DE1914655B2 - Optisches zweistrahlmessgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Zweistrahlmeßgerät mit einem über eine Meßstrecke geleiteten Meßlichtbündel und einem Vergleichsstrahlenbündel, deren Intensitäten durch einen ersten photoelektrischen Empfänger miteinander verglichen werden, nachdem das Meßlichtbündel die Meßstrecke durchlaufen hat, bei welchem Meß- und Vergleichslichtbündel von je einer gesonderten, durch elektrische Signale modulierbaren Lichtquelle ausgehen.

Es sind optische Zweistrahlmeßgeräte bekannt, bei denen Meß- und Vergleichslichtbündel von einer gemeinsamen Lichtquelle ausgehen und, nachdem das Meßlichtbündel eine Meßstrecke durchlaufen hat, auf welcher es durch Absorption und/oder Streuung an einer Probe, beispielsweise in einem Rauchgaskanal, geschwächt ist, die beiden Lichtbündel auf einen gemeinsamen photoelektrischen Empfänger geleitet werden. Dadurch, daß beide Lichtbündel von der gleichen Lichtquelle ausgehen und auf den gleichen Empfänger fallen, wird sichergestellt, daß sich Änderungen der Lichtquelle oder des Empfängers in beiden Lichtbündeln gleichermaßen auswirken, so daß hierdurch keine Fehler auftreten können. Es ist jedoch erforderlich, die Signale, die an dem photoelektrischen Empfänger von den beiden Lichtbündeln erzeugt werden, voneinander zu trennen. Zu diesem Zweck werden die beiden Lichtbiinclel in unterschiedlicher Weise moduliert, beispielsweise mit unterschiedlichen Frequenzen oder mit unterschiedlicher Phase. Hierzu sind umlaufende Lochscheiben od. dgl. erforderlich. Solche umlaufenden mechanischen Teile bringen gewisse Nachteile mit sich: einmal sind bewegliche mechanische Teile in einem optischen Gerät grundsätzlich unerwünscht. Zum anderen ist die erreichbare Modulationsfrequenz und damit die Geschwindigkeit, mit welcher Abweichungen des Meßlichtbündels von dem Vergleichslichtbündel festgestellt werden, nach oben begrenzt.

Es ist aus diesem Grunde ein Zweistrahlmeßgerät bekannt, bei welchem Meßlichtbündel und Vergleichslichtbündel von je einer gesonderten, durch

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elektrische Signale modulierbaren Lichtquelle in Ge- die Regelung der Lichtquollenhelligkfiiten auf ein stult einer Lumineszenzdiode ausgehen, Jede dieser konstantes Verhältnis in der Weise geschehen, daß Lumipeszenzdioden wird durch elektrische Signale das Signal des zweiten photoelektrischen Empfängers in spezifischer Weise moduliert. Hierdurch werden über einen von einem Taktgeber gesteuerten Synzwar bewegliche mechanische Teile vermieden, und 5 chranschalter abwechselnd als Istwert auf einen erdie Modulation kann mit relativ hohen Frequenzen sten und einen zweiten Ampiitudenregler aufschalterfolgen. Nachteilig ist jedoch, daß Meß- und Ver- bar ist, daß beiden Amplitudenreglern ein Sollwert gleichaüchtbündel von getrennten Lichtquellen aus- von einem gemeinsamen Sollwertgeber vorgegeben gehen, so daß sich durch Alterung der Lumineszenz- ist, und daß über einen zweiten, von dem gleichen dioden, Spannungsänderungen od. dgl. unkontrol- io Taktgeber gesteuerten Synchronschalter die Auslierte Abweichungen der Intensitäten im Meß- und gänge der Amplitudenregler abwechselnd einen Vergleichslichtbündel ergeben. Die leichte!e Modu- ebenfalls von dem Taktgeber gesteuerten Steuergenelierbarkeit der Lichtbündel wird somit durch andere rator beaufschlagen, der über einen dritten, von dem Nachteile erkauft. Taktgeber gesteuerten Synchronschalter die Lumines-

