DE1944617A1

DE1944617A1 - Verfahren zur Messung der Durchlaessigkeit der Atmosphaere und Vorrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1944617A1
Application number: DE19691944617
Authority: DE
Inventors: Jean Schieving; James Teboul
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1968-09-05
Filing date: 1969-09-03
Publication date: 1970-05-06
Also published as: GB1242479A

Description

uipi.-ing. Egon Prinz

Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 8? 15 10 Posischeckkonto: München 117073

8000 München 60, f i'2, *>6Ρ. 1969 Ernsbergerstrasse 19

Unser Zeichen: C 2719

COMPAGNIE DES DOMPTEURS 3, Rue Dosne, Paris l6e/Prankrelch

Verfahren zur Messung der Durchlässigkeit der Atmosphäre und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Durchlässigkeit der Atmosphäre sowie auf ein vollständig statisches Durchlässigkeitsmeßgerät, bei welchem dieses Verfahren angewendet wird.

Bu/ku

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Es sind zahlreiche Vorrichtungen zur Messung der Lichtschwächung aufgrund der Streuung durch die in der Atmosphäre enthaltenen Wasserteilchen bekannt. Diese Messung ist sehr interessant, da sie eine Beurteilung der Sichtbarkeit von Gegenständen oder Strahlungsquellen, wie der Leuchtbaken der Landebahn eines Flugplatzes, durch den Nebel gestattet.

Der größte Teil der unter der Bezeichnung "Durchlässigkeit smeßgerät" bekannten Vorrichtungen beruht auf der Messung des Stromes, welcher von einem lichtempfindlichen elektrischen Organ geliefert wird, das von einer zweckmäßigen Lichtquelle über eine in der Atmosphäre verlaufende Strecke erregt wird, wobei diese Strecke als Probe der zu untersuchenden Atmosphäre betrachtet wird. Der Wert dieses Stromes kennzeichnet bei bekannten und stabilen geometrischen Bedingungen den Bruchteil der ausgesandten Strahlung, welcher in Abhängigkeit von der auf der Streuung beruhenden Schwächung zum Empfänger gelangt.

Der gewöhnlich verwendete Parameter ist die Durchlässigkeit der Atmosphäre, welche als Prozentsatz der übertragenen Strahlung definiert ist, wobei der Wert 100 % der vom Empfänger unter den gleichen geometrischen Bedingungen empfangenen Strahlungsmenge bei vollständig reiner Atmosphäre zugeordnet wird.

Es ist klar, daß die Messung fehlerhaft werden kann, wenn die Strahlungsquelle keine konstante Intensität hat und wenn der lichtempfindliche Empfänger keine kon

stante 009819/1310

stante Empfindlichkeit hat. Die zeitlichen Veränderungen- und die auf äußeren, die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle und die Empfindlichkeit des Empfängers beeinflussenden Erscheinungen beruhenden Änderungen rufen in einer solchen Vorrichtung unzulässige Fehler hervor.

Um solche Fehler zu vermelden, wird gewöhnlich die Spannung des Energieerzeugers, welcher die Strahlungsquelle speist, stabilisiert. Dieses Mittel ist jedoch leider ohne Wirkung auf die Entwicklung des Wirkungsgrades der Lichtquelle selbst. Außerdem 1st die Stabilisierung der Empfindlichkeit des Empfängers noch schwieriger zu erzielen.

Die meisten bekannten Geräte wenden das Prinzip des selbsttätigen Ausgleichs oder Dauerausgleichs mit Hilfe einer besonderen optischen Strecke an, welche einen Vergleichsdurchlässigkeitskoeffizienten aufweist. Dabei muß diese Vergleichsstrecke zwiscL-τ. der Lichtquelle und dem lichtempfindlichen Empfänger periodisch an die Stelle der atmosphärischen Strecke gesetzt werden. Da die Länge dieser als Probe der Atmosphäre dienenden atmosphärischen Strecke vorgegeben ist und im allgemeinen in der Größenordnung von 50 Meter liegt, so läßt sich dieses Verfahren nur anwenden, wenn die atmosphärische Strecke eine Hin- und Rückbewegung nach Reflexion an einem Spiegel zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger bewirkt, welche infolgedessen nahe aneinander liegen. Diese Einschränkung 1st nachteilig, da in dem Bereich der Durchlässigkeiten der Atmosphäre, in

welchem 009819/1310

SAO ORIGINAL

welchem das Gerät messen kann, die Länge der Probe der Atmosphäre dadurch durch 2 geteilt wird. Außerdem läßt sich das periodische Einschalten einer optischen Strekke für eine andere nur auf mechanischem Wege bequem durchführen: synchronisierte Blenden, Drehspiegel und dergleichen. Diese Art von Einrichtungen erforderte im allgemeinen für einen ständigen Betrieb eine ununterbrochene Wartung.

