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DE102023107882A1 - Device and method for reducing interference in an optoelectronic sensor, in particular a gas concentration sensor - Google Patents

Device and method for reducing interference in an optoelectronic sensor, in particular a gas concentration sensor Download PDF

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DE102023107882A1
DE102023107882A1 DE102023107882.8A DE102023107882A DE102023107882A1 DE 102023107882 A1 DE102023107882 A1 DE 102023107882A1 DE 102023107882 A DE102023107882 A DE 102023107882A DE 102023107882 A1 DE102023107882 A1 DE 102023107882A1
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light
optics
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transmitting
transmitter
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Pascal Ortwein
Sebastian Schnell
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Sick AG
Original Assignee
Sick AG
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors angegeben. Die Vorrichtung umfasst eine Sendeoptik zum Erzeugen eines Sendelichtkegels aus von einem Lichtsender des optoelektronischen Sensors emittierten Sendelichtstrahlen oder eine Empfangsoptik zum Sammeln von Empfangslichtstrahlen aus einem Empfangslichtkegel auf einem Lichtempfänger des optoelektronischen Sensors. Wenigstens ein Aktuator ist dazu eingerichtet, einen Abstand zwischen der Sendeoptik und dem Lichtsender beziehungsweise einen Abstand zwischen der Empfangsoptik und dem Lichtempfänger zur Verminderung der Interferenzen dynamisch zu variieren. Die Sendeoptik beziehungsweise die Empfangsoptik weist ein optisches Element mit veränderlicher Brennweite zum Variieren einer Brennweite der Sendeoptik beziehungsweise der Empfangsoptik auf. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den Aktuator und das optische Element mit veränderlicher Brennweite derart anzusteuern, dass ein Öffnungswinkel des Sendelichtkegels beziehungsweise des Empfangslichtkegels bei Variation des Abstands zwischen der Sendeoptik und dem Lichtsender beziehungsweise des Abstands zwischen der Empfangsoptik und dem Lichtempfänger unverändert bleibt.A device for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor is specified. The device comprises a transmitting optics for generating a transmitted light cone from transmitted light beams emitted by a light transmitter of the optoelectronic sensor or a receiving optics for collecting received light beams from a received light cone on a light receiver of the optoelectronic sensor. At least one actuator is designed to dynamically vary a distance between the transmitting optics and the light transmitter or a distance between the receiving optics and the light receiver in order to reduce the interference. The transmitting optics or the receiving optics have an optical element with a variable focal length for varying a focal length of the transmitting optics or the receiving optics. A control unit is designed to control the actuator and the optical element with variable focal length in such a way that an opening angle of the transmitted light cone or the received light cone remains unchanged when the distance between the transmitted optics and the light transmitter or the distance between the received optics and the light receiver varies.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verminderung von Interferenzen in einem optoelektronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise 9, sowie einen Gaskonzentrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The invention relates to a device and a method for reducing interference in an optoelectronic sensor according to the preamble of claim 1 and 9, respectively, as well as a gas concentration sensor according to the preamble of claim 12.

Optoelektronische Sensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt, beispielsweise zur Abstandsmessung oder Objekterfassung in der Automatisierungs- oder Sicherheitstechnik, aber auch in der Analytik wie zum Beispiel der Laserspektroskopie zum Messen von Gaskonzentrationen. Häufig werden dabei kohärente Lichtquellen, insbesondere Laser als Lichtsender verwendet. Durch Reflexionen an Grenzflächen von optischen Elementen wie beispielsweise Linsen, Fenster, oder Reflektoren, die zur Strahlführung eingesetzt werden, kann es zu Interferenzen des Mess- beziehungswiese Sendelichts im Strahlengang des Sensors kommen. Diese Interferenzen können zu signifikanten Messfehlern bei der Bestimmung von beispielsweise Abständen, Geschwindigkeiten oder Gaskonzentrationen führen und müssen daher möglichst vollständig unterdrückt werden. Insbesondere bei Linsen ist die Unterdrückung von Interferenzen erschwert, da diese prinzipbedingt immer senkrecht im Strahlengang des Sensors positioniert sein müssen.Optoelectronic sensors are used in a wide range of applications, for example for distance measurement or object detection in automation or security technology, but also in analytics such as laser spectroscopy for measuring gas concentrations. Coherent light sources, particularly lasers, are often used as light transmitters. Reflections at interfaces of optical elements such as lenses, windows or reflectors used for beam guidance can lead to interference in the measuring or transmitted light in the beam path of the sensor. This interference can lead to significant measurement errors when determining distances, speeds or gas concentrations, for example, and must therefore be suppressed as completely as possible. Suppressing interference is particularly difficult with lenses because, by design, they always have to be positioned vertically in the beam path of the sensor.

Die Problematik von Interferenzen kann beispielsweise bei Systemen zur Messung von Gas- oder Partikelkonzentrationen in einem Messvolumen auftreten. In derartigen Systemen ist üblicherweise in einem ersten Gehäuse ein Lichtsender zum Aussenden von Sende- beziehungsweise Messlicht in das Messvolumen vorgesehen. Mit einem Lichtempfänger wird das Messlicht nach seinem Durchgang durch das Messvolumen empfangen, wobei der Lichtempfänger beispielsweise in demselben Gehäuse wie der Lichtsender angeordnet sein kann oder in einem zweiten Gehäuse, das ebenfalls mit einer Öffnung an dem Messvolumen angeflanscht ist. Im erstgenannten Fall ist auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens ein Reflektor angeordnet, der das Messlicht nach dem ersten Durchgang durch das Messvolumen in Richtung des Lichtempfängers zurückreflektiert. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit kann aus der Absorption des Messlichts auf dem Weg vom Lichtsender zum Lichtempfänger die Gas- oder Partikelkonzentration bestimmt werden. Ein alternatives Verfahren zur Konzentrationsmessung stellt die sogenannte „Tunable Diode Laser Spectroscopy“ (TDLS) dar, bei der mit abstimmbaren Diodenlasern die Absorptionslinie eines Gases „gescannnt“ wird, um dessen Konzentration zu bestimmen.The problem of interference can arise, for example, in systems for measuring gas or particle concentrations in a measuring volume. In such systems, a light transmitter is usually provided in a first housing for emitting transmitted or measuring light into the measuring volume. The measuring light is received by a light receiver after it has passed through the measuring volume. The light receiver can be arranged, for example, in the same housing as the light transmitter or in a second housing that is also flanged to the measuring volume with an opening. In the first case, a reflector is arranged on the opposite side of the measuring volume, which reflects the measuring light back towards the light receiver after the first passage through the measuring volume. With the help of an evaluation unit, the gas or particle concentration can be determined from the absorption of the measuring light on the way from the light transmitter to the light receiver. An alternative method for measuring concentration is the so-called “Tunable Diode Laser Spectroscopy” (TDLS), in which the absorption line of a gas is “scanned” using tunable diode lasers in order to determine its concentration.

Zur Vermeidung von Reflexionen an Grenzflächen von optischen Elementen ist es bekannt, die Grenzflächen mit Antireflex-Beschichtungen zu versehen. Antireflex-Beschichtungen für breitbandige Lichtquellen sind jedoch schwierig herzustellen und weniger effizient als Beschichtungen für monochromatische Lichtquellen. Alternativ können Off-Axis-Parabolspiegel eingesetzt werden, wobei diese empfindlich gegenüber Staubablagerungen sind.To avoid reflections at the interfaces of optical elements, it is known to provide the interfaces with anti-reflective coatings. However, anti-reflective coatings for broadband light sources are difficult to produce and less efficient than coatings for monochromatic light sources. Alternatively, off-axis parabolic mirrors can be used, although these are sensitive to dust deposits.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der EP 2 336 738 A1 , ist bekannt, eine Interferenzunterdrückung durch ein periodisches Verändern von Abständen zwischen einzelnen optischen Bauelementen entlang der optischen Achse zu erreichen. So wird in der EP 2 336 738 A1 offenbart, den Lichtsender in Form eines Lasers gegenüber anderen optischen Bauteilen wie beispielsweise einer Linse in Schwingung zu versetzen. Durch geeignete Wahl von Frequenz und Amplitude der Bewegung können dadurch Interferenzen zwischen dem Laser und der Linse unterdrückt werden.From the state of the art, for example the EP 2 336 738 A1 , it is known to achieve interference suppression by periodically changing the distances between individual optical components along the optical axis. In the EP 2 336 738 A1 discloses setting the light transmitter in the form of a laser into oscillation relative to other optical components such as a lens. By selecting the appropriate frequency and amplitude of the movement, interference between the laser and the lens can be suppressed.

Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist jedoch, dass durch die Bewegung des Lasers zur Linse gleichzeitig die Abbildung des Lasers durch die Linse beeinflusst wird, da der Laser periodisch um den Fokuspunkt der Linse verschoben wird. Insbesondere bei kurzbrennweitigen Linsen, wie sie typischerweise für die Kollimation von Lasern eingesetzt werden, entsteht dadurch ein Abbildungsfehler, der wiederum selbst zu Messfehlern führen kann. Derselbe Effekt tritt ebenso bei einer Bewegung der Linse oder auch bei einer relativen Bewegung eines Lichtempfängers beziehungsweise Detektors zu einer Empfangsoptik auf. In anderen Worten verändert sich bei einer Abstandsänderung zwischen Lichtsender und Sendeoptik die Geometrie, insbesondere ein Öffnungswinkel, des durch die Sendeoptik erzeugten Sendelichtkegels, wobei der Sendelichtkegel den Raumbereich beschreibt, in den vom Lichtsender emittiertes Sendelicht von der Sendeoptik abgestrahlt wird. Analog verändert sich auch ein Empfangslichtkegel, also der Raumbereich, aus dem Licht über eine Empfangsoptik auf einen Lichtempfänger gelangen kann, bei einer Abstandsänderung zwischen Empfangsoptik und Lichtempfänger. Die relative Bewegung zwischen Optik und Lichtsender beziehungsweise Lichtempfänger führt also zu einer Veränderung des Messbereichs, wodurch die oben angesprochenen Messfehler entstehen können.The disadvantage of such an arrangement, however, is that the movement of the laser to the lens simultaneously influences the image of the laser through the lens, since the laser is periodically shifted around the focal point of the lens. In particular with short focal length lenses, as are typically used for collimating lasers, this creates an imaging error, which in turn can lead to measurement errors. The same effect also occurs when the lens moves or when a light receiver or detector moves relative to a receiving optic. In other words, when the distance between the light transmitter and the transmitting optic changes, the geometry, in particular an opening angle, of the transmitted light cone generated by the transmitting optic changes, with the transmitted light cone describing the spatial area into which transmitted light emitted by the light transmitter is radiated by the transmitting optic. In a similar way, a received light cone, i.e. the spatial area from which light can reach a light receiver via a receiving optic, also changes when the distance between the receiving optic and the light receiver changes. The relative movement between the optics and the light transmitter or receiver therefore leads to a change in the measuring range, which can cause the measurement errors mentioned above.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors, insbesondere eines Gaskonzentrationssensors, anzugeben, bei dem die oben angegebenen Nachteile vermindert werden.It is therefore the object of the invention to provide an improved device and an improved method for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor, in particular a gas concentration sensor, in which the disadvantages mentioned above are reduced.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einem Gaskonzentrationssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf besondere Ausführungsformen und Ausgestaltungen gerichtet.This object is achieved with a device having the features of claim 1 or a method having the features of claim 9 and a gas concentration sensor having the features of claim 12. The dependent claims are directed to particular embodiments and configurations.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors umfasst zunächst einen Aktuator, beispielsweise ein Piezoelement oder einen Voice-Coil-Aktuator, der dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen einer Sendeoptik und einem Lichtsender eines optischen Sensors dynamisch zu variieren. Der Aktuator kann den Lichtsender und/oder die Sendeoptik bewegen. Die Sendeoptik erzeugt dabei einen Sendelichtkegel aus von dem Lichtsender emittierten Lichtstrahlen, kollimiert beispielsweise von einer Laserdiode abgegebene Laserstrahlung. Durch die dynamische Variation des Abstandes zwischen Lichtsender und Sendeoptik können, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Interferenzen des Sendelichts im Strahlengang des Sensors unterdrückt werden.A device according to the invention for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor initially comprises an actuator, for example a piezo element or a voice coil actuator, which is designed to dynamically vary a distance between a transmitting optic and a light transmitter of an optical sensor. The actuator can move the light transmitter and/or the transmitting optic. The transmitting optic generates a transmitted light cone from light rays emitted by the light transmitter, for example collimates laser radiation emitted by a laser diode. As is known from the prior art, interference of the transmitted light in the beam path of the sensor can be suppressed by dynamically varying the distance between the light transmitter and the transmitting optic.

Die Sendeoptik weist weiterhin ein optisches Element mit veränderlicher Brennweite zum Einstellen einer Brennweite der Sendeoptik auf.The transmitting optics further comprise an optical element with variable focal length for adjusting the focal length of the transmitting optics.

Das optische Element mit veränderlicher Brennweite und der Aktuator können von einer Steuereinheit angesteuert werden, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Aktuator und das optische Element mit veränderlicher Brennweite derart anzusteuern, dass ein Öffnungswinkel des durch die Sendeoptik erzeugten Sendelichtkegels unverändert bleibt. In anderen Worten kann durch eine Brennweitenänderung der Flüssiglinse und somit der Sendeoptik eine Veränderung des Sendelichtkegels, insbesondere eine Änderung eines Öffnungswinkels des Sendelichtkegels kompensiert werden, die sich aus einer Abstandsänderung zwischen Lichtsender und Sendeoptik ergibt. Beispielsweise kann eine Ansteuerung des Aktuators und des optischen Elements mit veränderlicher Brennweite derart erfolgen, dass sich die Brennweite des optischen Elements bei Verringerung des Abstands zwischen Lichtsender und Sendeoptik verkürzt, beziehungsweise bei Vergrößerung des Abstands zwischen Lichtsender und Sendeoptik verlängert. Damit kann gewährleistet werden, dass der Öffnungswinkel des Sendelichtkegels trotz der Abstandsänderung zwischen Lichtsender und Sendeoptik im Rahmen üblicher Toleranzen konstant bleibt, beispielsweise ein kollimierter Sendelichtstrahl kollimiert bleibt. Die Steuereinheit muss nicht zwangsläufig durch eine einzige physische Einheit gebildet sein. Der Aktuator und das optische Element mit veränderlicher Brennweite können auch jeweils eine eigene Steuereinheit aufweisen. In diesem Fall kann eine übergeordnete Steuereinheit die Ansteuerung von Aktuator und optischem Element derart koordinieren, dass der Öffnungswinkel des durch die Sendeoptik erzeugten Sendelichtkegels unverändert bleibt.The optical element with variable focal length and the actuator can be controlled by a control unit, wherein the control unit is designed to control the actuator and the optical element with variable focal length in such a way that an opening angle of the transmitted light cone generated by the transmitting optics remains unchanged. In other words, a change in the focal length of the liquid lens and thus of the transmitting optics can compensate for a change in the transmitted light cone, in particular a change in an opening angle of the transmitted light cone, which results from a change in the distance between the light transmitter and the transmitting optics. For example, the actuator and the optical element with variable focal length can be controlled in such a way that the focal length of the optical element shortens when the distance between the light transmitter and the transmitting optics is reduced, or lengthens when the distance between the light transmitter and the transmitting optics is increased. This ensures that the opening angle of the transmitted light cone remains constant within the usual tolerances despite the change in distance between the light transmitter and the transmitting optics, for example a collimated transmitted light beam remains collimated. The control unit does not necessarily have to be formed by a single physical unit. The actuator and the optical element with variable focal length can also each have their own control unit. In this case, a higher-level control unit can coordinate the control of the actuator and optical element in such a way that the opening angle of the transmitted light cone generated by the transmitting optics remains unchanged.

In einer Ausführungsform kann das optische Element mit veränderlicher Brennweite beispielsweise als Flüssiglinse ausgebildet sein. Derartige Flüssiglinsen sind aus dem Stand der Technik bekannt (z.B. Corning Varioptic Linsen der Firma Corning, ( https://www.corning.com/worldwide/en/products/advanced-optics/productmaterials/corning-varioptic-lenses/varioptic-technology.html ). Die Einstellung der Brennweite kann beispielsweise durch das Anlegen eines elektrischen Signals an die Flüssiglinse erfolgen.In one embodiment, the optical element with variable focal length can be designed as a liquid lens, for example. Such liquid lenses are known from the prior art (eg Corning Varioptic lenses from Corning, ( https://www.corning.com/worldwide/en/products/advanced-optics/productmaterials/corning-varioptic-lenses/varioptic-technology.html ). The focal length can be adjusted, for example, by applying an electrical signal to the liquid lens.

