DE102014104043B4 - Multireflexionszellenanordnung - Google Patents

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Abstract

Multireflexionszellenanordnung mit einer Multireflexionszelle (1), die mindestens zwei einander gegenüberliegende Reflexionselemente (30, 30‘) umfasst, welche derart ausgebildet sind, dass ein durch ein Eintritts-Fensterelement (21) eintretender Lichtstrahl zwischen Reflexionspunkten auf den Reflexionselementen (30, 30‘) mehrfach reflektiert wird, so dass der Lichtstrahl in der Multireflexionszelle (1) eine definierte optische Wegstrecke durchläuft, und durch ein Austritts-Fensterelement (23) aus der Multireflexionszelle (1) austritt, wobei die Multireflexionszelle (1) als Gasmesszelle ausgebildet ist, welche mit einem zu messenden Gas befüllbar ist, und – eine Anregungslichtquelle (6) zur Emission eines Anregungslichtstrahls (7) mit einer Wellenlänge, die zur Anregung einer Absorptionslinie oder eines Absorptionsspektrums eines in der Multireflexionszelle (1) vorhandenen Gases geeignet ist, wobei der Anregungslichtstrahl (7) auf das Eintritts-Fensterelement (21) der Multireflexionszelle (1) lenkbar ist und – einen Gasmess-Detektor (10) zum Messen von Werten des Anregungslichtstrahls (7) nach Austritt aus dem Austritts-Fensterelemente (23) der Multireflexionszelle (1) umfasst, gekennzeichnet durch – einen Entfernungsmess-Laser (17) zur Emission eines Entfernungsmess-Laserstrahls (20), der auf eines der Fensterelemente (21, 23) der Multireflexionszelle (1) lenkbar ist, und der eine Wellenlänge aufweist, die außerhalb der Anregungswellenlängen von Absorptionslinien und -banden von Gasmolekülen liegt, die sich in der Multireflexionszelle (1) befinden können, durch – einen Entfernungsmess-Detektor (26) zum Messen des aus einem der Fensterelemente (21, 23) austretendem Entfernungsmess-Laserstrahls (20), und durch – eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) zum Steuern des Entfernungsmess-Lasers (17) und zum Auswerten der Ausgangssignale des Entfernungsmess-Detektors (26), die eine Entfernungsmess-Auswerteeinheit (12) aufweist, mit welcher aus einer Eigenschaft des von dem Entfernungsmess-Laser (17) emittierten Entfernungsmess-Laserstrahls (20) und aus dem korrespondierenden Ausgangssignal des Entfernungsmess-Detektors (26) ein erster Wert für die optische Wegstrecke der ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Multireflexionszellenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • Sie umfasst eine Multireflexionszelle, die mindestens zwei einander gegenüberliegende Reflexionselemente umfasst, welche derart ausgebildet sind, dass ein durch ein Eintritts-Fensterelement eintretender Laserstrahl zwischen Reflexionspunkten auf den Reflexionselementen mehrfach reflektiert wird, so dass der Laserstrahl in der Multireflexionszelle eine definierte optische Wegstrecke durchläuft, und durch ein Austritts-Fensterelement aus der Multireflexionszelle austritt.
  • Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2003/087787 A1 bekannt. Die Transmissionsmessung des Gases erfolgt mit einem gepulsten Halbleiter-Laser, dessen Emissionswellenlänge während des Pulses abgestimmt wird. Hierdurch wird in der Multireflexionszelle eine Unterdrückung von Interferenzen erreicht. Da in die Bestimmung der Absorptionswerte von Gasen die optische Weglänge eingeht, werden Referenzmessungen durchgeführt.
  • Derartige Multireflexionszellen werden eingesetzt, um den Lichtweg eines optischen Lichtstrahls zu verlängern. Aus der DE 42 02 270 A1 ist eine Multireflexionszellenanordnung bekannt, die verwendet wird, um die optische Wegstrecke von sehr kurzen Impulsen zu verlängern. In der Multireflexionszelle sind zwei Retroreflektoren derart angeordnet, dass ein Lichtstrahl zwischen ihnen mehrfach hin- und her-reflektiert wird, so dass sich die Wegstrecke des Lichtstrahls entsprechend verlängert.
  • Aus 2012 OSA, Vol. 20, No. 25, optics express 27915 ist eine Multireflexionszellenanordnung bekannt, bei der der Laserresonator eines VECSEL-Lasers als Multireflexionszelle ausgebildet ist. Dadurch wird der optische Weg des Lichtstrahls in dem Laserresonator verlängert und es werden sehr hohe Pulsspitzenleistungen bei niedrigen Puls-Wiederholungsraten erzielt. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl oder ein andere Art gerichtete Strahlung sein.
  • Auch sind Multireflexionszellenanordnungen im Bereich der optischen Absorptionsspektroskopie bekannt. Zu diesem Zweck wird eine Multireflexionszelle mit einem Gas befüllt, dessen Absorptionseigenschaften bestimmt werden sollen. Aus der US 2013/0003045 ist eine solche Anordnung bekannt, bei der als Multireflexionszelle eine sogenannte „White-Zelle“ verwendet wird. Eine weitere Ausführungsform einer Multireflexionszelle ist eine „Herriott-Zelle“, wie sie aus der WO 03/087787 A1 bekannt ist.
  • Bei diesen Multireflexionszellen ist die optische Wegstrecke, die das Licht in der Multireflexionszelle zurücklegt, für viele Anwendungen von großer Bedeutung. Die Genauigkeit vieler Messwerte wird durch die Unsicherheit hinsichtlich der optischen Wegstrecke in der Multireflexionszelle begrenzt. Der Abstand zwischen den Reflexionselementen lässt sich für viele Anwendungen nicht mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit bestimmen. Die Ungenauigkeit im Abstand der Reflexionselemente führt gerade aufgrund der vielfachen Reflexionen des Lichtstrahls zu einer erheblichen Unkenntnis des gesamten optischen Lichtweges in der Multireflexionszelle.
