DE4142938A1

DE4142938A1 - Turbidity measurement appts. for turbidity and solids conc. in liquids - contains sensor head with hopper-shaped aperture contg. light sources, receivers, light scattering plates and barriers

Info

Publication number: DE4142938A1
Application number: DE19914142938
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr Ing Mayer
Original assignee: Dr Staiger Mohilo and Co GmbH
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: DE4142938C2

Abstract

The arrangement has a probe contg. a light source and receiver operating on the multiple beam alternating light principle. Receiver signals arising from scattering and absorption of source light in the receivers are fed to an evaluation device. At least two sources (15,16) open into the walls of a hopper-shaped recess (14) in the end of the sensor head (10). The optical axes of the sources and corresp. light receivers (17,18) are directed towards the opening of the recess. Light scattering plates (19-22) are arranged in front of each source and receiver. The receivers not currently exposed to direct source light are screened by barriers from scattered light. ADVANTAGE The arrangement eliminates the effects of stray light and associated reflections on the measurement results.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the Preamble of claim 1.

Eine derartige Einrichtung ist durch den Prospekt der Firma Dr. Staiger, Mohilo + Co. GmbH "MTS 7100 Meßsystem zur Erfassung von Trübung und Feststoffgehalt" vom Januar 1990 bekannt.Such a facility is through the company's prospectus Dr. Staiger, Mohilo + Co. GmbH "MTS 7100 measuring system for Determination of turbidity and solids content "from January 1990 known.

Um den Einfluß von Verschmutzungen auf Sendern und Emp fängern sowie der Alterung dieser Bauelemente auszugleichen, wird hierbei das sogenannte Vierstrahl-Wechsellicht-Ver fahren angewandt, wobei das Verhältnis der Intensität eines direkten Lichtstrahls mit der Intensität des gestreuten Lichts gebildet wird. Die Lichtsender und die Lichtempfänger sind dabei in einer Ebene angeordnet. Durch Verschmutzungen auf den Lichtsendern und den Lichtempfängern verursachtes Streulicht kann daher durch Reflexion an anderen Bautei len die Messung geringer Trübungen stören.To the influence of pollution on transmitters and Emp catchers and to compensate for the aging of these components, the so-called four-beam alternating light Ver drive applied, the ratio of the intensity of a direct light beam with the intensity of the scattered Light is formed. The light transmitter and the light receiver are arranged in one level. Through dirt caused on the light transmitters and the light receivers Stray light can therefore be reflected from other components len interfere with the measurement of low turbidity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einfluß von ungenutztem Streulicht und dadurch verursachter Reflexionen auf das Meßergebnis zu vermeiden.The invention has for its object an influence of unused stray light and reflections caused by it to avoid the measurement result.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved.

Mit diesen Maßnahmen wird der Vorteil erzielt, daß ungenutzt gestreutes Licht in das freie Medium abgestrahlt wird, ohne an anderen Teilen der Meßsonde aufzutreffen. Durch die Verwen dung von Streuscheiben wird erreicht, daß die räumliche Vertei lung des Lichts auch bei Verschmutzung der Fenster erhalten bleibt. Dies ist für die Verhältnismessung von Bedeutung. The advantage of these measures is that they are not used scattered light is emitted into the free medium without to strike other parts of the probe. By use Spreading discs is achieved that the spatial distribution preservation of light even when the windows are dirty remains. This is important for the ratio measurement.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.Further training and practical developments of the Erfin are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung er läutert.The invention is he in the following with reference to the drawing purifies.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Sonden kopfs, Fig. 1 is a perspective view of the head probes,

Fig. 2 eine Ansicht des Sondenkopfs gemäß Fig. 1 von oben, Fig. 2 is a view of the probe head of FIG. 1 from above,

Fig. 3 eine Ansicht entlang des Schnittes A-A durch Fig. 2, Fig. 3 is a view along section AA of Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht längs des Schnittes B-B durch Fig. 2, Fig. 4 is a view along section B-B through FIG. 2,

Fig. 5 eine Ansicht eines Sondenkopfs entspre chend Fig. 1, jedoch mit unterteilter Trennwand, Fig. 5 is a view of a probe head accordingly FIG. 1, but having a split partition wall,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Sondenkopf mit beidseitig zugängiger trichterförmi ger Ausnehmung, Fig. 6 shows a cross section through a probe head with both sides zugängiger trichterförmi ger recess,

Fig. 7 eine Ansicht des Sondenkopfs gemäß Fig. 6 von oben, Fig. 7 is a view of the probe head of FIG. 6 from above,

Fig. 8 eine Teilschaltung der Auswerteeinheit. Fig. 8 is a partial circuit of the evaluation unit.