In einer weiteren Ausführungsform kann das optische Element mit veränderlicher Brennweite eine oder mehrere aktive optische Metaoberflächen aufweisen. Derartige Metaoberflächen beziehungsweise Metaoptiken oder Metalinsen sind beispielsweise in der wissenschaftlichen Veröffentlichung „ Adaptive metalenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift“ (SCIENCE ADVANCES 23 Feb 2018, Vol 4, Issue 2, DOI: 10.1126/sciadv.aap9957 ) bekannt. Die Verwendung von Metaoberflächen erlaubt eine besonders kompakte Bauweise des optischen Elements mit veränderlicher Brennweite.In a further embodiment, the optical element with variable focal length can have one or more active optical metasurfaces. Such metasurfaces or metaoptics or metal lenses are described, for example, in the scientific publication “ Adaptive metal lenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift” (SCIENCE ADVANCES 23 Feb 2018, Vol 4, Issue 2, DOI: 10.1126/sciadv.aap9957 ). The use of metasurfaces allows a particularly compact design of the optical element with variable focal length.

Der Aktuator kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, den Lichtsender gegenüber der Sendeoptik zu verschieben, vorzugsweise entlang einer optischen Achse der Sendeoptik. Alternativ kann der Aktuator dazu eingerichtet sein, die Sendeoptik gegenüber dem Lichtsender zu verschieben.The actuator can, for example, be designed to move the light transmitter relative to the transmitting optics, preferably along an optical axis of the transmitting optics. Alternatively, the actuator can be designed to move the transmitting optics relative to the light transmitter.

In einer Ausführungsform können das optische Element mit veränderlicher Brennweite und der Aktuator in einem Modul zusammengefasst sein, wobei der Aktuator das optische Element bewegt.In one embodiment, the variable focal length optical element and the actuator may be combined in a module, with the actuator moving the optical element.

Die Sendoptik kann bevorzugt allein durch das optische Element mit veränderlicher Brennweite gebildet sein. Dadurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau des Gesamtsystems.The transmitting optics can preferably be formed solely by the optical element with variable focal length. This results in a simplified structure of the overall system.

Die dynamische Abstandsänderung zwischen Lichtsender und Sendoptik und somit auch die Brennweitenänderung des optischen Elements mit veränderlicher Brennweite kann vorzugsweise periodisch erfolgen, beispielsweise durch von der Steuereinheit abgegebene, periodische Strom- oder Spannungssignale, zum Beispiel in Sinus- oder Dreiecksform. Die Frequenz der Abstandsänderung ist anwendungsabhängig und im Wesentlichen von den maximal möglichen Ansteuerfrequenzen des Aktuators und des optischen Elements mit veränderlicher Brennweite begrenzt. Für einen Gaskonzentrationssensor, der nach dem Prinzip der Tunable Diode Laser Spectroscopy (TDLS) arbeitet, können beispielsweise Frequenzen im niedrigen Hz-Bereich ausreichend sein. Wird das Sendelicht von einem Lichtempfänger erfasst, beispielsweise in einem optoelektronischen Sensor zur Abstandsmessung oder Objekterfassung, kann die Frequenz der Abstandsänderung auf eine Bildaufnahmefrequenz des Lichtempfängers angepasst sein.The dynamic change in distance between the light transmitter and the transmitting optics and thus also the change in focal length of the optical element with variable focal length can preferably be carried out periodically, for example by periodic current or voltage signals emitted by the control unit, for example in sinusoidal or triangular form. The frequency of the change in distance depends on the application and essentially on the maximum possible control frequencies of the actuator and the optical element with variable focal length. For a gas concentration sensor that works according to the principle of tunable diode laser spectroscopy (TDLS), for example, frequencies in the low Hz range may be sufficient. If the transmitted light is detected by a light receiver, for example in an optoelectronic sensor for distance measurement or object detection, the frequency of the distance change can be adapted to an image recording frequency of the light receiver.

Die Abstandsänderung zwischen Lichtsender und Sendoptik kann bevorzugt dem 0,25- bis 4-fachen einer Wellenlänge des vom Lichtsender emittierten Sendelichts entsprechen. Grundsätzlich sind auch größere Abstandsänderungen möglich. Eine Abstandsänderung im Bereich des 0,25- bis 4-fachen einer Wellenlänge hat den Vorteil, dass der Aktuator bei Wellenlängen des Sendelichts im sichtbaren und nahen infraroten Wellenlängenbereich mit einem geringen Hub von üblicherweise weniger als 10µm betrieben werden kann.The change in distance between the light transmitter and the transmission optics can preferably correspond to 0.25 to 4 times the wavelength of the transmitted light emitted by the light transmitter. In principle, larger changes in distance are also possible. A change in distance in the range of 0.25 to 4 times the wavelength has the advantage that the actuator can be operated with wavelengths of the transmitted light in the visible and near infrared wavelength range with a small stroke of usually less than 10 µm.

Die oben senderseitig beschriebene Lösung kann auch in einem Empfangspfad eines optoelektronischen Sensors eingesetzt werden, wobei ein Aktuator vorgesehen sein kann, der einen Abstand zwischen einer Empfangsoptik und einem Lichtempfänger des Sensors variiert. Die Empfangsoptik ist dabei als Sammeloptik ausgelegt, wobei die Empfangsoptik Empfangslichtstrahlen aus einem Empfangslichtkegel auf dem Lichtempfänger sammelt, insbesondere auf den Lichtempfänger fokussiert. Als Empfangslichtkegel ist dabei der Raumbereich zu verstehen, aus dem Licht über die Empfangsoptik auf den Lichtempfänger gelangen kann.The solution described above on the transmitter side can also be used in a reception path of an optoelectronic sensor, whereby an actuator can be provided that varies a distance between a reception optic and a light receiver of the sensor. The reception optic is designed as a collecting optic, whereby the reception optic collects received light rays from a reception light cone on the light receiver, in particular focusing them on the light receiver. The reception light cone is understood to be the spatial area from which light can reach the light receiver via the reception optic.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere in einem Gaskonzentrationssensor zur Bestimmung einer Gas- oder Partikelkonzentration in einem Messvolumen verwendet werden. Der Begriff „Messvolumen“ wird hier für den Raum verwendet, in dem sich das zu beobachtende oder zu messende Gas befindet beziehungsweise bewegt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein entsprechendes Behältnis, einen Kanal, ein Rohr oder einen Abgas führenden Kamin handeln.The device according to the invention can be used in particular in a gas concentration sensor for determining a gas or particle concentration in a measuring volume. The term "measuring volume" is used here for the space in which the gas to be observed or measured is located or moves. This can be, for example, a corresponding container, a channel, a pipe or a chimney carrying exhaust gas.

Ein derartiger Gaskonzentrationssensor weist wenigstens ein erstes Gehäuse mit einer Öffnung zur Verbindung mit dem Messvolumen und einen Lichtsender mit einer Sendeoptik zum Aussenden von Sendelichtstrahlen entlang einer optischen Achse des Lichtsenders durch das erste Gehäuse in das Messvolumen auf. In demselben ersten Gehäuse wie der Lichtsender oder in einem zweiten Gehäuse mit einer Öffnung zur Verbindung mit dem Messvolumen ist ein Lichtempfänger mit einer Empfangsoptik zum Empfang der Sendelichtstrahlen als Empfangslichtstrahlen nach Durchlaufen des Messvolumens angeordnet.Such a gas concentration sensor has at least a first housing with an opening for connection to the measuring volume and a light transmitter with a transmitting optics for emitting transmitted light beams along an optical axis of the light transmitter through the first housing into the measuring volume. In the same first housing as the light transmitter or in a second housing with an opening for connection to the measuring volume, a light receiver with a receiving optics for receiving the transmitted light beams as received light beams after passing through the measuring volume is arranged.

Eine Steuer- und Auswerteeinheit steuert den Lichtsender an, wertet die am Lichtempfänger empfangenen Sendelichtstrahlen aus und kann die Gas- oder Partikelkonzentration insbesondere aus der Absorption der Sendelichtstrahlen auf dem Weg vom Lichtsender zum Lichtempfänger bestimmen.A control and evaluation unit controls the light transmitter, evaluates the transmitted light rays received at the light receiver and can determine the gas or particle concentration, in particular from the absorption of the transmitted light rays on the way from the light transmitter to the light receiver.

