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Die Erfindung betrifft ein Gaskonzentrationsmessgerät zur Bestimmung einer Gas- oder Partikelkonzentration in einem Messvolumen, eine Konzentrationsmessanordnung mit einem Messvolumen und einem solchen Gaskonzentrationsmessgerät.
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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 Medium 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.
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Dazu ist eine Lichtquelle zum Aussenden von Messlicht durch das Gehäuse in das Messvolumen vorgesehen. Mit einem Lichtempfänger wird das Messlicht nach seinem Durchgang durch das Messvolumen empfangen, wobei der Lichtempfänger z.B. in demselben Gehäuse wie der Messlichtquelle angeordnet sein kann oder an einem zweiten Gehäuse, das ebenfalls mit einer Öffnung an dem Messvolumen angeflanscht ist. Im erstgenannten Fall ist z.B. auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens ein entsprechender Reflektor angeordnet, der das Messlicht nach dem ersten Durchgang durch das Messvolumen in Richtung des Lichtempfängers zurückreflektiert.
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Mit Hilfe einer Auswerteeinheit kann aus der Absorption des Messlichts auf dem Weg vom Messlichtquelle zum Lichtempfänger die Gas- oder Partikelkonzentration bestimmt werden.
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Messlichtquelle, Lichtempfänger, Auswerteeinheit und gegebenenfalls vorhandene optische Elemente, wie zum Beispiel Linsen, bilden einen optischen Analysator.
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Ein häufiges Anwendungsgebiet derartiger Gaskonzentrationsmessgeräte ist die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Medium, das sich in einem Messvolumen befindet oder ein entsprechendes Messvolumen durchströmt. Im Folgenden wird als zu messendes Gas oftmals Sauerstoff angegeben, wobei entsprechende Gaskonzentrationsmessgeräte jedoch in analoger Weise auch für die Konzentrationsbestimmungen anderer Gase vorgesehen und ausgestaltet sein bzw. verwendet werden können.
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Dabei ist es wünschenswert, dass nur die Sauerstoffkonzentration in diesem Messvolumen gemessen wird. Optische Analysatoren haben jedoch freie Lichtwege zwischen den enthaltenen optischen Elementen und sind zur Vermeidung von hohen Temperaturen und Verschmutzung meist ein Stück vom eigentlichen Messvolumen abgesetzt, beispielsweise, wenn heißes oder korrosives Gas im Messvolumen ist. Die freien Strecken (Totvolumina) sollten - insbesondere bei der Messung von Sauerstoffkonzentrationen - sauerstofffrei sein oder der dort enthaltene Sauerstoff muss rechnerisch aus dem Messwert entfernt werden. Schließlich ist es bei vielen Anwendungen notwendig, dass das Gaskonzentrationsmessgerät von dem zu messenden Gas in dem Messvolumen isoliert ist, um z.B. die Messung von heißen Gasen zu ermöglichen.
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Ein Ansatz zur Verringerung von Totvolumina ist beispielsweise in der
WO 2006/030059 beschrieben. Dort wird versucht, die freien Strecken zwischen Lichtquelle, Linsen und Empfänger möglichst gering zu halten, so dass der dort noch enthaltene Sauerstoff nicht ins Gewicht fällt. Durch die daraus entstehende Nähe des optischen Analysators zum Messvolumen können aber z.B. bei Messung von heißem Gas Temperaturprobleme auftreten.
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Schließlich offenbart die
EP 2 508 869 B1 der Anmelderin ein Gaskonzentrationsmessgerät, bei dem in dem Gehäuse, in dem die Lichtquelle und der Lichtempfänger angeordnet sind bzw. in den Gehäusen, in denen die Lichtquelle bzw. der Lichtempfänger angeordnet sind, wenigstens ein Feststoffkörper derart angeordnet ist, dass der Messlichtweg innerhalb des Gehäuses bzw. der Gehäuse weitgehend durch diesen Feststoff führt. Auf diese Weise werden Totvolumina verringert. Zur Strahlformung und Einkopplung des Messlichts in den Feststoffkörper ist eine zusätzliche Optik vorgesehen, die am Festkörper aufgeklebt ist. Diese benötigt jedoch zusätzlichen Bauraum und Grenzflächen zwischen der zusätzlichen Optik und dem Feststoffkörper können Quellen für störende Interferenzen sein.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Gaskonzentrationsmessgerät anzugeben, bei dem der optische Aufbau vereinfacht und störende Einflüsse beim Einkoppeln von Messlicht vermindert werden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Gaskonzentrationsmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche sind auf besondere Ausführungsformen und Ausgestaltungen gerichtet.