Die vorliegende Erfindung sucht daher ein Verfahren sowie «ine vollständig statische Vorrichtung zu schaffen, welche eine Unabhängigkeit von Emissionsänderungen der Strahlungsquelle sowie von Empfindlichkeitsänderungen des Empfängers gestatten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Durchlässigkeit der Atmosphäre auf einer vorbestimmten Strecke 1st dadurch gekennzeichnet, daß man an jedem Ende dieser Strecke eine optisch-elektronische Strahler-Erapfängeranordnung anordnet, wobei jeder Strahler Lichtsignale zu seinem zugeordneten Empfänger und zu dem entfernten Empfänger sendet, daß man die von einem Empfänger von dem zugehörigen Strahler bzw. von dem entfernten Strahler empfangenen Signale trennt und daß man eine Größe ableitet, welche proportional zur betrachteten Durchlässigkeit ist, indem man das Verhältnis der Produkte der von jedem der Empfänger gelieferten homologen Signale bildet.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß aus durch je eine an jedem Ende

der 009819/1310

der Meßstrecke angeordnete optisch-elektronische Strahler-Empfängeranordnung, wobei diese beiden Anordnungen gleich ausgebildet und koaxial angeordnet sind, Einrichtungen zur Trennung der von einem Empfänger von seinem zugeordneten Strahler bzw. vom entfernten Strahler empfangenen Signale und durch eine Schaltung zur Bildung des Verhältnisses der Produkte der von jedem der Empfänger gelieferten homologen Signale.

Diese Vorrichtung weist darüberhinaus den Vorteil auf, daß die Länge der Probe oder Prüfstrecke der Atmosphäre erhalten bleibt, wobei der maximale Wert durch die Eigenschaften des Geräts ermöglicht wird. Es wird bemerkt, daß durch das Prinzip der Erfindung auch ermöglicht wird, die Messung unabhängig von Veränderungen der Verstärkung der elektrischen Signalverstärker zu machen, welche im allgemeinen den lichtempfindlichen Empfängern zugeordnet sind.

Schließlich macht die Erfindung Gebrauch von zwei Anordnungen mit gleichem Aufbau, was den Vorteil ergibt, daß man bei Ausfall eines beliebigen Bestandteils, wie einer Lichtquelle, eines lichtempfindlichen Empfängers, eines Verstärkers und dergleichen, eine Messung geringerer Genauigkeit zur Verfügung hat, wodurch eine Unterbrechung des Betriebs während der Dauer der Reparatur des Fehlers vermieden werden kann.

Weitere zusätzliche Anordnungen ermöglichen die Ausschaltung des Einflusses von störenden Rückstreuungen entweder durch Verwendung von Vergleichsstrecken oder durch Verwendung von moduliertem Licht.

Anhand 009819/1310

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine Sender-Empfängeranordnung,

Figur 3 schematisch eine weitere Ausführungsform,

Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeltswelse,

Figur 5 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Vergleichsstreeken und

Figur 6 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche mit moduliertem Licht arbeitet.

Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß an den beiden Enden der untersuchten Atmosphärenstrecke zwei optische und elektrische Anordnungen vorgesehen werden, welche im wesentlichen aus den Elementen la, 5a und Ib, 5b bestehen. Die zwei Strahlungssender la, Ib werden jeweils von den Energieerzeugern 2a, 2b gespeist und sind jeweils hinter einer konvergenten Optik 3a bzw. 3b angeordnet. Konvergente Spiegel 4a, 4b sammeln jeweils einen bestimmten Teil der von der Quelle der gegenüberliegenden Anordnung ausgesandten Strahlung. Diese Spiegel werfen die Strahlung jeweils auf die lichtempfindlichen Empfänger 5a, 5b. Die Spiegel 4a, 4b und die Optiken 3a, 3b sind so ausgerichtet, daß die optischen

Achsen

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Achsen zusammenfallen, was dazu führV, daß man die ma ximale Kopplung zwischen der Quelle la und dem Empfänger 5b einerseits und der Quelle Ib und dem Empfänger 5a andererseits erhält. Infolgedessen sind zwei die untersuchte Atmosphärenprobe angehende Strahlenbündel vorhanden, wobei das eine Bündel von Strahlen, wie den Strahlen 6a, und das andere, entgegengesetzt gerichtete Bündel aus Strahlen, wie den Strahlen 6b, besteht.

