DE2202556B2

DE2202556B2 -

Info

Publication number: DE2202556B2
Application number: DE2202556A
Authority: DE
Inventors: Jimmy Aubrey Fountain Valley Calif. Walker (V.St.A.)
Original assignee: Susquehanna Corp
Current assignee: Susquehanna Corp
Priority date: 1971-01-22
Filing date: 1972-01-20
Publication date: 1974-02-07
Also published as: JPS5313983B1; DE2202556A1; US3655289A; DE2202556C3; CA932552A; GB1342461A; ZA718609B; FR2123019A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der 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 Lichtdurchlässigkeit des zu messenden Mediums versvendet werden. Ein besonderer Anwendungsfall dieser Vorrichtung liegt in der Messung der Lichtdurchlässigkeit von Rauchschwaden.

Es sind bereits eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, mit denen die Lichtdurchlässigkeit eines Mediums, wie z. B. eines Rauchschwadens, bestimmt werden kann. Dabei soll stets auch erreicht werden, daß eine Schwärzung der die Meßstrecke bildenden Elemente sich nicht auf das Meßt rgebnis auswirkt und dieses somit verfälscht, So ist z. B, ein Rauchdichtemesser bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 247 688), bei dem ein Teil des von einer Lichtquelle in Richtung auf eine Fotozelle ausgesandten Lichtes durch einen einer solchen Schwärzung ausgesetzten Plattenwinkel hindurchgelenkt und dann einer Vergleichsfotozelle zugeführt wird. Liegt nun das Ausgangssignal dieser Vergleichsfotozelle unter einem bestimmten Sollwert, dann svird dies dadurch kompensiert, daß die Lichtquelle mittels einer geeigneten Schaltung stärker zum Leuchten gebracht wird.

Es gehört ferner bereits eine Einrichtung zur Mesiüng der optischen Durchlässigkeit von Medien /um Stand der Technik (deutsches Gebrauchsmuster 1 969 794), welche einen die Moüst recke enthaltenden Meßstrahiengang sowie einen Ve-rgleichsstrahlengang aufweist. Die beiden Lichtstrahlen, die \n ihrc-i Phase gegeneinander verschoben sind, werden von je einer Luminiszenz-Diode bereitgestellt. Sowohl der Lichtstrahl des Vergleichsstrahlengauges als auch der des Meßsirahlenganges wird auf einen gernein-

samen Empfänger gegeben. Diese beiden Strahlen werden anschließend nach einer Verstärkung voneinander getrenn ι, um einen Intensitä'tsvergleich zwischen dem durch die Meßstrecke geleiteten und dem durch die Meßstrecke geleiteten und dem durch

die Vergleichsstrecke geleiteten Strahl zu ermöglichen, wodurch ein Rückschluß auf die Lichtdnrchlässigkeit des jeweiligen Mediums gezogen werden kann.

Im Zuge der Weiterentwicklung der in Betracht

stehenden Vorrichtungen ist ferner bereits eine Vorrichtung zur Messung der Lichtdurchlässigkeit eines Mediums auch bei Vorhandensein von gestreutem Licht und unabhängig von der Farbe oder dem Fehlen einer Farbe des Mediums vorgeschlagen worden

(deutsche Offen'.egungsschrift 2 120 984). Bei dieser Vorrichtung wird bei einem Rauchschwaden 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 empfängt alternativ die Lichtquelle und das kontrastierende schwarze Meßobjekt. Ein ge.-ichter Meßstromkreis 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 Lichtdurchlässigkeit. Auf diese Weise ist es nun z. B. bei Messung der Lichtdurchlässigkeit von Diesel-Auspuffgasen einfach festzustellen, ob die Auspuffgase die jeweils bestehenden Richtlinien erfüllen oder nicht.

Es hat sich gezeigt, daß bei allen bekannten bzw. bereits vorgeschlagenen elektrisch oder elektronisch arbeitenden Vorrichtungen Störungen, welche durch die Umgebungsbedingungen außerhalb der Vorrichtung oder auch durch Arbeitsvorgänge in der Vorrichtung selbst erzeugt werden, fehlerhafte Messungen der Lichtdurchlässigkeit zur Folge haben können.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche zuverlässig arbeitet und dabei vor allem die Auswirkung von Störeinflüssen ausschaltet oder zumindest unterdrückt, so daß eine hohe Genauigkeit bei der Lichtdurchlässigkeitsmessung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß ein impulsformender Schaltkreis zwischen dem Oszillator und dem Eingang der Empfängerschaltung vorgesehen ist, durch den ein Basissisnal

dem üigentlichen Empfanget signal überUigert und dieses synchron zu den Ausgangsimpulsen des Lichtdetektor* ungchobeu wird.