Es ist femer bei einem Einstrahlmeßgerät bekannt, 15 zenzdioden für Meß- und Vergleichslichtbündel imdie Intensität des Meßlichtbündels dadurch auf einen pulsartig speist.

vorgegebenen Wert einzuregeln, daß ein Teillicht- Die Auswertung der eigentlichen Meßsignale kann

bündel aus dem Meßstrahlengang abgezweigt und auf dann in der Weise erfolcen, daß das Signal des ersten einen getrennten Strahlungsempfänger geleitet wird, photoelektrischen Emp^ rigers über einen regelbaren dessen Ausgangssignal mit einem Sollwert verglichen 20 Verstärker und einen von dem gleichen Taktgeber wird und über einen Verstärker die Lampenhellig- gesteuerten vierten Synchronschalter abwechselnd auf keit auf den Sollwert einstellt. " einen ersten und einen zweiten Kanal aufschaltbar

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ist, daß in dem ersten Kanal eine Auswerter- und optisches Zweistrahlmeßgerät zu schaffen, welches Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist, und daß der zweite einerseits eine Modulation von Meß- und Ver- 25 Kanal einen Ampiitudenregler enthält, dem ein kongieichslichtbündel ohne bewegliche mechanische stanter Sollwert vorgegeben ist und von dessen Reg-Teik: gestattet, aber andererseits unabhängig von lerausgang der regelbare Verstärker gesteuert wird, Alterungserscheinungen oder sonstigen Veränderun- um die Amplitude in dem zweiten Kanal konstant zu gen der Lichtquellen ist. " halten. Es wird auf diese Weise das Verhältnis der

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß 30 Signale von Meß- und Vergleichslichtbündel mit zur an sich bekannten Regelung des Verhältnisses einem sogenannten »Pilotverfahren« gebildet, indem der beiden Lichtbündel ein zweiter photoelektrischer durch einen auf beide Signaie wirkenden regelbaren Empfänger vorgesehen ist, auf den je ein vom Meß- Verstärker das eine Signal auf einem konstanten Wert lichtbünclel vor dem Durchlaufen der Meßstrecke gehalten wird, während das andere Signal die An- und ein vom Vergleichslichtbündel abgezweigtes Teil- 35 Zeigevorrichtung beaufschlagt.

lichtbündel gek '.tet werden. " Die Erfindung kann aber auch in der Weise verlas Gerät nach der Erfindung arbeitet somit wirklicht werden, daß die beiden Lumineszenzdioden einerseits mit zwei getrennten, durch elektrische Si- für Meß- und Vergleichslichtbündel von je einem gnale modulierbaren Lichtquellen, vorzugsweise Lu- Steuergenerator mit unterschiedlichen Frequenzen mineszenzdioden, während aber andererseits durch 40 moduliert werden, daß das Signal von dem zweiten eine zweite Vergleichseinrichtung dafür gesorgt ist, photoelektrischen Empfänger über zwei auf je eine daß die ausgesandten Lichtströme in Meß- und der besagten Frequenzen abgestimmte Filter als Ist-Vcrglcichslichtbündel in einem festen Verhältnis zu- wert je einen Ampiitudenregler beaufschlagt, daß den einander gehalten werden. Es ergibt sich damit unter beiden Amplitudenreglern em Sollwert von einem geVermeidung de;- Nachteile der vorbekannten Anord- 45 meinsamen Sollwertgeber vorgegeben ist und daß nung eine betriebssichere Anordnung. jeder Reglerausgang einen der Steuergeneratoren im

Die Erfindung kann in der Weise verwirklicht amplitudenregelnden Sinne beaufschlagt. Natürlich werden, daß in den Strahlengängen von Meß- und kann auch bei einer solchen Zweifrequenzmethode Vergleichslichtbündel Reflektoren angeordnet sind, das Verhältnis der Intensitäten vom ,ucklaufenden daß die von den Reflektoren in sich zurückgcworf;- 50 Meß- und Vergleichslichtbündel mit einem Pilotvernen Lichtbündel im rücklaufenden Strahlengang fahren gemessen werden.

