EP4359765A1 - Vorrichtung zur messung zumindest eines gasförmigen oder festen stoffes - Google Patents

Vorrichtung zur messung zumindest eines gasförmigen oder festen stoffes

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EP4359765A1
EP4359765A1 EP22740749.1A EP22740749A EP4359765A1 EP 4359765 A1 EP4359765 A1 EP 4359765A1 EP 22740749 A EP22740749 A EP 22740749A EP 4359765 A1 EP4359765 A1 EP 4359765A1
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EP
European Patent Office
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unit
detector
partial
reflection area
beam splitter
Prior art date
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Pending
Application number
EP22740749.1A
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English (en)
French (fr)
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Andreas Pein
Gerald Steiner
Mario ARAR
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/12—Alarms for ensuring the safety of persons responsive to undesired emission of substances, e.g. pollution alarms

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring at least one gaseous or solid substance in at least one measuring volume at a stationary measuring point, wherein a light source and at least one detector are provided, and at least one main primary beam can be emitted from the light source to at least one beam splitter unit, wherein the at least a beam splitter unit is arranged at a first distance from a first reflection area of a reflection unit, and the beam splitter unit divides the main primary beam into at least one first partial beam oriented through the measurement volume in the direction of the first reflection area and at least one secondary primary beam oriented in a direction different from the main primary beam, wherein at least one deflection unit is arranged at a second distance from a second reflection area, and the at least one secondary primary beam by means of the beam splitter unit to the deflection unit can be steered and the at least one secondary primary beam can be steered by means of the deflection unit as a second partial beam through the at least one measurement volume in the direction of the second reflection area, and wherein the
  • the invention also relates to a method for measuring at least one gaseous or solid substance in at least one measurement volume, which is formed between a beam splitter unit and a first reflection area and/or a deflection unit and a second reflection area.
  • Exhaust gas measurements are largely limited to systems that measure substances in the exhaust gas, such as gaseous substances or particles, in the vehicle itself, for example in or after the exhaust.
  • these systems are limited to a small number of test vehicles and therefore cannot provide a representative image of a large number of different vehicles in real operation.
  • Emission measurements as part of the regular inspection of the vehicle in a workshop are also unrepresentative because such inspections are only carried out at long intervals. Attempts are therefore being made to enable exhaust gas measurements from vehicles in real operation in public spaces.
  • remote sensing also in the sense of "real driving emissions” (RDE) measurements are carried out at a stationary measuring point, can be attached to advantageously pre-installed infrastructure, such as toll stations, street lamps, bridges, or building facades in the city and the like .
  • RDE real driving emissions
  • a slight incline on the road at the measuring point is suitable for generating a positive engine load.
  • Remote sensing often uses a light source that emits a characteristic wavelength or wavelength range(s) to detect a gaseous substance such as carbon monoxide or nitrogen oxides.
  • a detector allows, for example, a measurement of the attenuation of the light that is sent through the exhaust plume.
  • particles such as soot particles, as a substance. This can then be realized, for example, via light scattering or by measuring the attenuation of the return beam in relation to the incident light.
  • the reliable measurement of such substances in exhaust clouds can lead to various difficulties.
  • the emissions of substances are of different types Engines or other energy systems, such as fuel cells, are all different and must be measurable with the same system.
  • the concentration range to be measured varies greatly and depends on the vehicle class to be measured (e.g. truck vs. motorcycle). Especially low concentrations cause problems in the evaluation. Differences in the operating temperature of an engine can also result in differences in the substances to be measured.
  • a number of the cross-influences and inaccuracies mentioned above could be remedied by multiple measurements of substances in an exhaust gas cloud. It may be possible to measure an exhaust gas cloud several times in succession, or to measure an exhaust gas cloud at several points.
  • EP 3702 757 A1 discloses a multiple measurement for remote sensing in public space, with exhaust gas clouds being measured on the street and above the street using beam splitter units and positioning units, and the emitted light being collected by collectors on the street surface and being guided to a central detector.
  • This is disadvantageous for exhaust gas components in low concentrations because the emitted light only passes through the exhaust gas cloud once at each point. Since the collectors are arranged on a road surface, contamination inevitably leads to a reduction in the detected signal. This creates various changes in the measurement and makes it necessary to clean the measuring device regularly.
  • the object of the present invention is therefore to provide a low-maintenance remote sensing device for multiple measurements of a gaseous or solid substance in a measuring volume, which is also able to measure substances in low concentrations.
  • the first reflection area is provided in order to direct the first partial beam as the first return beam through the at least one measurement volume to the at least one detector
  • the second reflection area is provided in order to guide the second partial beam as a second return beam through the at least one measurement volume to the at least one detector
  • the at least one detector is provided to measure a light property of each return beam that characterizes the at least one gaseous or solid substance.
  • the device according to the invention is advantageous because the emitted partial beams and return beams traverse the measurement volume at least twice, and a more precise measurement of a gaseous or solid substance in the measurement volume is thus made possible on the basis of an integral measurement. Substances can also be measured in lower concentrations in the measuring volume. It can be done in at least two places in the same Measurement volume or measured in at least two separate measurement volumes, which also makes the device flexible.
  • a reflection unit which is usually arranged on a surface to be measured and is therefore directly exposed to external influences such as vehicle traffic, can be replaced easily and inexpensively, which means that any maintenance times and associated failures due to damaged reflection units can be kept low.
  • the respective return beam is advantageously directed via the reflection areas directly to a detector or via the beam splitter unit or via the deflection unit or via the deflection unit and the beam splitter unit to the at least one detector. This can also be made dependent on where the at least one detector can be arranged or is possibly already arranged.
  • the detector is arranged in the deflection unit or the beam splitter unit, depending on the application and requirement, or one detector each in both units.
  • An arrangement of the detector together with the light source in one housing is also possible. Due to these diverse possibilities, the device can be adapted very flexibly to the respective application, which makes it easier to use.
  • a second beam splitter unit at a third distance from a third reflection area.
  • This second beam splitter unit is arranged between the first beam splitter unit and the deflection unit and receives the secondary primary beam from the first beam splitter unit and divides it into a third partial beam oriented in the direction of the third reflection area and a second secondary primary beam oriented in the direction of the deflection unit.
  • the second beam splitter unit is arranged between the first beam splitter unit and the deflection unit, as viewed in the radiation direction of the secondary primary beam.
  • a further measuring point is consequently realized by the third partial beam.
  • An increase in the number of measuring points can also be achieved by a beam splitter unit dividing the obtained main primary beam or secondary primary beam into a first or third partial beam and into a plurality of secondary primary beams oriented in different directions, with the beam splitter unit directing each secondary primary beam to a further beam splitter unit or a deflection unit.
  • the directions of the secondary primary beams are different from one another, but preferably also different from the direction of the first and/or third partial beam.
  • one variant of the invention provides that at least one beam splitter unit is pivotable about an axis in order to selectively guide the generated secondary primary beam to a plurality of deflection units and/or further beam splitter units, with the axis running normally is carried out on a mirroring area or on a surface on which the mirroring unit is arranged.
  • a secondary primary beam can thus be easily directed to a plurality of further beam splitter units and/or deflection units with one beam splitter unit.
  • the direction of a generated partial beam can be adjusted by a positioning optics unit in a beam splitter unit and/or deflection unit, in particular deflectable at an angle deviating from a normal to the respective reflection area.
  • a positioning optics unit is provided in at least one beam splitter unit and/or deflection unit, and the positioning optics unit deflects the first partial beam oriented in the direction of the respective reflection area at an angle that deviates from a normal to the respective reflection area.
  • the positioning optics unit can also be used to increase the number of times a partial beam passes through the measurement volume and thus increase the sensitivity of the measurement.
  • An integral measurement is realized by the multiple passage through the measurement volume, because the light beam is influenced multiple times by at least one gaseous or solid substance in the measurement volume.
  • This advantage can be achieved by arranging an opposite second reflection unit with an opposite twin reflection area facing the respective reflection area in at least one beam splitter unit and/or deflection unit at a distance from the respective reflection area, with the respective reflection area reflecting the partial beam to the opposite twin reflection area and the opposite twin reflection area reflects the partial beam back to the respective reflection area, wherein the at least one detector is provided to detect the partial beam as a return beam after a plurality of such reflections or a deflection mirror is provided which deflects the partial beam as a return beam after a plurality of such reflections and the at least one detector detects the return beam after a number of reflections between the mirror unit and the opposite mirror unit.
  • the angle of the partial beam can preferably be adjusted by the positioning optics unit. If at least one partial beam and/or a return beam and/or the main primary beam and/or a secondary primary beam is divided into individual light packets by a modulation unit, the detection of the return beams in the detector can be simplified. At least one modulation unit is therefore preferably provided in the device in order to split at least one partial beam and/or a return beam and/or the main primary beam and/or a secondary primary beam into individual light packets. If the light packets are additionally modulated with a time offset, the time-offset light packets can be detected by the detector. At least two packets of light are therefore preferably offset in time. For example, spatially resolved measurements can be carried out in a simple manner by means of a detector if it only ever receives one light packet at a time.
  • a multiplexer unit is provided in a beam splitter unit and/or deflection unit, which splits the main primary beam or secondary primary beam obtained into a plurality of partial beams, and the multiplexer unit divides the plurality of partial beams into different ones Locations of the respective mirroring area, which reflects the plurality of partial beams as a plurality of return beams and sends the plurality of return beams to the multiplexer unit, and that the multiplexer unit sends the plurality of reflected return beams to at least one detector.
  • a separate detector is provided for at least two of the plurality of return beams, with which the return beams can be detected at the same time.
  • At least two of the plurality of partial beams are guided in the multiplexer unit via their own optical path, the optical paths having different optical path lengths and a common detector being provided for the at least two return beams produced. Due to the different optical path lengths, the return beams arrive at the detector at different points in time, which makes it possible to easily separate the detection of the individual return beams in the detector. Of course, this can also be combined with a modulation of the light beams into individual light packets.
  • At least one imaging unit is provided in the device in order to record at least part of the exhaust gas cloud from different directions when an exhaust gas cloud is present in the measurement volume, with an evaluation unit being present to convert the images recorded by the imaging unit into an image of the at least one part to reconstruct the exhaust gas cloud and to determine a passage distance of the partial jet and/or the return jet through the exhaust gas cloud in the measurement volume from the image of at least part of the exhaust gas cloud.
  • the at least one detector that detects the return beam determines a Decrease in intensity of the detected return beam due to the at least one gaseous or solid substance.
  • the evaluation unit determines a concentration of the at least one gaseous or solid substance in the measurement volume from the decrease in intensity and the determined passage distance.
  • a plurality of cameras and/or one or more lidar units can advantageously be used as the imaging unit.
  • the plurality of cameras and/or the one or more lidar units are preferably arranged at different positions.
  • the plurality of cameras and/or the one or more lidar units are arranged in such a way that the part of the exhaust gas cloud can be imaged from different spatial directions. In this way, they can image part of the exhaust cloud from different directions.
  • a protective film is advantageously arranged over the reflection areas in an exchangeable manner. This means that necessary maintenance intervals can be reduced.
  • a main primary beam is emitted by a light source and the main primary beam is directed to the at least one beam splitter unit, in which the main primary beam is directed into at least one in the direction of the first reflection region and through the at least a first partial beam oriented to the measurement volume and a secondary primary beam is split, the secondary primary beam being deflected in the deflection unit into a second partial beam oriented in the direction of the second reflection area and through the at least one measurement volume, the first partial beam being reflected at the first reflection area and passing through as the first return beam the at least one measurement volume is deflected back to the at least one detector, with the second partial beam being reflected at the second reflection area and as a second return beam through the at least one measurement volume to the at least is deflected back to a detector, and a light property of each return beam characterizing the at least one gaseous or solid substance is measured with the at least one detector.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a device according to the invention for measuring at least one gaseous or solid substance in a measuring volume
  • Fig. 1 shows a device 1 according to the prior art for measuring a gaseous or solid substance in a measuring volume 2.
  • the measuring volume 2 there can be, for example, an exhaust gas cloud 31 which is emitted by a vehicle or another emission source 15 in the public space 16 .
  • a wide variety of gaseous and solid (eg particles) components can occur in the measurement volume 2 .
  • an exhaust gas cloud 31 from a car can be present in the measurement volume 2 .
  • the substances in the measurement volume 2 can come from any type of emission source 15, for example on a surface 10.
  • the emission source 15 is a vehicle such as passenger cars (cars), trucks (trucks), but also a single-track vehicle such as a motorcycle, moped, and the like, which have an internal combustion engine.
  • the detection of such emission sources 15 can be helpful, for example to determine the proportion of vehicles with low or high emission values in road traffic.
  • the measurement can be carried out, for example, on a surface 10, for example a road, advantageously at a certain distance d above a surface 10.
  • the device 1 is arranged to the side of a measurement volume 2 and the Measurement takes place parallel to the surface 10, or the device 1 can also be installed in the surface 10 itself. Combinations of measurements from several sides are also conceivable.
  • emissions can be measured in chimneys, which can have diameters of a few meters.
  • the measurement volume 7 would be formed in the chimney.
  • the device 1 can also measure a measurement volume 2 at other locations away from a surface 10, for example. It is conceivable that a device 1 in a measuring volume 2 measures an exhaust gas cloud of an aircraft when taking off or landing on a runway at an airport. It is also conceivable that an exhaust gas cloud from a ship is measured, for example in a harbor basin or in a lock.
  • the exhaust gas cloud 31 does not necessarily have to come from a vehicle either, but can in principle come from any emission source 15 .
  • An example is an exhaust gas cloud 31 from an industrial process, which is discharged at a chimney, for example.
  • the substances to be measured in the measuring volume 2 can be gaseous substances such as carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), sulfur dioxide (SO2), gaseous polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and the like.
  • gaseous substances such as carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), sulfur dioxide (SO2), gaseous polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and the like.
  • solid substances such as solid particles, such as soot particles
  • the substances and their concentrations in the measuring volume 2 are usually dependent on the emission source 15, for example the type of fuel, the internal combustion engine, the operating state of the internal combustion engine and the status of a catalytic converter or exhaust gas aftertreatment system (if present).
  • an internal combustion engine that is not yet up to operating temperature often emits a higher concentration of partially combusted substances, such as polycyclic aromatic hydrocarbons, than at normal operating temperature.
  • partially combusted substances such as polycyclic aromatic hydrocarbons
  • different substances are emitted in different operating states (e.g. given by current speed and current torque).
  • measuring a substance can mean detecting the presence of the substance in measuring volume 2, but also measuring a quantity or concentration of the substance in measuring volume 2.
  • Remote sensing is based on a light beam being sent through the measurement volume 2 and a light property of the light beam, for example the light intensity or a wavelength of the light, being changed due to gaseous and/or solid substances in the measurement volume 2 . This change can be measured with a detector 5 in order to draw conclusions about the gaseous or solid substances in the measurement volume 2 .
  • FIG. 2 shows an embodiment of remote sensing according to the invention, with a device 1 for multiple measurements of a solid or gaseous substance in at least one measurement volume 2.
  • a light source 3 is provided in the device 1, which is arranged in close proximity to a detector 5 in the exemplary embodiment shown.
  • the light source 3 and the detector 5 are preferably arranged in a common housing.
  • the light source 3 can, for example, emit monochromatic light, for example as laser light, which emits a defined wavelength with a predetermined light intensity.
  • QCL quantum cascade lasers
  • other types and combinations of lasers are also conceivable in order to cover different wavelength ranges.
  • the light source 3 has a polychromatic emitting lamp, such as a lamp in the ultraviolet (UV) or infrared range (IR).
  • a monochromator in the light source 3 or at another suitable location in the device 1 is also conceivable in order to select wavelengths in a targeted manner.
  • a monochromator can be, for example, a Bragg grating, a prism, a movable mirror or an optical filter.
  • the light source 3 generates a main primary beam 4.1 with a predetermined light intensity and at least one wavelength, and this is directed to a beam splitter unit 6.
  • the light source 3 can be arranged either in the beam splitter unit 6 or in close proximity to it. It is also possible to direct the main primary beam 4.1 to the beam splitter unit 6 via a light transport unit 8.
  • the light transport unit 8 is advantageous if a light source 3 is arranged locally separately from the beam splitter unit 6, for example at the level of the surface 10 and is to be guided to the beam splitter unit 6 with little or no loss in terms of light intensity.
  • the light transport unit 8 can be, for example, an optical fiber, such as a glass fiber cable, or a mirror system or another optical system that directs the main primary beam 4.1 to the beam splitter unit 6.
  • the beam splitter unit 6 is arranged at a first distance di from a first reflection region 11.1 of a first reflection unit 11. An incoming light beam is reflected at the reflection area 11.1.
  • the first Reflection area 11.1 forms a reflection plane for reflection.
  • the first reflection unit 11 can be arranged in an application-related manner, for example on a surface 10 (eg on a roadway of a street).
  • the distance di can also be selected to suit the application, for example depending on the vehicles driving through, but also on the direction of the measurement. For example, the distance di can be smaller when measuring parallel to surface 10 and larger when measuring normal to surface 10 .
  • a measuring volume 2 is formed between the beam splitter unit 6 and the first reflection unit 11, in which at least one gaseous and/or solid substance which has been emitted by an emission source 15 is to be measured.
  • the main primary beam 4.1 is split in the beam splitter unit 6 into a first partial beam 4′′ and at least one secondary primary beam 13, which continue in different directions.
  • a double mirror or another suitable optical system or device can be provided in the beam splitter unit 6, which splits the light intensity of the main primary beam 4.1 to a light intensity of the first partial beam 4" and the at least one secondary primary beam 13.
  • the light intensity of the main primary beam 4.1 is divided equally between the light intensity of the secondary primary beam 13 and the first partial beam 4′′.
  • the first partial beam 4′′ is directed by the beam splitter unit 6 in the direction of the first reflection area 11.1 of the reflection unit 11.
  • the first partial beam 4′′ penetrates the at least one measurement volume 2.
  • the first partial beam 4′′ is reflected by the first reflection area 11.1 and directed as a first return beam 14′′ in the direction of at least one detector 5.
  • the first partial beam 4" is preferably deflected by the beam splitter unit 6 to the first reflection area 11.1 of the reflection unit 11 in such a way that the direction of the first return beam 14" is opposite but parallel to the direction of the first partial beam 4".
