DE102009047660A1

DE102009047660A1 - Verfahren zur Kompensation der Lichtstärkeschwankungen eines von einer optischen Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtsignals während einer optischen Messung

Info

Publication number: DE102009047660A1
Application number: DE102009047660A
Authority: DE
Inventors: Edin Andelic; Matthias Grossmann; Carsten Götz
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: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Lichtstärkeschwankungen eines von einer optischen Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtstrahles 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.
Um unabhängig von den während der Messung auftretenden Eigenschaften des Messmediums die Schwankungen der Lichtstärke der optischen Sendeeinrichtung zuverlässig zu kompensieren, wird das gemessene Signal m(t) des von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgestrahlten Lichtstahls (2) einem adaptiven Filter (8) zugeführt wird, welches die Übertragungseigenschaften des Messmediums (3) modelliert, wobei das adaptive Filter (8) ein Ausgangssignal (s_a(t)) ausgibt, welches hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft des Messmediums (3) ausgewertet wird.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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.
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.
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 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.
Vorteilhafterweise wird als optische Sendeeinrichtung eine Lichtemitterdiode verwendet. Lichtemitterdioden sind hinsichtlich ihrer kleinen Bauform gut in optischen Sensoren einsetzbar und daher vielseitig verwendbar.
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.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Prinzipdarstellung eines optischen Sensors für eine Trübungsmessung
2: zeitlicher Verlauf des Signals einer Monitordiode und des Signals einer optischen Empfangseinrichtung
3: zeitlicher Verlauf des nach dem Stand der Technik kompensierten Signals der optischen Empfangseinrichtung
4: Prinzipdarstellung der adaptiven Kompensation der Schwankungen der Lichtstärke einer Lichtemitterdiode mit einem adaptiven Filter
5: Gegenüberstellung des zeitlichen Verlaufes des nach dem Stand der Technik kompensierten Signals und des mit einem adaptiven Filter kompensierten Signals
6: zeitlicher Verlauf des Empfangssignals mit linearem 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
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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.
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.
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.
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 s_h(t) ergibt sich zu s_h(t) = s(t)/m(t).
Der Verlauf des so normiertem Signals s_h(t) ist aus 3 ersichtlich. Auch nach der durch Normierung durchgeführten Kompensation sind die Temperaturschwankungen der Umgebung im normierten Empfangssignal s_h(t) noch deutlich wahrnehmbar, weshalb dieses Empfangssignal s_h(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.
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 t_i durch die letzten N Monitorsignale m(t_i-1), ..., m(t_i-N) linear prädizierbar ist in der Form
Hierbei werden die Koeffizienten w_n des linearen Prädiktionsfilters zu einem Koeffizientenvektor w zusammengefasst. e(t_i) bezeichnet den Prädiktionsfehler zum Zeitpunkt t_i. Da sich die Trübung des Messmediums 3 ständig ändert, müssen auch die Koeffizienten w_n verändert werden. Diese Koeffizienten w_n werden deshalb zu jedem Zeitpunkt neu geschätzt. Für eine Neuschätzung der Koeffizienten w_n 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.
Ausgehend davon wird jederzeit ein Empfangssignal s_a(t_i) 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 w_n eine neu geschätzte Übertragungscharakteristik des Messmediums in Form von neu geschätzten Koeffizienten w_n. Das berechnete Signal s_a(t_i) ist folglich schwankungskompensiert und ergibt sich zu
Bis auf einen Skalierungsfaktor ist das mit diesem adaptiven Filter 8 kompensierte Signal s_a(t_i) gleich der Summe 9 der aktuellen Koeffizienten w_n des verwendeten adaptiven Filters 8.
In einem Initialisierungsschritt zu Beginn der Messung wird ein erster Satz von Koeffizienten w_n aus der Differenz des Empfangssignals s(t) der optischen Empfangseinrichtung 5 und einem ersten simulierten Signal s_s(t) bestimmt. 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 w_n bestimmt, die zu einer Summe 9 addiert das Ausgangssignal s_a(t) ergeben, welches temperaturkompensiert ist und zur Auswertung der Trübung des Messmediums 3 genutzt wird.
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 w_n immer genauer die tatsächliche Trübung des Messmediums 3 wiedergibt. Wie aus 5 ersichtlich, wo das nach dem Stand der Technik kompensierte Signal s_h(t) dem adaptiv kompensierten Signal s_a(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 s_a(t) ist somit wesentlich robuster gegenüber Temperaturänderungen.
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.
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 s_hT(t) dargestellt ist, das adaptive Verfahren gemäß dem Signal s_aT(t) den linearen Trend ohne überlagerte Temperaturabhängigkeit herausfiltert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

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 (s_a(t)) ausgibt, welches hinsichtlich mindestens einer optischen Eigenschaft des Messmediums (3) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des adaptiven Filters (8) die Summe der Koeffizienten (w_n) des adaptiven Filters (8) darstellt, welche auf der Grundlage des aktuell gemessenen Signals (m(t)) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Koeffizienten (w_n) des adaptiven Filters (8) bei jeder Messung des von der optischen Sendeeinrichtung (1) ausgesandten Lichtes (2) neu bestimmt werden.
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.
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 s_s(t) gebildetes Fehlersignal e(t) zugeführt wird, welches bei der Bildung der Koeffizienten (w_n) des adaptiven Filters (8) berücksichtigt wird.
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 s_s(t) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Messung ein erster Satz der Koeffizienten (w_n) des adaptiven Filters (8) mit Hilfe des Fehlersignals e(t) berechnet wird, der aus der Differenz des erstmalig simulierten Signals s_s(t) des adaptiven Filters (8) und des von der optischen Empfangseinrichtung (5) detektierte Lichtsignals s(t) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als adaptives Filter (8) ein lineares Prädiktionsfilter, insbesondere ein Recursive-Least-Squares-Algorithmus, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass als optische Sendeeinrichtung (1) eine Lichtemitterdiode verwendet wird.
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.