SE470142B - Anordning för mätning av fysikaliska storheter genom utsändning och mottagning av elektromagnetisk strålning, och användning av anordningen för uppmätning och analys av sammansättningen i ett medium - Google Patents

Description

470 142 2 reflektor vanligtvis har en relativt stor vinkeltolerans är kraven på uppriktning och stabilitet relativt ringa. Emellertid skulle användande av en retroreflektor i det ovan beskrivna arrangemanget med sändare och mottagare placerade sida vid sida dock medföra problem. Intensitetsmaximum hos det reflekterade ljuset skulle nämligen falla åter in i sändarteleskopet och endast en ringa del skulle nå mottagaren. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning för utsändning och mottagning av elktromagnetisk strålning, där sändare och mottagare placeras på samma plats och där anordningen är lätt att inrikta.

Nämnda ändamål uppnås medelst en anordning enligt föreliggande uppfinningen, vars kännetecken framgår av efterföljande patent- krav 1.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig 1 schematiskt visar en anordning enligt uppfinningen med inritad strålgång för utsänd strålning, Fig 2 schematiskt visar en anordning, där strålgángen för infallande strålning är inritad, Fig 3 markerar den vid utsändning av strålningen utnyttjade reflektorytan av huvudreflektorn och Fig 4 visar den vid mottagning av infallande strålning utnyttjade reflektorytan av huvudreflektorn.

Det visade exemplet avser en anordning för att mäta luftförore- ningar, med vilken ljus sändes över en mätsträcka på exempelvis 100 m till 10 km varefter ljuset insamlas och analyseras medelst en spektrometer. Härvid uttages ett absorptionsspektrum av viss gas mellan en sändare och en mottagare, varvid spektrometern mäter intensiteten hos det mottagna ljuset som funktion av våglängden inom ett visst våglängdsband. Enligt det visade exemplet utnyttjas elektromagnetisk strålning av typ ljus, som kan befinna sig inom det synliga eller osynliga våglängdsområdet. 470 142 3 För detta ändamål uppvisar anordningen enligt uppfinningen en kombinerad sänder- och mottagardel 1 och en reflektordel 2, som vanligen utgöres av en separat enhet belägen på avstånd från sänder- och mottagardelen med det gasformiga mediet mellan- liggande, vilket skall analyseras. Sändar- och mottagardelen 1 är uppbyggd av en huvudreflektor 3 i form av en konkav spegel, som lämpligen är utformad med en parabolisk eller sfärisk spegelyta 4. En ljuskälla 5 i form av en lampa är placerad på anordningens optiska axel 13 nära den konkava spegelns 3 fokus. Mellan ljus- källan 5 och den konkava spegeln 3 är placerad en i sändar- och mottagardelen ingående andra reflektor 6, vars reflektoryta 7 är vänd mot den konkava spegelns 3 reflektoryta 4. Enligt det visade exemplet är denna andra reflektor utförd såsom en plan spegel.

Vidare är med fördel såväl den konkava spegeln 3 som den plana spegeln 6 utförda med cirkulär form, dvs med sin periferi bil- dande en sluten cirkelbåglinje. Denna cirkelbåglinje hos den plana spegeln uppvisar en krökningsradie som understiger krök- ningsradien hos den konkava spegelns 4 periferi, dvs att den plana spegeln 6 täcker en yta som avsevärt understiger ytan hos den konkava spegeln 3.

Exempel på dimensionsförhållanden är följande vid ett avstånd till reflektordelen 2 av cirka l km: Avståndet utmed optiska axeln 13 mellan strålningskällan 5 och den konkava spegeln 3 = 1,2 m, avståndet mellan de båda speglarna 3 och 6 = 0,9 m och således avståndet mellan ljuskällan 5 och den plana spegeln 6 = 0,3 m. Den konkava spegeln 3 har exempelvis en diameter med avseende på sin periferi av 0,3 m, medan den plana spegeln 6 därvid bör ha en diameter av ca 0,05 m.

