DE102020102240B4

DE102020102240B4 - Gaskonzentrationsmessgerät

Info

Publication number: DE102020102240B4
Application number: DE102020102240.9A
Authority: DE
Inventors: Pascal Ortwein
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: DE102020102240A1

Abstract

Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80) zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas mit- einem Gehäuse (16),- einem im Gehäuse (16) angeordneten Lichtsender (26) zur Emission eines einfallenden Sendelichtstrahls (28a)- einer Sendeoptik (30) zum Leiten des einfallenden Sendelichtstrahls (28a) durch ein zu messendes- einem Reflektor (50) zur Reflexion des durch das zu messende Gas geleiteten einfallenden Sendelichtstrahls (28a) als reflektierten Sendelichtstrahl (28b) zurück durch das zu messende Gas auf einen Lichtempfänger (40), wobei der Reflektor (50) aus wenigstens einem für den einfallenden Sendelichtstrahl (28a) transparenten Material (60) besteht und eine dem Lichtsender (26) zugewandte Vorderfläche (52) und eine dem Lichtsender (26) abgewandte Rückfläche (54) aufweist, wobei die Rückfläche (54) des Reflektors (50) eine Beschichtung (56) zur Reflexion des einfallenden Sendelichtstrahls (28a)- und einer Auswerteeinrichtung (42) zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (50) als Meniskuslinse ausgeführt ist, wobei die Vorderfläche (52) einen ersten Krümmungsradius (R1) und die Rückfläche (54) einen zweiten Krümmungsradius (R2) aufweist, wobei die Vorderfläche (52) und die Rückfläche (54) des Reflektors (50) unterschiedliche Krümmungsradien (R1, R2) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaskonzentrationsmessgerät zur Bestimmung einer Gas- oder Partikelkonzentration in einem Messvolumen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Zur Messung von Konzentrationen von Gas- oder Partikelkonzentrationen in einem Messvolumen werden bei bekannten Lösungen Gaskonzentrationsmessgeräte eingesetzt, die ein Gehäuse aufweisen, das mit einer Öffnung z.B. an ein Messvolumen angeflanscht werden kann, das ein Gasgemisch enthält, in dem die Konzentration eines bestimmten Gases oder einer bestimmten Partikelsorte bestimmt werden soll. Der Begriff „Messvolumen“ wird hier für den Raum verwendet, in dem sich das zu beobachtende oder zu messende Gas befindet beziehungsweise bewegt. Es kann sich dabei zum Beispiel um ein entsprechendes Behältnis oder einen Kanal oder ein Rohr handeln.
Zum Aussenden von Messlicht in das Messvolumen ist ein Lichtsender vorgesehen, der eine oder mehrere Sendelichtquellen (beispielsweise LEDs oder Laser) aufweisen kann. Mit einem Lichtempfänger wird das Messlicht nach seinem Durchgang durch das Messvolumen empfangen. Der Lichtempfänger kann in demselben Gehäuse wie der Lichtsender angeordnet sein, wobei im oder auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens ein Reflektor angeordnet ist, der das Messlicht nach dem ersten Durchgang durch das zu messende Gas in Richtung des Lichtempfängers zurückreflektiert.
Mit Hilfe einer Auswerteeinheit kann aus der Absorption des Messlichts auf dem Weg vom Lichtsender zum Lichtempfänger die Gas- oder Partikelkonzentration bestimmt werden.
Lichtsender, Reflektor, Lichtempfänger, Auswerteeinheit und gegebenenfalls weitere optische Elemente, wie zum Beispiel Linsen und/oder Spiegel, bilden somit einen optischen Analysator.
Der Reflektor muss optischen (passende Abbildungseigenschaften) und technischen (Temperatur- und Chemiekalienresistenz) Anforderungen genügen, die in der Regel über die Verwendung eines klassischen Planspiegels hinausgehen.
Soll als Reflektor ein Spiegel mit vorderseitiger Beschichtung verwendet werden, wird in vielen Prozessanwendungen aufgrund hoher Temperaturen und/oder aggressiven Gasen, die die Beschichtung zerstören können, ein Schutzfenster und eine gute Abdichtung gegen das zu messende Gas benötigt.