  • Aus der WO 03/087787 A1 ist eine Multireflexionszellenanordnung zum Messen von Gasen bekannt. Es sind ein Infrarot-Laser und ein Infrarot-Detektor vorgesehen, mit denen die Spektroskopie des Gases im nahen oder mittleren Infrarotbereich erfolgen kann. Es ist ein Ausführungsbeispiel vorgesehen, bei dem zwei Multireflexionszellen parallel zueinander angeordnet sind und der Weg des Laserstrahls zum einen durch die Zelle mit einer Gasbefüllung und zum anderen durch eine parallele Zelle ohne Gasbefüllung gelenkt wird, um Referenzwerte für die Transmission des Lichts zu bestimmen. Unter der Annahme, dass das Licht auf beiden Wegen die gleiche optische Wegstrecke zurücklegt, kann aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten des Lichts nach Durchlaufen der Zelle mit Gasbefüllung und nach Durchlaufen der evakuierten Zelle die Absorption des Gases bestimmt werden. Alternativ ist vorgesehen, dass die Absorption des Lichts nach Durchlaufen derselben Zelle zu zwei verschiedenen Zeitpunkten gemessen wird. Dabei durchläuft der Lichtstrahl die Zelle zu einem Zeitpunkt im evakuierten Zustand und zu einem anderen späteren Zeitpunkt mit Gasbefüllung. Die Absorption des Gases wird analog wie oben mittels des Verhältnisses der Transmissionswerte des Lichtes mit und ohne Gasbefüllung bestimmt. Bei beiden Varianten gehen Fehler in die Messergebnisse ein, da die genaue Wegstrecke nicht bekannt ist. Im ersten Fall durchläuft das Licht zwei unterschiedliche Zellen, bei denen die optischen Wegstrecken nicht identisch sind. Bei der zweiten Variante durchläuft das Licht die Zellen zu unterschiedlichen Zeiten. Die optische Wegstrecke kann sich innerhalb einer Zelle aufgrund äußerer Einflüsse, wie Temperatur, mechanische Instabilität, Ausdehnung der Materialien etc. zwischen der Referenzmessung und den Gasmessungen ändern. Da zur Referenzmessung die Zelle evakuiert werden muss, kann die Referenzmessung auch nicht in kurzen Zeitabständen erfolgen, so dass sich die Parameter zwischen den Messungen verändern können.
  • Aus der DE 10 2010 008 091 A1 ist eine Multireflexionszelle bekannt. Durch geeignete Wahl des Reflexionsgrades eines Reflektorelements kann diese als Michelson-Interferometer mit zwei Armen verwendet werden.
  • Aus der DE 10 2005 023 489 A1 ist eine Positionsmesseinrichtung zum Bestimmen der Position zweier entlang einer Messeinrichtung zueinander beweglicher Objekte bekannt, die als Michelson-Interferometer ausgebildet ist. Es ist ein Steuer- und Auswertemodul vorgesehen, in dem Messsignale verarbeitet und ausgewertet werden können.
  • Aus der US 4 934 816 A ist eine Multireflexionszelle zur laserspektroskopischen Detektion von Gasen bekannt. Die Messung der Transmission des Laserstrahls erfolgt mittels mechanischem Choppen des Laserstrahls und einer Detektion mittels eines Lock-in-Verstärkers.
  • Aus der DE 10 2007 057 374 A1 ist ein Laser-Multisensorsystem zur selektiven Spurenanalyse organischer Stoffe bekannt. Mittels einer Strahlkopplung werden die Laserstrahlen von drei unterschiedlichen Laserquellen in einem Laserstrahl zur Messung bereitgestellt.
  • Die DE 198 48 120 A1 offenbart eine Einrichtung zum Messen der Strahlungsabsorption von Gasen mit einer konkaven Spiegelanordnung.
  • In der US 5 445 964 A ist eine Multireflexionszelle zur Messung des Öl- und Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungsmotoren mittels eines laserspektroskopischen Verfahrens offenbart.
  • Auch in der DE 20 2011 102 765 U1 wird eine Multireflexionszelle zur infrarot-optischen Messung von Gasen und Gasgemischen mit Kompensation von Umgebungseinflüssen offenbart. Es werden divergente Lichtquellen eingesetzt, um Einflüsse von Verschmutzungen zu reduzieren.
  • Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Multireflexionszellenanordnung zu schaffen, mit der eine genauere Bestimmung der Absorptionswerte von Gasen möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die gattungsgemäße Multireflexionszellenanordnung umfasst folgende Komponenten: einen Entfernungsmess-Laser zur Emission eines Entfernungsmess-Laserstrahls, der auf das Eintritts-Fensterelement der Multireflexionszelle lenkbar ist, und der eine Wellenlänge aufweist, die außerhalb der Anregungswellenlängen von Absorptionslinien von Gasmolekülen liegt, die sich in der Multireflexionszelle befinden können; einen Entfernungsmess-Detektor zum Messen des aus dem Austritts-Fensterelement austretenden Entfernungsmess-Laserstrahls; eine Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Steuern des Entfernungsmess-Lasers und zum Auswerten der Ausgangssignale des Entfernungsmess-Detektors, und eine Entfernungs-Auswerteeinheit, mit welcher aus einer Eigenschaft des von dem Entfernungsmess-Laser emittierten Entfernungsmess-Laserstrahls und aus dem korrespondierenden Ausgangssignal des Entfernungsmess-Detektors ein erster Wert für die optische Wegstrecke in der Multireflexionszelle bestimmbar ist. Durch diese Messanordnung ist die optische Wegstrecke in der Multireflexionszelle zuverlässig und zu jedem gewünschten Zeitpunkt, insbesondere auch kontinuierlich und während eines längeren Zeitraums bestimmbar. Hierdurch können Änderungen der optischen Wegstrecke aufgrund von Veränderungen im Umfeld, im Laufe der Zeit, durch Defekte oder Störungen in der Multireflexionszelle genau beobachtet werden. Dies ist für alle Anwendungen vorteilhaft, bei denen der Lichtweg eine Rolle spielt.
  • Es ist vorteilhaft, wenn ein Entfernungsmess-Laser verwendet wird, der einen Lichtstrahl im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich emittiert. In diesem Wellenlängenbereich sind genaue optische Messungen der Weglänge möglich, da er außerhalb der Absorptionslinien von Gasen liegt, die in der Multireflexionszelle und in deren Umfeld, welches von dem Entfernungsmess-Laserstrahl durchlaufen wird, vorhanden sein können. Somit findet keine unerwünschte Absorption aufgrund von Gasmolekülen, die im Umfeld vorhanden sind statt, und welche zu einer nicht bekannten Reduzierung der Lichtintensität führen würde. Zudem sind in diesem Wellenlängenbereich kostengünstige optische Elemente, wie Laser, Detektoren, Strahlteiler, Linsen etc. verfügbar, so dass auch die gesamte Anordnung kostengünstig hergestellt werden kann. Die Entfernungsmess-Einrichtung, die den Entfernungsmess-Laser, den Entfernungsmess-Detektor, die Entfernungsmess-Auswerteeinheit und ggf. weitere optische Elemente umfasst, kann fest in die Multireflexionszellenanordnung integriert sein, so dann man insgesamt einen einfachen und stabilen Aufbau der Anordnung erreicht.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Modulationseinheit, mit welcher der von dem Entfernungsmess-Laser emittierte Entfernungsmess-Laserstrahl als hochfrequent-modulierter Laserstrahl erzeugbar ist, und mit der Entfernungs-Auswerteeinheit ist aus der Phasenverschiebung des hochfrequent-modulierten Laserstrahls nach Durchlaufen der Multireflexionszelle die optische Wegstrecke bestimmbar. Mit diesem Ausführungsbeispiel lassen sich insbesondere im Bereich von optischen Weglängen bis etwa 150 m sehr genaue Wegstrecken bestimmen. Die optischen Wegstrecken lassen sich nach diesem Ausführungsbeispiel mit einer Genauigkeit im mm-Bereich und besser bestimmen. In die Messung der Wegstrecke geht der gesamte Lichtweg von dem Entfernungsmess-Laser bis zu dem Entfernungsmess-Detektor ein. Bei der Berechnung der optischen Wegstrecke in der Multireflexionszelle werden die bekannten Abstände von dem Entfernungsmess-Laser bis zu dem Eintritts-Fenster der Multireflexionszelle und von dem Austrittsfenster der Multireflexionszelle zu dem Entfernungsmess-Detektor von der der gesamten gemessenen Wegstrecke subtrahiert, so dass die optische Wegstrecke in der Multireflexionszelle eindeutig bestimmt werden kann.
