DE2202556A1

DE2202556A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Lichtundurchlaessigkeit bzw. Lichtdurchlaessigkeit eines Mediums

Info

Publication number: DE2202556A1
Application number: DE19722202556
Authority: DE
Inventors: Walker Jimmy Aubrey
Original assignee: Susquehanna Corp
Current assignee: Susquehanna Corp
Priority date: 1971-01-22
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1972-08-03
Also published as: DE2202556B2; GB1342461A; ZA718609B; FR2123019A5; JPS5313983B1; CA932552A; DE2202556C3; US3655289A

Description

Dipl.-lng.
DDiikiAcruucT7 si AACHEN, der. 18, Januar 1972

ÖKUNVJ bW-MMtlZ. Augustastraße 14-16 · Telefon503731

Patentanwalt

THE SUSQUEHANNA CORPORATION in Alexandria, Virginia (V.St.A.) Buschreibung zu Patentanmeldung

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Liobtundurchläasigkelt bzw. Liohtdurchlässigkeit eines Mediums

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Liebtundurchlässigkeit bzw. Lichtdurchlässigkeit eines Mediums, bei dem eine Lichtquelle pulsierend gespeist, die von dieser Lichtquelle ausgesandten Lichtimpulse naoh Durchtritt durch das zu messende Medium von einem mit Abstand von der Lichtquelle angeordneten Lichtdetektor aufgenommen und die Ausgangsimpulse dieses Lichtdetektors in proportionale elektrische Signale umgewandelt sowie zur Anzeige der Lichtnndurchlässigkeit bzw. Lichtdurchlässigkeit des zu messenden Mediums verwendet werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, d.h. Densitometer bzw. Schwärzungsmesser oder Durchlässigkeitsmesser. Ein besonderer Anwendungsfall dieser Vorrichtung liegt in der Messung der Lichtdurchlässigkeit bzw. Lichtundurchlässigkeit von Rauchschwaden.

Zur überschlägigen Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit von schwarzem Rauch ist seit langem die Ringelmann-Methode bekannt, bei welcher die Helligkeit des Rauchschwadens mit der Helligkeit von vier weißen Karten verglichen wird, auf denen soharze Gitter vorgesehen sind, welche 20, 40, 60 bzw. 80 i» der Kartenoberflächen bedeoken.

Man vergleicht (1) die Lichtmenge, welche dem Beobachter von dem von ihm entfernten Teil des Himmels durch den aohwarzen Rauch hinduroh übermittelt wird mit (2) der Liohtmenge eines anderen und größeren Bereichs des Himmels und der Sonne, der unabhängig von der jeweiligen Stellung von

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den weißen Bereichen der Karte zu dem Beobachter bin reflektiert wird. Selbst wenn der Rauch nicht eine beaobtliohe Menge des Liohts der Sonne und des Himmels zum Beobachter bin streut, kennt man die Grenzen eines derartigen Vergleichs zwischen völlig unterschiedlichen Quantitäten seit langer Zeit. Es ist leicht einzusehen, daß sich Probleme bezüglich der Genauigkeit ergeben, mit welcher ein Beobachter derartige Hilfsmittel, wie die Ringelmann-Karten, mit verschiedenen Schwärzungsgraden zur Bestimmung der Undurchlässigkeit von nicht schwarzen Rauchschwaden benutzen kann. Dennoch bilden die Ringelmann-Karten weiterhin die Grundlage für die Gesetzgebung und Überwachung von Rauch in den meisten, wenn nicht gar in allen Industriestaaten. Es sind auch andere Vergleichsverfahren, beispielsweise Verfahren, welche Filter verwenden, sowie Verfahren, die den direkten Lichtdurchgang messen, ausprobiert worden. Es mußte dabei jedoch festgestellt werden, daß sie dann fehlerhaft arbeiten, wenn der Rauch nicht schwarz ist oder wenn er eine beacbtliohe Liohtmenge zum Beobachter oder zum Gerät hin streut.

Für Rauchschwaden, die nicht schwarz sind oder etwas farbe haben, gibt es bisher noch kein anerkanntes Verfahren zur Abschätzung und genauen zahlenmäßigen Erfassung. Bei weißem Rauch ist z.B. der Schwaden aufgrund der Streuung des Lichtes, welohes der Schwaden von dem übrigen Himmel und von der Sonne empfängt, oftmals heller als das Licht der Himmelskulisse. Diesbezüglich ist eine Untersuchung mit Erscheinungen von schwarzen und nicht schwarzen Rauchschwaden bekanntgemacht worden (Optical Properties and Visual Effects of Smokestaok Plumes¹¹, Nr. 999-AP-3O, U.S. Department of Health, Eduoation and Welfare). Im Hinbliok auf das steigende Interesse an fragen der Luftverschmutzung und aufgrund der Unzulänglichkeiten der bisherigen Verfahren und Geräte besteht eine dringende Notwendigkeit zur Schaffung eines instrumentalen Verfahrene und einer Vorriobtung aur Messung von Rauohsohwadeneniseionen an Ort und Stelle.