Diese Vorrichtung vermeidet Fehlmeldungen vor allem bei sehr geringer Lichtdurchlässig^:!!, wobei die Empl'ängrirsigiu.Ie sehr schwach sind, insbesondere in diesen Fällen gewährleistet Jiese Vnriichiung genaue, unverfälschte Ergebnisse. Diese Vorrichtung eignet rieh demzufolge unter anderem zur Durchführung von Messungen in dem geschlossenen Abgassystem eines Dieselmotors beim Prüfstandversuch, in. diesem FaI! ist die Vorrichtung robust ausgeführt und kann hohe Wärme. Vibrationen und Rauch über lange Zeit ertragrn.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfinduncsüegenstandes sind in den Unteransprüchen enthüllen, auf die hier Bezug genommen wird.

ini folgenden Teil der Beschreibung wird eine Ausi'ülirurigsform des Erfindungsgegenstandes an i land einer Zeichnung beschrieben, weiche die Schaltung eines Senders, eines 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 Empf'inaer 12 handelt, welcher einen Detektor urd eine Behandhings- bzw. Umwandlungs- und Anzeigeschaltung aufweist. Die Vorrichtung kann dazu benutzt werden, um die Lichtdurchlässigkeit z. B. von Rauchschwaden festzustellen.

In dem Sender 10 ist eine Präzisionsenergiequelle 13 vorgesehen, welche eine Konstantstromquelle versorgt. Diese Stromquelle weist einen Transistor 14, einen Emitter-Widerstand 16, Dioden 17 und 18 und einen in der üblichen Weise angeordneten Basiswiderstand 19 auf. Der Ausgang der Konstantstromquelle ist an eine Lichtquelle 22 angeschlossen, weiche mittig in einem Meßobjekt 20 angeordnet ist. Die Lichtquelle 22 wirkt als ein zweites Meßobjekt und ist vorzugsweise eine lichtemittierende Diode, welche eine im wesentlichen konstante Strahlungsintensität hat.

D«s Meßobjekt 20 ist hier kreisförmig dargestellt und so bemessen, daß es das Blickfeld eines mit Abstand von dem Meßobjekt 20 angeordneten Detektors 40 des Empfängers 12 ausfüllt. Das Meßobjekt 20 ist vorzugsweise mit einer optisch planschwarzen Farbe gestrichen, um ein schwarzes oder dunkles Bezugsobjekt zu bilden.

Es ist ein von der Energiequelle 13 erregter Oszillator 24 vorgesehen, dessen Ausgang über eine Leitung 26 an die Basis eines Transistorschalters 28 angeschlossen ist. Der Oszillator 24 ist so ausgelegt, daß er bei einer Frequenz von 10 000 Inipulsen/sec arbeitet und mit gleicher Frequenz den Schalter 28 betätigt. Wenn der Transistorschalter 28 leitend ist, dann schließt er den Stromkreis durch die als lichtemittierende Diode ausgebildete Lichtquelle 22 und speist diese Lichtquelle mit der vorerwähnten Frequenz von 10 000 Impulsen/sec. Die Kombination dieser pulsierenden Lichtquelle 22 mit dem Meßobjekt 20 ergibt alternierende und kontrastierende Meßobjekte im Blickfeld des Detektors 40.

Ein Kondensator 30 ist parallel zu dem Ausgang der konstanten Stromquelle geschaltet und wird auf diese Weise zwischen den von der Diode oder Lichtc|Lielle 11 emittierten Liehtimpulsen 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 hat vorzugsweise eine hohe Kapazität und kann eine Ladung aufnehmen, welche für den erforderlichen Zündstrom der Diode oder Lichtquelle 22 ausreicht.

ίο Mit dem Kollektor des Transistorschalters 28 ist ein Schalter 32 verbunden, der normalerweise die gezeigte Stellung einnimmt, sich aber bei der Eichung zu dem gegenüberliegenden Kontakt bewegt. In dieser Stellung wird die Lichtquelle 22 umgangen, und

ein geringer Widerstand 34 wird in den Stromkreis durch den Schalter 32 eingesetzt.