Weiterhin ist die Verwendung von Vollglastripelreflektoren, wie beispielsweise in der EP 2 604 999 A1 offenbart, bekannt. Diese optischen Bauteile sind jedoch aufwendig in der Herstellung und es besteht das Risiko der Entstehung von optischen Störungen durch interne Reflexionen, die, wenn sie den Weg zurück zum Lichtempfänger finden, beispielsweise in der Ausprägung als Interferenzen, das Messsignal verfälschen können.
Die DE 10 2008 044 171 A1 beschreibt einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases. Licht einer Lichtquelle durchstrahlt eine Messzelle und wird dabei ein oder mehrfach von einem oder mehreren Spiegeln reflektiert bevor es von einem Detektor erfasst wird. Die Spiegel sind nicht näher spezifiziert, es sind Plan- und Hohlspiegel gezeigt, die nach den Zeichnungen oberflächenbeschichtet zu sein scheinen. Um eine Ablagerung von Partikeln auf den Spiegeln zu vermeiden, können die Spiegel beheizt werden. Zusätzlich können Filter vorgesehen sein um den Zutritt von unerwünschten Bestandteilen des Abgases in der Messzelle zu unterbinden oder zu vermindern.
In der US 4 891 518 A ist ein Gasdetektor für wenigstens drei Gase offenbart. Zur Verlängerung des optischen Weges in der Messzelle werden Hohlspiegel zum falten des Strahlengangs verwendet. Die Spiegel sind nicht näher spezifiziert, nach den Zeichnungen erfolgt die Reflexion an den Spiegeloberflächen. Eine Verschmutzung von Optiken des Gasdetektors wird in der Schrift nicht thematisiert.
Aus der US 2016 / 0 033 783 A1 ist ein Laser-Spektrometer zur Gasanalyse bekannt, dass eine Referenzzelle mit als Keilprismen ausgeführten Fenstern aufweist. Keilprismen werden weiterhin als Strahlteiler für verschiedene Detektionsstrahlengänge verwendet. Ein rückflächenverspiegeltes Keilprisma zur Reflexion eines durch ein zu messendes Gas geleiteten einfallenden Sendelichtstrahls als reflektierten Sendelichtstrahl zurück durch das zu messende Gas ist nicht gezeigt.
Die WO 2006/ 022 550 A2 zeigt ein Gasmessgerät mit einer Detektionsoptik zum Fokussieren der Messstrahlen auf einen Detektor.
In der US 5 751 423 A wird ein Transmissionsmessgerät beschreiben, welches einen Strahlteiler zum Trennen von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang aufweist.
Die WO 2018/ 111 113 A1 beschreibt ein Gasmessgerät mit justierbarem Reflektor.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Gaskonzentrationsmessgerät mit einem Reflektor anzugeben, wobei eine Beschichtung des Reflektors vor den Umgebungsbedingungen im Messvolumen geschützt ist und durch Mehrfachreflexionen im Reflektor hervorgerufene optische Störungen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Gaskonzentrationsmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des nebengeordneten Anspruchs 4 gelöst. Unteransprüche sind auf besondere Ausführungsformen und Ausgestaltungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente umfasst ein Gehäuse mit einem im Gehäuse angeordneten Lichtsender zur Emission eines auf einen Reflektor einfallenden Sendelichtstrahls und eine Sendeoptik zum Leiten des einfallenden Sendelichtstrahls durch ein zu messendes Gas auf den Reflektor. Der Reflektor besteht aus mindestens einem für eine Wellenlänge des einfallenden Sendelichtstrahls transparenten Material und umfasst eine dem Lichtsender zugewandte Vorderfläche und eine dem Lichtsender abgewandte Rückfläche. Die Rückfläche weist eine Beschichtung zur Reflexion des einfallenden Sendlichtstrahls auf. Die Beschichtung ist somit nicht direkt dem zu messenden Gas ausgesetzt.
Der einfallende Sendelichtstrahl wird an der Rückfläche des Reflektors reflektiert und als reflektierter Sendlichtstrahl durch das zu messende Gas hindurch zurück zum Gehäuse geleitet und trifft dort auf einen Lichtempfänger. Der Lichtempfänger umfasst eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers.