In Fig. 1 ist mit 10 der mit einer trichterförmigen Ausneh mung 14 versehene Sondenkopf bezeichnet. Die trichterförmige Ausnehmung 14 ist durch eine durchgehende Trennwand 11 in zwei Kammern 12, 13, unterteilt. Der Kammer 12 ist ein Lichtsender 15 und ein Lichtempfänger 17 zugeordnet, desgleichen der Kam mer 13 ein Lichtsender 16 und ein Lichtempfänger 18. Die Lichtsender 15 und 16 sind in Aufnahmebohrungen oder dergleichen Aussparungen in der Begrenzungswandung 10′ des Sondenkopfs 10 untergebracht, ebenso die Lichtempfänger 17 und 18. Dem Licht sender 15 liegt bezogen auf die vertikale Mittelachse der trich terförmigen Ausnehmung 14 und durch die Trennwand 11 abge deckt der Lichtempfänger 18 diametral gegenüber, desgleichen dem Lichtsender 16 der Lichtempfänger 17 (Siehe hierzu Fig. 4). Jedem Lichtsender 15,16 und jedem Lichtempfänger 17, 18 ist eine Streuscheibe 19, 20, 21, 22), zum Beispiel in Form einer Milch glasscheibe, räumlich vorgeordnet.In Fig. 1, 10 with a funnel-shaped Ausneh tion 14 designated probe head. The funnel-shaped recess 14 is divided into two chambers 12 , 13 by a continuous partition wall 11 . The chamber 12 is assigned a light transmitter 15 and a light receiver 17 , as is the chamber 13, a light transmitter 16 and a light receiver 18th The light transmitters 15 and 16 are accommodated in receiving bores or similar recesses in the boundary wall 10 'of the probe head 10 , as are the light receivers 17 and 18 . The light transmitter 15 is based on the vertical central axis of the trich ter-shaped recess 14 and covered by the partition 11 covers the light receiver 18 diametrically opposite, as does the light transmitter 16 of the light receiver 17 (see FIG. 4). Each light transmitter 15, 16 and each light receiver 17 , 18 has a lens 19 , 20 , 21 , 22 ), for example in the form of a milk glass pane, spatially arranged.

In der ersten Phase strahlt der Lichtsender 15, und der mit diesem korrespondierende Lichtempfänger 17 erhält, wie Fig. 4 zeigt, direktes Licht als Referenzlicht. Aus den Fig. 1 und 3 ist ersichtlich, daß sämtliche Flächen, die vom Lichtsender 15 angestrahlt werden, durch die Trennwand 11 abgeblendet sind. Der Lichtempfänger 18 erhält demgemäß nur gestreutes Licht. In der zweiten Phase tritt der Lichtsender 16 in Funk tion, und die Lichtempfänger 17 und 18 vertauschen ihre Auf gabe. Das heißt, der Lichtempfänger 18 erhält direktes Refer enzlicht, der Lichtempfänger 17 hingegen lediglich gestreu tes Licht. Damit werden unterschiedliche Empfindlichkeiten der Lichtempfänger 17 und 18 eliminiert.In the first phase, the light transmitter 15 emits light, and the light receiver 17 corresponding to it receives, as shown in FIG. 4, direct light as reference light. From FIGS. 1 and 3 it can be seen that all surfaces, which are illuminated by the light transmitter 15 are dimmed by the partition wall 11. The light receiver 18 accordingly receives only scattered light. In the second phase, the light transmitter 16 comes into operation, and the light receivers 17 and 18 interchange their task. That is, the light receiver 18 receives direct reference light, the light receiver 17, however, only scattered light. Different sensitivities of the light receivers 17 and 18 are thus eliminated.

