DE102010062015B4 - Messeinrichtung zur Messung von Absorption oder Streuung bei unterschiedlichen Wellenlängen - Google Patents

Abstract

Messeinrichtung zur Messung von Absorption oder Streuung eines Mediums (M) bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, ..., λn) mit- einer Messkammer (1) zur Aufnahme des Mediums (M),- einer Sendeeinheit (3),-- die für jede der Wellenlängen (λ1, ..., λn) eine elektrisch steuerbare Lichtquelle (L1, ... , Ln) aufweist, die im Messbetrieb Licht der jeweiligen Wellenlänge (λ1, ..., λn) in die Messkammer (1) hinein sendet,- einer Steuerung (15, 15a, 15b),-- die jede Lichtquelle (L1, ... , Ln) mit einer anderen für die jeweilige Wellenlänge (λ1, ..., λn) vorgesehenen zeitlichen Modulation von deren Sendeintensität (I01, ..., I0n) betreibt, wobei die Modulationen nicht periodische, insbesondere zufällig generierte, Modulationen sind,- einem Detektor (5) zur Messung einer von den Modulationen und der Absorption oder der Streuung im Medium (M) abhängigen am Ort des Detektors (5) aus der Messkammer (1) insgesamt austretenden Strahlungsintensität (Ig), die einer Überlagerung von jeweils nur eine der Wellenlängen (λ1, ..., λn) aufweisenden auf den Detektor (5) auftreffenden Teilintensitäten (I1, ..., In) entspricht, und- einer Signalverarbeitung (13, 13a, 13b),-- die anhand der insgesamt vom Detektor (5) gemessenen Strahlungsintensität (Ig) und den Modulationen für jede der Wellenlängen (λ1, ..., λn) die zugehörige Teilintensität (I1, ..., In) bestimmt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Messung von Absorption oder Streuung eines Mediums bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen, mit einer Messkammer zur Aufnahme des Mediums, einer Sendeeinheit, die Licht der unterschiedlichen Wellenlängen in die Messkammer hinein sendet, einem Detektor, zur Messung von von der Absorption oder der Streuung im Medium abhängigen am Ort des Detektors aus der Messkammer bei den einzelnen Wellenlängen austretenden Teilstrahlungsintensitäten.
• Die Teilstrahlungsintensitäten sind bei einem in Transmissionsrichtung hinter der Messkammer angeordneten Detektor ein direktes Maß für die Absorption im Medium, und bei einem unter einem vorgegebenen Streuwinkel zur Transmissionsrichtung hinter der Messkammer angeordneten Detektor ein direktes Maß für die unter diesem Streuwinkel erfolgte Streuung des Lichts im Medium.
• Messeinrichtungen zur Messung von Absorption oder Streuung in einem Medium werden heute in einer Vielzahl industrieller Anwendungen, insb. in der Chemie, der Biochemie sowie in der Wasseranalyse, sowohl anhand von entnommenen Proben als auch on-line zur Messung von Streuung oder Absorption eingesetzt. Bei der Messung an Proben umfasst die Messkammer regelmäßig eine mit einer Probe des Mediums befüllbare Küvette, die in die Messeinrichtung eingesetzt und durch entsprechend platzierte Fenster der Messeinrichtung hindurch durchstrahlt wird. Bei der On-line Messung ist die Messeinrichtung beispielsweise als Sonde ausgebildet, die in das Medium eingebracht wird. Hier wird die Messkammer durch eine Ausnehmung in der Sonde gebildet, die vom Medium ausgefüllt wird, und die durch an den Außenseiten der Ausnehmung angebrachte Fenster hindurch durchstrahlt wird.
• Sowohl bei der Absorptionsmessung als auch bei der Streuungsmessung wird eine Sendeeinheit eingesetzt, die Licht in einer vorgegebenen Senderichtung durch eine Eintrittsfläche hindurch in die Messkammer hinein strahlt, und es ist ein Detektor vorgesehen, der eine von der Absorption bzw. der Streuung abhängige aus der Messkammer durch eine Austrittfläche austretende Strahlungsintensität misst. Absorptions- und Streuungsmesseinrichtungen unterscheiden sich dabei im wesentlichen nur durch die Anzahl und die Positionierung der Detektoren. Bei der Absorptionsmessung wird in Transmissionsrichtung gemessen, d.h. es ist nur ein Detektor erforderlich, der hinter einer in der Hauptsenderichtung der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Austrittsfläche angeordnet ist.
• Bei der Streuungsmessung wird dagegen unter einem oder mehreren vorgegebenen Streuwinkeln zur vorgegebenen Senderichtung gemessen. Hier befinden sich die Detektoren hinter unter vorgegebenen Streuwinkeln zur Senderichtung angeordneten Austrittsflächen.