Der Sendelichtstrahl kann durch die Sendeoptik kollimiert werden, so dass der Durchmesser des einfallenden Sendelichtstrahls im Messvolumen im Wesentlichen konstant ist. Die Verwendung eines kollimierten Sendelichtstrahls hat den Vorteil, dass das Gaskonzentrationsmessgerät sehr einfach an Messtrecken unterschiedlicher Länge angepasst werden kann, da der Durchmesser auf dem Reflektor bei unterschiedlichen Abständen von Reflektor und Sendeoptik im Wesentlichen konstant bleibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts ist der Reflektor derart ausgeführt, das die Kollimation des einfallenden Sendelichtstrahls bei Reflexion erhalten bleibt, der reflektierte Sendelichtstrahl also ebenfalls kollimiert ist. Eine dem Lichtempfänger vorgeordnete Empfangsoptik kann den reflektierten Sendelichtstrahl auf den Lichtempfänger fokussieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor als Meniskuslinse ausgeführt, wobei Vorderfläche und Rückfläche des Reflektors unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Bevorzugt sind die Krümmungsradien so gewählt, dass ein kollimiert einfallender Sendelichtstrahl kollimiert zurück reflektiert wird. Durch geeignete Wahl der Krümmungsradien von Vorder- und Rückfläche werden Interferenzen im Reflektor vermieden, da intern reflektierte Sendelichtstrahlen sich nicht überlagern und nach mehrfacher interner Reflektion bei Austritt aus dem Reflektor nicht in Richtung des Lichtempfängers zurück reflektiert werden.
Um eine möglichst große Separation der mehrfach reflektierten Sendelichtstrahlen vom einfach reflektierten Sendelichtstrahl zu erreichen, kann der Krümmungsradius der Vorderfläche unter Beachtung der Kollimationserhaltung des einfach reflektierten Sendelichtstrahls und den Randbedingungen Messwellenlänge sowie Art und Mittendicke des Materials möglichst klein gewählt werden.
Als Materialien für den Reflektor können für die Wellenlängen des einfallenden Sendelichtstrahls transparente Materialien wie Kunststoffgläser, Krongläser, Kristallgläser oder Quarzgläser (beispielsweise Suprasil) verwendet werden. Die Rückfläche des Reflektors kann mit geeigneten Beschichtungen versehen sein, die eine hohe Reflektivität für den einfallenden Sendelichtstrahl aufweisen, beispielswiese Beschichtungen aus Aluminium, Gold, Silber, Chrom.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind Vorderfläche und Rückfläche des Reflektors als Planflächen ausgeführt, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Der Reflektor ist also als optischer Keil oder Keilprisma ausgeführt. Die Rückfläche des Reflektors ist so ausgerichtet, dass der einfallende Sendelichtstahl auf den Lichtempfänger reflektiert wird. Durch die Verkippung von Vorder- und Rückfläche gegeneinander werden Interferenzen im Reflektor vermieden, da intern reflektierte Sendelichtstrahlen sich nicht überlagen und nach mehrfacher interner Reflektion bei Austritt aus dem Reflektor nicht in Richtung des Lichtempfängers zurück reflektiert werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts ist der Reflektor so ausgerichtet, dass der einfallende Sendelichtstrahl und der reflektierte Sendelichtstrahl einen von Null verschiedenen Winkel zueinander aufweisen und der einfallende Sendelichtstrahl vom Reflektor direkt auf den Lichtempfänger oder eine ihm vorgelagerte Empfangsoptik reflektiert wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zusätzliche Komponenten zur Trennung von einfallendem und reflektiertem Sendelichtstrahl wie Strahlteiler oder Viertelwellenlängenplättchen wegfallen können.
In einer Ausführungsform dieser Variante können Lichtsender und Reflektor so auf einer Achse angeordnet sein, dass der einfallende Sendelichtstrahl bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Lichtsender und Reflektor entlang der Achse immer auf derselben Stelle auf den Reflektor trifft (im Rahmen üblicher Toleranzen). Der Reflektor ist gegenüber der Achse so verkippt, dass er den einfallenden Sendelichtstrahl direkt auf den Lichtempfänger oder eine ihm vorgelagerte Empfangsoptik reflektiert Der Reflektor kann bezüglich der Verkippung justierbar ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass das Gaskonzentrationsmessgerät sehr einfach an Messtrecken unterschiedlicher Länge angepasst werden kann.
In einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts sind Lichtsender und Reflektor so auf einer Achse angeordnet, dass der Sendelichtstrahl bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Lichtsender und Reflektor entlang der Achse immer auf derselben Stelle auf den Reflektor trifft (im Rahmen üblicher Toleranzen), und der Reflektor ist so ausgerichtet, dass der einfallende Sendelichtstrahl in sich zurück reflektiert wird. Ein Strahlteiler im Strahlengang lenkt den reflektierten Sendelichtstrahl in Richtung Lichtempfänger ab. Der Strahlteiler ist vorzugsweise ein polarisierender Strahlteiler. Der Lichtsender ist dabei dazu eingerichtet, einen linear polarisierten Sendelichtstrahl zu emittieren welcher nach dem Durchgang durch den Strahlteiler durch ein Viertelwellenlängenplättchen zirkular polarisiert wird. Nach Reflexion am Reflektor und erneutem Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen ist der Sendelichtstrahl wieder linear polarisiert, die Polarisationsebene jedoch um 90 Grad gedreht, so dass der reflektierte Sendelichtstrahl vom polarisierenden Strahlteiler abgelenkt und direkt oder über eine Empfangsoptik auf den Lichtempfänger geführt wird.
Das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät kann eine sogenannte Messlanze mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweisen, wobei das erste Ende an das Gehäuse angeschlossen ist und das zweite Ende in das zu messende Gas hineinragt. Die Messlanze kann ein Rohr aufweisen, wobei das Rohr Öffnungen für das zu messende Gas aufweist. Der Reflektor kann am zweiten Ende der Messlanze im Rohr oder in einem Reflektorgehäuse angeordnet sein. Eine Dichtung zwischen Reflektor und Rohr oder Reflektorgehäuse schützt die beschichtete Rückfläche des Reflektors vor dem zu messenden Gas.
Das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät kann auch in sogenannten „Cross Duct“ Anordnungen eingesetzt werden. In solchen Anordnungen ist das Gaskonzentrationsmessgerät zweigeteilt aufgebaut, wobei das erste Vorrichtungsteil das Gehäuse mit den elektro-optischen Komponenten umfasst und der Reflektor in einem zweiten separaten Vorrichtungsteil auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens angeordnet ist. Der zweite Vorrichtungsteil kann dabei ein Gehäuse für den Reflektor aufweisen, wobei eine Dichtung zwischen Gehäuse und Reflektor die beschichtete Rückfläche des Reflektors vor dem zu messenden Gas schützt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts mit einer Messlanze;
2 eine Variante eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts in „Cross Duct“ Anordnung;
3a ein Ausführungsbeispiel eines Reflektors für ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät wobei der Reflektor als Meniskuslinse ausgeführt ist;
3b ein Ausführungsbeispiel eines Reflektors für ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät wobei der Reflektor als Meniskuslinse ausgeführt ist;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Reflektors für ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät wobei der Reflektor als Keilprisma ausgeführt ist;
5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts mit koaxialer Strahlführung des Sendelichtstrahls;
6 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts mit koaxialer Strahlführung des Sendelichtstrahls.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Teile.
Ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät 10 dient zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Messgas in einem Prozesskanal 12. Der Messgasstrom ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Das Messgerät 10 umfasst ein Gehäuse 16, das mit einem ersten Ende 18 eines lanzenartigen Messrohrs 19, das einen Flansch 20 aufweist, verbunden ist. Der Flansch 20 ist außen an dem Prozesskanal 12 montiert. Das lanzenartige Messrohr 19 ragt in das Innere des Prozesskanals 12 hinein und weist Öffnungen 22 auf, durch die Messgas in das Innere des Messrohres 19 gelangen kann. Die Öffnungen 22 können Filter 24 aufweisen, so dass störende Partikel, wie Staub, Tröpfen oder dergleichen, die als Punkte angedeutet sind, nicht in das Messrohr 19 gelangen können.
