Kompensation von Hintergrundsignalen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Streulicht aus einem Messvolumen unter Kompensation von Hintergrundsignalen.

Die Streulichtmessung ist ein bekanntes und bewährtes Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Staub oder anderen Partikeln in gasförmigen Medien. Sie wird beispielsweise in der Emissionsmessung bei Feuerungsanlagen angewandt. Dabei wird von einem Messkopf aus ein Lichtstrahl in ein Messvolumen ausgesendet, welcher von den Partikeln zurückgestreut wird. Dieses Streulicht wird vom Messkopf detektiert und stellt ein Maß für die Partikelkonzentration im Messvolumen dar.

Bei der Streulichtmessung ist die gemessene Leistung des Streulichts sehr klein im Verhältnis zur eingestrahlten Leistung. Das vom Messkopf ausgesendete Licht erzeugt durch mehrfache Reflexionen und Streuungen in der Umgebung des Messvolumens Hintergrundlicht, das ebenfalls vom Messkopf detektiert wird. Deshalb liefert der Messkopf ein auf Streulicht aus dem Messvolumen beruhendes Messsignal und ein auf Hintergrundlicht beruhendes Hintergrundsignal. Die Stärke des Hintergrundsignals ist in der Größenordnung des Messsignals angesiedelt. Bei Messungen innerhalb eines Kamins oder eines anderen umschlossenen Raumes wird ein starkes Hintergrundsignal durch Reflexionen und Streuungen an der dem Messkopf gegenüberliegenden Wand (nachfolgend „Hintergrundwand" genannt) verursacht.

Bekannt ist, das Hintergrundlicht durch eine Lichtfalle zu unterdrücken, d.h. durch eine geeignete absorbierende Vorrichtung an der dem Messkopf gegenüberliegenden Hintergrundwand. Ferner ist bekannt, das Hintergrundlicht durch einen separaten Kontrollempfänger zu messen und rechnerisch zu kompensieren.

Die DE 27 54 139 AI und CH 600 456 beschreiben einen Rauchdetektor, der von beiden Maßnahmen Gebrauch macht. Bei einer Ausführung sind zwei Strahlungsempfangseinheiten hinter einer einzigen Linse angeordnet. Die Gesichtsfelder der beiden Strahlungsempfangseinheiten haben ihren Fokus in zwei benachbarten Punkten, von denen einer innerhalb des Strahlungsbündels eines Lichtsenders liegt. Die beiden Gesichtsfelder überlappen einander teilweise auf der gegenüberliegenden Wand. Der Lichtsender ist senkrecht zur optischen Achse der Linse angeordnet. Infolge der nur teilweisen Überlappung der Gesichtsfelder ist keine vollständige Kompensation der Hintergrundstrahlung möglich, die der auf das Messvolumen ausgerichtete Lichtempfänger empfängt.

Die EP 1 983 328 Bl beschreibt eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration innerhalb eines Messbereichs, die ebenfalls mit einer Messeinheit mit einem Messempfänger für das Messsignal sowie einer Kontrolleinheit mit einem Kontrollempfänger arbeitet. Der Kontrollempfänger muss beim Einbau des Geräts so ausgerichtet werden, dass er den gleichen Hintergrund wie der Messempfänger betrachtet. Zur Justage der Messvorrichtung bei Inbetriebnahme oder bei Servicearbeiten ist in der Messeinheit und in der Kontrolleinheit eine Wechselvorrichtung eingebaut, mit der der Messempfänger und der Kontrollempfänger jeweils durch eine Justierlichtquelle getauscht werden können, sodass der wirksame Strahlquerschnitt der Kontrolllichtkeule und der Messlichtkeule für das menschliche Auge sichtbar ist. Die Justage ist aufwendig. Bei der Justage werden die Strahlquerschnitte auf einer Hintergrundwand des Raumes zur Deckung gebracht, indem sich das Messvolumen befindet. In jeder neuen Messsituation ist eine neue Justage erforderlich. Zudem ist der hohe Platzbedarf der Optik hinderlich, wenn durch eine Wandöffnung hindurch eine Messung vorgenommen werden muss. Schließlich müssen die Justierlichtquellen exakt auf Messempfänger und Kontrollempfänger ausgerichtet sein, was einen hohen Montageaufwand erfordert.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Streulichtmessung mit Kompensation von Hintergrundsignalen zu schaffen, die bei Messungen in einem umschlossenen Raum mit einer kleinen Wandöffnung auskommt und bei der eine Anpassung an verschiedene Abstände einer Hintergrundwand nicht erforderlich ist oder nur einen geringen Aufwand erfordert.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Streulicht aus einem Messvolumen unter Kompensation von Hintergrundsignalen umfasst