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Ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät zur Bestimmung einer Gas- oder Partikelkonzentration in einem Messvolumen weist wenigstens ein erstes Gehäuse mit einer Öffnung zur Verbindung mit dem Messvolumen und eine Messlichtquelle zum Aussenden eines Messlichtstrahls durch das erste Gehäuse in das Messvolumen auf. In demselben ersten Gehäuse wie der Messlichtquelle oder in einem zweiten Gehäuse mit einer Öffnung zur Verbindung mit dem Messvolumen ist ein Lichtempfänger zum Empfang des Messlichtstrahls nach seinem Durchgang durch das Messvolumen angeordnet.
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Eine Auswerteeinheit wertet den am Lichtempfänger empfangenen Messlichtstrahl aus und kann die Gas- oder Partikelkonzentration insbesondere aus der Absorption des Messlichtstrahls auf dem Weg vom Messlichtquelle zum Lichtempfänger bestimmen.
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Im ersten Gehäuse ist wenigstens ein Glaskörper zum Leiten des Messlichtstrahls von der Lichtquelle in das Messvolumen vorgesehen, wobei als Glaskörper ein monolithischer Körper aus einem für die von der Messlichtquelle ausgesendeten Wellenlängen transparenten Material zu verstehen ist. Als Material können beispielsweise Krongläser, Borosilikat-Krongläser oder bei kürzeren Wellenlängen Quarzglaser verwendet werden. Der Glaskörper weist eine erste Fläche zum Einkoppeln des vom Messlichtquelle ausgesendeten Messlichtstrahls in den Glaskörper, eine zweite Fläche zur Strahlformung des Messlichtstrahls und zur Reflexion des Messlichtstrahls innerhalb des Glaskörpers in Richtung des Messvolumens sowie eine dritte Fläche zum Auskoppeln des Messlichtstrahls aus dem Glaskörper in das Messvolumen auf.
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Die zweite Fläche des Glaskörpers weist zur Strahlformung und Reflexion des Messlichtstrahls wenigstens ein erstes Segment mit einer diffraktiven Struktur oder einer Metaoberfläche auf. Diffraktive Strukturen weisen Strukturgrößen größer/gleich der Wellenlängen des Messlichtstrahls auf und sind durch binäre, multilevel diskrete oder stückweise kontinuierliche Höhenprofile, ähnlich refraktiven Fresneloptiken charakterisiert. Als Metaoberflächen im Sinne dieser Anmeldung sind optisch wirksame Schichten zu verstehen, die Strukturen mit Strukturgrößen kleiner als die Wellenlängen des Messlichtstrahls und typischerweise ein binäres Höhenprofil aufweisen. Derartige Flächen sind aus der Fachliteratur bekannt (z.B.: Flat optics with designer metasurfaces, Nature Mater 13, 139-150 (2014). DOI: 10.1038/NMAT3839) und können durch geeignete Wahl der Strukturen Eigenschaften des Messlichtstrahls wie Phase, Amplitude und damit die Ausbreitungsrichtung sowie die Polarisation definiert verändern. Segmente aus diffraktiven Strukturen oder Metaoberflächen werden auch als „Flache Optiken“ bezeichnet. Die Verwendung von Flachen Optiken hat den Vorteil, dass auf Freiformflächen im Glaskörper verzichtet werden kann, da deren Herstellung schwierig und kostenaufwändig ist.
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Die diffraktiven Strukturen oder Metaoberflächen können durch Aufbringen von dielektrischen Mikro- oder Nanostrukturen auf den Glaskörper erzeugt oder direkt in den Glaskörper geschrieben werden. Durch Integration in den Glaskörper entsteht keine Grenzfläche wie bei einer auf dem Glaskörper aufgebrachten Optik, so dass Störungen wie Interferenzen oder Absorptionen vermieden werden.
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Die diffraktiven Strukturen oder Metaoberflächen können metallisch beschichtet sein, wodurch das Reflexionsverhalten optimiert wird.
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Die Strukturgrößen der Metaoberfläche liegen bevorzugt unterhalb der Wellenlänge des Messlichtstrahls. Dadurch werden unerwünschte Beugungsordnungen und Streulicht reduziert und somit die Effizienz der optischen Abbildung gesteigert.
