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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
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des Patentanspruchs 1.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser in Autokollimation arbeitenden
Vorrichtung (DE-AS 25 21 934) kann eine Rückstreuung des in die Meßstrecke gelangenden
Lichtes insbesondere beim Vorliegen von dichtem Rauch in der Meßstrecke zu Fehlmessungen
führen, weil das rückgestreute Licht als reflektiertes Licht gedeutet wird, obwohl
es die Meßstrecke nicht vollkommen durchlaufen hat.
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Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Gattung zu schaffen, bei der nur das vom Meßreflektor zurückgeworfene
Licht auf der Empfangsseite erfaßt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwischen Meßstrecke
und Meßreflektor ein Lichtzerhacker und auf der Empfangsseite ein Band filter vorgesehen
ist, welches Gleichspannungsanteile unterdrückt. Auf diese Weise wird sowohl das
von der Meßstrecke her unmittelbar zurückgestreute Licht als auch sonstiges Gleich-,
Fremd- und Grundlicht im Empfänger nicht wahrgenommen. Für den Meßempfänger kommt
das Licht scheinbar nur vom Reflektor Fehlmessungen sind dadurch wirksam vermieden.
Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung in Autokollimation arbeitet, weist sie die
wesentlichen Vorteile von solchen Systemen auf, bei denen Sender und Empfänger an
entgegengesetzten Enden der Meßstrecke untergebracht sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein Funktionsschema einer bevorzugten Vorrichtung
gemäß der Erfindung und die Fig. 2, 3 Intensität-Frequenzdiagramme bei Verwendung
zweier Zerhacker.
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Nach der Zeichnung weist die Vorrichtung einen auf der einen Seite
eines Kamins 72 befestigten Lichtsender-Empfänger 11 und einen auf der gegenüberliegenden
Seite des Kamins 72 befestigten Reflektorkopf 12 auf, der aus einem Gehäuse 14 und
einem an dessen Stirnseite angeordneten Retroreflektor 13 besteht. Zum Durchgang
der Lichtbündel weist der Kamin 72 im Bereich des Lichtsender-Empfängers 11 und
des Reflektorkopfes 12 Öffnungen 74, 75 auf.
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Das Gehäuse 14 des Reflektorkopfes 12 und ein Anschlußstutzen 76,
der das Gehäuse 15 des Lichtsender-Empfängers 11 mit dem Kamin 72 verbindet, sind
mit Spülluft-Zuführungsstutzen 71 versehen, durch welche in Richtung der Pfeile
f Spülluft eingeblasen wird, die verhindert, daß Verunreinigungen aus dem Kamin
72 in den Anschlußstutzen 76 bzw. an das Frontobjektiv 20 gelangen und sich dort
absetzen.
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Im Gehäuse 15 des Lichtsender-Empfängers 11 ist eine vorzugsweise
durch eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe gebildete Strahlungsquelle 16 angebracht,
welche über den Kondensor 19, gegebenenfalls einen Zerhacker 7 und einen Strahlenteilerspiegel
77 ein in der Stirnwand des Gehäuses 15 angeordnetes Frontobjektiv 20 ausleuchtet.
Aus dem Frontobjektiv 20 tritt ein nahezu paralleles und vorzugsweise leicht divergentes
Lichtbündel 50 aus, das den Anschlußstutzen 76, den mit Rauchgasen 49 durchsetzten
Kamin 72 und schließlich das Gehäuse 14 des Reflektorkopfes 13 durchquert, um auf
den vorzugsweise aus Tripeln bestehenden Retroreflektor 13 aufzutreffen. Wesentlich
ist, daß das Lichtbündel 50 am Ort des Reflektors 13 im Durchmesser größer dimensioniert
ist
als der Retroreflektor 13, so daß eine allseitige Uberstrahlung des Reflektors 13
vorliegt. Auf diese Weise ändert sich der vom Reflektor 13 zurückgeworfene Lichtstrom
nicht, wenn gewisse Relativverschiebungen oder Verkippungen zur optischen Achse
zwischen Reflektorkopf 12 und Lichtsender-Empfänger 11 auftreten.
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Aufgrund der Dimensionierungsverhältnisse des Lichtbündels 50 und
des Retroreflektors 13 weist das reflektierte Bündel 78 einen geringeren Durchmesser
als das vom Sender ausgehende, ebenfalls nahezu parallele Bündel 50 auf.
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Das reflektierte Bündel 78 wird durch das Objektiv 20 und nach Reflexion
an dem Strahlenteilerspiegel 77 auf einem Photoempfänger 17 konzentriert, vor dem
ein Filterrad 18 mit zum auffallenden Licht paralleler Drehachse 79 angeordnet ist.
Das Filterrad 18 wird durch einen Motor 80 zu einer Drehbewegung angetrieben.
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Vor das Filterrad ist auch noch ein Kontrollfilter 23 einschiebbar,
welches einer vorbestimmten Komponentenverteilung der Abgase entspricht und zur
Prüfung der Vorrichtung auf Funktionsfähigkeit dient.
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Filter 23, 24, 25 gelangen bei einer Drehung des Filterrades 18 nacheinander
in den zum Photoempfänger 17 verlaufenden Strahlengang.
