用于監(jiān)視光學(xué)傳感器的光源的器件的制作方法

本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)視光學(xué)傳感器的光源的器件，該光學(xué)傳感器布置在介質(zhì)中，用于在過程自動化技術(shù)中確定被測量參數(shù)的被測量值。本發(fā)明還涉及在分析器中使用該器件。本發(fā)明不限于在過程自動化技術(shù)中應(yīng)用，還包括至少相鄰的技術(shù)領(lǐng)域，諸如實驗室技術(shù)。

背景技術(shù)：

在各種光學(xué)傳感器中，來自光源的光與介質(zhì)例如氣體或者液體形成接觸，因此，借助于光與介質(zhì)之間的相互作用改變光的特性。例如，在光度計中，光通過介質(zhì)中的吸收被衰減。在發(fā)光(luminescence)傳感器中，介質(zhì)由入射光被帶入激發(fā)狀態(tài)，并且隨后在向基態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，可能甚至在與入射光的波長不同的波長處發(fā)射光輻射。在散射光傳感器中，光在介質(zhì)中被未溶解的顆粒散射。

所有這些效應(yīng)現(xiàn)在都被用于測量介質(zhì)的特定目標(biāo)參數(shù)。在吸收或者發(fā)光測量中，這個目標(biāo)參數(shù)是例如介質(zhì)中的物質(zhì)的濃度，并且在散射光測量中，這是例如介質(zhì)的濁度。目標(biāo)參數(shù)是通過監(jiān)視在與介質(zhì)相互作用之后的光的特性并且通過將由此所測量的、變化的光的特性與該目標(biāo)參數(shù)相關(guān)聯(lián)來確定的。

然而，在光學(xué)傳感器中，入射光的未知的變化、例如強度或者光譜分布的變化因此導(dǎo)致不期望的被測量值變化。因為在大多數(shù)情況下，例如，由于光源的老化、溫度變化等，入射光的變化不能夠被完全防止，光學(xué)傳感器的測量精度需要監(jiān)視光源。

通常，這種監(jiān)視借助于額外的光檢測發(fā)生。所發(fā)射的光的特性因而在光接觸介質(zhì)之前被監(jiān)視。這樣，入射光的變化能夠被檢測到并且在被測量值計算中被補償。

典型地，對于這種光源監(jiān)視，存在兩種不同的可能實施方案。每種實施方案中，光源的光“在一側(cè)上”以特定角度被測量一優(yōu)選地90°；在這方面參見圖1a?？商鎿Q地，光“向前”朝向測量介質(zhì)發(fā)射并且借助于分束器分離，其中轉(zhuǎn)向的光束被監(jiān)視；參見圖1b。圖1a/b示出光源1，該光源1經(jīng)由光路4將光發(fā)射至待測量的介質(zhì)15中、穿過窗口21進(jìn)入測量腔室5。穿過另一窗口21，光接收器2檢測被介質(zhì)15改變了的光。在圖1a中，光監(jiān)視單元6相對于光源1以90°布置。在圖1b中，另外布置分束器22。

在這里所示出的光源監(jiān)視的兩種變型(“朝向側(cè)邊”和“利用分束器向前”)中，在實施過程中可能發(fā)生各種問題。沿著光路4，即，沿著從光源1到光接收器2的路徑，需要很多空間。如果光源1的光學(xué)部件安裝在電路板上，那么附加的電路板或者柔性電路板必須用于光源監(jiān)視。兩種情況都是成本密集的。由于時間或者溫度，也必須考慮附加部件例如分束器22的行為的可能的變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明是基于利用光學(xué)傳感器提供節(jié)約成本和節(jié)省空間的光源監(jiān)視的目的。

該目的通過器件實現(xiàn)，該器件包括：用于發(fā)送透射光的至少一個光源；其中該光源與用于接收接收光的接收器相關(guān)聯(lián)，其中光路從光源穿過可填充有介質(zhì)的測量腔室延伸到接收器，其中透射光，借助于相互作用一具體地，吸收、散射、以及熒光一能夠取決于被測量參數(shù)，沿著光路被轉(zhuǎn)換成接收光，其中接收器信號能夠由被轉(zhuǎn)換的接收光產(chǎn)生，并且其中被測量值能夠由接收器信號確定；以及與光源相關(guān)聯(lián)的至少一個監(jiān)視單元，具有用于監(jiān)視光源的敏感單元，其中監(jiān)視單元接收透射光。該器件的特征在于，監(jiān)視單元的敏感單元指向光路的方向并且接收來自與光路相反的方向的光。

在上面提及的光路的定義中，即，從光源到接收器，在優(yōu)選的實施例中，監(jiān)視單元因而位于光源后面。

這導(dǎo)致節(jié)約成本和節(jié)省空間的構(gòu)造。

優(yōu)選地，光源和監(jiān)視單元是smd部件。

在另一有利的實施例中，光源和監(jiān)視單元被布置在共用電路板的不同側(cè)上。因此，能夠容易實現(xiàn)電和光連接。

在優(yōu)選的演變中，電路板包括開口，其中來自光源的透射光穿過所述開口到達(dá)監(jiān)視單元。因而確保不能穿過電路板照射的光到達(dá)監(jiān)視單元。

