DE102004018529B4 - laser measurement system - Google Patents

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Abstract

Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum (13), mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle (19), die auf einer Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor (20), der der Laserlichtquelle (19) gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, gekennzeichnet durch ein motorisch verstellbares Strahlablenkungs-Mittel (22), über das der Laserstrahl der Laserlichtquelle (19) in den Beobachtungsraum (13) geleitet wird, wobei zumindest ein Teil des Lichtes des Laserstrahls auf einen positionsempfindlichen Lichtsensor (25) geleitet wird, dessen Signal zur Verstellung des Strahlablenkungs-Mittels (22) verwendet wird.laser measurement system for measuring a fluid constituent in an observation room (13), with at least one intended for generating a laser beam Laser light source (19) on one side of the observation room (13) is fixed, and with at least one photosensor (20), the the laser light source (19) opposite is attached to the other side of the observation room (13), characterized by a motor-adjustable beam deflection means (22), above that of the laser beam of the laser light source (19) in the observation room (13), wherein at least part of the light of the laser beam is directed to a position sensitive light sensor (25), its signal for adjusting the beam deflection means (22) is used.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum, mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle, die auf einer Seite des Beobachtungsraums befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor, der der Laserlichtquelle gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums befestigt ist. Insbesondere betrifft sie ein System zur Durchführung einer Laser-Absorptionsspektroskopie in Rauchgaskanälen oder Feuerräumen zur Ermittlung bestimmter Bestandteile, wie z.B. der Sauerstoffkonzentration in Rauchgasen.The The invention relates to a laser measuring system for Measurement of a fluid component in an observation room, with at least one for generating a Laser beam specific laser light source, which is on one side of the Observation room is fixed, and with at least one photosensor, the opposite of the laser light source attached to the other side of the observation room. Especially it relates to a system for performing laser absorption spectroscopy in flue gas ducts or furnaces to detect certain components, e.g. the oxygen concentration in flue gases.

Bei der Laser-Absorptionsspektroskopie wird ein Laserstrahl durch das zu messende Medium geleitet. Dieser Laserstrahl wird von der Laserlichtquelle erzeugt und muß den Photosensor mit einer Fläche von ca. 1 cm2 treffen.In laser absorption spectroscopy, a laser beam is passed through the medium to be measured. This laser beam is generated by the laser light source and must hit the photosensor with an area of about 1 cm 2 .

Um diesen Photosensor auf eine für Rauchgaskanäle oder Feuerräume typische Distanz von 1 bis 30 m zu treffen, bedarf es einer genauen Ausrichtung von Laser und Photosensor zueinander. Bei 1 m ergeben 1° Winkelabweichung bereits 1,74 cm Abweichung am Ort des Photosensors. Bei 10 m sind dies dann bereits 17,4 cm.Around this photosensor on a for Flue gas ducts or fire chambers typical distance of 1 to 30 m to meet, it requires a precise Alignment of laser and photosensor to each other. At 1 m result 1 ° angle deviation already 1.74 cm deviation at the location of the photosensor. At 10 m this is then already 17.4 cm.

Aufgrund der Konstruktion von Rauchgaskanälen bzw. Feuerräumen wurde beobachtet, daß diese sich durch Temperaturunterschiede und -schwankungen verziehen bzw. verwinden. Diese Verwindungen bzw. dieses Verziehen kann zu einer Fehlausrichtung zwischen Laser und Photosensor des Lasermeßsystems führen, die ab einer bestimmten Größe nicht mehr durch rein optische Maßnahmen ausgeglichen werden kann. Es ist damit zu rechnen, daß bei Rauchgaskanälen bzw. Feuerräumen ein Verziehen des Kanals von bis zu zehn Zentimetern und eine Verwindung von bis zu einem halben Grad eintreten kann.by virtue of the construction of flue gas ducts or fires it was observed that these warped by temperature differences and fluctuations or twist. This distortion or warping can lead to a Misalignment between the laser and the photosensor of the laser measurement system to lead, not from a certain size more through purely optical measures can be compensated. It is to be expected that in flue gas ducts or furnaces a warping of the channel of up to ten centimeters and a twist up to half a degree.

Ein allgemeiner Verstellmechanismus zur Verstellung der Positionen eines Lichtstrahlers und eines Lichtempfängers ist in der JP 11025373 A beschrieben. Die JP 08062135 A beschreibt einen Rauchdetektor mit fest eingestelltem Laserstrahl, der auf einen gegenüberliegenden Rauchempfänger zielt. Die DE 691 23 181 T2 beschreibt einen Rauchpartikeldetektor mit Laser-Lichtquelle und Lichtsensor, welche zueinander angeordnet sind. Ringförmige Leitplatten führen das Licht zu dem Lichtsensor. Die Druckschrift EP 1 202 230 A1 offenbart einen Rauchdetektor mit einem Lichtstrahler, der sichtbares Licht abstrahlt, um das Einstellen der Ausrichtung des Lichtstrahlers und des Lichtempfängers des Systems zu ermöglichen. Folglich ist hier eine Strahleinstellung durch den Benutzer vorgesehen.A general adjustment mechanism for adjusting the positions of a light emitter and a light receiver is in the JP 11025373 A described. The JP 08062135 A describes a smoke detector with fixed laser beam aiming at an opposite smoke receiver. The DE 691 23 181 T2 describes a smoke particle detector with laser light source and light sensor, which are arranged to each other. Annular guide plates guide the light to the light sensor. The publication EP 1 202 230 A1 discloses a smoke detector having a light emitter which emits visible light to enable adjustment of the alignment of the light emitter and the light receiver of the system. Consequently, a jet adjustment by the user is provided here.