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Ea sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Lichtundurchlässigkeit eines Mediums auoh bei Vorhandensein von gestreutem Licht und unabhängig von der Farbe oder dem Fehlen einer Farbe des Mediums -vorgeschlagen worden. Bei einem Rauchschwaden wird z.B. der Unterschied in der Helligkeit zwischen kontrastierenden Meßobjekten gemessen, wobei dies einmal durch den Schwaden hindurch und einmal ohne Schwaden getan wird· Die Meßobjekte bestehen aus einer optisch planschwarzen Oberfläche und einer Lichtquelle, die im Zentrum des schwarzen Meßobjekts angeordnet ist. Die Lichtquelle wird mit einer konstanten Frequenz gezündet, und ein dem Meßobjekt gegenüberliegender Detektor sieht alternativ die Lichtquelle und das kontrastierende schwarze Meßobjekt. Ein geeichter Meßstremkreis gibt die vom Detektor empfangenen Impulse weiter, um eine Anzeige des durch das gemessene Medium geschwächten und absorbierten Lichtes zu ergeben. Die Eichung und der Aufbau der Vorrichtung schalten die Wirkung von in dem Medium gestreutem Licht aus und gewährleisten eine zutreffende Messung der Durchlässigkeit. Auf diese Weise ist es nun z.B. bei der Lichtduroblässigkeitsmessung von Dieselauspuffgasen einfach festzustellen, ob die Auspuffgase die jeweils bestehenden Richtlinien erfüllen oder nicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sowohl das bekannte Verfahren als auch die zugehörige bekannte Vorrichtung zur Messung der Lichtundurcblässigkeit bzw. Lichtdurohläasigkeit eines Mediums dadurch zu verbessern, daß die Auswirkung von Störungen unterdrückt und auf diese Weise die Genauigkeit der Liohtundurchlässigkeitemessung gesteigert wird.

Es bat sich bei der Verwendung der vorerwähnten bekannten Vorrichtung gezeigt, daß Störungen, welche durch die Umgebungsbedingungen außerhalb der Vorrichtung oder durch die Arbeitsvorgänge in der Vorrichtung selbst erzeugt werden, fehlerhafte Messungen der Lichtundurchlä3sigkeit nach sich ziehen können. Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aus-

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wirkung unerwünschter Störkomponenten ausgesobaltes oder unterdrückt werden, so daß die gesamte Störungeeinwirkung eine verringerte oder minimale Auswirkung auf die Genauigkeit der Liobtundurchlässigkeitsmessungen hatτ

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Unterdrückung der Wirkung von die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Störimpulsen (noise signals) synchron zu den Ausgangsimpulsen des Liohtdetektors elektrische Basissignale erzeugt werden, welche die Ausgangsimpulse des Liohtdetektors in Bezug auf den Pegel der Störimpulse erhöhen. Auf diese Weise werden auftretende Störungen unterdrückt, so daß eine einwandfreie, genaue Ablesung möglioh ist.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sieht erfindungsgemäß vor, daß synchron zu den Ausgangsimpulsen des Liobtdetektors elektrische Basissignale an die Umwandlungssohaltung weitergebende Sohaltmittel vorgesehen sind, welohe einen impulsformenden Schaltkreis aufweisen. Diese Vorrichtung ist einfach aufgebaut und sobaltet zuverlässig Störungen aus, welche das Heßergebnis verfälsohen könnten.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umwandlungssobaltung einen Verstärker aufweist, und daß der die Basissignale aussendende Schaltkreis an den Ausgang der Einrichtung zur pulsierenden Speisung der Lichtquelle angeschlossen ist, wobei dieser Schaltkreis auf den Verstärker wirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen enthalten, auf die hier Beeug genommen wird.

Im folgenden Teil der Beschreibung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes anhand einer Zeichnung besohrleben, welohe die Sohaltung eines Senders, eines

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Empfängers sowie einen Schaltkreis zur Unterdrückung von Störungen zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung besteht aus zwei Hauptteilen, von denen der eine ein Sender 10 mit einer Lichtquelle und einem dazu einen Kontrast bildenden Meßobjekt ist» während es sich bei dem anderen Teil um einen Empfänger 12 bandelt, welcher einen Detektor und eine Behändlungs- bzw. Umwandlungs- und Anzeigeschaltung aufweist. Die Vorrichtung kann dazu benutzt werden, um die Lichtundurchlässigkeit z.B. von Rauchschwaden festzustellen. Ein spezifischer Verwendungszweck, dem die Vorrichtung in einfaoher Weise angepaßt werden kann, betrifft das geschlossene Abgassystem eines Dieselmotors beim Prüfstandversuoh. In diesem Pail ist die Vorrichtung robust ausgeführt und kann hohe Wärme, Vibrationen und Rauch für längere Zeitdauern ertragen.

In dem Sender 10 ist eine Präzisionsenergiequelle 13 vorgesehen, welohe eine Konstantstromquelle versorgt. Diese Stromquelle weist einen Transistor H, einen Emitter- Widerstand 16, Dioden 17 und 18 und einen in der übliohen Weise angeordneten Basiswiderstand 19 auf. Die Konstantstromquelle isoliert die Umwandlungssohaltung im Empfänger 12 von der Wirkung der Lichtquellenpulsationen, welohe im Sender 10 erzeugt werden, wie noch zu beschreiben ist. Der Ausgang der Konstantstromquelle ist an eine Lichtquelle 22 angeschlossen, welohe mittig in einem Meßobjekt 20 angeordnet dargestellt ist. Die Lichtquelle 22 wirkt als ein zweites Meßobjekt und ist vorzugsweise eine lichtemittierende Diode, welohe eine im wesentlichen konstante Strahlungsintensität hat.