durch je einen tciklurchlässigen, zur Bür-dclachse ge- Statt dessen kann natürlich auch eine Phasen-

neigten Spiegel auf einen gemeinsamen ersten Strah- modulation stattfinden, und ein Abgleich kann durch kmgscmpfänger gelenkt werden und daß diese teil- optische Mittel, beispielsweise einen Graukeil, eine durchlässigen Spiegel gleichzeitig im vorlaufenden 55 Karr.mblcndc od. dgl., erfolgen, bis die an dem erster Strahlengang zum Abzweigen der Tcillichtbündcl für Empfanger wirksamen Intensitäten von Meß- unc den zweiten" Strahlungsempfänger dienen. Auf diese Vergleichslichtbündel gleich sind. Der Stellweg de; Weise wird eine zusätzliche Schwächung der Bündel Graukeils oder der Kammblende liefert dann ein MaC durch die abgezweigten Teillichtbündel vermieden, für die Schwächung des Meßlichtbundels auf dei da als Teillichtbündcl die im vorlaufenden Strahlen- 60 Meßstrecke. Das sind bekannte Techniken, gang unvermeidbar an dem teildurchlässigen Spiegel Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausfiih

reflektierten Lichtströme ausgenutzt werden. Vor- rungsbeispielerc unter Bezugnahme auf die Zeichnun teilhaft ist es, wenn in für beide Empfänger gleicher gen näher erläutert:

Weise der eine Lichtstrom bzw. Teillichtstrom über F i g. 1 zeigt schematisch den optischen Strahlen

einen Umlenkspiegel auf den Empfänger fällt und 65 gang eines nach der Erfindung aufgebauten Rauch der andere ütar einen teildurchlässigen Spiegel dem dichtemeßgcrätes,

crsteren Lichtstrom überlagert ist. F i g. 2 zeigt eine Möglichkeit der zugehörigen elek

Bei impulsartig modulierten Lichtbündeln kann frischen Schaltung als Blockdiagramni,

F i g. 3 zeigt eine andere Möglichkeit der elektrischen Schaltung, ebenfalls als Blockdiagramm.

Ein Meßlichtbündel mit dem Lichtstrom Φ_Μ geht von einer Luminiszenzdiode L_M aus. Von einer Lumineszenzdiode L_v geht ein Vergleichslichtbündel mit einem Lichtbündel Φ_ν aus. Das Meßlichtbündel durchsetzt einen Rauchgaskanal 10 und fällt auf der anderen Seite des Rauchgaskanals auf einen Reflektor 12. Von dem Reflektor 12 wird das Lichtbündel in sich selbst zurückgeworfen, läuft nochmals durch den Rauchgaskanal 10 und trifft auf einen so 50 °'o teildurchlässigen Spiegel 14. Der Spiegel 14 ist unter 45° zur Bündelachse geneigt, so daß das rücklaufende Meßlichtbündel mit einem durch Absorption im Rauchgaskanal 10 geschwächten Lichtstrom Φ_Μ, unter 90 umgelenkt wird und über einen Umlenkspiegel 16 auf eine Photodiode 18 fällt. An dem Spiegel 14 wird im vorlaufenden Strahlengang schon ein Teillichtbündel reflektiert. Dieses Teillichtbündel wird erfindungsgemäß ausgenutzt und über Umlenkspiegel 20. 22 und 24 auf eine zweite Photodiode 26 gelenkt.

Ähnlich ist der Strahlengang des Vergleichslichtbündels mit dem Lichtstrom Φ_ν. Das Vergleichslichtbündel trifft nach einer relativ kurzen Strecke auf einen Umkehrreflektor 28. wird von diesem in sich zurückgeworfen und von einem im Strahlengang angeordneten, unter 45 zur Bündelachse geneigten teildurchlässigen Spiegel 30 sowie einem teildurchlässigen Spiegel 32 ebenfalls auf die Photodiode 18 gelenkt. Die Spiegel sind dabei so angeordnet, daß die Strahlengänge des riicklaufenden Meßlichtbündels und des rücklaufenden Vergleichslichtbündels an der Photodiode 18 zusammenfallen. Auch von dem Vergleichslichtbündel wird im vorlaufenden Strahlengang ein Anteil an dem Spiegel 30 reflektiert. Das so erhaltene Teillichtbündel wird über Umlenkspiegel 34. 36 und einen teildurchlässigen Spiegel 38 ebenfalls auf die Photodiode 26 gelenkt. Auch hier ist die Anordnung so getroffen, daß an der Photodiode 26 die Teillichtbündel, die von dem Meßlichtbündel und von dem Vergleichslichtbündel abgezweigt sind, mit ihren Strahlengängen zusammenfallen. Die Anordnung der Spiegel 16 und 32 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Spiegel 24 und 38.