Die EP 0 557 655 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Aufnahme gestreuter Lichtstrahlung, bei der der Strahler axial in ein das beobachtete Medium führendes Rohr einstrahlt und radial hinter einer Öffnung des Rohres eine Optik zur Aufnahme des gestrahlten Lichts vorgesehen ist.The EP 0 557 655 B1 discloses a device for receiving scattered light radiation, in which the radiator radiates axially into a tube leading the observed medium and radially behind an opening of the tube, an optics for receiving the radiated light is provided.

Schließlich offenbart die Druckschrift DE 30 06 046 A1 eine Einrichtung zur optischen Messung der Rauchdichte, bei der ein Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl durch das zu messende Medium geleitet und von einer von mehreren alternativen Aufnahmeoptiken aufgenommen wird. Dabei haben die Aufnahmeoptiken gegebenenfalls Strahlteiler und verstellbare Blenden. Die Eintrittsöffnungen der Aufnahmeeinrichtung sind so dimensioniert, daß das Auftreffen des Lichtstrahls auf die Öffnungen sicher gewährleistet ist. Der Lichtstrahl wird möglichst vollflächig auf die Empfängereinrichtung der Vorrichtung geleitet.Finally, the document discloses DE 30 06 046 A1 a device for optical measurement of the smoke density, in which a light beam, in particular a laser beam is passed through the medium to be measured and recorded by one of several alternative recording optics. The receiving optics optionally have beam splitters and adjustable diaphragms. The inlet openings of the receiving device are dimensioned so that the impact of the light beam is reliably ensured on the openings. The light beam is directed as fully as possible to the receiver device of the device.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit eines Lasermeßsystems zu erhöhen. Insbesondere sollen Formänderungen der Vorrichtungen zur Befestigung der optischen Komponenten am Beobachtungsraum ausgeglichen werden, die meist auf thermischen Änderungen und Schwankungen beruhen.task The invention is the reliability a laser measuring system to increase. In particular, form changes the devices for attaching the optical components to the observation room are compensated, mostly due to thermal changes and fluctuations based.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein motorisch verstellbares Strahlablenkungs-Mittel vorgesehen ist, über das der Laserstrahl der Laserlichtquelle in den Beobachtungsraum geleitet wird, wobei zumindest ein Teil des Lichtes des Laserstrahls auf einen positionsempfindlichen Lichtsensor geleitet wird, dessen Signal zur Verstellung des Strahlablenkungs-Mittels verwendet wird.These Task is inventively characterized solved, the existence motorized adjustable beam deflection means is provided over the the laser beam of the laser light source is directed into the observation room is at least a part of the light of the laser beam on a position-sensitive light sensor is passed whose signal is used to adjust the beam deflecting agent.

Das Strahlablenkungs-Mittel kann das Licht des Laserstrahls durch Brechung oder Reflexion ablenken. Vorzugsweise wird der Laserstrahl über einen motorisch unabhängig um zwei Achsen verschwenkbaren Spiegel geleitet, welcher das Strahlablenkungs-Mittel bildet. Dieser Spiegel läßt sich präzise und nahezu spielfrei über zwei Präzisionsmotoren um einen maximalen Winkel von 1° um beide Achsen verschwenken. Die Auflösung, d.h. die Genauigkeit der Positionseinstellung des Spiegels, beträgt hierbei vorzugsweise 1/100°, also etwa eine halbe Winkelminute.The Beam deflection means can be the light of the laser beam by refraction or distract reflection. Preferably, the laser beam via a independent of motor guided by two axes pivotable mirror which the beam deflection means forms. This mirror can be precise and almost backlash over two precision motors by a maximum angle of 1 ° pivot both axes. The resolution, i. the precision the position adjustment of the mirror, in this case is preferably 1/100 °, that is about a half minute angle.

Auf der Empfängerseite wird der Laserstrahl auf den positionsempfindlichen Lichtsensor, z.B. eine sogenannte Vierquadrantendiode, geleitet. Diese lichtempfindliche Diode hat vier aktive Quadranten, so daß eindeutig die Position des Laserstrahls in bezug auf ihren Mittelpunkt festgestellt werden kann. Die Signale der einzelnen Quadranten werden verstärkt und an einen Mikroprozessor weitergeleitet. Mittels der nun gewonnenen Information über die Position des Laserstrahls kann der Mikroprozessor einen Korrekturwert für die Betätigung der Verstellmotoren errechnen, so daß der Laserstrahl über den motorisch bewegbaren Spiegel am Sender (Laserlichtquelle) nachgeführt werden kann.On the receiver side, the laser beam is directed to the position-sensitive light sensor, eg a so-called four-quadrant diode. These Photosensitive diode has four active quadrants, so that the position of the laser beam with respect to its center can be clearly determined. The signals of the individual quadrants are amplified and forwarded to a microprocessor. By means of the now obtained information about the position of the laser beam, the microprocessor can calculate a correction value for the actuation of the adjusting motors, so that the laser beam can be tracked via the motor-driven mirror on the transmitter (laser light source).

