DE2208904A1

DE2208904A1 - Schmutzunempfindliches mess- und schaltgeraet fuer kleine und kleinste sichtweiten in luft und wasser

Info

Publication number: DE2208904A1
Application number: DE2208904A
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung M Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-02-25
Filing date: 1972-02-25
Publication date: 1973-08-30
Also published as: FR2173148A1; DE2208904C3; DE2208904B2; FR2173148B1; GB1400311A; CA969775A; US3817623A

Description

Schmutzunempfindliches Meß- und Schaltgerät für kleine und

kleinste Sichtweiten in Luft und Wasser. ο Ο η ο Q η /

Die automatische Einschaltung von Signalmitteln, z. B. Lichtern, Geschwindigkeitstransparenten oder auch akustischen Signalen in Funktion zur Sichtweite im Nebel ist besonders dringlich bei Wasserstraßen, wo z. B. in extrem energiesparender Weise Signalmittel von Bojen mit eingebauten Batterien oder leistungsschwachen elektrischen Generatoren zu betätigen sind oder an Landstraßen oder Autobahnen,' wo ebenfalls in gefährdeten Nebellagen es oft schwierig ist, genügend leistungsstarke elektrische Stromversorgung sicherzustellen. Analog besteht die gleiche Schwierigkeit bei Einsatz solcher Meßgeräte für Trübungsmessung im Wasser. An beiden Beispielen tritt noch außer der Forderung sehr geringer elektrischer Leistung zusätzlich das Problem der Staubverschmutzungsgefahr der Geräte auf, bei Seewasserstraßen Verkrustung mit angetrockneten Salzpartikeln, die wiederum gelegentlich durch Wellen oder Regen abgespült werden.

Alle bekannten Sichtmeßgeräte für Nebellagen, d. h. für mindere Sichtweiten, arbeiten entweder nach dem Prinzip der Vorwärts- oder Rückstreuung aus der nebligen Luft oder dem getrübten Wasser. Bei all zn diesen Geräten sind bisher aufwendige Gebläse, Schmutzblenden oder sonstige Reinigungsvorrichtungen erforderlich, um die optischen Grenzflächen sauber zu halten, denn bisher galt es als oberstes Prinzip, daß entweder der Senderstrahl, der das Signallicht aussendet,oder der Empfänger, der das gestreute Signallicht empfängt,oder beide optisch exakt abbildende Systeme z.B. Linsen- oder Spiegelsysteme haben müssen. Dieses war um so erforderlicher, zumal die meisten Geräte nach dem sog. Komparimeterprinzip arbeiten, d. h. dem Vergleich einer Intensität des einfallenden Lichtes mit einem z. B. über Lichtleiter transportierten Signalanteil der Lichtquelle selbst, die durch ein hochwertiges optisches System mittels Graukeil verglichen werden.

Die Erfindung hat als Zielsetzung die Schaffung einer räumlich kleinen und energiesparenden Nebelwarnanlage, die keiner Beeinflussung durch optische Verschmutzung, z. B. einer Staubschicht, Verkrustung durch angetrocknete Salzkristalle im Meer oder leichtem Algenbewuehs unter-

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liegt. Die Erfindung besteht aus der Kombination zweier einfacher Gedanken :

a) Eine an sich matte, nahezu omnidirektional streuende Oberfläche wird durch zusätzliche lichtstreuende Partikel, wie Staub, Salzkristalle oder leichten Algenbewuchs nicht mehr matter, und es wird nur eine geringe vernachlässigbare Minderung der Lichtdurchlässigkeit durch die streuende Schmutzschicht verursacht.