• mindestens einen Lichtsensor mit mindestens zwei getrennt auswertbaren lichtempfindlichen Elementen,

• ein abbildendes optisches System, wobei die lichtempfindlichen Elemente in der Bildebene und das Messvolumen in der korrespondierenden Gegenstandsebene des optischen Systems angeordnet sind, die Sichtbereiche der lichtempfindlichen Elemente in der Gegenstandsebene komplett voneinander getrennt sind und hinter der Gegenstandsebene einander überlappen,

• einen Lichtsender mit einem kollimierten Lichtstrahl, der nur oder zumindest in stärkerem Maße den Sichtbereich des einen lichtempfindlichen Elements in einem durch die Gegenstandsebene erstreckten und das Messvolumen begrenzenden Bereich durchschneidet, sodass dieses lichtempfindliche Element Streulicht aus dem Messvolumen und Hintergrundlicht aus den überlappenden Sichtbereichen hinter der Gegenstandsebene erfasst und das andere lichtempfindliche Element kein oder deutlich weniger Streulicht aus dem Messvolumen und Hintergrundlicht aus den überlappenden Sichtbereichen hinter der Gegenstandsebene erfasst, und

• eine zwischen dem optischen System und den lichtempfindlichen Elementen angeordnete Blende, welche die Sichtbereiche der beiden lichtempfindlichen Elemente hinter der Gegenstandsebene einschränkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt mindestens einen Lichtsensor mit zwei oder mehr lichtempfindlichen Elementen so ein, dass das eine lichtempfindliche Element Streulicht aus dem Messvolumen und Hintergrundlicht empfängt, während das andere lichtempfindliche Element kein oder deutlich weniger Streulicht und Hintergrundlicht empfängt. Dazu wird ein abbildendes optisches System so eingesetzt, dass die lichtempfindlichen Elemente in der Bildebene platziert sind, während sich das Messvolumen in der mit der Bildebene korrespondierenden Gegenstandsebene befindet. Während die beiden lichtempfindlichen Elemente in der Gegenstandsebene komplett separierte Sichtbereiche haben, überlappen sich die Sichtbereiche der beiden lichtempfindlichen Elemente hinter der Gegenstandsebene. Die Sichtbereiche hinter der Gegenstandsebene sind in einem weiteren Abstand von den lichtempfindlichen Elementen angeordnet als die Gegenstandsebene. Die Sichtbereiche der lichtempfindlichen Elemente überlappen sich insbesondere auf einer Hintergrundwand. Die beiden lichtempfindlichen Elemente erfassen in gleichem Maße Hintergrundlicht aus dem Überlappungsbereich der beiden Sichtbereiche, d.h. aus dem Bereich, in dem die beiden Sichtbereiche einander überlappen. Zur Angleichung der von den beiden lichtempfindlichen Elementen gelieferten Hintergrundsignale ist zwischen dem optischen System und den lichtempfindlichen Elementen eine Blende angeordnet, welche die Sichtbereiche der lichtempfindlichen Elemente hinter der Gegenstandsebene einschränkt. Durch die Blende werden die einander nicht überlappenden Bereiche der beiden Sichtbereiche teilweise oder vollständig ausgeblendet, sodass die beiden lichtempfindlichen Elemente verstärkt oder nur noch Hintergrundlicht aus den überlappenden Bereichen der beiden Sichtbereiche empfangen. Hierdurch können die von den beiden lichtempfindlichen Elementen gelieferten Hintergrundsignale besser aneinander angeglichen oder zur vollständigen Übereinstimmung gebracht werden. Infolgedessen ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine weitere Reduzierung oder Unterdrückung des Störeinflusses von Hintergrundstrahlung. Da die Vorrichtung nur ein einzelnes abbildendes optisches System für beide Messkanäle benötigt, kommt sie mit einer kleinen Wandöffnung aus und erfordert abhängig von der geforderten Güte der Hintergrundkorrektur keine Anpassung an verschiedene Abstände einer Hintergrundwand.