  • Gemäß einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit dem Entfernungsmess-Laser ein gepulster Laserstrahl emittierbar, und mit der Entfernungs-Auswerteeinheit ist die definierte Wegstrecke mittels der Pulslaufzeit des gepulsten Laserstrahls entlang derdefinierten Wegstrecke bestimmbar. Mit diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden insbesondere bei optischen Wegstrecken, die größer als 100 m sind, sehr genaue Messergebnisse erzielt. Zudem können gemäß diesem Ausführungsbeispiel auch mehrere Entfernungen auf der Wegstrecke, die von einem Lichtpuls durchlaufen wird, bestimmt werden. Dies ist dann der Fall, wenn auf der optischen Wegstrecke ein reflektierendes oder streuendes Element vorhanden ist, an dem ein Teil eines Lichtpulses, der die optische Wegstrecke durchläuft, reflektiert oder gestreut wird. Aus dem Streulicht kann die Entfernung von dem Reflexionselement zu dem Detektor bestimmt werden. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel kann die optische Wegstrecke in der Zelle durch Subtraktion der bekannten Abstände von dem Entfernungsmess-Laser bis zu dem Eintritts-Fenster der Multireflexionszelle und von dem Austrittsfenster der Multireflexionszelle zu dem Entfernungsmess-Detektor von der gesamten gemessenen Wegstrecke bestimmt werden.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Referenzdetektor zum Messen der Sendeleistung des von dem Entfernungsmess-Laser emittierten Entfernungsmess-Laserstrahls vorgesehen ist, und wenn die Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Vergleichseinheit aufweist, mit welcher aus der Sendeleistung und der mit dem Referenz-Detektor gemessenen Empfangsleistung des Entfernungsmess-Laserstrahls ein Vergleichswert und/oder ein Transmissionswert der Multireflexionszelle für Licht der Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls bestimmbar ist. Wenn der Vergleichswert oder der Transmissionswert einen vorgegebenen Wert unterschreitet, kann auf eine starke Verschmutzung der Multireflexionszelle geschlossen werden. Wenn der Vergleichswert oder der Transmissionswert gegenüber typischen Werten stark verändert ist, kann auf eine andere fehlerhafte Veränderung der Multireflexionszelle, beispielsweise auf eine Dejustage der Multireflexionszelle geschlossen werden.
  • Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung ist das Austritts-Fensterelement identisch mit dem Eintritts-Fensterelement, und es ist ein Strahl-Ablenkelement vorgesehen, mit welchem der in das Fensterelement eintretende Laserstrahl oder der aus dem Fensterelement austretende Laserstrahl in einem vorgegebenen Winkel ablenkbar ist, so dass der eintretende und der austretende Laserstrahl voneinander trennbar sind. Durch diese Ausführungsform der Erfindung kann ein Fenster der Multireflexionszelle eingespart werden. Dies führt, insbesondere, wenn druckdichte Fenster erforderlich sind, zu einer erheblichen Kostenreduzierung. Beispielsweise können die Einkopplung und die Auskopplung des Lichts unter verschiedenen Winkeln durch dasselbe Fensterelement erfolgen. Dies ist insbesondere bei Herriott-Zellen vorteilhaft.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein erster Streulichtdetektor zum Nachweis von Streulicht aus dem Eintritts-Fensterelement und ein zweiter Streulichtdetektor zum Nachweis von Streulicht aus dem Austritts-Fensterelement vorgesehen, und mit der Entfernungs-Auswerteeinheit ist aus einer Eigenschaft des von dem Entfernungsmess-Laser emittieren Laserstrahls und aus den korrespondierenden Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Streulichtdetektors ein zweiter Wert für die optische Wegstrecke der Multireflexionszelle bestimmbar und mit dem ersten Wert für die optische Wegstrecke der Multireflexionszelle vergleichbar. Wenn der zweite Wert von dem ersten Wert für die optische Wegstrecke abweicht, kann auf eine Fehlfunktion der Multireflexionszelle oder auf eine Verschmutzung eines der Fenster-Elemente oder auf eine Verschmutzung der Multireflexionszelle in einem anderen Bereich geschlossen werden.
  • Es kann gemäß der Erfindung auch nur der erste Streulichtdetektor zum Nachweis von Streulicht aus dem Eintritts-Fensterelement oder nur der zweite Streulichtdetektor zum Nachweis von Streulicht aus dem Austritts-Fensterelement vorgesehen sein. Die Messergebnisse können auch einzeln und unabhängig voneinander ausgewertet werden. So kann beispielsweise nur die Verschmutzung eines der Fenster-Elemente überprüft werden. Es können auch weitere Streulichtdetektoren vorgesehen sein, mit denen Streulicht von unterschiedlichen Ausgangspunkten messbar ist. So kann ein Streulichtdetektor derart angeordnet sein, dass Streulicht von einem der Fenster-Elemente gemessen wird, ein weiterer Streulichtdetektor kann so angeordnete sein, dass Streulicht von einem Wandbereich der Multireflexionszelle nachweisbar ist usw. Es kann jeweils die Intensität des Streulichts gemessen und mit der Intensität des einfallenden Entfernungsmess-Laserstrahls verglichen werden.
  • Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Erfindung sind die Reflexionselemente der Multireflexionszelle zueinander verstellbar ausgebildet. Hierdurch ist der Abstand zwischen den Reflexionselementen bzw. zwischen den Reflexionspunkten mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung steuerbar. Für jeden eingestellten und veränderten Abstand kann so die optische Weglänge gemessen und zuverlässig bestimmt werden. Bei jeder Veränderung der Multireflexionszelle ist somit die genaue optische Wegstrecke bekannt. Damit kann die Multireflexionszelle sehr vielseitig und variabel eingesetzt werden.
  • Gemäß der Erfindung ist die Multireflexionszelle als Gasmesszelle ausgebildet, welche mit einem zu messenden Gas befüllbar ist. Sie umfasst eine Anregungs-Lichtquelle zur Emission eines Anregungs-Lichtstrahls mit einem Wellenlängenspektrum, das zur Anregung einer Absorptionslinie oder eines Absorptionsspektrums eines in der Multireflexionszelle vorhandenen Gases geeignet ist, wobei der Anregungslicht-Strahl auf ein Fenster-Element der Multireflexionszelle lenkbar ist, und einen Gasmess-Detektor zum Messen von Werten des Anregungs-Lichtstrahls nach Austritt aus einem Fenster-Element der Multireflexionszelle. Bei der Anregungslichtquelle kann es sich um einen Anregungs-Laser handeln oder um eine andere zur Anregung einer Absorptionslinie oder eines Absorptionsspektrums geeignete Lichtquelle handeln, die geeignet für die jeweilige Anwendung gewählt werden kann, wie beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Glühlampe. Wesentlich ist, dass der von der Anregungs-Lichtquelle emittierte Anregungs-Lichtstrahl für die jeweilige Anwendung geeignet kollimiert und gerichtet werden kann und ein Wellenlängenspektrum aufweist, mit der die gewünschte/n Absorptionslinie/n eines Gases, das untersucht werden sollen. Es kann dabei insbesondere ein Gasspektrum eines vorhandenen und bekannten Gases oder Gasgemisches analysiert werden oder untersucht werden, ob ein bestimmtes, bekanntes Gas vorhanden ist oder nicht.
  • Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist so ausgebildet, dass aufgrund der Intensität des von der Anregungslichtquelle emittierten Anregungslichtstrahls und aus den korrespondierenden gemessenen Intensitätswerten des Gasmess-Detektors Absorptionswerte des in der Multireflexionszelle vorhandenen Gases bestimmbar sind.
  • Aus dem Lambert-Beer’schen Gesetz kann dann beispielsweise die Konzentration des Gases in der Multireflexionszelle bestimmt werden. In die Bestimmung der Konzentration geht die optische Wegstrecke ein. Da die Wegstrecke in die Bestimmung der Transmissionswerte nach dem Lambert-Beer’schen Gesetz exponentiell eingeht, ist eine genaue Kenntnis der optischen Wegstrecke für eine genaue Konzentrationsbestimmung erforderlich. Kleine Fehler oder Ungenauigkeiten in der optischen Wegstrecke führen zu einem großen Fehler oder einer großen Ungenauigkeit in der Bestimmung von Transmissionswerten und der Gaskonzentration. Bei der Verwendung der Multireflexionszelle für die optische Gasmesstechnik ist daher eine genaue Kenntnis der optischen Wegstrecke zu der gleichen Zeit, zu der die optische Gasmessung erfolgt, besonders vorteilhaft. Es können dadurch Fehler aufgrund von Änderungen in der Multireflexionszelle und in deren Umfeld im Laufe der Zeit vermieden werden. Beispielsweise kann eine Temperaturänderung zu Änderungen in der Ausdehnung der Multireflexionszelle führen. Dies ist insbesondere bei Anwendungen kritisch, bei denen bei einer hohen Temperatur gemessen wird. Wesentlich ist hier, dass die Wellenlänge des Anregungs-Lichtstrahls von der Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls verschieden ist. Der Anregungs-Lichtstrahl wird so gewählt, dass das Gas in der Multireflexionszelle bei spezifischen Absorptionslinien oder -banden angeregt wird. Die Wellenlänge des Entfernungsmesslasers wird so gewählt, dass sie außerhalb der Anregungslinien aller Gase liegt, die in der Multireflexionszelle vorhanden sein können, also hier auch insbesondre abseits der Anregungswellenlängen der zu messenden Gase.
  • Zum Befüllen der Multireflexionszelle kann typischerweise eine Gaseintrittsöffnung, über die die Multireflexionszelle über eine Gaszuleitung mit einem Gas befüllt werden kann und eine Gasaustrittöffnung, über welche ein Gas aus der Multireflexionszelle über eine Gasaustrittsleitung entfernt werden kann, vorgesehen sein.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Anregungs-Lichtquelle und der Gasmess-Detektor so angeordnet sind, dass der Anregungs-Lichtstrahl in der Multireflexionszelle kollinear mit dem Entfernungsmess-Laserstrahl verläuft, und wenn ein erster Strahlteiler zum Überlagern des Anregungs-Lichtstrahls und des Entfernungsmess-Laserstrahls vor dem Eintritts-Fenster und ein zweiter Strahlteiler zum Entkoppeln des Anregungs-Lichtstrahls und des Entfernungsmess-Lichtstrahls hinter dem Austritts-Fensterelement vorgesehen sind. Dadurch wird erreicht, dass der Entfernungsmess-Laserstrahl dieselbe Wegstrecke durchläuft wie der Anregungs-Lichtstrahl und somit dieselbe optische Wegstrecke von beiden Laser-Strahle durchlaufen wird. Somit kann genau die Wegstrecke, die für die Gasmessung relevant ist und tatsächlich in die Messung eingeht bestimmt werden. Die Messgenauigkeit kann weiter verbessert werden, wenn der Anregungs-Lichtstrahl und der Entfernungsmess-Laserstrahl die optische Wegstrecke gleichzeitig durchlaufen. Hierdurch wird die Genauigkeit der Auswertung der Gasmessung weiter erhöht. Es können weitere optische Elemente vorgesehen sein, die auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind. So kann auf der Sender- und/oder auf der Empfängerseite ein Einkoppel- oder Auskoppelelement, insbesondere eine optische Linse, oder Auskoppel- oder Einkoppelspiegel zum besseren Ein- oder Auskoppeln des Anregungs-Lichtstrahls oder des Entfernungsmess-Laserstrahls in oder aus der Multireflexionszelle und/oder zum besseren Trennen oder Ablenken des jeweiligen Laserstrahls vorgesehen sein. Es kann eine abgeschlossene Sendeeinheit, die den Entfernungsmess-Laser und dazugehörige optische Elemente umfasst, und eine abgeschlossene Empfangseinheit, die den Entfernungsmess-Detektor und dazugehörige optische Elemente umfasst, vorgesehen sein. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit können jeweils ein Fensterelement zum Ein- bzw. Auskoppeln der Anregungs-Lichtquelle umfassen.
  • Gemäß einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Multireflexionszellenanordnung ist eine Einkoppel-Einrichtung für den Anregungs-Lichtstrahl so angeordnet, dass der Anregungs-Lichtstrahl kollinear und gegenläufig zu dem Entfernungsmess-Laserstrahl über das Austritts-Fensterelement in die Multireflexionszelle eingekoppelt wird und über das Eintritts-Fensterelement aus der Multireflexionszelle austritt. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn ein Detektor verwendet wird, der sowohl für die Wellenlänge des Anregungs-Lichtstrahls als auch für die Wellenlänge des Entfernungsmessstrahls sensitiv ist. Eine Störung des Detektors durch den Laserstrahl, der nicht gemessen werden soll, kann so verhindert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Statusinformationseinheit verbunden, mit welcher die mittels der Entfernungsmess-Auswerteeinheit jeweils aktuell bestimmte optische Wegstrecke als Statussignal verfügbar ist. Somit kann die aktuelle gemessene Wegstrecke über einen bestimmten Zeitraum kontinuierlich angezeigt bzw. überwacht werden. Dies kann beispielsweise bei der Anwendung der Multireflexionskammer für eine Gasabsorptionsmessung während der gesamten Messzeit sowie in einem gewünschten Zeitraum vor oder nach der Messung erfolgen
  • Auch kann mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine oder dieselbe Statusinformationseinheit verbunden sein, mit welcher die mittels der Streulichtauswerteeinheit jeweils aktuell bestimmten Vergleichswerte und/oder Fehlerwerte als Statussignal verfügbar sind. Somit können auch mögliche Fehler der Multireflexionskammer, wie eine Verschmutzung oder Dejustierung rechtzeitig erkannt und beobachtet werden.