b) Durch den Zusammenbau des Strahlungserzeugers (Laserdiode) und des Strahlungsempfängers (Photodiode), ggf. mit Schmalbandfilter, mit den Mattscheiben sind diese beiden kritischen Organe der Einrichtung sehr klein, und somit läßt sich die ganze Einrichtung miniaturisieren mit einer drastischen Einsparung ah elektrischer Leistung. Das Prinzip sei in den Figuren 1 und 2 skizziert. In konventioneller Weise wird eine Lichtquelle 1, z.B. eine kleine Laserdiode aus Galliumarsenid, eine Lumineszenzdiode, eine konstant brennende ggf. modulierte Glühlampe oder eine kleine Funkenentladungslampe, jedenfalls eine im Prinzip bisher bekannte Strahlungserzeugereinrichtung im sichtbaren oder unsichtbaren Spektralgebiet aus einem Stromversorgungsteil 2 von einer zentralen Batterie 14 gespeist. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Einrichtungen wird nun diese Lichtquelle mit einer Mattscheibe 3 abgedeckt, im weitesten Sinne einer in Ausfallsrichtung optisch omnidirektional streuenden kleinen Vorrichtung, die möglichst wenig Licht in Richtung 1 zurückwirft und möglichst viel Licht in Strahlrichtung 4 diffus austreten läßt. Diese Strahlung wird in den Meßraum 5 bei Anwendung der Vorwärtsstreuung entsprechend abnehmender Sichtweite zunehmend durch die Nebeltröpfchen, atmosphärischen Schmutzpartikel oder Schwebstoffe im Wasser gestreut, so daß ein aus vielen Winkelrichtungen ankommender kleiner Strahlungsanteil 6 auf die ebenfalls wie 3 ausgebildete lichtstreuende Mattscheibe 7 des Empfängers auffällt. Unmittelbar hinter dieser ist eine Photodiode oder ein sonstiger lichtelektrischer Empfänger angeordnet, dessen Signale im Verstärker oder der logischen Schaltung 9 aufbereitet und einem Diskriminator 10 zugeführt werden, der beispielsweise auf eine bestimmte Sichtweite einstellbar ist, einen Kontakt schließt bzw. durch einen Halbleiter einen Signalweg freigibt, der in Richtung 15 abgenommen werden kann.

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Die Vorrichtung ist bei der heutigen Baugröße von Halbleiterelementen maßstäblich etwa in gleicher Größe erstellbar wie in Fig. 1 dargestellt. Man kann die ganze Einrichtung durch eine umhüllende Vergußmasse 16 schützen, so daß das ganze einen kompakten Baustein darstellt. Die direkte Beaufschlagung der Empfänger-Mattscheibe 7 durch die Strahlung der Sender-Mattscheibe 3 wird dadurch unterbunden, daß in an sich bekannter Weise eine mindestens aus zwei Blendenkanten bestehende Vorrichtung 11 z. B. mit U-Profil vorgesehen ist, wobei die Blenden bei Betrieb in Luft durch Heizdrähte 12, isoliert durch die Schicht 13 so stark beheizt werden, daß kein Eisbesatz auftritt und allfällige Regentropfen schnell abtrocknen. Man kann aber auch am unteren Verbindungsstück des U-Profils die Heizung in den Vergußkörper einbauen und die Wärmeleitung des Profils, z.B_k geschwärztes Kupfer ausnutzen. Der Leistungsbedarf dieser Schneiden ist der höchste der ganzen Vorrichtung, und daher kommt es bei der erfindungs gemäß en Vorrichtung darauf an, gerade durch die Kleinheit der ganzen Einrichtung mit sehr kleinen Dimensionierungen der Blendenkanten 11 auszukommen und somit auch eine sehr geringe Heizleistung zu benötigen. In der Praxis braucht die Dimensionierung nie größer als 10 gegenüber dem optisch aktiven Durchmesser der Mattscheiben zu sein, oft reicht eine Dimensionierung der Mattscheiben von 10 mm und eine U-Profilbreite unter 50 mm aus. Darüberhinaus kann man erfindungsgemäß die optisch wirksamen Abschattungskanten von 11 nicht nur schwärzen sondern auch mit einem wasserabweisenden Überzug, z.B. einem Kunststoff auf Siliziumbasis, versehen, so daß die Abtrocknungsleistung geringer ausfällt und die Tendenz zur Bildung von Eiskristallen gemindert oder ganz unterbunden ist. Bei Betrieb in situ im Wasser kann eine starke Schneidenheizung

werden auch Bewuchs von Algen unterbinden. Erfindungs gemäß ν die Schneiden aus einem dem Bewuchs feindlichen Schwermetall, z.B. Kupfer, gefertigt und die Mattscheiben 3 und 7 aus einem ebenfalls bewuchsfeindlichen mattierten Borosilikatglas, in dessen Oberfläche hilfsweise noch Schwermetallionen eingebettet sein können. Ggf. kann auch ein engmaschiges Schwermetall-Gitternetz in Aufdampf te chnik auf die dann vorwiegend in der inneren Glasstruktur matten Glasscheiben aufgedampft werden.

