本发明涉及一种用于确定液体介质的浊度的传感器布置。
背景技术：
悬浮在液体中的任何光撞击颗粒被散射。该光散射的强度在光学浊度测量中用作浊度测定的直接量度。不同的测量角用于不同的应用，部分是由于国家法律规定。例如，90°散射光用于饮用水应用中，等等。啤酒厂经常使用在11°至25°范围内的散射光角度。在污泥的测量中，主要使用>90°(例如，135°)的背散射角。“fnu”单位(formazin浊度单位)通常用作参考测量或用于浊度值。
典型地，基于散射光测量的浊度传感器能够如图1所示。透射光7(实线)从光源1发射通过窗口6，窗口6对于进入测量室5中的透射光7是透明的。在测量室5中，光在介质3中的颗粒上在散射点p处以测量角α散射或被转换成接收光8(虚线)。通过对接收光8透明的窗口6，接收光通过例如孔径4到达接收器2。到达接收器2的光强度是浊度的量度。
然而，在该过程中出现问题。由于在测量室5的两侧上的光学窗口6并且同样由于在测量室5的两侧上的有源元件(例如，电子部件、光源、接收器)，浊度传感器的组件是复杂的并且是成本密集型的。
如果要使用传感器来测量若干散射光角(即，例如11°和25°，或90°和180°和11°)，则上述问题进一步恶化。
技术实现要素：
本发明基于提出易于制造的灵敏且灵活的浊度传感器的目的。
该目的通过一种传感器布置来实现，该传感器布置包括传感器部，所述传感器部具有：至少一个光源，用于将透射光传输到测量室中；以及至少一个接收器，所述至少一个接收器与光源相关联，用于接收来自测量室的接收光，测量室中的透射光借助于以测量角的散射被介质转换为接收光，并且由接收器接收的接收光是浊度的量度。该装置的特征在于，接收光在反射元件处被背衍射(backdiffract)，其中反射元件与介质相接触，据此产生从光源经由测量室到反射元件和从反射元件经由测量室到接收器的光学路径。
在有利的改进中，透射光在反射元件处额外地背衍射，由此产生从光源经由测量室到反射元件和从反射元件经由测量室到达接收器的光学路径。
在介质中，来自光源的透射光在不同的散射点处被颗粒以所有立体角散射。在该过程中，对于不同的立体角，散射强度的分布取决于颗粒。该散射光再次被反射元件朝光源或朝接收器偏转。在该过程中，由于反射定律(入射角等于反射角)而保持该角度。角度的这种保持是决定性的，因为反射的透射光也撞击颗粒并且在额外的散射点处被散射。作为角度保持的结果，在相同测量角处散射的所有散射光线平行延伸。
因此能够区分从光源开始的两条可能的路径。在一条路径中，光首先被散射，然后被反射。在另一条路径中，光首先被反射，然后被散射。
在最后提及的情况下，通常不能区分如下的情况，情况1：“背衍射且以测量角α的光散射”和情况2：“入射透射光以相关的补角δ的光散射”。在这种情况下，补角定义为180°减去测量角(δ＝180°-α)。在一个实施例中，在入射透射光的背衍射之后产生的散射光不被引导到检测器上。
在此突出显示90°(即，测量角α＝90°)散射光测量的频繁情况。在这种情况下，不发生限制，因为90°＝180°-90°。由于在散射点处散射的光两次到达接收器处(一次来自入射光，而一次来自背衍射光)，因此能够根据本发明改善接收器处的光输出。如果不必区分一般散射角和相关的补角(例如，在对于这两个角度具有相同出射特性的散射介质中)或者在不需要该区分的情况下，则同样适用。对于90°散射光测量和对于不需要在散射光角度和其补角之间进行区分的情况，产生更高的测量信号，并且因此产生更灵敏的测量。
通常，该结构更灵活，这特别是通过下面描述的实施例表现更为清晰。传感器布置可以以紧凑和结实的方式构造。
自然地，在到反射元件的路径上和在从反射元件开始的路径上，光也以其它角度，即不以测量角被散射。为了使这种不期望的光不歪曲测量结果，传感器部包括至少一个立体角滤波器，所述至少一个立体角滤波器将被散射和由反射元件背衍射的光引导到接收器上，其中只有以测量角散射的光通过立体角度滤波器。