Reflektordelen 2 har exempelvis en diameter av ca 0,15 m och är således med fördel cirkulär. I princip kan reflektordelen 2 utgöras av en plan spegel, men utgöres med fördel av en retro- reflektor, som reflekterar det infallande ljuset i motsatt riktning parallellt med det infallande ljuset inom ett visst vinkelomrâde för infallsvinkeln. Därigenom blir den exakta inriktningen av reflektordelen 2 ej kritisk. 470 142 4 I fig 1 visas för åskådlighets skull enbart strålgången vid utsändning av strålningen och endast de komponenter som påverkar detta. Ovan har därvid angivits att ljuskällan 5 är placerad nära fokus, vilket i praktiken betyder att den ej nödvändigtvis placeras exakt i fokus, medförande att de av den konkava speglen 3 reflekterade strålarna ej är fullständigt parallella, beroende på att reflektordelen 2 ej är placerad på oändligt avstånd, varför det utsända strålknippet uppvisar strålar 8, 9 som är något konvergerande. Dessa avvikelser är dock mycket små, varför man kan tala om att ljuskällan är placerad i huvudsakliga området för fokus och att de utsända strålarna från den konkava spegeln är i huvudsak parallella.

Fig 2 visar på motsvarande sätt endast strålgången för de från reflektordelen 2 reflekterade och mot sändar- och mottagardelen 1 infallande strålarna 9,11. Till de mottagande komponenterna i sändar- och mottagardelen hör ett i en punkt 12 mellan den konkava spegeln 3 och den plana spegeln 6 på den optiska axeln 13 beläget uppsamlingsorgan för strålknippet. Detta uppsamlingsorgan kan utgöras av en ljusledare för att till en spektrometer leda det uppsamlade ljuset för spektralanalys av det mottagna strål- knippet.

Genom det ovan beskrivna arrangemanget enligt uppfinningen med den mindre spegeln 6 placerad mellan ljuskällan 5 och den större, konkava spegeln 3, och vänd mot denna och med en storlek hos den mindre spegeln som är vald i förhållande till dels den mindre spegelns placering och dels den större, konkava spegelns storlek, erhålles dels en skuggning av den mindre spegeln mot de från ljuskällan avgivna och mot den större spegeln riktade strålarna och dels en mottagning medelst den mindre spegeln av endast en del av de i huvudsak parallella, mot den större spegeln infal- lande och återreflekterade strålarna. Detta inses av såväl fig 1 som fig 2 och åskådlíggöres schematiskt i fig 3 och 4, som visar de olika områden, i vilka ytan på den konkava spegeln 3 kan indelas genom den mindre spegelns 6 verkan.

Således kan spegelytan 4 på den konkava spegeln 3 indelas i tre 4',7O 142 s områden, nämligen ett första, i det visade exemplet ringformat område 14 som utgör sändaryta och är rastrerat i fig 3, ett andra, i det visade exemplet likaså ringformat område 15, som utgör mottagaryta och är rastrerat i fig 4 samt ett tredje, cirkulärt område 16, som bildar skuggyta för infallande strålar och används ej. Formen på dessa områden bestämmes av de båda speglarnas 3, 6 form och inbördes placering och i det visade exemplet har speglarna cirkulär ytterkontur och är symmetrískt placerade relativt den optiska axeln 13. Enligt uppfinningen befinner sig mottagarytan 15 inom en yta som samtidigt är en skuggyta 17 för den av ljuskällan 5 mot den konvexa spegeln 3 avgivna strålningen.

Anordningen enligt uppfinningen fungerar sammanfattningsvis på följande sätt. Från ljuskällan 5 avges ett strålknippe företrädes med huvudsaklig riktning mot den konkava spegeln 3, se fig 1.

Den konkava spegeln träffas av strålknippet i det första området 14, dvs sändarytan, eftersom en del av spegelytan 4 skuggas av den mindre, plana spegeln 6 så, att skuggytan 17 för det utsända strålknippet bildas. Genom att ljuskällan 5 befinner sig i området för fokus för den konkava spegeln 3 reflekteras det ringformiga strålknippet i den konkava spegeln till i huvudsak parallella strålar, som fortplantas genom det gasformiga medium, som skall analyseras. På grund av diffraktion, aberration och avbildningseffekter kommer det utsända ljusknippet med ringfor- migt tvärsnitt att "smälta ihop" och returneras efter reflektion i reflektordelen 2, dvs retroreflektorn, som ett samlat ljus- knippe. Den härmed beskrivna strålgången från ljuskällan 5 och till reflektordelen 2 efter passage av det gasformiga mediet framgår således av fig 1.