Die Streuscheiben 19 bis 22 bewirken auch bei ungleichmäßiger Verschmutzung der Lichtsender und/oder der Lichtemp fänger eine richtungsunabhängige Verminderung der Intensi tät. Verschmutzungen haben daher gleich geringe Auswirkungen wie eine Alterung. Demgegenüber können bei Verwendung kla rer Scheiben bzw. Fenster verhältnismäßig große Fehler auf treten.The lenses 19 to 22 cause a non-directional reduction in intensity even when the light transmitter and / or the light sensor is unevenly soiled. Soiling has just as little impact as aging. In contrast, relatively large errors can occur when using clear windows or windows.

Die Stirnseite der eine Mittelwand bildenden Trennwand 11 ist mit wenigstens einer nutförmigen Aussparung 23 bzw. Ein kerbung versehen, um bei schleimigem Belag (Abwassermessung) zu verhindern, daß Licht über die Kanten übertritt.The end face of the partition wall 11 forming a central wall is provided with at least one groove-shaped recess 23 or a notch in order to prevent light from passing over the edges in the case of slimy coating (wastewater measurement).

Die Trennwand 11 kann um ihre Längsachse 24 dreh-bzw. schwenk bar angeordnet sein und manuell oder motorisch betätigt wer den, um z. B. für einen Selbst-Test einzelne Bereiche abzu schatten oder grobe Verschmutzungen abzuwischen.The partition 11 can rotate or rotate about its longitudinal axis 24 . can be arranged swivel bar and operated manually or by motor to z. B. for a self-test to shade off individual areas or wipe off coarse dirt.

Bei der Ausbildung eines Sondenkopfs gemäß Fig. 5 ist die Trenn wand 11′ teilweise durchbrochen und die trichterförmige Aus nehmung 14 von beiden Seiten zugängig, so daß ein Durchström kanal 28 vorhanden und die Sonde 10 quer einsetzbar ist.In the formation of a probe head according to Fig. 5, the dividing wall 11 'is partially broken and the funnel-shaped recess from 14 accessible from both sides, so that a flow passage 28 is provided and the probe 10 is channel transversely used.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform des Sonden kopfs 10, bei der im Zentrum der beidseitig zugängigen trich terförmigen Ausnehmung 14 ein als Blende wirkender Mittel stab 25 mit einander diametral gegenüberliegenden, sich in Achsrichtung des Mittelstabs 25 erstreckenden Nuten 26, 26′, 27, 27′ angeordnet ist (Durchströmkanal 28). FIGS. 6 and 7 show an embodiment of the probe head 10 in which trich terförmigen in the center of-reach both sides of recess 14 acting as a diaphragm center rod 25 with diametrically opposed, extending in the axial direction of the central rod 25 grooves 26, 26 ', 27, 27 'is arranged (flow channel 28 ).

Die Streuscheiben 19, 20, 21, 22 sind nach einem weiteren Ge danken der Erfindung in Senkbohrungen 29, 30, 31 und 32 einge setzt und beispielsweise durch Klebung befestigt. Durch die Ansenkungen 29 bis 32 wird eine Bestrahlung der Flächen um die Lichtsender herum verhindert, desgleichen ein indirekter Lichtempfang über die Flächen um die Lichtempfänger. Dadurch reicht in manchen Fällen ein Mittelstab als Blende aus. Die vorzugsweise in gleichmäßiger räumlicher Verteilung am Umfang der trichterförmigen Ausnehmung 14 angeordneten Licht sender 15, 16 und Lichtempfänger 17, 18 werden abwechselnd ein geschaltet, wobei die beispielsweise als Sendedioden ausge bildeten Lichtsender mit einer geeigneten Frequenz, zum Bei spiel mit 1 KHz, getaktet werden. Die optischen Achsen der Lichtsender und der Lichtempfänger sind gegen die Öffnung der trichterförmigen Ausnehmung 14 hin gerichtet und bilden vorzugsweise ein Normale zur zugehörigen Mantellinie der Ausnehmung 14.The lenses 19 , 20 , 21 , 22 are after another Ge thank the invention in countersunk holes 29 , 30 , 31 and 32 is inserted and attached for example by gluing. The countersinks 29 to 32 prevent irradiation of the areas around the light emitters, as does indirect light reception via the areas around the light receivers. In some cases, this means that a central rod is sufficient as an aperture. The preferably arranged in a uniform spatial distribution on the circumference of the funnel-shaped recess 14 , light transmitters 15 , 16 and light receivers 17 , 18 are switched on alternately, the light transmitters formed, for example, as transmission diodes being clocked at a suitable frequency, for example at 1 KHz . The optical axes of the light transmitter and the light receiver are directed towards the opening of the funnel-shaped recess 14 and preferably form a normal to the associated surface line of the recess 14 .