  • the first return beam 14′′ penetrates the at least one measurement volume 2 again.
  • the detector 5, which detects the first return beam 14'', can be arranged at any suitable location on the device 1.
  • the first partial beam 4" is deflected by the beam splitter unit 6 in a direction that differs from the direction of incidence of the main primary beam 4.1 into the beam splitter unit 6, and the secondary primary beam 13 essentially retains the direction of incidence of the main primary beam 4.1 entering the beam splitter unit 6.
  • the beam splitter unit 6 divides the main primary beam 4.1 into a first partial beam 4" in one of the direction of incidence of the Main primary beam different direction and a secondary primary beam 13 in a direction that corresponds to the irradiation direction of the main primary beam 4.1 in the beam splitter unit 6 substantially.
  • the first partial beam 4 is deflected by the beam splitter unit 6 in a direction that is oriented essentially normal to the first reflection area 11.1 and/or a reflection plane of the first reflection area 11.1.
  • the arrangement of the first reflection unit 11 with the first reflection area 11.1 can thus be selected independently of the position of the detector 5.
  • the first mirror unit 11 may be mounted parallel to the plane of the surface 10, normal to the plane of the surface 10, or at an angle to the plane of the surface 10 in between.
  • the reflection unit 11 can also be mounted in a surface 10 and protected from damage and contamination by emission sources 15, such as vehicles driving over the surface 10, by means of a suitable coating or shoring.
  • the first return beam 14′′ can then be directed via the beam splitter unit 6 in the direction of the at least one detector 5 (indicated by the primary return beam 13′ in FIG. 2). This can be done, for example, via the light transport unit 8 if the light source 3 and the detector 5 are arranged locally together. However, it can also be provided that the detector 5 is spatially separated from the light source 3 .
  • the first return beam 14′′ could be sent to the detector 5 in a suitable manner, for example via a mirror system or a separate optical waveguide.
  • the detector 5 can also be arranged directly in the beam splitter unit 6 .
  • the beam splitter unit 6 also generates the secondary primary beam 13 which is guided in the direction of at least one deflection unit 7 .
  • the direction of the secondary primary beam 13 preferably essentially corresponds to the direction in which the main primary beam 4.1 enters the beam splitter unit 6.
  • the deflection unit 7 is arranged at a second distance d2 from a second reflection area 11.2 of the reflection unit 11.
  • the distance d2 can also be selected here based on the application, for example depending on an emission source 15, but also on the direction of the measurement.
  • the first distance di and the second distance d2 can also result from structural or natural height differences. For example, an elevation of the surface 10 or changes in the nature of the surface 10 can result in the distances di, d2 being different.
  • a measurement volume 2 is formed between the deflection unit 7 and the second reflection area 11.2. This can be the same measurement volume 2 as between the beam splitter unit 6 and the first reflection area 11.1, or a separate measurement volume.
  • the at least one measurement volume 2 is thus arranged between the beam splitter unit 6 and/or the deflection unit 7 and the associated reflection area 11.1, 11.2, and is at least partially delimited by the beam splitter unit 6 and/or the deflection unit 7 and the reflection unit 11.
  • two separate measuring volumes 2 can also be provided.
  • the first reflection area 11.1 and the second reflection area 11.2 can be formed on a common first reflection unit 11, but can also be assigned to separate reflection units 11.
  • the deflection unit 7 for example a deflection mirror or another suitable optical system or device, is designed to direct the secondary primary beam 13 as a second partial beam 4' through the at least one measurement volume 2 in the direction of the second reflection area 11.2.
  • the deflection unit 7 can also deflect the secondary primary beam 13 (as shown in FIG. 2).
  • the second partial beam 4' penetrates the at least one measurement volume 2.
  • the second partial beam 4' is reflected at the second reflection region 11.2 and directed as a second return beam 14' in the direction of the at least one detector 5, thereby penetrating the measurement volume 2 a second time.
  • the second return beam 14' can also be directed to the deflection unit 7, with the second partial beam 4' penetrating the at least one measurement volume 2 again.
  • the secondary primary beam 13 is deflected by the deflection unit 7 in such a way that the direction of the second partial beam 4' is oriented essentially normal to the second reflection area 11.2 and/or a reflection plane of the second reflection area 11.2.
  • the secondary primary beam 13 is deflected by the deflection unit 7 to the second reflection area 11.2 in such a way that the direction of the second return beam 14' is opposite to, but running parallel to, the direction of the second partial beam 4'.
  • the second return beam 14' can be directed in the deflection unit 7 to the detector 5 or to the beam splitter unit 6 and can be directed by the beam splitter unit 6, like the first return beam 14", in the direction of the at least one detector 5 (indicated by the primary return beam 13' in Fig.2).
  • the arrangement of the second reflection area 11.2 can be selected independently of the position of the detector 5, which is intended to detect the second return beam 14'.
  • the second reflection area 11.2 can be arranged parallel to the plane of the surface 10, normal to the plane of the surface 10, or at an angle to the plane of the surface 10.
  • detectors 5 are also provided, for example to separately detect different return beams 14', 14''.
  • a detector 5 is arranged in the deflection unit 7 in order to detect the second return beam 14' separately from the first return beam 14''.
  • the second return beam 14' is then directed to the detector 5 in the deflection unit 7 after reflection at the second reflection area 11.2, and there is no need to forward it to another detector 5, possibly also via the beam splitter unit 6.
  • the detector 5 for the second return beam 14' can also be arranged at any other point of the device 1, as long as the second return beam 14' can be guided there.
  • a single detector 5 can be provided for the first return beam 14'' and the second return beam 14'.
  • the at least one detector 5 measures at least one light property of a reflected beam 14', 14" detected with it, which characterizes the gaseous or solid substance to be measured.
  • a light intensity or a wavelength or any other measurable light property can be measured as a light property.
  • the gaseous or solid substance can then be inferred from the measured light property, for example the presence of the substance, a quantity or a concentration of the substance.
  • a partial beam 4', 4 penetrates the at least one measuring volume 2 twice due to the reflection via a reflection area 11.1, 11.2, whereby the light beam is influenced twice by the gaseous and/or solid substance in the measuring volume 2, resulting in an integral measurement leads.
  • This can be reflected in the measurement in increased sensitivity and an improvement in the signal-to-noise ratio because larger measurement signals are possible. A higher measurement quality can thus be achieved.
  • the detector 5 can measure the reduced light intensity of the detected return beam 14', 14" due to the at least one gaseous or solid substance and convert it into an absorption of a gaseous substance, for example by means of a previously carried out reference measuring unit in the detector 5, which in the absence of a substance in Measurement volume 2 is carried out. Such a reference measurement can also take place at regular intervals or as required. A weakening of the light intensity due to a solid substance, for example due to scattering, can also occur be recorded in this way.
  • a weakening of the light intensity of the detected return beam 14', 14" in relation to the light intensity of the partial beam 4', 4 belonging to the respective return beam 14', 14" or also in relation to the main primary beam 4.1 or the secondary primary beam 13 can be determined.
  • the measuring point in particular the measuring volume 2, is stationary during the measurement with the device 1; a stationary measurement is thus implemented with the device 1 at a specific stationary measuring point.
  • the exhaust gas cloud 31 can thus move or change relative to the measurement volume 2 during the measurement, but the device 1, specifically the individual units of the device 1, remain stationary at the measurement point.
  • the at least one light source 3, a detector 5, a deflection unit 7, a beam splitter unit 6, and a reflection unit 11 remain stationary during the measurement. If there are other units in the measuring unit 1, such as a multiplexer unit, a modulation unit 16, a picture unit 29, etc., these are also stationary during the measurement.
  • the device 1 according to the invention is thus in particular not a measuring unit that is installed in a moving vehicle for measuring exhaust gas and moves with the vehicle during the measurement.
  • the device 1 is only necessarily arranged in a stationary position during the measurement.
  • the device 1 or parts thereof can also be moved between two measurements.
  • the main part of the device 1, in particular a light source 3, a detector 5, a deflection unit 7 and a beam splitter unit 6, can be pre-assembled on an extendable frame on the trailer.
  • Parts of the measuring unit 1 that can be attached to the measuring point, such as the reflection unit 11 for example are then arranged in a suitable manner at the measuring point. During the measurement, however, all units are stationary again.
  • the reflection unit 11 can be designed redundantly, for example, and multiple reflection units 11 can be provided per beam splitter unit 6 and/or deflection unit 7 . It may be possible, if a reflection area 11.1, 11.2 of a reflection unit 11 is damaged or soiled, to project a partial beam 4', 4 onto a to direct another mirroring unit 11 or to exchange one mirroring unit 11 for another. Thus, reflection units 11 can also be easily exchanged and serviced without having to interrupt the measurement with the device 1 as a result.
  • a possible embodiment for protecting a reflection unit 11 is a protective film unit 24, which is shown in FIG. This serves to arrange a protective film 23 over a reflection unit 11 in order to protect it from dirt or damage (e.g. from scratches).
  • the protective film 23 is of course designed to be sufficiently transparent.
  • a dirty protective film 23 can be replaced with a clean protective film 23 if necessary.
  • a possible embodiment of a protective film unit 24 according to FIG. 9 consists of a first roll 20 on which clean protective film 23 is wound. Clean protective film 23 can be unwound from this first roll 20 and arranged over a reflection unit 11 .
  • a second roll 21 can be provided, onto which the soiled protective film 23 can be wound.
  • the reflection unit 11 is arranged below the surface 10 in this embodiment.
  • the unwound protective film 23 is arranged over the reflection unit 11 in order to protect the reflection unit 11 from dirt or damage.
  • a mechanical protection 22 can also be provided between the reflection unit 11 and the protective film 23, which, however, should enable sufficient optical transparency.
  • One of the two rollers 20, 21 can be driven in order to cause the protective film 23 to move further over the reflection unit 11 as required.
  • An automation unit which controls the drive of the driven roller 20, 21 can also be provided for this purpose.
  • the rollers 20, 21 can be driven when the value falls below a limit value, for example a loss of light intensity of a return beam 14', 14" detected by a detector 5.
  • the automation unit can then automatically control the driven roller 20, 21 in order to move the protective film 23 further.
  • the soiled protective film 23 above the reflection unit 11 can be easily and if necessary replaced by an unpolluted one. This can be advantageous if the reflection unit 11 is generally exposed to a high level of contamination.
  • a heating device for example an electric heater, can also be integrated in the protective film unit 24, preferably in the mechanical protection 22.
  • the heating device can prevent that when it is wet, such as rain, fog,
  • the optical systems of the device 1 is affected by the formation of ice or puddles on the surface of the protective film 23. It can also be provided that a plurality of measurement volumes 2 are formed or each partial beam 4', 4'' penetrates a separate measurement volume 2. This can be advantageous if, for example, several different surfaces 10, such as a multi-lane road, are measured. This can significantly increase the measurement throughput and increase the statistical certainty of a measurement campaign.
  • a main primary beam 4.1 is introduced into the beam splitter unit 6 and divided there, as explained above, into the secondary primary beam 13 and the first partial beam 4'' in different directions.
  • the first partial beam 4′′ is directed to the first reflection area 11.1.
  • the secondary primary beam 13 is now forwarded, instead of to a deflection unit 7, to a further, second beam splitter unit 6', which is arranged at a further, third distance d (preferably equal to distances di, d2) from a further, third reflection area 11.3 of the reflection unit 11 , wherein again one or the measurement volume 2 is formed in between.
  • This second beam splitter unit 6' has the same function as the first beam splitter unit 6 and splits the incoming secondary primary beam 13 into a further, third partial beam 4'" and a further, second secondary primary beam 13" in different directions.
  • the third partial beam 4" is directed in the direction of the third reflection unit 11.3 and reflected thereon, and the reflected third return beam 14" is forwarded to a detector 5, where it is detected.
  • the second secondary primary beam 13′′ forwarded by the second beam splitter unit 6′ can now, as in FIG. 1, be directed to a deflection unit 7 and deflected into the second partial beam 4′.
  • the distribution of the light intensities at the beam splitter units 6, 6' can be selected as required. It is thus possible to form further measuring points in the same measuring volume 2 or in different measuring volumes 2 in a simple manner by providing further beam splitter units 6'.
  • This embodiment is particularly advantageous in order to enable several spatially resolved measurements of substances in at least one measurement volume 2, for example to measure a gaseous or solid substance in an exhaust gas cloud from an emission source 15 at several points.
  • the partial jets 4', 4", 4" are guided through the same measuring volume 2 in which the exhaust gas cloud is located.
  • this embodiment can be advantageous in order to record different spatially separated measurement volumes 2 simultaneously with only one light source 3 .
  • at least two partial beams 4′, 4′′, 4′′ would be guided through different measurement volumes 2. It can also be advantageous to measure each return beam 14', 14", 14" with a separate detector 5.
  • the main primary beam 4.1 is introduced into the beam splitter unit 6 and divided there into two secondary primary beams 13 in different directions.
  • the Auxiliary primary beams 13 are oriented differently from the partial beams 4′′ (not shown).
  • the secondary primary beams 13 are advantageously oriented in different directions, the directions lie in a common secondary primary beam plane, which corresponds to the plane of the page in FIG. 3b.
  • the main primary beam 4.1 is divided here into at least two secondary primary beams 13, which are oriented in different directions but preferably run in a common secondary primary beam plane.
  • the main primary beam 4.1 also favorably runs in this secondary primary beam plane.
  • the main primary beam 4.1 is divided into a plurality of secondary primary beams 13, which lie in a common secondary primary beam plane together with the main primary beam 4.1.
  • the partial beams 4', 4" (e.g. normal to the plane of the drawing) are not shown here.
  • Each secondary primary beam 13 can be routed either to a further beam splitter unit 6' (as in Fig. 3a) or to a deflection unit 7.
  • a measurement can be carried out parallel to the surface 10 and at the same time normal to the surface 10, which corresponds to a multidimensional measurement in the measurement volume 2. In this way, too, several measurements can be carried out in the same measurement volume 2 as well as measurements in different measurement volumes 2.
  • the main primary beam 4.1 or the secondary primary beam 13, 13" is directed into the beam splitter unit 6, 6' or into the deflection unit 7 (not shown) and deflected there into a partial beam 4', 4", 4" as described above.
  • the at least one partial beam 4', 4", 4"" is then guided over at least one modulation unit 16.
  • a modulation unit 16 is used for each partial beam 4', 4", 4" in the device 1.
  • the at least one modulation unit 16 causes the at least one partial beam 4', 4", 4" to be divided into individual light packets 17, if necessary also with different light intensities I.
  • the light packets 17 have a predetermined time length and are separated in time.
  • a modulation unit 16 can be a light chopper that generates defined light packets 17 .
  • Such light choppers can be, for example, rotating discs, mirrors, corner mirrors or prisms.
  • Electro-optical modulators as modulation unit 16, such as Mach-Zehnder interferometers, are also conceivable.
  • a return beam 14', 14", 14" to be modulated by the modulation unit 16 and the individual light packets 17 of the return beam 14', 14", 14" to be modulated by a Detector 5 are detected. It is also conceivable that a modulation unit 16 divides the main primary beam 4.1 or a secondary primary beam 13, 13'' into individual light packets 17', 17'', 17'''.
  • the division into individual light packets 17 has the effect that the return beams 14', 14", 14''' detected by a detector 5 are also divided into light packets 17.
  • the division into individual light packets 17 is advantageously carried out in such a way that the light packets 17 arrive in the detector 5 at different times. This makes it easy to measure different return beams 14′, 14′′, 14′′ in one detector 5.
  • both the first partial beam 4 and the second partial beam 4' can each be divided into light packets 17', 17'' with a modulation unit 16.
  • the modulation by means of a first modulation unit 16 of the first partial beam 4 can take place with a time delay to the modulation by means of a second modulation unit 16 of the second partial beam 4' (as indicated in FIG. 4).
  • the reflected light packets 17′′ of the first partial beam 4 thus arrive at a detector 5 with a time delay in relation to the reflected light packets 17′ of the second partial beam 4′.
  • a spatially resolved measurement using a single detector 5 can thus be made possible in a simple manner.
  • a main primary beam 4.1. is guided according to the invention into the beam splitter unit 6, 6'.
  • the beam splitter unit 6, 6' is pivotable and can, for example, be pivoted at an angle g about an axis normal to a reflection area 11.1, 11.2, 11.3 or normal to a reflection plane of a reflection unit 11 or normal to a surface 10 or normal to a Surface 10, on which the reflection unit 11 is arranged, can be pivoted, and can thus direct the at least one secondary primary beam 13 alternately to a plurality of stationary deflection units 7 or other beam splitter units 6'.
  • the beam splitter unit 6, 6' can itself be pivotable.
  • only one mirror in a beam splitter unit 6, 6' can carry out the changeover to different deflection units 7 or further beam splitter units 6'.
  • this is, for example, a rotating shaft with mirrors at a defined distance, which directs the secondary primary beams 13 to different deflection units 7 or further beam splitter units 6'.
  • the rotating shaft with mirrors also acts as a modulation unit 16, since light packets 17 are also generated here.
  • the beam splitter unit 6, 6' and the deflection unit 7 are fixed to the device 1 and the entire device 1 can be rotated about an axis normal to the surface 10 be panned.
  • the entire device 1 can then, for example, change between different lanes depending on the volume of traffic.
  • a positioning optics unit 27 (indicated in FIG. 6) is additionally provided in the beam splitter unit 6, 6' and/or in the deflection unit 7. This enables partial beams 4′, 4′′, 4′′′′ and/or a secondary primary beam 13, 13′′ to be aligned and can be used, for example, for adjustment and readjustment. A readjustment may be necessary, for example, if the beam splitter unit 6, 6' and/or the deflection unit 7 has been misaligned due to vibrations or other influences.
  • Such a positioning optics unit 27 can be, for example, an x-y galvanometer or a “digital mirror device”. A readjustment can also be necessary, for example, if a reflection area 11.1, 11.2, 11.3 is dirty.
  • a positioning optics unit 27 can also be used in a further advantageous embodiment of the invention, which makes it possible to realize a plurality of passages of a light beam through the measurement volume 2 and thus achieve a further improvement in the measurement quality, as explained with reference to FIG.
  • a reflection area 11.1, 11.2 an opposite second reflection unit 18 is arranged with a twin reflection area 30, which also forms a reflection plane and on which an incident light beam is reflected.
  • the reflection area 11.1, 11.2 of the first reflection unit 11 and the twin reflection area 30 of the second reflection unit 18 are arranged facing each other.