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Auf einem weiter innen liegenden Umfang des Filterrades 18 sind sich
ebenfalls über jeweils etwas weniger als 900 erstreckende in Umfangsrichtung längliche
Schlitze 34 angeordnet, von denen jeder einem der Filter zugeordnet ist. Zweck der
Umfangsschlitze 34 ist es, ein Taktsignal zu erzeugen, welches eine Elektronik in
geeigneter Weise aktiviert.
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Schließlich ist auf einem dritten, zwischen dem ersten und zweiten
liegenden Umfang noch eine kleine runde Steueröffnung 36 vorgesehen, welche mit
einer weiteren Lichtschranke 37 zusammenarbeitet und zur Erzeugung eines Pückstellungssignals
für den Taktgeber und damit zur Kcnnzeichnung für den jeweiligen Zyklusbeginn dient.
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Der Photoempfänger 17 ist vorzugsweise ein Photo-Multiplier, Zur vollständigen
Driftkompensation ist zwischen dem Lichtsender-Empfänger 11 und der Eintrittsöffnung
74 im Kamin 72 ein Vergleichsreflektor 22 vorgesehen, der zwecla,äßig genauso wie
der Reflektor 13 als Tripelreflektor ausgebildet ist. Der Vergleichsreflektor 22
ist normalerweise neben dem Strahlengang angeordnet. Er ist jedoch in Richtung des
Doppelpfeiles f in die in strichpunktierten Linien dargestellte Lage innerhalb des
Strahlenganges verschiebbar, derart, daß das auf ihn auftreffende Lichtbündel 50
in sich selbst zurückreflektiert wird.
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An irgendeiner Stelle des beim Umschalten von Messen auf Vergleich
beweglichen Teiles, z.B. am Vergleichsreflektor 22 ist ein Kontaktstück oder ein
Nocken 29 angeordnet, welcher mit einem Kontaktgeber 30 derart zusammenarbeitet,
daß einem Taktgeber 28 bei eingeschobenem Vergleichsreflektor 22 ein diesbezügliches
Signal zugeführt wird. Der Taktgeber 28 kann mit anderen Worten jederzeit erkennen,
ob der Vergleichsreflektor 22, 22' wirksam ist oder nicht.
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Im folgenden Teil wird der elektronische Aufbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung beschrieben: Am Photoempfänger 17 ist ein nach Nasse geführter Lastwiderstand
38 angeordnet, an dem eine einem Vorverstärker 21 zugeführte Spannung abgegriffen
ist. Der Vorverstärker 21 enthält Filtermittel 8, ist also selektiv.
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Der Ausgang des Vorverstärkers weist eine verstärkte Spannung Uv auf,
die einer Kanalabgleichstufe zugeführt ist.
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Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 wird parallel sieben Verstärkern
41, 42, 43, 44, 45, 46 und 47 mit Abgleich zugeführt. Diese Aufteilung des Ausgangssignals
des Spannungsverstärkers 21 setzt bereits eine später erfolgende Kanaltrennung voraus.
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Die Ausgangssignale der Verstärker 41 bis 47 mit Abgleich werden einzeln
einem elektronischen Schalter 27 zugeführt, der durch einen Taktgeber 28 angesteuert
wird, welcher Steuersignale U, von der Lichtschranke 37 und UT von der Lichtschranke
35 am Filterrad 18 empfängt und außerdem über den Kontaktgeber 30 die Wirksamkeit
oder Nichtwirksamkeit des Vergleichsreflektors 22 feststellt.
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Jeder Meßwellenlänge ist sowohl für wirksamen als auch für nicht wirksamen
Vergleichsreflektor 22 im Schalter 27 ein Haltekreis 51, 52, 53, 54, 55, 56 zugeordnet.
Ein siebter Haltekreis 57 speichert das für den Dunkelstrom repräsentative Signal
ab und führt es über einen Impedanzwandler 32 zwecks Bildung einer Basis an den
Eingang der Kanalabgleichstufe 31 zurück.
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Am Ausgang des Schalters 27 stehen an den Haltekreisen 51 bis 56 ständig
sechs Signale zur Verfügung, von denen die Signale U'1, U'2 und U'3 den empfangenen
Signalen für die einzelnen Meßwellenlängen bei eingeschobenem Vergleichsreflektor
22 entsprechen, während die Signale U1, U2 und U3 für die Wellenlängensignale bei
wirksamem Meßreflektor 13 repräsentativ sind.
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Aufgrund der Abgleichmdglichkeit in den Verstärkern 41-47 können durch
einen Abgleich vor Inbetriebnahme des Gerätes
sämtliche Ausgangssignale
der Haltekreise 51 bis 56 auf gleiches Niveau gebracht werden. Dies gilt nicht nur
für die einzelnen Wellenlängensignale im Vergleich zueinander, sondern insbesondere
für die bei Einschaltung des Vergleichsreflektors einerseits und Wirksamkeit des
Meßreflektors andererseits erscheinenden Ausgangssignale. Auf diese Weise können
z.B.