Die Photodiode 18 erhält auf diese Weise Lichtströme von dem nicklaufenden Meßlichtbündel, welches die Meßstrecke (Rauchgaskanal 10) zweimal durchlaufen hat. und von dem Vergleichslichtbündel, welches an dem Umkehrrefiektor 28 ohne wesentliche Schwächung reflektiert worden ist. Diese beiden Lichtströme Φ_Μ, und Φ_ν, werden in üblicher Weise miteinander verglichen, um ein Maß für die Schwächung des Meßbündels im Rauchgaskanal 10 und damit für die Rauchgasdichte zu erhalten.

Die Photodiode 26 ist von Lichtströmen beaufschlagt, die proportional den Lichtströmen der vorlaufenden Lichtbündel Φ_Μ bzw. Φ_ν sind, also den Lichtströmen, die von den Lumineszenzdioden L₁₁ und L_v- tatsächlich ausgesandt werden.

Diese beiden Lichtströme werden miteinander verglichen, und so wird dafür gesorgt, daß das Verhältnis der Lichtströme auf einem einmal eingestellten konstanten Wert bleibt, daß beispielsweise die beiden Lichtströme einander gleich sind.

F i g. 2 zeigt als Blockdiagramm eine mögliche Schaltungsanordnung, durch w^?elche dies erreicht wird.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 2 enthält einen Taktgeber 40, durch welchen ein erster Synchronschalter 42, ein zweiter Synchronschalter 44, ein drit ter Synchronschalter 46 und ein vierter Synchron- schalter 48 gesteuert werden. Der Taktgeber 40 steuert außerdem einen Steuergenerator 50 für die Lumineszenzdioden L_M und L_v. Der Steuergenerator 50 erzeugt Impulse zur Erregung der Lumineszenzdioden L_M bzw. Ly. Die Höhe der Impulse ist über

to einen Steuereingang 52 des Steuergenerators steuerbar, über einen Steuereingang 54 des Steuergenerators 50 werden diese Impulse von dem Taktgeber 40 synchronisiert. Über den Synchronschalter 46 werden abwechselnd Impulse auf die Lumineszenzdiode

1$ L-_M des Meßlichtbündels und die Lumineszenzdiode L_v des VergleithslichtbUndels gegeben. An der Photodiode 26 entstehen dann Impulse der angedeuteten Art, die abwechselnd von dem Meß- und dem Vergleichslichtbündel herrühren. Diese Impulse wer-

den in einem Verstärker 56 verstärkt und von dem Synchronschalter 42 abwechselnd auf einen ersten und einen zweiten Kanal 58 bzw. 60 gegeben. Der Kanal 58 erhält damit die Impulse von dem Meßlichtbündel, während der Kanal 60 die Impulse von

»5 dem Vergleichslichtbündel erhält, wie ebenfalls angedetnvt ist. Die Impulse werden als Istwerte je einem Amplitudenregler 62 bzw. 64 zugeführt. Den Reglern 62 und 64 werden Sollwerte von einem ge meinsamen Sollwertgeber 66 vorgegeben. Bei Ab weichung der Impulsamplituden von dem Sollwert erhält man an einem Ausgang 68 bzw. 70 eine Regelspannung für die Impulse des Meß- bzw. Vergleichslichtbündels.

