少部分地被光电元件接收并被光电元件转换为电信号，特别是光电流或光电压。在光学浊度测量的情况下，以测量光束的形式从作为发射机的光源发出的发射机信号在介质中散射。例如光电二极管的接收机可以例如按照如下方式关于光源定位，即该接收机直接接收该发射机信号，即，测量光束在穿过介质之后一旦离开就落在接收机上。然后，例如光电二极管的光电流的接收机信号，或从该接收机信号中导出的信号也就是对于通过与介质相互作用，特别是介质的颗粒或气泡的散射引起的发射机信号的减弱的测量。替代地，浊度测量的接收机可以相对于发射机定位为接收介质中散射的辐射。从光源发出的测量光束与介质的相互作用以在介质中的颗粒或气泡上的散射的形式导致出现散射的辐射，散射的辐射在全部空间方向上以不同的强度传播。用于接收散射的辐射的接收机因此定位在相对于测量光束从0°至180°的不同角度，优选地以90°或135°的角度定位，其中接收机例如是光电元件，诸如光电二极管。接收机信号，例如特别是光电二极管的光电元件的光电流，或从该接收机信号导出的信号，是对于散射光强度的测量，并且于是也就是对于介质的浊度的测量。接收机信号可以是取决于由光电元件接收的光强度的光电流，或是取决于照射到光电兀件上的光强度的光电压。也可以通过光电流或光电压在预定积分时间上的积分来生成接收机信号，该光电流取决于由光电元件接收的光强度，该光电压取决于照射到光电元件上的光强度。接收机信号，特别是由积分电路通过对光电流或光电压积分生成的接收机信号， 可以通过模拟/数字转换器转换为数字接收机信号。为了调节或控制激励器信号，数字接收机信号可以与预定的信号值比较，并且基于该比较结果，可以按接收机信号与预定的信号值相符的方式调谐激励器信号。
具体实施例方式现在将基于附图
在下文中更详细地描述本发明。唯一的图I示出了具有光电传感器设备的测量系统，该光电传感器设备具有用于浊度测量的发光二极管和光电二极管。测量系统I包括用于发射机的发光二极管S，通过电源电路V向该发光二极管S提供工作电流。发光二极管S向介质M中照射测量光2 (其强度取决于工作电流的强度)，该介质M特别是包含例如固体颗粒或气泡的散射颗粒P的液态介质M。在介质M中通过测量光2与散射颗粒P之间的相互作用，在所有空间方向上发出散射光3。光电二极管E放置为使得其接收以相对于照射的测量光束2成90°角散射的散射光3。当然，光电二极管E也可以布置在相对于测量光束2的一些其他角度上。光电二极管E生成作为由其接收的散射光强度的函数的电信号，特别是光电流或光电压，其光电流信号强度或光电压信号强度取决于散射光强度。经由具有电容器的积分电路I积分该光电流或对应的光电压，用以形成接收器信号。在这种情况下，施加到电容器上的电压通过模拟/数字转换器AD转换为数字接收机信号。模拟/数字转换器AD连接到控制单元CU，控制单元CU接收数字化的接收机信号并进一步处理该数字化的接收机信号。控制单元CU可以由例如微型计算机的电子数据处理系统形成，该微型计算机包括微型处理器，以及在给定情况下包括一个或多个额外的数据存储器。预定的接收机信号值存储在微型计算机中，控制单元CU将该预定的接收机信号值与记录的数字化的接收机信号比较。为此，比较算法存储在微型计算机中，通过该比较算法在预定的接收机信号值附近建立容差范围。如果记录的数字接收机信号落入容差范围，则被认为表示记录的接收机信号值和预定的接收机信号值相符。相比之下，如果记录的数字接收机信号偏离预定的接收机信号过远，以至于不再位于预定容差范围的范围内，则控制单元⑶判定这表示检测到偏差。在这个情况下，经由设置在控制单元⑶并与电源电路V连接的标准控制器，例如P-、PI_、PD-或PID控制器，可以改变激励器信号，直到检测到记录的接收机信号值和预定的接收机信号值相符，激励器信号在此是发光二极管S的工作电流或工作电压。电源电路的控制可以通过控制器电路或通过控制系统CU的电子数据处理系统中可执行的软件实现。在后者情况下，数据处理系统基于已知的测量设备I的传递函数，根据记录的接收机信号的信号强度和预定的接收机信号强度之间的偏差确定到达预定的接收机信号强度需要的电源电压或需要的电源电流，并且相应地调整通过光源E的电源电路提供的电源电流。