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auch unterschiedliche Reflexionseigenschaften des Meßreflektors 13
und des Vergleichsreflektors 22 auf einfachste Weise ohne weiteres ausgeglichen
werden.
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Die Auswertung der Signale U1 bis U3 erfolgt in einer Rechenschaltung
33.
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An die drei Ausgänge der Rechenschaltung 33 schließt sich dann ein
Anzeigegerät 69 an, welches z.B. nach erfolgter Spannungsstromwandlung als Dreifachschreiber
mit einem jeweiligen Anzeigebereich 0 bis 20 mA entsprechend vorgegebenen Konzentrationsbereichen
ausgebildet sein kann, damit Konzentrationsänderungen stetig verfolgt werden können.
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Die Strahlungsquelle 16, die Antriebe für Filterrad und Vergleichsreflektoranordnung,
die Lampen der Lichtschranken sowie die gesamte Elektronik werden von einem gemeinsamen
Netzgerät 70 gespeist.
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Zwischen die Meßstrecke 49 und den Meßreflektor 13 ist erfindungsgemäß
noch ein Lichtzerhacker 10 eingeschaltet, welcher durch ein Ansteuergerät 9 dazu
veranlaßt wird, das Gleichlichtbündel 50 periodisch zu unterbrechen. Besteht ein
Bedarf, den Lichtzerhacker 10 möglichst klein zu gestalten, so kann er am Ort einer
stark verkleinerten Zwischenabbildung angebracht werden. Das Empfangslichtbündel
78 besteht daher aus periodisch zerhacktem Licht, was durch eine gestrichelte Darstellung
dieses Bündels veranschaulicht wird.
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In den Vorverstärker 21 ist erfindungsgemäß ein Bandpaßfilter 8 eingetaut,
welches auf die gleiche Frequenz f wie das Ansteuergerät 9 abgestimmt ist. Auf diese
Weise nimmt die Empfarlgsanordnung nur das vom Meßreflektor 13 reflektierte Licht
wahr, welches die Meßstrecke 49 vollständig durchlaufen hat. Das beispielsweise
von Rauchpartikeln in der Meßstrecke 49 direkt zurückgestreute Licht wird dagegen
von dem Bandpaßfilter unterdrückt, Wird zwischen Strahlungsquelle 16 und Meßstrecke
49 auch der zweite Lichtzerhacker 7 einaebaut. so kann außerdem das Störz.B. Sonnenlicht
licht/unterdrückt werden, das auf den Reflektor 13 fällt und somit von dem erfindungsgemäßen
Lichtzerhacker 10 in Wechsellicht umgeformt und fälschlicherweise als Meßlicht gedeutet
werden würde. Der Lichtzerhacker 8 zwischen Strahlungsquelle und Meßstrecke 49 muß
eine andere Zerhackerfrequenz besitzen als die des erfindungsgemäßen Zerhackers
10. Am Photoempfänger 17 steht nun eine Mischung der beiden Zerhackerfrequenzen
zur Auswertung zur Verfügung. Das Filter 8 im Verstärker 21 darf also ein Ausgangssignal
UV nur dann abgeben, wenn das vom Phctoempfänger 17 abgegebene elektrische Signal
von beiden Zerhackern beeinflußt wurde.
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Das Filter 8 kann dabei berücksichtigen, daß neben den beiden Trägerfrequenzen
f7 und f10 noch je zwei Seitenbänder S1, S2 entstehen (Fig. 2). In diesen Seitenbändern
ist jeweils die Information von beiden Frequenzen gleichzeitig enthalten. Das Filter
8 des Empfängers 21 muß also mindestens eines der beiden Seitenbänder S1, S2 eines
Trägers durchlassen und den Gleichstromanteil sperren. Es können dabei die Seitenbandfrequenzen
f10 + f7 oder f7 + f ausgewertet werden.
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Eine zweite Möglichkeit, ein von Störlicht befreites Signal zu erhalten,
besteht darin, das Signalgemisch, bestehend aus einem Träger und mindestens einem
Seitenband, zu demodulieren und das so entstehende Signal selektiv
zu
messen. Nach der Danodulation genügt es, den Gleichstrcrrunteil z unterdrücken.
Eine dritte Möglichkeit ist die Mischung des Signals mit einer Hilfsfrequenz gemäß
Fig. 3. Dabei entstehen verschiedene Mischfrequenzen. Davon wird eine ausgesucht,
die die Information von f7 und f10 enthält. Wird z.B. nach Fig. 3 f7 mit 150 Hz,
f10 mit 500 Hz und die Hilfsfrequenz mit 450 Hz gewählt, so entsteht unter anderem
die Mischfrequenz 100 Hz, die im Vorverstärker 21 durch das Filter 8 herausgesiebt
werden kann und als Meßsignal zur Verfügung steht.
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Die Filterung des Signals wird im Beispiel vom Filter 8 übernommen.
Es ist jedoch grundsätzlich möglich, auch später z.B.
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mit einem digitalen Filter auszuwerten. Dies kann beispie£sweise in
einem Mikroprozessor erfolgen.
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Der Modulationsgrad des Zerhackers muß nicht 100 % betragen, sondern
kann auch kleiner sein.