In dem Gehäuse 16 ist ein Lichtsender 26 angeordnet, der einen auf einen Reflektor 50 einfallenden Sendelichtstrahl 28a emittiert. Der einfallende Sendelichtstrahl 28a wird von einer Sendeoptik 30 kollimiert und durch ein Fenster 32 in das Messrohr 19 geführt. Das Fenster 32 trennt das Innere des Gehäuses 16 vom Inneren des Messrohres 19.
An einem zweiten Ende 34 des Messrohres 19 (in 1 das rechte Ende) ist der Reflektor 50 mit einer dem Lichtsender 26 zugewandten Vorderfläche 52 und einer dem Lichtsender 26 abgewandten Rückfläche 54 angeordnet. Die Rückfläche 54 ist mit einer den einfallenden Sendelichtstrahl 28a reflektierenden Beschichtung 56 versehen. Eine den Reflektor 50 umgebende Dichtung 58, beispielswiese ein O-Ring zwischen Reflektor 50 und Messrohr 19, dichtet die Rückfläche 54 des Reflektors 50 gegenüber dem Messgas ab, so dass die Beschichtung 56 des Reflektors 50 nicht vom Messgas angegriffen werden kann.
Der einfallende Sendelichtstrahl 28a wird an der Rückfläche 54 des Reflektors 50 reflektiert, als reflektierter Sendelichtstrahl 28b durch das Fenster 32 in das Gehäuse 16 zurückgeführt und von einer Empfangsoptik 38 auf einen Lichtempfänger 40 fokussiert. Eine Auswerteeinheit 42 wertet Lichtempfangssignale des Lichtempfängers 40 aus. Der Reflektor 50 ist dabei so ausgerichtet, dass der einfallende Sendelichtstrahl 28a und der reflektierte Sendelichtstrahl 28b einen Winkel 59 zueinander aufweisen.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts 11 in einer sogenannten „Cross Duct“ Anordnung. Wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Messgas in einem Prozesskanal 12. Der Messgasstrom ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Das Gehäuse 16, ist über einen Stutzen 44, der einen Flansch 20 aufweist, von außen am Prozesskanal 12 angebracht.
In dem Gehäuse 16 ist ein Lichtsender 26 angeordnet, der einen auf einen Reflektor 50 einfallenden Sendelichtstrahl 28a emittiert. Der einfallende Sendelichtstrahl 28a wird von einer Sendeoptik 30 kollimiert und durch ein Fenster 32 im Stutzen 44 in den Prozesskanal 12 geführt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Prozesskanals 12 ist ein Reflektorgehäuse 46 in der Wand 48 des Prozesskanals 12 angeordnet. Das Reflektorgehäuse 46 nimmt den Reflektor 50 auf, der wie im Ausführungsbeispiel aus 1 aufgebaut ist, so dass auch hier der einfallende Sendelichtstrahl 28a von der Rückfläche 54 des Reflektors 50 reflektiert wird und als reflektierter Sendelichtstrahl 28b durch das Fenster 32 in das Gehäuse 16 zurückgeführt wird. Der Reflektor 50 ist dabei so ausgerichtet, dass der einfallende Sendelichtstrahl 28a und der reflektierte Sendelichtstrahl 28b einen Winkel 59 zueinander aufweisen.
Eine den Reflektor 50 umgebende Dichtung 58, beispielswiese ein O-Ring zwischen Reflektor 50 und Reflektorgehäuse 46, dichtet die Rückfläche des Reflektors 50 gegenüber dem Prozesskanal 12 ab, so dass die Beschichtung des Reflektors 50 nicht vom Messgas angegriffen werden kann.
3a zeigt eine Detailansicht des Reflektors 50 bei koaxialer Reflektion der Sendelichtstrahlen 28a, 28b. Der Reflektor ist als Meniskuslinse mit einer dem Lichtsender (nicht gezeigt) zugewandten sphärischen Vorderfläche 52 mit einem ersten Krümmungsradius R1 und einer dem Lichtsender 26 abgewandten sphärischen Rückfläche 54 mit einem zweiten Krümmungsradius R2 ausgeführt. Der Reflektor 50 besteht aus einem für die Wellenlänge transparenten Material 60 mit einer Mittendicke D auf der optischen Achse 68 des Reflektors 50. Die Rückfläche 54 des Reflektors 50 ist mit einer den einfallenden Sendelichtstrahl 28a reflektierenden Beschichtung 56 versehen.