Diese Rege'spannungen werden über den Syη

chronschalter 44 abwechselnd auf den Eingang 52 des Steuergenerators 50 gegeben. Auf diese Weise wird die Erregung der Lumineszenzdioden L_M unc L_v so geregelt, daß sich gleiche Impulsamplituder ergeben.

Der Taktgeber 40 steuert gleichzeitig den Syn chronschalter 48. Das Signal von der Photodiode Ii wird über einen regelbaren Verstärker 72 und der Synchronschalter 48 abwechselnd auf einen erster Kanal 74 oder einen zweiten Kanal 76 gegeben. Ir dem zweiten Kanal, dem somit die Impulse des Ver gleichslichtbündels zugeführt werden. Ut ein Ampli tudenregler 78 vorgesehen, dem von einem °ftllwert· geber 80 ein Sollwert vorgegeben wird. Der Reglei liefert an einem Aussang 82 eine Reseispannung durch welche der Verstärkungsgrad des regelbarer Verstärkers 72 veränderbar ist. Die Impulse, die vorr Vergleichslicrrbündel herrühren, werden daher an Ausgang des regelbaren Verstärkers 72 auf einer kon stanten Amplitude gehalten.

Tm Kanal 74. dem die Impulse von dem Meßlichtbündel zugeführt werden, ist eine Auswerterschaltuns 84 und eine Anzeigevorrichtung 86 vorgesehen. D; die Impulsamplitude im Kanal 74 mit dem gleicher Faktor geregelt wird wie die Impulsamplitude in Kanal 74. ergibt sich eine Anzeige, die proportiona zu dem Verhältnis der Tmpulsamplituden von Meß und Vergleichslichtbündel ist.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 3 werden die Lu mineszenzdioden L._w und L_v von je einem Steuer generator 90 bzw. 92 mit unterschiedlichen Frequen zen angesteuert, so daß die Lichtbündel mit ver schiedenen Frequenzen moduliert werden. Die Si enale an der Photodiode 26 werden in einem Ver

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stärker 94 verstärkt, und die beiden Frequenzen werden durch geeignete Filter 96 bzw. 98 getrennt, so daß die Signale vom Meßlichtbündel und Vergleichslichtbündel auf getrennte Kanäle 100 bzw. 102 gegeben werden. In jedem dieser Kanäle ist ein Ar^plitudenregler 104 bzw. 106 vorgesehen. Den beiden Amplitudenreglern 104 und 106 wird von einem gemeinsamen Sollwertgeber 108 je ein Sollwert vorgegeben. Die Regler liefern eine Regelspannung, die •uf die Steuergeneratoren 90 bzw. 92 gegeben wird. Hierdurch werden die Lichtströme, die von den Lu* mineszenzdioden L_M und L_Y ausgesandt werden, so geregelt, daß das Verhältnis dieser Lichtströme auf einem konstanten Wert gehalten wird, beispielsweise die beiden Lichtströme gleich sind.

Die Auswertung der rücklaufenden Strahlenbündel, die an der Photodiode 18 wirksam werden, erfolgt ähnlich wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 mittels eines Pilotverfahrens. Die von der Photodiode 18 gelieferten Signale werden in einem Verstärker 110 verstärkt und durch Filter 112 und 114 frequenzmäßig getrennt. Die von dem Vergleichslichtbündel erhaltenen Signale beaufschlagen einen Reglet 116, dem von einem Sollwertgeber 118 ein Sollwert

ίο vorgegeben ist. Die Regelspannung des Reglers 116 steuert den Verstärkungsgrad des gemeinsamen regelbaren VerstärkersllO. Die Signale von dem Meßlichtbündel werden über das Filter 112 einer Auswertschaltung 120 und einer Anzeigevorrichtung 122 zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Optisches Zweistrahlraeßgerät mit einem über eine Meßstrecke geleiteten Meßlichtbündel und einem Vergleichsstrahlenbündel, deren Intensitäten durch einen ersten photoelektrischen Empfänger miteinander verglichen werden, nachdem das Meßlichtbündel die Meßstrecke durchlaufen hat, bei welchem Meß- und Vergleichslichtbündel von je einer gesonderten, durch elektrische Signale modulierbaren Lichtquelle ausgehen, dadurch gekennzeichnet, daß zur an sich bekannten Regelung des Verhältnisses der beiden Lichtbündel ein zweiter photoelektrischer Empfänger (26) vorgesehen ist, auf den je ein vom Meßlichtbündel vor dem Durchlaufen der Meßstrecke (10) und ein vom Vergleichs;; :htbündel abgezweigtes Teillichtbündel geleitet werden.