• In der DE 41 06 042 A1 ist eine Messeinrichtung zur Messung kleiner Lichtabsorptionen bei einer einzigen vorgegebenen nachfolgend als Messwellenlänge bezeichneten Wellenlänge beschrieben. Hierzu wird ein monochromatischer Messstrahl, dessen Licht die vorgegebene Messwellenlänge aufweist, durch das Medium gesendet. Zusätzlich wird ein ebenfalls monochromatischer Referenzstrahl durch das Medium gesendet, dessen nachfolgende als Referenzwellenlänge bezeichnete Wellenlänge einen Wert aufweist, bei dem das Medium transparent ist Um kleine Absorptionen messen zu können werden hier die sowohl eine die Messwellenlänge aufweisende aus dem Medium austretende Messstrahlungsintensität als auch eine die Referenzwellenlänge aufweisende aus dem Medium austretende Referenzstrahlungsintensität gemessen, und die zugehörigen die Mess- und die Referenzstrahlungsintensität wiedergebenden Mess- und Referenzsignale einer unmittelbaren analogen Differenzbildung unterzogen. Dabei wird vorab eine Referenzmessung an einem Referenzmedium ausgeführt, mit der anhand der Differenz zunächst ein durch die Messeinrichtung bedingter Intensitätsunterschied zwischen Mess- und Referenzstrahlungsintensität bestimmt wird. Dieser Intensitätsunterschied wird im anschließenden Messbetrieb optisch durch einen einstellbaren Graufilter oder elektronisch durch eine entsprechende Gewichtung bei der Differenzbildung kompensiert. Im nachfolgenden Messbetrieb wird anhand der Differenz zwischen Mess- und Referenzsignal unter automatischer Berücksichtigung des durch die Messeinrichtung bedingten Intensitätsunterschieds eine schnelle genaue Messung kleiner Absorptionen ausgeführt. Hierdurch erhöht sich die Messauflösung, da der Auflösungsbereich hier nur die Größenordnung der Differenz, nicht aber die wesentlich größere Größenordnung der Einzelgrößen umfasst.
• Mess- und Referenzstrahl werden hierzu entweder gleichzeitig durch das Medium gesendet, und die aus dem Medium insgesamt austretende Strahlung über einen an die Messwellenlänge angepassten Filter einem ersten Detektor zugeführt, der die bei der Messwellenlänge durch das Medium hindurch dringende Messstrahlungsintensität misst, und über einen an die Referenzwellenlänge angepassten zweiten Filter einem zweiten Detektor zugeführt, der die bei der Referenzwellenlänge durch das Medium hindurch dringende Referenzstrahlungsintensität misst.
• Alternativ ist beschrieben, Mess- und Referenzstrahl unterschiedlicher Wellenlänge durch zwei verschiedene Laserdioden zu erzeugen, die mechanisch über einen in den Strahlengang eingesetzten Chopper oder elektrisch gesteuert über einen Wechselstrombetrieb der Laserdioden in einem schnellen zeitlichen Wechsel durch das Medium geschickt werden. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor Mess- und Referenzstrahl alternierend mit einer ersten Frequenz und den Referenzstrahl mittels eines Choppers zusätzlich mit einer zweiten Frequenz zu takten. In beiden Fällen kann mit einem einzigen Detektor die insgesamt darauf auftreffende Strahlungsintensität erfasst werden, und daraus anhand der beiden Frequenzen mit denen Mess- und Referenzstrahl hintereinander getaktet werden mittels Lock-In Verstärkungstechnik die Messstrahlungsintensität und die Referenzstrahlungsintensität bestimmt werden.
• Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen bei denen Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen erforderlich sind. Ein Beispiel hierfür sind Messungen der Absorption im optischen Bereich mit denen beispielsweise Farbumschläge von Reagenzlösungen festgestellt oder überwacht werden.
• Heutige hierzu eingesetzte Messeinrichtungen umfassen hierzu Lichtquellen, insb. LED's, unterschiedlicher Wellenlänge, die sukzessive nacheinander jeweils einzeln für eine vorgegebene Messdauer betrieben werden. Dies bietet den Vorteil, dass für die Messung nur ein die darauf auftreffende Strahlungsintensität messender Detektor benötigt wird, und auf eine spektrometrische Aufspaltung und Analyse der aus der Messkammer austretenden Strahlung, sowie auf optische Filter verzichtet werden kann. Ein Beispiel hierzu ist in der US 3 910 701 A beschrieben.