Somit ist durch die motorische Strahlnachführung gewährleistet, daß der Laserstrahl empfängerseitig jederzeit mittig auf den Photosensor, der das Meßsignal erzeugt, ausgerichtet ist. Verlagerungen des Auftreffpunktes des Strahls gegebenenfalls über den Rand des Photosensors hinaus werden zuverlässig vermieden.Consequently is ensured by the motor beam tracking that the laser beam receiving end at the center of the photosensor, which generates the measuring signal is. Displacements of the point of impact of the beam optionally over the Edge of the photosensor are reliably avoided.

In einer praktischen Ausführungsform wird der Laserstrahl über einen Strahlteiler in zwei Strahlgänge aufgeteilt. Ein Strahlgang trifft auf den Photosensor für die Erzeugung des Absorptionssignals, der andere trifft auf die Vierquadrantendiode. Der Strahlteiler ist üblicherweise ein halbdurchlässiger Reflektor wie beispielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel oder ein halbdurchlässiges Prisma.In a practical embodiment the laser beam is over split a beam splitter into two beam paths. A beam path meets the photosensor for the generation of the absorption signal, the other applies to the Four-quadrant diode. The beam splitter is usually a semipermeable reflector such as a semitransparent mirror or a semipermeable prism.

Wie eingangs erwähnt, wird das erfindungsgemäße Lasermeßsystem in einer praktischen Ausführungsform zur Durchführung einer Laser-Absorptionsspektroskopie eingesetzt. Durch dieses Verfahren wird die Absorption des Laserlichtes über die Meßstrecke ermittelt. Aus der gemessenen Lichtintensität, welche umgekehrt proportional zum Maß der Absorption ist, läßt sich die Menge oder Konzentration bestimmter Bestandteile, zum Beispiel der Sauerstoffgehalt in Rauchgasen, in dem Beobachtungsraum ermitteln. Gegebenenfalls werden Messungen mit Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge durchgeführt.As mentioned in the beginning, becomes the laser measuring system according to the invention in a practical embodiment to carry out a laser absorption spectroscopy used. By this method, the absorption of the laser light over the measuring path determined. From the measured light intensity, which is inversely proportional to the degree of absorption is, can be the amount or concentration of certain ingredients, for example determine the oxygen content in flue gases, in the observation room. Optionally, measurements with laser light become different wavelength carried out.

Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:A exemplary embodiment The invention will be described below with reference to the accompanying drawings described. The drawings show in:

1 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse einer erfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung; 1 a longitudinal section through a housing of an optical measuring device according to the invention;

2 eine vergrößerte Ansicht des vorderen Endes des Gehäuses aus 1 im Längsschnitt; 2 an enlarged view of the front end of the housing 1 in longitudinal section;

3 eine Prinzipskizze eines transparenten Fensters in dem Gehäuse aus den 1 und 2; 3 a schematic diagram of a transparent window in the housing of the 1 and 2 ;

4 eine Prinzipskizze für die Funktion der Ausrichtung des Laserstrahls des Lasermeßsystems aus den vorangehenden Figuren; 4 a schematic diagram of the function of the alignment of the laser beam of the laser measuring system from the preceding figures;

5 eine Draufsicht auf eine Vierquadrantendiode für die Strahlausrichtung. 5 a plan view of a four-quadrant diode for beam alignment.

Die 1 zeigt ein Gehäuse, das bei einem erfindungsgemäßen optischen Meßsystem, insbesondere Lasermeßsystem, zum Einsatz kommt. Es besteht aus der optischen Komponente bzw. dem optischen Gerät 1, das entweder eine Laserlichtquelle oder eine Photodiode ist. In der optischen Achse 18 der optischen Komponente 1, d.h. bei dem vorliegenden Meßsystem in dem Laserstrahl 18, sind zwei Sichtfenster 2, 3 aus transparentem Material angeordnet. Zwischen den beiden Sichtfenstern 2, 3 befindet sich ein rohrförmiger Körper 4, dessen Innenraum 5 zur Überprüfung der Funktion des Meßsystems mit einem Prüfgas befüllt werden kann. Zu diesem Zweck weist der Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 des Gehäuses nahe dem Sichtfenster 3 am freien Ende des rohrförmigen Körpers 4 einen Prüfgaskanal 6 auf, der in den Innenraum 5 mündet. Am gegenüberliegenden Ende des Innenraums 5 des rohrförmigen Körpers 4 ist ein Entlüftungskanal 7 vorgesehen, durch den Gas aus dem Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 austreten kann. Der Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 des Gehäuses kann somit in Gleichströmung gemäß den eingezeichneten Pfeilen mit einem Gas gespült werden.The 1 shows a housing which is used in an optical measuring system according to the invention, in particular Lasermeßsystem used. It consists of the optical component or the optical device 1 which is either a laser light source or a photodiode. In the optical axis 18 the optical component 1 ie in the present measuring system in the laser beam 18 , are two viewing windows 2 . 3 made of transparent material. Between the two viewing windows 2 . 3 there is a tubular body 4 whose interior 5 To check the function of the measuring system can be filled with a test gas. For this purpose, the interior points 5 of the tubular body 4 of the housing near the viewing window 3 at the free end of the tubular body 4 a test gas channel 6 on that in the interior 5 empties. At the opposite end of the interior 5 of the tubular body 4 is a venting channel 7 provided by the gas from the interior 5 of the tubular body 4 can escape. The interior 5 of the tubular body 4 of the housing can thus be flushed in direct flow according to the arrows with a gas.