Vorrichtungen 7a, 7b bilden kurze und stabile optische Strecken und bewirken eine schwache, jedoch konstante Kopplung zwischen der Quelle la und dem Empfänger 5a einerseits und zwischen der Quelle Ib und dem Empfänger 5b andererseits. Solche Vorrichtungen können aus Kombinationen von ebenen Spiegeln oder noch vorteilhafter aus Bündeln von Glasfasern, sogenannten "optischen Fasern", gebildet sein, welche einen Teil der von einem Strahler la, Ib ausgesandten Strahlung direkt oder über den sphärischen Spiegel 4a, 4b auf den zugeordneten Empfänger 5a, 5b gegeben.

Den Empfängern 5a, 5b sind jeweils elektrische Signalverstärker 8a, 8b und Trenneinrichtungen 9a, 10a und 9b, 10b nachgeschaltet, deren Zweck darin besteht, unter den von jedem der beiden Empfänger 5a und 5b gelieferten Signalen die auf den zugeordneten benachbarten Quellen (la für 5a, Ib für 5b) beruhenden von den auf den entfernten Quellen (la für 5b, Ib für 5a) beruhenden zu unterscheiden.

Am Ausgang dieser Schaltanordnung hat man daher vier

verschiedene 0 0 9 819/1310

verschiedene elektrische Signale, welche in vier Leitern 11, 12, 13 und I¹I auftreten.

Man bezeichnet mit

E₁ und E« die Jeweiligen Strahlungsleistungen der Quellen la und Ib;

O. und Op die jeweiligen Durchlässigkeitskoeffizienten der optischen System 3a und 3b;

M₁ und Mp die jeweiligen Übertragungskoeffizienten der Spiegel 4a und 4b;

S₁ und Sp die jeweiligen Empfindlichkeiten der Empfänger 5a und 5b;

R₁ und Rp die jeweiligen Durchlässigkeitskoeffizienten der Vergleichsvorrichtungen 7a und 7b;

G₁ und Gp die jeweiligen Verstärkungsfaktoren der Verstärker 8a und 8b;

K die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die betrachtete Strecke;

A, B, C, D die Werte der jeweils an den Leitern 11, 12, 13, 14 auftretenden elektrischen Signale.

Es wird darüberhinaus angenommen, daß die Trennorgane 9a, 9b, 10a und 10b keine wesentliche Änderung der elektrischen Signale bewirken, welche dieselben übertragen sollen, was ziemlich bequem der Fall sein kann, wenn diese Organe elektrische Filter sind.

Die verschiedenen Signale A, B, C und D haben die folgenden Werte:

A =

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A = E₁ R₁ S₁ G₁ B = E₂ S₁ O₂ M₁ K C = E₁ S₂ O₁ M₂ K D = E₂ R₂ S₂ G₂

(1)

Aus diesen Signalwerten kann man entweder durch Berechnung oder mit Hilfe einer elektronischen Schaltung 15 einen elektrischen Wert erhalten, welcher von den Werten E., E₂, S₁, S₂, G₁, G₂ unabhängig und lediglich von der Durchlässigkeit K der Atmosphäre und den konstanten geometrischen Eigenschaften der Vorrichtung abhängig ist.

Wenn man die Produkte AxD und BxC und sodann den Quotienten - bildet, erhält man den folgenden Ausdruck:

BxC AxD

. R₁ S₁

M₂ K

was sich vereinfacht in:

BxC AxD

⁰I °2 ^Ml ^M2 R₁ R₂

Es folgt daraus genau, daß bei konstanten geometrischen

ρ
Eigenschaften der vor K stehende Ausdruck im zweiten Glied der vorstehenden Gleichung selbst eine Konstante ist:

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. (Konstante) χ K² . (4).

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besteht jede der beiden optischen und elektrischen Anordnungen, wie in Figur 2 dargestellt, aus einem Metallrohr 21, welches an einem seiner Enden ein photographisches Objektiv 3 trägt, in dessen Brennpunkt eine Elektrolumineszenzdiode 1 angeordnet ist. Am anderen Ende des Metallrohrs 21 ist ein Farbfilter 22 angebracht, welches den lichtempfindlichen Empfänger 5 vor Strahlungen mit einer Wellenlänge schützt, die sich von den Wellenlängen unterscheiden, aus denen sich das Emissionsspektrum der Elektrolumineszenzdiode 1 zusammensetzt. Der Empfänger 5 ist eine Photodiode oder ein^Phototransistor, welcher in der Achse des Rohrs derart eingebaut ist, daß er sich im Brennpunkt des Parabolspiegels 4 befindet.