  • the reflection area 11.1, 11.2 and the twin reflection area 30 are preferably arranged running parallel. In other words, the reflection planes of the reflection area 11.1, 11.2 of the reflection unit 11 and of the twin reflection area 30 of the second reflection unit 18 are arranged running parallel.
  • the beam splitter unit 6, 6′ or the deflection unit 7 can now use the positioning optics unit 27 to adjust the angle ⁇ of the partial beam 4′, 4′′, 4′′′ deviating from a normal to the reflection area 11.1, 11.2.
  • the partial beam 4', 4", 4" is reflected at the reflection area 11.1, 11.2 and reflected back to the opposite second reflection unit 18, where the partial beam 4', 4", 4" is reflected again at the twin reflection area 30.
  • a plurality n of reflections can thus be set, with which the partial beam 4′, 4′′, 4′′′ runs back and forth between the reflection units 11, 18.
  • the at least one detector 5 can now be arranged, for example, on one of the reflection units 11, 18 and can detect the partial beam 4', 4", 4" after the last reflection as a return beam 14', 14", 14".
  • the partial beam 4', 4", 4"" is deflected back to the beam splitter unit 6, 6' or deflection unit 7 as a return beam 14', 14", 14"" after a plurality n reflections and there in the direction of the detector 5 further, whereby the detector 5 can also be arranged in the respective beam splitter unit 6, 6' or deflection unit 7.
  • This can be done, for example, via a deflection mirror 28 .
  • the deflection mirror 28 is preferably designed in such a way that an incoming return beam 14', 14'', 14''' is reflected counter to the direction of incidence. The direction of the beam reflected by the deflection mirror 28 thus coincides with the incident return beam 14', 14", 14", but is oriented in the opposite direction.
  • the return beam 14', 14", 14" can be reflected multiple times between the reflection units 11, 18 (although the number of reflections on the return path does not have to match the number of reflections on the outward path) or, after being reflected at the deflection mirror 28, is returned to the detector 5 along a suitable optical path.
  • the reflection units 11, 18 with the respective reflection areas 11.1, 11.2, 30 must of course be arranged and designed in a suitable manner in order to enable the desired reflections. Such an arrangement and configuration is within the skill of a person skilled in the art and can be implemented according to the requirements of the application.
  • the main primary beam 4.1 or the secondary primary beam 13, 13' (not shown) is introduced into the beam splitter unit 6, 6' or deflection unit 7 according to the invention.
  • a multiplexer unit 19 is provided in the beam splitter unit 6 , 6 ′ or deflection unit 7 .
  • the multiplexer unit 19 can be designed as an electrical or electro-optical circuit, which splits the main primary beam 4.1 or the secondary primary beam 13, 13' into a plurality of individual partial beams 4', 4", 4" (in Fig. 7 only partially provided with reference numbers ) splits.
  • a partial beam 4', 4", 4" is thus multiplied with the multiplexer unit 19.
  • the partial beams 4', 4", 4"" can be directed to different points of the respective reflection area 11.1,
  • the partial beams 4′, 4′′, 4′′ can all have the same light intensity as the main primary beam 4.1 or the secondary primary beam 13, 13′. However, it is also possible for the partial beams 4', 4'', 4''' to have different light intensities.
  • the individual return beams 14 ′, 14 ′′, 14 ′′′′ produced as described above can be detected by different detectors 5 .
  • each partial beam 4′, 4′′, 4′′′′ that is generated can be guided over its own optical path 32 .
  • the optical paths 32 can have different optical path lengths, each partial beam 4′, 4′′, 4′′′′ thus being given a different optical propagation time.
  • the individual partial beams 4′, 4′′, 4′′ are reflected at the reflection unit 11 and the individual return beams 14 (not shown in FIG. 7) are directed back to the beam splitter unit 6 or deflection unit 7 as described above, possibly also via the optical ones Paths 32 of different path lengths.
  • the at least one detector 5 can then more easily measure the individual return beams 14′, 14′′, 14′′′′ that are produced, because they arrive at the detector 5 at successive points in time due to the different path lengths. This can enable a spatially resolved measurement of the gaseous or solid substance in the measurement volume 2 .
  • the multiplexer unit 19 is used to generate a plurality of secondary primary beams 13 in a beam splitter unit 6, 6' (for example in an arrangement as shown in Figure 3b), which are routed to further beam splitter units 6' and/or deflection units 7 can.
  • the light intensity of the plurality of sub-primary beams 13 after being divided by the multiplexer unit 19 can be the same.
  • Fig. 8 shows a further advantageous embodiment of the invention for the precise measurement of the concentration of a gaseous or solid substance in a measuring volume 2 with a device 1 according to the invention.
  • a concentration c of a substance more precisely, knowledge of the actual passage distance x of the light through the the volume containing the gaseous or solid substance (eg an exhaust gas cloud) in the measuring volume 2 and the absorption 1-(l/lo), referred to as A for short, or transmission l/lo of a specific wavelength is required.
  • the measurement of a substance is frequency-dependent and should therefore take place at, or at least close to, the absorption maximum in order to obtain a reliable result.
  • CO2 has characteristic vibrational modes at a wave number (reciprocal wavelength) of 1388 cm -1 (asymmetric stretch mode) and at 667 cm -1 (bending mode).
  • the absorption A depends on the passage distance x, the concentration c and an absorption coefficient k (as a known material parameter) via the formula
  • An absorption A can be determined using a detector 5 .
  • the passage distance x is dependent on the extent of the exhaust gas cloud 31 in the measurement volume 2 and is usually not known.
  • an imaging unit 29 is provided in the device 1 to record the passage distance x, in order to record at least part of the measurement volume 2 from different directions (e.g. angles w, ⁇ ).
  • the imaging unit 29 generates images of the measurement volume 2 from different directions, which are processed in an evaluation unit 26 .
  • the evaluation unit 26 can now reconstruct part of an image of an exhaust gas cloud 31 in the measurement volume 2 from the images obtained from different directions. From the image of the part of the exhaust gas cloud 31, the passage distance x of a partial beam 4', 4", 4'", as the sum of all passages of the light through the exhaust gas cloud 31, through the exhaust gas cloud 31 can be determined. For example, based on the known dimensions of the measurement volume 2, the dimensions of the at least part of the exhaust gas cloud 31 in the measurement volume 2 and thus the passage distance x can be back-calculated.
  • a 2D projection of the exhaust gas cloud 31 in the plane of the partial jet 4′, 4′′, 4′′ and/or the return jet 14′, 14′′, 14′′ can be generated from the images and the passage distance x can thus be determined directly .
  • the evaluation unit 26 creates a spatial reconstruction of the exhaust gas cloud. This reconstruction can, for example, also depend on a control variable such as time. For example, a time-dependent expansion of an exhaust gas cloud 31 can be determined.
  • the evaluation unit 26 receives data on the outside temperature and air humidity.
  • the outside temperature and humidity there may be differences in the evaluation and reconstruction of an exhaust cloud. For example, temperature differences in summer between the environment and the exhaust cloud are less pronounced than in winter. This can lead to the passage distance x showing seasonal differences.
  • a correction factor for the calculation of the reconstruction depending on the outside temperature and air humidity can be provided. The evaluation unit 26 can thus carry out a reliable calculation independently of the conditions of the passage section x.
  • the evaluation unit 26 can also receive data on the absorption A from at least one detector 5, and use the passage distance x, which was reconstructed from part of an image of the exhaust gas cloud 31, to determine the concentration c of a substance Calculate Lambert-Beer's law.
  • multiple data for Absorption A can be used to calculate a spatial distribution of the concentration c in a measurement volume 2.
  • the imaging unit 29 can be implemented in the form of several cameras 25 (as shown in FIG. 8). An embodiment of the imaging unit 29 with one or more lidar units, one or more radar units or combinations of such units or with cameras is also conceivable. In addition, there can of course also be other versions of an imaging unit 29 .
  • cameras 25 are installed at different locations in order to record a measurement volume 2 from different directions w, ß.
  • the cameras 25 can be arranged on a beam splitter unit 6, 6' and/or deflection unit 7, for example.
  • the cameras 25 can also be installed on a separate device or use existing infrastructure in the area of the device 1 such as bridges, houses, street lamps or the like.
  • the cameras 25 can also be arranged in such a way that they can, for example, record a plurality of measurement volumes 2 at the same time. In this way, the number of cameras 25 can be kept low.
  • the cameras 25 can record images of the measurement volume 2 and thus also record an exhaust gas cloud 31 present in the measurement volume 2 . However, it is also possible for the cameras 25 to additionally record metadata about a vehicle, such as its size, type or license plate number.
  • image processing software such as ImageJ can be used, for example, to reconstruct the exhaust gas cloud 31 or a part thereof.
  • the cameras 25 can be infrared cameras, for example, which record thermal images of the exhaust gas cloud present in the measurement volume 2 .
  • the heat distribution in the exhaust gas cloud can also be recorded, which can have an influence on the substances or the absorption coefficient k. Due to the temperature differences, convection and diffusion phenomena can occur, which cause substances to be distributed over time. Individual concentrations c of substances can also depend on the temperature, since some reactions only take place at higher temperatures. It may also be possible for different exhaust gas clouds from emission sources 15, such as vehicles, located one behind the other or next to one another to mix.
  • the measurement can then be adjusted accordingly, for example via the positioning optics unit 27 described above or by positioning or aligning a camera 25.
  • the cameras 25 can also work, for example, in the ultraviolet (UV) or visible (VIS) range, or in both ranges (UV/VIS cameras).
  • UV or VIS higher energy radiation than IR and stimulates electron transitions in molecules and can be more advantageous for the measurement.
  • the cameras 25 are designed as multispectral and hyperspectral cameras. Instead of the classic simple recording in a simple spectral range, a large number of spectral bands are used. This can be advantageous for recognizing a significantly higher color quality and color differences, since each pixel already contains a complete color spectrum.
  • Such a camera 25 can function with the snapshot mosaic technique, for example.
  • a lidar unit is based on a laser, for example a YAG laser with a wavelength of 1064 nm or 532 nm, or similar designs that the person skilled in the art deems appropriate. IR lasers can also be used, although adequate shielding may be necessary to avoid eye damage.
  • a lidar unit in the UV or NIR (near infrared) range can be used, for example, to measure gaseous or solid substances directly. Lidar is known to be able to detect, for example, carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2) and methane (CH 4 ) from atmospheric measurements. This can be used, for example, to carry out rough estimates of substances or to obtain redundant measurements for the measurement according to the invention.
  • the at least one lidar unit can move in at least one axis and record images of the environment and the existing exhaust gas clouds 31 .
  • the at least one lidar unit can be used to image different exhaust gas clouds 31 in a measurement volume 2 or also different exhaust gas clouds 31 in different measurement volumes 2.
  • the lidar unit scans the environment and, depending on the reflection time of the emitted laser pulse, images of the environment can be generated.
  • a combination of lidar units and cameras 25 is also conceivable as the imaging unit 29 .
  • gaseous substances can be measured using a lidar unit, while solid substances in the exhaust gas cloud 31 are detected using the device 1 according to the invention.
  • a representative measurement of the concentration of several critical substances in the exhaust gas cloud 31 can be carried out.
  • a camera recording is also carried out in the area of the device 1 for the measurements described above. This means that license plates of vehicles can be recorded under data protection requirements. This allows vehicle owners to be notified if a vehicle exhibits substances in the form of exhaust emissions outside of standard guideline values.

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Abstract

Für eine Vorrichtung (1) zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in zumindest einem Messvolumen (2) an einer stationären Messstelle, wobei eine Lichtquelle (3) und zumindest ein Detektor (5) vorgesehen sind, und aus der Lichtquelle (3) zumindest ein Hauptprimärstrahl (4.1) zu zumindest einer Strahlenteilereinheit (6) emittierbar ist, wobei die zumindest eine Strahlenteilereinheit (6) in einem ersten Abstand (di) von einem ersten Spiegelungsbereich (11.1) einer Spiegelungseinheit (11) angeordnet ist, und die Strahlenteilereinheit (6) den Hauptprimärstrahl (4.1) in zumindest einen, durch das Messvolumen (2) in Richtung des ersten Spiegelungsbereichs (11.1) orientierten ersten Teilstrahl (4") und zumindest einen, in eine vom Hauptprimärstrahl (4.1) unterschiedliche Richtung orientierten Nebenprimärstrahl (13) aufteilt, wobei zumindest eine Umlenkeinheit (7) in einem zweiten Abstand (d2) von einem zweiten Spiegelungsbereich (11.2) angeordnet ist, und der zumindest eine Nebenprimärstrahl (13) mittels der Strahlenteilereinheit (6) zur Umlenkeinheit (7) lenkbar ist und der zumindest eine Nebenprimärstrahl (13) mittels der Umlenkeinheit (7) als zweiter Teilstrahl (4') durch das zumindest eine Messvolumen (2) in Richtung des zweiten Spiegelungsbereichs (11.2) lenkbar ist, und wobei das zumindest eine Messvolumen (2) jeweils zwischen der Strahlenteilereinheit (6) und/oder der Umlenkeinheit (7) und den zugeordneten Spiegelungsbereichen (11.1, 11.2) angeordnet ist, und jeweils von der Strahlenteilereinheit (6) und/oder der Umlenkeinheit (7) und den zugeordneten Spiegelungsbereichen (11.1, 11.2) zumindest teilweise begrenzt ist, ist vorgesehen, dass der erste Spiegelungsbereich (11.1) den ersten Teilstrahl (4") als ersten Rückstrahl (14") durch das zumindest eine Messvolumen (2) zu dem zumindest einen Detektor (5) lenkt, dass der zweite Spiegelungsbereich (11.2) den zweiten Teilstrahl (4') als zweiten Rückstrahl (14') durch das zumindest eine Messvolumen (2) zu dem zumindest einen Detektor (5) lenkt, und dass der zumindest eine Detektor (5) eine den zumindest einen gasförmigen oder festen Stoff charakterisierende Lichteigenschaft jedes Rückstrahls (14', 14") misst.

Description

Vorrichtung zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in zumindest einem Messvolumen an einer stationären Messstelle, wobei eine Lichtquelle und zumindest ein Detektor vorgesehen sind, und aus der Lichtquelle zumindest ein Hauptprimärstrahl zu zumindest einer Strahlenteilereinheit emittierbar ist, wobei die zumindest eine Strahlenteilereinheit in einem ersten Abstand von einem ersten Spiegelungsbereich einer Spiegelungseinheit angeordnet ist, und die Strahlenteilereinheit den Hauptprimärstrahl in zumindest einen, durch das Messvolumen in Richtung des ersten Spiegelungsbereichs orientierten ersten Teilstrahl und zumindest einen, in eine vom Hauptprimärstrahl unterschiedliche Richtung orientierten Nebenprimärstrahl aufteilt, wobei zumindest eine Umlenkeinheit in einem zweiten Abstand von einem zweiten Spiegelungsbereich angeordnet ist, und der zumindest eine Nebenprimärstrahl mittels der Strahlenteilereinheit zur Umlenkeinheit lenkbar ist und der zumindest eine Nebenprimärstrahl mittels der Umlenkeinheit als zweiter Teilstrahl durch das zumindest eine Messvolumen in Richtung des zweiten Spiegelungsbereichs lenkbar ist, und wobei das zumindest eine Messvolumen jeweils zwischen der Strahlenteilereinheit und/oder der Umlenkeinheit und den zugeordneten Spiegelungsbereichen angeordnet ist, und jeweils von der Strahlenteilereinheit und/oder der Umlenkeinheit und den zugeordneten Spiegelungsbereichen zumindest teilweise begrenzt ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in zumindest einem Messvolumen, welches zwischen einer Strahlenteilereinheit und einem ersten Spiegelungsbereich und/oder einer Umlenkeinheit und einem zweiten Spiegelungsbereich ausgebildet ist.
Emissionen von Stoffen in Abgasen, speziell im Individualverkehr, sind durch die steigende Anzahl speziell an Fahrzeugen nicht nur im Zuge der Klimaerwärmung, sondern auch im Zuge der gesundheitlichen Belastung für den Menschen durch Stickoxide, teilverbrannte Kraftstoffbestandteile und Feinstaubpartikel ein vieldiskutiertes Thema. Entwicklungen der letzten Jahrzehnte zielten auf der einen Seite im Zuge des verpflichtenden Katalysatoreinbaus in Ottomotoren auf Vermeidung des Ausstoßes von teilverbrannten Verbindungen, und bei Katalysatoren in Dieselmotoren auf der anderen Seite auf Vermeidung des Ausstoßes von Stickoxiden. Die zulässigen Werte von emittierten Stoffen sind oftmals über nationale und supranationale Normen bestimmt.
Nichtsdestotrotz sind heutzutage noch immer Fahrzeuge im öffentlichen Raum im Einsatz, welche zwar zum Zeitpunkt ihrer Zulassung die gesetzlichen Normen zur Abgasreduktion erfüllt haben, bei der Verwendung über einen längeren Zeitraum aber als hohe Emittenten angesehen werden. Der Grund dafür kann beispielsweise das fehlende Nachrüsten eines Katalysators sein oder fehlende Wartung, wenn beispielsweise bei einem Dieselkatalysator das Nachfüllen von Harnstoff unterbleibt und eine ordnungsgemäße Funktion eines SCR (selektive katalytische Reduktion) Katalysators nicht mehr gegeben ist. Unter anderem kann das auch auf fehlendes Wissen bezüglich der (Nicht)-Funktionalität von eben diesen Bestandteilen während der Fahrt zurückzuführen sein.