Das Meßobjekt 20 ist hier kreisförmig dargestellt und so bemessen, daß es das Blickfeld des Detektors des Empfängers 12 ausfüllt. Das Meßobjekt 20 ist vorzugsweise mit einer optisch plansohwarzen Farbe gestrichen, um ein schwarzes oder dunkles Bezugameßobjekt zu bilden.

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Es ist ein von der Energiequelle 13 erregter Oszillator 24 vorgesehen, dessen Ausgang über eine Leitung 26 an die Basis eines Transistorsobalters 28 angeschlossen ist. Der Oszillator 24 ist so ausgelegt, daß er bei einer frequenz von 10.000 Impulsen/seo. arbeitet und mit gleicher Frequenz den Sobalter 28 betätigt. Wenn der Transistor -sobalter 28 leitend ist» dann sobließt er den Stromkreis durob die als lichtemittierende Diode ausgebildete Liobtquelle 22 und speist diese Lichtquelle mit der vorerwähnten Frequenz von 10.000 Impulsen/seo. Die Kombination dieser pulsierenden Lichtquelle 22 mit dem Meßobjekt 20 ergibt alternierende und kontrastierende Meßobjekte im Blickfeld des Detektors.

Ein Kondensator 30 ist parallel zu dem Ausgang der konstanten Stromquelle geschaltet und wird auf diese Weise zwisohen den von der Diode oder Lichtquelle 22 emittierten Liohtimpulsen aufgeladen. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist für den Kondensator 30 immer dann ein Entladungskreis über die Diode oder Lichtquelle 22 vorgesehen, wenn der Transistorschalter 28 leitend ist. Der Kondensator 30 bat vorzugsweise eine hohe Kapazität und kann eine Ladung aufnehmen, welohe für den erforderlichen Zundstrom der Diode oder Lichtquelle 22 ausreioht.

Mit dem Kollektor des Transistorschalter 28 ist ein Sobalter 32 verbunden, der normalerweise die gezeigte Stellung einnimmt, sioh aber zu dem gegenüberliegenden Kontakt bewegt, wenn der maximale Skalenaussoblag der Vorrichtung geeiobt werden soll. In dieser Stellung wird die Lichtquelle 22 umgangen, und ein geringer Widerstand 34 wird in den Stromkreis duroh den Sobalter 32 eingesetzt.

An die Leitung 26 im Sender 10 ist eine Leitung 36 angeeobloaeen, welohe in Empfänger 12 endet. Diese Leitung

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vie let einen hoohohmigen, strombegrenzenden Widerstand 38 auf, welcher in Reibe mit einem Kondensator 39 liegt. Die Verbindung dieser beiden zuletzt genannten Elemente ist an die erste Yeretärkerstufe des Empfängers 12 angeschlossen. Jedesmal, wenn der Oszillator 24 sendet, dann formen der Widerstand 38 und der Sondensator 39 den Anfangsbereioh des positiven Impulses so um, daß er eine kleine Spannungsspitze im Smpfänger 12 bildet, welche mit dem empfangenen Signal zusammenfällt, wie im Folgenden nooh erklärt wird·

In dem Empfänger 12 ist ein Detektor 40 vorgesehen, welcher auf die lichtemittierende Diode oder lichtquelle 22 eingestellt ist, so daß diese Diode und das Heßobjekt 20 sein Blickfeld ausfüllen. Zu diesem Zweck ist der Detektor 40 in einer Platte 42 versenkt dargestellt. Bei dem Detektor 40 handelt es sich vorzugsweise um eine lichtempfindliche Diode, z.B. um eine Siliziumphotodiode, deren Strom von der Intensität des empfangenen Lichtes genau gesteuert wird. Der Detektor 40 ist mit Abstand von den Heßobjekten 20 und 22 angeordnet, so daß ein Rauchschwaden dazwischen hindurchtreten kann.

Die Darstellung der Heßobjekte 20 und 22 sowie des Detektors 40 in der Zeichnung ist lediglich als Beispiel der Anordnung zu verstehen, die in der Praxis angewendet werden kann, solange dem Detektor 40 während seines Betriebes alternierende und kontrastierende Heßobjekte gegenüberstehen. Als Beispiel einer anderen Aueführungsform kann sowohl bei der Lichtquelle 22 als auoh bei dem Detektor 40 eine Linse vorgesehen sein, um einen pulsierenden gebündelten Llobt-, strahl zu schaffen, weloher den Weg dts Rauoheohwadene schneidet und auf den Detektor 40 ausgerichtet ist. Die Verwendung von Linsen ermöglicht es, sowohl die Lichtquelle 22 als auoh den Detektor 40 versenkt in zueinander ausge- '

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riohteten rohrförmigen Gehäusen geringen Durchmessers unterzubringen. Wenn die Lichtquelle 22 zwischen den Impulsen dunkel ist, dann ergibt sich durch das Fehlen von Hobt in den rohrförmigen Gehäusen das Äquivalent zu dem dunklen Meßobjekt 20.