Der einfallende Sendelichtstrahl 28a wird an der Vorderfläche 52 zunächst gemäß Brechungsgesetz von der optischen Achse 68 abgelenkt und dann an der Rückfläche 54 reflektiert. Die Krümmungsradien R1, R2 von Vorderfläche 52 und Rückfläche 54 sind dabei so gewählt, dass ein kollimierter einfallende Sendelichtstrahl 28a als kollimierter reflektierter Sendelichtstrahl 28b zurück reflektiert wird. Ein geringer Anteil des reflektierten Sendelichtstrahles 28b wird als mehrfachreflektierter Sendelichtstrahl 28c (in der Zeichnung gestrichelt dargestellt) an der Vorderfläche 52 des Reflektors 50 wieder in den Reflektor 50 zurück reflektiert. Der mehrfachreflektierte Sendelichtstrahl 28c wird nach erneuter Reflektion an der Rückfläche 54 des Reflektors 50 weiter von der optischen Achse 68 abgelenkt. Damit werden Störlicht auf dem Lichtempfänger 40 und Interferenzen im Reflektor 50 vermieden. Dies gilt insbesondere auch für Mehrfachreflexionen höherer Ordnung, also bei mehr als einer Reflexion zwischen Vorderfläche 52 und Rückfläche 54 im Reflektor 50.
Ebenso werden direkt an der Vorderfläche 52 reflektierte Strahlen 28d (in der Zeichnung punktiert dargestellt) von der optischen Achse 68 abgelenkt und gelangen somit nicht auf den Lichtempfänger
Um eine möglichst große Separation vom reflektierten Sendelichtstrahl 28b zum mehrfach reflektierten Sendelichtstrahl 28c zu erreichen, kann der Krümmungsradius R1 der Vorderfläche 52 unter Berücksichtigung der Randbedingungen Kollimationserhaltung des reflektierten Sendelichtstrahls 28b, Mittendicke D und Brechungsindex des Reflektormaterials 60, Wellenlänge des Sendelichtstrahls und Durchmesser des Sendelichtstrahls möglichst klein gehalten werden. Das Verhältnis von Krümmungsradius R1 der Vorderfläche 52 zu Krümmungsradius R2 der Rückfläche 54 ist dabei näherungsweise linear.
Für einen beispielhaften Reflektor aus Suprasil als transparentem Material 60, mit einer Mittendicke D 66 von 5 mm ergibt sich bei einem einfallenden Sendelichtstrahl 28a mit 5mm Durchmesser und einer Wellenlänge von 760 nm: $R 1 = 0,3112 * R 2 + 1,44$
in einem Intervall von 50 mm - 150 mm für den Krümmungsradius R2 der Rückfläche 54.
Die Anforderung, dass ein kollimierter einfallender Sendelichtstrahl 28a in einen kollimierten reflektierten Sendelichtstrahl 28b abgebildet wird, erfüllen alle Radienkombinationen, die der obigen Formel genügen.
Die Anforderung, dass mehrfach reflektierte Sendelichtstrahlen 28c möglichst weit von der optischen Achse 68 abgelenkt werden, wird immer für die kleinsten Krümmungsradien R1 und R2 erfüllt. Im obigen Beispiel ergibt sich damit ein Krümmungsradius R1 der Vorderfläche 52 von 17 mm und ein Krümmungsradius R2 der Rückfläche 54 von 50 mm.
3b zeigt eine Detailansicht des Reflektors 50 bei Verwendung in den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen. Der Reflektor 50 ist mit seiner optischen Achse 68 gegenüber dem einfallenden Sendelichtstrahl 28a verkippt, so dass einfallender Sendelichtstrahl 28a und reflektierter Sendelichtstrahl 28b einen Winkel 59 zueinander aufweisen. Mehrfach reflektierte Sendelichtstrahlen 28c (in der Zeichnung gestrichelt dargestellt) werden auch hier weiter von der optischen Achse 68 und damit vom weiter einfach reflektierten Sendelichtstrahl 28b abgelenkt. Damit werden auch hier Störlicht auf dem Lichtempfänger 40 und Interferenzen im Reflektor 50 vermieden. Dies gilt insbesondere auch für Mehrfachreflexionen höherer Ordnung, also bei mehr als einer Reflexion zwischen Vorderfläche 52 und Rückfläche 54 im Reflektor 50.