Abgasmessungen sind großteils auf Systeme limitiert, welche im Fahrzeug selbst, beispielsweise im oder nach dem Auspuff, Stoffe im Abgas, wie gasförmige Stoffe oder Partikel messen. Diese Systeme sind jedoch auf eine geringe Anzahl an Testfahrzeugen beschränkt und können daher kein repräsentatives Abbild von einer Vielzahl an verschiedenen Fahrzeugen im Realbetrieb geben. Abgasmessungen im Rahmen der regelmäßigen Überprüfung des Fahrzeugs in einer Werkstatt ist ebensowenig repräsentativ, weil solche Überprüfungen nur in großen Zeitabständen durchgeführt werden. Daher wird versucht, Abgasmessungen von Fahrzeugen im Realbetrieb im öffentlichen Raum zu ermöglichen. Dieses sogenannte „Remote Sensing“, auch im Sinne von „real driving emissions“ (RDE) Messungen erfolgen an einer stationären Messstelle, kann beispielsweise an vorteilhaft vorinstallierter Infrastruktur, wie Mautstellen, Straßenlaternen, Brücken, oder auch Gebäudefassaden in der Stadt und ähnlichem angebracht werden. Das könnte beispielsweise dazu benutzt werden, Fahrzeughalter von Fahrzeugen mit hohen Emissionen zu benachrichtigen und/oder verpflichtende Wartungen vorzusehen. Man muss jedoch bei der Aufstellung der Geräte auf eine geeignete Messstelle achten, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Generell sollten Kreuzungsbereiche mit Ampeln und damit potentiellem Stillstand der Fahrzeuge vermieden werden. Weiters hat sich gezeigt, dass eine leichte Steigung der Straße an der Messstelle dafür geeignet ist, eine positive Motorlast zu erzeugen.
Bei Remote Sensing wird oftmals eine Lichtquelle verwendet, welche eine charakteristische Wellenlänge oder Wellenlängenbereich(e) emittiert, um einen gasförmigen Stoff, wie Kohlenmonoxid oder Stickoxide, nachzuweisen. Ein Detektor ermöglicht beispielsweise eine Messung der Abschwächung des Lichts, das durch die Abgaswolke gesendet wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, Partikel, wie Rußpartikel, als Stoff zu messen. Das kann dann beispielsweise über Lichtstreuung oder über die Messung der Abschwächung des Rückstrahls im Verhältnis zum eingestrahlten Licht realisiert werden.
Solche Remote Sensing Anwendungen sind aus der WO 2010/026579 A2, der
CN 206756689 U, der US 2003/089854 A1, der US 5,401,967 A oder der CN 208060384 U bekannt.
Die verlässliche Messung solcher Stoffe in Abgaswolken kann jedoch zu unterschiedlichen Schwierigkeiten führen. Einerseits sind die Emissionen von Stoffen von unterschiedlichen Motoren oder auch anderen Energiesystemen, wie Brennstoffzellen, durchwegs unterschiedlich und müssen mit dem gleichen System messbar sein. Weiters schwankt der zu messende Konzentrationsbereich sehr stark und ist von der zu messenden Fahrzeugklasse (z.B. LKWvs. Motorrad) abhängig. Speziell geringe Konzentrationen bereiten bei der Auswertung Probleme. Auch Unterschiede in der Betriebstemperatur eines Motors können Unterschiede in den zu messenden Stoffen nach sich ziehen.
Man könnte eine Mehrzahl von oben genannten Quereinflüsse und Ungenauigkeiten durch eine Mehrfachmessung von Stoffen in einer Abgaswolke beheben. Dabei kann es möglich sein eine Abgaswolke mehrmals hintereinander zu messen, oder auch eine Abgaswolke an mehreren Stellen zu messen.
Die EP 3702 757 A1 offenbart eine Mehrfachmessung für Remote Sensing im öffentlichen Raum, wobei über Strahlenteilereinheiten und Positionierungseinheiten Abgaswolken an der Straße und über der Straße gemessen werden und wobei das emittierte Licht über Kollektoren an der Straßenoberfläche aufgefangen wird und zu einem zentralen Detektor geleitet wird. Das ist nachteilig für Abgasbestandteile in geringer Konzentration, weil das emittierte Licht die Abgaswolke an jeder Stelle nur einmal durchtritt. Da die Kollektoren auf einer Straßenoberfläche angeordnet sind, führt Verschmutzung zwangsläufig zu einer Reduktion des detektierten Signals. Das erzeugt verschiedene Änderungen in der Messung und macht es notwendig, die Messvorrichtung regelmäßig zu reinigen.
Die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es daher, eine wartungsarme Remote Sensing Vorrichtung zur Mehrfachmessung eines gasförmigen oder festen Stoffes in einem Messvolumen bereitzustellen, welche in der Lage ist, auch Stoffe in geringer Konzentration zu messen.
Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste Spiegelungsbereich vorgesehen ist, um den ersten Teilstrahl als ersten Rückstrahl durch das zumindest eine Messvolumen zu dem zumindest einen Detektor zu lenken, dass der zweite Spiegelungsbereich vorgesehen ist, um den zweiten Teilstrahl als zweiten Rückstrahl durch das zumindest eine Messvolumen zu dem zumindest einen Detektor zu lenken, und dass der zumindest eine Detektor vorgesehen ist, eine den zumindest einen gasförmigen oder festen Stoff charakterisierende Lichteigenschaft jedes Rückstrahls zu messen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft, weil die emittierten Teilstrahlen und Rückstrahlen das Messvolumen zumindest zweimal durchqueren und so aufgrund einer integralen Messung eine genauere Messung eines gasförmigen oder festen Stoffes im Messvolumen ermöglicht wird. Ebenso können damit Stoffe in geringerer Konzentration im Messvolumen gemessen werden. Es kann dabei an zumindest zwei Stellen im selben Messvolumen oder in zumindest zwei separaten Messvolumina gemessen werden, was die Vorrichtung auch flexibel einsetzbar macht. Eine Spiegelungseinheit, die üblicherweise an einer zu messenden Oberfläche angeordnet ist und damit äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Fahrzeugverkehr, direkt ausgesetzt ist, kann einfach und kostensparend ausgetauscht werden, wodurch eventuelle Wartungszeiten und damit verbundener Ausfälle aufgrund beschädigter Spiegelungseinheiten gering gehalten werden können.
Je nach Anwendung und Anforderung wird vorteilhafterweise der jeweilige Rückstrahl über die Spiegelungsbereiche direkt zu einem Detektor gelenkt oder über die Strahlenteilereinheit bzw. über die Umlenkeinheit oder über die Umlenkeinheit und die Strahlenteilereinheit zu dem zumindest einen Detektor zurückgelenkt. Das kann auch davon abhängig gemacht werden, wo der zumindest eine Detektor angeordnet werden kann oder eventuell schon angeordnet ist.
In einer Variante der Erfindung ist dabei der Detektor, ebenfalls je nach Anwendung und Anforderung, in der Umlenkeinheit oder der Strahlenteilereinheit angeordnet, oder auch je ein Detektor in beiden Einheiten. Auch eine Anordnung des Detektors gemeinsam mit der Lichtquelle in einem Gehäuse ist möglich. Durch diese vielfältigen Möglichkeiten, kann die Vorrichtung sehr flexibel an die jeweilige Anwendung angepasst werden, was die Verwendung erleichtert.
Um die Anzahl der Messstellen zum Messen zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in zumindest einem Messvolumen auf einfache Weise zu erhöhen, kann vorgesehen sein, eine zweite Strahlenteilereinheit in einem dritten Abstand von einem dritten Spiegelungsbereich anzuordnen. Diese zweite Strahlenteilereinheit ist dabei zwischen der ersten Strahlenteilereinheit und der Umlenkeinheit angeordnet und erhält den Nebenprimärstrahl von der ersten Strahlenteilereinheit und teilt diesen in einen in Richtung des dritten Spiegelungsbereichs orientierten, dritten Teilstrahl und einen, in Richtung zur Umlenkeinheit orientierten zweiten Nebenprimärstrahl auf. Mit anderen Worten ist die zweite Strahlenteilereinheit in Strahlungsrichtung des Nebenprimärstrahls gesehen zwischen der ersten Strahlenteilereinheit und der Umlenkeinheit angeordnet. Durch den dritten Teilstrahl realisiert man folglich eine weitere Messstelle.
Eine Erhöhung der Anzahl der Messtellen kann auch dadurch erzielt werden, dass eine Strahlenteilereinheit den erhaltenen Hauptprimärstrahl oder Nebenprimärstrahl in einen ersten oder dritten Teilstrahl und in mehrere in unterschiedliche Richtungen orientierte Nebenprimärstrahlen aufteilt, wobei die Strahlenteilereinheit jeden Nebenprimärstrahl zu einerweiteren Strahlenteilereinheit oder einer Umlenkeinheit lenkt. Dabei sind die Richtungen der Nebenprimärstrahlen unterschiedlich zueinander, vorzugsweise aber auch unterschiedlich zur Richtung des ersten und/oder dritten Teilstrahls. Um die Anzahl an Strahlenteileinheiten gering zu halten ist in einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass zumindest eine Strahlenteilereinheit um eine Achse schwenkbar angeordnet ist, um den erzeugten Nebenprimärstrahl wahlweise zu einer Mehrzahl an Umlenkeinheiten und/oder weiteren Strahlenteilereinheiten zu leiten, wobei die Achse normal verlaufend auf einen Spiegelungsbereich oder auf eine Oberfläche, auf der die Spiegelungseinheit angeordnet ist, ausgeführt ist. Damit kann mit einer Strahlenteilereinheit auf einfache Weise ein Nebenprimärstrahl zu mehreren weiteren Strahlenteilereinheiten und/oder Umlenkeinheiten gelenkt werden.
Durch eine Positionierungsoptikeinheit in einer Strahlenteilereinheit und/oder Umlenkeinheit ist in einerweiteren Variante der Erfindung die Richtung eines erzeugten Teilstrahls verstellbar, insbesondere ablenkbar in einem von einer Normalen auf den jeweilige Spiegelungsbereich abweichenden Winkel. Mit anderen Worten ist in dieser Variante in zumindest einer Strahlenteilereinheit und/oder Umlenkeinheit eine Positionierungsoptikeinheit vorgesehen und die Positionierungsoptikeinheit lenkt den in Richtung des jeweiligen Spiegelungsbereichs orientierten ersten Teilstrahl in einem von einer Normalen auf den jeweiligen Spiegelungsbereich abweichenden Winkel ab.
Die Positionierungsoptikeinheit kann aber auch verwendet werden, um die Anzahl der Durchtritte eines Teilstrahls durch das Messvolumen zu erhöhen und so die Sensitivität der Messung zu erhöhen. Durch den mehrfachen Durchtritt durch das Messvolumen wird eine integrale Messung realisiert, weil der Lichtstrahl mehrfach vom zumindest einen gasförmigen oder festen Stoff im Messvolumen beeinflusst wird. Dieser Vorteil ist realisierbar, indem in zumindest einer Strahlenteilereinheit und/oder Umlenkeinheit beabstandet vom jeweiligen Spiegelungsbereich eine gegenüberliegende zweite Spiegelungseinheit mit einem gegenüberliegenden und dem jeweiligen Spiegelungsbereich zugewandten Zwillings- Spiegelungsbereich angeordnet ist, wobei der jeweilige Spiegelungsbereich den Teilstrahl zum gegenüberliegenden Zwillings-Spiegelungsbereich reflektiert und der gegenüberliegende Zwillings-Spiegelungsbereich den Teilstrahl wieder zum jeweiligen Spiegelungsbereich zurückreflektiert, wobei der zumindest eine Detektor vorgesehen ist, den Teilstrahl nach einer Mehrzahl solcher Reflexionen als Rückstrahl zu erfassen oder ein Umlenkspiegel vorgesehen ist, der den Teilstrahl nach einer Mehrzahl solcher Reflexionen als Rückstrahl umlenkt und der zumindest eine Detektor den Rückstrahl nach einer Anzahl von Reflexionen zwischen der Spiegelungseinheit und der gegenüberliegenden Spiegelungseinheit erfasst.
Um die Anzahl der Durchtritte auf einfache Weise anpassen zu können, ist vorzugsweise der Winkel des Teilstrahls durch die Positionierungsoptikeinheit verstellbar. Wenn zumindest einen Teilstrahl und/oder einen Rückstrahl und/oder den Hauptprimärstrahl und/oder einen Nebenprimärstrahl durch eine Modulationseinheit in einzelne Lichtpakete aufgeteilt wird, kann die Erfassung der Rückstrahlen im Detektor vereinfacht werden. Vorzugsweise ist daher in der Vorrichtung zumindest eine Modulationseinheit vorgesehen, um zumindest einen Teilstrahl und/oder einen Rückstrahl und/oder den Hauptprimärstrahl und/oder einen Nebenprimärstrahl in einzelne Lichtpakete aufzuteilen. Wenn die Lichtpakete zusätzlich zeitversetzt moduliert sind, können die zeitversetzten Lichtpakete vom Detektor erfasst werden. Vorzugsweise sind daher zumindest zwei Lichtpakete zeitlich versetzt. So kann beispielsweise auf einfache Weise mittels eines Detektors ortsaufgelöst gemessen werden, wenn dieser zu einem Zeitpunkt immer nur ein Lichtpaket erhält.
Um mit einer Strahlenteilereinheit oder Umlenkeinheit mehrere Messpunkte zu realisieren, ist in einer Variante der Erfindung in einer Strahlenteilereinheit und/oder Umlenkeinheit eine Multiplexereinheit vorgesehen, die den erhaltenen Hauptprimärstrahl oder Nebenprimärstrahl in eine Mehrzahl an Teilstrahlen aufteilt, und die Multiplexereinheit die Mehrzahl an Teilstrahlen zu unterschiedlichen Stellen des jeweiligen Spiegelungsbereichs lenkt, der die Mehrzahl an Teilstrahlen als Mehrzahl von Rückstrahlen reflektiert und die Mehrzahl von Rückstrahlen zur Multiplexereinheit sendet, und dass die Multiplexereinheit die Mehrzahl der reflektierten Rückstrahlen an zumindest einen Detektor sendet. Auf diese Weise kann eine ortsaufgelöste Messung des Messvolumens erreicht werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass für zumindest zwei der Mehrzahl an Rückstrahlen ein eigener Detektor vorgesehen ist, womit die Rückstrahlen auf zeitgleich erfasst werden können.
In einerweiteren Variante der Erfindung sind zumindest zwei der Mehrzahl an Teilstrahlen in der Multiplexereinheit über je einen eigenen optischen Pfad geführt, wobei die optischen Pfade unterschiedliche optische Weglängen aufweisen und für die zumindest zwei entstehenden Rückstrahlen ein gemeinsamer Detektor vorgesehen ist. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen treffen die Rückstrahlen zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Detektor ein, was eine einfache Trennung der Erfassung der einzelnen Rückstrahlen im Detektor ermöglicht. Das kann natürlich auch mit einer Modulation der Lichtstrahlen in einzelne Lichtpakete kombiniert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist in der Vorrichtung zumindest eine Bildeinheit vorgesehen, um bei Vorhandensein einer Abgaswolke im Messvolumen zumindest einen Teil der Abgaswolke aus unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen, wobei eine Auswerteeinheit vorhanden ist, um die der Bildeinheit aufgenommenen Abbildungen zu einem Abbild des zumindest einen Teils der Abgaswolke zu rekonstruieren und aus dem Abbild des zumindest einen Teils der Abgaswolke eine Durchtrittsstrecke des Teilstrahls und/oder des Rückstrahls durch die Abgaswolke im Messvolumen zu bestimmen. Der zumindest eine Detektor, der den Rückstrahl erfasst, bestimmt dabei eine Intensitätsabnahme des erfassten Rückstrahls aufgrund des zumindest einen gasförmigen oder festen Stoffes. Die Auswerteeinheit ermittelt dann aus der Intensitätsabnahme und der ermittelten Durchtrittsstrecke eine Konzentration des zumindest einen gasförmigen oder festen Stoffes im Messvolumen. Das ermöglicht eine genauere Bestimmung einer Konzentration eines gasförmigen oder festen Stoffes im Messvolumen. Als Bildeinheit kann vorteilhaft eine Mehrzahl von Kameras und/oder eine oder mehrere Lidareinheiten verwendet werden. Die Mehrzahl der Kameras und/oder die eine oder mehrere Lidareinheiten sind dabei vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Mit anderen Worten sind die Mehrzahl der Kameras und/oder die eine oder mehrere Lidareinheiten auf eine Weise angeordnet, dass der Teil der Abgaswolke aus unterschiedlichen Raumrichtungen abbildbar ist. Auf diese Weise können sie den Teil der Abgaswolke aus unterschiedlichen Richtungen abbilden.
Um empfindliche Spiegelungsbereiche vor Verschmutzung oder Beschädigung zu schützen ist vorteilhafterweise eine Schutzfolie austauschbar über Spiegelungsbereichen angeordnet. Damit können notwendige Wartungsintervalle reduziert werden.
Die oben geschilderte Aufgabe wird außerdem durch ein eingangs genanntes Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Hauptprimärstrahl von einer Lichtquelle emittiert wird und der Hauptprimärstrahl zu der zumindest einen Strahlenteilereinheit geleitet wird, in der der Hauptprimärstrahl in zumindest einen in Richtung des ersten Spiegelungsbereichs und durch das zumindest eine Messvolumen orientierten ersten Teilstrahl und einen Nebenprimärstrahl aufgeteilt wird, wobei der Nebenprimärstrahl in der Umlenkeinheit in einen in Richtung des zweiten Spiegelungsbereichs und durch das zumindest eine Messvolumen orientierten zweiten Teilstrahl umgelenkt wird, wobei der erste Teilstrahl am ersten Spiegelungsbereich reflektiert wird und als erster Rückstrahl durch das zumindest eine Messvolumen zum zumindest einen Detektor zurücklenkt wird, wobei der zweite Teilstrahl am zweiten Spiegelungsbereich reflektiert wird und als zweiter Rückstrahl durch das zumindest eine Messvolumen zum zumindest einen Detektor zurücklenkt wird, und mit dem zumindest einen Detektor eine den zumindest einen gasförmigen oder festen Stoff charakterisierende Lichteigenschaft jedes Rückstrahls gemessen wird. Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 9 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 das Prinzip des Remote Sensings gemäß dem Stand der Technik,
Fig.2 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in einem Messvolumen,
Fig.3a und 3b vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig.4 eine Ausführung mit einer Modulation der Teilstrahlen,
Fig.5 eine Ausführung mit einer zumindest teilweise schwenkbaren Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig.6 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Messeinheit mit Doppelspiegelsystem,
Fig.7 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Messeinheit mit Multiplexer,
Fig.8 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Messeinheit mit Konzentrationsmessung, und
Fig.9 einen Schutz für die Spiegelungseinheit.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik zur Messung eines gasförmigen oder festen Stoffes in einem Messvolumen 2. Im Messvolumen 2 kann sich beispielsweise eine Abgaswolke 31 befinden, welche von einem Fahrzeug oder einer anderen Emissionsquelle 15 im öffentlichen Raum 16 ausgestoßen wird. Im Messvolumen 2 können verschiedenste gasförmige und feste (z.B. Partikel) Bestandteile Vorkommen. Beispielsweise kann in dem Messvolumen 2 eine Abgaswolke 31 eines Autos vorhanden sein. Die Stoffe im Messvolumen 2 können von jeder Art von Emissionsquelle 15, beispielsweise auf einer Oberfläche 10, stammen. In dargestellter Fig 1 ist die Emissionsquelle 15 ein Fahrzeug wie ein Personenkraftwagen (PKWs), Lastkraftwagen (LKWs), aber auch ein einspuriges Fahrzeug wie ein Motorrad, Motorfahrrad und ähnliches, welche einen Verbrennungsmotor aufweisen. Emissionen einer anderen Emissionsquelle 15, wie Brennstoffzellen, welche im Regelfall nur Wasserdampf und keine Schadstoffe emittieren, können ebenfalls über eine solche Vorrichtung 1 gemessen werden. Die Erfassung solcher Emissionsquellen 15 kann hilfreich sein, um beispielsweise den Anteil an Fahrzeugen mit niedrigen oder hohen Emissionswerten im Straßenverkehr zu ermitteln. Die Messung kann beispielsweise an einer Oberfläche 10 erfolgen, beispielsweise einer Straße, vorteilhafterweise in einem gewissen Abstand d über einer Oberfläche 10. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Vorrichtung 1 seitlich eines Messvolumens 2 angeordnet ist und die Messung parallel zur Oberfläche 10 erfolgt, oder die Vorrichtung 1 kann auch in der Oberfläche 10 selbst verbaut sein kann. Auch Kombinationen von Messungen von mehreren Seiten sind vorstellbar.