Für den üblichen Meßbetrieb wird ein neutrales Spülgas in den Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 geleitet. Beispielsweise eignet sich Stickstoff als neutrales Spülgas während des Meßbetriebs, wenn das Meßsystem für die Sauerstoffmessung vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann der Prüfgaskanal 6 mit der Spülgasquelle, welche Stickstoff enthält, verbunden werden. Das Spülgas kann zur Kühlung umgewälzt werden, das heißt in einer stetigen Strömung den Innenraum 5 durchströmen und außerhalb des Innenraums 5 durch einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) geleitet werden.For the usual measuring operation, a neutral purge gas in the interior 5 of the tubular body 4 directed. For example, nitrogen is suitable as a neutral purge gas during the measurement operation when the measurement system is provided for the oxygen measurement. For this purpose, the test gas channel 6 be connected to the purge gas source containing nitrogen. The purge gas can be circulated for cooling, that is, in a steady flow, the interior 5 flow through and outside the interior 5 be passed through a heat exchanger (not shown).

Zur Überprüfung der Funktion des Meßsystems kann der Prüfgaskanal 6 mit einer Prüfgasquelle verbunden werden, z.B. einer Druckgasflasche, die ein Gas mit definierter Sauerstoffkonzentration enthält, oder einer Pumpe, welche Luft mit 20,95% Sauerstoff in den Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 fördert. Durch das Spülen des Innenraums 5 mit dem Prüfgas wird eine definierte Länge zwischen den beiden Sichtfenstern 2 und 3 des Gehäuses mit einem Gas befüllt, welches eine bekannte Konzentration des zu messenden Bestandteils enthält.To check the function of the measuring system, the test gas channel 6 be connected to a test gas source, such as a compressed gas cylinder containing a gas with a defined oxygen concentration, or a pump, which air with 20.95% oxygen in the interior 5 of the tubular body 4 promotes. By flushing the interior 5 with the test gas is a defined length between the two viewing windows 2 and 3 of the housing filled with a gas containing a known concentration of the component to be measured.

Wie erwähnt, enthält das erfindungsgemäße Meßsystem zwei optische Komponenten, nämlich eine Laserlichtquelle 19 und einen Photosensor 20 (siehe z.B. 3 und 4). Wie 1 zeigt, können beide optischen Komponenten 1 in jeweils einem erfindungsgemäßen Gehäuse aufgenommen werden. Zur Durchführung unterschiedlicher Prüfmessungen können in einem ersten Fall nur eins der beiden Gehäuse und in einem zweiten Fall beide Gehäuse mit dem Prüfgas gespült werden.As mentioned, the measuring system according to the invention contains two optical components, namely a laser light source 19 and a photosensor 20 (see eg 3 and 4 ). As 1 shows, both optical components 1 are received in each case a housing according to the invention. In order to carry out different test measurements, in a first case only one of the two housings and in a second case both housings can be flushed with the test gas.

