DD206217A1 - Einrichtung zur optischen korrektur der uebertragungsfunktion von zweistrahl-fotometern - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINE EINRICHTUNG ZUR KORREKTUR DER UEBERTRAGUNGSFUNKTION VON ZWEISTRAHL- FOTOMETETERN, IN DENEN DIE SIGNALVERARBEITUNG NACH EINEM QUOTIENTENBILDENDEN VERFAHREN, Z. B. DEM PILOTVERFAHREN SOWIE DEM DIVISIONSVERFAHREN, VORGENOMMEN WIRD. ZIEL DER ERFINDUNG IST ES, DIE LINEARISIERUNG DER UEBERTRAGUNGSFUNKTION MIT GERINGEM AUFWAND, D. H. UNTER VERZICHT AUF AUFWENDIGE FUNKTIONSKORRIGIERENDE EINRICHTUNGEN, ZU ERREICHEN, WOBEI DIE AUFGABE DARIN BESTEHT, DURCH EINFACHE MASSNAHMEN ZUR ABWANDLUNG DER EINFLUSSNAHME DES OPTISCHEN MESSEFFEKTES AUF DAS MESS- UND VERGLEICHSSIGNAL IM BEREICH DER OPTISCHEN STRAHLENLENKUNG DIE UEBERTRAGUNGSFUNKTION DES FOTOMETERS ZU BEEINFLUSSEN. ERFINDUNGSGESSMAESS WERDEN DREI SIGNALBILDENDE CHOPPENSPUREN AUF DER BLENDENSCHEIBE SO ANGEORDNET, DASS DIE VERGLEICHSSIGNALBILDENDE SPUR IN DER MITTE LIEGT UND DIE MESSSIGNALBILDENDEN SPUREN ZU BEIDEN SEITEN DAVON ANGEORDNET SIND UND DIE DURCH DIE VERGLEICHSSIGNALBILDENDE SPUR HINDRUCHGEHENDE STRAHLUNG ZU EINEM TEIL DIE MESSKUEVETTE, ZUM ANDEREN TEIL DIE VERGLEICHSKUEVETTE PASSIERT.

Description

Erfinder: Dipl.-Phys. Manfred Eühn . Berlin, 15.06.1982

Dipl.-Phys. Detlef Gersching (P 1294)

Ing. Fritz Schröter

Zustellungsbevollm.: Institut für Regelungstechnik im Kombinat YSB ElW Berlin-Treptow "Friedrich Ebert" - Büro für Schatzrechte -

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Einrichtung zur optischen Korrektur der Übertragungsfunktion von Zweistrahl-Potome tern

G 01 N 21/00

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Korrektur der übertragungsfunktion von Sweistrahl-Fotome tern, deren Signalauswertung ein Ausgangssignal bildet, in dem der Quotient aus Meß- und Yergleichssignal enthalten ist, wie beispielsweise bei Anwendung des Pilotverfahrans oder des Divisionsverfahrens. Mit dieser Einrichtung ist es möglich, die Übertragungsfunktion der Fotometer zu ändern, insbesondere einen linearen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal und der su messenden Stoffkonzentration in Flüssigkeiten und Gasen herzustellen. ' ·

Charakteristik,der bekannten.technischen Lösungen

Ss sind Linearisierungseinrichtungen bekannt, die über die Logarithmierung des Signals zum Ziel führen. Diese Logarithmierung kann gerätetechnisch sehr unterschiedlich realisiert werden; beispielsweise durch die Verwendung von Widerstands-Halbleiterkombinationen, mit deren' Hilfe funktionell ein logarithmischer Polygonzug ersielt wird (altramat 3i Siemens) oder durch Verwendung eines logarithmischen Verstärkers oder .durch 'logarithmisches Abdecken eines homogenen Strahlenbündels,, .

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In den bekannten Einrichtungen ist ein relativ hoher Aufwand erforderlich, um den natürlichen exponentieIlen Zusammenhang zwischen dem gewonnenen Ausgangssignal und der Konzentration des zu messenden. Mediums in Flüssigkeiten bzw. Gasen zu linearisieren.