Sie Anode der Diode 40 ist an die negative Netzleitung angeschlossen, während die Kathode mit dem Eingang eines Vorverstärkers 44 in Verbindung steht. Der Vorverstärker 44 verstärkt die von der Diode 40 kommenden Stromimpulse und verbessert auf diese Weise das Signal-/Störspannungsverhältnis der Signale, welche über die Leitung 46 in die Umwandlungssohaltung gelangen. Die Leitung 46 endet an einem Eingangswiderstand 48, der als Potentiometer aufgebaut ist. Dieses Potentiometer steuert den Eingangspegel der Verstärkerschaltung und bildet ein Mittel zur Nullpunkt-Eichung des Meßkreises, wie später beschrieben wird. Der Abgriff des Potentiometers 48 ist über einen Widerstand 52 und einen Kondensator 53 an den direkten Eingang des Verstärkers 50 angeschlossen, wobei der Kondensator 53dazu dient, den Durchgang für stationäre Komponenten zu sperren.

Der Verstärker 50 ist ein Punktionsverstärker und sorgt für einen hoben, stabilen Verstärkungsgrad für die Eingangsignale. Auf den Eingang des Verstärkers 50 wird über einen für Gleichstrom sperrend wirkenden Kondensator 54 und einen Widerstand 56 das vom Oszillator 24 über die Leitung 36 kommende Signal gegeben, welohes durch den Widerstand 38 sowie den Kondensator 39 in der bereits beschriebenen Weise geformt ist. Die übrigen Eingänge des Verstärkers 50 sind herkömmliche Vorspannungsleitungen und Rüokkoppelungsschleifen, beispielsweise für eine schnelle Rückgewinnung und die Verstärkungsregelung. Der Verstärker 50 hat keinen inneren oder äußeren Lastwiderstand, und sein Ausgang ist stattdessen an die Unterseite eines Speioherkondensators 58 angeschlossen, dessen gegenüberliegende Seite mit der

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positiven Netzleitung verbunden ist. Ein hoohohmiger Widerstand 60, der vorzugsweise in der Größenordnung von 1 megohm liegt, bildet eine Ableitung für den Kondensator 58 zur negativen Netzleitung. Der Spannungspegel am -Kondensator 58 wird dem direkten Eingang eines weiteren Funktionsverstärkers 62 zugeführt, der so ausgelegt ist, daß er im wesentlioben eine 10-facbe Verstärkung und eine bobe Eingangsimpedanz für die von dem Kondensator 53 bereitgestellte Eingangsspannung ergibt.

Der Funktionsverstärker 62 bat einen Ausgang, welober sowohl an einen Lastwiderstand 64 als auob an die Kathode einer Diode 66 angesohlosaen ist. Es ist ein weiterer Kondensator 68 vorgesehen, welcher zwischen die Anode der Diode 66 und die negative Netzleitung gesohaltet ist· An die Anode ist ferner ein Widerstand 70 und ein normalerweise geöffneter Schalter 72 angeschlossen, welcher zur Nullpunkt-Eichung und zur Rüoksetzung der Sohaltung in nooh zu beschreibender Weise verwendet wird.

Der Spannungspegel am Kondensator 68 wird an den Gate-Eingang eines Feldeffektransistors 74 angelegt. Dieser Transistor hat einen Widerstand 76, der zwischen seine Quelle und den Minuspol der Stromquelle 13 gesohaltet ist. Der Transistor 74 arbeitet als Quellenfolger (Source-Follower), so daß der Widerstand 76 der Spannung an dam Kondensator 68 folgt. Eine Rüokkoppelungsschaltung, welohe Widerstände 78 und 79 aufweist, führt von dem Widerstand 76 zum indirekten bzw. negierenden Eingang des Funktions-Verstärkers 62, um die Spannungsabweiohung des Feldeffekttransistors 74 und die Nioht-Linearltät der Diode 66 auszugleichen und dabei auob eine hohe Eingangaimpedanz an den direkten Eingang anzulegen*

Ein Meßgerät 80 ist in eine Brüokensohaltung eingesetzt,

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welche den Feldeffekttransistor 74 und den Widerstand 76 auf der einen Seite der Brücke und ein Potentiometer 82 auf der anderen Seite der Brücke aufweist.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung kann dann am besten verstanden werden, wenn vorab die praktische Messung der Liobtunduroblässigkeit erläutert wird. Die Grundlage für ein Liohtundurohlässigkeitsme8gerät liegt auch beim Vorτ handensein von Streulicht vor, indem der Helligkeits- oder Leuobtdiobteuntersobied zwisohen einem Paar von kontrastierenden Meßobjekten gemessen und verglichen wird, wobei die Meßobjekte ohne Rauohsohwaden und durch den zu messenden Rauohsohwaden hinduroh betrachtet werden. Der Wert für die Liohtundurohlässigkeit ist 1 minus den Wert der Durchlässigkeit, wobei der zuletzt genannte Wert eine Eigensobaft des durchgegangenen Lichtes ist, die für die Unterscheidung und Charakterisierung von Rauchschwaden verwendet werden kann.