Neben der Anwendung in der Automobilindustrie, sind auch andere Anwendungen, in denen Abgaswolken 31 mit gasförmigen oder festen Stoffen als Emissionen entstehen, denkbar, beispielsweise in der Prozessindustrie. Hierbei können beispielsweise Emissionen in Schornsteinen gemessen werden, die Durchmesser von einigen Metern aufweisen können. Das Messvolumen 7 wäre dabei im Schornstein ausgebildet.
Die Vorrichtung 1 kann ein Messvolumen 2 beispielsweise auch an anderen Orten abseits einer Oberfläche 10 messen. Es ist vorstellbar, dass eine Vorrichtung 1 in einem Messvolumen 2 eine Abgaswolke eines Flugzeugs bei Start oder Landung auf einer Landepiste auf einem Flughafen misst. Auch ist es denkbar, dass eine Abgaswolke von einem Schiff, beispielsweise in einem Hafenbecken oder in einer Schleuse gemessen wird.
Die Erfindung ist nicht auf oben genannte Anwendungen limitiert, sondern alle Einsatzmöglichkeiten, die sich dem Fachmann erschließen, sind vorstellbar.
Die Abgaswolke 31 muss auch nicht zwingend von einem Fahrzeug stammen, sondern kann prinzipiell von jeglicher Emissionsquelle 15 herrühren. Ein Beispiel ist eine Abgaswolke 31 aus einem Industrieprozess, die beispielsweise an einem Schornstein abgegeben wird.
Die zu messenden Stoffe im Messvolumen 2 können gasförmige Stoffe, wie Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO2), gasförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und ähnliches sein. Es ist aber auch denkbar feste Stoffe, wie Feststoffpartikel, wie z.B. Rußpartikel, im Messvolumen 2 zu messen. Die Stoffe und deren Konzentrationen im Messvolumen 2 sind üblicherweise abhängig von der Emissionsquelle 15, beispielsweise vom Typ des Kraftstoffes, vom Verbrennungsmotor, vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors und vom Status eines Katalysators oder Abgasnachbehandlungssystems (sofern vorhanden). Beispielsweise emittiert ein Verbrennungsmotor, der noch nicht auf Betriebstemperatur ist, oftmals eine höhere Konzentration an teilverbrannten Stoffen, wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, als bei normaler Betriebstemperatur. Ebenso werden bei unterschiedlichen Betriebszuständen (z.B. gegeben durch aktuelle Drehzahl und aktuelles Drehmoment) unterschiedliche Stoffe emittiert.
Diese gasförmigen oder festen Stoffe im Messvolumen 2 sollen erfindungsgemäß gemessen werden. „Messen eines Stoffes“ kann dabei das Erkennen des Vorhandenseins des Stoffes im Messvolumen 2 bedeuten, aber auch das Messen einer Menge oder Konzentration des Stoffes im Messvolumen 2. Das Remote Sensing basiert darauf, dass ein Lichtstrahl durch das Messvolumen 2 gesendet wird und eine Lichteigenschaft des Lichtstrahls, beispielsweise die Lichtintensität, oder eine Wellenlänge des Lichts, aufgrund gasförmiger und/oder fester Stoffe im Messvolumen 2 verändert wird. Diese Veränderung kann mit einem Detektor 5 gemessen werden, um Rückschlüsse über die gasförmigen oder festen Stoffe im Messvolumen 2 zu erhalten.
Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Remote Sensing, mit einer Vorrichtung 1 für eine Mehrfachmessung eines festen oder gasförmigen Stoffes in zumindest einem Messvolumen 2.
Dazu ist in der Vorrichtung 1 eine Lichtquelle 3 vorgesehen, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel in örtlicher Nähe zu einem Detektor 5 angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Lichtquelle 3 und der Detektor 5 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Lichtquelle 3 kann beispielsweise monochromatisches Licht abgeben, beispielsweise als Laserlicht, welches eine definierte Wellenlänge mit vorgegebener Lichtintensität abgibt. Insbesondere können Quanten-Kaskaden-Laser (QCL) verwendet werden, es sind aber auch andere Typen und Kombinationen von Lasern vorstellbar, um verschiedene Wellenlängenbereiche abzudecken. Es ist auch denkbar, dass die Lichtquelle 3 eine polychromatische emittierende Lampe aufweist, wie eine Lampe im Ultraviolett- (UV) oder auch im Infrarotbereich (IR). Ebenfalls ist ein Monochromator in der Lichtquelle 3 oder an anderer geeigneter Stelle der Vorrichtung 1 denkbar, um gezielt Wellenlängen zu selektieren. Ein Monochromator kann beispielsweise ein Bragg-Gitter, ein Prisma, ein beweglicher Spiegel oder ein optischer Filter sein.
Die Lichtquelle 3 erzeugt einen Hauptprimärstrahl 4.1 mit vorgegebener Lichtintensität und zumindest einer Wellenlänge und dieser wird zu einer Strahlenteilereinheit 6 geleitet. Dazu kann die Lichtquelle 3 entweder in der Strahlenteilereinheit 6 oder in örtlicher Nähe dazu angeordnet sein. Auch ist es möglich, den Hauptprimärstrahl 4.1 über eine Lichttransporteinheit 8 an die Strahlenteilereinheit 6 zu leiten. Die Lichttransporteinheit 8 ist vorteilhaft, wenn eine Lichtquelle 3 örtlich getrennt von der Strahlenteilereinheit 6 angeordnet ist, beispielsweise auf Höhe der Oberfläche 10 und hinsichtlich der Lichtintensität verlustarm oder sogar verlustfrei zur Strahlenteilereinheit 6 geleitet werden soll. Die Lichttransporteinheit 8 kann beispielsweise ein Lichtleiter, wie ein Glasfaserkabel, sein, oder auch ein Spiegelsystem oder ein anderes optisches System, das den Hauptprimärstrahl 4.1 zur Strahlenteilereinheit 6 lenkt.
Die Strahlenteilereinheit 6 ist in einem ersten Abstand di von einem ersten Spiegelungsbereich 11.1 einer ersten Spiegelungseinheit 11 angeordnet. Am Spiegelungsbereich 11.1 wird ein eintreffender Lichtstrahl reflektiert. Der erste Spiegelungsbereich 11.1 bildet zur Reflexion eine Spiegelungsebene aus. Die erste Spiegelungseinheit 11 kann anwendungsbezogen angeordnet sein, beispielsweise auf einer Oberfläche 10 (wie z.B. auf einer Fahrbahn einer Straße). Der Abstand di kann ebenso anwendungsbezogen passend gewählt sein, beispielsweise abhängig von den durchfahrenden Fahrzeugen, aber auch von der Richtung der Messung sein. Der Abstand di kann beispielsweise geringer sein, wenn eine Messung parallel zu Oberfläche 10 durchgeführt wird, und kann höher sein, wenn normal auf die Oberfläche 10 gemessen wird.
Dabei bildet sich zwischen der Strahlenteilereinheit 6 und der ersten Spiegelungseinheit 11 ein Messvolumen 2 aus, in dem zumindest ein gasförmiger und/oder fester Stoff, welcher von einer Emissionsquelle 15 emittiert worden ist, gemessen werden soll.
Der Hauptprimärstrahl 4.1 wird in der Strahlenteilereinheit 6 in einen ersten Teilstrahl 4“ und zumindest einen Nebenprimärstrahl 13, welche in unterschiedliche Richtungen weiterlaufen, aufgeteilt. Dazu kann in der Strahlenteilereinheit 6 ein Doppelspiegel, oder ein anderes geeignetes optisches System oder Gerät, vorgesehen sein, welches die Lichtintensität des Hauptprimärstrahls 4.1 auf eine Lichtintensität des ersten Teilstrahls 4“ und des zumindest einen Nebenprimärstrahls 13 aufteilt. Vorteilhafterweise wird die Lichtintensität des Hauptprimärstrahls 4.1 jeweils zur Hälfte auf die Lichtintensität des Nebenprimärstrahls 13 und des ersten Teilstrahls 4“ aufgeteilt.
Der erste Teilstrahl 4“ wird von der Strahlenteilereinheit 6 in Richtung des ersten Spiegelungsbereichs 11.1 der Spiegelungseinheit 11 gelenkt. Dabei durchdringt der erste Teilstrahl 4“ das zumindest eine Messvolumen 2. Der erste Teilstrahl 4“ wird vom ersten Spiegelungsbereich 11.1 reflektiert und als erster Rückstrahl 14“ in Richtung zumindest eines Detektors 5 gelenkt.
Der erste Teilstrahl 4“ wird vorzugsweise von der Strahlenteilereinheit 6 derart zum ersten Spiegelungsbereichs 11.1 der Spiegelungseinheit 11 abgelenkt, dass die Richtung des ersten Rückstrahls 14“ entgegengesetzt, aber parallel verlaufend zur Richtung des ersten Teilstrahls 4“ ist.
Dabei durchdringt der erste Rückstrahl 14“ das zumindest eine Messvolumen 2 abermals. Der Detektor 5, der den ersten Rückstrahl 14“ erfasst, kann an einer beliebigen geeigneten Stelle der Vorrichtung 1 angeordnet sein.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird der erste Teilstrahl 4“ von der Strahlenteilereinheit 6 in eine von der Einstrahlrichtung des Hauptprimärstrahls 4.1 in die Strahlenteilereinheit 6 unterschiedliche Richtung abgelenkt und der Nebenprimärstrahl 13 behält im Wesentlichen die Einstrahlrichtung des in die Strahlenteilereinheit 6 eintretenden Hauptprimärstrahls 4.1 bei. Mit anderen Worten teilt die Strahlenteilereinheit 6 den Hauptprimärstrahl 4.1 in einen ersten Teilstrahl 4“ in eine von der Einstrahlrichtung des Hauptprimärstrahls unterschiedliche Richtung und einen Nebenprimärstrahl 13 in eine Richtung, die im Wesentlichen der Einstrahlrichtung des Hauptprimärstrahls 4.1 in die Strahlenteilereinheit 6 entspricht. Insbesondere wird der erste Teilstrahl 4 von der Strahlenteilereinheit 6 in eine Richtung abgelenkt, die im Wesentlichen normal zum ersten Spiegelungsbereich 11.1 und/oder einer Spiegelungsebene des ersten Spiegelungsbereichs 11.1 orientiert ist.
Die Anordnung der ersten Spiegelungseinheit 11 mit dem ersten Spiegelungsbereich 11.1 kann damit unabhängig von der Lage des Detektors 5 gewählt werden. Beispielsweise kann die erste Spiegelungseinheit 11 parallel zur Ebene der Oberfläche 10, normal zur Ebene der Oberfläche 10, oder auch in einem dazwischenliegenden Winkel zur Ebene der Oberfläche 10 montiert sein. Vorteilhafterweise kann die Spiegelungseinheit 11 auch in einer Oberfläche 10 montiert sein und mittels geeigneter Beschichtung oder Verbau vor Schäden und Verschmutzung durch Emissionsquellen 15, wie Fahrzeuge, welche über die Oberfläche 10 fahren, geschützt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, den ersten Rückstrahl 14“ vom ersten Spiegelungsbereich 11.1 zuerst zu der Strahlenteilereinheit 6 zurückzulenken. Der erste Rückstrahl 14“ kann dann über die Strahlenteilereinheit 6 in Richtung des zumindest einen Detektors 5 gelenkt werden (angedeutet durch den Primärrückstrahl 13‘ in Fig.2). Das kann beispielsweise über die Lichttransporteinheit 8 erfolgen, wenn die Lichtquelle 3 und der Detektor 5 örtlich zusammen angeordnet sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, den Detektor 5 örtlich getrennt von der Lichtquelle 3 anzuordnen. In diesem Fall könnte der erste Rückstrahl 14“ in geeigneter Weise, beispielsweise über ein Spiegelsystem oder einen separaten Lichtwellenleiter, zum Detektor 5 gesendet werden. Der Detektor 5 kann auch direkt in der Strahlenteilereinheit 6 angeordnet sein.
Die Strahlenteilereinheit 6 erzeugt auch den Nebenprimärstrahl 13, der in Richtung zumindest einer Umlenkeinheit 7 geleitet wird. Die Richtung des Nebenprimärstrahls 13 entspricht vorzugsweise im Wesentlichen der Richtung, mit der der Hauptprimärstrahl 4.1 in die Strahlenteilereinheit 6 eintritt. Die Umlenkeinheit 7 ist in einem zweiten Abstand d2 von einem zweiten Spiegelungsbereich 11.2 der Spiegelungseinheit 11 angeordnet. Der Abstand d2 kann hier ebenfalls anwendungsbezogen gewählt sein, beispielsweise abhängig von einer Emissionsquelle 15, aber auch von der Richtung der Messung. Auch können sich der erste Abstand di und der zweite Abstand d2 aufgrund von baulichen oder natürlichen Höhenunterschieden ergeben. Beispielsweise kann eine Erhebung der Oberfläche 10 oder Änderungen in der Beschaffenheit der Oberfläche 10 dazu führen, dass die Abstände di, d2 unterschiedlich sind. Vorzugsweise sind die Abstände di, d2 gleich, können aber auch unterschiedlich sein. Dabei bildet sich zwischen der Umlenkeinheit 7 und dem zweiten Spiegelungsbereich 11.2 ein Messvolumen 2 aus. Das kann dasselbe Messvolumen 2 sein wie zwischen der Strahlenteilereinheit 6 und dem ersten Spiegelungsbereich 11.1, oder auch ein separates Messvolumen.
Das zumindest eine Messvolumen 2 ist somit zwischen der Strahlenteilereinheit 6 und/oder der Umlenkeinheit 7 und dem zugeordneten Spiegelungsbereich 11.1, 11.2 angeordnet, und von der Strahlenteilereinheit 6 und/oder der Umlenkeinheit 7 und der Spiegelungseinheit 11 zumindest teilweise begrenzt. Es können aber auch zwei getrennte Messvolumina 2 vorgesehen sein.
Der erste Spiegelungsbereich 11.1 und der zweite Spiegelungsbereich 11.2 können dabei an einer gemeinsamen ersten Spiegelungseinheit 11 ausgebildet sein, können aber auch getrennten Spiegelungseinheiten 11 zugeordnet sein.
Die Umlenkeinheit 7, beispielsweise ein Umlenkspiegel oder ein anderes geeignetes optisches System oder Gerät, ist dazu ausgestaltet, den Nebenprimärstrahl 13 als einen zweiten Teilstrahl 4‘ durch das zumindest eine Messvolumen 2 in Richtung des zweiten Spiegelungsbereichs 11.2 zu lenken. Die Umlenkeinheit 7 kann den Nebenprimärstrahl 13 dazu auch umlenken (wie in Fig.2 dargestellt).
Der zweite Teilstrahl 4‘ durchdringt erfindungsgemäß das zumindest eine Messvolumen 2. Der zweite Teilstrahl 4‘ wird am zweiten Spiegelungsbereich 11.2 reflektiert und als zweiter Rückstrahl 14‘ in Richtung des zumindest einen Detektors 5 gelenkt und durchdringt dabei das Messvolumen 2 ein zweites Mal.
Alternativ kann der zweite Rückstrahl 14‘ auch zur Umlenkeinheit 7 gelenkt werden, wobei der zweite Teilstrahl 4‘ das zumindest eine Messvolumen 2 nochmals durchdringt.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird dabei der Nebenprimärstrahl 13 von der Umlenkeinheit 7 derart abgelenkt, dass die Richtung des zweiten Teilstrahls 4‘ im Wesentlichen normal zum zweiten Spiegelungsbereich 11.2 und/oder einer Spiegelungsebene des zweiten Spiegelungsbereichs 11.2 orientiert ist. Insbesondere wird der Nebenprimärstrahl 13 von der Umlenkeinheit 7 derart zum zweiten Spiegelungsbereich 11.2 abgelenkt, dass die Richtung des zweiten Rückstrahls 14‘ entgegengesetzt, aber parallel verlaufend zur Richtung des zweiten Teilstrahls 4‘ ist.
Der zweite Rückstrahl 14‘ kann in der Umlenkeinheit 7 zum Detektor 5 oder zur Strahlenteilereinheit 6 gelenkt werden und kann von der Strahlenteilereinheit 6, so wie der erste Rückstrahl 14“, in Richtung des zumindest einen Detektors 5 gelenkt werden (angedeutet durch den Primärrückstrahl 13‘ in Fig.2). Die Anordnung des zweiten Spiegelungsbereichs 11.2 kann von der Lage des Detektors 5, der den zweiten Rückstrahl 14‘ erfassen soll, unabhängig gewählt werden. Beispielsweise kann der zweite Spiegelungsbereich 11.2 parallel zur Ebene der Oberfläche 10, normal zur Ebene der Oberfläche 10, oder auch in einem Winkel zur Ebene der Oberfläche 10 angeordnet sein.