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Die Einkopplung des Messlichtstrahls in den Glasköper kann so erfolgen, dass die Flächennormale der ersten Fläche des Glaskörpers und die Hauptabstrahlrichtung (optische Achse) der Messlichtquelle einen von Null verschiedenen Einfallswinkel einschließen, der Messlichtstrahl fällt also nicht senkrecht auf die erste Fläche des Glaskörpers. Vorzugsweise ist der Einfallswinkel größer als die Divergenz der Messlichtquelle. Damit werden Rückreflexe vermieden und eine interferenzfreie Einkopplung des Messlichts den Glaskörper ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät kann in sogenannten „Cross Duct“ Anordnungen eingesetzt werden. In solchen Anordnungen ist das Gaskonzentrationsmessgerät zweiteilig aufgebaut, wobei das erste Vorrichtungsteil das erste Gehäuse mit der Messlichtquelle umfasst und der Lichtempfänger in einem zweiten separaten Vorrichtungsteil auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens angeordnet ist. Der zweite Vorrichtungsteil kann dabei ein zweites Gehäuse für den Lichtempfänger aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts ist der Lichtempfänger im selben Gehäuse wie die Messlichtquelle angeordnet, wobei ein Reflektor den Messlichtstrahl aus dem Messvolumen zurück in Richtung Lichtempfänger reflektiert. Der Messlichtstrahl kann dabei durch den selben Glasköper geleitet werden, durch den er von der Messlichtquelle in das Messvolumen geleitet wird, wobei der Messlichtstrahl aus dem Messvolumen durch die dritte Fläche des Glaskörpers in den Glaskörper eintreten und von der zweiten Fläche durch die erste Fläche hindurch auf den Lichtempfänger abgelenkt werden kann. Der Messlichtstrahl weist bei Austritt aus dem Glaskörper vorzugsweise einen von Null verschiedenen Austrittswinkel zur Flächennormalen der ersten Fläche auf.
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Diese Ausführungsform 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.
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In einer Variante dieser Ausführungsform wird der Messlichtstrahl vom Reflektor, der beispielsweise als Winkelspiegel, Tripelspiegel oder als Tripelprisma ausgebildet sein kann, seitlich versetzt in den Glaskörper zurück reflektiert und trifft auf der zweiten Fläche des Glaskörpers auf ein zweites Segment mit einer diffraktiven Struktur oder einer Metaoberfläche, die zur Fokussierung des Messlichtstrahls auf den Lichtempfänger eingerichtet ist. In dieser Variante weist die zweite Fläche des Glaskörpers also zwei nebeneinander angeordnete Segmente auf, die jeweils eine diffraktive Struktur oder eine Metaoberfläche umfassen.
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In einer alternativen Variante dieser Ausführungsform wird der Messlichtstrahl vom Reflektor in sich in den Glaskörper zurück reflektiert und trifft auf der zweiten Fläche des Glaskörpers auf das erste Segment, dass zur Fokussierung des aus dem Messvolumen kommenden Messlichtstrahl auf den Lichtempfänger eingerichtet ist. In dieser Variante weist die zweite Fläche des Glaskörpers also lediglich ein Segment auf, wobei das Segment zur selektiven Reflexion des von der Messlichtquelle ausgesendeten Messlichtstrahls in das Messvolumen und des aus dem Messvolumen kommenden Messlichtstrahls auf den Lichtempfänger als polarisationssensitive Metaoberfläche ausgeführt ist. Derartige Metaoberflächen, die die so genannte Pancharatnam-Berry Phase kontrollieren und somit eine polarisationsabhängige Strahlformung und -ablenkung eines Lichtstrahls ermöglichen, sind aus der Literatur bekannt (z.B. „Multifunctional Metamirror:
- Polarization Splitting and Focusing‟, ACS Photonics 2018 5 (5), DOI: 10.1021/acsphotonics.7b01091 oder „Reflective metalens with sub-diffractionlimited and multifunctional focusing", Sci Rep 7, 12632 (2017). DOI: 10.1038/s41598-017-13004-z).
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Die Metaoberfläche des ersten Segments kann dabei so ausgebildet sein, dass rechts-zirkular polarisiertes Licht an der zweiten Fläche des Glaskörpers unter einem anderen Winkel reflektiert wird als links-zirkular polarisiertes Licht. Dadurch kann der Messlichtstrahl von dem ersten Segment sowohl von der Messlichtquelle in Richtung des Messvolumens um einen ersten Winkel abgelenkt werden als auch auf dem Weg vom Messvolumen zurück in Richtung Lichtempfänger um einen anderen, zweiten Winkel abgelenkt werden.