在有利的實施例中，該器件包括孔隙，該孔隙沿著光路位于光源后面，其中被該孔隙反射的光用于監(jiān)視光源。因而朝向接收器發(fā)送的光被用于監(jiān)視光源。

為了增加監(jiān)視單元處的信號強度，該孔隙包括高度反射的或者漫散射的表面。

在另一有利的實施例中，監(jiān)視單元偏離光路布置。因而，敏感元件、光源以及接收器不形成(假想的)直線；相反，在光路和從監(jiān)視單元到光源的光路徑之間形成多于0°的角度。

優(yōu)選地，在光路和從光源到監(jiān)視單元的光路徑之間的該角度超過90°，并且最高達(dá)180°。

通過在用于在過程自動化技術(shù)中確定被測量參數(shù)的被測量值的分析器(具體地，用于分析至少一個物質(zhì)濃度)中使用至少一個如上所述的器件進(jìn)一步實現(xiàn)該目的。

在本發(fā)明的意義上的“分析器”將意味著在過程自動化技術(shù)中的測量裝置，該測量裝置借助于濕化學(xué)方法測量某些物質(zhì)含量，諸如例如待分析的介質(zhì)中的離子濃度。為了這個目的，從待分析的介質(zhì)采取樣品。通常，樣品的采取是通過分析器自身借助于例如泵、軟管、閥等以全自動的方式來執(zhí)行的。為了確定某些種類的物質(zhì)含量，將專門對于相應(yīng)的物質(zhì)含量顯影的(developed)并且在分析器的殼體中可用的試劑與待測量的樣品混合。隨后通過適當(dāng)?shù)臏y量器件諸如例如光度計測量由此引起的混合物的顏色反應(yīng)。為了更加精確，樣品和試劑被混合在試管(cuvette)中，并且然后使用透射光方法利用不同的波長來光學(xué)地測量。因此，基于光吸收和存儲的校準(zhǔn)模型，被測量值由接收器確定。典型的目標(biāo)被測量值是例如，銨、總磷酸鹽、化學(xué)需氧量等。

同時，根據(jù)本發(fā)明的器件還可用在其它光學(xué)單元中，諸如濁度傳感器或者光度計。

附圖說明

參考下面的附圖更加詳細(xì)地解釋本發(fā)明。附圖示出：

圖1a/b為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的器件，

圖2a/b為根據(jù)本發(fā)明在第一和第二實施例中的器件，

圖3為根據(jù)本發(fā)明在第三實施例中的器件；并且

圖4為根據(jù)本發(fā)明的分析器，其中使用所述器件。

在附圖中，相同的特征用相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明，提出了用于監(jiān)視光學(xué)傳感器3的光源1的器件20，該光學(xué)傳感器3用于確定在介質(zhì)15的過程自動化技術(shù)中的被測量參數(shù)的被測量值。

根據(jù)本發(fā)明的光源監(jiān)視是基于布置在光源1的后面(即與測量流的方向相反，即與光路4相反)的監(jiān)視單元6。光路4在這里被定義為從光源1到接收器2的方向。利用了兩個事實：光源1還向后發(fā)射一些光，并且光源監(jiān)視與測量信號檢測相比需要少得多的光，因為，一方面，在光源監(jiān)視中，不存在通過與介質(zhì)15的相互作用光衰減；并且另一方面，作為直接路徑的結(jié)果的光學(xué)損耗少于測量信號的光損耗。這在圖2a中示出。在這種情況下，光源1被設(shè)計為發(fā)光二極管(led)，諸如紅外二極管或者藍(lán)色發(fā)光二極管。光接收器2被設(shè)計為光電二極管。監(jiān)視單元6也被設(shè)計為光電二極管。光電二極管6的敏感元件8被定向成使得它指向光源1的方向。換句話說，檢測器6的敏感元件8指向光路4的方向，但是接受來自與光路4相反的方向的光。

在優(yōu)選的實施例中，光源1和光源監(jiān)視6兩者都能夠安裝在同一電路板23上，例如利用smd(表面安裝器件)led和smd光電檢測器能夠?qū)崿F(xiàn)。在這種情況下，用于監(jiān)視的光直接穿過電路板23，例如，在紅外二極管中，并隨后通過光電二極管6被轉(zhuǎn)換成電信號。

如果上面所描述的實施例由于電路板23的吸收(剩余的光強度太低，例如當(dāng)使用藍(lán)色光源1和綠色電路板23時)而不可能穿過電路板23，則也能夠在led1和檢測器6之間添加開口7，諸如通孔或者狹槽，穿過該開口，光直接照射(impinge)在檢測器6上；在這方面參見圖2b。

