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Wer Flüssigkeiten in transparenten Leitungen oder Behältern detektieren will, kann im Wesentlichen zwei physikalische Effekte für eine optische Erkennung nutzen: Die Transmission oder Dämpfung von Licht sowie die Lichtbrechung. Messtechnisch ist die Dämpfung relativ einfach beherrschbar. Die Nutzung der Brechung dagegen stellt, neben der exakten Kontrolle des Strahlengangs, insbesondere in den Behälterwänden, prinzipiell höhere Anforderungen an die Präzision der Optik.

Dämpfung als einfachste Lösung

Dämpfung ist immer dann die Lösung erster Wahl, wenn die Flüssigkeiten im betrachteten Wellenlängenbereich undurchsichtig, zum Beispiel eingefärbt sind. Die Anforderungen an die Lichtstrahlform und die Ausrichtung des Sensors sind dann eher untergeordnet.

Wasser finden

Wie sieht man eine durchsichtige Flüssigkeit? STM nutzt zwei Ansätze: Einmal die Lichtdämpfung, weil Flüssigkeiten kaum in allen Spektralbereichen völlig transparent sind. Zum Anderen die Brechung des Lichts beim Übergang von der Luft in die Flüssigkeit.

Prinzipiell eignet sich dafür fast jeder Durchlichtsensor (Einweg‐Lichtschranke). Die Micromote‐Optosensoren von STM bieten hier den Vorteil, dass sie wegen ihrer kleinen Bauformen besonders leicht und platzsparend auch in kompakte Anlagen und kleine Messgeräte passen und sehr exakte Signale liefern. Sie lassen sich entweder mit einem Standard‐Verstärker von STM oder mit einer eigenen Elektronik betreiben.

Deutlich schwächer zeigt sich die Dämpfungswirkung in klaren Flüssigkeiten. Selbst mit Reflexionslichtschranken gegen Reflektor reicht der Signalhub für einen langzeitstabilen Messwert meist nicht mehr aus. Für die Detektion von Wasser hat STM die Sensor‐Baureihe JJ entwickelt, die eine spezifische Absorptionseigenschaft von Wasser nutzt: Im hohen Infrarotbereich zeigt Wasser ein Transmissionsminimum und wird für Licht dieser Wellenlänge quasi undurchsichtig. Die Bestimmung vereinfacht sich damit enorm.

Diese Sensoren gibt es in verschiedenen Ausführungsformen, sowohl aus der Micromote‐Familie mit ihren kleinen Dimensionen und mit externem Verstärker oder, als Sonderform für robustere Anwendungen, auch als Gabellichtschranken. Die notwendigen Sensorabmessungen richten sich in erster Linie nach der Geometrie der Behälter und den Installationsbedingungen. Durch die Mikro‐Bauformen der Micromote‐Sensoren JJ, lässt sich die Dämpfung auch in sehr kleinen rohrförmigen Behältern noch sicher als Messeffekt nutzen. Selbst wasserhaltige Dämpfe liefern eindeutige Signale. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens ist jedoch seine Zuverlässigkeit auch bei milchigen, halbtransparenten Behältern, wie zum Beispiel Kartuschen oder Schläuchen aus PE oder ähnlichen Kunststoffen, selbst wenn sich im Lauf der Betriebszeit eine bestimmte Verschmutzung oder Vergilbung einstellen sollte.

Lichtbrechung, die anspruchsvollere Alternative

Miniatur‐Laser‐Lichtschranke vom Typ DKM60.

Miniatur‐Laser‐Lichtschranke vom Typ DKM60.STM

Im Gegensatz dazu nutzt man die Brechung in der Regel bei klaren Flüssigkeiten, wenn Dämpfung nicht mehr ausreichend zuverlässig funktioniert. Brechung basiert auf dem Unterschied in den optischen Dichten (Brechzahlen) von Luft und Flüssigkeit, wenn man die Wirkung der Behälterwand einmal vereinfachend vernachlässigt.

Beim Übertritt von Luft in Flüssigkeit erfährt der Lichtstrahl eine seitliche Ablenkung, so dass er, bei geschickter Anordnung, den Empfänger nicht mehr erreichen kann. Am Besten funktioniert dieser Effekt für sehr exakte Lichtstrahlen, wie zum Beispiel von einer Laser‐Lichtschranke. Ein weiterer Vorteil des Lasers ist, dass man den Weg des Lichtes bei der Auslegung und der Einrichtung einer Anordnung gut beurteilen und relativ leicht optimieren kann. Hierfür bietet STM spezielle Laser‐Gabeln vom Typ GLSK, die grundsätzlich auch für die Erkennung anderer transparenter Objekte eingesetzt werden können oder die Laser‐Miniatur‐Lichtschranken vom Typ DKM60 im Metallgehäuse M6 an.