这里，在上下文中，术语“测量角”应理解为测量角本身加上/减去公差范围，即例如±10°，特别是±5°。还有一些应用程序可能受制于需要一定限制的规范。就这一点而言要提到的是例如饮用水中的角度范围的±2.5°的极限(参见diniso7027)。
在有利的改进中，立体角滤波器包括至少一个光束成形部件，特别是透镜。因此，接收光可以甚至更好地指向接收器。
在第一优选实施例中，立体角滤波器包括吸收接收光的中空筒体，其中由于其内径和其长度，中空筒体仅允许以测量角散射的接收光通过。在这种情况下，中空筒体可以具有圆形作为基部，由此中空筒体被设计为管。然而，基部也可以是有角的，诸如正方形，一般矩形或包括任何数量的拐角。即使术语“内径”实际上仅用于圆形基座，在本发明的意义上，它也指当基座不是圆形时的两个相对表面之间的最小距离。在关于中空筒体的实施例中，还可以看到具有限定测量角的距离的小孔(pinhole)。
在另一个有利的实施例中，立体角滤波器包括吸收接收光的块，该块包括在入射接收光的方向上的若干开口，其中由于开口的数量、块的开口的内径、开口相互间的距离仅允许以测量角散射的接收光通过。
能够以相同的方式相应地布置一个或多个玻璃纤维或玻璃纤维束。另一种替代方案是在薄膜叠层中看到。自然地，所呈现的实施例的组合也是可能的。
在另一个第一实施例中，反射元件不机械地连接到传感器部。该第一实施例包括至少两个变型。在第一变型中，反射元件由传感器布置的壳体部分形成，所述壳体部分与传感器部相关联并且例如布置在容器的附接有传感器布置的相对侧上。在第二变型中，反射元件由容器本身形成，诸如通过其壁形成。在第二实施例中，传感器部包括反射元件。包括反射元件的反射部和传感器部因此被设计为一体。
在有利的改进中，透射光以第一测量角和至少一个第二测量角被散射，并且传感器布置包括用于第一测量角的第一立体角滤波器和用于第二测量角的至少一个第二立体角滤波器。因此能够使用传感器布置在几个测量角处确定浊度。立体角滤波器确保只有相应地散射的光才能到达接收器。
优选地，传感器布置包括：第一接收器，所述第一接收器用于以第一测量角散射的接收光；和第二接收器，所述第二接收器用于以第二测量角散射的接收光。每个接收器与特定测量角相关联；相应测量角的光不需要首先在每个接收器处被滤波。更简单的结构变得可能。
在有利的改进中，传感器布置包括：第一光源，其用于以第一入射角将透射光发送到测量室中；和第二光源，其用于以第二入射角将透射光发送到测量室中，其中第一光源的光以第一测量角散射，并且第二光源的光以第二测量角散射。
所呈现的两个变型的组合也是可能的，即具有多个光源和多个接收器。
在另一优选实施例中，反射元件包括第一部分和至少一个第二部分，其中第一部分和第二部分分别朝第一或第二固体角滤波器以第一反射角反射光和以第二反射角反射光。只有通过划分成不同的部分，才能够利用某些测量角使用背衍射的效果。此外，可以实现节省空间的构造。
有利地，反射元件相对于透射光以不同于90°的角度布置。这增加了关于测量角的灵活性。此外，结构变得更简单。
作为具有良好光学性能的节省空间和成本有效的实施例，反射元件包括反射棱镜。
在另一个优选实施例中，传感器布置包括：第一窗口，所述第一窗口作为传感器部和测量室之间的边界，对于透射光是透明的；和/或第二窗口，其中第二窗口作为测量室和传感器部之间的边界，对于接收光是透明的。
优选地，为了节省空间以及简化制造，第一和第二窗口被设计为公共窗口。
如果要针对相应的测量角调整窗口的光学特性，则传感器布置可替代地且优选地对每个测量角包括一个窗口，并且相应地散射的接收光通过相应的窗口。
在另一个优选实施例中，传感器部包括在立体角滤波器和接收器之间的光纤电缆。这表示用于在更长的距离上传导光的简单且良好的选择，而没有更大的损失。