Ebenso werden direkt an der Vorderfläche 52 reflektierte Strahlen 28d (in der Zeichnung punktiert dargestellt) von der optischen Achse 68 abgelenkt und gelangen somit nicht auf den Lichtempfänger
Die Anforderungen an die Krümmungsradien R1, R2 des Reflektors gelten analog zu 3.
4 zeigt einen alternativen Reflektor 70 für ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät. Der Reflektor ist als Keilprisma mit einer dem Lichtsender (nicht gezeigt) zugewandten planen Vorderfläche 72 und einer dem Lichtsender abgewandten planen Rückfläche 74 ausgeführt. Das Material des Prismas ist ein für die Wellenlänge des einfallenden Sendelichtstrahls 28a transparentes Material 75 und die Rückfläche des Reflektors 70 ist mit einer den einfallenden Sendelichtstrahl 28a reflektierenden Beschichtung 76 versehen. Vorderfläche und Rückfläche des Reflektors sind gegeneinander geneigt, so dass intern mehrfach reflektierte Sendelichtstrahlen 28c nicht interferieren und nach mehrfacher interner Reflektion von der optischen Achse 78 des Reflektors abgelenkt werden, wodurch Störlicht auf dem Lichtempfänger 40 reduziert wird. Dies gilt insbesondere auch für Mehrfachreflexionen höherer Ordnung, also bei mehr als einer Reflexion zwischen Vorderfläche 72 und Rückfläche74 im Reflektor 70.
Ebenso werden direkt an der Vorderfläche 72 reflektierte Strahlen 28d (in der Zeichnung punktiert dargestellt) von der optischen Achse 78 abgelenkt und gelangen somit nicht auf den Lichtempfänger.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts 80. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 sind hier der einfallende Sendelichtstrahl 28a und der reflektierte Sendelichtstrahl 28b koaxial geführt, weisen also keinen Winkel zueinander auf. Zur Trennung der Strahlen ist im Gehäuse 16 ein polarisierender Strahlteiler 82 und ein Viertelwellenlängenplättchen 84 angeordnet. Der Lichtsender 26 emittiert zunächst einen linear polarisierten einfallenden Sendelichtstrahl 28a, der den polarisierenden Strahlteiler passiert und bei Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen 84 zirkular polarisiert wird. Nach Reflektion am Reflektor 50 wird der zirkularpolarisierte reflektierte Sendelichtstrahl 28b beim erneuten Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen 84 wieder linear polarisiert. Da die Polarisationsrichtung des nun linear polarisierten reflektierten Sendelichtstrahls 28b um 90 Grad zur ursprünglichen Polarisationsrichtung des linear polarisierten einfallenden Sendelichtstrahl 28a gedreht ist, wird der reflektierten Sendelichtstrahls 28b vom polarisierenden Strahlteiler 82 abgelenkt und auf den Lichtempfänger 40 geführt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts 90, welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 4 entspricht. Lediglich der als Meniskuslinse ausgeführte Reflektor 50 ist durch den als Keilprisma ausgeführten Reflektor 70 aus der 3b ersetzt.
Analog dazu lässt sich auch der der als Meniskuslinse ausgeführte Reflektor 50 der Ausführungsbeispiele aus den 1 und 2 durch den als Keilprisma ausgeführten Reflektor 70 aus der 3b ersetzen.
Ebenso ist dem Fachmann ersichtlich, dass die in den 4 und 5 beschriebene koaxiale Führung von einfallendem Sendelichtstrahl 28a und reflektiertem Sendelichtstrahl 28b auch in der in 2 gezeigten „Cross Duct“ Anordnung verwendbar ist.

