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Die Erfindung betrifft einen Reflektor für ein Transmissiometer und ein damit ausgerüstetes Transmissiometer.
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Transmissiometer dienen beispielsweise zur Bestimmung der Konzentration von Staub- oder Rußpartikeln in industriellen Abgaskanälen. Mit ihnen werden Partikelkonzentrationen mittels Transmissionsmessung, bei der in einem Durchlichtverfahren die Abschwächung des Sendelichts (Extinktion) gemessen wird, bestimmt.
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Bei einer Transmissionsmessung mit einem gattungsgemäßen Transmissiometer wird Licht von einem Lichtsender in eine quer durch den Gaskanal verlaufenden Messtrecke gesendet. Nach einem ersten Durchstrahlen der Messstrecke wird das Licht mit einem Retroreflektor wieder zurück in die Messstrecke reflektiert und nach einem zweiten Durchlaufen der Messstrecke von einem Empfänger detektiert. Der Messeffekt bei Transmissiometern ist besonders bei kleinen Messstrecken und den heute üblichen, sehr niedrigen Staubkonzentrationen hinter modernen Filtern so schwach, dass das Transmissiometer sehr empfindlich sein muss und dazu eine ausreichende Nullpunktstabilität aufweisen muss. Die Genauigkeit eines Transmissiometer hängt unter anderem von äußeren Einflüssen, wie z.B. optische Dejustage, störenden Reflexionen und thermischen Verzug ab.
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Um störende Reflexionen zu vermeiden, werden optische Grenzflächen schräg gestellt. Der Winkel, mit dem diese optischen Grenzflächen schräg gestellt werden müssen, ist abhängig vom zulässigen Verschwenkbereich der optischen Komponenten.
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Mit „zulässigem Verschwenkbereich“ ist derjenige Bereich gemeint, innerhalb dessen sich die optischen Komponenten, also unter anderem der Reflektor, aufgrund von Dejustagen oder thermischen Verzug oder sonstigen äußeren Einflüssen, bewegen dürfen, ohne das Messsignal unzulässig stark zu beeinflussen. Der Schrägstellungswinkel muss größer sein als der zulässige Verschwenkbereich. In der Praxis ist eine Schrägstellung von 2° bis 5° üblich. Optische Grenzflächen treten auch am Reflektor auf, die entsprechend schräg gestellt sein müssen. Wenn der Reflektor aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren besteht, muss jeder dieser Einzelreflektoren mit seiner Grenzfläche entsprechend schräg gestellt sein.
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Diese notwendige Schrägstellung hat den Nachteil, dass die optische Messgröße (Transmission, Opazität oder Extinktion) vom Verschwenkwinkel des Reflektors beeinflusst wird. Bewegt sich der Verschwenkwinkel des Reflektors in Richtung zunehmender Schrägstellung wird das Transmissionsignal abnehmen. Bewegt sich der Verschwenkwinkel des Reflektors in Richtung abnehmender Schrägstellung wird das Transmissionsignal zunehmen. Bei Verschwenkungen des Reflektors, zum Beispiel durch thermischen Verzug des Gaskanals und wenn der Reflektor an den Gaskanal montiert ist, wird also das Messsignal größer oder kleiner, je nachdem in welche Richtung die Verschwenkung erfolgt.