导致接收机信号强度的记录与预定的接收机信号强度相符的激励信号强度被记录为测量信号，激励信号强度在此处示出的示例中因此是发光二极管E的电源电流。基于存储在控制单元的数据存储器中的校准函数，测量信号被映射成浊度测量值。这可以输出到显示单元D上。替代地，测量值可以输出到上级单元，例如输出到测量结果发射器，或输出到过程控制站。本发明特别令人满意地适合于测量水和澄清泥浆的悬浊液中的固体成分。然而其不限于这种环境部门的领域。本发明可以特别有利地应用在特别是浊度的测量变量出现强烈变化的任何地方。这通常是在测量技术或过程技术中的情况。本发明可以有利地应用在所有这些技术领域中。
权利要求
1.一种借助光学传感器设备确定介质(M)的测量变量的测量值，特别是用于液态或气态介质中的浊度测量的方法，所述光学传感器设备具有至少一个发射机(S)和与所述发射机(S)相关联的至少一个接收机(E)，所述方法包括下述步骤-向所述至少一个发射机(S)提供激励器信号，所述激励器信号用于生成具有传输信号强度的光发射机信号(2)，其中所述发射机信号(2)通过与作为所述测量变量的函数的所述介质(M)的相互作用而转换为改变的发射机信号(3)；-借助所述至少一个接收机根据所述变换的发射机信号(3)生成接收机信号，并记录所述接收机信号的接收机信号强度；-基于记录的接收机信号，使所述激励器信号的激励信号强度符合而达到预定的接收机信号强度；并且-记录达到所述预定的接收机信号强度所需的所述激励信号强度，并且从此确定所述测量值。
2.如权利要求I所述的方法，其中作为记录的接收机信号强度的函数来控制所述激励器信号，以达到所述接收机信号强度的预定值。
3.如权利要求I或2所述的方法，其中所述至少一个发射机(S)包括光源，特别是发光二极管，以及所述激励器信号是所述光源的工作电压或工作电流。
4.如权利要求I至3之一所述的方法，其中所述至少一个接收机(E)包括至少一个光电元件，特别是光电二极管。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述接收机信号是取决于由所述光电元件接收的光强度的光电流、或是取决于照射到所述光电兀件上的光强度的光电压。
6.如权利要求4所述的方法，其中通过光电流或光电压在预定积分时间上的积分来生成所述接收机信号，所述光电流取决于由所述光电元件接收的光强度，所述光电压取决于照射到所述光电元件上的光强度。
7.如权利要求I至6之一所述的方法，其中借助模拟/数字转换器(AD)将所述接收机信号转换为数字接收机信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中为了调节或控制所述激励器信号，将所述数字接收机信号与预定的信号值相比较，并且基于比较结果，以使所述接收机信号与所述预定的信号值相符的方式调谐所述激励器信号。
全文摘要
本发明涉及用于确定介质的测量变量、特别是用于浊度测量的方法，该方法通过具有至少一个发射机(S)和至少一个接收机(E)的光学传感器设备(1)确定介质(M)的测量变量的测量值，包括下述步骤-向至少一个发射机(S)提供激励器信号，该激励器信号用于生成具有传输信号强度的光发射机信号(2)，其中该发射机信号(2)通过与作为测量变量的函数的该介质的相互作用转换为改变的发射机信号(3)；-通过至少一个接收机从变换的发射机信号生成接收机信号，并记录该接收机信号强度；-基于记录的接收机信号，使激励信号强度达到预定的接收机信号强度；并且-记录达到预定的接收机信号强度所需要的激励信号强度，并且从此确定测量值。
文档编号G01N21/49GK102590146SQ20111044710
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者卡尔斯滕·戈茨, 埃丹·安杰利奇, 马蒂亚斯·格罗斯曼 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