In einigen Fällen sind mechanisch bewegte Teile für die Linearisierung erforderlich, die naturgemäß einem erhöhten 7erschleiß bzw. einer gewissen Störanfälligkeit unterliegen, z.B. beim logarithmischen Abdecken eines homogenen Strahlenbündels. In anderen Fällen sind bei der elektrischen Korrektur der übertragungsfunktion Maßnahmen zur Sliminierung von Temperatureinflüssen auf die Korrekturfunktion, die durch die Kombination von Halbleiterwiderständen mit ohmischen Widerständen erreicht werden,: erforderlich.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Korrektur des A usgangssignals eines Zweistrahl-Fotometers bekannt (DS-OS 23 59 637) ₅ bei dam mit den Strahlungsintensitäten I₁₁, und I_n. im Meß- und 7ergleichskanal ein Signal

¹M " ¹Y

cc ¹M ⁺ P ¹Y

wobei -=< und j3 vorwählbare Konstanten sind, von denen eine auch Null sein kann, durch-Rechenoperation gebildet wird.

Dieses Verfahren ist so allgemein gehalten, daß hieraus konkrete Lösungen beispielsweise für die Linearisierung nicht ableitbar sind.

Weiterhin sind Einrichtungen zur Korrektur der übertragungsfunktion von Zweistrahl-Fotomatern bekannt, in denen bei Anwendung des Pilotverfahrens für die Signalauswertung der für die Regelung des Pilotkanals vorgegebenen Referenzspannung einen Teil der Gleichspannung des Meßsignals additiv hinzugefügt wird (DD-WP G 01 H/234 692.S) und bei Anwendung des Quotientenverfahrens für die Signalauswertung in einem Korrekturglied, das zwischen dem Ausgang des Vergleichsspannungswand-Iers und dem Divisoreingang des Divisionsgliedes angeordnet

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ist, die Gleichspannung des Yerglaichssignals an den nichtinvartierenden Eingang and ein Teil der Gleichspannung des Meßsignals an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen werden, wobei die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers den Ausgang des Korrekturgliedes bildet.

Beide Einrichtungen benötigen jedoch, einen elektrischen Zusatzaufwand.

Bekannt ist weiterhin eine Anordnung, bei der die Zerhackervorrichtung (Chopperscheibe) aus einem gleichförmig antreibbaren, rotierenden Zerhackerrad mit zwei Reihen von Löchern bzw. Lochgruppen besteht, wobei die' eine Reihe der Meß-Absorptionsstrecke und die andere Reihe der Yergleichs-Absorptionsstrecke zugeordnet ist und daß in jeder Reihe mindestens ein Loch bzw. eine Lochgruppe mit einem von. den übrigen Löchern bzw. Lochgruppen abweichenden Querschnitt angeordnet ist (DE-OS 26 14 131).

Die Anordnung arbeitet mit einer in beiden Kanälen einheitlichen Unter breche rf requanz.- Dia Bildung des Meßsignals und des Tergleichssignals erfolgt zeitlich nacheinander.. Die Anordnung ist demzufolge ausschließlich für quotientenbildende Verfahren mit zeitmultiplexar Signalauswertung anwendbar.

Ziel der Erfindung .

Das Ziel der Erfindung ist es, die Linearisierung der übertragungsfunktion auf optischem Wege mitgeringem konstrukti-, vem Aufwand, d.h. unter Verzicht auf jegliche elektrische Maßnahmen zu erreichen»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Für den Aufbau eines anspruchsvollen Fotometars für Meßzwecke wird zur Bildung des Ausgangssignals vielfach das Pilotverfahren oder das Divisionsverfa.hr en angewendet. Das Grundprinzip des Pilotverfahrens besteht darin, daß aus den im Gerät aufgebauten, zwei optischen Strahlengängeii, einem Maß- und einem Vergleichestrahlangang die beiden. Signale, ein Meß- und ein

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Vergleichssignal gewonnen warden und das Vergleichssignal als Pilotsignal mit Hilfe eines steuerbaren Verstärkers, durch den das Meßsignal und das Vergleichssignal gelenkt werden, konstant geregelt wird. Damit werden alle Einflußgrößen, die gleichzeitig und in gleicher Größe auf das Meß- und Yergleichssignal wirken, auch aus dem Meßsignal eliminiert. Das betrifft z, B. Schwankungen der Strahlungsemission der für beide Strahlengänge zuständigen Strahlungsquelle, in beiden Kanälen gleichzeitig auftretende Verschmutzungen und Verstärkungsschwankungen.

Beim Divisionsverfahren werden aus den im Gerät aufgebauten zwei optischen Strahlengängen, einem Meß- und einem Vergleichsstrahlengang, die beiden Signale,ein Meß- und ein Vergleichssignal gewonnen, die beide;.einem Divisionsglied zugeführt werden. Durch die Quotientenbildung im Divisionsglied werden auch hier alle in beiden Kanälen gleich auftretende Störeinflüsse aus dem Ausgangssignal eliminiert.