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Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn der lichtsendende und lichtempfangende Teil des Transmissiometers auf der einen Seite des Gaskanals angeordnet ist und der Reflektor mechanisch getrennt davon auf der gegenüberliegenden Seite des Gaskanals angeordnet ist. Dann wirken sich nämlich thermische Verzüge des Gaskanals unabhängig und damit meist unterschiedlich auf die unterschiedlichen Komponenten des Transmissiometer aus. Der Messstrahl, also der ausgesandte Lichtstrahl, darf nicht vom Reflektor wegwandern bzw. sich nur in dem zulässigen Verschwenkbereich bewegen. Gleiches gilt für den vom Reflektor reflektierten Lichtstrahl. Ein Auswandern des Messstrahls, also die sogenannte Verschwenkempfindlichkeit, muss innerhalb eines vorgegebenen Maßes liegen. Es ist das Ziel, diese Verschwenkempfindlichkeit möglichst gering zu halten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Retroreflektor für ein Transmissiometer und ein damit ausgerüstetes Transmissiometer bereitzustellen, mit der die vorgenannten Nachteile reduziert werden können, um eine größere Unabhängigkeit von äußeren Einflüssen zu erreichen und damit eine höhere Genauigkeit bei der Partikelkonzentrationsmessung zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Retroreflektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Transmissiometer mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Ein erfindungsgemäßer Retroreflektor für ein Transmissiometer zur Reflexion eines Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl eine optische Achse definiert und aus einer Lichtstrahl-Einfallsrichtung auf den Retroreflektor trifft, umfasst:
- - eine Reflektorhalterung,
- - eine in der Reflektorhalterung gehaltene Mehrzahl Einzelreflektoren, wobei jeder Einzelreflektor eine Frontgrenzfläche aufweist, durch die zumindest Anteile des Lichtstrahls in den jeweiligen Einzelreflektor eintreten,
- - wobei die Einzelreflektoren einer ersten Gruppe derart gegenüber einer senkrecht zur Lichtstrahl-Einfallsrichtung liegenden Ebene verschwenkt sind, dass deren Frontgrenzflächen in ersten Winkeln größer 0° gegenüber der Ebene liegen,
- - und die Einzelreflektoren einer zweiten Gruppe derart gegenüber der Ebene verschwenkt sind, dass deren Frontgrenzflächen in zweiten Winkeln kleiner 0° gegenüber der Ebene liegen,
- - wobei die Verschwenkachsen der Einzelreflektoren der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe parallel sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Retroreflektor in der Realität kein idealer Retroreflektor ist und in leichter Schrägstellung, die an sich notwendig ist, um störende Direktreflexionen an optischen Grenzflächen zu vermeiden, nicht das gesamte Licht ideal in sich zurück reflektiert, sondern eine leichte Winkelabhängigkeit der Lichtintensität aufweist.
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Ein erfindungsgemäßer Retroreflektor hat nun den besonderen Vorteil, dass bei ungewolltem Verschenken des Reflektors durch äußere Einflüsse (zum Beispiel Temperaturverzug) sich die Einflüsse der Einzelreflektoren auf das Messsignal durch das Verschwenken teilweise kompensieren. So erfolgt bei einer Gruppe der Einzelreflektoren eine Vergrößerung der Schrägstellung und bei einer anderen Gruppe der Einzelreflektoren eine Verkleinerung der Schrägstellung, so dass sich die gegenläufigen Effekte in Summe aufheben können.
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Ein mit dem erfindungsgemäßen Retroreflektor ausgerüstetes Transmissiometer ist dann unabhängiger von thermischen Verzug und kann die geforderten Genauigkeiten unter realen Bedingungen besser einhalten. Außerdem ist eine Mehrzahl kleinerer Einzelreflektoren preisgünstiger als entsprechende, großflächige Retroreflektoren. Das Ziel, die Verschwenkempfindlichkeit zu reduzieren, ist insgesamt damit erreicht.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Winkel untereinander alle gleich groß und die zweiten Winkel sind untereinander ebenfalls alle gleich groß. Dadurch ist Symmetrie geschaffen, so dass der Effekt durch eine Verschwenkung in eine Verschwenkrichtung der gleiche ist wie der Effekt bei Verschwenkung in die entgegengesetzte Verschwenkrichtung.