  • Es ist auch günstig, wenn mindestens eine weitere Messeinrichtung zum Messen einer physikalischen Größe des aktuellen Betriebszustands der Multireflexionszelle, wie Druck, Temperatur, Gasdurchfluss eines zufließenden oder abfließenden Gases etc. vorgesehen ist und die jeweilige Messeinrichtung derart mit einer Statusinformationseinheit verbunden ist, dass mit der Statusinformationseinheit die gemessene physikalische Größe als Statussignal verfügbar ist. Hierdurch können weitere physikalische Größen der Multireflexionszelle gleichzeitig mit der Entfernungsmessung oder einer anderen Messung bestimmt werden, wodurch die Gesamtergebnisse der Messung verbessert werden.
  • Mit der Statusinformationseinheit kann mindestens eine Information über den aktuellen Betriebszustand der Multireflexionszelle aufgrund einer aktuell gemessenen physikalischen Größe als Statussignal verfügbar gemacht werden. So kann die aktuell gemessene Wegstrecke der Multireflexionszelle jeder Zeit geprüft werden. Das gleiche gilt für andere physikalische Größen, die in der Multireflexionszelle gemessen werden, wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit eines zufließenden oder abfließenden Gases, Volumenstrom des zufließenden oder abfließenden Gases und weitere. Die Darstellung kann mittels eines elektrischen, akustischen oder optischen Signals erfolgen. Somit ist eine kontinuierliche einfache Überwachung der Multireflexionsanordnung möglich. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Statusinformationseinheit so ausgebildet ist, dass die aktuelle optische Wegstrecke in einem vorgegebenen Zeitraum kontinuierlich anzeigbar ist.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Multireflexionsanordnung als Gasmesszelle;
  • 2a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sendeeinheit zu einer Entfernungsmessung zu 1;
  • 2b eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Empfangseinheit zu einer Entfernungsmessung zu 1;
  • 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Multireflexionsanordnung als Gasmesszelle;
  • 4a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sendeeinheit zu einer Entfernungsmessung mit Streulichtnachweis;
  • 4b eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Empfangseinheit zu einer Entfernungsmessung mit Streulichtnachweis.
  • Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Multireflexionszellenanordnung, mit einer Multireflexionszelle 1, die als Gasmesszelle ausgebildet ist. Zum Befüllen der Multireflexionszelle ist eine Gaseintrittsöffnung 2 mit einer Gaszuleitung 3 vorgesehen, über welche ein Gas, das untersucht werden soll, in die Multireflexionszelle eingeleitet werden kann. Über eine Gasaustrittsöffnung 4 und eine Gasaustrittsleitung 5, kann das Gas wieder aus der Multireflexionszelle 1 entfernt werden. Zur optischen Absorptionsmessung eines sich in der Multireflexionszelle 1 befindenden Gases ist eine Anregungs-Lichtquelle 6 vorgesehen, mit der ein Anregungs-Lichtstrahl 7 mit einer Wellenlänge emittierbar ist, die zur Anregung einer Absorptionslinie oder eines Absorptionsspektrums des sich in der Multireflexionszelle 1 befindenden Gases geeignet ist. Der Anregungs-Lichtstrahl 7 durchläuft eine Sendeeinheit 8 für eine optische Wegelängenmessung und wird in die Multireflexionszelle 1 eingekoppelt. In der Multireflexionszelle sind mindestens zwei nichtgezeigte einander gegenüberliegende Reflexionselemente mit Reflexionspunkten vorgesehen, zwischen denen der Anregungs-Lichtstrahl vielfach hin- und her-reflektiert wird. Derartige Multireflexionszellen sind beispielsweise als White- oder Herriot-Zellen bekannt. Auf die genaue Ausführung wird daher nicht näher eingegangen. Wesentlich ist, dass der Anregungs-Lichtstrahl eine vorgegebene optische Wegstrecke in der Multireflexionszelle durchläuft, die gegenüber einer einfachen Weglänge durch die Zelle aufgrund der Reflexionen erheblich verlängert ist. Nach Durchlaufen der vorgegeben optischen Wegstrecke in der Multireflexionszelle 1 wird der Anregungs-Lichtstrahl 7 aus der Multireflexionszelle 1 ausgekoppelt. Nach Durchlaufen einer Empfangseinheit 9 für die optische Weglängenmessung wird der Anregungs-Lichtstrahl 7 in einen Gasmess-Detektor 10 gelenkt. Es ist eine Auswerte- und Steuereinheit 11 vorgesehen, mit welcher die Anregungs-Lichtquelle 6 und der Gasmess-Detektor 10 gesteuert und deren Signale ausgewertet werden. Die Auswerte- und Steuereinheit 11 umfasst eine Entfernungsmess-Auswerteeinheit 12. Mit dieser erfolgen die Steuerung der Entfernungsmess-Sendeeinheit 8 und der Entfernungsmess-Empfangseinheit 9 sowie die Auswertung der entsprechenden Signale zur Bestimmung der optischen Wegstrecke in der Multireflexionszelle. Zudem umfasst die Auswerte- und Steuereinheit 11 eine Streulichtauswerteeinheit 40 mit welcher Fehlerwerte darstellbar sind, die auf eine Verschmutzung, Dejustierung oder andere Fehlfunktion der Multireflexionszelle 1 hinweisen.
  • Es sind weitere Messeinrichtungen vorgesehen. 1 zeigt beispielhaft je einen Temperatursensor 13, 13‘, 13‘‘ an der Multireflexionszelle 1, an der Gaszuleitung 3 und an der Gasaustrittsleitung 5 sowie einen Drucksensor 14 an der Multireflexionszelle 1 und einen Gasdurchflusssensor 15 zum Messen des Gasdurchflusses in der Gaszuleitung 3. Mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 11 ist eine Statusinformationseinheit 16 verbunden, mit welcher die aktuellen Messwerte der gemessenen physikalischen Größen der Messeinrichtungen angezeigt werden. Die Messwerte können dabei als elektronische, optische oder akustische Signale dargestellt werden. Es kann der aktuell gemessene und bestimmte Wert für die optischen Wegstrecke in der Multireflexionszelle 1 dargestellt werden, sowie die mit den weiteren Messeinrichtungen, wie Temperatursensoren, Drucksensoren, Gasdurchflusssensoren, aktuell gemessenen Werte, wie Temperatur an verschiedenen Stellen der Multireflexionsanordnung, Druck, Gasdurchfluss und weitere. Es liegt somit eine Multireflexionszelle vor, deren für eine bestimmte Messung, Anwendung oder Zustand wesentliche physikalische Parameter zu jeder gewünschten Zeit an der Multireflexionsanordnung zur Verfügung stehen.