Der Gaskonzentrationssensor kann in sogenannten „Cross-Duct“-Anordnungen eingesetzt werden. In solchen Anordnungen ist der Gaskonzentrationssensor zweiteilig aufgebaut, wobei das erste Vorrichtungsteil das erste Gehäuse mit dem Lichtsender umfasst und der Lichtempfänger in einem zweiten separaten Vorrichtungsteil auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens angeordnet ist. Der zweite Vorrichtungsteil kann dabei ein zweites Gehäuse für den Lichtempfänger aufweisen.The gas concentration sensor can be used in so-called "cross-duct" arrangements. In such arrangements, the gas concentration sensor is constructed in two parts, with the first device part comprising the first housing with the light transmitter and the light receiver being arranged in a second separate device part on the opposite side of the measuring volume. The second device part can have a second housing for the light receiver.

In einer alternativen Ausführungsform des Gaskonzentrationssensors ist der Lichtempfänger im selben Gehäuse wie der Lichtsender angeordnet, wobei ein Reflektor den Sendelichtstrahl aus dem Messvolumen zurück in Richtung Lichtempfänger reflektiert. Diese Ausführungsform kann eine sogenannte Messlanze mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweisen, wobei das erste Ende an das Gehäuse angeschlossen ist und das zweite Ende in das zu messende Gas hineinragt. Die Messlanze kann ein Rohr aufweisen, wobei das Rohr Öffnungen für das zu messende Gas aufweist. Der Reflektor kann am zweiten Ende der Messlanze im Rohr oder in einem Reflektorgehäuse angeordnet sein.In an alternative embodiment of the gas concentration sensor, the light receiver is arranged in the same housing as the light transmitter, with a reflector reflecting the transmitted light beam from the measuring volume back towards the light receiver. This embodiment can have a so-called measuring lance with a first and a second end, with the first end being connected to the housing and the second end extending into the gas to be measured. The measuring lance can have a tube, with the tube having openings for the gas to be measured. The reflector can be arranged at the second end of the measuring lance in the tube or in a reflector housing.

Sender- und/oder empfängerseitig weist der Gaskonzentrationssensor wenigstens eine der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Verminderung von Interferenzen im Strahlengang des Gaskonzentrationssensors auf. Die Steuereinheit der Vorrichtung kann Teil der Steuer- und Auswerteeinheit des Gaskonzentrationssensors oder Teil der jeweiligen Vorrichtung sein.On the transmitter and/or receiver side, the gas concentration sensor has at least one of the above-described devices according to the invention for reducing interference in the beam path of the gas concentration sensor. The control unit of the device can be part of the control and evaluation unit of the gas concentration sensor or part of the respective device.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The method according to the invention can be developed in a similar way and thereby shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example, but not exhaustively, in the subclaims following the independent claims.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen

  • 1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung von Interferenzen in einem Sendestrahlengang eines optoelektronischen Sensors;
  • 2: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung von Interferenzen in einem Sendestrahlengang eines optoelektronischen Sensors;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung von Interferenzen in einem Empfangsstrahlengang eines optoelektronischen Sensors;
  • 4: eine schematische Seitenansicht eines Gaskonzentrationssensors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 5: eine schematische Seitenansicht eines Gaskonzentrationssensors in „Cross Duct“ Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 6: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors aus dem Stand der Technik;
In the following, the invention is explained in detail using embodiments with reference to the drawing. In the drawing,
  • 1 : a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention for reducing interference boundaries in a transmission beam path of an optoelectronic sensor;
  • 2 : a schematic representation of a further embodiment of a device according to the invention for reducing interference in a transmission beam path of an optoelectronic sensor;
  • 3 : a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention for reducing interference in a receiving beam path of an optoelectronic sensor;
  • 4 : a schematic side view of a gas concentration sensor with a device according to the invention;
  • 5 : a schematic side view of a gas concentration sensor in a “cross duct” arrangement with a device according to the invention;
  • 6 : a schematic representation of a device for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor from the prior art;