Der kollimierte Lichtstrahl, welcher über Rückwärtsstreuung das Messsignal erzeugt, wird von einem Lichtsender so ausgesendet, dass er nur oder zumindest in stärkerem Maße den durch das eine lichtempfindliche Element betrachteten Bereich insbesondere in der Gegenstandsebene durchschneidet und den Sichtbereich des anderen lichtempfindlichen Elements nicht oder nur in geringerem Maße durchschneidet. Der Bereich, in dem der Lichtstrahl den Sichtbereich des einen lichtempfindlichen Elements durchschneidet, begrenzt das Messvolumen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist mit dem Lichtsensor eine Auswerteeinrichtung verbunden, die aus den Signalen, die von den lichtempfindlichen Elementen geliefert werden, die auf Streulicht aus dem Messvolumen beruhenden Messsignale ermittelt, wobei sie die auf Hintergrundlicht beruhenden Hintergrundsignale kompensiert. Die Kompensation der Hintergrundsignale erfolgt vorzugsweise dadurch, dass von den Signalen des einen lichtempfindlichen Elements die Signale des anderen lichtempfindlichen Elements abgezogen werden. Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise eine analoge Auswerteelektronik oder eine elektronische Datenverarbeitungsanlage (z.B. ein PC).

Alternativ werden die Signale der lichtempfindlichen Elemente gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet. Vorzugsweise wird die Vorrichtung vom Hersteller mit einer Auswerteeinrichtung bereitgestellt. Alternativ stellt der Hersteller die Vorrichtung ohne Auswerteeinrichtung bereit und der Anwender ergänzt diese ggf. durch eine Auswerteeinrichtung.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Blende in der Bildebene einer Hintergrundwand angeordnet. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Sichtbereiche der beiden lichtempfindlichen Elemente einander auf der Hintergrundwand exakt überlappen.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Blende im bildseitigen Brennpunkt des optischen Systems angeordnet. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass die Sichtbereiche der beiden lichtempfindlichen Elemente einander im Unendlichen exakt überlappen. Diese Ausgestaltung liefert gegenüber einer Vorrichtung ohne Blende eine verbesserte Kompensation der Hintergrundsignale. Sie kann insbesondere für Messungen bei einer weit entfernten Hintergrundwand oder für Messungen ohne Justage der Optik verwendet werden.

Aus der bekannten Linsengleichung für optische Systeme folgt bei einer Brennweite f für die zu einer Gegenstandsweite G gehörende Bildweite B B = - l 1

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Daraus ergeben sich abhängig von der Lage des Messvolumens G _MV und der Hintergrundwand bei G _HG die entsprechenden Bildweiten des Messvolumens B _M v und der Hintergrundwand B _HG .

Abhängig von der Größe der lichtempfindlichen Elemente lässt sich die maximale Apertur der Blende aus der Bedingung, dass jeder Ort auf dem lichtempfindlichen Element den gleichen Öffnungswinkel hinsichtlich der Höhe des abbildenden Elements A aufweisen muss, berechnen.