Das in 1 dargestellte Gehäuse weist ferner einen Spülgaskanal 8 auf, der zu einem Austrittskanal 9 führt. Der Austrittskanal 9 mündet hinter dem Sichtfenster 3 in dem zum Beobachtungsraum 13 offenen Teil des Gehäuses. Das vordere Ende des rohrförmigen Körpers 4 des Gehäuses ist im Detail in 2 dargestellt. Der Austrittskanal 9 für das Spülgas oder Kühlgas mündet in einer Ringnut 10, dier nach innen durch einen Einschraubring 11 für das Sichtfenster 3 verschlossen ist. Die zum Sichtfenster 3 gerichtete Stirnfläche des Einschraubrings 11 drückt ein Paar Dichtringe 26 zusammen, welche zu beiden Seiten des Randes des Sichtfensters 3 angeordnet sind und den Innenraum 5 des rohrförmigen Körpers 4 gegen den Beobachtungsraum 13, der vor der Stirnseite des rohrförmigen Körpers 4 liegt, abdichtet. Der Beobachtungsraum 13 kann ein Rauchgaskanal oder ein Feuerraum einer Verbrennungsanlage beliebiger Art sein. Er kann aber auch von einer Prozeßgasleitung, einem Gasbehälter beliebiger Art sowie einem sonstigen fluidbefüllten Raum oder offenen Volumen gebildet sein. Das Fluid kann gasförmige, flüssige und feste Bestandteile aufweisen. Es kann aus einem Rauchgas, atmosphärischer Luft oder einer vergleichbaren Gaszusammensetzung bestehen.This in 1 shown housing further has a purge gas channel 8th up to an exit channel 9 leads. The exit channel 9 flows behind the window 3 in the observation room 13 open part of the housing. The front end of the tubular body 4 the case is in detail in 2 shown. The exit channel 9 for the purge gas or cooling gas flows into an annular groove 10 , the inside by a screw-in 11 for the viewing window 3 is closed. The to the window 3 directed end face of the screw-in ring 11 pushes a pair of sealing rings 26 together, which on both sides of the edge of the viewing window 3 are arranged and the interior 5 of the tubular body 4 against the observation room 13 placed in front of the front of the tubular body 4 lies, seals. The observation room 13 may be a flue gas duct or a firebox of an incinerator of any kind. But it can also be formed by a process gas line, a gas container of any kind and another fluid-filled space or open volume. The fluid may include gaseous, liquid and solid components. It can consist of a flue gas, atmospheric air or a comparable gas composition.

Die Innenwandung des Einschraubrings 11 ist mit einer Hülse 14 aus porösem Material versehen. Die poröse Hülse 14 besteht aus gasdurchlässigem Material, vorzugsweise Sintermetall, Keramik oder Kunststoff. In dem Einschraub-ring 11 sind mehrere radiale Kanäle 12 vorgesehen, welche an der Außenseite der porösen Hülse 14 münden. Somit kann das Spülgas aus dem Spülgaskanal 8 durch den Austrittskanal 9 in die Ringnut 10 strömen, und aus der Ringnut 10 durch die mehreren, über den Umfang des Einschraubrings 11 verteilten radialen Kanäle 12 zur Außenseite der porösen Hülse 14 gelangen. Das Spülgas durchströmt die poröse Hülse 14 und tritt durch eine Vielzahl von kleinen Öffnungen in der Innenfläche der Hülse 14 aus. Die Innenfläche der porösen Hülse 14 bildet den hinteren Abschnitt eines Ausströmrohrs 16 am vorderen Ende des rohrförmigen Körpers 4. Der vordere Abschnitt des Auströmrohrs 16 wird durch eine weitere poröse Hülse 15 gebildet, die an der Innenseite eines Mündungsrings 17 angeordnet ist.The inner wall of the screw-in ring 11 is with a sleeve 14 made of porous material. The porous sleeve 14 consists of gas-permeable material, preferably sintered metal, ceramic or plastic. In the screw-in ring 11 are several radial channels 12 provided, which on the outside of the porous sleeve 14 lead. Thus, the purge gas from the purge gas channel 8th through the exit channel 9 in the ring groove 10 flow, and out of the annular groove 10 through the several, over the circumference of the screw-in ring 11 distributed radial channels 12 to the outside of the porous sleeve 14 reach. The purge gas flows through the porous sleeve 14 and passes through a plurality of small openings in the inner surface of the sleeve 14 out. The inner surface of the porous sleeve 14 forms the rear section of a discharge pipe 16 at the front end of the tubular body 4 , The front section of the Auströmrohrs 16 is through another porous sleeve 15 formed on the inside of a mouth ring 17 is arranged.

Das poröse Material über den größten Teil der Länge des Ausströmrohrs 16 hat zwei Funktionen. Zum einen bewirkt die poröse Hülse 14 im hinteren Abschnitt des Ausströmrohrs 16, daß das Spülgas in diffuser Strömung durch eine Vielzahl von Öffnungen im wesentlichen radial in das Ausströmrohr 16 hineinströmt. Zum anderen bewirkt die rauhe Oberfläche der porösen Hülse 15 im vorderen Teil des Ausströmrohrs 16, daß die Strömungsgeschwindigkeit reduziert wird und eine langsame und gleichgerichtete Ausströmung aus der Mündung des Ausströmrohrs 16 hinaus in den Beobachtungsraum 13 erfolgt. Durch dieses porös ausgekleidete Ausströmrohr 16 wird eine Rückströmung von Fluid aus dem Beobachtungsraum 13 in das Ausströmrohr 16 hinein und zum Sichtfenster 3 hin wirkungsvoll vermieden. Ein geringes Ausströmvolumen des Spülgases bei einem geringem Überdruck gegenüber dem Beobachtungsraum 13 füllt das Ausströmrohr 16 vollständig aus.The porous material over most of the length of the exhaust pipe 16 has two functions. On the one hand causes the porous sleeve 14 in the rear section of the exhaust pipe 16 in that the purge gas diffuses in a diffuse flow through a plurality of openings substantially radially into the exhaust pipe 16 into flows. On the other hand causes the rough surface of the porous sleeve 15 in the front part of the exhaust pipe 16 in that the flow velocity is reduced and a slow and rectified outflow from the mouth of the outflow tube 16 out into the observation room 13 he follows. Through this porous lined exhaust pipe 16 is a backflow of fluid from the observation room 13 in the exhaust pipe 16 into and to the viewing window 3 effectively avoided. A small outflow volume of the purge gas at a slight overpressure compared to the observation room 13 fills the exhaust pipe 16 completely off.