BezUglioh der Helligkeit oder Leuchtdichte von Meßobjekten wird die Durchlässigkeit definiert als

B₁ - B₂

Dabei ist B-| die leuchtdichte einer Lichtquelle und B₂ die Leuchtdichte ihres Hintergrundes, wobei sowohl Bi als auch B₂ ohne den Rauohsohwaden betraohtet werden. B^ ist die soheinbare Leuchtdichte einer Lichtquelle, während B₂ die scheinbare Leuohtdiohte ihres Hintergrundes ist, wobei dieses Mal die Betrat)tung durch einen Rauobsohwaden hindurch erfolgt. In dieser Formel über die Durchlässigkeit haben sowohl B^ als auob B₂ die gleiche Erhöhung aufgrund des duroh die Streuung hervorgerufenen liohte, so daß das Streulicht aus der Gleiohung herausfällt. Die beschriebene Vorrichtung kann aufgrund ibroe Aufbaus ao geeioht werden,

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daß der Kontrast oder der Unterschied der leuchtdichte ohne Rauchschwaden, d.h. B₁ - Bg der Ablesung 100 entspricht. Der Kontrast zwischen den scheinbaren Leuchtdichten, der sich bei Betrachtung durch den Rauchschwaden ergibt, beträgt dann

100

Wenn nun beide Terme der scheinbaren Leuchtdichte durch Abziehen dea Terms Βλ auf Null bezogen werden können, dann fällt dieser Term aus der Gleichung heraus, so daß nur der korrigierte Wert für die Durchlässigkeit von

100
für das zu messende Medium verbleibt.

Bei der tatsächlichen Ausführung der Vorrichtung ist die Skala für die unmittelbare Ablesung der Lichtundurchlässigkeit von Null bis 100 #,anstelle der Lichtdurchlässigkeit, ausgeführt.Wenn dies gewünscht wird, dann kann ausserhalb des Meßgerätes auch die Lichtdurchlässigkeit ausgehend von dem Wert der Lichtundurchlässigkeit bestimmt werden oder das Meßgerät kann mit einer anderen Skala versehen werden, da die Lichtundurchlässigkeit Null einer Lichtdurchlässigkeit von 100 i» und 100 $ Lichtundurchlässigkeit wiederum einer Lichtdurchlässigkeit Null entspricht. Der bereits beschriebene Kondensator 53 sperrt alle stationären

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Eingangsignale und bezieht auf diese Weise den Kontrast zwischen den scheinbaren Leuchtdichten auf Null. Die Streuwirkung ist damit ausgeschaltet.

Vor der Lichtundurchlässigkeitsmessung eines Rauchschwadens wird die Vorrichtung geeicht, wobei der Kontrast dann, wenn kein Rauchschwaden vorliegt, auf 100 eingestellt wird. Es wird zunächst davon ausgegangen, daß die Leitung 36 fehlt, so daß keine Spannungsspitzen von dem Oszillator 24 zu dem Verstärker 50 gelangen. Zunächst wird der Wert von 100 i» Lichtundurchlässigkeit geeicht. Der Kontakt des Schalters 32 wird in seine obere Stellung gebracht, wodurch die lichtemittierende Diode oder Lichtquelle 22 abgeschaltet und der Widerstand 34 in den Stromkreis eingeschaltet wird. Wenn nun der Oszillator 24 Impulse aussendet, dann fließt kein Strom durch die Diode oder Lichtquelle 22 und ea wird kein Licht ausgesandt. Da nun keine Lichtimpulse an dem Detektor 40 des Empfängers 12 ankommen, ergibt sich bestenfalls nur ein stationäres Signal am Eingangswiderstand 48. Der Kondensator 53 sperrt jedoch jedes derartige Signal aus, so daß 0-Spannung am Eingang des Verstärkers 50 anliegt. Die untere Platte des Speicherkondensators 58 wird von dem Verstärker 50 auf etwa 0 Volt gehalten. Auch der Ausgang des Punktionsverstärkers 62 wird auf der gleichen Spannung gehalten. Dann wird der Kondensator 68 entladen. Wenn keine Spannung an dem Widerstand 76 von der Meß-und Verstärkerschaltung anliegt, wird das Potentiometer so eingestellt, daß sich ein voller Skalenausschlag mit Ablesung von 100 $> Lichtundurchlässigkeit ergibt.

Für die Nullpunkt-Eichung wird der Schalter 32 in seine gezeigte Normalstellung gebracht. Der Oszillator 24 beginnt zu arbeiten und betätigt den Transistorschalter

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28 mit einer Frequenz von 10.000 Impulsen/sec. Nun wird der Schalter 72 geschlossen und der Kondensator 68 beginnt sich aufzuladen. Lichtimpulse, von denen 10.000 pro see. von der Diode oder Lichtquelle 22 ausgesandt werden, werden von dem Detektor 40 im Empfänger 12 aufgenommen, wobei Impulse erzeugt werden, welche von dem Vorverstärker 44 verstärkt weraeno Eine proportionale Spannung wird an den Eingangswiderstand 48 angelegt und für den Verstärker 50 abgegriffen. Der Verstärker 50 beginnt die untere Platte des Speicherkondensators 58 auf das Niveau der oberen Platte zu heben. Das in dieser unteren Platte erreichte Spannungsniveau ist dabei proportional der Spannung am Abgriff des Eingangswiderstandes 48. Der Verstärker 62 verstärkt die am Speieherkondensator 58 anliegende positive Spannung zehnfach, und diese positive verstärkte Spannung erscheint an seinem Ausgang. Die Diode 66 bestimmt nun das Niveau, bis zu welchem der Kondensator 68 aufgeladen werden kann,d.h. das Niveau des Kondensators 68 kann das Niveau am Kondensator 58 nicht überschreiten,wenn nicht die Diode 66 leitend werden soll, um die Ladung des Kondensators auf daa Niveau des Kondensators 58 zu senken. Das am Kondensator 68 erreichte Spannungsniveau liegt am "ideretand 76 an, und das Meßgerät 80 zeigt den Wert Null oder einen in der Nähe von Null liegenden Wert an. Wenn nun irgendeine Einstellung des Meßgerätes erforderlich ist, um eine genaue Nullpunkt-Ablesung zu ergeben, dann kann der Abgriff des Eingangswiderstandes 48 bewegt werden. Dies führt dazu, daß die an der unteren Platte dea Speicherkondenaafcora 58 anliegende Spannung und damit entsprechend die Spannung am Kondensator 68 sowie am Widerstand 76 geändert wird. Aus der voretehenden Beschreibung ergibt sich, daß der Grad des Kontrastes