Gemäß dieser Berechnung hat bei einer weiteren Ausgestaltung die Blende eine Apertur, die maximal den mit der nachfolgenden Formel bestimmten Wert aufweist:

h ^' Blende = -

wobei folgendes gilt:

^Blende = maximale Höhe bzw. halbe Apertur der Blende

D _et = Höhe bzw. halber Durchmesser des Detektors

B _MV = Bildweite des Messvolumens

B _HG = Bildweite der Hintergrundwand

A = Durchmesser des abbildenden Systems.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Blende mit einstellbarer Apertur und/oder Mittel zum Verlagern der Blende in Richtung der optischen Achse des optischen Systems. Dies ermöglicht eine Justage durch Verlagern und Variieren der Blende bei unterschiedlichen Abständen der Messvorrichtung von einer Hintergrundwand. Bei einer geeigneten Auswahl von Brennweite und Durchmesser des abbildenden optischen Elements sowie einem großen Abstand der Hintergrundwand in Relation zur Gegenstandsebene des Messbereichs ist jedoch eine solche Justage nicht notwendig. Vielmehr ist eine feste Einstellung der Blende für einen großen Bereich von Abständen der Hintergrundwand vom optischen System geeignet. Dies beruht auf der Verwendung eines einzelnen optischen Systems für beide Messkanäle, womit sich sehr flache Schnittwinkel im Bereich der Gegenstandsebenen ergeben.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das optische System mindestens eine Linse oder einen Hohlspiegel. Vorzugsweise besteht das optische System aus mindestens einer Linse oder einem Hohlspiegel.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Lichtsender einen Laser und/oder eine LED.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die lichtempfindlichen Elemente baulich in einem einzigen Lichtsensor ausgebildet, z.B. in einer segmentierten Photodiode. Gemäß einer anderen Ausgestaltung sind die lichtempfindlichen Elemente baulich in mehreren Lichtsensoren ausgebildet, z.B. in mehreren Photodioden. Ferner umfasst die Erfindung Ausgestaltungen, die mehr als zwei lichtempfindliche Elemente aufweisen, z.B. in einer segmentierten Photodiode oder in mehreren Photodioden oder in einem CMOS- oder in einem CCD-Sensor. Die lichtempfindlichen Elemente haben vorzugsweise ebene lichtempfindliche Flächen. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Lichtsender spitzwinklig zur optischen Achse des abbildenden optischen Systems ausgerichtet. Bei dieser Ausgestaltung kann die Vorrichtung durch eine einzige Wandöffnung auf das Messvolumen ausgerichtet werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Lichtstrahl oder der Lichtsender seitlich neben dem optischen System angeordnet, vorzugsweise in einem kurzen Abstand vom optischen System. Bei einer weniger bevorzugten Ausführung sind abbildendes optisches System und Lichtsender räumlich voneinander getrennt, z.B. indem der Lichtsender senkrecht oder stumpfwinklig zur optischen Achse des abbildenden optischen Systems ausgerichtet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche Vorrichtung in einer grob schematischen

Seitenansicht;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Blende in der Bildebene einer Hintergrundwand in grob schematischer Seitenansicht;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Blende im bildseitigen

Brennpunkt des abbildenden optischen Systems in grob schematischer Seitenansicht;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Hohlspiegel als abbildenden optischen Systems in einer grob schematischen teilweisen Seitenansicht;

Fig. 5 die Anordnung des Lichtsenders und den Verlauf des Lichtstrahls in der Messvorrichtung in einer grobschematischen Perspektivansicht. Bei der nachfolgenden Erläuterung verschiedener Ausführungsbeispiele sind übereinstimmende oder im Wesentlichen übereinstimmende Bauteile und Einzelheiten des Strahlengangs mit übereinstimmenden Bezugsziffern versehen.