An die Leitung 26 im Sender 10 ist eine Leitung 36 angeschlossen, welche im Empfänger 12 endet. Diese Leitung 36 weist einen hochohmigen, strom-

begrenzenden Widerstand 38 auf, welcher in Reihe mit einem Kondensator 39 liecrt. Die Verbindung dieser beiden zuletzt genannten Elemente ist an die ersie Verstärkerstufe des Empfängers 12 angeschlossen. Jedesmal, wenn der Oszillator 24 sendet, dann formen der Widerstand 38 und der Kondensator 39 den Anfangsbereich des positiven Impulses so um. daß er eine kleine Spannungsspitze im Empfänger !2 bildet, welche mit dem empfangenen Signal zusammenfällt, wie im folgenden noch erklärt wird.

Die Anode des als Diode ausgebildeten Detektor^ 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-Störspannungs-Verhältnis der Signale, welche über eine Leitung 46 in die Empfängerschaltung 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. Der Abgriff des Potentiometers 48 ist über einen Widerstand 52 und einen Kondensator 53 an den direkten Eingang, des Ver-

4.5 stärkers 50 angeschlossen, wobei der Kondensator 53 dazu dient, den Durchgang für stationäre Komponenten zu sperren.

.Der Verstärker 50 ist ein Funktionsverstärker und sorgt für einen hohen, stabilen Verstärkungsgrad für die Eingangssignale. 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, welches 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 Riickkoppelungsschleit'en, beispielsweise für eine schnelle Rückgewinnung und die Ver-Stärkungsregelung. Der Verstärker 50 hat keinen inneren oder äußeren Lastwiderstand, und sein Ausgang ist stau dessen an die Unterseite eines Speicherkondensators 58 angeschlossen, dessen gegenüberliegende. Seite mit der positiven Netzleitiing verbunden ist. Ein hochohmiger 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 wesentlichen eine lOfache Verstärkung und eine hohe Eingangsimpedanz für die von dem Kondensator 58 bereitgestellte Eingangsspannung ergibt.

Der Funktionsverstärker 62 hat einen Ausgang, welcher sowohl an einen Lastwiderstand 64 als auch an die Kathode einer Diode 66 angeschlossen ist. Es ist ein weiterer Kondensator 68 vorgesehen, welcher zwischen die Anode der Diode 66 und die negative Netzleitung geschaltet ist. An die Anode ist ferner ein Widerstand 70 und ein normalerweisr geöffneter Schalter 72 angeschlossen, welcher zur Nullpunkt-Eichung und zur Rücksetzung der Schaltung verwendet wird.

Der Spannungspegel am Kondensator 68 wird an den Gate-Eingang eines Feldeffekttransistors 74 angelegt. Dieser Transistor hat einen Widerstand 76, der zwischen seine Quelle und den Minuspol der Stromquelle 13 geschaltet ist. Der Transistor 74 arbeitet als Quellenfolger (Source-Follower), so daß der Widerstand 76 der Spannung an dem Kondensator 68 folgt. Eine Rückkoppelungsschaltung, welche Widerstände 78 und 79 aufweist, führt von dem Widerstand 76 zum indirekten bzw. negierenden Eingang des Funktionsverstärkers 62, um die Spannungsabweichung des Feldeffekttransistors 74 und die Nicht-Linearität der Diode 66 auszugleichen und dabei auch eine hohe Eingangsimpedanz an den direkten Eingang anzulegen.

Ein Meßgerät 80 ist in eine Brückenschaltung eingesetzt, 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 Lichtdurchlässigkeit erläutert wird. Die Grundlage für ein Lichtdurchlässigkeitsmeßgerät liegt auch beim Vorhandensein von Streulicht vor, indem der Helligkeit- oder Leuchtdichteunterschied zwischen einem Paar von kontrastierenden Meßobjekten gemessen und verglichen wird, wobei die Meßobjekte ohne Rauchschwaden und durch den zu messenden Rauchschwaden hindurch betrachtet werden.

