用于在补偿背景信号的情况下测量来自测量体积的散射光的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在补偿背景信号的情况下测量来自测量体积 的散射光的装置。

背景技术

散射光测量是用于确定在气态的介质中的灰尘或其他颗粒的浓度 的已知的和证实的方法。其例如在燃烧设备中的排放测量中使用。在 此从测量头将光束发射到测量体积中，所述光束被颗粒回散射。该散 射光由测量头探测并且描述用于测量体积中的颗粒浓度的量。

在散射光测量中，散射光的测量的功率与入射的功率相比非常小。 由测量头发射的光通过多次的反射和散射在测量体积的环境中产生背 景光，所述背景光同样由测量头探测。因此测量头提供基于测量体积 的散射光的测量信号和基于背景光的背景信号。背景信号的强度建立 于测量信号的数量级。在烟囱或其他被包围的空间内的测量中，通过 反射和散射在与测量头对置的壁(接着称为“背景壁”)上造成强烈的 背景信号。

已知，通过光阱抑制背景光，即通过在与测量头对置的背景壁上 的合适的进行吸收的装置实现。此外已知，通过单独的控制接收器测 量并且计算地补偿背景光。

DE2754139A1和CH600456说明了一种烟雾探测器，其使用 两种措施。在一种实施方式中，两个辐射接收单元设置在唯一的透镜 后面。两个辐射接收单元的视野在两个相邻的点中具有其焦点，所述 两个点之一处于光发射器的辐射束内。两个视野部分地在对置的壁上 彼此重叠。光发射器垂直于透镜的光轴设置。由于视野的仅部分的重 叠，对背景辐射的完全的补偿是不可能的，定向到测量体积上的光接 收器接收所述背景辐射。

EP1983328B1说明一种用于确定测量区域内的颗粒浓度的测量 装置，其同样以包括用于测量信号的测量接收器的测量单元以及包括 控制接收器的控制单元工作。控制接收器必须在仪器安装时这样定向， 使得其如测量接收器观察相同的背景。为了在起动或在服务工作时调 节测量装置，在测量单元和控制单元中装入交换装置，利用所述交换 装置，测量接收器和控制接收器可以分别通过调整光源交换，从而控 制光棒和测量光棒的有效的光束横截面对于人的眼睛可见。调节是耗 费的。在调节中，光束横截面在空间的背景壁中置于覆盖中，测量体 积处于其中。在每个新的测量情况中需要新的调节。此外如果必须穿 过壁开口进行测量的话，光学系统的高的空间需求是有妨碍的。最后 调整光源必须精确地定向到测量接收器和控制接收器上，这要求高的 装配花费。

发明内容

从这里出发，本发明的任务是，提供一种具有背景信号的补偿的 散射光测量，其在具有小的壁开口的被包围的空间中的测量情况下够 用，并且其中，不需要与背景壁的不同的距离的适配或只要求小的花 费。

所述任务通过具有权利要求1的特征的装置解决。本发明有利的 设计在从属权利要求中给出。

用于在补偿背景信号的情况下测量来自测量体积的散射光的按照 本发明的装置，具有：

·至少一个光传感器，其包括至少两个可分开评估的光敏性的元 件，

w一成像的光学系统，其中，光敏性的元件设置在像面中并且测量 体积设置在光学系统的对应的物面中，光敏性的元件的可见区域在物 面中完全地彼此分开并且在物面后面彼此重叠，

w包括准直的光束的光发射器，其只或至少以较强的程度在通过物 面延伸的并且限定测量体积的区域中穿过光敏性的元件的可见区域， 从而该光敏性的元件检测来自测量体积的散射光和来自物面后面的重 叠的可见区域的背景光并且所述另一个光敏性的元件没有检测或检测 显著较少的来自测量体积的散射光和来自物面后面的重叠的可见区域 的背景光以及

