DE2208904B2 - Gerät zur Messung von Sichtweiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Sichtweiten in Luft und Wasser mit einem Lichtsender und einem photoelektrischen Empfänger, zwischen denen eine die direkte Beaufschlagung uner Lichteintrittsöffnung des Empfängers durch die aus einer Lichtaustrittsöffnung des Lichtsenders abgestrahlten Lichtstrahlen verhindernde Blende angeordnet ist.

Bekannte Sichtweitenmeßgeräte der vorgenannten Art arbeiten sehr befriedigend, wenn es sich um die Messungen größerer Sichtweiten handelt. Bei der Messung kleinerer Sichtweiten, z. B. von weniger als 150 m, spielt die zunehmende Verschmutzung der Lichtaustritts- bzw -eintrittsöffnungen beim Sender bzw. Empfänger eine erhebliche Rolle. Außerdem verbrauchen diese bekannten Sichtweitenmesser so viel Energie, daß beispielsweise bei einer Versorgung aus elektrischen Batterien diese häufig ersetzt werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gerät der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das zu seinem Betriebe mit wenig Energie auskommt und durch Verschmutzungen der Optik in seiner Funktionsfähigkeit nicht beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgems« dadurch gelöst, daß die Lichteintritts- und -austrittsöffnung von optisch omnidirektional streuenden Scheiben abgedeckt wird, deren aktive Fläche nur wenig größer als die Lichteintritts- bzw. -austrittsöffnung des Lichtsenders bzw. -empfängers ist, und die Blende um weniger als eine Dekade größer als eine der Scheiben ist.

Solche optisch omnidirektional streuende Scheiben haben zur Folge, d.ß zusätzliche lichtstreuende Partikeln wie Staub, Salzkristalle oder leichter Algenbewuchs sie nicht mehr matter machen. Durch derartige Verunreinigungen wird darüber hinaus die Lichtdurchlässigkeit nur in einem vernachlässigten Maße verringert, so daß auf besondere Reinigungsvorrichtungen verzichtet werden kann.

Andererseits werden durch die Trübung des Mediums bei kleinen und kleinsten Sichtweiten auch die durch die Mattscheiben tretenden Lichtstrahlen in genügendem Maße reflektiert, so daß eindeutige Meßergebnisse entstehen. Dabei können die Lichteintrittsund -austrittsöffnungen sehr nahe zusammengebracht werden, so daß sich der Raumbedarf des Gerätes erheblich vermindert und zur Erzeugung der notwendigen Lichtstrahlen nur relativ kleine Energiemengen benötigt werden.

Die Vorteile gegenüber Sichtweitengeräten ohne die erfindungsgemäßen Streuscheiben (Gbm 66 08 498) für spezielle Anwendungszwecke liegen auf der Hand. Wenn der erfindungsgemäße Sichtweitenmesser beispielsweise zur Meldung von Sichtweiten auf Wasserwegen auf Bojen installiert werden muß, steht zur Unterbringung des Gerätes nur ein kleiner Raum zur Verfügung. Außerdem muß die zur Versorgung des Gerätes notwendige Energiemenge möglichst klein gehalten werden, da es in den meisten Fällen aus einer Batterie gespeist werden wird. Schließlich würde die Verkrustung der Lichteintritts- und -austrittsöffnungen auf Grund des Einflusses von Salzwasser Geräte herkömmlicher Art in kürzester Zeit funktionsunfähig machen, Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Gerät den Vorteil, wartungsfrei über eine relativ große Zeitdauer arbeiten zu können.

Zum Stand der Technik ist noch zu erwähnen, daß man bei Kalibriergeräten von Rückstreu-Sichtweitenmessern entsprechend einer völlig anderen Problematik in größerer Entfernung von den Lichteintritts- und -austrittsöffnungen Mattscheiben angeordnet hat, die den Effekt von Nebel oder Dunst simulieren sollen (Gbm 68 12 334). Bekannt ist es ferner, zur Eliminie-

rong des Verschmut?,ungseffektes das vom Sender in Richtung auf den Empfänger direkt ausgestrahlte Licht Ins Verhältnis zum Streulicht zu setzen, das aus der Umgebung in Richtung auf den Emfpänger reflektiert wird (DT-OS 20 06 882). Der Verschmutzungseinfluß toll dadurch eliminiert werden, daß man das Verhältnis zwischen direktem und gestreutem Licht unabhängig vom Verschmutzungsgrad der Lichteintritts- und -austrittsöffnungen konstant hält.

Die Erfindung wird ausführlich an Hand von drei Ausführungsbeispielen beschrieben, die in den F i g. 1 bis 3 schematisch dargestellt sind.