Strålgången efter reflektion i reflektordelen 2 skall nu be- skrivas med hänvisning till fig 2. Det reflekterade strålknippet 10,11 passerar således åter det gasformiga mediet såsom huvudsak- ligen parallella strålar och träffar åter den konkava spegelns 3 spegelyta 4 med undantag av den del av det infallande strålknip- pet som träffar den plana spegeln 6 och därigenom skuggas av denna, varigenom bildas skuggytan 16 för infallande strålar. 470 142 6 Emellertid träffar ej hela_det mot den konkava speglen 3 infal- lande och av denna reflekterade strålknippet den plana spegeln 6 i dess spegelyta 7. Detta beror på förhållandet mellan de båda speglarnas storlek och den mindre spegelns 6 placering utmed sträckan mellan ljuskällan 5 och den konkava spegeln 3. Därigenom uppstår mottagarytan 15, som således faller inom skuggytan 17 för det utsända strålknippet och bildar således en gemensam cirkulär gränslinje 18 mellan skuggyta 17 och sändarytan 14 för utsända strålar och mellan mottagarytan 15 för infallande strålar och omgivande yta 19 av den konkava spegelns 3 spegelyta 4. Området 19 åstadkommer reflexion av strålarna till områden utanför den plana spegelns 6 ytterkontur. Det mot den plana spegelns 6 spegelyta 7 infallande strålknippet reflekteras i spegelytan 7, så att strålknippet konvergerar mot punkten 12, dvs mot uppsam- lingsorganet för vidarebefordran via exempelvis ljusledaren eller vinkelställd spegel mot ett ställe utanför det infallande strål- knippet till en spektrometer för spektralanalys.

Med det ovan beskrivna arrangemanget kan således sändar- och mottagardel arrangeras på samma ställe utan att behöva placeras sida vid sida, vilket medför ett flertal fördelar, såsom: - Endast en komponent måste stå stabilt och inriktas noga ~ Alla komplicerade komponenter är på en och samma plats - Endast en plats behöver strömförsörjning - Mätning längs flera sträckor kan göras billigare - Samma ljuskälla som används vid mätningen är också till- gänglig för kalibrering för kompensation av instrument- faktorer - Mätsträckan kan halveras med bibehållen känslighet.

Uppfinningen är ej begränsad till ovan beskrivna och på ritnin- garna visade utföringsexempel, utan kan varieras inom ramen för efterföljande patentkrav. Exempelvis är det i och för sig ej nödvändigt att den plana spegeln 6 är symmetriskt placerad på den optiska axeln 13, utan kan till och med placeras så att den endast delvis inskjuter och skuggar strâlknippet. Samma effekt uppträder nämligen oavsett spegelns sidoförskjutningsläge rela- 4> ~m ca -u-å- 4> no 7 tivt den optiska axeln, nämligen att mottagarytan 15 faller inom den skuggyta som uppträder för det utsända strålknippet. Även strålningskällan 5 kan vara placerad utanför den optiska axeln 13. Vidare är det ej nödvändigt att speglarna är utformade med cirkulär ytterkontur, utan kan ha annan form. Den mindre spegeln 6 behöver ej nödvändigtvis vara plan, utan kan också vara konkav eller konvex. Andra typer av teleskopprinciper kan användas, exempelvis Cassegrain-typ, varvid punkten 12 hamnar i ett bakom den konkava spegeln 3. I det senare fallet är en öppning anordnad i den konkava spegeln för genomsläpp av den från den mindre spegeln återreflekterade strålarna. I det visade exemplet be- handlas en anordning för mätning av luftföroreningar genom spektralanalys. Uppbyggnaden och funktionen hos anordningarna efter uppsamlingen i punkten 12 kan vara av i och för sig konven- tionellt slag, varför dessa ej torde erfordra en någon närmare beskrivning. Exakt samma anordning med undantag av den del som berör spektrometern, kan utnyttjas för avstândsmätning, varvid avståndet helt enkelt bestämmas med utgångspunkt från uppmätning av tidsfördröjningen mellan utsänt strålknippe och mottaget strålknippe, som exempelvis avges i pulser, och med kännedom om strålningens fortplantningshastighet. Alternativt kan avstånd bestämmas genom uppmätningar av fasskift hos monokromt utsänt ljus. Anordningen kan även utnyttjas för helt andra ändamål och kan därvid utnyttjas i samband med elektromagnetisk strålning av annat slag, exempelvis mikrovågsstrålning eller radiovåg. Det är även tänkbart att strålning inom helt andra våglängsområden är tänkbara, såsom ljudvâgor, exempelvis ultraljud. Det mellan- liggande mediet, genom vilket strålknippet transmítteras, kan även vara vätska eller fast medium. Uppsamlingsorganet 12 kan vara beläget utanför det mot den konkava speglen 3 infallande ljusknippet, varvid den mindre spegeln 6 är vinkelställd t.ex. 45° för en 90° avvinkling av det mot den mindre spegeln infal- lande strålknippet till uppsamlingsorganet som därvid kan utgöras av ljusingången till spektrometern.