w在光学系统和光敏性的元件之间设置的遮光物，所述遮光物限 制两个光敏性的元件在物面后面的可见区域。

按照本发明的装置这样使用包括两个或更多光敏性的元件的至少 一个光传感器，使得所述一个光敏性的元件接收来自测量体积的散射 光和背景光，而所述另一个光敏性的元件没有接收或接收显著较少的 散射光和背景光。为此这样使用成像的光学系统，使得光敏性的元件 放置在像面中，而测量体积处于与像面对应的物面中。两个光敏性的 元件在物面中具有完全分离的可见区域，而两个光敏性的元件在物面 后面的可见区域重叠。在物面后面的可见区域比物面与光敏性的元件 成更远的距离设置。光敏性的元件的可见区域尤其是在背景壁上重叠。 两个光敏性的元件以相同的程度检测来自两个可见区域的重叠区域、 即两个可见区域彼此重叠的区域的背景光。为了匹配由两个光敏性的 元件提供的背景信号，在光学系统和光敏性的元件之间设置遮光物， 所述遮光物限制光敏性的元件在物面后面的可见区域。通过所述遮光 物，两个可见区域的彼此不重叠的区域部分或完全地隐没，从而两个 光敏性的元件加强或只还接收来自两个可见区域的重叠的区域的背景 光。由此由两个光敏性的元件可提供的背景信号可以较好地彼此匹配 或处于完全的一致中。因此按照本发明的装置能够实现背景辐射的干 扰影响的进一步减少或抑制。因为所述装置对于两个测量通道只需要 一个单独的进行成像的光学系统，所以其以小的壁开口就足够并且依 赖于背景校正的要求的质量不要求与背景壁的不同的距离的适配。

通过向后散射产生测量信号的准直的光束由光发射器这样发射， 使得其只或至少以较大的程度尤其是在物面中穿过通过一个光敏性的 元件观察的区域并且不或只以较小的程度穿过另一个光敏性的元件的 可见区域。光束穿过一个光敏性的元件的可见区域的区域限定测量体 积。

按照一种设计，评估设备与光传感器连接，所述评估设备从由光 敏性的元件提供的信号确定基于来自测量体积的散射光的测量信号， 其中，其补偿基于背景光的背景信号。背景信号的补偿优选如下进行， 即，由所述一个光敏性的元件的信号得出所述另一个光敏性的元件的 信号。所述评估设备优选是模拟的评估电子装置或电子的数据处理设 备(例如PC)。

备选地，光敏性的元件的信号被存储并且在后来的时刻被评估。 优选所述装置由制造者提供有评估设备。备选地，制造者没有评估设 备地提供所述装置并且使用者必要时通过评估设备补充所述装置。

按照一种设计，遮光物设置在背景壁的像面中。通过该布置结构 实现，两个光敏性的元件的可见区域彼此在背景壁上精确重叠。

按照另一种设计，遮光物设置在光学系统的图像侧的焦点中。通 过该设计实现，两个光敏性的元件的可见区域彼此无限地精确重叠。 该设计相对于没有遮光物的装置提供背景信号的改善的补偿。其尤其 是可以用于在远地远离的背景壁中测量或用于在没有光学系统的调节 情况下的测量中。

由对于光学系统已知的透镜公式，在焦距f时对于属于物距G的 像距B得出

$B=\frac{1}{\frac{1}{f}-\frac{1}{G}}$

由此依赖于测量体积G_MV和在G_HG的背景壁的位置产生测量体积 B_MV和背景壁B_HG的对应的像距。

依赖于光敏性的元件的大小能够由如下条件计算遮光物的最大孔 径，即，在光敏性的元件上的每个位置必须具有关于成像的元件A的 高度的相同的张角。

按照该计算，在另一种设计中，遮光物具有一孔径，其最大具有 以下面的公式确定的值：

$h_{Blende}=-h_{Det}+\frac{B_{MV}-V_{HG}}{B_{MV}}\left(\frac{A}{2}+h_{Det}\right)$

其中：

h_Blende＝遮光物的最大高度或孔径的一半

h_Det＝探测器的高度或直径的一半

B_MV＝测量体积的像距

B_HG＝背景壁的像距

A＝成像系统的直径。

按照一种设计，所述装置包括具有可调节的孔径的遮光物和/或用 于沿光学系统的光轴方向偏移遮光物的机构。这在测量装置与背景壁 距离不同时通过遮光物的偏移和变化能够实现调节。然而在适合地选 择成像的光学元件的焦距和直径以及背景壁相对于测量区域的物面的 大的距离时，这样的调节是不需要的。而是遮光物的固定的设定对于 背景壁与光学系统的距离的大的范围是适合的。这基于对于两个测量 通道使用一个单独的光学系统，以此在物面的区域中产生非常平的交 叉角。