Die Lichtquelle 1, z. B. eine kleine Laserdiode aus Galliumarsenid, eine Lumineszenzdiode, eine konstant brennende gegebenenfalls modulierte Glühlampe oder eine kleine Funkenentladuiigslampe, jedenfalls ein im Prinzip bisher bekannter Strahlungserzeuger im sichtbaren oder unsichtbaren Spektralgebiet, wird aus einem Stroroversorgungsteil 2 von einer zentralen Batterie 14 gespeist. Die Lichtquelle 1 ist mit einer Mattscheibe 3 abgedeckt, die in Ausfallrichtung optisch ompidirektional streut, d. h. möglichst wenig Licht zurückwirft und möglichst viel Licht als Strahlung 4 diffus austreten läßt. Diese Strahlung 4 wird in den Meßraum 5 bei Anwendung der Vorwärtsstreuung entsprechend abnehmender Sichtweite zunehmend durch die Nebeltröpfchen, atmosphärischen Schmutzpartikeln oder Schwebstoffe im Wasser gestreut, so daß ein aus vielen Winkelrichtungen ankommender kleiner Strahlungsan teil 6 auf die ebenfalls wie 3 ausgebildete lichistreuende Mattscheibe 7 des Empfängers auffällt. Unmittelbar hinter dieser ist eine Photodiode 8 oder ein sonstigephotoelektrischer 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 15 freigibt.

Das Meßgerät ist bei der heutigen Baugröße von Halbleiterelementen maßstäblich in etwa gleicher Grö-Be erstellbar wie in F i g. 1 dargestellt. Man kann das ganze Gerät durch eine umhüllende Vergußmasse 16 schützen, so daß ein kompakter Baustein entsteht.

Die direkte Beaufschlagung der Empfänger-Mattscheibe 7 durch die Strahlung der Sender-Mattscheibe 3 wird dadurch unterbunden, daß in an sich bekann'er Weise eine mindestens zwei Blendenkanten enthaltende Blende 11 z.B. mit U-Profil vorgesehen ist, wobei diese Blende 11 bei Betrieb in Luft durch Heizdrähte 12, isoliert durch die Schicht 13 so stark beheizt wird, daß kein Fisbesatz auftritt und anfällige 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. aus geschwärztem Kupfer, ausnutzen. Der Leistungsbedarf dieser Blendenkanten ist der höchste des ganzen Gerätes. Daher kommt es zur Verminderung des Heizbedarfes beim erfindungsgemäßen Gerät darauf an, gerade durch dessen Kleinheit mit sehr kleinen Dimensionierungen der Blendenkanten auszukommen. In der Praxis braucht die Blende nie das Zehnfache des optisch aktiven Durchmessers der Mattscheiben zu übersteigen; oft reicht eine Dimensionierung der Mattscheiben von 10 mm und eine Blenden-Profilbreite unter 30 mm aus. Darüber hinaus kann man erfindungsgemäß die optisch wirksamen Blendenkanten nicht nur schwärzen sondern auch mit einem wasserabweisenden überzug, 1. B. einem Kunststoff auf Siliziumbasis, versehen, so daß die Abtrockungsleistung geringer ausfällt und die Tendenz zur Bildung von Eiskristallen gemindert oder ganz unterbunden ist.

Bei Betrieb im Wasser kann eine starke Blendenkantenheizung auch den Bewuchs von Algen unterbinden. Erfindungsgemäß werden die Blendenkanten 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 eingebetiei sein können. Gegebenenfalls kann auch ein engmaschiges Schwermetall-Gitternetz in Aufdampftechnik auf die dann vorwiegend in der innerer. Glasstruktur matten Glasscheiben aufgedampft werden.

Abweichend von dem mit Vorwärtsstreuung arbeitenden Gerät der F i g. 1 ist die Erfindung auch für Geräte mit Rückwärtsstreuung anwendbar, wie es F i g. 2 zeigt. In F i g. 2 sind für gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 verwendet In diesem Falle wird ein Teil der einfallenden Strahlung 4 im Meßraum 5 zurückgestreut, so daß ein sichtweitenabh.ingiger Strahiungsanteil 6 beim Empfänger ankommt. Auch hier muß man darum bemüht bleiben, daß der Gesamiweg zwischen der Sender-Mattscheibe 3 und der Empfänger-Mattscheibe 7 vernachlässigbar klein gegenüber der kleinsten zu messenden Sichtweite ist, z. B. kleiner als '/ic- Dies ist aber bei der Dimensionierungsempfehlung der vorliegenden Erfindung in jedem Falle gewährleistet, da Lichtwege von nur 51 bis 10 cm bereits für das Meßprinzip ausreichen, so daß selbst Sichtweiten bis herab zu '/2 m noch meßbar ;ind.