附图说明
参考附图更详细地解释本发明。如下示出：
图1：典型的基于散射光测量的浊度传感器，
图2a/b：本发明的两个基本原理，
图3a-g：根据本发明的用于确定浊度的传感器布置的原理的逐步解释，
图4：在一个实施例中的根据本发明的关于若干测量角的传感器布置，
图5a/b：在两个附加实施例中的根据本发明的关于反射部传感器布置，
图6a-f：在全部不同实施例中根据本发明的具有传感器部和反射部的传感器布置，
图7：在另一个实施例中的根据本发明的关于反射元件的传感器布置
图8a-c：在另一个实施例中根据本发明的关于窗口的传感器布置。
在图中，相同的特征用相同的附图标记表示。
具体实施方式
浊度传感器的测量方法是已知的，并且已经在上面解释。仅简要解释基本特征，虽然这些基本特征大多未在图中示出。根据本发明的传感器布置20在下面也称为浊度传感器。浊度传感器布置在容器上，特别是在管道上。这通过紧固装置，诸如凸缘来执行。浊度传感器还可以布置在浸没式或快速更换配件等上。待测介质3位于管道中；特别地，介质3流过管。待测量的介质3大多是液体-通常是工艺用水和废水。然而，该布置也用于淡水，特别是饮用水中。浊度传感器布置成基本上垂直于管的纵向轴线。浊度传感器包括壳体。不锈钢、塑料或陶瓷能够用作布置20的材料，特别是用于壳体。如已经提到的，浊度传感器通常用在饮用水或废水中。选择材料使得它们适合用于例如废水中。因此，塑料必须是适当耐用的塑料，例如ptfe或类似物。
布置20包括至少一个光源1和接收器2。光源和接收器经由电连接件连接到控制单元(未示出)。控制单元例如是测量换能器、控制中心等。
接收器2例如被设计为光电二极管，其从所接收的光产生接收器信号，诸如光电流或光电压。
光源1(通常为led)向介质3发送光。就这一点而言，在本发明的含义内的“光”不限于电磁光谱的可见范围，而是应当被理解作为任何波长的电磁辐射，特别是还在紫外(uv)和红外(ir)波长范围内的电磁辐射。特别地，使用860nm的波长。
在下文中，将仅讨论根据本发明的浊度传感器。为了清楚起见，下面的图2-图7没有示出光学窗口。用于光学窗口的各种实施选项在图8中示出并且在下面解释。出于相同的原因，也没有示出或考虑在从窗口到介质的过渡处的光学折射。
因此，边界通过对到达光透明的窗口(未示出)。背衍射平面或在本发明意义内的反射元件11(细节，参见下文)在附图中示出为虚线表面。光在这些虚线表面上背衍射。在附图标记中，反射光由后缀“r”表示。
已经散射的光在图中被示为虚线。
本发明基于两个原理，其在图2a和图2b中解释：反射和立体角滤波。就这一点而言，立体角滤波可以被认为是可选的，但是是有利的。反射定律(入射角＝反射角)适用于至少一个特定角度-这里是散射光角度α，也称为测量角α。因此在第一实施例中，反射元件是反射镜。立体角滤波器12是无源部件，其中仅允许具有特定入射角范围的光通过；这些光线用附图标记12a标记。具有在通过范围之外的入射角的光被立体角滤波器通过吸收、偏转等而阻挡；这些光束用附图标记12b标记。简单的立体角滤波器例如是黑色管，所述黑色管通过其关于内径和长度的测量来限定允许通过的某个角度范围，而其他角度被材料吸收。通常，立体角滤波器是吸收接收光的中空筒体。在这种情况下，如上所述，中空筒体能够具有圆形作为基部，由此中空筒体被设计为管。然而，基部也可以是有角的，诸如正方形、一般矩形或包括任何数量的拐角。由于其内径和其长度，中空筒体仅允许以测量角散射的接收光通过。即使术语“内径”仅用于圆形基座，但是它也指当基座不是圆形时的两个相对表面之间的最小距离。在关于中空筒体的实施例中，还能够看到具有限定测量角的距离的小孔。用于该应用的立体角滤波器的另一有利实施例是黑色的，吸收基块，其中以狭窄的距离引入长而细的孔。块由开口的数量、开口的内径和开口相互间的距离限定。可以以相同的方式相应地布置一个或多个玻璃纤维或玻璃纤维束。另一种替代方案将在薄膜叠层中看到。立体角滤波器还可以包括一个或多个光束成形部件，例如透镜。当然，所呈现的实施例的组合也是可能的。
