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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, wobei
zwischen Laserlichtquelle und Photosensor mindestens ein Fenster
aus transparentem Material angeordnet ist.
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Derartige
Lasermeßsysteme
werden beispielsweise bei der Laser-Absorptionsspektroskopie verwendet,
mit der berührungslos
die Konzentration bestimmter Bestandteile einer im wesentlichen
gasförmigen
Strömung
wie beispielsweise Rauchgas gemessen werden kann. Das Fenster befindet
sich direkt im Strahlgang des Laserstrahls und wird zur Trennung
der optischen Komponenten des Meßsystems von der Atmosphäre in dem
Beobachtungsraum eingesetzt. Bei der Laser-Absorptionsspektroskopie
werden in ihrer Wellenlänge
(bzw. Frequenz) abstimmbare Single-Mode-Laser verwendet. Diese Laser
haben die Eigenschaft, nur eine einzelne Lichtwellenlänge zu emittieren,
die elektrisch – in
der Regel über
den Ansteuerstrom – einstellbar
ist. Bei dem Meßverfahren
wird die Energie des Laserstrahls bei Durchstrahlen eines gasförmigen Mediums
durch die zu messende Komponente reduziert, indem die photonische
Energie – charakterisiert
durch die Wellenlänge – mit der
kinetischen bzw. elektrischen Energie in Resonanz tritt. Dieses
Verhalten zeigt sich in der Regel nicht nur bei einer Wellenlänge, so
daß man hier
auch von einen Spektrum spricht. Aufgrund der Molekülbewegung
und dem daraus resultierenden Doppler-Effekt tritt die Absorption
nicht nur an einem Punkt auf, sondern folgt einer statistischen
Verteilung über
einen Wellenlängenbereich.
Aus diesem Grund wird zur Auswertung der Absorption ein Wellenlängenbereich
berücksichtigt.
Dies wird üblicherweise dadurch
erreicht, daß der
Laser mit einem sich ändernden
elektrischen Signal in periodischen Intervallen angesteuert wird
(Modulation).
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Die
Druckschrift
DE 198
53 049 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Feststellen eines Lecks
bei einem Prüfobjekt,
bei der ein Laserstrahl durch zwei Fenster zu einem Photosensor
geleitet wird. Die beiden Fenster mit planparallelen Oberflächen sind
zueinander und zur Lotrechten auf den Laserstrahl geneigt.
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Trifft
der Laserstrahl auf eine Glasscheibe, entstehen hierbei neben der
Transmission durch die Glasscheibe Reflexionen an den Übergängen der
unterschiedlichen Medien, z.B. Luft – Glas – Luft. Die Reflexionen innerhalb
des Glases wiederholen sich so lange, bis die gesamte Energie des
Laserstrahls sowohl durch die Absorption innerhalb der Glasscheibe – verursacht
durch Verunreinigungen – als auch
durch die Emissionen aus der Glasscheibe heraus aufgebraucht ist.
Die Reflexionen können
den Laserstrahl überlagern
und die Meßwerte
verfälschen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Lasermeßsystem zu schaffen, bei dem
die Einflüsse
von Reflexionen des Laserstrahls auf die Meßwerte reduziert oder beseitigt
sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Ebenen der beiden Oberflächen
des Fensters zueinander geneigt verlaufen.
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Bei
planparallelen Gläsern
verlaufen der direkt durch die Glasscheibe transmittierte sowie
die reflektierten Laserstrahlen parallel zueinander, so daß immer
mehrere Laserstrahlen parallel auf der Sensorfläche auftreffen und somit Interferenzen
im Falle einer Modulation der Wellenlänge (Etalon-Schwingung) bilden.
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Die
Entstehung der Etalon-Schwingung läßt sich, bezogen auf die Oberfläche des
Sensors, dadurch vermeiden, daß erfindungsgemäß die in
der Glasscheibe reflektierten Laserstrahlen nicht parallel zu dem
direkt transmittierten Laserstrahl verlaufen und damit nicht gemeinsam
auf der Sensorfläche auftreffen.
Dies läßt sich
dadurch erreichen, daß anstelle
eines planparallelen Fensters ein Keil- oder Prismenfenster eingesetzt
wird, dessen Oberflächen nicht
zueinander parallel, sondern zueinander geneigt sind. Hierbei werden
aufgrund der unterschiedlichen Reflexionswinkel an den Übergängen der
Medien die reflektierten Laserstrahlen mit einem Winkel zur Richtung
des direkt transmittierten Laserstrahls emittiert. Die Abweichung
von der Parallele ist abhängig
von der Winkeldifferenz der beiden Glasflächen, welche auch als Keilwinkel
bezeichnet wird. Die Dimensionierung des Keilwinkels richtet sich nach
der Dicke des Glases, der Fläche
des Sensors sowie dessen Abstand von der Glasscheibe. In der Praxis
haben sich Keilwinkel von 2' (zwei
Winkelminuten) bei einer durchschnittlichen Glasdicke von 2,5 mm
als Minimalforderung herausgestellt, wenn die Fläche des Sensors 1 mm2 beträgt
und der Sensor einen Abstand von 50 cm zur Glasscheibe hat.
