Optische Sensoren Flüssigkeiten detektieren

Mit optischen Sensoren Flüssigkeiten in transparenten Leitungen oder Behältern berührungslos zu detektieren, kann sich sehr schwierig gestalten. Besonders kompliziert wird es immer dann, wenn die Flüssigkeiten glasklar und die Leitungsdurchmesser sehr klein oder die Behälter nur halbdurchsichtig sind. Aber es funktioniert.

Grundsätzlich gibt es zwei physikalische Haupteffekte, die sich optisch für die Flüssigkeitserkennung eignen: die Transmission beziehungsweise Dämpfung von Licht sowie die Lichtbrechung. Messtechnisch ist die Dämpfung relativ einfach zu beherrschen. Dagegen stellt eine Detektion mithilfe der Brechung des Lichts, neben der exakten Kontrolle des Strahlengangs, insbesondere in den Behälterwänden, prinzipiell höhere Anforderungen an die Präzision der Optik.

Dämpfung ist immer dann die Lösung erster Wahl, wenn die Flüssigkeiten im betrachteten Wellenlängenbereich undurchsichtig, also zum Beispiel eingefärbt sind. Die Anforderungen an die Lichtstrahl-Form und die Ausrichtung des Sensors sind dann eher untergeordnet. Prinzipiell ist dafür fast jeder Durchlichtsensor (Einweg-Lichtschranke) geeignet.

Die »MICROmote«-Optosensoren von STM (Bild 1) sollen hier aber den besonderen Vorteil bieten, dass sie wegen ihrer extrem kleinen Bauformen ganz besonders leicht und platzsparend auch in kompakte Anlagen und kleine Messgeräte integriert werden können und sehr exakte Signale liefern. Sie lassen sich entweder mit einem Standardverstärker von STM oder mit der 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« (Bild 2) entwickelt, die eine spezifische Absorptionseigenschaft von Wasser nutzt. Im hohen Infrarotbereich zeigt Wasser ein  Transmissionsminimum und wird für Licht dieser Wellenlänge »undurchsichtig«. Die Bestimmung vereinfacht sich damit ganz drastisch. 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 von MICROmote 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 ist anspruchsvoller

Im Gegensatz zur Dämpfung steht die Brechung. Man nutzt sie in der Regel bei klaren Flüssigkeiten, wenn Dämpfung nicht mehr ausreichend zuver-lässig 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, sodass er, bei geschickter Anordnung, den Empfänger nicht mehr erreichen kann.

Am besten funktioniert dieser Effekt für sehr exakte Lichtstrahlen, 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 (Bild 3), die grundsätzlich auch für die Erkennung anderer transparenter Objekte eingesetzt werden können oder die Laser-Miniatur-Lichtschranken vom Typ »DKM60« im Metallgehäuse M6 an (Bild 4). Sind Eintritts- 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. 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 (Bild 5).

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Flüssigkeiten detektieren

Optische Sensoren

Die mikrooptischen Präzisionsbauelemente, deren Wellenlänge sich für besonders schwierige Anwendungen noch zusätzlich anpassen lässt, sind mit einem präzise aufschnappbaren Sensorgehäuse aus Metall kombiniert, um eine perfekte Strahlführung zu gewährleisten und zuverlässige Signale zu garantieren. Darüber hinaus liefert STM verschiedene Sonderausführungen, um auch in sehr dünnen Schläuchen Mikroblasen sicher erfassen zu können.

Was tun bei Lab-on-Chip?

Extrem kleine Objektdimensionen, also beispielsweise Flüssigkeitssäulen, deren Querschnitt 1 mm im Durchmesser deutlich unterschreitet, müssen als Sonderfälle betrachtet werden. In der Praxis ist immer auch ein Brechungs-anteil 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. Und je kleiner alles wird, umso schwerer gestaltet es sich, die einzelnen Effekte voneinander zu trennen.

Jeder Einzelfall erfordert eine individuelle Betrachtung. Aber auch für diese Fälle hat STM eine Antwort: Für Mikrokapillaren oder Mikrokanäle in Lab-on-Chip-Applikationen gibt es spezielle Mikrosensoren der MICROmote-Familie mit Lichtstrahldurchmessern von wenigen zehntel Millimetern (Bild 6). Für Wasser als Detektionsobjekt lässt sich, selbst für so geringe Dimensionen, der Dämpfungseffekt im Infrarotbereich nutzen. Das modulare Herstellungskonzept von STM ermöglicht auch noch in diesen Dimensionsbereichen eine schnelle und kostengünstige Umsetzung von ideal angepassten kundenspezifischen Lösungen.