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Man kann naturgemäß mit der gleichen Einrichtung auch das Prinzip der Rückwärtsstreuung benutzen, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Bezifferung und Bedeutung der einzelnen Komponenten ist die gleiche. In diesem Falle wird ein Teil des einfallenden Signallichtes 4 im Medium 5 zurückgestreut, so daß ein sichtweitenabhängiger Betrag der Strahlung bei Richtung 6 ankommt. In jedem Falle muß man nach der Erfindung darum bemüht bleiben, daß der Gesamtweg zwischen der abstrahlenden Mattscheibe 3 und der empfangenen Mattscheibe 7 vernachlässigbar klein gegenüber der kleinsten zu messenden Sichtweite ist, z.B. kleiner als l/lO. Dieses ist aber bei der Dimensionierungsempfehlung der vorliegenden Erfindung in jedem Falle gewährleistet, da Lichtwege von nur 5 bis 10 cm bereits für das Meßprinzip ausreichen, so daß selbst Sichtweiten bis herab zu 1/2 m noch meßbar sind.

Derartig kleine Sichtweiten kommen häufig in schmutzigen oder mit Schwemmstoffen beladenen Gewässern vor. Daher ist ein weiterer Gedanke der Erfindung, die gesamte Einrichtung einschließlich der Mattscheiben wasserdicht einzugießen und zur Messung der Trübung von Meer- oder Fluß- oder Seewasser sowie zur Messung der Trübung industrieller Abwässer in situ einzusetzen. Man kann gemäß Bild 3, Pos. 7a, das Interferenzfilter als gesonderte Einheit ausbilden und zwischen die Mattscheibe und Fotodiode 8 setzen^ Man kann aber auch die erforderliche Aufdampfung der Filterschichten für den Durchlaßbereich der Laser- oder Fluoreszenzstrahlung der Strahlungsquelle 1 direkt auf die Rückseite der Mattscheibe 7 aufdampfen.

Im übrigen zeigt die Fig.. 3 eine weitere Ausbildung der Erfindung, z. B. in rotations symmetrischer Bauform.

Gemäß Fig. 2 kann man die Heizung des (J-Profils 11 auch durch einen festverschraubten Transistor 17 bewirken, wobei ein mit gutem Wärmekontakt zu dem Profil 11 versehener Transistor 18 die Temperatur erfaßt und dementsprechend zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur den Heiztransistor 17 in bekannter Weise regelt. Die Ziffern haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1 und 2.

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In diesem Falle ist die zu messende Atmosphäre oder Hydrosphäre ringsherum um das z.B. kreisförmige Bienden-Paar II angeordnet, und der heizende Transistor 17 heizt beide. Scheiben. Auch ist es •möglich, 2 Heiz transistoren 17 zu verwenden und jeden mit einer Scheibe des Blenden-Paares 11 zu versehrauben. Die Temperatur wird wiederum durch den zugeordneten Thermistor 18 erfaßt, der den oder die Heiztransistoren 17 in bekannter Weise regelt.

Zur Halterung der Einheiten des Strahlungsteils und des Empfängerteils kann man eine gemeinsame Haltevorrichtung, ζ. B. in Achsen= nähe, anordnen, die innerhalb des Strahlenkegels 4 - 6 in Form eines Haltegestelles 19 liegt, so daß das Beobachtungsvolumen 5 nicht ge stört wird. Wiederum wird man nach der Erfindun g für das Blenden= material 11 zweckmäßig ein gut wärmeleitendes, zu gleich für Algen= bewuchs toxisches Schwermetall, beispielsweise Kupfer, verwenden, das sich auch gut mit einer zeitbeständigen Schwärzung durch Oberflächenbehandlung versehen läßt.

Schließlich kann man den Hauptgedanken der Erfindung, nämlich die Schaffung eines miniaturisierten extrem stromsparenden Nebelfilters oder Sichtweitenmeßgerätes, in an sich bekannter Weise, noch dadurch ausbauen, daß man parallel zu der Batterie 14 eine Silizium Fotozellen= anordnung 20 schaltet, die bei Auftreffen von hellem Tageslicht die Batterie 14 stetig lädt. Besonders nützlich ist diese Fotozellenanordnung bei Bojen. Die überwiegende Zeit herrscht ja kein Nebel und während dieser Zeit wird dann tagsüber die Batterie 14 nachgeladen, während bei Nebel meist auch am Tage die abgegebene Leistung der Sonnenbatterie 20 zum Betrieb kaum ausreicht. Insgesamt aber vermag diese ggf. baulich mit der Anordnung vereinigte Sonnenbatterie den Gesamtverbrauch der Anordnung, der aus der Bojenbatterie gedeckt werden muß, drastisch zu mindern.