Die Gesamtlänge des Ausströmrohrs 16 entspricht etwa dem Doppelten des Durchmessers des Ausströmrohrs 16. Eine derartige Spülung des Sichtfensters kann an beiden Gehäusen des Lasermeßsystems, d.h. sowohl dem Gehäuse für die Laserlichtquelle 19 als auch dem Gehäuse für den Photosensor 20, vorgesehen sein.The total length of the exhaust pipe 16 corresponds approximately to twice the diameter of the discharge pipe 16 , Such flushing of the viewing window may be on both housings of the laser measuring system, ie both the housing for the laser light source 19 as well as the housing for the photosensor 20 , be provided.

In der 1 und der 3 ist zu erkennen, daß die beiden Fenster 2 und 3 zur optischen Achse, entlang der der Laserstrahl 18 verläuft, geneigt sind. Hierdurch wird vermieden, daß Reflexionen von der Oberfläche des transparenten Materials der Fenster 2, 3 wieder entlang der optischen Achse zurück in die Laserlichtquelle 19 strahlen bzw. auf der Empfängerseite zurück in den Photosensor 20 strahlen. Auch wird vermieden, daß zwischen den Fenstern 2 und 3 Reflexionen hin- und hergeworfen werden, die zu einer Resonanz führen können.In the 1 and the 3 it can be seen that the two windows 2 and 3 to the optical axis, along which the laser beam 18 runs, are inclined. This avoids reflections from the surface of the transparent material of the windows 2 . 3 back along the optical axis back into the laser light source 19 rays or on the receiver side back into the photosensor 20 radiate. Also, avoid that between the windows 2 and 3 Reflections are thrown back and forth, which can lead to a resonance.

Ferner weist, wie in 3 erkennbar, jedes der Fenster 2, 3 eine Keilform auf. Das heißt, daß die beiden Oberflächen des Fensters 2, 3 zueinander geneigt verlaufen. Die Neigung der beiden Oberflächen des Fensters 2, 3 zueinander ist in 3 übertrieben dargestellt. Der Keilwinkel β zwischen den Fensteroberflächen beträgt in der Praxis etwa 1/30 eines Winkelgrads oder zwei Winkelminuten. Durch diese Schrägstellung werden wiederholte Reflexionen innerhalb des Fensters zwischen seinen Oberflächen und insbesondere der Etaloneffekt vermieden. Derartige keilförmige Fenster 2, 3 können in einem in 1 erkennbaren Gehäuse sowohl auf der Seite der Laserlichtquelle 19 als auch auf der Seite der Photodiode 20 (siehe 3 und 4) angeordnet sein. Vorzugsweise sind alle Fenster zwischen der Laserlichtquelle 19 und der Photodiode 20 gemäß der Darstellung in 3 ausgebildet.Furthermore, as in 3 recognizable, each of the windows 2 . 3 a wedge shape on. That is, the two surfaces of the window 2 . 3 run inclined to each other. The inclination of the two surfaces of the window 2 . 3 each other is in 3 exaggerated. The wedge angle β between the window surfaces is in practice about 1/30 of an angular degree or two angular minutes. This skew avoids repeated reflections within the window between its surfaces and in particular the etalon effect. Such wedge-shaped windows 2 . 3 can in an in 1 recognizable housing both on the side of the laser light source 19 as well as on the side of the photodiode 20 (please refer 3 and 4 ) can be arranged. Preferably, all windows are between the laser light source 19 and the photodiode 20 as shown in 3 educated.

Die 4 zeigt eine Prinzipskizze der zwei optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Meßsystems. Auf der einen Seite der Meßstrecke ist eine Laserlichtquelle 19 angeordnet. Auf der anderen Seite der Meßstrecke ist ein Photosensor 20 angeordnet. Die Meßstrecke selbst zwischen der Laserlichtquelle 19 und dem Photosensor 20 weist in der Praxis z.B. eine Länge von 1 m bis zu 30 m auf. Im Falle eines Rauchgaskanals können sich dabei erhebliche mechanische Verformungen und Verwindungen ergeben, welche das exakte Auftreffen des Laserstrahls 18 auf der Photodiode 20 beeinflussen können. Aus diesem Grund ermöglicht die in 4 dargestellte Ausführung des Lasermeßsystems eine Nachführung des Laserstrahls 18.The 4 shows a schematic diagram of the two optical components of the measuring system according to the invention. On one side of the test section is a laser light source 19 arranged. On the other side of the test section is a photosensor 20 arranged. The measuring path itself between the laser light source 19 and the photosensor 20 In practice, for example, has a length of 1 m to 30 m. In the case of a flue gas channel, this can result in considerable mechanical deformation and twisting, which the exact impact of the laser beam 18 on the photodiode 20 can influence. Because of this, the in 4 illustrated embodiment of the laser measuring system tracking of the laser beam 18 ,