Beiden Auswerteverfahren geht eine optische Signalgewinnung voran, die in verschiedenen Varianten möglich ist und an. die für beide Auswerteverfahren grundsätzlich die gleiche !Forderung besteht, nämlich in je einem Meß- und Vergleichskanal mit je einer Meß- und Vergleichsküvette eine Kennzeichnung der optischen Signale zu erreichen, so daß es möglich ist, beide Signale auf einen gemeinsamen Smpfänger zu geben und anschließend gemeinsam zu verstärken sowie zur weiteren Signalverarbeitung beide Signale wieder voneinander zu trennen. Sine solche Kennzeichnung kann in Form verschiedener Frequenzen bei der optischen Modulation erreicht werden, beispielsweise durch Wahl der. Vergleichsfrequanz, die ein Vielfaches der Meßfrequenz beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einfache Maßnahmen zur Abwandlung dar Sinflußnahme des optischen Meßeffektes auf das Meß- und Vergleichssignal im Bereich der optischen Strahlenlenkung die übertragungsfunktion des Fotome ters zu beeinflussen.

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Krfindimgsgemafi wird diese Aufgabe dadurch, gelöst, daß auf dar Choppersciieibe drei signalbildende Chopperspureη angeordnet sind, von denen die verglaichssignalbildende Spur in der Mitte and die meßsignalbildenden Spuren zu beiden Seiten davon angeordnet sind. Die Chopperscheibe ist dicht vor oder hinter dar Meßküvette und der Yergleichsküvette angeordnet. Die vergleichssignalbildende Spur ist zum Teil an der Singangs- oder Ausgangsöffnung der Meßküvette und zum Teil an der Eingangs- oder Ausgangsöffnung dar Tergleichsküvette vorbeiführbar. Damit wird bewirkt, daß die durch, die vergleichssignaIbildende Spur hindurchgehende Strahlung zu einem Teil die Meßküvette zum anderen Teil die Vergleichsküvette passiert.

Insgesamt wird eine Strahlungsaufteilung vorgenommen, die das optische Meßsignal der Phase O und einen Teil des optischen Yergleichssignals durch die Meßküvette und den anderen Teil des optischen Yergleichssignals sowie das um 180 ° phasenverschobene Meßsignal durch die Tergleichsküvette lenkt, Damit wird erreicht, daß ein Differenzmeßsignal gebildet wird,' das mit ^S = O verschwindet und mit wachsendem Λ Ί$ größer wird und daß das optische Yergleichssignal mit zunehmendem Meßeffekt immer kleiner wird und sowohl bei der Signalverarbeitung nach dem Pilotverfahren, bei dem das Yergleichssignal auf einen Konstantwert geregelt wird, als.auch bei der Signalverarbeitung nach dem Divisionsverfahren, bei dem das Yergleichssignal als Divisor bei der Quotiantenbildimg fungiert, der natürlichen Krümmung der Übertragungsfunktion entgegengewirkt wird. Der Anteil des optischen Yargleichssignals, der durch die.Meßküvatta- geht, kann so dimensioniert werden, daß die durch den Lambert-Bearschen Einfluß entstehende Krümmung eliminiert wird, d.h. daß ein'lineares Ausgangssignal antstaht. Durch Vergrößern dieses Anteils kann die Kennlinie

vom Normalvariauf R (1 - 10 ~) über linearen Yerlauf bis zur Erünimungsumkehr im Yerlauf r (10 " - 1) eingestellt werden.

Äusführungsbeispie1

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Funktionsprinzip eines Zweistrahl-Fotometers nach dem Pilotverfahren

Fig. 2: Funktionsprinzip eines Zweistrahl-Fotometers nach dem Divisionsverfahren

Fig. 3J erfindungsgemäße Chopperscheibe für die optische Signalgewinnung

Fig. 4: graphische Darstellung der Übertragungsfunktion eines Zweistrahl-Fotometers mit unterschiedlichem Korrekturfaktor E»

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild für den Funktionsmechanismus eines Zweistrahl-Fotometers mit einer Signalaufbereitung nach dem Pilotverfahren dargestellt.