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Die Metaoberfläche des ersten Segments kann weiterhin so ausgebildet sein, dass sie für rechts-zirkular polarisiertes Licht eine andere Brennweite aufweist als für linkszirkular polarisiertes Licht. Dadurch kann der Messlichtstrahl von dem ersten Segment sowohl auf dem Weg von der Messlichtquelle in das Messvolumen kollimiert werden, als auch auf dem Weg vom Messvolumen zum Lichtempfänger auf diesen fokussiert werden.
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Zur zirkularen Polarisation des Messlichtstrahls kann im Strahlengang zwischen der Messlichtquelle und der zweiten Fläche des Glaskörpers ein optisches Element, beispielsweise ein Viertelwellenlängenplättchen, angeordnet sein.
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Eine weitere Variante der polarisationssensitiven Metaoberfläche des ersten Segments kann so ausgebildet sein, dass linear polarisiertes Licht (beispielsweise transversal elektrisch (TE) polarisiert) an der zweiten Fläche des Glaskörpers unter einem anderen Winkel reflektiert wird als senkrecht dazu (transversal magnetisch (TM)) linear polarisiertes Licht. Dadurch kann der Messlichtstrahl von dem ersten Segment sowohl von der Messlichtquelle in Richtung des Messvolumens um einen ersten Winkel abgelenkt werden als auch auf dem Weg vom Messvolumen zurück in Richtung Lichtempfänger um einen anderen, zweiten Winkel abgelenkt werden.
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Die Metaoberfläche des ersten Segments kann weiterhin so ausgebildet sein, dass sie für TE polarisiertes Licht eine andere Brennweite aufweist als für TM polarisiertes Licht. Dadurch kann der Messlichtstrahl von dem ersten Segment sowohl auf dem Weg von der Messlichtquelle in das Messvolumen kollimiert werden, als auch auf dem Weg vom Messvolumen zum Lichtempfänger auf diesen fokussiert werden.
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Zur Drehung der Polarisation des Messlichtstrahls kann in dieser Variante im Strahlengang zwischen der zweiten Fläche des Glaskörpers und dem Reflektor ein optisches Element, beispielsweise ein Viertelwellenlängenplättchen, angeordnet sein.
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Die Messlichtquelle ist vorzugsweise ein Laser, wenn das Gaskonzentrationsmessgerät nach dem Prinzip der Wellenlängenmodulationsspektroskopie arbeitet, ein durchstimmbarer Laser.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 a: eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts mit einer Messlanze;
- 1b: eine schematische Aufsicht der Ausführungsform aus 1a;
- 2a: eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts mit einer Messlanze;
- 2b: eine schematische Aufsicht der alternativen Ausführungsform aus 2a;
- 3a eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts in „Cross Duct“ Anordnung;
- 3b eine schematische Aufsicht der Anordnung aus 3a;
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Teile.
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Ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät 10 dient zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas. In dem in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Messgas in einem Prozesskanal 12. Der Messgasstrom ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Das Messgerät 10 umfasst ein erstes Gehäuse 16, das mit einem ersten Ende 18 eines lanzenartigen Messrohrs 20, das einen Flansch 22 aufweist, verbunden ist. Der Flansch 22 ist außen an dem Prozesskanal 12 montiert. Das lanzenartige Messrohr 20 ragt in das Innere des Prozesskanals 12 hinein und weist Öffnungen 24 auf, durch die Messgas in das Messrohr eintreten kann. Die Öffnungen 24 können Filter aufweisen, so dass störende Partikel, wie Staub, Tröpfen oder dergleichen, die als Punkte angedeutet sind, nicht in das Messrohr 20 gelangen können.
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In dem ersten Gehäuse 16 ist eine Messlichtquelle 28 angeordnet, die einen divergenten Messlichtstrahl 30a entlang einer optischen Achse 32 der Messlichtquelle 28 in einen Glaskörper 34 emittiert. Der Messlichtstrahl 30a tritt durch eine erste Fläche 36 des Glaskörpers 34 in den Glaskörper 34 ein. Die optische Achse 32 der Messlichtquelle 28 ist gegenüber einer Flächennormalen der ersten Fläche 36 geneigt, so dass der Messlichtstrahl 30a unter einem Winkel in den Glaskörper 34 eintritt, der vorzugswiese größer als die Divergenz des Messlichtstrahls 39a ist. Eine zweite Fläche 40 des Glaskörpers 34 weist ein erstes Segment 42 und ein zweites Segment 44 auf, die als diffraktive Elemente oder Metaoberflächen ausgebildet sind.