Claims (9)

470 142 PATENTKRAV

1. Anordning för mätning av fysikaliska storheter genom utsändning och mottagning av elektromagnetisk strålning, innefattande en sändar- och mottagardel (1) för utsändning och mottagning av den elektromagnetiska strålningen, och en reflektordel (2), inrättad att reflektera den utsända elekt- romagnetiska strålningen tillbaka till sändar- och mottagar- delen, under passage av ett strålningstransmitterande medium. Sändar- och mottagardelen innefattar en elektromagnetisk strålningskälla (5) och en för utsändning och mottagning gemensam konkav huvudreflektor (3). Anordningen k ä n n e - t e c k n a s d ä r a v, att sändar- och mottagardelen upp- visar en andra reflektor (6), som är placerad mellan strål- ningskällan (5) och huvudreflektorn (3), så att denna andra reflektor dels skuggar en del av huvudreflektorns reflektion- syta (4) för den av strålningskällan mot huvudreflektorn utsända strålningen, bildande en skuggyta (17) på huvudre- flektorns reflexionsyta för utsänd strålning, och dels mot- tager en del av den reflekterade strålningen från huvudre- flektorn och återreflekterar denna mot en detektor för mot- tagning av strålningen, vilken skuggyta för utsänd strålning även innefattar en reflekterande mottagaryta (15) för den mot huvudreflektorn infallande och av den andra reflektorn mot detektorn återreflekterade strålningen, varvid den återståen- de delen av huvudreflektorns reflexionsyta, som ej är skuggy- ta för utsänd strålning, bildar sändaryta (14) för den av strålningskällan utsända och :i huvudreflektorn reflekterade strålningen.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V, att strålningskällan (5) utgörs av en ljuskälla och att huvudreflektorn (13) och nämnda andra reflektoryta (6) utgöres av speglar. 470 142 9

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e C k n a d d ä r a v, att ljuskällan (5) är belägen i området för hu- vudreflektorns (3) fokus, varigenom från huvudreflektorns sändaryta (14) utsändes ett i huvudsak parallellt strål- knippe, att reflektordelen (2) är inrättad att reflektera strålknippet i huvudsakligen parallell form, och att strål- knippet reflekteras av huvudreflektorn i riktning mot området för fokus.

4. Anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda andra reflektor (6) är så placerad och uppvisar en sådan storlek i förhållande till huvudreflektorn (3), att nämnda sändaryta (14) och nämnda mottagaryta (15) är i huvudsak lika stora.

5. Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att huvudreflektorn (3) och nämnda andra reflek- tor (6) uppvisar i huvudsak cirkulär form, att nämnda andra reflektor är placerad på ett avstånd från ljuskällan (5) som motsvarar cirka 1/4 av ljuskällans avstånd till huvudreflek- torn.

6. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V, att nämnda andra reflektor (6) utgöres av en plan spegel, placerad på anordningens optiska axel (13), vinkel- rätt mot denna.

7. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda andra reflektor (6) är symmetriskt placerad på anordningens optiska axel (13) och uppvisar en diameter som är mellan 0,15-0,20 gånger huvudreflektorns diameter.

8. Användning av anordningen enligt patentkrav 1 för upp- mätning och analys av sammansättningen i det medium, genom vilket strålknippet transmitteras. 470 142 /0

9. Användning enligt patentkrav 8, varvid strålknippet uppsamlas i en detektor, som ingår i en spektrometer för spektralanalys .