根据本发明的用于确定浊度的传感器布置整体具有附图标记20。现在将说明其功能。布置20包括至少一个传感器部s，该至少一个传感器部s具有光源1和光接收器2。
首先，使用光源1产生透射光7，该透射光7可能由一个或多个光学部件(孔径、透镜等；未示出)聚焦和对准。然后，该光7通过光学窗口(未示出)，首先到达具有介质3的测量室5中，然后到达反射元件11上，反射元件11在这里被示出为简单的镜面。就这一点而言，见图3a。反射元件11因此与介质3接触。反射部r包括反射元件11。在第一实施例中，反射部r不机械地连接到传感器部s。该第一实施例包括至少两个变型。在第一变型中，具有反射元件11的反射部r由传感器布置20的第二壳体部分形成，所述壳体部分与传感器部s相关联并且例如被布置在容器的相对置的侧上。在第二变型中，具有反射元件11的反射部r由容器本身，例如由其壁形成。
在下一步骤中，透射光7在其到达时以相同的角度被反射；参见具有反射的透射光7.r的图3b(或图2b)。
在介质3中，来自光源1的透射光7在不同散射点p处被颗粒以所有立体角散射。在该过程中，散射强度对不同立体角的分布取决于颗粒。在图3c中，仅指示以测量角(即，例如α＝25°)散射的散射光。该散射光再次被反射元件11朝光源1或朝接收器2偏转。在该过程中，角度被保持(反射定律)，即，入射角等于反射角。通过该散射，透射光7被转换为接收光8(在本发明中被转换的光将被称为接收光8)。由反射元件11反射的接收光用附图标记8.r表示。已经散射的光以虚线示出。
如上所述，角度的保持是决定性的，因为反射的透射光7.r也撞击颗粒并且在额外的散射点p.r处散射(参见图3d)。作为角度保持的结果，以相同角度α散射的所有散射光线平行延伸。如上所述，已经散射的光在这里也以虚线示出。在图3d中，用附图标记8.r1标记的上部三个光束由反射的透射光7.r形成。另一方面，用附图标记8.r2标记的下面的三个光束首先被散射，然后被反射。在这两种情况下，形成了平行接收光8.r。
自然地，在到反射元件11的路径上和在从反射元件11开始的路径上，光以其它角度被散射，即不以测量角α被散射。这些光线用附图标记13表示；就这一点而言，见图3e。
以非测量角α的角度散射的光线现在被立体角滤波器12熄灭，而以测量角α散射的所有光线通过立体角滤波器12。然后，这些光线可能借助于光纤电缆10到达接收器2，在接收器2处，这些光线被转换为相应的测量信号，根据该测量信号计算浊度值。就这一点而言，见图3f。
如上所述，能够区分从光源1开始的两条可能的路径。在一条路径中，光首先被散射，然后被背衍射(附图标记8.r2)。在另一条路径中，光首先被背衍射然后被散射(附图标记8.r1)。在最后提到的情况下，不能区分“背衍射且以测量角α的光散射”和“入射透射光7以相关的补角δ的光散射”。补角δ被定义为180°-α。
图3f示出其中在背衍射之后散射的透射光(即，8.r1)未被引导到检测器上的布置。另一方面，图3g示出将8.r1和8.r2两种类型引导到接收器上的布置。
参考图5b再次提及90°(即α＝90°)散射光测量的频繁情况。在这种情况下，不会出现上述限制，因为δ＝α＝90°。改善了接收器处的光输出，因为在散射点处散射的光两次到达接收器处(一次来自入射光，而一次来自背衍射光)。如果不必区分一般散射角和相关的补角(例如，在对于这两个角度具有相同发射出射特性的散射介质中)或者在不需要该区分的情况下，则同样适用。对于90°散射光测量和对于不需要在散射光角度和其补角之间进行区分的情况，产生更高的测量信号，从而产生更灵敏的测量。