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Der Messlichtstrahl 30a wird am ersten Segment 42 kollimiert, als kollimierter Messlichtstrahl 30b in Richtung Prozesskanal 12 abgelenkt und tritt an einer dritten Fläche 46 des Glasköpers 34 aus dem Glaskörper 34 aus und in ein Messvolumen 48 im Prozesskanal 12 ein. An einem zweiten Ende des Messrohres 20 (in 1a das rechte Ende) ist ein als Winkelspiegel ausgebildeter Reflektor 50 angeordnet. Der Reflektor 50 reflektiert den kollimierten Messlichtstrahl 30b mit einem Versatz als reflektierten Messlichtstrahl 30c zurück in Richtung des Glaskörpers 34. Der reflektierte Messlichtstrahl 30c tritt durch die dritte Fläche 46 des Glasköpers 34 wieder in den Glaskörper 34 ein und wird an der zweiten Fläche 40 des Glaskörpers 34 vom zweiten Segment 44 auf einen Lichtempfänger 52 fokussiert.
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Die Auswerteeinheit 54 wertet die Lichtempfangssignale des Lichtempfängers 52 zur Bestimmung einer Gaskonzentration des Messgases aus.
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In den 2a und 2b ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus den 1a und 1b ist zwischen der Messlichtquelle 28 und dem Glaskörper 34 ein Viertelwellenlängenplättchen 56 angeordnet. Ein von der Messlichtquelle 28 entlang der optischen Achse 32 emittierter, linear polarisierter divergenter Messlichtstrahl 60a wird durch das Viertelwellenlängenplättchen 56 zirkular polarisiert. Der Messlichtstrahl 60a tritt durch die erste Fläche 36 des Glaskörpers 34 in den Glaskörper 34 ein. Die optische Achse 32 der Messlichtquelle 28 ist gegenüber einer Flächennormalen der ersten Fläche 36 geneigt, so dass der Messlichtstrahl 60a unter einem Winkel in den Glaskörper 34 eintritt, der vorzugswiese größer als die Divergenz des Messlichtstrahls 60a ist. Die zweite Fläche 40 des Glaskörpers 34 weist ein erstes Segment 58 auf, das als polarisationssensitive Metaoberfläche ausgebildet ist.
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Der Messlichtstrahl 60a wird am ersten Segment 58 kollimiert, als kollimierter Messlichtstrahl 60b in Richtung Prozesskanal 12 abgelenkt und tritt an der dritten Fläche 46 des Glasköpers 34 aus dem Glaskörper 34 aus und in das Messvolumen 48 im Prozesskanal 12 ein. Am zweiten Ende des Messrohres 20 (in 1a das rechte Ende) ist ein Reflektor 62 angeordnet. Der Reflektor 62 reflektiert den kollimierten Messlichtstrahl 60b als reflektierten Messlichtstrahl 60c in sich zurück in Richtung des Glaskörpers 34, wobei sich die Orientierung der zirkularen Polarisation ändert, beispielsweise von rechts-zirkular polarisiert auf links-zirkular polarisiert oder umgekehrt. Der reflektierte Messlichtstrahl 60c tritt durch die dritte Fläche 46 des Glasköpers 34 wieder in den Glaskörper 34 ein und trifft an der zweiten Fläche 40 des Glaskörpers 34 auf das Segment 58. Aufgrund der geänderten Polarisation wirkt die polarisationssensitive Metaoberfläche des Segments 58 so auf den reflektierten Messlichtstrahl 60c, dass dieser unter einem anderen Winkel auf den Lichtempfänger 52 abgelenkt und fokussiert wird als der Messlichtstrahl 30a von der Messlichtquelle 39 in Richtung Prozesskanal 12.
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Die Auswerteeinheit 54 wertet die Lichtempfangssignale des Lichtempfängers 52 zur Bestimmung einer Gaskonzentration des Messgases aus.
