-
Diese
Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Messung der Lichtabsorption
in einem Ziel, z. B. einem Gas, bestehend aus: einem ersten und
einem zweiten optischen Messwandler, von denen der eine eine Lichtquelle
ist und der andere ein Lichtempfänger,
adaptiert zur Emittierung bzw. Detektion von Licht innerhalb eines
ausgewählten
Wellenlängenbereichs,
einem partiell reflektierenden Strahlteiler, der so adaptiert wurde,
dass er Licht zum oder vom ersten Messwandler reflektiert und Licht
zum oder vom zweiten Messwandler sendet, und eine Linse oder einer
Gruppe von Linsen mit einer ausgewählten Brennweite, die Licht
zu den oder von den Messwandlern sendet.
-
Der
Inhalt eines Gasgemischs wird häufig bestimmt,
indem ein Infrarotstrahl mit bekanntem Spektrum über einen gewählten Pfad
an einen Empfänger
gesendet wird. Der Empfänger
und damit verbundene Instrumente sind dazu adaptiert, die von dem
Gasgemisch absorbierten Wellenlängen
zu identifizieren und dadurch die im Gemisch vorhandenen Elemente
zu identifizieren.
-
Das
Verfahren ist besonders interessant beim Überwachen der Atmosphäre, beispielsweise
in einer Fabrikhalle, als Warnsystem für giftige Gase, Explosionsgefahr
usw.
-
Normalerweise
sind Sender und Empfänger getrennte
Einheiten und der gesendete Strahl ist auf den Empfänger gerichtet.
Es ist jedoch schwierig, in Kombination mit hochpräzisen Winkeleinstellungen eine
gute mechanische Stabilität
zu erhalten.
-
Um
die Verwendung von Kabeln zwischen der Quelle und dem Empfänger und
damit potenzielle elektrische Störungen
zu vermeiden, wird der Messstrahl auch zum Synchronisieren des Empfängers verwendet.
Dies führt
jedoch zu einer hohen Wahrscheinlichkeit für externe Störungen im
Messpfad, beispielsweise Sonnenlicht und Hindernisse im Pfad.
-
Diese
Lösung
bietet keine Möglichkeiten zum Überwachen
der spektralen Verteilung der emittierten Strahlung und daher können Schwankungen derselben
ebenfalls zu Messfehlern führen.
Solche Instrumente sind häufig
mit Systemen verbunden, die eine industriellen Prozess oder die Öl-/Gasförderung bei
einem Gasalarm stilllegen. Produktionsstopps im Zusammenhang mit
Fehlalarmen sind teuer und senken das Vertrauen der Betreiber in
das System. Es ist daher gleich wichtig, dass solche Instrumente
keine Fehlalarme generieren, wie dass alle Gaslecks erfasst werden.
-
Bei
einem anderen bekannten Typ von Gassensor befinden sich Sender und
Empfänger
im selben Gehäuse.
Der Lichtstrahl wird über
einen Retro-Reflektor zum Empfänger
zurück
gesendet. Da im empfangenen Signal ein hoher Kontrast vorhanden sein
muss und die Amplitude des gesendeten Strahls verglichen mit dem
empfangenen Strahl hoch ist, müssen
der gesendete und der empfangene Strahl vollständig getrennt werden. Dies
erfolgt normalerweise, indem getrennte Linsensysteme für die beiden Messwandlertypen
verwendet werden und die Messwandler in getrennten Fächern im
Gehäuse
untergebracht werden. Diese Lösung
ist jedoch kompliziert und voluminös und macht das Instrument
groß und teuer.
-
Das
Instrument gemäß dieser
Erfindung beruht auf der Lösung,
bei der sich beide Messwandler, der Sender und der Empfänger, im
selben Gehäuse befinden.
Die Messwandler nutzen das selbe Kollimatorlinsensystem, das den
emittierten Strahl zu einem Retro-Reflektor leitet. So können alle
optischen Komponenten in der selben kompakten Einheit integriert
werden und sind so zur Verwendung in einem kompakten und robusten
Instrument adaptiert. Im Instrument können zwei Quellen integriert
werden, wobei z. B. eine die in den Messungen verwendete Strahlung
generiert und die andere eine Referenzwellenlänge emittiert. Es ist außerdem möglich, die
Strahlung zu messen, bevor sie in den Strahlpfad emittiert wird.
Auf diese Weise kann ein Instrument gebaut werden, das keine Messfehler
infolge Störungen
im Pfad oder Änderungen
der Quelle produziert.
-
Ein ähnliches
System ist in
GB 2.219.656 beschrieben,
das einen Sender und einen Empfänger umfasst,
die beide über
einen Strahlteiler auf eine Linse gerichtet sind. Der Retro-Reflektor vereinfacht die
Ausrichtung des optischen Systems, das beschriebene System hat jedoch
den Nachteil, dass vom Sender gesendetes Licht im Instrument intern reflektiert
wird und den Empfänger
beeinflusst.
-
Da
die empfangene Strahlung im Bereich von zwei bis drei Dekaden schwächer ist
als die emittierte Strahlung, ist es unmöglich, die internen Reflexionen
so weit zu reduzieren, dass brauchbare Ergebnisse erhalten werden.