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-H-

zwischen dem Zustand, in dem ein Signal abgegeben wird und dem Zustand, in dem kein Signal abgegeben wird, also zwischen hellem und dunklem Meßobjekt, nicht kritisch ist, da die Vorrichtung auf Ablesungen von 100 $ und 0 i> geeicht werden kann.

Wenn die Vorrichtung nun für den Meßobjektkontrast bei fehlender Rauchfahne geeicht ist, dann werden die lichtemittierende Diode oder lichtquelle 22 und der Detektor 40 so angeordnet, daß der Rauchschwaden oder die Auspuffahne eines Dieselmotors in der Sichtlinie zwischen diesen Teilen liegt oder sich durch diese hindurchbewegt. Die Vorrichtung wird zunächst durch Schließen des Schalters 72 zurückgestellt und dem Kondensator 68 wird eine volle Ladung zugeführt. Wenn der zu untersuchende Rauch durchsichtig und frei von lichtschwächenden oder lichtabsorbierenden Teilchen ist, dann arbeitet die Schaltung so wie das im Zusammenhang mit der Nullpunkt-Eichung beschrieben ist, so daß auf dem Kondensator 68 eine ausreichende Ladung zurückbleibt, welche eine Ablesung von 0 i* Lichtundurchläsaigkeit auf dem Meßgerät 80 ergibt. Nun soll jedoch von dem üblichen Pail ausgegangen werden, in dem der Rauch schwarz, nioht schwarz oder gefärbt ist. Die von der Diode oder Lichtquelle 22 kommenden Lichtimpulse werden von dem Rauch geschwächt oder absorbiert und haben eine Herabsetzung der Intensität der von dem ale Diode ausgebildeten Detektor 40 aufgenommenen Impulse zur Folge. Da der durch diese Diode fließende Strom von der Intensität des empfangenen Lichtes gesteuert wird, ist die Amplitude dieser Impulse geringer als die bei einer Null-Ablesung erzielte Amplitude. Diese Impulse werdenin dem Vorverstärker 44 verstärkt, dessen Ausgang auf die Leitung 46 und damit auf den Eingangswiderstand 48 gegeben wird. Der Verstärker 50 verstärkt diese Impulse

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und führt ihren positiven Spitzenpegel au der unteren Platte des Speicherkondensators 58, um deren Niveau auf das der oberen Platte zu heben. Auf diese Weise ist die auf der unteren Platte des Kondensators 58 gespeicherte Spannung proportional der am üingangswiderstand 48 abgegriffenen Spannung.

Wenn die Impulse mit einer Frequenz von 10.000 Impulsen/sec. ausgesandt werden, dann erhöht sich die Ladung des Speicherkondensators 58 schnell auf den vollen Wert dieser Amplitudenspitzen. Die Spannungshöhe liegt am Ausgang des Verstärkers 62 an. Die Kathode der Diode 66 hat nun ein geringeres Potential als ihre Anode, wodurch diese Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Kondensator entlädt sich über die Diode 66 bis das Spannungsniveau an diesem Kondensator im Gleichgewicht ateht mit dem Ausgangssignal des Verstärkers. Zu diesem Zeitpunkt wird die Diode 66 in Sperrichtung vorgespannt und unterbricht. Die Spannung am Kondensator 68 liegt nun am Widerstand in der Meßgerätschaltung an und bringt die Brückschaltung des Meßgeräts 80 aus dem Gleichgewicht, wodurch ein Stromfluß bewirkt wird. Die Anzeigenadel des Meßgeräts bewegt sich nun weg von dem Nullpunkt und kommt bei einer Ablesung für die lichtundurchlässigkeit zu stehen, welche die Undurchlässigkeit des zu untersuchenden Rauches angibt.