Der Laser 21 selbst leitet seinen Laserstrahl 18 auf ein Strahlablenkungs-Mittel, nämlich einen Spiegel 22, der über Verstellmotoren 23 um zwei Achsen schwenkbar ist. Der Schwenkweg des Spiegels 22 um jede der beiden Achsen sollte mindestens 1° betragen. Die Genauigkeit der Winkeleinstellung des Spiegels 22 sollte in der Größenordnung von 1/100°, also etwa einer halben Winkelminute liegen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Meßstrecke ist ein Strahlteiler 24 angeordnet, der einen Teil des Laserstrahls 18 auf den Photosensor 20 reflektiert und einen anderen Teil des Laserstrahls 18 zu einem positionsempfindlichen Lichtsensor 25 durchläßt. Der Strahlteiler 24 kann entweder durch einen halbdurchlässigen Spiegel oder durch ein halbdurchlässiges Prisma gebildet werden. Dabei muß die Strahlaufteilung nicht exakt im Verhältnis 50 : 50 erfolgen. Es kann ein sehr viel größerer Anteil des Laserstrahls 18 für Meßzwecke auf den Photosensor 20 geleitet werden.The laser 21 himself conducts his laser beam 18 to a beam deflection means, namely a mirror 22 that has adjusting motors 23 is pivotable about two axes. The pivoting path of the mirror 22 around each of the two axes should be at least 1 °. The accuracy of the angle adjustment of the mirror 22 should be on the order of 1/100 °, that is about half an angular minute. On the opposite side of the measuring section is a beam splitter 24 arranged, which is a part of the laser beam 18 on the photosensor 20 reflected and another part of the laser beam 18 to a position-sensitive light sensor 25 passes. The beam splitter 24 can be formed either by a semitransparent mirror or by a semipermeable prism. The beam splitting does not have to be exactly 50:50. It can be a much larger proportion of the laser beam 18 for measurement purposes on the photosensor 20 be directed.

Der auf den positionsempfindlichen Lichtsensor 25 geleitete Anteil kann kleiner sein.The on the position sensitive light sensor 25 guided share may be smaller.

Grundsätzlich ist jeder positionsempfindliche Lichtsensor, wie beispielsweise eine Flächendiode, verwendbar. Vorzugsweise wird eine Vierquadrantendiode 25 verwendet, welche separate Lichtmeßwerte für vier Quadranten ihrer Oberfläche abgibt. Der prinzipielle Aufbau einer Vierquadrantendiode ist in 5 dargestellt. Sie weist vier separate Photodiodenflächen auf, die in den vier Quadranten Q1, Q2, Q3 und Q4 der Oberfläche der Vierquadrantendiode angeordnet sind. Wenn der Laserstrahl 18, wie in 5 dargestellt, genau auf den Mittelpunkt der Vierquadrantendiode 25 zwischen den vier Quadranten Q1–Q4 trifft, trifft auf alle Quadranten die gleiche Lichtmenge und die Meßwerte der vier Quadranten Q1–Q4 stimmen überein. Ein Auswandern des Laserstrahls 18 aus der Mitte der Vierquadrantendiode führt dazu, daß der Meßwert in einem oder zwei der vier Quadranten steigt und in den anderen Quadranten abnimmt.In principle, any position-sensitive light sensor, such as a flat diode, can be used. Preferably, a four-quadrant diode 25 used, which gives separate light readings for four quadrants of their surface. The basic structure of a four-quadrant diode is in 5 shown. It has four separate photodiode areas arranged in the four quadrants Q1, Q2, Q3 and Q4 of the surface of the four-quadrant diode. When the laser beam 18 , as in 5 shown exactly at the center of the four-quadrant diode 25 between the four quadrants Q1-Q4, the same amount of light hits all quadrants and the measured values of the four quadrants Q1-Q4 coincide. An emigration of the laser beam 18 from the middle of the four quadrant diode causes the reading to increase in one or two of the four quadrants and decrease in the other quadrants.

Durch das Meßsignal der Vierquadrantendiode kann der Verstellmotor 23 (4) derart angesteuert werden, daß er den Laserstrahl 18 genau auf die Mitte der Vierquadrantendiode 25 richtet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Laserstrahl 18 zu jeder Zeit unabhängig vom Zustand der Verformung oder Verwindung der Strukturen, an denen das erfindungsgemäße Lasermeßsystem installiert ist, vollständig auf den Photosensor 20 geleitet wird und einen zuverlässigen und reproduzierbaren Meßwert erzeugt.By the measuring signal of the four-quadrant diode of the adjusting motor 23 ( 4 ) are driven so that it the laser beam 18 exactly at the middle of the four-quadrant diode 25 directed. In this way it is ensured that the laser beam 18 regardless of the state of deformation or distortion of the structures on which the laser measuring system according to the invention is installed, completely at all times on the photosensor 20 is passed and generates a reliable and reproducible reading.