Eine optische Faser 23 greift mit ihren Enden in zwei im Rohr 21 ausgebildete Öffnungen derart ein, daß sie von der Elektrolumineszenzdiode 1 zum Phototransistor 5 einen kleinen und konstanten Bruchteil der ausgesandten Strahlung überträgt.

Die aus dem Spiegel 4 und dem Rohr 21 bestehende Anordnung, welche mit den Organen 1, 3, 5, 22 und 23 ausgestattet ist, ist in eine nicht dargestellte rohrförmige Hülse eingebaut, deren Länge einen Schutz gegen die direkte Sonnenstrahlung sowie gegen Witterungseinflüsse gewährt.

Bei 009819/1310

Bel dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Elektrolumlneszenzdloden jeder der beiden optischen und elektrischen Vorrichtungen durch Generatoren von elektrischem Strom mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz erregt. Jeder dieser Generatoren besteht aus einem Oszillator und einem nachgeschalteten elektrischen Leistungsverstärker. Die Frequenzen der beiden Oszillatoren sind verschieden, was eine sehr einfache Unterscheidung mittels der Organe 9a, 9b, 10a und 10b gemäß Figur 1 gestattet, welche einfache, jeweils auf diese Modulationsfrequenzen geeichte Filter sind, wobei die Signale der Phototransistoren entweder von der zugehörigen Elektrolumineszenzdiode oder von der entfernten Elektrolumineszenzdiode stammen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Elektrolumineszenzdiode!! von Impulsgeneratoren gespeist. Die Impulsdauer liegt unterhalb der Zelt, welche das Licht zum Durchlaufen der untersuchten atmosphärischen Strecke braucht. Im folgenden wird auf Figur 3 Bezug genommen, in der die gleichen Elemente entsprechende Bezugszeichen tragen. Erfindungsgemäß spe'ist ein Generator 16 von kurzen Impulsen gleichzeitig die elektrischen Leistungsverstärker 2a und 2b, welche den Elektrolumineszenzdioden la und Ib zugeordnet sind. Die Leistungsimpulse E., Ep, welche von den Dioden la und Ib abgegeben werden, sind in Figur 4 in den Zellen a und d dargestellt.

Der vom Empfänger 5a bei Erregung durch die Diode la abgegebene Stromimpuls E₁ S₁ ist in der Zeile b darge-

stellt. 009819/1310

stellt. Er 1st praktisch gleichzeitig mit dem Impuls E. (Zeile a). Dagegen ist der vom Empfänger 5b unter dem Einfluß der Diode la abgegebene Stromimpuls um die Zeit versetzt, welche das Licht braucht, um die atmosphärische Strecke zu durchlaufen, wie durch E₁ S₂ in Zeile c dargestellt.

Die Zeilen e und f zeigen, daß die gleiche Erscheinung bezüglich der von der Elektrolumtieszenzdiode Ib ausgesandten Leistungsimpulse stattfindet.

Jeder der Empfänger 5a, 5b gibt daher nacheinander zwei Impulse ab, welche durch E₁ S₁ (Zeile b) und E„ S₁ (Zelle f) für den Empfänger 5a und durch E„ S₂ (Zeile e) und E₁ S- (Zelle c) für den Empfänger 5b wiedergegeben werden. Die Trennung dieser Signale wird durch zwei Gruppen von zwei elektronischen Unterbrechern oder Torschaltungen 19a, 20a, 19b, 20b bewirkt, welche vom Impulsgenerator l6 derart gesteuert werden, daß die vier gesuchten Signale A, B, C, D der Gruppe von Ausdrücken (1) jeweils getrennt in den Leitern 11, 12, 13, 14 auftreten.

Eine weitere, auf dem anfangs beschriebenen Verfahren beruhende Anordnung bezweckt die Verehfachung desselben, um ein Signal zu erhalten, welches direkt proportional zu der zu messenden Durchlässigkeit ist, wobei die Vorteile erhalten bleiben, daß das Verfahren unabhängig von Änderungen des Emissionsvermögens der Quelle sowie von Änderungen der Empfindlichkeit des Empfängers ist.