Um dies zu vermeiden, umfasst das Sensorsystem gemäß der Erfindung
einen Strahlteiler, der einen ersten reflektierenden Teil und einen
zweiten, vom ersten Teil verschiedenen, sendenden Teil umfasst und
einen zwischen dem sendenden Teil und dem ersten Messwandler positionierten
Schirm.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend ausführlich unter
Verweis auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die ein Beispiel
einer Ausführungsform der
Erfindung veranschaulicht.
-
1 zeigt
einen Querschnitt eines Sensorsystems gemäß der Erfindung.
-
2 zeigt
ein Detail eines im Sensorsystem enthaltenen Strahlteilers.
-
In 1 umfasst
das Sensorsystem einen Sender 1 und einen Empfänger 2,
die Strahlung durch eine Linse 4 und einen Strahlteiler 3 senden bzw.
empfangen.
-
Bei
den Messwandlern kann es sich um einen beliebigen erhältlichen
Typ handeln, wobei die Spektren, Ausgabe und Empfindlichkeit von
der vorgesehenen Verwendung des Systems abhängen. Die Linse bzw. das Linsensystem
wird entsprechend dem Frequenzbereich des Systems und der erforderlichen Öffnung gewählt.
-
In
der abgebildeten Ausführungsform
wird Strahlung vom Sender 1 durch den Strahlteiler 3 und durch
die Linse bzw. das Linsensystem 4, das den Strahl vorzugsweise
kollimiert, gesendet. Der Sender ist vorzugsweise in oder nahe dem
Brennpunkt der Linse bzw. des Linsensystems 4 positioniert,
um die Übertragung
von Strahlung zu maximieren.
-
Empfangene
Strahlung wird von der Linse zu den Messwandlern 1, 2 fokussiert.
Die Strahlung wird vom Strahlteiler 3 zum Empfänger 2 reflektiert,
der ebenfalls in oder nahe dem Brennpunkt der Linse 4 positioniert
ist. Die Positionen des Senders und des Empfängers sind selbstverständlich austauschbar.
-
Gemäß der Erfindung
umfasst der Strahlteiler einen im Wesentlichen total reflektierenden
Teil 3A und einen transparenten Teil 3B (siehe 2). Der
transparente Teil kann weggelassen werden, wobei der Strahlteiler
dann ein Spiegel ist, der die vom Sender durch die Linse gerichtete
Strahlung teilweise blockiert und einen Teil der durch die Linse
empfangene Strahlung zum Empfänger
reflektiert. Der reflektierende Teil des Strahlteilers ist vorzugsweise der
dem Empfänger
am nächsten
liegende Teil, es sind jedoch selbstverständlich auch andere, kompliziertere
Konstellationen möglich.
Außerdem
kann das Verhältnis
von gesendetem zu reflektiertem Licht abweichend vom in den Zeichnungen
dargestellten Verhältnis
von 50:50 gewählt
werden.
-
In 1 ist
außerdem
ein sich zur Linse erstreckender Schirm 6 gezeigt. Der
Schirm 6 erstreckt sich von der Übergangszone zwischen dem reflektierenden
Teil 3A und dem transparenten Teil 3B des Strahlteilers
und schirmt den Empfänger 2 von
der vom Sender 1 emittierten Strahlung ab.
-
Der
Schirm und der Strahlteiler können
in einem Teil hergestellt werden. Je nach Größe und Position des Schirms
kann er vorzugsweise aus einem reflektierenden Material bestehen,
so dass er Strahlung als nutzbare Strahlung in den Strahlpfad oder zum
Empfänger
reflektiert, die andernfalls verloren werden würde.
-
Die
Länge des
Schirms 6 hängt
unter anderem von den Gesichtsfeldern 7, 8 des
Empfängers 2 bzw.
des Senders 1 ab. Dies kann mit einer zwischen den Messwandlern
und dem Strahlteiler positionierten Membran (nicht abgebildet) verstellt
werden. Vorzugsweise ist die Membran zwischen den Messwandlern und
dem Strahlteiler positioniert. Dadurch wird das Gesichtsfeld des
Empfängers
reduziert, so dass die Länge
des Schirms reduziert werden kann.
-
Der
Schirm 6 kann bis zur Linse bzw. zum Linsensystem reichen,
so dass der Innenraum des Sensorsystems in zwei geteilt wird und
so ein wirkungsvoller Schutz für
den Empfänger
gebildet wird, dies begrenzt jedoch die wirksame Öffnung der
Linse 4 und damit die vom Empfänger 2 empfangene
Energie. Die Länge
des Schirms 6 ist daher entsprechend der vorgegebenen Verwendung
in verschiedenen Situationen zu wählen.
-
Die
Messwandler 1, 2 können optische Geräte wie Filter,
Linsen und/oder Strahlteiler umfassen, um zum Beispiel Licht mit
unterschiedlichen Wellenlängen
von oder zu verschiedenen Messwandlern zusammenzuführen oder
zu teilen. Außerdem
können
Kalibrationssysteme eingeschlossen werden, beispielsweise, um eventuell
das Senden von Licht direkt vom Sender an den Empfänger, möglicherweise über einen
getrennten Referenzkanal zu ermöglichen,
um das Spektrum der emittierten Strahlung zu messen.
-
Das
System gemäß der Erfindung
umfasst außerdem
Standardgeräte
wie Stromversorgung und Steuerschaltungen, die nicht in den Zeichnungen
abgebildet sind und in ähnlichen
Sensorsystemen gebräuchlich
sind.