In einer möglichen Ausführungsform sind auch mehrere Detektoren 5 vorgesehen, um beispielsweise verschiedene Rückstrahlen 14‘, 14“ separat zu erfassen.
In einer möglichen Ausführungsform ist ein Detektor 5 in der Umlenkeinheit 7 angeordnet, um den zweiten Rückstrahl 14‘ getrennt vom ersten Rückstrahl 14“ zu erfassen. Dann wird der zweite Rückstrahl 14‘ nach Reflexion am zweiten Spiegelungsbereich 11.2 zum Detektor 5 in der Umlenkeinheit 7 gelenkt und ein Weiterleiten zu einem anderen Detektor 5, eventuell auch über die Strahlenteilereinheit 6, erübrigt sich. Der Detektor 5 für den zweiten Rückstrahl 14‘ kann auch an einer beliebig anderen Stelle der Vorrichtung 1 angeordnet sein, solange der zweite Rückstrahl 14‘ dorthin leitbar ist. Genauso kann ein einziger Detektor 5 für den ersten Rückstrahl 14“ und den zweiten Rückstrahl 14‘ vorgesehen sein.
Der zumindest eine Detektor 5 misst zumindest eine Lichteigenschaft eines damit erfassten Rückstrahls 14‘, 14“, die den zu messenden gasförmigen oder festen Stoff charakterisiert.
Als Lichteigenschaft kann beispielsweise eine Lichtintensität oder eine Wellenlänge oder eine beliebige andere messbare Lichteigenschaft gemessen werden. Aus der gemessenen Lichteigenschaft kann dann auf den gasförmigen oder festen Stoff geschlossen werden, beispielsweise auf ein Vorhandensein des Stoffes, eine Menge oder eine Konzentration des Stoffes.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 durchdringt ein Teilstrahl 4‘, 4 aufgrund der Reflexion über einen Spiegelungsbereich 11.1, 11.2 das zumindest eine Messvolumen 2 zweimal, womit der Lichtstrahl zweimal vom gasförmigen und/oder festen Stoff im Messvolumen 2 beeinflusst wird, was zu einer integralen Messung führt. Das kann sich bei der Messung in einer erhöhten Sensitivität und einer Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses niederschlagen, weil größere Messsignale möglich sind. Damit kann eine höhere Messqualität erreicht werden.
Vorteilhafterweise kann der Detektor 5 die aufgrund des zumindest einen gasförmigen oder festen Stoffes reduzierte Lichtintensität des erfassten Rückstrahls 14‘, 14“ messen und in eine Absorption eines gasförmigen Stoffes umrechnen, beispielsweise mittels einer vorher durchgeführten Referenzmesseinheit im Detektor 5, welche in Abwesenheit eines Stoffes in Messvolumen 2 durchgeführt wird. Eine solche Referenzmessung kann auch in regelmäßigen Intervallen oder bedarfsweise erfolgen. Auch eine Abschwächung der Lichtintensität aufgrund eines festen Stoffes, beispielsweise aufgrund Streuung, kann auf diese Weise erfasst werden. Es kann aber auch eine Abschwächung der Lichtintensität des erfassten Rückstrahls 14‘, 14“ bezogen auf die Lichtintensität des zum jeweiligen Rückstrahl 14‘, 14“ gehörenden Teilstrahls 4‘, 4 oder auch bezogen auf den Hauptprimärstrahl 4.1 oder den Nebenprimärstrahl 13 ermittelt werden.
Die Messstelle, insbesondere das Messvolumen 2, ist während der Messung mit der Vorrichtung 1 stationär, es wird somit mit der Vorrichtung 1 eine stationäre Messung an einer bestimmten stationären Messstelle realisiert. Damit kann sich die Abgaswolke 31 während der Messung relativ zum Messvolumen 2 bewegen oder verändern, die Vorrichtung 1, konkret die einzelnen Einheiten der Vorrichtung 1 , bleiben dabei aber an der Messtelle ortsfest angeordnet. Insbesondere bleiben die zumindest eine Lichtquelle 3, ein Detektor 5, eine Umlenkeinheit 7, eine Strahlenteilereinheit 6, eine Spiegelungseinheit 11 während der Messung ortsfest. Falls in der Messeinheit 1 noch weitere Einheiten vorhanden sind, wie beispielsweise eine Multiplexereinheit, eine Modulationseinheit 16, eine Bildeinheit 29, usw., so sind auch diese während der Messung ortsfest.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist damit insbesondere keine Messeinheit, die in einem bewegten Fahrzeug zur Abgasmessung verbaut ist und sich während der Messung mit dem Fahrzeug mitbewegt.
Die Vorrichtung 1 ist aber nur während der Messung zwingend stationär angeordnet. Zwischen zwei Messungen kann die Vorrichtung 1 oder können Teile davon auch bewegt werden. Im Zuge von Remote-Sensing-Messungen kann es beispielsweise erforderlich sein, dass die Vorrichtung 1 zwischen verschiedenen Messstellen wechselt, beispielsweise um damit einen größeren Teil von in einem größeren Gebiet (z.B. einer Stadt) fahrenden Fahrzeugen zu erfassen. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, die Vorrichtung 1 teilweise oder vollständig auf einem Anhänger zu montieren, um die Vorrichtung 1 zwischen den Messstellen mobil wechseln zu können. Der Hauptteil der Vorrichtung 1, insbesondere eine Lichtquelle 3, ein Detektor 5, eine Umlenkeinheit 7 und eine Strahlenteilereinheit 6, kann auf einem ausfahrbaren Gestell am Anhänger vormontiert sein. An der Messstelle anbringbare Teile der Messeinheit 1, wie beispielsweise die Spiegelungseinheit 11, wird dann an der Messstelle in geeigneter Weise angeordnet. Während der Messung sind aber wieder alle Einheiten stationär.
In weiterer Folge werden vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 beschrieben.
Die Spiegelungseinheit 11 kann beispielsweise redundant ausgelegt sein, und es können pro Strahlenteilereinheit 6 und/oder Umlenkeinheit 7 mehrere Spiegelungseinheiten 11 vorgesehen sein. So kann es möglich sein, bei Beschädigung oder Verschmutzung eines Spiegelungsbereichs 11.1, 11.2 einer Spiegelungseinheit 11 einen Teilstrahl 4‘, 4 auf eine andere Spiegelungseinheit 11 zu richten oder eine Spiegelungseinheit 11 durch eine andere auszutauschen. Somit können Spiegelungseinheiten 11 auch leicht getauscht und gewartet werden, ohne dadurch die Messung mit der Vorrichtung 1 unterbrechen zu müssen.
Eine mögliche Ausführungsform für einen Schutz einer Spiegelungseinheit 11 ist eine Schutzfolieneinheit 24, die in Fig. 9 dargestellt ist. Diese dient dazu, eine Schutzfolie 23 über einer Spiegelungseinheit 11 anzuordnen, um diese vor Verschmutzung oder Beschädigung (z.B. durch Kratzer) zu schützen. Die Schutzfolie 23 ist dabei natürlich hinreichend transparent ausgeführt. Eine verschmutzte Schutzfolie 23 kann bedarfsweise durch eine saubere Schutzfolie 23 ersetzt werden. Eine mögliche Ausführungsform einer Schutzfolieneinheit 24 gemäß Fig.9 besteht in der gezeigten Ausgestaltung aus einer ersten Rolle 20, auf der saubere Schutzfolie 23 aufgewickelt ist. Von dieser ersten Rolle 20 kann saubere Schutzfolie 23 abgewickelt werden und über einer Spiegelungseinheit 11 angeordnet werden. Es kann eine zweite Rolle 21 vorgesehen sein, auf der die verschmutzte Schutzfolie 23 aufgewickelt werden kann. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung wird bedarfsweise saubere Schutzfolie von der ersten Rolle 20 abgewickelt und gleichzeitig verschmutzte Schutzfolie von der zweiten Rolle 21 aufgewickelt. Die Spiegelungseinheit 11 ist in dieser Ausführungsform unterhalb der Oberfläche 10 angeordnet. Die abgewickelte Schutzfolie 23 ist dabei über der Spiegelungseinheit 11 angeordnet, um die Spiegelungseinheit 11 vor Verschmutzung oder Beschädigung zu schützen. Aus Stabilitätsgründen kann zwischen der Spiegelungseinheit 11 und der Schutzfolie 23 auch ein mechanischer Schutz 22 vorgesehen sein, welcher allerdings ausreichende optische Durchlässigkeit ermöglichen sollte. Eine der beiden Rollen 20, 21 kann angetrieben sein, um ein bedarfsweises Weiterbewegen der Schutzfolie 23 über der Spiegelungseinheit 11 zu bewirken. Hierfür kann auch eine Automatisierungseinheit vorgesehen sein, die den Antrieb der angetriebenen Rolle 20, 21 ansteuert. Vorteilhafterweise kann das Antreiben der Rollen 20, 21 bei Unterschreiten eines Grenzwerts erfolgen, beispielsweise einem Lichtintensitätsverlust eines mit einem Detektor 5 erfassten Rückstrahls 14‘, 14“. Dann kann die Automatisierungseinheit die angetriebene Rolle 20, 21 automatisiert ansteuern, um die Schutzfolie 23 weiterzubewegen. Damit kann die verschmutzte Schutzfolie 23 oberhalb der Spiegelungseinheit 11 einfach und bedarfsweise durch eine unverschmutzte ausgetauscht werden. Das kann vorteilhaft sein, wenn die Spiegelungseinheit 11 generell hoher Verschmutzung ausgesetzt ist.
In der Schutzfolieneinheit 24 kann auch eine Heizvorrichtung, beispielsweise eine elektrische Heizung, integriert sein, vorzugsweise im mechanischen Schutz 22. Durch die Heizvorrichtung kann verhindert werden, dass bei Nässe, wie z.B. bei Regen, Nebel,
Schnee, das optische Systeme der Vorrichtung 1 durch die Bildung von Eis oder Pfützen auf der Oberfläche der Schutzfolie 23 beeinträchtigt wird. Es kann auch vorgesehen werden, dass mehrere Messvolumina 2 ausgebildet sind oder jeder Teilstrahl 4‘, 4“ ein separates Messvolumen 2 durchdringt. Das kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise mehrere verschiedene Oberflächen 10, wie eine mehrspurige Straße, vermessen werden. Das kann den Messdurchsatz deutlich erhöhen und die statistische Sicherheit bei einer Messkampagne erhöhen.
Fig.3a zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ein Hauptprimärstrahl 4.1 wird in die Strahlenteilereinheit 6 eingebracht, und dort, wie oben ausgeführt in den Nebenprimärstrahl 13 und in den ersten Teilstrahl 4“ unterschiedlicher Richtung aufgeteilt. Der erste Teilstrahl 4“ wird zum ersten Spiegelungsbereich 11.1 weitergelenkt. Der Nebenprimärstrahl 13 wird jetzt, anstelle zu einer Umlenkeinheit 7, zu einerweiteren, zweiten Strahlenteilereinheit 6‘ weitergeleitet, welche in einem weiteren, dritten Abstand d (vorzugsweise gleich zu Abständen di, d2) von einem weiteren, dritten Spiegelungsbereich 11.3 der Spiegelungseinheit 11 angeordnet ist, wobei sich dazwischen wieder ein oder das Messvolumen 2 ausbildet. Diese zweite Strahlenteilereinheit 6‘ hat die gleiche Funktion wie die erste Strahlenteilereinheit 6 und teilt den eintreffenden Nebenprimärstrahl 13 in einen weiteren, dritten Teilstrahl 4‘“ und einen weiteren, zweiten Nebenprimärstrahl 13“ unterschiedlicher Richtung auf. Der dritte Teilstrahl 4‘“ wird in Richtung der dritten Spiegelungseinheit 11.3 gelenkt und daran reflektiert und der reflektierte dritte Rückstrahl 14‘“ zu einem Detektor 5 weitergeleitet, an dem dieser erfasst wird. Der von der zweiten Strahlenteilereinheit 6‘ weitergeleitete zweite Nebenprimärstrahl 13“ kann jetzt, wie in Fig.1 , zu einer Umlenkeinheit 7 gelenkt werden und in den zweiten Teilstrahl 4‘ umgelenkt werden. Die Aufteilung der Lichtintensitäten an den Strahlenteilereinheiten 6, 6‘ kann bedarfsgerecht gewählt werden. Es ist damit möglich, durch das Vorsehen von weiteren Strahlenteilereinheiten 6‘ auf einfache Weise weitere Messtellen im selben Messvolumen 2 oder in verschiedenen Messvolumina 2 auszubilden.
Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um mehrere ortsaufgelöste Messungen von Stoffen in zumindest einem Messvolumen 2 zu ermöglichen, beispielsweise um einen gasförmigen oder festen Stoff einer Abgaswolke einer Emissionsquelle 15 an mehreren Punkten zu messen. In diesem Fall werden die Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ durch dasselbe Messvolumen 2, in dem sich die Abgaswolke befindet, geleitet. Weiters kann diese Ausführungsform vorteilhaft sein, um verschiedene örtlich getrennte Messvolumina 2 simultan mit nur einer Lichtquelle 3 zu erfassen. In diesem Fall würden zumindest zwei Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ durch verschiedene Messvolumina 2 geleitet. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, jeden Rückstrahl 14‘, 14“, 14“ mit einem separaten Detektor 5 zu messen.
Fig. 3b zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Der Hauptprimärstrahl 4.1 wird in die Strahlenteilereinheit 6 eingebracht und dort in zwei Nebenprimärstrahlen 13 unterschiedlicher Richtungen aufgeteilt. Die Nebenprimärstrahlen 13 sind dabei unterschiedlich zu den (nicht eingezeichneten) Teilstrahlen 4“ orientiert. Vorteilhaft sind die Nebenprimärstrahlen 13 zwar in unterschiedliche Richtungen orientiert, die Richtungen liegen aber in einer gemeinsamen Nebenprimärstrahlebene, die in Fig. 3b der Blattebene entspricht. Mit anderen Worten wird hier der Hauptprimärstrahl 4.1 in zumindest zwei Nebenprimärstrahlen 13 aufgeteilt, die in unterschiedliche Richtung orientiert sind, aber vorzugsweise in einer gemeinsamen Nebenprimärstrahlebene verlaufen. Günstigerweise verläuft auch der Hauptprimärstrahl 4.1 in dieser Nebenprimärstrahlebene.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3b wird der Hauptprimärstrahl 4.1 in mehrere Nebenprimärstrahlen 13 aufgeteilt, die zusammen mit dem Hauptprimärstrahl 4.1 in einer gemeinsamen Nebenprimärstrahlebene liegen.
Die Teilstrahlen 4‘, 4“ (z.B. normal auf die Zeichnungsebene) sind hier nicht dargestellt.
Jeder Nebenprimärstahl 13 kann entweder zu einerweiteren Strahlenteilereinheit 6‘ (wie in Fig. 3a) oder einer Umlenkeinheit 7 geleitet werden. Mit dieser vorteilhaften Ausführungsform können verschiedene Messanordnungen realisiert werden. In einer besonderen Ausführungsform kann so eine Messung parallel zur Oberfläche 10 und gleichzeitig normal zur Oberfläche 10 durchgeführt werden, was einer mehrdimensionalen Messung im Messvolumen 2 entspricht. Auch auf diese Weise lassen sich sowohl mehrere Messungen im selben Messvolumen 2 realisieren, als auch Messungen in verschiedenen Messvolumina 2.
Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung. Der Hauptprimärstrahl 4.1 oder der Nebenprimärstrahl 13, 13“ wird in die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder in die Umlenkeinheit 7 gelenkt (nicht dargestellt) und dort wie oben beschrieben in einen Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ umgelenkt. Der zumindest eine Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ wird danach über zumindest eine Modulationseinheit 16 geführt. Vorteilhafterweise wird eine Modulationseinheit 16 für jeden Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ in der Vorrichtung 1 verwendet.
Die zumindest eine Modulationseinheit 16 bewirkt, dass der zumindest eine Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ in einzelne Lichtpakete 17, bedarfsweise auch mit unterschiedlichen Lichtintensitäten I, aufgeteilt wird. Die Lichtpakete 17 haben eine vorgegebene zeitliche Länge und sind zeitlich separiert. In einer einfachsten Ausführungsform kann eine solche Modulationseinheit 16 ein Lichtchopper sein, der definierte Lichtpakete 17 erzeugt. Solche Lichtchopper können beispielsweise rotierende Scheiben, Spiegel, Winkelspiegel oder Prismen sein. Auch elektrooptische Modulatoren als Modulationseinheit 16, wie Mach-Zehnder-Interferometer, sind denkbar.
Es ist aber auch vorstellbar, dass ein Rückstrahl 14‘, 14“, 14‘“ von der Modulationseinheit 16 moduliert wird und die einzelnen Lichtpakete 17 des Rückstrahls 14‘, 14“, 14‘“ von einem Detektor 5 erfasst werden. Auch ist es vorstellbar, dass eine Modulationseinheit 16 den Hauptprimärstrahl 4.1 oder einen Nebenprimärstrahl 13, 13“ in einzelne Lichtpakete 17‘, 17“, 17“‘aufteilt.
Jedenfalls wird durch die Aufteilung in einzelne Lichtpakete 17 bewirkt, dass auch die von einem Detektor 5 erfassten Rückstrahlen 14‘, 14“, 14‘“ in Lichtpakete 17 aufgeteilt sind. Die Aufteilung in einzelne Lichtpakete 17 erfolgt vorteilhafterweise so, dass die Lichtpakete 17 im Detektor 5 zeitlich versetzt ankommen. Das ermöglicht auf einfache Weise die Messung verschiedener Rückstrahlen 14‘, 14“, 14‘“ in einem Detektor 5.
Beispielsweise kann bei einer Vorrichtung wie in Fig. 2 sowohl der erste Teilstrahl 4 als auch der zweite Teilstrahl 4‘ mit je einer Modulationseinheit 16 in Lichtpakete 17‘, 17“ aufgeteilt werden. Die Modulation mittels einer ersten Modulationseinheit 16 des ersten Teilstrahls 4 kann zeitversetzt zur Modulation mittels zweiter Modulationseinheit 16 des zweiten Teilstrahls 4‘ erfolgen (wie in Fig. 4 angedeutet). Damit treffen die reflektierten Lichtpakete 17“ des ersten Teilstrahls 4 zeitversetzt zu den reflektierten Lichtpaketen 17‘ des zweiten Teilstrahls 4‘ bei einem Detektor 5 ein. Somit kann eine ortsaufgelöste Messung mittels eines einzigen Detektors 5 einfach ermöglicht werden.
Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Ein Hauptprimärstrahl 4.1. wird erfindungsgemäß in die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ geleitet. Die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ ist in einer möglichen Ausführung schwenkbar ausgebildet und kann beispielsweise in einem Winkel g um eine Achse normal auf einen Spiegelungsbereich 11.1, 11.2, 11.3 oder normal auf eine Spiegelungsebene einer Spiegelungseinheit 11 oder normal auf eine Oberfläche 10 oder normal auf eine Oberfläche 10, auf der die Spiegelungseinheit 11 angeordnet ist, verschwenkt werden, und kann so den zumindest einen Nebenprimärstrahl 13 abwechselnd zu einer Mehrzahl an stationären Umlenkeinheiten 7 oder auch weiteren Strahlenteilereinheiten 6‘ lenken.
Die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ kann selbst schwenkbar ausgeführt sein. Vorteilhafterweise kann aber auch nur ein Spiegel in einer Strahlenteilereinheit 6, 6‘ den Wechsel zu verschiedenen Umlenkeinheiten 7 oder weiteren Strahlenteilereinheiten 6‘ durchführen. In einer Ausführungsform ist das beispielsweise eine rotierende Welle mit Spiegeln in einem definierten Abstand, welche die Nebenprimärstrahlen 13 zu verschiedenen Umlenkeinheiten 7 oder weiteren Strahlenteilereinheiten 6‘ lenkt. In dieser Ausführungsform wirkt die rotierende Welle mit Spiegeln auch wie eine Modulationseinheit 16, da hier ebenfalls Lichtpakete 17 erzeugt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, die gesamte Vorrichtung 1 schwenkbar zu gestalten. Dabei sind beispielsweise Strahlenteilereinheit 6, 6‘ und Umlenkeinheit 7 an der Vorrichtung 1 fixiert und die gesamte Vorrichtung 1 kann um eine Achse normal auf die Oberfläche 10 geschwenkt werden. Dann kann die gesamte Vorrichtung 1 beispielsweise zwischen verschiedenen Fahrspuren abhängig vom Verkehrsaufkommen wechseln.
In einer Ausführungsform ist in der Strahlenteilereinheit 6, 6‘ und/oder in der Umlenkeinheit 7 zusätzlich eine Positionierungsoptikeinheit 27 (angedeutet in Fig. 6) vorgesehen. Diese ermöglicht eine Ausrichtung von Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ und/oder eines Nebenprimärstrahls 13, 13“ und kann beispielsweise zur Justierung und Nachjustierung verwendet werden. Eine Nachjustierung kann beispielsweise notwendig sein, wenn die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ und/oder die Umlenkeinheit 7 durch Vibrationen oder andere Einflüsse verstellt worden sind.
Eine solche Positionierungsoptikeinheit 27 kann beispielsweise ein x-y Galvanometer oder auch ein „digital mirror device“ sein. Eine Nachjustierung kann beispielsweise auch bei Verschmutzung eines Spiegelungsbereichs 11.1, 11.2, 11.3 notwendig werden.
Eine Positionierungsoptikeinheit 27 kann auch in einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, die es ermöglicht, eine Mehrzahl an Durchtritten eines Lichtstrahls durch das Messvolumen 2 zu realisieren und so eine weitere Verbesserung der Messqualität zu erzielen, wie anhand der Fig. 6 erläutert wird. Gegenüber einem Spiegelungsbereich 11.1, 11.2, ist eine gegenüberliegende zweite Spiegelungseinheit 18 mit einem Zwillings-Spiegelungsbereich 30 angeordnet, der ebenfalls eine Spiegelungsebene ausbildet und an dem ein einfallender Lichtstrahl reflektiert wird. Der Spiegelungsbereich 11.1, 11.2 der ersten Spiegelungseinheit 11 und der Zwillings- Spiegelungsbereich 30 der zweiten Spiegelungseinheit 18 sind einander zugewandt angeordnet. Vorzugsweise sind der Spiegelungsbereich 11.1, 11.2 und der Zwillings- Spiegelungsbereich 30 parallel verlaufend angeordnet. Mit anderen Worten sind die Spiegelungsebenen des Spiegelungsbereichs 11.1, 11.2 der Spiegelungseinheit 11 und des Zwillings-Spiegelungsbereichs 30 der zweiten Spiegelungseinheit 18 parallel verlaufend angeordnet.
Die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder die Umlenkeinheit 7 können jetzt beispielsweise über die Positionierungsoptikeinheit 27 den Winkel a des Teilstrahls 4‘, 4“, 4‘“, abweichend von einer Normalen auf den Spiegelungsbereich 11.1, 11.2, verstellen. Damit wird der Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ am Spiegelungsbereich 11.1, 11.2 reflektiert und an die gegenüberliegende zweite Spiegelungseinheit 18 rückreflektiert, wo der Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ am Zwillings- Spiegelungsbereich 30 erneut reflektiert wird. Abhängig vom Winkel a kann somit eine Mehrzahl n an Reflexionen eingestellt werden, mit denen der Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ zwischen den Spiegelungseinheiten 11, 18 hin- und herläuft. Das kann vorteilhaft sein, da der Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ somit ein Messvolumen 2 oftmals passieren kann, und damit über die integrale Messung eine höhere Sensitivität der Messung eines gasförmigen oder festen Stoffes im Messvolumen 2 erreicht werden kann. Der zumindest eine Detektor 5 kann nun beispielsweise an einer der Spiegelungseinheiten 11, 18 angeordnet sein und den T eilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ nach der letzten Reflexion als Rückstrahl 14‘, 14“, 14‘“ erfassen. Es kann aber auch vorgesehen sein, den Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ nach einer Mehrzahl n Reflexionen zur Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder Umlenkeinheit 7 als Rückstrahl 14‘, 14“, 14‘“ zurückzulenken und dort in Richtung des Detektors 5 weiter zu lenken, wobei der Detektor 5 auch in der jeweiligen Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder Umlenkeinheit 7 angeordnet sein kann. Das kann beispielsweise über einen Umlenkspiegel 28 erfolgen. Vorzugsweise ist der Umlenkspiegel 28 so ausgeführt, dass ein eintreffender Rückstrahl 14‘, 14“, 14‘“ entgegen der Einstrahlrichtung reflektiert wird. Die Richtung des vom Umlenkspiegels 28 reflektierten Strahls fällt damit mit dem einfallenden Rückstrahl 14‘, 14“, 14“ zusammen, ist aber in der entgegengesetzten Richtung orientiert.
Der Rückstrahl 14‘, 14“, 14‘“ kann dabei wieder zwischen den Spiegelungseinheiten 11, 18 mehrfach reflektiert werden (wobei die Anzahl der Reflexionen am Rückweg nicht mit der Anzahl der Reflexionen am Hinweg übereinstimmen muss) oder wird nach Reflexion am Umlenkspiegel 28 über einen geeigneten optischen Weg zum Detektor 5 zurückgeleitet.
Die Spiegelungseinheiten 11, 18 mit den jeweiligen Spiegelungsbereichen 11.1, 11.2, 30 sind natürlich in geeigneter Weise anzuordnen und auszugestalten, um die gewünschten Reflexionen zu ermöglichen. Eine solche Anordnung und Ausgestaltung liegt im Können eines Fachmanns und kann nach den Anforderungen der Anwendung realisiert werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Der Hauptprimärstrahl 4.1 oder der Nebenprimärstrahl 13, 13‘ (nicht dargestellt) wird erfindungsgemäß in die Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder Umlenkeinheit 7 eingebracht. In der Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder Umlenkeinheit 7 ist eine Multiplexereinheit 19 vorgesehen. Die Multiplexereinheit 19 kann als elektrische oder elektro-optische Schaltung ausgeführt sein, welche den Hauptprimärstrahl 4.1 oder den Nebenprimärstrahl 13, 13‘ in eine Mehrzahl an einzelnen Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ (in Fig. 7 nur teilweise mit Bezugszeichen versehen) aufteilt. Ein Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ wird somit mit der Multiplexereinheit 19 vervielfacht. Die Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ können zu unterschiedlichen Stellen des jeweiligen, der Strahlenteilereinheit 6, 6‘ oder Umlenkeinheit 7 zugeordneten Spiegelungsbereichs 11.1,
11.2, 11.3 geleitet werden. Die Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ können dabei alle dieselbe Lichtintensität wie der Hauptprimärstrahl 4.1 oder der Nebenprimärstrahl 13, 13‘ aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ unterschiedliche Lichtintensitäten aufweisen. Die wie oben beschrieben entstehenden einzelnen Rückstrahlen 14‘, 14“, 14‘“ können von verschiedenen Detektoren 5 erfasst werden. ln der Multiplexereinheit 19 kann jeder erzeugte Teilstrahl 4‘, 4“, 4“‘über einen eigenen optischen Pfad 32 geführt werden. Die optischen Pfade 32 können unterschiedliche optische Weglängen aufweisen, wobei jeder Teilstrahl 4‘, 4“, 4‘“ dadurch eine unterschiedliche optische Laufzeit erhält. Die einzelnen Teilstrahlen 4‘, 4“, 4‘“ werden an der Spiegelungseinheit 11 reflektiert und die einzelnen Rückstrahlen 14 (in Fig. 7 nicht eingezeichnet) wie oben beschrieben zurück an die Strahlenteilereinheit 6 bzw. Umlenkeinheit 7 gelenkt, eventuell auch über die optischen Pfade 32 unterschiedlicher Weglänge. Dann kann der zumindest eine Detektor 5 die entstehenden einzelnen Rückstrahlen 14‘, 14“, 14‘“ einfacher messen, weil diese aufgrund der unterschiedlichen Weglängen zu zeitlich hintereinander folgenden Zeitpunkten am Detektor 5 eintreffen. Das kann eine ortsaufgelöste Messung des gasförmigen oder festen Stoffes im Messvolumen 2 ermöglichen.
In einerweiteren Ausführungsform wird die Multiplexereinheit 19 genutzt, um in einer Strahlenteilereinheit 6, 6‘ eine Mehrzahl an Nebenprimärstrahlen 13 zu erzeugen (beispielsweise in einer Anordnung wie in Fig.3b dargestellt), welche zu weiteren Strahlenteilereinheiten 6‘ und/oder Umlenkeinheiten 7 geleitet werden können. Damit kann in dieser Ausführungsform die Lichtintensität der Mehrzahl an Nebenprimärstrahlen 13 nach der Aufteilung durch die Multiplexereinheit 19 gleich sein.
Fig. 8. zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zur genauen Konzentrationsmessung eines gasförmigen oder festen Stoffes in einem Messvolumen 2 mit einer erfindungsgemäßer Vorrichtung 1. Um eine Konzentration c eines Stoffes genauer zu bestimmen, ist Kenntnis über die tatsächliche Durchtrittsstrecke x des Lichts durch das den gasförmigen oder festen Stoff beinhaltenden Volumen (z.B. eine Abgaswolke) im Messvolumen 2 und der Absorption 1 -(l/lo), kurz als A bezeichnet, oder Transmission l/lo einer bestimmten Wellenlänge erforderlich. Die Messung eines Stoffes ist frequenzabhängig und sollte daher am, oder zumindest in der Nähe des, Absoptionsmaximum stattfinden, um ein verlässliches Ergebnis zu erhalten. Beispielsweise hat CO2 charakteristische Vibrationsschwingungen bei einer Wellenzahl (Kehrwert der Wellenlänge) von 1388 cm-1 (asymmetrische Streckschwingung) und bei 667 cm-1 (Biegeschwingung). Laut Lambert- Beer’schen Gesetz ist die Absorption A abhängig von der Durchtrittsstrecke x, der Konzentration c und einem Absorptionskoeffizienten k (als bekannter Stoffparameter) über die Formel Eine Absorption A kann über einen Detektor 5 ermittelt werden. Die Durchtrittsstrecke x ist aber abhängig von der Ausdehnung der Abgaswolke 31 im Messvolumen 2 und ist üblicherweise nicht bekannt.
Zum Erfassen der Durchtrittsstrecke x ist in der Vorrichtung 1 erfindungsgemäß eine Bildeinheit 29 vorgesehen, um zumindest einen Teil des Messvolumens 2 aus unterschiedlichen Richtungen (z.B. Winkeln w, ß) aufzunehmen. Die Bildeinheit 29 erzeugt Abbildungen des Messvolumens 2 aus unterschiedlichen Richtungen, die in einer Auswerteeinheit 26 verarbeitet werden. Die Auswerteeinheit 26 kann nun aus den erhaltenen Abbildungen aus verschiedenen Richtungen, einen Teil eines Abbilds einer Abgaswolke 31 im Messvolumen 2 rekonstruieren. Aus dem Abbild des Teils der Abgaswolke 31 kann die Durchtrittsstrecke x eines Teilstrahls 4‘, 4“, 4‘“, als Summe aller Durchtritte des Lichts durch die Abgaswolke 31, durch die Abgaswolke 31 ermittelt werden. Beispielsweise kann anhand der bekannten Abmessungen des Messvolumens 2 auf die Abmessungen des zumindest einen Teils der Abgaswolke 31 im Messvolumen 2 und damit auf die Durchtrittsstrecke x rückgerechnet werden.
Zu diesen Zweck kann aus den Abbildungen eine 2D Projektion der Abgaswolke 31 in Ebene des Teilstrahls 4‘, 4“, 4‘“ und/oder des Rückstrahls 14‘, 14“, 14‘“ erzeugt werden und so die Durchtrittsstrecke x direkt ermittelt werden. In einer Ausführungsform erstellt die Auswerteinheit 26 eine räumliche Rekonstruktion der Abgaswolke. Diese Rekonstruktion kann beispielsweise auch abhängig von einer Laufvariable, wie der Zeit, sein. So kann beispielsweise eine zeitabhängige Ausdehnung einer Abgaswolke 31 ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform erhält die Auswerteinheit 26 Daten über Außentemperatur und Luftfeuchte. Je nach Außentemperatur und Luftfeuchte kann es zu Unterschieden in der Auswertung und Rekonstruktion einer Abgaswolke kommen. Beispielsweise sind Temperaturunterschiede im Sommer zwischen Umgebung und Abgaswolke weniger stark ausgeprägt als im Winter. Das kann dazu führen, dass die Durchtrittsstrecke x saisonabhängig Unterschiede aufweist. Um diese Fehlerquelle zu vermeiden, kann ein Korrekturfaktor für die Berechnung der Rekonstruktion abhängig von Außentemperatur und Luftfeuchte vorgesehen sein. Damit kann die Auswerteinheit 26 eine verlässliche Berechnung unabhängig von den Bedingungen der Durchtrittsstrecke x durchführen.
Die Auswerteinheit 26, üblicherweise ein Computer mit entsprechender Auswertesoftware, kann ebenfalls Daten zur Absorption A von zumindest einem Detektor 5 empfangen, und die Durchtrittsstrecke x, welche aus dem Teil eines Abbilds der Abgaswolke 31 rekonstruiert wurde, nutzen, um die Konzentration c eines Stoffes laut Lambert-Beer’schen Gesetz zu errechnen. In einer vorteilhaften Ausführungsform können auch mehrere Daten zur Absorption A genutzt werden, um eine räumliche Verteilung der Konzentration c in einem Messvolumen 2 zu errechnen.
Die Bildeinheit 29 kann in Form von mehreren Kameras 25 (wie in Fig.8 dargestellt) ausgeführt sein. Auch eine Ausführung der Bildeinheit 29 mit einer oder mehreren Lidareinheiten, einer oder mehreren Radareinheiten oder Kombinationen derartiger Einheiten bzw. mit Kameras ist denkbar. Daneben kann es natürlich auch noch weitere Ausführungen einer Bildeinheit 29 geben.
In einer Ausführung mit Kameras 25 sind diese an verschiedenen Orten installiert, um ein Messvolumen 2 aus verschiedenen Richtungen w, ß aufzunehmen. Die Kameras 25 können beispielsweise an einer Strahlenteilereinheit 6, 6‘ und/oder Umlenkeinheit 7 angeordnet sein. Auch können die Kameras 25 auf einer separaten Vorrichtung installiert sein, oder bestehende Infrastruktur im Bereich der Vorrichtung 1 wie Brücken, Häuser, Straßenlaternen oder ähnliches nutzen. Bei einer Mehrzahl an Strahlenteilereinheiten 6, 6‘ und/oder Umlenkeinheiten 7 können die Kameras 25 auch so angeordnet sein, dass sie beispielsweise mehrere Messvolumen 2 gleichzeitig erfassen können. So kann die Anzahl an Kameras 25 geringgehalten werden.
Die Kameras 25 können Abbildungen des Messvolumens 2 aufnehmen und damit auch eine im Messvolumen 2 vorhandene Abgaswolke 31 aufnehmen. Es ist aber auch möglich, dass die Kameras 25 zusätzlich Metadaten eines Fahrzeugs aufzeichnen, wie Größe, Typ oder auch das Kennzeichen. Bei Verwendung von Kameras 25 als Bildeinheit 29 kann beispielsweise Bildbearbeitungssoftware, wie ImageJ, verwendet werden, um die Abgaswolke 31 oder einen Teil davon zu rekonstruieren.
Die Kameras 25 können beispielsweise Infrarotkameras sein, welche Wärmebilder der vorhandenen Abgaswolke im Messvolumen 2 aufnehmen. So kann auch die Wärmeverteilung in der Abgaswolke erfasst werden, welche einen Einfluss auf die Stoffe oder den Absorptionskoeffizienten k haben kann. Es kann aufgrund der Temperaturunterschiede zu Konvektion und Diffusionsphänomenen kommen, die eine Verteilung von Stoffen über die Zeit bewirken. Auch können einzelne Konzentrationen c von Stoffen abhängig von der Temperatur sein, da manche Reaktionen nur bei höherer Temperatur ablaufen. Es kann auch möglich sein, dass sich verschiedene Abgaswolken aus hintereinander oder nebeneinander befindlichen Emissionsquellen 15, wie Fahrzeugen, vermengen. Dann kann die Messung dementsprechend angepasst werden, beispielsweise über die oben beschriebene Positionierungsoptikeinheit 27 oder einer Positionierung oder Ausrichtung einer Kamera 25.