Dia von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung beträgt vor den Küvetten φ_α und hinter der Maßküvatte 2 ^m sowie . hinter der Yergleichsküvette 3 Φ_ν ~ Φ«

Anschließend passiert die Strahlung die Chopperspuren a, b und c einer von einem Motor 4 angetriebenen Chopperscheibe 5· Hierbei werden die beiden optischen Signale, das optische Meßsignal als Strahlung durch die Spuren a und c sowie das optische Yarglaichssignal als Strahlung durch die Spur b gebildet. Die,Zuordnung dar in Fig. 3 ic der Aufsicht dargestallten Chopperscheibe 5 zu den beiden Xüvettan gewährleistet die Bildung der in Fig. 3 dargestellten optischen Signale. Danach wird ein Differenz-Meßsignal dar Frequenz f aus den Anteilen der Spuren a und c gebildet, das mit Δ 3 = 0

( A Έ = H -Ε} verschwindet und das mit ?/achsendem A E m ν

größer wird. Weiterhin wird ein vom Ließeffekt unabhängiges optisches Tergleichssignal dar Terglaichsfrsquenz f gebildet» Im Empfänger 6 wird die ankommende Strahlung' in-elektrische Signale'gewandelt j die im Yorverstärke.r 7 vorverstärkt

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und im steuerbaren Verstärker 8 weiter verstärkt werden. Das Ausgangssignal des steuerbaren Verstärkers 8 wird dem Meßspannungswandler 9 und dem Verglaichsspannungswandlar 10 zugeführt. Beide Wandler arbeiten frequenzselektiv. Der Meßspannungswandler erfaßt die niedere Frequenz f , der Varglaichsspannungswandlar die höhere Frequenz f .. Beida Signale werden in entsprechende Gleichspannungen gewandalt.

Die Maßgleichspannung U_9tti am Ausgang des Meßspannungswandlers beträgt

und die Verglaichsspannung U^— am Ausgang des Vergleichsspann ungswandle rs

Die Vergleichsspannung U₂- wird mit Hilfe des Hegalverstär-. kers 11 und des steuerbaren Verstärkars 8 stets auf den Wert der Eef erenzspannung U₁₅ geregelt.

Daraus ergibt sich für V

• ^v · Pv

und für; U_2m

m -^P»-

^U2m = % · ~T~ -p7~ ⁽¹ -¹⁰ >

Hinter dem Ausgangsverstärker 12 erhält man die unkorrigierte üusgangsspannung- ü„

U = R (1 -

i Ks *~* J^ -\ -p _^ ~γ jT

m \J Ό KJ Ό U - 8 -

Wenn dia Choperscheibe 5 etwas nach unten verschoben wird, wird die Zuordnung dar durch die Meßküvette 2 und die 7ergleichsküvette 3 und anschließend durch die Chopperspuren der Chopperscheibe 5 gehende Strahlung gestört. Die Chopperspur b nimmt nicht nur Strahlung der Yerglaichsküvatte 3? sondern auch die dar Meßküvette 2 auf. Die Zuordnungen der die Chopperspuren a und c passierenden Strahlung wird hierbei nicht verändert. Der von der Meßküvette 2 kommende Anteil der für die Chopperspur, b passierenden Strahlung sei E, mit 0 < K ^ 1.

Der von der Yergleichsküvette 3 kommende Anteil ist dann 1 -K. Die am Strahlungsempfänger 6 ankommende Strahlung der Chopperspur b der Ghopperschaibe 5 niit der Yergleichsfrequenz f ist nun nicht mehr vom Meßeffekt unabhängig und führt zu einer veränderten Yergleichsspannung TJX

^J2v

1 - K (T - 10"

ux„ = ι - κ ei -ίο -j φ₀ . e _ν . υ . υ

St

wird auf den konstanten Wert der Sefarenzspannung IXn g regelt. Damit bildet sich die korrigierte Ausgangsspannung Tf zu:

1 - 10" ^AS

^{Ua = R}' 1 - E (1 - 1Ο~ ^AS)

In Fig* .4- ist die funktioneile Beziehung

- -AS

ΙΓΓ _ - _rTrN 1-10

ct. = ι. I₁, L·

~TT 1 - E (1 - 10 ^)

dargestellt.

Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt dia Anwendung der Erfindung in einem Fotometer nach dam Divisionsverfahran (Fig. 2). Die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 1 be.trägt vor der Meßküvatte 2 und der Yargleichsküvette 3 φ_α · Sie. wird

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einmal durch, die Meßküvette 2 und dia - Chopperspur a der Chopper scheibe 5»zum andern durch dia Vergleichsküvette 3'und die Chopperspuren b und c der Chopperscheibe 5 gelenkt, Anschliessend wird die gesamte am Strahlungsempfänger 6 ankommende Strahlung in das Signal U gewandelt. Im Vorverstärker 7 wird das Signal verstärkt und anschließend dem Meßspannungswandler 9 und dem Vergleichsspannungswandler 10 zugeführt. Beide Wandler arbeiten frequenzselektiv. Der Meßspannungswandler 9 erfaßt die niedere Frequenz f_m des Meßsignals. Ss bildet sich die Meßgleichspannung Up , die als Summe der Signale der Chopperspuren a und c entsteht. Der Vergleichsspannungswandler 10 erfaßt die höhere Frequenz f des Vergleichssignals durch die Spur b. Es entsteht die Vergleichsspannung

Die entstehenden Gleichspannungen Up_m und U_2v lauten:

TJ_2n = f_o (1 -10" ^ΔΈ) e,_£:. ν . _Pa

Im Divisionsglied 13 wird dar Quotient und damit die unkorrigierte iusgangsspannung U_ gebildet:

_{= q} ,, . _^_ _=R (1 -10 ^a " ^U2v

c- m "p_T = α .

^pv

die Chopperscheiba 5 etwas nach unten verschoben wird, nimmt die Chopperspur b der Chopperscheiba 5 nicht nur Strahlung der Verglaichsküvette 3 sondern auch der Meßküvette 2 auf, Die Zuordnung der die Chopperspuren a und c passierenden Strahlung wird hierbei nicht verändert.

Der von der Meßküva-tta 2 kommende Anteil der die Chopperspur. b passierenden Strahlung sai E, 0 £2^1,

— 10 —

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- ίο -

Der von der Vergleichsküvette 3 kommende Anteil ist dann 1 - K. Die am Strahlungsempfänger 6 ankommende Strahlung der Chopperspur b der Chopperscheibe 5 mit der Vergleichsfrequenz f ist nun nicht mehr vom Meßeffekt unabhängig und führt zu einer veränderten Gleichspannung U?

1 - E (1 - 10" ^ΔΈ)

erfährt hierbei.keine Veränderung. Die korrigierte Ausgangss^annung beträgt

mit E' = q

1-10

- K (1 - 10"

U.

2m

Is-wird hier die gleiche funktioneile Veränderung wia bei Anwendung des Pilotverfahrens erreicht. Der funktioneile Verlauf

1 - 10"

1 .- K (1 - 10

ist in Fig· 4 dar

gestellt.

- 11 -

Claims (2)

240909 0 Erfinaungsansprach

1, Einrichtung-zur optischen Korrektur der Übertragungsfunktion von Zweistrahl-Fotoinetern mit zwei zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger parallel verlaufenden optischen Kanälen, einem MeSkanal und einem Yergleichskanal mit zwei zugeordneten Küvetten, einer Meßküvette und einer Yergleichsküvette sowie mit einer durch einen Motor angetriebenen Chopperscheibe, die aus der von der Strahlungsquelle durch die Küvetten kommenden Strahlung zwei durch verschiedene Frequenzen gekennzeichnete optische Signale, ein Meßsignal als Differenzsignal aus zwei gleichen Anteilen der Strahlung gleicher Frequenz durch die Yergleichsküvette und durch die Meßküvette sowie ein Yergleichssignal anderer Frequenz erzeugt, ausgestattet mit signalverarbeitenden Einrichtungen, in denen ein dem Quotient aus Meß- und Yergleichssignal proportionales Ausgangssignal gebildet wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Chopperscheibe (5) drei Chopperspuren (a,b und c) aufweist, die so angeordnet sind, daß die vergleichssignalbildende. Chopperspur (b) in der Mitte liegt und die meßsignalbildenden Chopperspuren (a und c) zu beiden, Seiten davon angeordnet sind und daß sich die Chopperscheibe (5) dicht hinter der Meßküvette (2) und der Yargleichsküvatte (3) befindet, wobei die vergle.ichssignalbildende Chopperspur (b) zum Teil an der Ausgangsöffnung der Meßküvette (2) und zum Teil an der Ausgangsöffnung der Yergleichsküvette (3) "ror- beifuhrbar ist.

2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Chopperscheibe (5) dicht vor der Meßküvette·- (2) und dar Yergleichsküvette (3) befindet, wobei dia vergleichssignalbildende Chopperspur .(b) zum Teil an dar Eingangsöffnung der Meßküvatte (2) und zum Teil an der Eingangsöffnung dar Ysrgleiohsküvatte (3) vorbeiführbar ist.

- Hierzu 4 Blatt Zeichnungan -