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Da meistens die Richtung eines thermischen Verzugs nicht vorhersagbar ist, sind in vorteilhafter Weise in Weiterbildung der Erfindung der erste und der zweite Winkel betragsmäßig gleich groß. Vorteilhafte Winkelbereiche für die Schrägstellung liegen im Bereich von insbesondere 1° bis 2,5°.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Einzelreflektoren als Tripelreflektoren ausgebildet und eine Vielzahl von Tripelreflektoren sind über den Querschnitt des Lichtstrahls verteilt in der Reflektorhalterung angeordnet. Tripelreflektoren sind effektiv und kostengünstig.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass es dritte und vierte Gruppen von Einzelreflektoren gibt, wobei die Verschwenkachsen der dritten und vierten Gruppe zueinander parallel sind, aber nicht parallel zu den Verschwenkachsen der ersten und zweiten Gruppe. Da man im Vorhinein die Richtung eines thermischen Verzugs nicht kennt, kann es vorteilhaft sein, auch in andere Richtungen Kompensationen durch weitere Gruppen mit anderer Schrägstellung vorzusehen.
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Um exakte Symmetrie zu erhalten und die Effekte des Verschwenkens in entgegengesetzte Richtungen gleich zu halten, sind in Weiterbildung der Erfindung die Einzelreflektoren der beiden Gruppen jeweils paarweise symmetrisch zur optischen Achse auf dem Strahlquerschnitt angeordnet.
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Zum Schutz der Einzelreflektoren kann die Reflektorhalterung ein Frontfenster aufweisen, dessen optische Grenzfläche in einem Winkel zur Lichtstrahl-Einfallsrichtung angeordnet ist, wobei der Winkel betragsmäßig größer ist als der erste und der zweite Winkel. Gerade die Schrägstellung des Frontfensters hatte einen negativen Effekt auf die Verschwenkempfindlichkeit, so dass die kompensierende Eigenschaft des erfindungsgemäßen Retroreflektors hier besonders zum Tragen kommt.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Transmissiometer, dass den erfindungsgemäßen Retroreflektor einsetzt. Ein solches Transmissiometer weist einen Lichtsender zur Aussendung eines Lichtstrahls in ein Messvolumen auf, einen erfindungsgemäßen Retroreflektor, der den Lichtstrahl zurück in dem Messvolumen reflektiert, einen Lichtempfänger zum Empfang des das Messvolumen durchlaufenden Lichts und Erzeugung von Empfangssignalen und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale und Bestimmung der Extinktion des Lichtstrahls im Messvolumen, um daraus Stoffgehalte eines Fluids im Messvolumen bestimmen zu können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Transmissiometers an einem Gaskanal;
- 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Retroreflektor;
- 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Retroreflektors;
- 4 eine Darstellung wie 2 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Retroreflektor.
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Das Transmissiometer 10 weist in einer Sender-Empfängereinheit 18 einen Lichtsender 22 auf, vorzugsweise eine LED mit einer Sendeoptik 20, dessen Sendelichtstrahl 24 einen Kanal 16, z.B. ein industrieller Abgaskanal, durchleuchtet und eine optische Achse 21 definiert. Der Sendelichtstrahl 24 wird in einem Retroreflektor 26, der in einer Reflektorhalterung 14 gehalten ist, reflektiert und von dort im Idealfall in sich selbst zurückreflektiert. Das reflektierte Licht trifft in der Sende-Empfangseinheit 18 auf einen Teilerspiegel 28 und wird von diesem auf einen Lichtempfänger 30 gelenkt. Über den Empfänger 30 kann somit eine Abschwächung des Sendelichts 24 (Extinktion) durch Partikel 32 in dem Kanal 16 gemessen werden, wozu die dem empfangenen Licht entsprechenden Empfangssignale des Lichtempfängers 30 in einer Auswerteeinheit 34 ausgewertet werden. Auf diese Weise werden Transmissions-Messwerte erhalten, aus denen wiederum eine Partikelkonzentration ermittelbar ist.