Die Kameras 25 können aber auch beispielsweise im ultravioletten (UV) oder sichtbaren (VIS) Bereich arbeiten, oder auch in beiden Bereichen (UV/VIS Kameras). UV oder VIS ist höher energetische Strahlung als IR und regt Elektronen-Übergange in Molekülen an und kann für die Messung vorteilhafter sein.
In einer möglichen Ausführungsform sind die Kameras 25 als multi- und hyperspektrale Kameras ausgeführt. Dabei werden statt der klassischen einfachen Aufnahme in einem einfachen Spektral bereich eine hohe Anzahl an Spektral bändern benutzt. Das kann vorteilhaft sein, um eine deutlich höhere Farbqualität und Farbunterschiede zu erkennen, da jeder Pixel bereits ein vollständiges Farbspektrum enthält. Eine solche Kamera 25 kann beispielsweise mit der Snapshot-Mosaiktechnik funktionieren.
Eine Lidareinheit basiert auf einem Laser, beispielsweise einem YAG Laser mit 1064 nm oder 532 nm Wellenläge, oder ähnlichen Ausführungen, die der Fachmann für passend erachtet. Es können auch IR-Laser verwendet werden, wobei jedoch eine hinreichende Abschirmung nötig sein kann, um Augenschäden zu vermeiden. Eine Lidareinheit im UV oder NIR (Nahinfrarot) Bereich können beispielsweise genutzt werden, um gasförmige oder feste Stoffe auch direkt zu messen. Lidar kann bekanntermaßen aus atmosphärischen Messungen, beispielsweise Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2) und Methan (CH4) nachweisen. Das kann benutzt werden, um beispielsweise grobe Abschätzungen von Stoffen durchzuführen oder auch redundante Messungen zu der erfindungsgemäßen Messung zu erhalten.
Die zumindest eine Lidareinheit kann sich in zumindest einer Achse bewegen und Abbildungen der Umgebung und der vorhandenen Abgaswolken 31 aufzeichnen. Die zumindest eine Lidareinheit kann benutzt werden, um verschiedene Abgaswolken 31 in einem Messvolumen 2 abzubilden oder auch verschiedene Abgaswolken 31 in verschiedenen Messvolumen 2. Dazu scannt die Lidareinheit die Umgebung und abhängig von der Reflexionszeit des ausgesendeten Laserimpulses können Abbildungen der Umgebung erzeugt werden.
Es ist als Bildeinheit 29 auch eine Kombination aus Lidareinheiten und Kameras 25 denkbar. Damit können beispielsweise gasförmige Stoffe über eine Lidareinheit gemessen werden, während feste Stoffe in der Abgaswolke 31 über die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erfasst werden. So kann eine repräsentative Konzentrationsmessung von mehreren kritischen Stoffen der Abgaswolke 31 erfolgen.
Es kann weiters auch vorgesehen sein, dass zu oben beschriebenen Messungen auch eine Kameraaufnahme im Bereich der Vorrichtung 1 durchgeführt wird. Damit können, unter datenschutzrechtlichen Vorrausetzungen, Kennzeichen von Fahrzeugen erfasst werden. Damit können Fahrzeughalter benachrichtigt werden, falls ein Fahrzeug Stoffe in Form von Abgasemissionen außerhalb normengetreuer Richtwerte aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in zumindest einem Messvolumen (2) an einer stationären Messstelle, wobei eine Lichtquelle (3) und zumindest ein Detektor (5) vorgesehen sind, und aus der Lichtquelle (3) zumindest ein Hauptprimärstrahl (4.1) zu zumindest einer Strahlenteilereinheit (6) emittierbar ist, wobei die zumindest eine Strahlenteilereinheit (6) in einem ersten Abstand (di) von einem ersten Spiegelungsbereich (11.1) einer Spiegelungseinheit (11) angeordnet ist, und die Strahlenteilereinheit (6) den Hauptprimärstrahl (4.1) in zumindest einen, durch das Messvolumen (2) in Richtung des ersten Spiegelungsbereichs (11.1) orientierten ersten Teilstrahl (4“) und zumindest einen, in eine vom Hauptprimärstrahl (4.1) unterschiedliche Richtung orientierten Nebenprimärstrahl (13) aufteilt, wobei zumindest eine Umlenkeinheit (7) in einem zweiten Abstand (d2) von einem zweiten Spiegelungsbereich (11.2) angeordnet ist, und der zumindest eine Nebenprimärstrahl (13) mittels der Strahlenteilereinheit (6) zur Umlenkeinheit (7) lenkbar ist und der zumindest eine Nebenprimärstrahl (13) mittels der Umlenkeinheit (7) als zweiter Teilstrahl (4‘) durch das zumindest eine Messvolumen (2) in Richtung des zweiten Spiegelungsbereichs (11.2) lenkbar ist, wobei das zumindest eine Messvolumen (2) jeweils zwischen der Strahlenteilereinheit (6) und/oder der Umlenkeinheit (7) und den zugeordneten Spiegelungsbereichen (11.1, 11.2) angeordnet ist, und jeweils von der Strahlenteilereinheit (6) und/oder der Umlenkeinheit (7) und den zugeordneten Spiegelungsbereichen (11.1, 11.2) zumindest teilweise begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegelungsbereich (11.1) vorgesehen ist, um den ersten Teilstrahl (4“) als ersten Rückstrahl (14“) durch das zumindest eine Messvolumen (2) zu dem zumindest einen Detektor (5) zu lenken, dass der zweite Spiegelungsbereich (11.2) vorgesehen ist, um den zweiten Teilstrahl (4‘) als zweiten Rückstrahl (14‘) durch das zumindest eine Messvolumen (2) zu dem zumindest einen Detektor (5) zu lenken, und dass der zumindest eine Detektor (5) vorgesehen ist, eine den zumindest einen gasförmigen oder festen Stoff charakterisierende Lichteigenschaft jedes Rückstrahls (14‘, 14“) zu messen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelungsbereiche (11.1, 11.2) ausgestaltet sind, den jeweiligen Rückstrahl (14‘, 14“) zu je einem Detektor (5) zu lenken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rückstrahl (14“) vom ersten Spiegelungsbereich (11.1) über die Strahlenteilereinheit (6) zu dem zumindest einen Detektor (5) zurücklenkbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rückstrahl (14‘) vom zweiten Spiegelungsbereich (11.2) über die Umlenkeinheit (7) oder über die Umlenkeinheit (7) und die Strahlenteilereinheit (6) zu dem zumindest einen Detektor (5) zurücklenkbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (5) in der Umlenkeinheit (7) oder der Strahlenteilereinheit (6) angeordnet ist oder in der der Umlenkeinheit (7) oder der Strahlenteilereinheit (6) jeweils ein Detektor (5) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (5) mit der Lichtquelle (3) in einem Gehäuse verbaut ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Strahlenteilereinheit (6‘) in einem dritten Abstand (dß) von einem dritten Spiegelungsbereich (11.3) vorgesehen ist, wobei die zweite Strahlenteilereinheit (6‘) zwischen der ersten Strahlenteilereinheit (6) und der Umlenkeinheit (7) angeordnet ist und den Nebenprimärstrahl (13) von der ersten Strahlenteilereinheit (6) erhält, und dass die zweite Strahlenteilereinheit (6‘) den erhaltenen Nebenprimärstrahl (13) in einen in Richtung des dritten Spiegelungsbereichs (11.3) orientierten, dritten Teilstrahl (4“‘) und einen, in Richtung zur Umlenkeinheit (7) orientierten zweiten Nebenprimärstrahl (13“) aufteilt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenteilereinheit (6, 6‘) den erhaltenen Hauptprimärstrahl (4.1) oder Nebenprimärstrahl (13) in einen ersten Teilstrahl (4“) oder dritten Teilstrahl (4“‘) und in mehrere in unterschiedliche Richtungen orientierte Nebenprimärstrahlen (13) aufteilt, wobei die Strahlenteilereinheit (6, 6‘) jeden Nebenprimärstrahl (13) zu einerweiteren Strahlenteilereinheit (6‘) oder einer Umlenkeinheit (7) lenkt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Strahlenteilereinheit (6, 6‘) um eine Achse schwenkbar angeordnet ist, um den erzeugten Nebenprimärstrahl (13, 13“) wahlweise zu einer Mehrzahl an Umlenkeinheiten (7) und/oder weiteren Strahlenteilereinheiten (6‘) zu leiten, wobei die Achse normal verlaufend auf einen Spiegelungsbereich (11.1, 11.2) oder auf eine Oberfläche (10), auf der die Spiegelungseinheit (11) angeordnet ist, ausgeführt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Strahlenteilereinheit (6, 6‘) und/oder der Umlenkeinheit (7) eine Positionierungsoptikeinheit (27) vorgesehen ist und die Positionierungsoptikeinheit (27) den in Richtung des jeweiligen Spiegelungsbereichs (11.1, 11.2, 11.3) orientierten ersten Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) in einem von einer Normalen auf den jeweilige Spiegelungsbereich (11.1, 11.2, 11.3) abweichenden Winkel (a) ablenkt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Strahlenteilereinheit (6, 6‘) und/oder Umlenkeinheit (7) beabstandet vom jeweiligen Spiegelungsbereich (11.1, 11.2, 11.3) eine gegenüberliegende zweite Spiegelungseinheit (18) mit einem gegenüberliegenden und dem jeweiligen Spiegelungsbereich (11.1, 11.2, 11.3) zugewandten Zwillings-Spiegelungsbereich (30) angeordnet ist, wobei der jeweilige Spiegelungsbereich (11.1, 11.2, 11.3) den Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) zum gegenüberliegenden Zwillings-Spiegelungsbereich (30) reflektiert und der gegenüberliegende Zwillings- Spiegelungsbereich (30) den Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) wieder zum jeweiligen Spiegelungsbereich (11.1, 11.2, 11.3) zurückreflektiert, wobei der zumindest eine Detektor (5) vorgesehen ist, den Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) nach einer Mehrzahl solcher Reflexionen als Rückstrahl (14‘, 14“, 14‘“) zu erfassen oder ein Umlenkspiegel (28) vorgesehen ist, der den Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) nach einer Mehrzahl solcher Reflexionen als Rückstrahl (14‘, 14“, 14‘“) umlenkt und der zumindest eine Detektor (5) den Rückstrahl (14‘, 14“, 14‘“) nach einer Anzahl von Reflexionen zwischen der Spiegelungseinheit (11) und der gegenüberliegenden Spiegelungseinheit (18) erfasst.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) durch die Positionierungsoptikeinheit (27) verstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (1) zumindest eine Modulationseinheit (16) vorgesehen ist, um zumindest einen Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) und/oder einen Rückstrahl (14‘, 14“, 14‘“) und/oder den Hauptprimärstrahl (4.1) und/oder einen Nebenprimärstrahl (13, 13‘, 13“) in einzelne Lichtpakete (17) aufzuteilen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Lichtpakete (17) zeitlich versetzt sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Strahlenteilereinheit (6, 6‘) und/oder Umlenkeinheit (7) eine Multiplexereinheit (19) vorgesehen ist, die den erhaltenen Hauptprimärstrahl (4.1) oder Nebenprimärstrahl (13, 13‘) in eine Mehrzahl an Teilstrahlen (4‘, 4“, 4‘“) aufteilt, und die Multiplexereinheit (19) die Mehrzahl an Teilstrahl (4‘, 4“, 4‘“) zu unterschiedlichen Stellen des jeweiligen Spiegelungsbereichs (11) lenkt, der die Mehrzahl an Teilstrahlen (4‘, 4“, 4‘“) als Mehrzahl von Rückstrahlen (14‘, 14“, 14‘“) reflektiert und die Mehrzahl von Rückstrahlen (14‘, 14“, 14‘“) zur Multiplexereinheit (19) sendet, und dass die Multiplexereinheit (19) die Mehrzahl der reflektierten Rückstrahlen (14‘, 14“, 14‘“) an zumindest einen Detektor (5) sendet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest zwei der Mehrzahl an Rückstrahlen (14‘, 14“, 14‘“) ein eigener Detektor (5) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Mehrzahl an Teilstrahlen (4‘, 4“, 4‘“) in der Multiplexereinheit (19) über je einen eigenen optischen Pfad (32) geführt sind, wobei die optischen Pfade (32) unterschiedliche optische Weglängen aufweisen und dass für die zumindest zwei entstehenden Rückstrahlen (14‘,
14“, 14‘“) ein gemeinsamer Detektor (5) vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung (1) zumindest eine Bildeinheit (29) vorgesehen ist, um bei Vorhandensein einer Abgaswolke (31) im Messvolumen (2) zumindest einen Teil der Abgaswolke (31) aus unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen, wobei eine Auswerteeinheit (26) vorhanden ist, um die der Bildeinheit (29) aufgenommenen Abbildungen zu einem Abbild des zumindest einen Teils der Abgaswolke (31) zu rekonstruieren und aus dem Abbild des zumindest einen Teils der Abgaswolke (31) eine Durchtrittsstrecke (x) des Teilstrahls (4‘, 4“, 4‘“) und/oder des Rückstrahls (14‘, 14“, 14‘“) durch die Abgaswolke (31) im Messvolumen (2) zu bestimmen, wobei der zumindest eine Detektor (5), der den Rückstrahl (14‘, 14“, 14‘“) erfasst, eine Intensitätsabnahme des Rückstrahls (14‘, 14“, 14‘“) aufgrund des zumindest einen gasförmigen oder festen Stoffes erfasst und die Auswerteeinheit (26) vorgesehen ist, aus der Intensitätsabnahme und der ermittelten Durchtrittsstrecke (x) eine Konzentration (c) des zumindest einen gasförmigen oder festen Stoffes im Messvolumen (2) zu ermitteln.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzfolie (23) austauschbar über einem Spiegelungsbereich (11.1, 11.2, 11.3) angeordnet ist.
20. Verfahren zur Messung zumindest eines gasförmigen oder festen Stoffes in zumindest einem Messvolumen (2) an einer stationären Messstelle, welches zwischen einer Strahlenteilereinheit (6) und einem ersten Spiegelungsbereich (11.1) und/oder einer Umlenkeinheit (7) und einem zweiten Spiegelungsbereich (11.2) ausgebildet ist, wobei ein Hauptprimärstrahl (4.1) von einer Lichtquelle (3) emittiert wird und der Hauptprimärstrahl (4.1) zu der zumindest einen Strahlenteilereinheit (6) geleitet wird, in der der Hauptprimärstrahl (4.1) in zumindest einen in Richtung des ersten Spiegelungsbereichs (11.1) und durch das zumindest eine Messvolumen (2) orientierten ersten Teilstrahl (4“) und einen Nebenprimärstrahl (13) aufgeteilt wird, wobei der Nebenprimärstrahl (13) in der Umlenkeinheit (7) in einen in Richtung des zweiten Spiegelungsbereichs (11.2) und durch das zumindest eine Messvolumen (2) orientierten zweiten Teilstrahl (4‘) umgelenkt wird, wobei der erste Teilstrahl (4“) am ersten Spiegelungsbereich (11.1) reflektiert wird und als erster Rückstrahl (14“) durch das zumindest eine Messvolumen (2) zum zumindest einen Detektor (5) zurücklenkt wird, wobei der zweite Teilstrahl (4‘) am zweiten Spiegelungsbereich (11.2) reflektiert wird und als zweiter Rückstrahl (14‘) durch das zumindest eine Messvolumen (2) zum zumindest einen Detektor (5) zurücklenkt wird, - und wobei mit dem zumindest einen Detektor (5) eine den zumindest einen gasförmigen oder festen Stoff charakterisierende Lichteigenschaft jedes Rückstrahls (14‘, 14“) gemessen wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3677652A (en) * 1971-06-15 1972-07-18 Gte Sylvania Inc Fluid analyzer apparatus
US4924095A (en) * 1987-06-02 1990-05-08 West Lodge Research Remote gas analyzer for motor vehicle exhaust emissions surveillance
GB2219656B (en) * 1988-06-10 1992-01-29 Plessey Co Plc Sensors
US5401967A (en) * 1990-12-26 1995-03-28 Colorado Seminary Dba University Of Denver Apparatus for remote analysis of vehicle emissions
DE19840794C1 (de) * 1998-09-08 2000-03-23 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Infrarot-Strahlungseigenschaften von Abgasen
HK1049205B (en) * 1999-12-29 2014-05-16 Envirotest Systems Holdings Corp System and method for remote analysis of small engine vehicle emissions
US20030089854A1 (en) * 2001-11-09 2003-05-15 Shifflett Peter S. Apparatus and method for remotely sensing hydrocarbons and other pollutants in vehicle emissions
DE10319186A1 (de) * 2003-04-29 2004-11-18 Robert Bosch Gmbh Gassensor, insbesondere für eine Fahrzeug-Klimaanlage
US10620105B2 (en) * 2004-03-06 2020-04-14 Michael Trainer Methods and apparatus for determining characteristics of particles from scattered light
CN101620181B (zh) * 2008-07-02 2011-01-12 佛山分析仪有限公司 透射式烟度计及测量透射式烟度计有效烟柱长度的方法
EP2338044A2 (de) * 2008-09-02 2011-06-29 Technion Research and Development Foundation, Ltd. Verfahren und vorrichtung zum aufspüren der art einer gasförmigen zusammensetzung, insbesondere von fahrzeugabgasen
CN206756689U (zh) * 2017-04-07 2017-12-15 北京星空永恒科技有限公司 机动车尾气遥测系统
CN208060384U (zh) * 2018-04-08 2018-11-06 华电智控（北京）技术有限公司 一种多光程机动车尾气遥测系统和装置
CN208224072U (zh) * 2018-06-08 2018-12-11 广东泓胜科技股份有限公司 一种垂直式多光程汽车尾气测试遥感装置
EP3702757B1 (de) 2019-03-01 2023-05-03 Opus RS Europe, S.L. Messsystem von schadstoffen, die von kraftfahrzeugen auf strassen ausgestossen werden
EP3757544B1 (de) * 2019-06-24 2022-03-02 CSEM Centre Suisse D'electronique Et De Microtechnique SA Gasmesssensor
CN112748088A (zh) * 2021-01-04 2021-05-04 安徽中科华仪科技有限公司 一种双光路收发一体垂直式机动车尾气遥感装置

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