  • In 2a ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Sendeeinheit 8 zur Bestimmung der optischen Weglänge in der Multireflexionszelle 1 genauer dargestellt. Es ist ein Entfernungsmess-Laser 17 vorgesehen, mit dem ein Entfernungsmess-Laserstrahl 18 emittierbar ist, dessen Wellenlänge so gewählt ist, dass keine Absorptionslinien oder Absorptionsbanden von Gasen oder Gasmolekülen, die in der Multireflexionszelle 1 vorhanden sein können, angeregt werden. Wenn die Multireflexionszelle 1 wie im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 als Gasmesszelle ausgebildet ist und eine Gasmessung durchgeführt werden soll, wird die Wellenlänge des Entfernungsmess-Lasers 17 so gewählt, dass sie außerhalb aller Absorptionslinien von Gasen liegt, die sich in der Multireflexionszelle 1 und in deren Umgebung befinden können. So kann der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 die Multireflexionszelle 1, den Weg zu der Multireflexionszelle sowie den Weg von der Multireflexionszelle zu dem Entfernungsmess-Detektor 26 durchlaufen, ohne dass Wechselwirkungen mit dem sich in der Multireflexionszelle 1 befindenden Gas stattfinden, die die Bestimmung der Weglänge beeinflussen und verfälschen könnten. Wenn eine Multireflexionszelle für eine andere Anwendung gewählt wird, ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls so gewählt wird, dass keine Gasmoleküle, die beispielsweise aufgrund von Umgebungsluft oder Luft- oder Gasresten dort vorhanden sein könnten, angeregt werden. Es ist vorteilhaft die Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls so zu wählen, dass sie im optischen oder nahen infraroten Spektralbereich liegt. Somit kann einerseits eine Anregung von Gasmolekülen verhindert werden und andererseits können kostengünstige optische Elemente im sichtbaren und nahen infraroten Bereich zur Bestimmung der Weglänge eingesetzt werden.
  • Es sind ein erster Strahlteiler 18 und ein Einkoppel-Element, hier eine erste optische Linse 19 vorgesehen, mittels denen der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 auf ein Eintritts-Fensterelement 21 der Multireflexionszelle 1 gelenkt und in die Multireflexionszelle 1 eingekoppelt wird. Der von der Anregungs-Lichtquelle 6 emittierte Anregungs-Lichtstrahl 7 wird über ein Eintritts-Fensterelement 22 der Sendeeinheit 8 für die optische Weglängenmessung über den ersten Strahlteiler 18 und die erste optische Linse 19 auf das Eintritts-Fensterelement 21 der Multireflexionszelle 1 gelenkt und in die Multireflexionszelle 21 eingekoppelt. Dabei werden der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 derart einander überlagert, dass der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 kollinear zueinander verlaufen. Der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl durchlaufen somit exakt die gleiche optische Weglänge in der Multireflexionszelle 1. Dies erfolgt bevorzugt zur gleichen Zeit. Daher kann die Weglänge, die der Anregungs-Lichtstrahl 7 in der Multireflexionszelle 1 durchläuft, während der Messung genau ermittelt werden. Da die optische Weglänge bei einer Gasabsorptionsmessung eine kritische Größe ist und in die Bestimmung der Transmissionswerte und der Konzentration des Gases eingeht, sind somit sehr genaue Gasabsorptionsmessungen und Auswertungen möglich.
  • In 2b ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Empfangseinheit 9 zur Bestimmung der optischen Weglänge in der Multireflexionszelle 1 genauer dargestellt. Es ist ein Austritts-Fensterelement 23 der Multireflexionszelle 1 gezeigt, durch welches in dem gezeigten Beispiel der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 und der Anregungs-Lichtstrahl 7 kollinear aus der Multireflexionszelle 1 ausgekoppelt werden. Die beiden Strahlen 7, 20 durchlaufen ein Auskoppel-Element, hier eine zweite optische Linse 24 und einen Strahlteiler 25, durch welchen der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 und der Anregungs-Lichtstrahl 7 voneinander getrennt werden. Der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 wird direkt auf einen Entfernungsmess-Detektor 26 gelenkt. Der Anregungs-Lichtstrahl 7 wird über einen auf die Wellenlänge des Anregungs-Lichtstrahls 7 abgestimmten Auskoppelspiegel 27 durch ein Austritts-Fensterelement 28 auf den Gasmessdetektor 10 gelenkt. Es handelt sich hier um spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung, die keine Einschränkung bedeuten; so können auch weiter optische Elemente vorgesehen werden oder abhängig von der Anwendung und Anordnung auch einzelne Element weggelassen werden, wie beispielsweise der Auskoppelspiegel 27 oder das Einkoppel- oder Auskoppelfenster der Sende- oder Empfangseinheit für die optische Weglängenmessung.
  • In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Multireflexionszellenanordnung dargestellt, bei der die Multireflexionszelle 1 ebenso wie in dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Gasmesszelle ausgebildet ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Multireflexionsanordnung sind die Anregungs-Lichtquelle 6 und der Gasmess-Detektor 10 auf derselben Seite der Multireflexionszelle 1 angeordnet. Die Sendeeinheit 8 und die Empfangseinheit 9 für die Bestimmung der optischen Weglänge aus 1 sind hier als eine Entfernungsmesseinheit 29 zur Bestimmung der optischen Weglänge ausgebildet, die eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit mit den dazu erforderlichen, in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Elementen umfasst. Die Entfernungsmesseinrichtung 29 ist auf der gleichen Seite der Multireflexionszelle 1 angeordnet wie die Anregungs-Lichtquelle 6 und der Gasmess-Detektor 10. Das Eintrittsfenster-Element 22 der Multireflexionszelle 1 dient hier gleichzeitig als Austrittsfenster-Element. In der Multireflexionszelle 1 sind zwei einander gegenüberliegende Reflexionselemente 30, 30‘ vorgesehen, die als Spiegel mit Reflexionspunkten ausgebildet sind, an denen Lichtstrahlen vielfach hin- und her-reflektiert werden können. Dies entspricht dem Prinzip der Herriott-Zelle. Es sind verstellbare Halterungselemente 31, 31‘ vorgesehen, mit denen die Reflexionselemente 30, 30‘ justiert werden können und/ oder so gegeneinander verstellt werden können, dass die optische Wegstrecke in der Multireflexionszelle 1 verändert werden kann. Zum Zuführen und Entfernen eines Gases sind eine Gaszuleitung 3 und eine Gasaustrittsleitung 5 vorgesehen.
  • Der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 werden kollinear durch das Eintritts-Fensterelement 21 in die Multireflexionszelle 1 eingekoppelt. Das Eintritts-Fensterelement 21 ist zu diesem Zweck geeignet ausgebildet. Es kann gekippt oder keilförmig vorgesehen sein. Der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 durchlaufen die Wegstrecke der Multireflexionszelle 1, indem sie mehrfach zwischen den Reflexionselementen 30, 30‘ hin- und her-reflektiert werden, und über das Eintritts-Fensterelement 21 wieder aus der Multireflexionszelle 1 austreten. In der Entfernungsmesseinrichtung 29 werden der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 wieder, wie oben beschrieben voneinander getrennt. Der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 wird in der Entfernungsmesseinheit nachgewiesen und ausgewertet, der Anregungs-Lichtstrahl 6 wird aus der Entfernungsmesseinheit 29 hinaus und zum Nachweis in den Gasmess-Detektor 10 gelenkt. Die Auswertung der gemessenen Signale erfolgt wie bereits beschrieben in einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, welche in dieser Figur nicht gezeigt ist. Diese Anordnung ist sehr platzsparend.