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Kern der Erfindung ist die Ausbildung des Retroreflektors 26. Der erfindungsgemäße Retroreflektor 26 umfasst eine Reflektorhalterung 14, in der eine Mehrzahl Einzelreflektoren gehalten ist, die allgemein mit den Bezugszeichen 40 bezeichnet sind. Wenn ein Einzelreflektor allein genannt wird, erhält er das Bezugszeichen 40 plus eine laufende Nummer. Ein Frontfenster 46 schützt den Retroreflektor 26 gegenüber dem Inneren des Kanals 16 und den darin befindlichen Gasen und Partikeln. Von den Einzelreflektoren 40, die jeweils als Retroreflektoren ausgebildet sind, vorzugsweise als Tripelreflektoren, sind in der Draufsicht der 2 beispielhaft sechs Stück dargestellt, die mit 40-1 bis 40-6 nummeriert sind. Die Anordnung der Einzelreflektoren 40 untereinander kann grundsätzlich beliebig gestaltet sein. Es ist jedoch vorteilhaft, symmetrische Anordnungen zu verwenden, so dass die einzelnen Reflektoren 40 über den Querschnitt Q des Lichtstrahls 24 verteilt angeordnet sind. Eine mögliche symmetrische Anordnung ist in 2 gezeigt, bei der die Einzelreflektoren 40 jeweils paarweise symmetrisch zu einer hier horizontalen Ebene 21-E liegen, in der sich die optische Achse 21 befindet.
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Die einzelnen Reflektoren 40 sind in wenigstens zwei Gruppen gruppiert. Die erste Gruppe umfasst die Einzelreflektoren 40-1, 40-3, 40-5. Die zweite Gruppe umfasst wenigstens die Einzelreflektoren 40-2, 40-4, 40-6. Die Anordnung ist in dieser Ausführung so gewählt, dass die Einzelreflektoren 40 paarweise symmetrisch zur horizontalen Ebene 21-E liegen und die Einzelreflektoren unterhalb der horizontalen Ebene 21-E der ersten Gruppe und die Einzelreflektoren oberhalb der horizontalen Ebene 21-E der zweiten Gruppe angehören.
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Weiter weist jeder Einzelreflektor 40 eine Frontgrenzfläche 42 auf, durch die jeweils Anteile des Lichtstrahls 24 in den jeweiligen Einzelreflektor 40 eintreten. Die Frontgrenzflächen haben wie die Einzelreflektoren eine allgemeine Bezugsziffer, hier 42, die mit einer laufenden Nummer versehen wird, wenn auf einzelne bestimmte Frontgrenzflächen Bezug genommen wird. Zwei dieser Einzelreflektoren 40 sind in 3 im Querschnitt dargestellt, wobei, wie erwähnt, der Einzelreflektor 40-1 der ersten Gruppe angehört und der gegenüberliegende Einzelreflektor 40-2 der zweiten Gruppe.
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Die Einzelreflektoren 40-1, 40- 3, 40- 5 der ersten Gruppe sind derart gegenüber einer senkrecht zur Lichtstrahl-Einfallsrichtung (optische Achse 21) liegenden Ebene 56 verschwenkt angeordnet, dass deren Frontgrenzflächen 42-1 in ersten Winkeln 52 größer 0° gegenüber der Ebene 56 liegen.
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Die Einzelreflektoren 40-2, 40-4, 40-6 der zweiten Gruppe sind derart gegenüber der Ebene 56 verschwenkt angeordnet, dass deren Frontgrenzflächen 42-2 in zweiten Winkeln 54 kleiner 0° gegenüber der Ebene 56 liegen.
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Zur vollständigen Definition der ersten und zweiten Winkel 52 und 54 im Raum ist es noch notwendig, die Verschwenkachsen der Einzelreflektoren anzugeben. Im Prinzip sind diese nicht festgelegt, aber die Verschwenkachsen aller Einzelreflektoren der beiden Gruppen sind parallel und liegen in dem Ausführungsbeispiel nach 2 in der Horizontalen und senkrecht zur optischen Achse 21. Andere Lagen der Verschwenkachsen sind selbstverständlich auch möglich.