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Teile.In the figures, identical reference symbols designate identical or functionally identical parts.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1010 zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors aus dem Stand der Technik, die sich an der oben genannten EP 2 336 738 A1 orientiert. Ein Lichtsender 1012, beispielsweise eine Laserdiode, emittiert Sendelichtstrahlen 1014 entlang einer optischen Achse 1016. Eine in einem Abstand d angeordnete Sendeoptik 1018 erzeugt aus den Sendelichtstrahlen 1014 einen Sendelichtkegel 1020 in einem Überwachungs- oder Messbereich 1022 des Sensors. Ein Aktuator 1024 ist dazu eingerichtet, den Abstand d zwischen Lichtsender 1012 und Sendeoptik 1018 dynamisch zu variieren. Durch geeignete Wahl von Frequenz und Amplitude der Abstandsvariation können Interferenzen des Sendelichts zwischen dem Lichtsender 1012 und der Sendeoptik 1018 verringert beziehungsweise vorzugsweise vollständig unterdrückt werden. Unter a) ist die Grundstellung der Vorrichtung 1010 dargestellt. Lichtsender 1012 und Sendeoptik 1018 sind derart beabstandet, dass die Sendelichtstrahlen 1014 durch die Sendeoptik 1018 kollimiert werden, der Sendelichtkegel 1020 also einen Öffnungswinkel von im Wesentlichen Null Grad aufweist. In b) ist der Lichtsender 1012 durch den Aktuator 1024 derart gegenüber der Sendeoptik 1018 verschoben, dass der Abstand ds zwischen Lichtsender 1012 und Sendeoptik 1018 im Vergleich zu der in a) dargestellten Situation vergrößert ist. Dadurch verändert sich der Öffnungswinkel des Sendelichtkegels 1020, die Sendelichtstrahlen 1014 verlaufen nach Durchgang durch die Sendeoptik 1018 konvergent. In c) ist der gegenteilige Fall dargestellt, in dem der Abstand ds im Vergleich zu der in a) dargestellten Situation verkleinert ist, wodurch die Sendelichtstrahlen 1014 nach Durchgang durch die Sendeoptik 1018 divergent verlaufen. Insgesamt führt also die Änderung des Abstands d zwischen Lichtsender 1012 und Sendeoptik 1018 zu einer Änderung des Öffnungswinkels des Sendelichtkegels 1020 im Überwachungs- oder Messbereich 1022, was zur Verfälschung von Messergebnissen führen kann. 6 shows a schematic representation of a device 1010 for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor from the prior art, which is based on the above-mentioned EP 2 336 738 A1 oriented. A light transmitter 1012, for example a laser diode, emits transmitted light beams 1014 along an optical axis 1016. A transmitting optics 1018 arranged at a distance d generates a transmitted light cone 1020 from the transmitted light beams 1014 in a monitoring or measuring area 1022 of the sensor. An actuator 1024 is set up to dynamically vary the distance d between the light transmitter 1012 and the transmitting optics 1018. By appropriately selecting the frequency and amplitude of the distance variation, interference of the transmitted light between the light transmitter 1012 and the transmitting optics 1018 can be reduced or preferably completely suppressed. The basic position of the device 1010 is shown under a). Light transmitter 1012 and transmission optics 1018 are spaced apart such that the transmitted light beams 1014 are collimated by the transmission optics 1018, so that the transmitted light cone 1020 has an opening angle of essentially zero degrees. In b), the light transmitter 1012 is displaced by the actuator 1024 relative to the transmission optics 1018 such that the distance d s between the light transmitter 1012 and the transmission optics 1018 is increased compared to the situation shown in a). This changes the opening angle of the transmitted light cone 1020, and the transmitted light beams 1014 converge after passing through the transmission optics 1018. In c) the opposite case is shown, in which the distance d s is reduced compared to the situation shown in a), whereby the transmitted light beams 1014 run divergently after passing through the transmitting optics 1018. Overall, the change in the distance d between the light transmitter 1012 and the transmitting optics 1018 leads to a change in the opening angle of the transmitted light cone 1020 in the monitoring or measuring area 1022, which can lead to falsification of measurement results.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors. Wie in der in 6 gezeigten Vorrichtung 1010 aus dem Stand der Technik emittiert ein Lichtsender 12, beispielsweise eine Laserdiode, Sendelichtstrahlen 14 entlang einer optischen Achse 16. Eine in einem Abstand ds angeordnete Sendeoptik 18 erzeugt aus den Sendelichtstrahlen 14 einen Sendelichtkegel 20 in einem Überwachungs- oder Messbereich 22 des Sensors. Die Sendeoptik 18 ist als Flüssiglinse mit einstellbarer Brennweite ausgeführt und umfasst somit ein optisches Element mit veränderlicher Brennweite. Ein Aktuator 24 ist dazu eingerichtet, den Abstand ds zwischen Lichtsender 12 und Sendeoptik 18 dynamisch zu variieren. Aktuator 24 und Flüssiglinse 18 werden über eine Steuereinheit 26 angesteuert. Durch geeignete Wahl von Frequenz und Amplitude der Abstandsvariation können Interferenzen des Sendelichts insbesondere zwischen dem Lichtsender 12 und der Sendeoptik 18 verringert beziehungsweise vorzugsweise vollständig unterdrückt werden. Unter a) ist die Grundstellung der Vorrichtung 10 dargestellt. Lichtsender 12 und Sendeoptik 18 sind in diesem Ausführungsbeispiel derart beabstandet, dass die Sendelichtstrahlen 14 durch die Sendeoptik 18 kollimiert werden, der Sendelichtkegel 20 also einen Öffnungswinkel von im Wesentlichen Null Grad aufweist. In b) ist der Lichtsender 12 durch den Aktuator 24 derart gegenüber der Sendeoptik 18 verschoben, dass der Abstand ds zwischen Lichtsender 12 und Sendeoptik 18 im Vergleich zu der in a) dargestellten Situation vergrößert ist. Die Sendeoptik 18 wird nun von der Steuereinheit 26 derart angesteuert, dass sich die Brennweite der Sendeoptik so verlängert (angedeutet durch eine verringerte Dicke und Krümmung der Sendeoptik 18), dass sich der Öffnungswinkel des Sendelichtkegels 20 nicht ändert, die Sendelichtstrahlen 14 nach Durchgang durch die Sendeoptik 18 also weiterhin kollimiert bleiben. In c) ist der gegenteilige Fall dargestellt, in dem der Abstand ds im Vergleich zu der in a) dargestellten Situation verkleinert ist, wodurch die Sendelichtstrahlen 14 nach Durchgang durch die Sendeoptik 18 divergent verlaufen würden, sofern die Brennweite der Sendeoptik 18 konstant bliebe. Die Sendeoptik 18 wird jedoch von der Steuereinheit 26 derart angesteuert, dass sich die Brennweite der Sendeoptik so verkürzt (angedeutet durch eine größere Dicke und stärkere Krümmung der Sendeoptik 18), dass der Öffnungswinkel des Sendelichtkegels 20 konstant bleibt. Insgesamt wird also eine Änderung des Abstands ds zwischen Lichtsender 12 und Sendeoptik 18 durch eine entsprechende Brennweitenänderung der Sendeoptik 18 kompensiert, so dass der Öffnungswinkel des Sendelichtkegels 20 im Wesentlichen, also im Rahmen üblicher Toleranzen, konstant bleibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bleibt dadurch ein kollimiertes Sendelichtbündel kollimiert. Entsprechend kann auch eine vorgegebene Divergenz oder Konvergenz eines Sendelichtbündels konstant gehalten werden. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device 10 according to the invention for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor. As in the 6 In the prior art device 1010 shown, a light transmitter 12, for example a laser diode, emits transmitted light beams 14 along an optical axis 16. A transmitting optics 18 arranged at a distance d s generates a transmitted light cone 20 from the transmitted light beams 14 in a monitoring or measuring area 22 of the sensor. The transmitting optics 18 are designed as a liquid lens with an adjustable focal length and thus comprise an optical element with a variable focal length. An actuator 24 is set up to dynamically vary the distance d s between the light transmitter 12 and the transmitting optics 18. The actuator 24 and liquid lens 18 are controlled via a control unit 26. By suitable selection of the frequency and amplitude of the distance variation, interference of the transmitted light, in particular between the light transmitter 12 and the transmitting optics 18, can be reduced or preferably completely suppressed. The basic position of the device 10 is shown under a). In this exemplary embodiment, the light transmitter 12 and the transmitting optics 18 are spaced apart in such a way that the transmitted light beams 14 are collimated by the transmitting optics 18, so that the transmitted light cone 20 has an opening angle of essentially zero degrees. In b), the light transmitter 12 is displaced by the actuator 24 in relation to the transmitting optics 18 in such a way that the distance d s between the light transmitter 12 and the transmitting optics 18 is increased in comparison to the situation shown in a). The transmitting optics 18 are now controlled by the control unit 26 in such a way that the focal length of the transmitting optics is extended (indicated by a reduced thickness and curvature of the transmitting optics 18) so that the opening angle of the transmitted light cone 20 does not change, so that the transmitted light beams 14 remain collimated after passing through the transmitting optics 18. In c) the opposite case is shown, in which the distance d s is reduced compared to the situation shown in a), whereby the transmitted light rays 14 would run divergently after passing through the transmitting optics 18, provided that the focal length of the transmitting optics 18 remained constant. However, the transmitting optics 18 are controlled by the control unit 26 in such a way that the focal length of the transmitting optics is shortened (indicated by a greater thickness and greater curvature of the transmitting optics 18) so that the opening angle of the transmitted light cone 20 remains constant. Overall, a change in the distance d s between the light transmitter 12 and the transmitting optics 18 is compensated by a corresponding change in the focal length of the transmitting optics 18, so that the opening angle of the transmitted light cone 20 remains essentially constant, i.e. within the usual tolerances. In the embodiment shown, a collimated transmitted light beam therefore remains collimated. Accordingly, a predetermined divergence or convergence of a transmitted light beam can also be kept constant.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 zur Verminderung von Interferenzen in einem Sendestrahlengang eines optoelektronischen Sensors. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Vorrichtung 10 ist ein Aktuator 44 dazu ausgebildet, anstelle eines Lichtsenders 32 eine Sendeoptik 38 entlang einer optischen Achse 36 relativ zum Lichtsender 32 zu verschieben, um so einen Abstand ds zwischen der Sendeoptik 38 und dem Lichtsender 32 zu variieren. Die Sendeoptik 38 ist wiederum als Flüssiglinse ausgelegt und ändert ihre Brennweite entsprechend zur Abstandsänderung zwischen Lichtsender 32 und Sendeoptik 38, so dass ein Öffnungswinkel des Sendelichtkegels 40 bei der Abstandsänderung konstant bleibt, im vorliegenden Beispiel das Sendelicht 34 die Sendeoptik 38 also unabhängig vom Abstand ds zum Lichtsender 32 kollimiert verlässt. Beispielhaft sind 3 Positionen und Konfigurationen der Sendeoptik gezeigt (jeweils in gestrichelten, durchgezogenen oder gepunkteten Linien), wobei die Brennweitenänderung der Flüssiglinse beziehungsweise Sendeoptik 38 schematisch durch eine entsprechende Formänderung der Linse (Dicke und Krümmungsradius) angedeutet ist. Aktuator 44 und Sendeoptik 38 können ein Modul 48 bilden, wobei die Steuereinheit 46 Teil des Moduls 48 sein kann. Alternativ kann die Steuereinheit auch als separates Bauteil oder Teil einer übergeordneten Steuerung des Sensors ausgeführt sein. 2 shows a further embodiment of a device 30 according to the invention for reducing interference in a transmission beam path of an optoelectronic sensor. In contrast to the device shown in 1 In the device 10 shown, an actuator 44 is designed to move a transmitting optic 38 along an optical axis 36 relative to the light transmitter 32 instead of a light transmitter 32 in order to vary a distance d s between the transmitting optic 38 and the light transmitter 32. The transmitting optic 38 is in turn designed as a liquid lens and changes its focal length in accordance with the change in distance between the light transmitter 32 and the transmitting optic 38 so that an opening angle of the transmitted light cone 40 remains constant when the distance changes, so in the present example the transmitted light 34 leaves the transmitting optic 38 collimated regardless of the distance d s to the light transmitter 32. Three positions and configurations of the transmitting optics are shown as examples (each in dashed, solid or dotted lines), with the change in focal length of the liquid lens or transmitting optics 38 being indicated schematically by a corresponding change in the shape of the lens (thickness and radius of curvature). Actuator 44 and transmitting optics 38 can form a module 48, with the control unit 46 being part of the module 48. Alternatively, the control unit can also be designed as a separate component or part of a higher-level control of the sensor.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 zur Verminderung von Interferenzen in einem Empfangsstrahlengang eines optoelektronischen Sensors. Über eine als Sammeloptik ausgelegte Empfangsoptik 52 gelingt Licht aus einem Empfangslichtkegel 54 als Empfangslichtstrahl 56 auf einen in einem Abstand de von der Empfangsoptik 52 angeordneten Lichtempfänger 58. Die Geometrie, insbesondere der Öffnungswinkel des Empfangslichtkegels 54 ergibt sich im Wesentlichen aus der Brennweite und der Apertur der Empfangsoptik 52, sowie dem Abstand de zwischen der Empfangsoptik 52 und dem Lichtempfänger 58. Zur Vermeidung von Interferenzen des Lichts, insbesondere zwischen Empfangsoptik 52 und Lichtempfänger 58, ist ein Aktuator 60 dazu ausgebildet, den Abstand de zwischen Empfangsoptik 52 und Lichtempfänger 58 dynamisch zu variieren. Die Empfangsoptik 52 ist als Flüssiglinse ausgelegt und ändert Ihre Brennweite entsprechend zur Abstandsänderung zwischen Lichtempfänger 58 und Empfangsoptik 52, so dass der Öffnungswinkel des Empfangslichtkegels 54, aus dem Licht auf den Lichtempfänger gelangen kann, bei der Abstandsänderung konstant bleibt. Aktuator 60 und Empfangsoptik 52 werden dabei von einer Steuereinheit 62 angesteuert, die Teil eines Moduls 64 sein kann, das den Aktuator 60 und die Empfangsoptik 52 umfasst. Alternativ kann die Steuereinheit 62 auch als separates Bauteil oder Teil einer übergeordneten Steuerung des Sensors ausgeführt sein. 3 shows a schematic representation of an embodiment of a device 50 according to the invention for reducing interference in a receiving beam path of an optoelectronic sensor. Via a receiving optics 52 designed as a collecting optics, light from a receiving light cone 54 reaches a light receiver 58 arranged at a distance d e from the receiving optics 52 as a receiving light beam 56. The geometry, in particular the opening angle of the receiving light cone 54, results essentially from the focal length and the aperture of the receiving optics 52, as well as the distance d e between the receiving optics 52 and the light receiver 58. To avoid interference of the light, in particular between the receiving optics 52 and the light receiver 58, an actuator 60 is designed to dynamically vary the distance d e between the receiving optics 52 and the light receiver 58. The receiving optics 52 are designed as a liquid lens and change their focal length according to the change in distance between the light receiver 58 and the receiving optics 52, so that the opening angle of the receiving light cone 54, from which light can reach the light receiver, remains constant when the distance changes. The actuator 60 and the receiving optics 52 are controlled by a control unit 62, which can be part of a module 64 that includes the actuator 60 and the receiving optics 52. Alternatively, the control unit 62 can also be designed as a separate component or part of a higher-level control system for the sensor.