按照另一种设计，所述光学系统具有至少一个透镜或凹镜。优选 地，所述光学系统包括至少一个透镜或凹镜。

按照另一种设计，光发射器具有激光器和/或LED。

按照另一种设计，光敏性的元件结构上构成在唯一的光传感器中、 例如在切分的光电二极管中。按照另一种设计，光敏性的元件在结构 上构成在多个光传感器中、例如多个光电二极管中。此外本发明包括 如下设计，其具有多于两个光敏性的元件，例如在切分的光电二极管 中或在多个光电二极管中或在CMOS或CCD传感器中实现。光敏性 的元件优选具有平的光敏性的面。

按照一种设计，光发射器与成像的光学系统的光轴成锐角地定向。 在该设计中，所述装置可以通过唯一的壁开口定向到测量体积上。按 照另一种设计，光束或光发射器侧面地设置在光学系统旁边，优选与 光学系统具有短的距离。在一种较不优选的实施方式中，成像的光学 系统和光发射器在空间上彼此分开，例如其方式为光发射器与成像的 光学系统的光轴垂直或成钝角地定向。

附图说明

接着借助实施例的存在的附图进一步解释本发明。附图示出：

图1示出常规的装置的粗略示意的侧视图；

图2示出包括在背景壁的像面中的遮光物的按照本发明的装置的 粗略示意的侧视图；

图3示出包括在成像的光学系统的图像侧的焦点中的遮光物的按 照本发明的装置的粗略示意的侧视图；

图4示出包括作为成像的光学系统的凹镜的按照本发明的装置的 粗略示意的部分侧视图；

图5示出光发射器的布置结构以及光束在测量装置中的走向的粗 略示意性的透视图。

具体实施方式

在不同的实施例的后续解释中，一致的或基本上一致的构件和辐 射路径的细节设有一致的附图标记。

按照图1，光传感器1具有两个或更多分开可评估的光敏性的元 件1a、1b。切分的光传感器1放置在双凸的透镜形式的成像的系统2 的像面中。测量体积处于对应的物面中。

在物面中，两个光敏性的元件1a、1b的视野3a、3b完全分离， 而在物面外的可见区域重叠。视野5a、5b在背景壁4上重叠。因此光 敏性的元件1a、1b测量类似的、但不是相同的背景辐射。

按照图2，通过遮光物6实现各可见区域5a、5b在背景壁4上的 匹配，所述遮光物放置在背景壁的像面中。通过遮光物6的该布置结 构，在背景中成像的区域5a、5b精确重叠。

图3示出一种特殊情况，其中背景壁4光学上看假定为无限的。 在该情况中，遮光物6放置在透镜2的图像侧的焦点中并且确定在壁 上的图像的光束平行延伸。

在图2和图3的实施方式中，成像的光学系统不仅可以包括一个 透镜2而且可以包括多个透镜。

在图4的实施方式中，成像的光学系统作为凹镜2实现。在该实 施方式中，光传感器1连同光敏性的元件1a、1b处于凹镜2和测量体 积之间并且遮光物6处于光传感器1和凹镜2之间。在该示例中，遮 光物6放置在背景壁的像面中。此外在实施方式中辐射路径对应于图 2。有利地，凹镜的对称轴与系统的光轴具有小的角度，从而遮光物6 和元件1a、1b不相对于凹镜2遮暗射入的光。元件1a、1b、6借此 设置在图4的像面的前面或后面。

按照图5，对准的光发射器7由侧向在成像的光学系统2旁边的 位置与光学系统2的光轴成锐角地这样发射光束8，使得所述光束在 物面中只穿过由光敏性的元件1b观察的区域3b。与之相反光束8不 穿过由另一个光敏性的元件1a观察的区域3a。在物面的前面和后面， 光束只穿过光敏性的元件1b的可见区域。光束8穿过一个光敏性的元 件1b的可见区域的整个区域限定测量体积。

按照图2，评估设备9连接到光传感器1上，所述评估设备从由 光敏性的元件1a、1b提供的信号确定基于散射光的测量信号，方式为： 其补偿背景信号。