Ea wird nun der Zweok der Weiterleitung von kleinen Impulsspitzen zu dem Verstärker 50 erläutert. Es wird davon ausgegangen, daß Teile der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung in einer Umgebung benutzt werden, in welcher elektro-magnetische Interferenz oder andere Quellen zufällige Störsignale verursachen können,welche von der Vorrichtung aufgenommen und weiterverarbeitet werden. So können z.B. die Dioden 22 und 40 an einer Prüfstelle

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angeordnet werden, während sich der Rest der Vorrichtung entfernt davon an einem Überwachungs- oder Kontrollpunkt befindet. In einem solchen Fall werden die Zuleitungen zu den Dioden und die Leitung 46 notwendigerweise Störungen ausgesetzt. Ea ist herausgefunden worden, daß Störungesignale oder -impulse elektrischer Natur Fehlablesungen auf dem Meßgerät 80 hervorrufen können, da dieee unerwünschten elektrischen Signale in der gleichen Weise weiterbehandelt werden wie richtige Signale. So kann z.B. bei 100$ L^chtundurchläasigkeit, wenn kein Signal von der Diode des Detektors 40 empfangen wird, ein Störsignal stark genug sein, um zu verhindern, daß sich die untere Platte des Speicherkondensators 58 auf Null entlädt. Das hat zur Folge, daß das Meßgerät 80 weniger als 100 $ lichtundurchlässigkeit anzeigt. Bei geringerer lichtundurchlässigkeit,d.h. größeren Eingangssignalen, haben die Störsignale einen beträchtlich herabgesetzten Einfluß, da die richtigen Signale die Spannung an der unteren Platte des Speicherkondensators 58 auf dem gewünschten höheren Niveau halten.

Die Verwendung der leitung 36 und der Umformschaltung von Widerstand 38 und Kondensator 39 ergibt eine geringe Impulsspitze von z.B. 3 mV für den Eingang des Verstärkers 50. Jede derartige Impulsspitze kommt synchron mit einem Signalimpuls von dem Vorverstärker 44 des Detektors an, und diese beiden Impulssignale werden am Eingang des Verstärkers 50 summiert. Der Verstärker 50 verstärkt nun diese summierten Signale und gibt sie an die untere Platte des Speicherkondensatore 58 weiter. Auf diese Weise ist die angelegte Spannung proportional zu der am Eingangewiderstand 48 abgegriffenen Spannung vermehrt um die geringen über die Leitung 36 zugeführten Basiseignale.

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Demzufolge ist selbst bei einer Ablesung von 100 ^δ Lichtundurchlässigkeit,welche durch das Fehlen von den Detektor 40 erreichenden Lichts bewirkt wird, ein geringes Spannungsniveau aufgrund der Spitzenimpulse an der unteren Platte des Kondensators 58 vorhanden. Dieses geringe Niveau ist so bemessen, daß es größer ist als das von Störimpulsen verursachte Spannungsniveau und gewährleistet daher die Ablesung des Meßgerätes 80 unter Ausschluß der Störsignale·

Bei der zuvor beschriebenen Eichung der Vorrichtung wurde die Wirkung der Basissignale auf den Verstärker 50 nicht beachtet. Bei der tatsächlichen Eichung werden dagegen der Eingangewiderstand 48 und das Potenziometer 82 entweder bei der Eichung von 0 $> LichtunduTChläsaigkeit oder bei der Eichung von 100 $> Lichtundurchlässigkeit so eingestellt, daß die Wirkung der Spitzenimpulse oder Basissignale keine Pehlablesung am Meßgerät ergibt, d.h. daß daa Spitzenimpulβsignal am Meßgerät durch Einstellen des vorgenannten Widerstandes bzw. Potentiometers getilgt wird.

Die Verwendung einer Konstantstromquelle im Sender schaltet eine Störungequelle aus, welche durch das Arbeiten der lichtemittierenden Diode oder lichtquelle 22 verursacht wird. Diese Konstantstromquelle erzeugt tinen festen Strombedarf an der Präaisionsenergiequelle 15» der unabhängig von dem Laststrombedarf der Diode oder Lichtquelle 22 ist. Im Betrieb lädt dieae Stromquell· den Kondensator 30 zwischen den von dem Oszillator 24 erzeugten Impulsen auf. Wenn der Oszillator einen Impuls abgibt und den !Transistorschalter 28 einschaltet, dann liefert der Kondensator 30 den großen

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Strombedarf der Diode 22. Dieser Wechsel zwischen Aufladung und Entladung dea Kondensators 30 wirkt jedoch nicht zurück auf die Energiequelle 13,die weiterhin einen geringen,festen Ladestrom in die KonstantStromquelle einspeist.

Im Gegensatz dazu ist bei Verwendung eines Widerstandes anstelle der Konstantstromquelle jedes Zünden der Diode 22 über den Widerstand hinaus au verfolgen und führt zu Störungen in den Zuleitungen, wenn sich der Kondensator mit hoher Frequenz auflädt und entlädt. Die. Konstantstromquelle isoliert diese Wirkung der Arbeitsweise der lichtemittierenden Diode 22 von den Zuleitungen, so daß nur wenig oder keine Störungen davon in den empfindlichen Umwandlungskreie des Empfängers 12 während der Liohtundurchlässigkeitemessungen aufgenommen wird.

Der Stromkreis mit dem Speicherkondensator 58 und dem Wideretand 60 hat eine Zeitkonstante, welche nur βehr geringe Entladungen des Speioherkondensators 58 zwischen den Eingangsimpulsen ermöglicht. Wenn die Lichtundurchlässigkeit während der Durchführung der Messung ansteigen sollte, dann würde sich der Speicherkondensator 58 dennoch schnell auf das neue Niveau entladen, wodurch eine weitere Entladung des Kondensators 68 über die Diode 66 erfolgen würde, um eine höhere Liohtundurohlässigkeitsablesung am Meßgerät 80 su ergeben. Wenn aber die Lichtundurchlässigkeit während der Ablesung zurückgehen sollte oder wenn Zweifel bestehen, ob eine bereite durchgeführte Ablesung genau war,dann ist es einfach, den Schalter zu schließen, um den Kondensator 68 wieder voll aufzuladen

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und damit das Meßgerät in Vorbereitung einer neuen Messung auf eine 0 $> -Ablesung einzustellen.