  • In 4a ist ein Ausführungsbeispiel der Sendeeinheit 8 gezeigt, bei dem der Nachweis von Streulicht dargestellt ist. Der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 und der Anregungs-Lichtstrahl 7 werden über einen Strahlteiler 18 und eine erste optische Linse 19 über das Eintritts-Fensterelement 21 in die Multireflexionszelle 1 eingekoppelt. Auf dem Fenster-Element 21 ist auf der Innenseite ein Streulichtpunkt 32 vorhanden, welcher aufgrund einer Ablagerung, Verunreinigung, Beschädigung oder ähnliches zustanden kommen kann. An dem Streulichtpunkt 32 wird ein Teil des Lichts der Laserstrahlen gestreut, wodurch eine Streulichtstrahlung 33 entsteht, die in unterschiedliche Richtungen gestreut wird, so dass ein Teil des Laserlichts wieder aus der Multireflexionszelle 1 austritt. Es ist ein erster Streulichtdetektor 34 zur Detektion von Streulicht mit der Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls 17 vorgesehen. Zur Fokussierung des Streulichts 33 in den ersten Streulichtdetektor 34 ist eine dritte optische Linse 35 vorgesehen, mit der das Streulicht, das unter einem vorgegebenen Winkelbereich von dem Streulichtpunkt 32 aus der Multireflexionszelle 1 herausgestreut wird, in den Streulichtdetektor 34 abgebildet wird.
  • In 4b ist ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der Empfangseinheit 9 für die optische Wegstreckenmessung gezeigt. Der Anregungs-Lichtstrahl 7 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 werden über das Austrittsfenster-Element 23 aus der Multireflexionszelle 1 ausgekoppelt. Über die zweite optische Linse 24 und den zweiten Strahlteiler 25 wird der Anregungs-Lichtstrahl 7 zu dem Gasmess-Detektor 10 und der Entfernungsmess-Laserstrahl 20 in den Entfernungsmess-Detektor 26 gelenkt. Auf dem Austritts-Fensterelement 23 ist im Innern der Multireflexionszelle 1 ein Streulichtpunkt 32‘ gezeigt, welcher wie oben durch eine Verunreinigung oder Beschädigung oder ähnliches verursacht ist. Das von dem Verunreinigungspunkt 32‘ unter einem vorgegebenen Winkelbereich ausgehende Streulicht 33‘ wird mittels einer vierten optischen Linse 36 in einen zweiten Streulichtdetektor 37 fokussiert.
  • Es ist zusätzliches Streulicht 33‘‘ gezeigt, welches nicht von der Verunreinigung eines Fenster-Elements rührt, sondern aus einem anderen Bereich der Multireflexionszelle 1 gestreut wird, beispielsweise durch Verunreinigungen an der Wand der Multireflexionszelle 1. Zum Nachweis des Streulichts 33‘‘ ist eine fünfte optische Linse 38 vorgesehen, mit der das Streulicht 33‘‘ in den dritten Streulichtdetektor 39 fokussiert wird. Mit den Streulichtdetektoren ist jeweils das Licht der Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls 20 nachweisbar. Aus den Messwerten der jeweiligen Streulichtdetektoren kann auf Verunreinigungen, Ablagerungen, Schäden an den Fenstern oder innerhalb der Multireflexionszelle geschlossen werden.
  • Mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung wird aus den Messdaten des jeweiligen Streulichtdetektors die Entfernung der Streulichtpunkte zu dem Entfernungsmess-Laser 17 bestimmen. Der am Eintritts-Fenster 21 gemessen Wert ergibt die Entfernung zu dem Entfernungsmess-Laser 17, der an dem Austritts-Fenster 23 die optische Wegstrecke in der Multireflexionszelle 1 plus die Entfernung von dem Eintritts-Fenster 21 zu dem Entfernungsmess-Laser 17. Durch Bilden der Differenz aus diesen beiden gemessenen Entfernungswerten wird ein zweiter Wert für die optische Wegstrecke bestimmt. Aus einer Abweichung des ersten und des zweiten Wertes für die optische Wegstrecke kann beispielsweise auf eine Fehlfunktion der Multireflexionszelle 1 geschlossen werden.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen umfasst die erfindungsgemäße Multireflexionszellenanordnung eine Gasmesszelle für die optische Gasmesstechnik, insbesondere für Gas-Absorptionsmessungen. Dies bedeutet keine Einschränkung für die Erfindung. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der optischen Wegstrecke einer Multireflexionszelle kann entsprechend für jede andere Anwendung eingesetzt werden, bei der es erwünscht ist, die genaue optische Wegstrecke zu kennen, wie z.B. bei Laserresonatoren und optischen Verzögerungsstrecken.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Multireflexionszelle
    2
    Gaseintrittsöffnung
    3
    Gaszuleitung
    4
    Gasaustrittsöffnung
    5
    Gasaustrittsleitung
    6
    Anregungs-Lichtquelle
    7
    Anregungs-Lichtstrahl
    8
    Sendeeinheit für eine optische Weglängenmessung
    9
    Empfangseinheit für die optische Weglängenmessung
    10
    Gasmess-Detektor
    11
    Steuer- und Auswerteeinrichtung
    12
    Entfernungsmess-Auswerteeinheit
    13
    Temperatursensor
    14
    Drucksensor
    15
    Sensor für Gasdurchfluss
    16
    Statusinformationseinheit
    17
    Entfernungsmess-Laser
    18
    Erster Strahlteiler
    19
    Erste optische Linse
    20
    Entfernungsmess-Laserstrahl
    21
    Eintritts-Fensterelement von 1
    22
    Eintritts-Fensterelement von 8
    23
    Austritts-Fensterelement von 1
    24
    Zweite optische Linse
    25
    Zweiter Strahlteiler
    26
    Entfernungsmess-Detektor
    27
    Auskoppelspiegel
    28
    Austritts-Fensterelement von 8
    29
    Entfernungsmesseinrichtung
    30
    Reflexionselement
    31
    Verstellbare Halterungselemente
    32
    Streulichtpunkt
    33
    Streulicht
    34
    Erster Streulichtdetektor
    35
    dritte optische Linse
    36
    vierte optische Linse
    37
    zweiter Streulichtdetektor
    38
    fünfte optische Linse
    39
    dritter Streulichtdetektor
    40
    Streulichtauswerteeinheit

Claims (13)