4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gaskonzentrationssensors 70 zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 72 zur Verminderung von Interferenzen im Strahlengang des Gaskonzentrationssensors 70. Im dargestellten Ausführungsbeispiel strömt Messgas in einem Prozesskanal 74, wobei der Messgasstrom durch den Pfeil 76 angedeutet ist. Das Messgerät 70 umfasst ein erstes Gehäuse 78, das mit einem ersten Ende 80 eines lanzenartigen Messrohrs 82, das einen Flansch 84 aufweist, verbunden ist. Der Flansch 84 ist außen an dem Prozesskanal 74 montiert. Das lanzenartige Messrohr 82 ragt in das Innere des Prozesskanals 74 hinein und weist Öffnungen 86 auf, durch die Messgas in das Messrohr 82 eintreten kann. Die Öffnungen 86 können Filter aufweisen, so dass störende Partikel, wie Staub, Tröpfchen oder dergleichen, die als Punkte angedeutet sind, nicht in das Messrohr 82 gelangen können. 4 shows a schematic side view of a gas concentration sensor 70 for determining a concentration of a gas component in a measuring gas with a device 72 according to the invention for reducing interference in the beam path of the gas concentration sensor 70. In the exemplary embodiment shown, measuring gas flows in a process channel 74, the measuring gas flow being indicated by the arrow 76. The measuring device 70 comprises a first housing 78 which is connected to a first end 80 of a lance-like measuring tube 82 which has a flange 84. The flange 84 is mounted on the outside of the process channel 74. The lance-like measuring tube 82 projects into the interior of the process channel 74 and has openings 86 through which measuring gas can enter the measuring tube 82. The openings 86 can have filters so that disturbing particles such as dust, droplets or the like, which are indicated as dots, cannot get into the measuring tube 82.

In dem ersten Gehäuse 78 ist ein Lichtsender 88 angeordnet, der einen divergenten Sendelichtstrahl 90a entlang einer optischen Achse 92 der Lichtsender 88 emittiert. Der Sendelichtstrahl 90a wird von einer Sendeoptik 94 kollimiert und gelangt als kollimierter ausgehender Sendelichtstrahl 90b in ein Messvolumen 96 im Prozesskanal 74. An einem zweiten Ende des Messrohres 82 (in der Figur das rechte Ende) ist ein Retroreflektor 98 angeordnet, der den kollimierten Sendelichtstrahl 90b als reflektierten Sendelichtstrahl zurück in Richtung des ersten Gehäuses 78 reflektiert. Ein Strahlteiler 100 lenkt den reflektierten Sendelichtstrahl auf eine Empfangsoptik 102, die den reflektierten Sendelichtstrahl als Empfangslichtstrahl 90c auf einen Lichtempfänger 104 fokussiert. Zur verbesserten Trennung von ausgehendem Sendelichtstrahl 90a und reflektiertem Sendelichtstrahl kann der Strahlteiler 100 als polarisierender Strahlteiler ausgeführt und ein Viertelwellenlängenplättchen 106 zwischen Strahlteiler 100 und dem Reflektor 62 angeordnet sein. In alternativen Ausführungen (nicht gezeigt) kann der Sendelichtstrahl vom Retroreflektor derart reflektiert werden, dass der reflektierte Sendelichtstrahl versetzt durch das Messvolumen in das Gehäuse und auf den Lichtempfänger geführt wird. Ein Strahlteiler zum Trennen von ausgehendem Sendelichtstrahl und refaktiertem Sendelichtstrahl beziehungsweise Empfangslichtstrahl ist dann nicht nötig.A light transmitter 88 is arranged in the first housing 78, which emits a divergent transmitted light beam 90a along an optical axis 92 of the light transmitter 88. The transmitted light beam 90a is collimated by a transmitting optics 94 and enters a measuring volume 96 in the process channel 74 as a collimated outgoing transmitted light beam 90b. A retroreflector 98 is arranged at a second end of the measuring tube 82 (the right end in the figure), which reflects the collimated transmitted light beam 90b as a reflected transmitted light beam back in the direction of the first housing 78. A beam splitter 100 directs the reflected transmitted light beam onto a receiving optics 102, which focuses the reflected transmitted light beam as a received light beam 90c onto a light receiver 104. For improved separation of outgoing transmitted light beam 90a and reflected transmitted light beam, the beam splitter 100 can be designed as a polari The reflector 62 can be designed as a beam splitter and a quarter-wave plate 106 can be arranged between the beam splitter 100 and the reflector 62. In alternative embodiments (not shown), the transmitted light beam can be reflected by the retroreflector in such a way that the reflected transmitted light beam is guided offset through the measuring volume into the housing and onto the light receiver. A beam splitter for separating the outgoing transmitted light beam and the reflected transmitted light beam or received light beam is then not necessary.

Eine Steuer- und Auswerteeinheit 108 steuert den Lichtsender 88 an und wertet durch den Empfangslichtstrahl 90c erzeugte Lichtempfangssignale des Lichtempfängers 104 zur Bestimmung einer Gaskonzentration des Messgases aus.A control and evaluation unit 108 controls the light transmitter 88 and evaluates light reception signals of the light receiver 104 generated by the reception light beam 90c to determine a gas concentration of the measuring gas.