Das Verfahren ist bei dieser Anordnung insofern abge

ändert 0 0 9 819/1310

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ändert, als einer der örtlichen Strahler aus einem Vergleichsstrahler besteht, welcher mit jedem der Empfänger durch optische Bezugsstrecken optisch gekoppelt ist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses abgeänderten Verfahrens weist an einem Ende der Meßstrecke einen optisch-elektronischen Strahler-Empfänger, einen zu diesem Strahler koaxialen Empfänger am anderen Ende und eine Vergleichsanordnung auf, welche aus einem Vergleichsstrahler besteht, der optisch durch Vergleichsstrecken mit jedem der Empfänger gekoppelt ist, wobei eine Schaltung zur Bildung des Verhältnisses der Produkte der von jedem dieser Empfänger gelieferten homologen Signale vorgesehen ist.

Diese Vorrichtung bietet den Vorteil, daß die Länge der Meßstrecke in der Atmosphäre den durch die Eigenschaften des Geräts maximal zulässigen Wert behält. Es wird bemerkt, daß die Messung von Änderungen des Verstärkungsfaktors der allgemein den lichtempfindlichen Empfängern zugeordneten elektrischen Verstärker unabhängig bleibt. Darüber hinaus können die Meßstrecke und die Vergleichsstrecke vollständig von einander unabhängig und getrennt sein, wodurch die Notwendigkeit eines eventuellen Schutzes gegen störende Rückstreuungen vermieden wird.

Die durch die am anfangs beschriebenen Verfahren vorgenommene Änderung in Kauf zu nehmende Beeinträchtigung besteht darin, daß man bei Ausfall eines Bestandteils, wie der Lichtquelle, des lichtempfindlichen Empfängers

oder 009819/1310

oder des Verstärkers, nicht mehr eine Messung mit geringerer Genauigkeit erhält, während diese Möglichkeit besteht, wenn man einen doppelten symmetrischen Meßweg verwendet und einer derselben noch ein Signal liefert.

Aus Figur 5 1st ersichtlich, daß an einem Ende der untersuchten Atmosphärenstrecke eine Sender-Empfängeranordnung angeordnet ist, welche im wesentlichen aus einem durch einen Energieerzeuger 32a gespeisten Strahlungssender 31a und einem lichtempfindlichen Empfänger 35a besteht. Der Strahler 31a ist hinter einer konvergenten Optik 33a angeordnet, so daß über die optische Meßstrecke der am anderen Ende angeordnete Empfänger 35b mittels eines konvergenten Spiegels 3^b erregt wird. Die Optik 33a und der Spiegel 3¹Jb sind derart angeordnet, daß ihre optischen Achsen zusammenfallen, was dazu führt, daß man eine maximale Kopplung zwischen der Quelle 31a und dem Empfänger 35b erhält.

Ein Bruchteil der von der Quelle 31a ausgesandten Strahlung wird zum zugeordneten Empfänger 35a über eine stabile optische Strecke 37a geleitet, welche eine konstante optische Kopplung zwischen diesen beiden Elementen hervorruft.

Eine Vergleichsstrahlungsquelle 31» welche durch eine Energiequelle 32 gespeist wird, bestrahlt gleichzeitig und jeweils über stabile optische Vergleichsstrecken 37 und 37b die Empfänger 35a und 35b. Die Anordnungen 37a, 37 und 37b können jeweils aus einer Kombination von

ebenen 00 9819/1310

ebenen Spiegeln, welche durch von der Atmosphäre, deren Durchlässigkeit gemessen werden soll, entleerte Gehäuse miteinander verbunden sind, oder vorteilhafterweise aus Bündeln von optischen Fasern bestehen.

Die elektrische Schaltung ist in entsprechender Welse wie die in Figur 1 dargestellte mittels Verstärkern 38a, 38b und Trenneinrichtungen 39a, 40a und 39b, ¹IOb ausgebildet, welche die Aufgabe haben, unter den von jedem der Empfänger 35a und 35b gelieferten Signalen die auf der Quelle 31a beruhenden von den auf der Vergleichsquelle 31 beruhenden Signalen zu unterscheiden.

Am Ausgang dieser Schaltanordnung hat man daher vier verschiedene elektrische Signale A, B, C, D In vier Leitern 41, 42, 43, 44.

Man bezeichnet mit

E₁ und E₂ Jeweils die Strahlungsleistungen der Quelle 31a und der Vergleichsquelle 31;

0 den Durchlässigkeitskoeffizienten der Op

tik 33aj

M den Übertragungskoeffizienten des Spiegels

34b;

S₁ und S₂ jeweils die Empfindlichkeiten der Empfänger 35a und 35b;

R₁, R₂ und R₅ Jeweils die Durchlässigkeitskoeffizienten der Vergleichsanordnungen 37a, 37 und 37b;

G₁ und G₂ Jeweils die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 38a und 38b;

K 009819/1310

K die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die betrachtete Atmosphärenstrecke;

A, B, C, D die Werte der jeweils an den Leitern 4l, 42, 43, 44 auftretenden elektrischen Signale.