Die Erfindung ergibt somit ein universell anwendbares Ge/ät₅ das in preiswerter Form herstellbar ist und bei entsprechender- I<Ionstrnktion sowohl in der Atmosphäre ivie in Flüssjgfcaitei: 2ur Trü bur > garne ε sung eingesetzt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

Schmu tzunempiindliches

Meß- und Schaltgerät für kleine und kleinste Sichtweiten in Luft und Wasser, gekennzeichnet dadurch, daß

a) sowohl sender- als auch empfangsseitig beim Austritt der Strahlung bzw. am Eintritt der Meßstrahlung Opalglas- oder mattscheibenähnliche Streuscheiben angeordnet sind, deren aktive Fläche vergleichsweise nur wenig größer ist als die wirksame Fläche der Strahlungsquelle .undAufnahmefläche des photoelektrischen Empfangsorgans.

b) den Mattscheiben ein dimensionsmäßig um weniger als eine Dekade größeres, ebenfalls sehr kleines Blendensystem zugeordnet ist, das vorzugsweise elektrisch beheizt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Durchmesser der empfänger- und senderseitigen Mattscheibe kleiner

gerade oder runde als etwa 25 mm ist und die zugeordnete^Blendeneinrichtung beheizt ist mit einer geheizten Kantenlänge unterhalb von 100 mm derart, daß der Stromverbrauch minimalisiert ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Komponenten des Strahlungserzeugers als auch die des Strahlungsempfängers zusammen mit einem Teil der Strahlungsabschattungsvorrichtung als eine gemeinsame Baugruppe in einem gemeinsam umhüllenden Giesharz wasser- und luftdicht eingekapselt sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungs erzeugung durch eine an sich bekannte Laserdiode mittels Impulsen konstanter Amplitude erfolgt und daß die Empfangseinrichtung zwischen der Mattscheibe und der Empfangsdiode ein optisches Schmalbandfilter hat, das nur die Strahlung der Laserdiode durchläßt.

Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für Unterwasserbetrieb ein bewuchsfeindliches Mattglas verwendet wird, vorzugsweise Borosilikatglas mit hilfsweise aufgedampften Schichtkomponenten aus einem Schwermetall.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendensystem aus einem geschwärzten Schwermetall, vorzugsweise Kupfer oder Messing besteht.

7. Vorrichtung nach Ansprv.cn 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung des U-förirdgen Blendensystems im Inneren des Vergußblocks eingebaut ist, mit der CJnterfläche des U baulich verbunden, derart, daß durch metallische Wärmeleitung die Kanten warm gehalten werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendensystem aus einem gut wärmeleitenden, für Algenbewuchs toxischen Schwermetall, vorzugsweise Kupfer, besteht und daß die Heizung durch einen oder mehrere thermisch fest mit dem Blendensystem verbundene Transistoren erfolgt, die thermostatisch durch ein an sich bekanntes, mit dem Profil verbundenes Thermistorsystem gesteuert werden und das das Blendensystem wärmeisoliert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Blendensystem zwischen Strahlungssender und Strahlungsempfänger etwa rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Systemachse derart angeordnet ist, daß der erfaßte Meßraum das Blendensystem außerhalb seiner Peripherie umgibt, und daß die Haltevorrichtung für die Blenden untereinander und den Strahlungserzeuger und Strahlungsempfänger innerhalb des Konus liegt, der durch den kürzesten Strahlweg definiert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß eine baulich kombinierte Anordnung von Fotoelementen tagsüber eine Ladung der vorwiegend als Trockenakkumulator ausgebildeten Stromquelle bewirkt.

11. Stromsparendes kleines Sichtmeßgerät dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeisoliertes Blendensystem, das selbst aus gut leitendem, für Bewuchs jedoch toxischem Metall besteht, zwischen einer diffusen Strahlungsquelle und einem ungerichtet empfangenden Detektor system angeordnet ist.

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