Zur Verminderung von Interferenzen im Strahlengang des Gaskonzentrationssensors 70, insbesondere zwischen Lichtsender 88 und Sendeoptik 94 ist wie in 3 gezeigt ein Aktuator 110 dazu eingerichtet, den Abstand ds zwischen Sendeoptik 94 und Lichtsender 88 dynamisch zu variieren, wobei die Sendeoptik 94 eine Flüssiglinse mit veränderlicher Brennweite umfasst und die Steuer- und Auswerteeinheit 108 den Aktuator 110 und die Flüssiglinse derart ansteuert, dass der ausgehende Sendelichtstrahl 90b kollimiert bleibt.To reduce interference in the beam path of the gas concentration sensor 70, in particular between the light transmitter 88 and the transmitting optics 94, as in 3 shown, an actuator 110 is configured to dynamically vary the distance d s between the transmitting optics 94 and the light transmitter 88, wherein the transmitting optics 94 comprises a liquid lens with a variable focal length and the control and evaluation unit 108 controls the actuator 110 and the liquid lens such that the outgoing transmitted light beam 90b remains collimated.

Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Gaskonzentrationssensors 120 in einer sogenannten „Cross-Duct“-Anordnung. Wie in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Messgas in einem Prozesskanal 74. Der Messgasstrom ist durch den Pfeil 76 angedeutet. Ein erstes Gehäuse 78 ist über einen Flansch 84 von außen am Prozesskanal 74 befestigt.The 5 shows another embodiment of a gas concentration sensor 120 in a so-called “cross-duct” arrangement. As in the 4 In the embodiment shown, the measuring gas flows in a process channel 74. The measuring gas flow is indicated by the arrow 76. A first housing 78 is attached to the process channel 74 from the outside via a flange 84.

In dem ersten Gehäuse 78 ist ein Lichtsender 88 angeordnet, der einen divergenten Sendelichtstrahl 90a entlang einer optischen Achse 92 des Lichtsenders 88 emittiert. Der Sendelichtstrahl 90a wird von einer Sendeoptik 94 kollimiert und gelangt als kollimierter ausgehender Sendelichtstrahl 90b in ein Messvolumen 96 im Prozesskanal 74.A light transmitter 88 is arranged in the first housing 78, which emits a divergent transmitted light beam 90a along an optical axis 92 of the light transmitter 88. The transmitted light beam 90a is collimated by a transmitting optics 94 and reaches a measuring volume 96 in the process channel 74 as a collimated outgoing transmitted light beam 90b.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Prozesskanals 74 ist ein zweites Gehäuse 122 4 über einen Flansch 124 von außen am Prozesskanal 74 befestigt. In dem zweiten Gehäuse 122 ist eine Empfangsoptik 126 angeordnet, die den kollimierten Sendelichtstrahl 90b nach Durchgang durch das Messvolumen 96 als Empfangslichtstrahl 90c auf einen Lichtempfänger 128 fokussiert.On the opposite side of the process channel 74, a second housing 122 4 is attached to the process channel 74 from the outside via a flange 124. A receiving optics 126 is arranged in the second housing 122, which focuses the collimated transmitted light beam 90b as a received light beam 90c onto a light receiver 128 after passing through the measuring volume 96.

Eine Steuer- und Auswerteeinheit 130 steuert den Lichtsender 88 an und wertet durch den Empfangslichtstrahl 90c erzeugte Lichtempfangssignale des Lichtempfängers 128 zur Bestimmung einer Gaskonzentration des Messgases aus.A control and evaluation unit 130 controls the light transmitter 88 and evaluates light reception signals of the light receiver 128 generated by the reception light beam 90c to determine a gas concentration of the measuring gas.

Zur Verminderung von Interferenzen im Strahlengang des Gaskonzentrationssensors 120, ist im ersten Gehäuse 78 eine Vorrichtung 72 mit einem ersten Aktuator 110 dazu eingerichtet, den Abstand ds zwischen Sendeoptik 94 und Lichtsender 88 dynamisch zu variieren, wobei die Sendeoptik 94 eine Flüssiglinse mit veränderlicher Brennweite umfasst und die Steuer- und Auswerteeinheit 130 den ersten Aktuator 110 und die Flüssiglinse derart ansteuert, dass der ausgehende Sendelichtstrahl 90b kollimiert bleibt. Im zweiten Gehäuse 122 ist eine weitere Vorrichtung 132 mit einem zweiten Aktuator 134 dazu eingerichtet, den Abstand de zwischen Empfangsoptik 102 und Lichtempfänger 104 dynamisch zu variieren, wobei die Empfangsoptik 102 eine zweite Flüssiglinse mit veränderlicher Brennweite umfasst und die Steuer- und Auswerteeinheit 130 den zweiten Aktuator 126 und die Flüssiglinse derart ansteuert, dass der Empfangslichtstrahl 90c auf den Lichtempfänger 128 fokussiert bleibt.To reduce interference in the beam path of the gas concentration sensor 120, a device 72 with a first actuator 110 is set up in the first housing 78 to dynamically vary the distance d s between the transmitting optics 94 and the light transmitter 88, wherein the transmitting optics 94 comprises a liquid lens with a variable focal length and the control and evaluation unit 130 controls the first actuator 110 and the liquid lens such that the outgoing transmitted light beam 90b remains collimated. In the second housing 122, a further device 132 with a second actuator 134 is configured to dynamically vary the distance d e between the receiving optics 102 and the light receiver 104, wherein the receiving optics 102 comprises a second liquid lens with a variable focal length and the control and evaluation unit 130 controls the second actuator 126 and the liquid lens such that the received light beam 90c remains focused on the light receiver 128.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2336738 A1 [0005, 0029]EP 2336738 A1 [0005, 0029]

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  • Adaptive metalenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift“ (SCIENCE ADVANCES 23 Feb 2018, Vol 4, Issue 2, DOI: 10.1126/sciadv.aap9957 [0013]Adaptive metal lenses with simultaneous electrical control of focal length, astigmatism, and shift” (SCIENCE ADVANCES 23 Feb 2018, Vol 4, Issue 2, DOI: 10.1126/sciadv.aap9957 [0013]

Claims (15)