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 Seewasscr sowie zur Messung der Trübung industrieller Abwasser in situ einzusetzen. Hierbei kann man — wie die rotationssymmetrische weitere Ausführungsform der Erfindung jemäß F i g. 3 zeigt — das Interferenzfilter 7a als gesonderte Einheit ausbilden und zwischen die Mattscheibe 7 und Fotodiode 8 setzen. Man kann aber auch die erforderliche Aufdampfung der Filterschichten für den Durchlaßbereich der Laser- oder Duoreszenzstrahlung der Strahlungsquelle 1 direkt auf die Rückseite der Mattscheibe 7 aufdampfen.

Gemäß F i g. 2 und 3 kann man die Heizung des U-Profils der Blende 11 auch durch einen festverschraubten Transistor 17 bewirken, wobei ein mit gutem Wärmekoutakt zu dem U-Profil versehener Transistor 18 die Temperatur erfaßt und dementsprechend zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur den Heiitransistor 17 in bekannter Weise regelt.

Im Falle der F i g. 3 ist die zu messende Atmosphäre oder Hydrosphäre ringsherum um das z. B. kreisförmige Blendenpaar 11 angeordnet, und der heizende Transistor 17 kar.i beide Blenden des Paares heizen. Es ist auch möglich, zwei Heiztransistoren 17 zu verwenden und jeden mit einer Scheibe des Blendenpaares U zu verschrauben. Die Temperatur wird wiederum durch den zugeordneten Thermistor 18 erfaßt, der der. oder die Heiztransistoren 17 in bekannter Weise regelt. .

Zur Halterung von Sender und Empfänger kann man — wie F i g. 3 zeigt — z. B. in Achsennähe eine gemeinsame Haltevorrichtung 19 anordnen, die innerhalb der Strahlungskegel so liegt, daß das Beobachtungsvolumen 5 nicht gestört wird. Wiederum wird man für das

Blendenmaterial 11 zweckmäßig ein gut wärmeleitendes, zugleich für Algenbewuchs 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 SiIizium Fotozellenanordnung 20 schaltet, die bei Auflreffen 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 gegebenenfalls 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 Gerät, das in preiswerter Form herstellbar ist und bei entsprechender Konstruktion sowohl in der Atmosphäre wie in Flüssigkeiten zur Trübungsmessung eingesetzt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung von Sichtweiten in Luft und Wasser mit einem Lichtsender und einem photoelektrischen Empfänger, zwischen denen eine die direkte Beaufschlagung einer Lichteintrittsöffnung des Empfängers durch die aus einer Lichtaustrittsöffnung des Lichtsenders abgestrahlten Lichtstrahlen verhindernde Blende angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintritts- und -austrittsöffnung (I, 8) von optisch omnidirektional streuenden Scheiben (3,7) abgedeckt sind, deren aktive Räche nur wenig größer als die Lichteintrittsbzw, -austrittsöffnung (1, 8) des Lichtsenders bzw. -empfängers ist und die Blende (11) um weniger als eine Dekade größer als eine der Scheiben ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) mindestens an ihren aktiven Blendenkanten beheizbar ist.

3. Gerät nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Durchmesser der empfänger- und senderseitigen Streuscheibe (3, 7) kleiner als eti"a 25 mm und die geheizte Kantenlänge der Blende (11) kleiner als 100 mm ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine Bauteile als eine gemeinsame Baugruppe in einem gemeinsam umhüllenden Gießharz (16) wasser- und luftdicht abgekapselt sind.

5. Gerät für Unterwasserbetrieb nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch Streuscheiben (3, 7) aus bewuchsfeindlichem Mattglas, vorzugsweise Borosilikatglas mit hilfsweise anfgeda^mpften Schichtkomponenten aus einem Schwermetall.

6. Gerät nach Anspruch 1 bis ~. dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) aus einem geschwärzten Schwermetall, vorzugsweise Kupfer oder Messing, besteht.

7. Gerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) aus einem gut wärmeleitenden, für Algenbewuchs toxischen Schwermetall, vorzugsweise Kupfer, besteht.

8. Gerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) U-förmig ausgebildet ist und am Stegteil des U eine Heizvorrichtung (17, 18) enthält.

9. Gerät nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beheizung thermisch fest mit der Blende (11) verbundene Transistoren (17) vorgesehen sind, die thermostatisch durch ein mit dem Blendenprofil verbundenes Thermistorsystem gesteuert werden, und daß die Blende (11) wärmeisoliert angeordnet ist.

10. Gerät nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein zwischen Sender und Empfänger etwa rolationssymmetrisch um eine gemeinsame Systemachse angeordnetes Blendensystem, welches vom Meßraum ringförmig umgeben ist. und eine gemeinsame Haltevorrichtung (19) für die Blenden, den Sender und den Empfänger innerhalb der durch die kürzesten Strahlwege definierten Strahlungskegel.