Es wird außerdem angenommen, daß die Trennorgane 39a, 40a, 39b, 40b keinerlei merkliche Änderung der von denselben zu übertragenden elektrischen Signale hervorrufen, was ziemlich bequem der Fall sein kann, wenn es sich um Frequenzfilter handelt.

Die verschiedenen Signale A, B, C, D können folgendermaßen ausgedrückt werden:

A = El Rl Sl Gl )

B = E2 R2 Sl Gl ?

J C = El OM S2 K G2 )

D = E2 R3 S2 G2 I

Wenn man bei einer bestimmten Schaltung 45, welche beispielsweise von der in der französischen Patentanmeldung PV 167 867 der Anmelderin beschriebenen Art ist, das Ver-

□ — ρ

hältnis der Produkte bildet, so erhält man den folgenden Ausdruck:

BxC _ E2 R2 Sl Gl ·■ El O M S2 K G2

AxD El Rl Sl Gl · E2 R3 S2 G2 was sich vereinfacht zu:
BxC _ R2

AxD Rl R3

OMK (3).

Die

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Die verschiedenen Paktoren des obigen Ausdrucks K sind unabhängig von der Durchlässigkeit der Atmosphäre, von Änderungen der Eigenschaften der Quellen, der lichtempfindlichen Empfänger und der Verstärker. Wenn durch den Aufbau die geometrischen Eigenschaften der verschiedenen Organe 33a, 34b, 37a, 37 und 37b konstant sind, kann man schreiben:

^{B x C} = (Konstante) χ Κ.

AxD

Die Schaltung 45 liefert daher eine Information, welche direkt proportional zur Durchlässigkeit K ist.

Bei einer besonderen Ausführungsform ist die einem photographischen Objektiv 33a zugeordnete Quelle 31a eine Elektrolumineszenzdiode, welche im Brennpunkt dieses Objektivs angeordnet ist. Der Empfänger 35b ist eine Photodiode oder ein Phototransistor, welcher im Brennpunkt des parabolischen oder sphärischen Spiegels 34b angeordnet ist. In dem die Quelle 31a und das Objektiv 33a enthaltenden Gehäuse ist außerdem eine Photodiode oder ein Phototransistor 35a angeordnet, an dessen Eingangsfläche die Enden von zwei biegsamen Lichtleitern, wie den optischen Pasern 37a und 37, angelegt sind, die jeweils das Licht der Quelle 31a bzw. das Licht der Vergleichsquelle 31 sammeln, wobei die Vergleichsquelle ebenfalls eine Elektrolumineszenzdiode ist. An die Ausgangsfläche dieser letzteren ist außer dem Lichtleiter 37 auch das Ende eines weiteren Lichtleiters 37b angelegt, dessen anderes Ende den Empfänger 35b beleuchtet.

Bei 009819/1310

Bei dieser Ausführungsform werden die Meß-Elektrolumineszenzdiode 31a und die Vergleichs-Elektrolumineszenzdiode 31 durch elektrische Stromgeneratoren mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz erregt, wie oben beschrieben. Es ist ersichtlich, daß dadurch eine leichte Trennung mittels einfacher Filter 39a, 40a und 39b, IJOb ermöglicht wird, welche auf eine der beiden Modulationsfrequenzen eingestellt sind, wobei die Signale der Empfänger aus Strahlungen der Diode 31a oder der Diode 31 stammen.

Es ist offensichtlich, daß die in Figur 3 dargestellte Anordnung ohne Abänderung auch auf das zeitliche Verteilen und Wiedergewinnen der zu den Dioden 31a und 31 gehörenden Signale, welche den Dioden la und Ib dieser Figur entsprechen, anwendbar ist.

Die Lagen der Elemente 31 und 35a bezüglich der Quelle 31a und des Empfängers 35b sowie die Anordnung und Länge der optischen Fasern, welche von diesen jeweiligen Lagen ausgehen, können abgeändert werden, ohne daß eine Änderung der Arbeitsweise der Vorrichtung hervorgerufen wird. Vorzugsweise wählt man für die Vergleichsquelle 31 eine Stelle, für die die Schwächung der Lichtsignale in den Leitungen 37 und 37b etwa gleich ist (R2 = R3).