   3. Optisches Zweistrahlmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen Lumineszenzdioden (L_;W, L_v.) sind.

   3. Optisches Zweistrahlenmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengängcn von Meß- und Vergleichslichtbündel Umkehrreflektoren (12, 28) angeordnet sind, daß die von den Umkehrreflektoren (12, 28) in sich zurückgeworfenen Liciubündel im rücklaufcnden Strahlengang durch je einen teildurchlässigen, zur Büiif'.elachs geneigten Spiegel (14, 30) auf einen gemeinsamen ersten Strahlungsempfänger (18) gelenkt w,.rden und daß diese teildurchlässigen Spiegel gleichzeitig im vorlaufenden Strahlengang zum Abzweigen der Teillichtbündel für den zweiten Strahlungsempfänger (26) dienen.

   4. Optisches Zweistrahlmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in für beide Empfänger (18, 26) gleicher Weise das eine Lichtbündel bzw. Teillichtbündcl über einen Umlcnkspiegel (16,24) auf den Empfänger fällt und das andere über einen teildurchlässigen Spiegel (32. 38) dem erstcren Bündel überlagert ist.

   5. Optisches Zweistrahlmeßgerät nach Anspruch 4 mit impulsartig modulierten Lichtbündein, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal ■ des zweiten photoclektrischen Empfängers (26) über einen von einem Taktgeber (40) gesteuerten Synchronschalter (42) abwechselnd als Istwert lauf einen ersten und einen zweiten Amplitudenire^Icr (62, 64) aufschaltbar ist, daß beiden Amplitudenreglern (62, 64) ein Sollwert von einem gemeinsamen Sollwertgeber (66) vorgegeben ist lind daß über einen zweiten, von dem gleichen Taktgeber (40) gesteuerten Synchronschalter (44) tlie Ausgänge (68, 70) der Amplitudenregler (62, 64) ebenfalls abwechselnd einen von dem Taktgeber gesteuerten Steuergenerator (50) beaufschlagen, der über einen dritten von dem Taktgeber (40) gesteuerten Synchronschalter (46) die Lumineszenzdioden (L_M, L_v) für Meß- und Vergleichslichtbündel impulsartig speist.

   (1. Optisches Zweistrahlmcßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des ersten photoelekfrischcn Empfängers (18) über einen regelbaren Verstärker (72) und einen von dem gleichen Taktgeber (40) gesteuerten vierten Synchronschalter (48) abwechselnd auf einen ersten und einen zweiten Kanal (74,76 aufschaltbar ist, daß in dem eisten Kanal (74) eim Auswerter- und Anzeigeeinrichtung (84, 86) vor gesehen ist und daß der zweite Kanal (76) einer Amplitudenregler (78) enthält, dem ein konstanter Sollwert vorgegeben ist und von dessen Reg lerausgang (8?-) der regelbare Verstärker (72) gesteuert wird, um die Amplitude in dem zweiter Kanal (76) konstant zu halten.

   7. Optisches Zweistrahlmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beider Lumineszenzdioden (L_M, L_v) für Meß- und Vergleichslichtbündel von je einem Steuergenerator (90, 92) mit unterschiedlichen Frequenzer moduliert werden, daß das Signal von dem zweiten photoelektrischen Empfänger (26) über zwei auf je eine der besagten Frequenzen abgestimmte Filter (96, 98) als Istwert je einen Amplitudenregler (104, 106) beaufschlagt, daß den beiden Amplitudenreglern (104, 106) ein Sollwert von einem gemeinsamen Sollwert (108) vorgegeben ist und daß jeder Reglerausgang einen der Steuergeneratoren (90,92) in amplitudenregelndem Sinne beaufschlagt.