  1. Multireflexionszellenanordnung mit einer Multireflexionszelle (1), die mindestens zwei einander gegenüberliegende Reflexionselemente (30, 30‘) umfasst, welche derart ausgebildet sind, dass ein durch ein Eintritts-Fensterelement (21) eintretender Lichtstrahl zwischen Reflexionspunkten auf den Reflexionselementen (30, 30‘) mehrfach reflektiert wird, so dass der Lichtstrahl in der Multireflexionszelle (1) eine definierte optische Wegstrecke durchläuft, und durch ein Austritts-Fensterelement (23) aus der Multireflexionszelle (1) austritt, wobei die Multireflexionszelle (1) als Gasmesszelle ausgebildet ist, welche mit einem zu messenden Gas befüllbar ist, und – eine Anregungslichtquelle (6) zur Emission eines Anregungslichtstrahls (7) mit einer Wellenlänge, die zur Anregung einer Absorptionslinie oder eines Absorptionsspektrums eines in der Multireflexionszelle (1) vorhandenen Gases geeignet ist, wobei der Anregungslichtstrahl (7) auf das Eintritts-Fensterelement (21) der Multireflexionszelle (1) lenkbar ist und – einen Gasmess-Detektor (10) zum Messen von Werten des Anregungslichtstrahls (7) nach Austritt aus dem Austritts-Fensterelemente (23) der Multireflexionszelle (1) umfasst, gekennzeichnet durch – einen Entfernungsmess-Laser (17) zur Emission eines Entfernungsmess-Laserstrahls (20), der auf eines der Fensterelemente (21, 23) der Multireflexionszelle (1) lenkbar ist, und der eine Wellenlänge aufweist, die außerhalb der Anregungswellenlängen von Absorptionslinien und -banden von Gasmolekülen liegt, die sich in der Multireflexionszelle (1) befinden können, durch – einen Entfernungsmess-Detektor (26) zum Messen des aus einem der Fensterelemente (21, 23) austretendem Entfernungsmess-Laserstrahls (20), und durch – eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) zum Steuern des Entfernungsmess-Lasers (17) und zum Auswerten der Ausgangssignale des Entfernungsmess-Detektors (26), die eine Entfernungsmess-Auswerteeinheit (12) aufweist, mit welcher aus einer Eigenschaft des von dem Entfernungsmess-Laser (17) emittierten Entfernungsmess-Laserstrahls (20) und aus dem korrespondierenden Ausgangssignal des Entfernungsmess-Detektors (26) ein erster Wert für die optische Wegstrecke der Multireflexionszelle (1) bestimmbar ist, wobei mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) mit dem so bestimmten ersten Wert für die optische Wegstrecke der Multireflexionszelle (1) aufgrund der Intensität des von der Anregungslichtquelle (6) emittierten Anregungslichtstrahls (7) und aus den korrespondierenden gemessenen Intensitätswerten des Gasmess-Detektors (10) Absorptionswerte des in der Multireflexionszelle (1) vorhandenen Gases bestimmbar sind.
  2. Multireflexionszellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) eine Modulationseinheit umfasst, mit welcher der von dem Entfernungsmess-Laser (17) emittierte Entfernungsmess-Laserstrahl (20) als hochfrequent-modulierter Laserstrahl erzeugbar ist, und dass mit der Entfernungs-Auswerteeinheit (12) aus der Phasenverschiebung des hochfrequenz-modulierten Laserstrahls nach Durchlaufen der Multireflexionszelle (1) die optische Wegstrecke bestimmbar ist.
  3. Multireflexionszellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Entfernungsmess-Laser (17) ein gepulster Laserstrahl emittierbar ist, und dass mit der Entfernungsmess-Auswerteeinheit die optische Wegstrecke mittels der Pulslaufzeit des gepulsten Laserstrahls entlang der definierten Wegstrecke bestimmbar ist.
  4. Multireflexionszellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzdetektor zum Messen der Sendeleistung des von dem Entfernungsmess-Laser (17) emittierten Entfernungsmess-Laserstrahls (20) vorgesehen ist, und dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) eine Vergleichseinheit aufweist, mit welcher aus der Sendeleistung und der mit dem Referenz-Detektor gemessenen Empfangsleistung des Entfernungsmess-Laserstrahls (20) ein Vergleichswert und/oder ein Transmissionswert der Multireflexionszelle (1) für Licht der Wellenlänge des Entfernungsmess-Laserstrahls (20) bestimmbar ist.
  5. Multireflexionszellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Austritts-Fensterelement (23) identisch mit dem Eintritts-Fensterelement (21) ist.
  6. Multireflexionszellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Streulichtdetektor (34) zum Nachweis von Streulicht (33) aus dem Eintritts-Fensterelement (21) und/oder ein zweiter Streulichtdetektor (37) zum Nachweis von Streulicht (33‘) aus dem Austritts-Fensterelement (23) vorgesehen ist.
  7. Multireflexionszellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) eine Streulichtauswerteeinheit (40) aufweist, mit welcher aus der Intensität des von dem Entfernungsmess-Laser (17) emittierten Entfernungsmess-Laserstrahls (20) und der mit dem ersten und/oder zweiten Streulichtdetektor (34, 37) gemessenen Intensität des Streulichts (33) Vergleichswerte bestimmbar sind und diesen Fehlerwerte zuordenbar sind, die ein Maß für eine Fehlfunktion der Multireflexionszelle bilden.
  8. Multireflexionszellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Entfernungsmess-Auswerteeinheit (12) aus einer Eigenschaft des von dem Entfernungsmess-Laser (17) emittierten Laserstrahls (20) und aus den korrespondierenden Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Streulichtdetektors (34, 37) ein zweiter Wert für die optische Wegstrecke der Multireflexionszelle (1) bestimmbar ist und mit dem ersten Wert für die Wegstrecke der Multireflexionszelle (1) vergleichbar ist.
  9. Multireflexionszellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionselemente (30, 30‘) der Multireflexionszelle (1) zueinander verstellbar ausgebildet sind.
  10. Multireflexionszellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslichtquelle (6) und der Gasmess-Detektor (10) so angeordnet sind, dass der Anregungslichtstrahl (7) in der Multireflexionszelle (1) kollinear mit dem Entfernungsmess-Laserstrahl (20) verläuft, und dass ein erster Strahlteiler (18) zum Überlagern des Anregungslichtstrahls (6) und des Entfernungsmess-Laserstrahls (20) vor dem Eintritts-Fenster (21) und ein zweiter Strahlteiler (25) zum Entkoppeln des Anregungs-Lichtstrahls (6) und des Entfernungsmess-Laserstrahls (20) hinter dem Austritts-Fensterelement (23) vorgesehen sind.
  11. Multireflexionszellenanordnung einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkoppel-Einrichtung für den Anregungslichtstrahl (7) so angeordnet ist, dass der Anregungslichtstrahl (7) kollinear und gegenläufig zu dem Entfernungsmess-Laserstrahl (20) über das Austritts-Fensterelement (23) in die Multireflexionszelle (1) eingekoppelt wird und über das Eintritts-Fensterelement (21) aus der Multireflexionszelle (1) austritt.
  12. Multireflexionszellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Statusinformationseinheit (16) verbunden ist, mit welcher die mittels der Entfernungsmess-Auswerteeinheit (12) jeweils aktuell bestimmte optische Wegstrecke als Statussignal verfügbar ist.
  13. Multireflexionszellenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine Statusinformationseinheit (16) verbunden ist, mit welcher die mittels der Streulichtauswerteeinheit (40) jeweils aktuell bestimmten Vergleichswerte und/oder Fehlerwerte als Statussignal verfügbar sind.
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