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

S '

B₁-B₂

Dabei ist B₁ die Leuchtdichte einer Lichtquelle und B₂ die Leuchtdichte ihres Hintergrundes, wobei sowohl B₁ als auch B, ohne den Rauchschwaden betrachtet werden. B₁"ist die scheinbare Leuchtdichte einer Lichtquelle, während B₂ die scheinbare Leuchtdichte ihres Hintergrundes ist, wobei dieses Mal die Betrachtung durch einen Rauchschwaden hindurch erfolgt In dieser Formel über die Durchlässigkeit haben sowohl B₁ als auch B₂' die gleiche Erhöhung auf Grund des durch die Streuung hervorgerufenen Lichtes, so daß das Streulicht aus der Gleichung herausfällt. Die beschriebene Vorrichtung kann auf Grund ihres Aufbaus so geeicht werden, daß der Kontrast oder der Unterschied der Leuchtdichte ohne Rauchschwaden, d. Ii. B₁ -B₁, der Ablesung 100 entspricht. Der Kontrast zwischen den scheinbaren Leuchtdichten, der sich bei Betrachtung durch den Rauchschwaden ergibt, beträgt dann

B₁' - B₂'_
100

Wenn nun beide Terme der scheinbaren Leuchtdichte durch Abziehen des Terms B.,' 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 Lichtdurchlässigkeit von Null bis 100% ausgeführt. Der bereits beschriebene Kondensator 53 sperrt alle stationären Eingangssignale und bezieht auf diese Weise den Kontrast zwischen den scheinbaren Leuchtdichten auf Null. Die Streuwirkung ist damit ausgeschaltet.

Es wird davon ausgegangen, daß Teile der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung in einer Umgebung benutzt werden, in welcher elektromagnetische 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 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. Es ist herausgefunden worden, daß Störungssignale oder -impulse elektrischer Natur Fehlablesungen auf dem Meßgerät 80 hervorrufen können, da diese unerwünschten elektrischen Signale in der gleichen Weise weiterbehandelt werden wie richtige Signale. So kann z. B. bei 0 % Lichtdurch¹ Bissigkeit, 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 Spei-

cherkondensators 58 auf Null entlädt. Das hat zur Folge, daß das Meßgerät 80 mehr als 0% Lichtdurchlässigkeit anzeigt. Bei höherer Lichtdurchlässigkeit, 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 Empfängerschaltung von Widerstand 38 und Kondensator 39 ergibt ein Basissignal in Form einer geringen Impulsspitze von z. B. 3 mV für den Eingang des Verstärkers 50. Jede derartige Impulsspitze kommt synchron mit einem Signalimpuls oder Empfängersignal von dem Vorverstärker 44 des Detektors 40 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 Speicherkondensators 58 weiter.

Auf diese Weise ist die angelegte Spannung proportional zu der am Eingangswiderstand 48 abgegriffenen Spannung, vermehrt um die geringen über die Leitung 36 zugeführten Basissignale.

Demzufolge ist selbst bei einer Ablesung von 0 %> Lichtdurchlässigkeit, welche durch das Fehlen von den Detektor 40 erreichendem Licht bewirkt wird, ein geringes Spannungsniveau auf Grund der Spitzenimpulse oder Dasissignale 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 gewähr-

leistet daher die Ablesung des Meßgerätes 80 unter Ausschluß der Störsignale.

Bei der tatsächlichen Eichung werden der Eingangswiderstand 48 und das Potentiometer 82 entweder bei der Eichung von 0%> Lichtdurchlässigkeit oder bei der Eichung von lOO°/o Lichtdurchlässigkeit so eingestellt, daß die Wirkung der Spitzenimpulse oder Basissignale keine I ehlablesung am Meßgerät ergibt, d. h., daß die Spitzenimpulse oder Basissignale am Meßgerät durch Einstellen des vorgenannten Widerstandes bzw. Potentiometers getilgt werden. *

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 586/34

Claims

Patentansprüche:

!. Voirichlung zum Messen der Lichtdurchlässigkeit eines Mediums, bei dem eine Lichtquelle pulsierend gespeist, die von dieser Lichtquelle ausgesandlen 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 Lichtdurchlässigkeit des zu messenden Mediums verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein impulsformender Schaltkreis (36, 38,39) zwischen dem Oszillator (24) und dem Eingang der Empfängerschaltung (12) vorgesehen ist. durch den ein Basissignal dj.n eigentlichen Empfängersignal überlagert und dieses synchron zu den Ausgangsimpulsen des Lichtdetektors (40) angehoben wird.
2. Vorichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerschaltung (12) einen Verstärker (50) aufweist und daß der Schaltkreis (36, 38, 39) am Eingang des Verstärkers (50) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eichen der Empfänge-schaltung (12) sowie zur Vermeidung von Fehlanzeigen auf Grund des Basissignals ein einstellbarer Eingarigswid./stand (48) sowie ein Potentiometer (82) vcrgeseben sind.