Claims

Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80) zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas mit - einem Gehäuse (16), - einem im Gehäuse (16) angeordneten Lichtsender (26) zur Emission eines einfallenden Sendelichtstrahls (28a) - einer Sendeoptik (30) zum Leiten des einfallenden Sendelichtstrahls (28a) durch ein zu messendes - einem Reflektor (50) zur Reflexion des durch das zu messende Gas geleiteten einfallenden Sendelichtstrahls (28a) als reflektierten Sendelichtstrahl (28b) zurück durch das zu messende Gas auf einen Lichtempfänger (40), wobei der Reflektor (50) aus wenigstens einem für den einfallenden Sendelichtstrahl (28a) transparenten Material (60) besteht und eine dem Lichtsender (26) zugewandte Vorderfläche (52) und eine dem Lichtsender (26) abgewandte Rückfläche (54) aufweist, wobei die Rückfläche (54) des Reflektors (50) eine Beschichtung (56) zur Reflexion des einfallenden Sendelichtstrahls (28a) - und einer Auswerteeinrichtung (42) zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (50) als Meniskuslinse ausgeführt ist, wobei die Vorderfläche (52) einen ersten Krümmungsradius (R1) und die Rückfläche (54) einen zweiten Krümmungsradius (R2) aufweist, wobei die Vorderfläche (52) und die Rückfläche (54) des Reflektors (50) unterschiedliche Krümmungsradien (R1, R2) aufweisen.
Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80) nach Anspruch 1, wobei der erste Krümmungsradius (R1) und der zweite Krümmungsradius (R2) derart gewählt sind, dass ein kollimierter einfallender Sendelichtstrahl (28a) nach Reflexion am Reflektor (50) kollimiert bleibt.
Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80) nach Anspruch 2, wobei der erste Krümmungsradius (R1) kleiner als der zweite Krümmungsradius (R2) ist.
Gaskonzentrationsmessgerät (90) zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas mit - einem Gehäuse (16), - einem im Gehäuse (16) angeordneten Lichtsender (26) zur Emission eines einfallenden Sendelichtstrahls (28a) - einer Sendeoptik (30) zum Leiten des einfallenden Sendelichtstrahls (28a) durch ein zu messendes Gas, - einem Reflektor (70) zur Reflexion des durch das zu messende Gas geleiteten einfallenden Sendelichtstrahls (28a) als reflektierten Sendelichtstrahl (28b) zurück durch das zu messende Gas auf einen Lichtempfänger (40), wobei der Reflektor (70) aus wenigstens einem für den einfallenden Sendelichtstrahl (28a) transparenten Material (75) besteht und eine dem Lichtsender (26) zugewandte Vorderfläche (72) und eine dem Lichtsender (26) abgewandte Rückfläche (74) aufweist, wobei die Rückfläche (74) des Reflektors (70) eine Beschichtung (76) zur Reflexion des einfallenden Sendelichtstrahls (28a) aufweist, - und einer Auswerteeinrichtung (42) zur Auswertung von Lichtempfangssignalen des Lichtempfängers (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (70) als Keilprisma ausgeführt ist, und die Vorderfläche (72) und die Rückfläche (74) unter einem Winkel zueinander geneigt sind.
Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeoptik (30) den einfallenden Sendelichtstrahl (28a) kollimiert.
Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Lichtempfänger (40) eine Empfangsoptik (38) zur Fokussierung des reflektierten Sendelichtstrahls (28b) auf den Lichtempfänger (40) vorgeordnet ist.
Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der einfallende Sendelichtstrahl (28a) und der reflektierte Sendelichtstrahl (28b) einen von Null verschiedenen Winkel (59) zueinander aufweisen.
Gaskonzentrationsmessgerät (80, 90) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der einfallende Sendelichtstrahl (28a) und der reflektierte Sendelichtstrahl (28b) koaxial verlaufen und das Gaskonzentrationsmessgerät (80, 90) zur Trennung von einfallendem Sendelichtstrahl (28a) und reflektiertem Sendelichtstrahl (28b) einen Strahlteiler (82) aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät (80, 90) nach Anspruch 8, wobei der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, und das Gaskonzentrationsmessgerät (80, 90) zwischen dem Strahlteiler (82) und dem Reflektor (50, 70) ein Viertelwellenlängenplättchen (84) aufweist.
Gaskonzentrationsmessgerät (10, 11, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reflektor (50, 70) zur Ausrichtung des reflektierten Sendelichtstrahls (28b) justierbar ist.