In der praktischen Anwendung ist der Grad des Kontrastes zwischen der Lichtquelle 22 und dem zugehörigen Meßobjekt nicht kritisch. Tatsächlich kann das Meßobjekt beträchtlich verschmutzt oder abgenutzt werden oder Rauchpartikel können die Oberflächen der Dioden 22 und 40 bedecken und den Kontrast reduzieren sowie gleichzeitig die Lichtintensität herabsetzen, ohne daß dadurch jedoch das Arbeiten der Vorrichtung betroffen wird, solange die Vorrichtung auf Null und auf vollen Skalenausschalg geeicht werden kann. Da die Messung der Lichtundurchlässigkeit von Differenzablesungen abhängt, ist es auch nicht erforderlich, kritische oder Präzisionsbauteile zu verwenden, vielleicht mit Ausnahme der Dioden 22 und 40, da aLle Ablesungen in der gleichen Weise beeinflußt werden.

Die Erfindung ist anhand eines bevorzugten Auaführungsbeispiels im Einzelnen gezeigt und beschrieben worden,kann aber von einem Fachmann in verschiedenartiger Weise abgewandelt werden, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen.

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Claims

Ansprüche

/lötverfahren zum Messen der Lichtundurchlässigkelt bzw. Lichtdurchlässigkeit eines Mediums, bei dem eine Lichtquelle pulsierend gespeist, die von dieser Lichtquelle ausgesandten Lichtimpulse nach Durchtritt durch das zu messende Medium von einem mit Abstand von der Lichtquelle angeordneten Lichtdetektor aufgenommen und die Ausgangsimpulse dieses Lichtdetektors in proportionale elektrische Signale umgewandelt sowie zur Anzeige der Liohtundurchlässigkeit bzw. Lichtdurchlässigkeit des zu messenden Mediums verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Wirkung von die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Störimpulsen (noise signals) synchron zu den Ausgangsimpulsen des Lichtdetektors elektrische Basissignale erzeugt werden, welche die Ausgangsimpulse des Lichtdetektors in Bezug auf den Pegel der Störimpulse erhöhen.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Lichtquelle, einer Einrichtung zur pulsierenden Speisung dieser Lichtquelle, einem die von der Lichtquelle ausgesandten Lichtimpulse aufnehmenden Lichtdetektor, einer Schaltung zur Umwandlung der pulsierenden Ausgangsimpulse des Lichtdetektors in dazu proportionale elektrische Signale und weiteren, auf die Ausgangssignale der Umwandlungsschaltung ansprechenden Einrichtungen zur Anzeige der Lichtundurchlässigkeit bzw. Lichtdurchlässigkeit des zu messenden Mediums, dadurch gekennzeichnet , daß synchron zu den Ausgangsimpulsen des Lichtdetektors (40) elektrische Basissignale

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an die Umwandlungsschaltung ( 50,58,60,62,66,68) weitergebende Schaltmittel ( 36,38,39) vorgesehen sind, welche einen impulsformenden Schaltkreis ( 36,38,39) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umwandlungsschaltung ( 50,58,60,62,66,68 ) einen Verstärker (50) aufweist, und daß der die Basissignale aussendende Schaltkreis (36,38,39) an den Ausgang der Einrichtung (24) zur pulsierenden Speisung der lichtquelle (22) angeschlossen ist, wo"bei dieser Schaltkreis ( 36,38,39) auf den Verstärker (50) wirkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen ( 32,48,72,82) zum Eichen der Umwandlungsschaltung ( 50,58,60,62,66,68) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 Ms 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Energiequelle (13) und der lichtquelle (22) eine Konstantstromquelle (14) angeordnet ist, welche die Energiequelle (13) und damit die übrigen Teile der Vorrichtung von den Störwirkungen der schnell pulsierenden lichtquelle (22) isoliert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (22) ein kontrastierendes Meßobjekt (20) zugeordnet ist, daß die Einrichtungen (32,48,72,82) zum Eichen der Umwandlungsschaltung (50,58,60,62,66,68) in Bezug auf die Lichtquelle (22) und auf das kontrastierende Meßobjekt (20) bei fehlender Einwirkung des zu messenden Mediums ausgebildet sind und daß ein Kondensator (53) zur Ausschaltung der Wirkung von durch das zu messende Medium gestreutem, vom Lichtdetektor (40) aufgenommenem Licht vorgesehen ist.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 "bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung derselben zur Messung eines Rauchschwadens oder dgl. ein Meßgerät (80) vorgesehen ist, das eine direkte Ablesung der lichtundurchlässigkeit bzw. Lichtdurchlässigkeit des Rauchschwadens oder dgl. in Prozent ergibt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode (22) und der Lichtdetektor ein Photodiodendetektor (40) ist und daß die Einrichtung zur pulsierenden Speisung der Diode (22) ein mit im wesentlichen mit konstanter Frequenz arbeitender Oszillator (24) ist.

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