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, wird das jeweils in einem der Lichtempfänger 15,16 generierte, im Sendetakt abge fragte Signal mittels eines logarithmischen Verstärkers 33 logarithmiert. Das Verhältnis des vorwärts gestreuten Lichts zum ebenfalls logarithmierten, ungestreuten Referenzlicht (Re ferenzsignal) wird im nachfolgenden Differenzverstärker 34 gebildet (log A - log B = log A/B). An den Ausgang des Dif ferenzverstärkers 34 ist ein Spannungs/Frequenzwandler 35 angeschlossen, auf den ein RC-Glied (Hochpaß) 36 folgt. Während der Lichtpausen erfolgt eine selbsttätige Nullung mittels eines Verstärkers 37, der eingangs-und ausgangssei tig durch einen Kondensator 38 überbrückt ist. Dieser Kon densator speichert den Nullungszustand während der Meßperi ode (Kompensation von Fremd-und Tageslicht sowie- der Sperr ströme der Bauteile).As can be seen from FIG. 7, the signal generated in one of the light receivers 15 , 16 and polled in the transmission clock is logarithmized by means of a logarithmic amplifier 33 . The ratio of the forward scattered light to the logarithmic, undistorted reference light (reference signal) is formed in the subsequent differential amplifier 34 (log A - log B = log A / B). A voltage / frequency converter 35 is connected to the output of the differential amplifier 34 , followed by an RC element (high-pass filter) 36 . During the blueprints, an automatic zeroing takes place by means of an amplifier 37 which is bridged on the input and output sides by a capacitor 38 . This condenser saves the zeroing state during the measuring period (compensation of external and daylight as well as the blocking currents of the components).

Die Signal-Logarithmierung ermöglicht eine einfache Verhält nisbildung im Differenzverstärker 34 und gewährleistet einen sehr großen Arbeitsbereich. Die Spannungs/Frequenzwandlung des log A/B ermöglicht eine störsichere Signalübertragung und einen großen Nutzbereich.The signal logarithm enables a simple ratio formation in the differential amplifier 34 and ensures a very large working range. The voltage / frequency conversion of the log A / B enables interference-free signal transmission and a large useful area.

An die beiden Eingänge des Differenzverstärkers 34 ist jeweils über einen Widerstand ein Diskriminator 39 zur Störmeldung bei zu geringem Signal angeschlossen.A discriminator 39 is connected to the two inputs of the differential amplifier 34 via a resistor in order to report a fault when the signal is too low.

Die zweckmäßigerweise aus elastischem Material bestehende oder eine Randbegrenzung aus einem solchen Material enthal tende Trennwand 11 (Fig. 1) ermöglicht neben einer Reinigungs funktion auch eine Überprüfung der Funktion der Lichtsender und der Lichtempfänger. Zu diesem Zweck braucht die Trennwand 11 lediglich jeweils in die entsprechende Testposition ver schwenkt zu werden.The partition wall 11 ( FIG. 1), which advantageously consists of elastic material or contains an edge boundary of such a material, enables not only a cleaning function but also a check of the function of the light transmitter and the light receiver. For this purpose, the partition 11 only needs to be pivoted ver into the corresponding test position.