Die störenden Liehtrückstreuungen an den in der Atmosphäre nahe den lichtempfindlichen Empfängern suspendierten Nebelteilchen ergeben einen Fehlerfaktor, dessen störender Einfluß unter Umständen bei der oben geschilderten Anordnung in den Vergleichsstrecken nur teilweise aufgehoben wird.

Eine 009819/1310

Eine andere Anordnung ermöglicht eine weltgehende Schwächung des störenden Einflusses der Rückstreuung auf die Genauigkeit einer auf dem erfindungsgemäßen Verfahren beruhenden Vorrichtung.

Bei dieser Anordnung werden die von Jedem Strahler zum entfernten Empfänger ausgesandten Lichtstrahlen jeweils in unterschiedlichen, vorzugsweise aufeinander senkrechten Richtungen polalsiert und die polarisierten Signale werden vom Empfänger aufgenommen, nachdem sie durch einen Analysator gegangen sind, dessen Polarisationsebene parallel zur Polarisationsebene des vom entfernten Strahler ausgesandten Lichts ist.

Gemäß Figur 6 1st jede der Strahlungsquellen la, Ib auf der Strahlungsstrecke zum entfernten Empfänger 5a, 5b mit einem Polarisator 51a, 51b versehen, welcher das Licht in einer bevorzugten Richtung polarisiert. Die für den Polarisator 51a gewählte Richtung steht vorzugsweise auf der für den Polarisator 51b gewählten Rieh· tung senkrecht.

Gleichzeitig ist vor jedem lichtempfindlichen Empfänger 5a, 5b auf der Empfangsstrecke vom entfernten Strahler ein Analysatorschinn für polarisiertes Licht angeordnet, welcher das polarisierte Licht außer in der Vorzugsrichtung des von diesem Strahler ausgesandten Lichts schwächt. Dies ist in Figur 6 durch einen die Polarisationsebene symbolisierenden Pfeil Im Inneren eines Kreises angedeutet.

Die für den Analysator 52a des Empfängers 5a gewählte

PolarisatlonB-009819/1310

Polarisationsrichtung 1st daher parallel zur Polarisationsrichtung des dem Strahler Ib zugeordneten Polarisators 51b und steht daher senkrecht auf der Polarisatlonsrlchtung des dem Strahler la zugeordneten Polarisators 51a. In gleicher Welse hat der dem Empfänger 5b zugeordnete Analysator 52b eine Polarisationsrichtung, welche parallel ist zu derjenigen des Polarisators 51a des Strahlers la und senkrecht auf derjenigen des Polarisators 51b des Strahlers Ib steht.

Die Vergleichsstrecken 7a, 7b, welche dazu bestimmt sind, den selbsttätigen Ausgleich von Veränderungen der Eigenschaften der einzelnen Organe zu ermöglichen, werden durch die genannten Polarisatoren und Analysatoren nicht beeinflußt und die übertragung auf diesen Strecken findet nit nicht-polarisiertem Licht statt.

Wenn man die oben erwähnten Bezeichnungen wieder verwendet und In dieselben die jeweiligen Schwächungen y, und J/"₂ auf den Strecken 6a und 6b einsetzt, welche auf der Anwesenheit der Polarisatoren und Analysatoren beruhen, und indem man außerdem Rückstreuungssignale E und F berücksichtigt, welche mit einem von den Durchlässigkeitseigenschaften der Atmosphäre abhängigen Koeffizienten x(K) und gleichermaßen mit auf der Wirkung der Paare von gekreuzten Polarisatoren und Analysatoren 51a-52a und 51b-52b beruhenden Schwächungen ~₁ und ^r ₂ behaftet sind, erhält man für die oben definierten Signale A, B, C, D und für die Signale E, F die folgenden Werte:

A =

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A = B = C = D

S₂ O₂

K G

= E,

S₂ O₁ M₂ K G₂

x(K) T x(K) Γ

(1)

Die Berechnung des abgeänderten Verhältnisses:

(A + E) χ (D + P)

ergibt nach Vereinfachung:

r₂

(R

(R₂ + x(K) r₂)

(2)

Wenn man annimmt, daß die geometrischen. Eigenschaften unverändert bleiben, kann man schreiben, nachdem man an den Ausdrücken des Nenners die allgemein zulässigen Annäherungen vorgenommen hat:

(Konstante) χ (1 -

- f J χ Κ² (3)

Daraus ist ersichtlich, daß der durch die Rückstreuung an der Messung von K hervorgerufene Fehler, welcher normalerweise durch die Verhältnisse und

A₁ ^₂ ausgedrückt wird, mit den durch die Verwendung von pola-

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risiertera

rlsiertem Licht eingeführten Schwächungskoeffizienten Γ i und Γ2 multipliziert wird.