Das erfindungsgemäße Meßsystem kann auch mehrere Laserlichtquellen und Photosensoren umfassen, die zum Beispiel jeweils mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Auch können weitere optische Komponenten im Bedarfsfall im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet werden.The Measuring system according to the invention may also include multiple laser light sources and photosensors, for example, each working with different wavelengths. Also can additional optical components in case of need in the beam path of the Laser beam are arranged.

11
optisches Gerät, optische Komponenteoptical Device, optical component
22
Sichtfensterwindow
33
Sichtfensterwindow
44
rohrförmiger Körpertubular body
55
Innenrauminner space
66
PrüfgaskanalPrüfgaskanal
77
Entlüftungskanalvent channel
88th
Spülgaskanalpurge gas
99
Austrittskanaloutlet channel
1010
Ringnutring groove
1111
Einschraubringscrew ring
1212
radialer Kanalradial channel
1313
Beobachtungsraumobservation room
1414
poröse Hülseporous sleeve
1515
poröse Hülseporous sleeve
1616
Ausströmrohroutflow
1717
Mündungsringmouth ring
1818
optische Achse, Laserstrahloptical Axis, laser beam
1919
LaserlichtquelleLaser light source
2020
Photosensorphotosensor
2121
Laserlaser
2222
Strahlablenkungs-Mittel, SpiegelBeam deflection means mirror
2323
Verstellmotoradjusting
2424
Strahlteilerbeamsplitter
2525
positionsempfindlicher Lichtsensor, Vierquadrantendiodeposition-sensitive Light sensor, four-quadrant diode
2626
Dichtringseal
Q1–Q4Q1-Q4
Quadrantquadrant
ββ
Keilwinkelwedge angle

Claims (8)

Lasermeßsystem zur Messung eines Fluid-Bestandteils in einem Beobachtungsraum (13), mit mindestens einer zur Erzeugung eines Laserstrahls bestimmten Laserlichtquelle (19), die auf einer Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, und mit mindestens einem Photosensor (20), der der Laserlichtquelle (19) gegenüberliegend auf der anderen Seite des Beobachtungsraums (13) befestigt ist, gekennzeichnet durch ein motorisch verstellbares Strahlablenkungs-Mittel (22), über das der Laserstrahl der Laserlichtquelle (19) in den Beobachtungsraum (13) geleitet wird, wobei zumindest ein Teil des Lichtes des Laserstrahls auf einen positionsempfindlichen Lichtsensor (25) geleitet wird, dessen Signal zur Verstellung des Strahlablenkungs-Mittels (22) verwendet wird.Laser measuring system for measuring a fluid constituent in an observation room ( 13 ), with at least one laser light source intended for generating a laser beam (US Pat. 19 ) on one side of the observation room ( 13 ) and with at least one photosensor ( 20 ), the laser light source ( 19 ) Opposite on the other side of the observation room ( 13 ), characterized by a motor-adjustable beam deflection means ( 22 ) about which the laser beam of the laser light source ( 19 ) in the observation room ( 13 ), wherein at least part of the light of the laser beam is directed onto a position-sensitive light sensor ( 25 ) whose signal for adjusting the beam deflection means ( 22 ) is used. Lasermeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beobachtungsraum (13) ein Rauchgaskanal, ein Feuerraum einer Verbrennungsanlage, eine Prozeßgasleitung, ein Gasbehälter oder ein sonstiges fluidbefülltes Volumen ist.Laser measuring system according to claim 1, characterized in that the observation room ( 13 ) is a flue gas duct, a combustion chamber of a combustion plant, a process gas line, a gas tank or other fluid-filled volume. Lasermeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlablenkungs-Mittel ein Spiegel (22) ist.Laser measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the beam deflecting means is a mirror ( 22 ). Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Lichtsensor eine Vierquadrantendiode (25) ist.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the position-sensitive light sensor is a four-quadrant diode ( 25 ). Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen halbdurchlässigen Reflektor (24), der einen Teil des Lichtstrahls auf den Photosensor (20) und einen Teil des Lichtstrahls auf den positionsempfindlichen Lichtsensor (25) leitet.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized by a semitransparent reflector ( 24 ), a part of the light beam on the photosensor ( 20 ) and a part of the light beam on the position-sensitive light sensor ( 25 ). Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Auswerteeinheit umfaßt, die die Meßsignale des Photosensors (20) zur Durchführung einer Laser-Absorptionsspektroskopie auswertet.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an evaluation unit which measures the measuring signals of the photosensor ( 20 ) is evaluated to perform laser absorption spectroscopy. Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlablenkungs-Mittel (22) motorisch um zwei Achsen schwenkbar ist.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the beam deflecting means ( 22 ) is pivotable about two axes by motor. Lasermeßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlablenkungs-Mittel (22) um einen Winkel von mindestens einem Grad verschwenkbar ist.Laser measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the beam deflecting means ( 22 ) is pivotable at an angle of at least one degree.
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