在该过程中，所使用的立体角滤波器12滤波，而不是精确地测量角α，而是过滤在公差范围内(即，例如在±10°，特别是±5°或特别是±2.5°内)到达的光。
在另一个实施例中(如图4所示)，传感器布置20不仅能够在单个测量角处确定浊度，还能够在几个测量角α1、α2处确定浊度。在下文中，这使用两个不同的测量角来解释，但是当然也可以使用额外的测量角。为此，对于每个测量角α1、α2，传感器布置20分别包括立体角滤波器121、122。然后，每个测量角α1、α2与其自己的接收器21、22相关联。
到光源1和几个接收器21、22的不同角度的测量的分布也能够颠倒，使得来自几个光源11、12的光仅以不同的角度α1、α2排外地被发送并且由单个接收器2(未示出)接收。也可以想象两种可能性的组合，其中使用几个光源11、12和几个接收器21、22。
图5a和图5b示出反射元件11不一定需要平行于光学窗口对准。对于一些应用，偏离平行性可能是有利的。换句话说，反射元件11相对于透射光7以不同于90°的角度β布置。
图5a示出了角度β<90°。在这种情况下，与之前的图不同，透射光7不是直接再次被背衍射，而是作为反射光7.r以一定角度散射或者然后以一定角度到达立体角滤波器12。
在图5b中，反射元件11被分成不同的部分d1和d2。到达的光在这些部分d1、d2上以反射角γ背衍射。示出了大约γ＝90°的反射角。只有通过划分成不同的部分，才能够使用某些测量角α来利用背衍射的效果。在该示例中，测量角α＝90°的光能够首先被以角度β＝45°布置的部分d2背衍射。
如在前面的实例和上文中所解释的，反射部r中的反射元件11能够被布置为偏离传感器部s。然而，反射部r和传感器部s也能够被设计为一体。换句话说，传感器布置20因而包括传感器部s和反射部r。这些实施例在图6c-f中示出。
此外，不同的，只要至少一个确定角度α符合反射定律(入射角＝反射角)，有利的实施例是可能的。图6a-f示出了反射元件11的相对于透射光7或不同部分d的不同角度β的一些可能的实施例。
将简要解释图6f，其示出反射元件11的四个部分d1、d2、d3、d4。通过使用相对于透射光7分别具有不同布置并且因此具有不同角度β1、β2、β3的几个部分，能够以相对节省空间的方式实现不同的测量角α1、α2、α3。尽管存在不同的测量角α1、α2、α3，但是由于不同的部分d1、d2、d3，接收光81.r、82.r、83.r与透射光7平行地被背衍射。各个相关联的立体角滤波器121、122、123和接收器21、22、23沿着纵向方向布置，并且例如偏移地布置。以这种方式，传感器布置20确实更长，但不更宽。这进一步导致更灵活且更简单的结构。
在另一实施例中，反射元件11被实现为棱镜，特别是反射棱镜等。就这一点而言，见图7。
如上所述，传感器布置20相应地包括光学窗口6，该光学窗口6在传感器部s和测量室5之间以及在测量室5和反射部r之间的边界区域中。特别地，可以根据不同的有利可能性来设计朝介质3的光学窗口6：用于入射透射光7和所有反射的接收光8的窗口6(参见图8a)。或者，用于入射和直接反射的透射光7、7r的公共窗口6a和用于反射接收光8的另一窗口6b(参见图8b)。或者，用于以不同测量角α1、α2散射的每个接收光81.r、82.r的其自己的窗口61、62(参见图8c)。
通常，窗口6由例如蓝宝石玻璃、石英玻璃等制成。窗口6和传感器布置20的壳体彼此刚性连接；特别地，窗口6和壳体以介质紧密的方式彼此连接。窗口6和壳体例如通过粘合、焊接等彼此连接。
附图标记
1光源
2接收器
3介质
4孔径
5测量室
6窗口
7透射光
7.r反射的透射光
8接收光
8.r反射的接收光
10光纤电缆
11反射元件
12立体角滤波器
12a/b用于12的平行/非平行光
13不以α散射的光
20传感器布置
d部分
p散射点
p.r反射后的散射点
r反射部
s传感器部
α测量角
β11或d相对于7的角度
γ反射角
δ补角