Zusätzliche Anforderungen bei Rohren und Schläuche

Sind die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche des Lichtstrahls an der Behälterwand gekrümmt, wie es zum Beispiel bei Rohren und Schläuchen der Fall ist, steigen die Anforderungen an den Lichtstrahl und an seine Ausrichtung zusätzlich. Die seitliche Ablenkung der reinen Brechung und die Wirkung von Krümmungen können sich addieren und so den Messeffekt vergrößern, sich bei ungünstiger Strahlführung aber auch gegenseitig aufheben.

Optosensor TS für Schlauchdurchmesser von 3,5 mm.

Optosensor TS für Schlauchdurchmesser von 3,5 mm.STM

Der Querschnitt des Rohrs kann in ungünstigen Fällen sogar wie eine zylindrische Linse wirken und den Strahl so bündeln, dass selbst mit dem Objekt „Flüssigkeit“ im Strahlengang mehr Licht auf den Empfänger trifft, als im freien Lichtstrahl. Deshalb hat STM für die exakte Flüssigkeitsdetektion in Schläuchen die Familie von Präzisions‐Schlauchsensoren vom Typ TS entwickelt.

Die patentierten mikrooptischen Präzisions‐Bauelemente von STM, deren Wellenlänge für besonders schwierige Anwendungen noch zusätzlich angepasst werden kann, sind mit einem präzise aufschnappbaren Sensorgehäuse aus Metall, das eine perfekte Strahlführung gewährleistet, kombiniert. Das garantiert zuverlässige Signale. Darüber hinaus liefert STM verschiedene Sonderausführungen, mit denen auch in sehr dünnen Schläuchen Mikro‐Blasen sicher erfasst werden können.

Sonderfall: Kapillaren und Mikrokanäle

Lab‐on‐Chip-Applikationen brauchen Mikrosensoren mit wenigen zehntel Millimetern Lichtstrahldurchmesser.

Lab‐on‐Chip-Applikationen brauchen Mikrosensoren mit wenigen zehntel Millimetern Lichtstrahldurchmesser.STM

Extrem kleine Objektdimensionen, etwa Flüssigkeitssäulen, deren Querschnitt 1 mm im Durchmesser deutlich unterschreitet, müssen als Sonderfälle betrachtet werden. In der Praxis ist immer auch ein Brechungsanteil in einer Dämpfungsmessung enthalten und umgekehrt. Auch die Behälterwand leitet in der Regel einen bestimmten Anteil des eingekoppelten Lichts und trägt so zu einer Verzerrung der Messergebnisse bei. Bereits kleinste geometrische Abweichungen können große Wirkungen haben. Mit fallenden Dimensionen wird es immer schwerer, die einzelnen Effekte voneinander zu trennen. Jeder Einzelfall erfordert eine individuelle Betrachtung.

Auch für diese Fälle hat STM eine Antwort: Für Mikro‐Kapillaren oder Mikrokanäle in Lab‐on‐Chip-Applikationen gibt es spezielle Mikrosensoren der Micromote‐Familie mit Lichtstrahldurchmessern von wenigen Zehntel Millimetern. Für Wasser als Detektionsobjekt ist, selbst für so geringe Dimensionen, eine sinnvolle Nutzung des Infrarot‐Dämpfungseffekts möglich. Das modulare Herstellungskonzept von STM ermöglicht auch noch in diesen Dimensionsbereichen eine schnelle und kostengünstige Umsetzung von ideal angepassten kundenspezifischen Lösungen.

Mikro-Blasen in dünnen Schläuchen und Röhren

Wegen seiner modularen Konstruktionsweise kann der Sensor schnell und ohne Aufwand an spezifische Schlauchdurchmesser und  -materialien angepasst werden.

Wegen seiner modularen Konstruktionsweise kann der Sensor schnell und ohne Aufwand an spezifische Schlauchdurchmesser und -materialien angepasst werden.STM

Mikroskopisch kleine Gasblasen in klaren Flüssigkeiten zuverlässig zu erkennen ist, alleine wegen der Objektgröße, von Natur aus schwierig. Für optische Verfahren lässt sich außerdem wegen der Brechung des Lichts in den gekrümmten Schlauchwänden nur schwer eine gleichmäßige Ausleuchtung der Flüssigkeitssäule und damit gleichmäßige Empfindlichkeit über den gesamten Durchmesser erreichen.

STM hat dafür eine zuverlässige Lösung entwickelt: Mehrere mikrooptische Sensoren durchleuchten die Flüssigkeit gleichzeitig in unterschiedlichen Richtungen. Bei ihrer Bewegung durch den Messbereich wird an den Mikro-Blasen, wegen ihrer näherungsweise kugelförmigen Gestalt, das Licht abgelenkt oder gestreut. In der Auswerteelektronik werden die empfangenen Signale der einzelnen Sensoren auf ihre dynamischen Bestandteile ausgewertet. Jeder Durchgang, auch von winzigen Bläschen, führt dann zu Signalpeaks die sicher erfasst werden können.

(lei)

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