另一可能性在于：以穿過電路板23的開口7稍微偏離led1的方式附接光電二極管6，光電二極管6附接在后側(cè)上。對于測量，測量光穿過孔隙18，該孔隙18布置在led1的前方，并且孔隙18的表面19構(gòu)成為使得它將被阻擋住的光在與光路4相反的方向上反射。這樣，由光源1在測量腔室5的方向上發(fā)射的光可用于光源監(jiān)視6?？紫?8能夠例如被設(shè)計為反射的，從而接收盡可能多的信號；或者甚至漫散射的，從而平均化所發(fā)射光束的不均勻性；在這方面參見圖3。

用于光源1的監(jiān)視6的器件20被用在例如，濁度傳感器或者光度傳感器中。

圖4示出另一可能的應(yīng)用，就是，在分析器9中，下面將對其更詳細(xì)描述。

分析器9是用于測量物質(zhì)的直接吸收或者顏色的強度，例如，這是通過將待確定的物質(zhì)借助于試劑轉(zhuǎn)換成顏色復(fù)合物來產(chǎn)生的。其它可能的測量的參數(shù)是，如所提及的濁度，或者甚至熒光等。

進(jìn)一步應(yīng)用示例是測量化學(xué)需氧量、或者cod，其中cod是總和參數(shù)，其意味著被測量值由物質(zhì)的總計產(chǎn)生，并且因而不能夠歸因于一個單獨的物質(zhì)。在這種測量方法中，顏色的變化在反應(yīng)器中產(chǎn)生；參見下面。其它可能的參數(shù)是例如，總碳量、總氮量、或者離子濃度，諸如銨、磷酸鹽、硝酸鹽等的離子的濃度。

樣品13取自待分析的介質(zhì)15，該介質(zhì)能夠是例如液體或氣體。通常，樣品13的采取借助于子系統(tǒng)14諸如，泵、軟管、閥等全自動發(fā)生。為了確定某一種類的物質(zhì)含量，一個或多個試劑16與要測量的樣品13混合，所述一個或多個試劑16針對相應(yīng)的物質(zhì)含量而專門顯影(developed)并且在分析器的殼體內(nèi)是可用的。在圖4中，這被象征性地示出。實際上，分析器殼體設(shè)置有帶有不同試劑的不同容器，借助于前面提及的泵、軟管、閥等抽取試劑，并且如果適用，混合試劑。同樣地，對于每一個過程(采取樣品、混合試劑等)，能夠使用單獨的泵、軟管以及閥。

在這種混合物中由此所引起的顏色反應(yīng)隨后借助于適當(dāng)?shù)膫鞲衅?測量，例如，借助于布置在分析器殼體內(nèi)的光度計17一并且在圖4中僅象征性地示出。為了這個目的，樣品13以及試劑16例如在測量腔室5中混合，并且使用透射光方法利用至少一個波長的光來光學(xué)地測量。在確定cod或磷酸鹽離子的情況下，使用一種波長；然而，還有其中使用至少兩種不同的波長的方法。在這些方法中，借助于已經(jīng)提及的光源1，光透射穿過樣品13。前面也提及的用于接收透射光的接收器2被分配給光源1，具有從光源1延伸到接收器的光學(xué)測量路徑4(在圖4中由虛線示出)。光穿過光學(xué)窗口21，該光學(xué)窗口21穿過測量腔室5。光源1包括例如一個或多個led，即，每波長一個led，或者具有寬帶激勵的適當(dāng)?shù)墓庠础？商鎿Q地，使用裝配有適當(dāng)?shù)臑V波器的寬帶光源。典型的波長范圍是從紅外至紫外，即，從約1100nm至200nm。

基于光吸收和存儲的校準(zhǔn)功能，被測量值由接收器產(chǎn)生。當(dāng)測量cod時，被測量值如所提及的借助于顏色的改變產(chǎn)生。開始，樣品13與試劑16混合，并且執(zhí)行基線測量。隨后，添加額外的試劑16-特別地硫酸，并且加熱混合物以加速反應(yīng)。在一定時間段之后，執(zhí)行高原測量(plateaumeasurement)。從高原測量和基線測量確定上升量，該上升量與所存儲的校準(zhǔn)曲線一起產(chǎn)生測量的值。

此外，分析器9包括上級單元(superordinateunit)，例如，具有微控制器11以及存儲器12的傳送器10。分析器9能夠經(jīng)由傳送器10連接至現(xiàn)場總線。此外，分析器9經(jīng)由傳送器10被控制。因此，從介質(zhì)15抽取樣品13，例如是由微控制器11通過向子系統(tǒng)14發(fā)送適當(dāng)?shù)目刂泼顏韱拥?。同樣地，由傳感?、就是光度計17進(jìn)行的測量通過微控制器11來控制和調(diào)節(jié)。樣品13的投配也能夠通過傳送器10控制。投配或多或少是全自動的。

附圖標(biāo)記列表

1.光源

2.光接收器

3.傳感器

4.光路

5.測量腔室

6.監(jiān)視單元

7.開口

8.6的敏感元件

9.分析器

10.傳送器

11.微控制器

12.存儲器

13.樣品

14.9的子系統(tǒng)

15.介質(zhì)

16.試劑

17.光度計

18.孔隙

19.18的表面

20.器件

21.窗口

22.分束器

23.電路板