Die Spannungsquelle für die Auswerteeinrichtung ist mit 40 bezeichnet.The voltage source for the evaluation device is designated 40 .

Claims

1. Device for measuring turbidity and solid concentrations in liquids with the aid of a probe, in the head of which correspondingly assigned light emitters and light receivers, which operate according to the multi-beam alternating light method, are accommodated and which are generated by scattering and absorption of the transmitted light in the light receivers signals are fed to an evaluation unit, characterized in that the end face of the probe head ( 10 ) is provided with a funnel-shaped recess ( 14 ), in the boundary wall ( 10 ') of which at least two are arranged in the circumferential direction at a distance from one another, into the recess ( 14 ) merging light transmitters ( 15 , 16 ) are housed, each of which a light receiver ( 17 , 18 ) also inserted into the boundary wall ( 10 ') is correspondingly arranged, the optical axes of the light transmitters ( 15 , 16 ) and the light receiver ( 17 , 18 ) against the opening of the recess ( 14 ) are directed, the light transmitters ( 15 , 16 ) and the light receivers ( 17 , 18 ) each have a diffusing screen ( 19 , 20 , 21 , 22 ) in front of them and the light receiver, which is alternately not subjected to direct light from the assigned light transmitter, is caused by a backscattered light preventing barrier is shadowed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the barrier as the funnel-shaped recess ( 14 ) in two chambers ( 12 , 13, ) dividing partition ( 11 ) is formed and in each chamber ( 12 , 13 ) a light transmitter ( 15th , 16 ) and a light receiver ( 17 , 18 ) each with pre-arranged diffuser ( 19 , 20 , 21 , 22 ) are arranged.

3. Device according to claim 2, characterized in that in a first phase in the one chamber ( 12 ) Liche light receiver ( 17 ) from this chamber associated light transmitter ( 15 ) receives direct light as a reference light and in the other chamber ( 13 ) accommodated Lichtemp catcher ( 18 ) is only exposed to scattered light and the reverse process takes place in a second phase.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the partition ( 11 ) is designed as a rotatable or pivotable central wall.

5. Device according to claim 4, characterized in that the partition ( 11 ) can be actuated by a motor.

6. Device according to claim 1, characterized in that the funnel-shaped recess ( 14 ) is freely accessible on opposite sides and the barrier is formed as a partially perforated partition ( 11 '), in a first phase of a light receiver ( 17 ) from this assigned light transmitter ( 15 ) receives direct light as reference light and the other light receiver ( 18 ) is only exposed to scattered light and the reverse process takes place in a second phase.

7. Device according to claim 2, characterized in that the barrier is embodied by a central rod ( 25 ).

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the light transmitter ( 15 , 16 ) and the light receiver ( 17 , 18 ) are housed in a regular symmetrical distribution in the wall of the funnel-shaped recess ( 14 ).

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the barriers ( 11 , 11 ', 25 ) are provided on their upper side with at least one groove-shaped recess.

10. The device according to claim 7, characterized in that the shading central rod ( 25 ) with opposing longitudinal grooves ( 26 , 26 ', 27 , 27 ') is provided.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the spreading discs ( 19 , 20 , 21 , 22 ) are inserted into the counterbores in the inner wall of the funnel-shaped recess ( 14 ).

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical axes of the light transmitter ( 15 , 16 ) and the light receiver ( 17 , 18 ) form at least approximately a normal to the associated surface line of the funnel-shaped recess ( 14 ).

13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signals generated in the light receivers ( 15 , 16 ) for ratio formation via a logarithmic amplifier ( 33 ) are fed to a differential amplifier ( 34 ), at the reference input of which the logarithmic reference signal pending.

14. Device according to claim 13, characterized in that a voltage / frequency converter ( 35 ) is connected to the output of the differential amplifier ( 34 ).

15. Device according to claims 13 and 14, characterized in that a discriminator ( 39 ) is connected to the inputs of the differential amplifier ( 34 ) via a resistor for fault reporting when the signal is too low.

16. Device according to claims 13 to 15, characterized in that the output of the logarithmic amplifier ( 33 ) is zeroed in the blueprints.