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Zusätzlich wird
vorgeschlagen, daß die
Mittelebene des Fensters zu der senkrecht zum Laserstrahl verlaufenden
Ebene geneigt ist. Das Fenster sollte so angeordnet sein, daß die dem
Laser zugewandte Grenzfläche
des Fensters nicht senkrecht zum Laserstrahl verläuft. Dadurch
wird vermieden, daß der
reflektierte Lichtanteil wieder in den Laser zurückgestrahlt wird und diesen
verstimmt.
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Wenn
Glasscheiben bei der Laser-Absorptionsspektroskopie im rechten Winkel
zum Laserstrahl angeordnet sind, entstehen Reflexionen von der Scheibe
in den Laser zurück,
was wiederum einen Einfluß auf
die aus dem Laser emittierte Lichtwellenlänge hat (Verstimmung des Lasers).
Bei einer erfindungsgemäß abweichend
vom rechten Winkel zum Laserstrahl angeordneten Glasscheibe bewirken
die in der Glasscheibe auftretenden Reflexionen unterschiedliche
Laufzeiten der nun austretenden Laserstrahlen bezogen auf eine rechtwinklig
zum Hauptlaserstrahl angenommenen Bezugsebene. Wird der Laserstrahl
in der Wellenlänge
moduliert (d.h. zeitlich geändert),
ergibt sich aufgrund der Laufzeitdifferenzen der reflektierten Laserstrahlen
eine Interferenz der Intensität
in der Ebene des Empfängers, üblicherweise
ein Photosensor. Diese Interferenz wird als Etalon-Schwingung oder
auch Etalon-Effekt
bezeichnet.
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Im
praktischen Anwendungsfall wird die Intensität des Laserstrahls über einen
elektronischen Halbleiter mit einer begrenzten Sensorfläche aufgenommen.
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Wie
erwähnt,
kann die Glasscheibe selbst schräg
zur senkrecht zum Laserstrahl verlaufenden Ebene stehen, und die
Oberflächen
der Glasscheibe können
zueinander geneigt sein. Der Winkel der Mittelebene der Glasscheibe
zur Senkrechten sollte dabei einige Grad, z.B. 3° betragen. Der Winkel der Glasflächen zueinander
kann, wie gesagt, in der Größenordnung
von 2' liegen, was
einem Dreißigstel Grad
entspricht.
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Bei
einem Lasermeßsystem
für die
Absorptionsspektroskopie kann ein erstes erfindungsgemäßes Fenster
den Laser selbst, das heißt
die Lichtquelle, und ein zweites Fenster den Photosensor von dem
Beobachtungsraum trennen, in dem sich heiße und/oder aggressive und/oder
staubbelastete Gase befinden. In der Praxis können in einem Gehäuse für eine optische
Komponente wie Laserlichtquelle oder Photosensor auch mehrere, vorzugsweise
zwei Fenster angeordnet sein, die die optische Komponente von dem
Beobachtungsraum trennen. In dem Raum zwischen den zwei Fenstern
kann ein Kühlgas zum
Kühlen
der optischen Komponente eingeleitet werden. Ferner kann zumindest
zeitweise ein Prüfgas
in den Raum zwischen zwei Fenstern eingeleitet werden, um die Funktion
des Lasermeßsystems
zu testen.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Gehäuse einer
erfindungsgemäßen optischen
Meßvorrichtung;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
des vorderen Endes des Gehäuses
aus 1 im Längsschnitt;
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3 eine
Prinzipskizze eines transparenten Fensters in dem Gehäuse aus
den 1 und 2;
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4 eine
Prinzipskizze für
die Funktion der Ausrichtung des Laserstrahls des Lasermeßsystems aus
den vorangehenden Figuren;
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5 eine
Draufsicht auf eine Vierquadrantendiode für die Strahlausrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
auf den positionsempfindlichen Lichtsensor 25 geleitete
Anteil kann kleiner sein.
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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.
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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.
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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.
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- 1
- optisches
Gerät,
optische Komponente
- 2
- Sichtfenster
- 3
- Sichtfenster
- 4
- rohrförmiger Körper
- 5
- Innenraum
- 6
- Prüfgaskanal
- 7
- Entlüftungskanal
- 8
- Spülgaskanal
- 9
- Austrittskanal
- 10
- Ringnut
- 11
- Einschraubring
- 12
- radialer
Kanal
- 13
- Beobachtungsraum
- 14
- poröse Hülse
- 15
- poröse Hülse
- 16
- Ausströmrohr
- 17
- Mündungsring
- 18
- optische
Achse, Laserstrahl
- 19
- Laserlichtquelle
- 20
- Photosensor
- 21
- Laser
- 22
- Strahlablenkungs-Mittel,
Spiegel
- 23
- Verstellmotor
- 24
- Strahlteiler
- 25
- positionsempfindlicher
Lichtsensor, Vierquadrantendiode
- 26
- Dichtring
- Q1–Q4
- Quadrant
- β
- Keilwinkel