Der Wert der Ausdrücke R₁ und R₂, welche die Lichtführung in den Vergleichsstrecken 7a, 7b kennzeichnen, kann gesteigert werden, damit der Einfluß der Änderungen von x(K) vernachlässigbar gemacht wird. Um jedoch eine zu große Gleichgewichtsstörung zwischen den Energien, welche der lichtempfindliche Empfänger 5a über die Strecke 7a und über die Strecke 6b empfängt, sowie zwischen den Energien, welche der Empfänger 5b über die Strecke 7b und über die Strecke 6a empfängt, zu ver meiden, sucht man folgende Gleichungen anzunähern:

A ■ °iX

R₂ = O₂ M₂

Diese Bedingungen setzen eine Maximalgrenze für R₁ und Rp fest. Es ist daher sehr vorteilhaft, den maximalen Fehler zu verringern, indem man Schwächungen f* und Γ_ verwendet, welche beispielsweise 0,1 betragen können.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt. So können die Anordnungen der Elektrolumineszenzdloden und der Phototransistoren umgekehrt werden, wobei die Farbfilter und die Phototransistoren hinter den Objektiven und die Elektrolumineszenzdioden im Brennpunkt der Parabolspiegel angeordnet sind. Welter können die Elektrolumineszenzdioden durch andere Lichtquellen oder Strahler, wie Blitzlichtlampen, Strahler von kohärentem Lieht, Glühdrahtlampen, Gasfluoreszenzlampen und dergleichen ersetzt werden.

Patentansprüche 009819/1310

Claims

Patentansprüche

1./Verfahren zur Messung der Durchlässigkeit der Atmosphäre auf einer vorbestimmten Strecke, dadurch gekennzeichnet, daß man an jedem Ende dieser Strecke eine optisch-elektronische Strahler-Empfängeranordnung anordnet, wobei Jeder Strahler Lichtsignale zu seinem zugeordneten Empfänger und zu dem entfernten Empfänger sendet, daß man die von einem Empfänger von dem zugehörigen Strahler bzw. von dem entfernten Strahler empfangenen Signale trennt und daß man eine Größe ableitet, welche proportional zur betrachteten Durchlässigkeit ist, indem man das Verhältnis der Produkte der von jedem der Empfänger gelieferten homologen Signale bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als einer der örtlichen Strahler ein Vergleichsstrahler* verwendet wird, welcher mit jedem der Empfänger durch optische Vergleichsstrecken optisch gekoppelt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von jedem Strahler zum entfernten Empfänger ausgesandten Lichtstrahlen in jeweils unterschiedliehen, vorzugsweise aufeinander senkrecht&tehenden Richtungen polarisiert werden und daß diese polarisierten

Signale 009819/1310

Signale von dem Empfänger empfangen werden, nachdem sie durch einen Analysator gegangen sind, dessen Polarisationsebene parallel zur Polarisationsebene des vom entfernten Strahler ausgesandten Lichts 1st.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Je eine an jedem Ende der Meßstrecke, angeordnete optisch-elektronische Strahler-Empfängeranordnung, wobei diese beiden Anordnungen gleich ausgebildet und koaxial angeordnet sind, Einrichtungen zur Trennung der von einem Empfänger von seinem zugeordneten Strahler bzw. vom entfernten Strahler empfangenen Signale und durch eine Schaltung zur Bildung des Verhältnisses der Produkte der von jedem der Empfänger gelieferten homologen Signale.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahler-Empfängeranordnung aus einer Elektrolumineszenzdiode besteht, welche mit einem Flächenphotodetektor optisch gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur optischen Kopplung aus mindestens einer Glasfaser bestehen.

7* Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenzdioden durch Ströme mit unterschiedlichen Nodulationsfrequenzen moduliert sind und daß die Einrichtungen zur Trennung der von einem Empfänger von seinem zugeordneten Strahler bzw. von dem

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entfernten Strahler empfangenen Signale aus Filtern bestehen, welche auf die genannten Modulationsfrequenzen abgestimmt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenzdioden durch von einem Generator abgegebene Impulsströme moduliert sind und daß die Einrichtungen zur Trennung aus von dem Generator gesteuerten Torschaltungen bestehen.

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