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Das erste Segment 58 des in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiels weist eine polarisationssensitive Metaoberfläche mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften für rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht auf. In einer alternativen, nicht gezeigten Variante dieses Ausführungsbeispiels kann die polarisationssensitive Metaoberfläche unterschiedliche Reflexionseigenschaften für transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) linear polarisiertes Licht aufweisen. Das Viertelwellenlängenplättchen 56 ist in dieser Variante zwischen dem Glaskörper 34 und dem Reflektor 62 angeordnet. Somit fällt der Messlichtstrahl zunächst linear TE oder TM polarisiert auf das erste Segment 58 und wird nach Reflexion an dem ersten Segment 58 beim Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen 56 zirkular polarisiert. Der Reflektor 62 reflektiert den Messlichtstrahl in sich zurück in Richtung des Glaskörpers 34, wobei sich die Orientierung der zirkularen Polarisation ändert. Bei erneutem Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen 56 wird der reflektierte Messlichtstrahl 39c wieder linear polarisiert, wobei sich die Polarisation von ursprünglich TE auf TM oder umgekehrt ändert. Aufgrund der geänderten Polarisation wirkt die polarisationssensitive Metaoberfläche des Segments 58 nun so auf den reflektierten Messlichtstrahl 39c, dass dieser unter einem anderen Winkel auf den Lichtempfänger 52 abgelenkt und fokussiert wird als der Messlichtstrahl 30a von der Messlichtquelle 39 in Richtung Prozesskanal 12.
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Die 3a und 3b zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsmessgeräts 11 in einer sogenannten „Cross Duct“ Anordnung. Wie in den vorher dargestellten Ausführungsbeispielen strömt das Messgas in einem Prozesskanal 12. Der Messgasstrom ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Das Gehäuse 16, ist über einen Stutzen 68, der einen Flansch 22 aufweist, von außen am Prozesskanal 12 angeordnet.
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In dem ersten Gehäuse 16 ist eine Messlichtquelle 28 angeordnet, die einen divergenten Messlichtstrahl 70a entlang einer optischen Achse 32 der Messlichtquelle 28 in einen Glaskörper 34 emittiert. Der Messlichtstrahl 70a tritt durch eine erste Fläche 36 des Glaskörpers 34 in den Glaskörper 34 ein. Die optische Achse 32 der Messlichtquelle 28 ist gegenüber einer Flächennormalen der ersten Fläche 36 geneigt, so dass der Messlichtstrahl 70a unter einem Winkel in den Glaskörper 34 eintritt, der vorzugswiese größer als die Divergenz des Messlichtstrahls 39a ist. Eine zweite Fläche 40 des Glaskörpers 34 weist ein erstes Segment 66 auf, das als diffraktives Element oder Metaoberfläche ausgebildet ist.
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Der Messlichtstrahl 70a wird am ersten Segment 66 kollimiert, als kollimierter Messlichtstrahl 70b in Richtung Prozesskanal 12 abgelenkt und tritt an einer dritten Fläche 46 des Glasköpers 34 aus dem Glaskörper 34 aus und in ein Messvolumen 72 im Prozesskanal 12 ein.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Prozesskanals 12 ist ein zweites Gehäuse 74 über einen Stutzen 76, der einen Flansch 78 aufweist, von außen am Prozesskanal 12 angeordnet. In dem zweiten Gehäuse ist ein zweiter Glaskörper 80 angeordnet. Der Messlichtstrahl 70b tritt durch eine erste Fläche 82 des Glaskörpers 80 in den Glaskörpers 80 ein. Eine zweite Fläche 84 des Glaskörpers 80 weist ein zweites Segment 86 auf, das als diffraktives Element oder Metaoberfläche ausgebildet ist. Der Messlichtstrahl 70b wird von dem zweiten Segment 86 abgelenkt und tritt aus einer dritten Fläche 88 des Glaskörpers aus diesem aus, wobei das zweite Segment 86 den Messlichtstrahl 70b auf den Lichtempfänger 52 fokussiert.
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Die Auswerteeinheit 54 wertet die Lichtempfangssignale des Lichtempfängers 52 zur Bestimmung einer Gaskonzentration des Messgases aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/030059 [0008]
- EP 2508869 B1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Flat optics with designer metasurfaces, Nature Mater 13, 139-150 (2014) [0015]
- „Reflective metalens with sub-diffractionlimited and multifunctional focusing“, Sci Rep 7, 12632 (2017). DOI: 10.1038/s41598-017-13004-z [0024]