Vorrichtung (10, 30, 50) zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors umfassend, - eine Sendeoptik (18, 38) zum Erzeugen eines Sendelichtkegels (20,40) aus von einem Lichtsender (12, 32) des optoelektronischen Sensors emittierten Sendelichtstrahlen (14, 34) oder eine Empfangsoptik (52) zum Sammeln von Empfangslichtstrahlen (56) aus einem Empfangslichtkegel (54) auf einem Lichtempfänger (58) des optoelektronischen Sensors, und - wenigstens einen Aktuator (24, 44, 60), der dazu eingerichtet ist, einen Abstand (ds) zwischen der Sendeoptik (18, 38) und dem Lichtsender (12, 32) beziehungsweise einen Abstand (de) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) zur Verminderung der Interferenzen dynamisch zu variieren, dadurch gekennzeichnet, dass - die Sendeoptik (18, 38) beziehungsweise die Empfangsoptik (52) ein optisches Element mit veränderlicher Brennweite zum Variieren einer Brennweite der Sendeoptik (18, 38) beziehungsweise der Empfangsoptik (52) aufweist, und - die Vorrichtung (10, 30, 50) eine Steuereinheit (26, 46, 62) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Aktuator (24, 44, 60) und das optische Element mit veränderlicher Brennweite derart anzusteuern, dass ein Öffnungswinkel des Sendelichtkegels (20, 40) beziehungsweise des Empfangslichtkegels (54) bei Variation des Abstands (ds) zwischen der Sendeoptik (18, 38) und dem Lichtsender (12, 32) beziehungsweise des Abstands (de) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) unverändert bleibt.Device (10, 30, 50) for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor, comprising - a transmitting optics (18, 38) for generating a transmitted light cone (20, 40) from transmitted light beams (14, 34) emitted by a light transmitter (12, 32) of the optoelectronic sensor or a receiving optics (52) for collecting received light beams (56) from a received light cone (54) on a light receiver (58) of the optoelectronic sensor, and - at least one actuator (24, 44, 60) which is designed to dynamically adjust a distance (d s ) between the transmitting optics (18, 38) and the light transmitter (12, 32) or a distance (d e ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58) in order to reduce the interference. vary, characterized in that - the transmitting optics (18, 38) or the receiving optics (52) have an optical element with a variable focal length for varying a focal length of the transmitting optics (18, 38) or the receiving optics (52), and - the device (10, 30, 50) has a control unit (26, 46, 62) which is designed to control the actuator (24, 44, 60) and the optical element with a variable focal length in such a way that an opening angle of the transmitting light cone (20, 40) or the receiving light cone (54) remains unchanged when the distance (d s ) between the transmitting optics (18, 38) and the light transmitter (12, 32) or the distance (d e ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58) is varied. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (24) den Lichtsender (12) beziehungsweise den Lichtempfänger (58) bewegt.Device (10) according to Claim 1 , wherein the actuator (24) moves the light transmitter (12) or the light receiver (58). Vorrichtung (30, 50) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (44, 60) die Sendeoptik (38) beziehungsweise die Empfangsoptik (52) bewegt.Device (30, 50) according to Claim 1 , wherein the actuator (44, 60) moves the transmitting optics (38) or the receiving optics (52). Vorrichtung (10, 30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerreinheit (26, 46, 62) dazu ausgebildet ist, den Aktuator (24, 44, 60) derart anzusteuern, dass der Abstand (ds) zwischen der Sendeoptik (18, 38) und dem Lichtsender (12, 32) beziehungsweise der Abstand (de) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) periodisch variiert wird.Device (10, 30, 50) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (26, 46, 62) is designed to control the actuator (24, 44, 60) such that the distance (d s ) between the transmitting optics (18, 38) and the light transmitter (12, 32) or the distance (d e ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58) is periodically varied. Vorrichtung (10, 30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (24, 44, 60) wenigstens ein Piezoelement aufweist.Device (10, 30, 50) according to one of the preceding claims, wherein the actuator (24, 44, 60) has at least one piezo element. Vorrichtung (10, 30, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Aktuator (24, 44, 60) wenigstens einen Voicecoil aufweist.Device (10, 30, 50) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the actuator (24, 44, 60) has at least one voice coil. Vorrichtung (10, 30, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element mit veränderlicher Brennweite als Flüssiglinse ausgebildet ist.Device (10, 30, 50) according to one of the preceding claims, wherein the optical element with variable focal length is designed as a liquid lens. Vorrichtung (10, 30, 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische Element mit veränderlicher Brennweite wenigstens eine aktive optische Metaoberfläche aufweist.Device (10, 30, 50) according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the variable focal length optical element has at least one active optical metasurface. Verfahren zur Verminderung von Interferenzen in einem Strahlengang eines optoelektronischen Sensors mit den Schritten, - Erzeugen eines Sendelichtkegels (20,40) aus von einem Lichtsender (12, 32) emittierten Sendelichtstrahlen (14, 34) mit einer Sendeoptik (18, 38) und/oder Sammeln von Empfangslichtstrahlen (56) aus einem Empfangslichtkegel (54) einer Empfangsoptik (52) auf einem Lichtempfänger (58); - Dynamisches Variieren eines Abstandes (ds) zwischen der Sendeoptik (18, 38) und dem Lichtsender (12, 32) beziehungsweise eines Abstandes (de) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) mit wenigstens einem Aktuator (24, 44, 60) zur Verminderung der Interferenzen, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt, - Variieren einer Brennweite der Sendeoptik (18, 38) beziehungsweise der Empfangsoptik (52) mit einem optischen Element mit veränderlicher Brennweite derart, dass ein Öffnungswinkel des Sendelichtkegels (20,40) beziehungsweise des Empfangslichtkegels (54) beim Variieren des Abstandes (ds) zwischen der Sendeoptik (18, 38) und dem Lichtsender (12, 32) beziehungsweise des Abstandes (de) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) unverändert bleibt.Method for reducing interference in a beam path of an optoelectronic sensor with the steps of - generating a transmitted light cone (20, 40) from transmitted light beams (14, 34) emitted by a light transmitter (12, 32) with a transmitting optics (18, 38) and/or collecting received light beams (56) from a received light cone (54) of a receiving optics (52) on a light receiver (58); - Dynamically varying a distance (d s ) between the transmitting optics (18, 38) and the light transmitter (12, 32) or a distance (d e ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58) with at least one actuator (24, 44, 60) to reduce the interference, characterized by the further step of - varying a focal length of the transmitting optics (18, 38) or the receiving optics (52) with an optical element with variable focal length such that an opening angle of the transmitted light cone (20, 40) or the received light cone (54) remains unchanged when varying the distance (d s ) between the transmitting optics (18, 38) and the light transmitter (12, 32) or the distance (d e ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58). Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum dynamischen Variieren des Abstandes (ds) zwischen der Sendeoptik (18) und dem Lichtsender (12) beziehungsweise des Abstandes (ds) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) der Lichtsender (12) beziehungsweise der Lichtempfänger (58) bewegt wird.procedure according to claim 9 , wherein the light transmitter (12) or the light receiver (58) is moved to dynamically vary the distance (d s ) between the transmitting optics (18) and the light transmitter (12) or the distance (d s ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58). Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum dynamischen Variieren des Abstandes (ds) zwischen der Sendeoptik (38) und dem Lichtsender (32) beziehungsweise des Abstandes (de) zwischen der Empfangsoptik (52) und dem Lichtempfänger (58) die Sendeoptik (38) beziehungsweise die Empfangsoptik (52) bewegt wird.procedure according to claim 9 , wherein the transmitting optics (38) or the receiving optics (52) are moved to dynamically vary the distance (d s ) between the transmitting optics (38) and the light transmitter (32) or the distance (d e ) between the receiving optics (52) and the light receiver (58). Gaskonzentrationssensor (70, 120) zur Bestimmung einer Gas- oder Partikelkonzentration in einem Messvolumen (96), mit - wenigstens einem ersten Gehäuse (78) mit einer Öffnung zur Verbindung mit dem Messvolumen (96), - einem Lichtsender (88) zum Aussenden von Sendelichtstrahlen (90a) entlang einer optischen Achse (92) des Lichtsenders durch das erste Gehäuse (88) in das Messvolumen (96), - einem Lichtempfänger (104, 128) zum Empfang der Sendelichtstrahlen (90b) als Empfangslichtstrahlen (90c) nach Durchlaufen des Messvolumens (48) und - einer Steuer- und Auswerteeinheit (108), die ausgestaltet ist, den Lichtsender (88) anzusteuern und aus den am Lichtempfänger (104, 128) empfangenen Empfangslichtstrahlen (90c) die Gas- oder Partikelkonzentration zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskonzentrationssensor (70, 120) wenigstens eine Vorrichtung (72, 132) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.Gas concentration sensor (70, 120) for determining a gas or particle concentration in a measuring volume (96), with - at least one first housing (78) with an opening for connection to the measuring volume (96), - a light transmitter (88) for emitting transmitted light beams (90a) along an optical axis (92) of the light transmitter through the first housing (88) into the measuring volume (96), - a light receiver (104, 128) for receiving the transmitted light beams (90b) as received light beams (90c) after passing through the measuring volume (48) and - a control and evaluation unit (108) which is designed to control the light transmitter (88) and to determine the gas or particle concentration from the received light beams (90c) received at the light receiver (104, 128), characterized in that the gas concentration sensor (70, 120) has at least one device (72, 132) according to one of the Claims 1 until 8 has. Gaskonzentrationssensor (120) nach Anspruch 12, wobei der Gaskonzentrationssensor (120) in „Cross-Duct“-Anordnung ausgeführt ist.Gas concentration sensor (120) according to claim 12 , wherein the gas concentration sensor (120) is designed in a “cross-duct” arrangement. Gaskonzentrationssensor (70) nach Anspruch 12, wobei der Lichtempfänger (104) im selben ersten Gehäuse (78) wie der Lichtsender (88) angeordnet ist, und ein Reflektor (98) den Sendelichtstrahl (90b) aus dem Messvolumen (96) zurück in Richtung des ersten Gehäuses (78) reflektiert.Gas concentration sensor (70) according to claim 12 , wherein the light receiver (104) is arranged in the same first housing (78) as the light transmitter (88), and a reflector (98) reflects the transmitted light beam (90b) from the measuring volume (96) back towards the first housing (78). Gaskonzentrationssensor (70, 120) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuereinheit der Vorrichtung (72, 132) Teil der Steuer- und Auswerteeinheit (108) des Gaskonzentrationssensors (70, 120) ist.Gas concentration sensor (70, 120) according to one of the Claims 12 until 14 , wherein the control unit of the device (72, 132) is part of the control and evaluation unit (108) of the gas concentration sensor (70, 120).
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