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Bevorzugt sind die ersten Winkel 52, also die Neigung der Frontgrenzfläche 42 der Einzelreflektoren 40 der ersten Gruppe untereinander, alle gleich groß und die zweiten Winkel 54 sind ebenfalls untereinander alle gleich groß. Es ist vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Winkel auch betragsmäßig gleich groß sind, also die Neigung der Einzelreflektoren der ersten Gruppe genauso groß ist wie die Neigung der Einzelreflektoren der zweiten Gruppe nur in die andere Richtung. Vorteilhafte Winkelbereiche für die Schrägstellungen liegen im Bereich von insbesondere 1° bis 2,5°.
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Dies soll noch mal anhand der 3 beschrieben werden. In der 3 ist stark schematisch ein Querschnitt entlang der Linie III-III der 2 gezeigt. Es ist der Retroreflektor 26 mit seinem Frontfenster 46 und der Halterung 14 dargestellt. In diesem Querschnitt sind die beiden Einzelreflektoren 40-1 und 40-2 in der Halterung 14 erfindungsgemäß in einem bestimmten Winkel zur Ebene 56. Das Frontfenster 46 ist gegenüber der Ebene 56 um einen Schrägstellwinkel 50 geneigt, also nicht 90° zur optischen Achse 21, um in bekannter Weise ungewollte Mehrfachreflexionen zu vermeiden. In der Zeichnung beträgt dieser Schrägstellwinkel 5°.
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Der Einzelreflektor 40-1 ist jetzt in dem ersten Winkel 52 (hier 2°) gegenüber einer Senkrechten zur optischen Achse geneigt. Das entspricht einem Winkel von 3° zwischen dem Frontfenster 46 und der Frontgrenzfläche 42-1 des Einzelreflektors 40-1. Der Einzelreflektor 40-2 ist in dem zweiten Winkel 54 (hier -2°) gegenüber der Senkrechten zur optischen Achse geneigt. Das entspricht einem Winkel von 7° zwischen dem Frontfenster 46 und der Frontgrenzfläche 42-2. Die Verschwenkachsen der Einzelreflektoren sind bevorzugt auch parallel zur Verschwenkachse des Frontfenster 46
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Durch diese Anordnung wird der störende Teil des Sendelichts 24, der an dem Frontfenster 46 reflektiert wird, in eine Richtung zurückreflektiert, die um den ausreichend großen Winkel von 10° (bei 5° Schrägstellwinkel) von der optischen Achse abweicht und gelangt daher nicht mehr ins Transmissionmeter, in dem diese Reflexion ansonsten stören würde. Die störenden Anteile des Sendelichts 24, die an der Frontgrenzfläche 42-1 des Einzelreflektors 40-1 der ersten Gruppe reflektiert werden, werden aufgrund der 2°-Schrägstellung der Frontgrenzfläche 42-1 um einen Winkel reflektiert, der +4° von der optischen Achse abweicht. An der Frontgrenzfläche 42-2 des Einzelreflektors 40-2 der zweiten Gruppe (Schrägstellung -2°) erfolgt eine Reflexion des Lichts, das jetzt um einen Winkel von -4° von der optischen Achse abweicht.
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Durch die entgegengesetzte Schrägstellung der Einzelreflektoren 40-1 und 40-2 wirkt sich beim ungewollten Verschwenken des Retroreflektors 26 aufgrund von Verzug oder dergleichen das Verschwenken auf die beiden Einzelreflektoren 40-1 und 40-2 entgegengesetzt aus. Etwaige Reflexionsfehler der einzelnen Retroreflektoren können sich also gegenseitig kompensieren.
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Die Anordnung der Einzelreflektoren 40 ist in 2 lediglich beispielhaft dargestellt. Andere Anordnungen sind möglich. So zeigt zum Beispiel die 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung. Hier sind die Einzelreflektoren jeweils quasi punktsymmetrisch zur optischen Achse 21 angeordnet. Jeweils gegenüberliegende Einzelreflektoren, zum Beispiel 40-1 und 40-2 oder 40-3 und 40-4 usw. gehören jeweils unterschiedlichen Gruppen an.