Gemäß Fig. 1 weist ein Lichtsensor 1 zwei oder mehr getrennt auswertbare lichtempfindliche Elemente la, lb auf. Der segmentierte Lichtsensor 1 ist in der Bildebene eines abbildenden Systems 2 in Form einer bikonvexen Linse platziert. Das Messvolumen befindet sich in der korrespondierenden Gegenstandsebene.

Während in der Gegenstandsebene die Sichtfelder 3a, 3b der beiden lichtempfindlichen Elemente la, lb komplett separiert sind, überlappen sich die Sichtbereiche außerhalb der Gegenstandsebene. Auf einer Hintergrundwand 4 überlappen sich die Sichtfelder 5a, 5b. Infolgedessen messen die lichtempfindlichen Elemente la, lb eine ähnliche, aber nicht die gleiche Hintergrundstrahlung.

Gemäß Fig. 2 wird eine Angleichung der Sichtbereiche 5a, 5b auf der Hintergrundwand 4 durch eine Blende 6 erreicht, die in der Bildebene der Hintergrundwand platziert ist. Durch diese Anordnung der Blende 6 überlappen die im Hintergrund abgebildeten Bereiche 5a, 5b exakt.

Fig. 3 zeigt einen Sonderfall, in dem die Hintergrundwand 4 im optisch gesehen Unendlichen angenommen wird. In diesem Fall ist die Blende 6 im bildseitigen Brennpunkt der Linse 2 platziert und die Strahlen, welche das Abbild auf der Wand definieren, verlaufen parallel.

Bei den Ausführungen von Fig. 2 und Fig. 3 kann das abbildende optische System sowohl aus einer Linse 2 als auch aus mehreren Linsen bestehen. Bei der Ausführung von Fig. 4 ist das abbildende optische System als Hohlspiegel 2 realisiert. Bei dieser Ausführung befindet sich der Lichtsensor 1 mit den lichtempfindlichen Elementen la, lb zwischen dem Hohlspiegel 2 und dem Messvolumen und befindet sich die Blende 6 zwischen dem Lichtsensor 1 und dem Hohlspiegel 2. In dem Beispiel ist die Blende 6 in der Bildebene der Hintergrundwand platziert. Im Übrigen ist bei dieser Ausführung der Strahlengang entsprechend Fig. 2. Vorteilhaft weist die Symmetrieachse des Hohlspiegels mit der optischen Achse des Systems einen kleinen Winkel auf, so dass die Blende 6 und die Elemente la, lb das einfallende Licht nicht gegenüber dem Hohlspiegel 2 abschatten. Die Elemente la, lb, 6 sind damit vor bzw. hinter der Zeichenebene von Fig.4 angeordnet.

Gemäß Fig. 5 sendet eine kollimierter Lichtsender 7 aus einer Position seitlich neben dem abbildenden optischen System 2 in einem spitzen Winkel zur optischen Achse des optischen Systems 2 einen Lichtstrahl 8 so aus, dass dieser in der Gegenstandsebene nur den von dem einen lichtempfindlichen Element lb betrachteten Bereich 3b durchschneidet. Hingegen durchschneidet der Lichtstrahl 8 nicht den Bereich 3a, welcher von dem anderen lichtempfindlichen Element la betrachtet wird. Vor und hinter der Gegenstandsebene durchschneidet der Lichtstrahl nur den Sichtbereich des einen lichtempfindlichen Elements lb. Der gesamte Bereich, in dem der Lichtstrahl 8 den Sichtbereich des einen lichtempfindlichen Elements lb durchschneidet, begrenzt das Messvolumen.

Gemäß Fig. 2 ist eine Auswerteeinrichtung 9 an den Lichtsensor 1 angeschlossen, die aus den von den lichtempfindlichen Elementen la, lb gelieferten Signalen das auf Streulicht beruhende Messsignal ermittelt, indem sie das Hintergrundsignal kompensiert.