• Durch das sukzessive Ein- und Ausschalten der einzelnen Lichtquellen treten detektorseitig verhältnismäßig große Intensitätssprünge auf, die sowohl vom Detektor, z.B. einer Photodiode, als auch von der nachfolgenden Elektronik, insb. von Verstärkerschaltungen zur Verstärkung des Messsignals des Detektors nur schwer zu verarbeiten sind. Da die Verstärkerschaltung in der Lage sein muss, sich sehr schnell an die Amplitudensprünge des Detektorsignals anzupassen, werden hierfür hochwertige schnelle Verstärker benötigt. Schnelle Verstärker sind jedoch in der Regel sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen, wie z.B. von Motoren oder Schaltreglern verursachten Störfeldern. Aufgrund der Empfindlichkeit der Verstärker kann auch ein Übersprechen elektromagnetischer Störfelder vom Sender zur Verstärkerschaltung auftreten.
• Darüber hinaus erzeugen harte Umschaltvorgänge, wie sie beim Ein- und Ausschalten der nacheinander betriebenen Lichtquellen zwangsläufig auftreten, Oberwellen, die nur schwer aus dem Detektorsignal herausgefiltert werden können.
• Eine Differenzbildung zwischen aufeinander folgend bei unterschiedlichen Wellenlängen gemessenen Strahlungsintensitäten - wie sie im eingangs genannten Stand der Technik, wo die Messung anhand der Differenz zwischen Mess- und Referenzsignal erfolgt, angewendet wird -, wäre zwar vielleicht unter Umständen geeignet durch Umschaltvorgänge erzeugte Störungen reduzieren zu können; sie kann hier jedoch nicht eingesetzt werden, da die Absolutwerte der bei den einzelnen Wellenlängen sukzessive gemessenen Strahlungsintensitäten benötigt werden.
• Entsprechend werden Umschaltvorgänge vorzugsweise auf ein Minimum reduziert, indem die Dauer der Sendezeiten in denen jeweils eine der Lichtquellen sendet, möglichst groß gewählt werden. Sendezeitdauem von einer Zehntelsekunde und mehr sind daher keine Seltenheit Dies ist jedoch insb. in Messeinrichtungen mit vielen Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge problematisch, da ein Messzyklus, in dem sukzessive nacheinander die Absorption oder Streuung bei den einzelnen verschiedenen Wellenlängen ausgemessen wird, sehr lange Zeit in Anspruch nimmt. Bei zehn verschiedenen Wellenlängen würde die Dauer eines vollständigen Messzyklus bereits 1 Sekunde betragen. Entsprechend beeinflussen kurzzeitig im Medium auftretende Störungen, wie z.B. kurzzeitig in den Strahlengang eintretende Luftblasen, Staubpartikel oder andere Arten von Verunreinigungen im Medium, nur die während ihres Auftretens aktiven Teilmessungen des Messzyklus. Dabei wird in der jeweils von der kurzzeitig auftretenden Störung im Medium betroffenen Teilmessung je nach Art der Störung eine viel zu hohe oder viel zu niedrige Strahlungsintensität gemessen. Dies kann zu drastischen Fehlmessungen führen. Ein Beispiel hierfür sind Absorptionsmessungen zur Überwachung eines Farbumschlags z.B. von rot nach grün eines Mediums.
• Wenn hier während der Absorptionsmessung mit der roten Lichtquelle eine Luftblase im Medium auftritt, die bei der nachfolgenden Messung mit der grünen Lichtquelle bereits wieder verschwunden ist, so kann anhand des Verhältnisses von roter zu grüner Transmissionsintensität keine Aussage über den Farbumschlag mehr getroffen werden.
• Bei Messeinrichtungen, die permanent eine einzige monochromatische oder mehrfarbige Lichtquelle betreiben, und die insgesamt durch das Medium hindurch dringende Strahlungsintensität messen, können kurzzeitig im Medium auftretende Störungen anhand der zughörigen plötzlichen Anstiege oder Abfälle in der gemessenen Strahlungsintensität nachträglich erkannt werden, und die in diesen Zeiträumen erzielten Messergebnisse zumindest verworfen werden. Dies ist bei der sukzessiven Messung mit den unterschiedlichen Wellenlängen praktisch nicht mehr möglich, da sich eine kurzzeitig im Medium auftretende Störung hier nur in einzelnen Teilmessungen auswirkt.
• Eine Verkürzung der Sendezeiten der sukzessive betriebenen Lichtquellen, würde hier in zweierlei Hinsicht eine Verbesserung bewirken. Zum einen verkürzt sich hierdurch der Zeitraum, über den sich kurzzeitige Störung nachteilig auswirken. Bei langen Sendezeiten verfälschen kurzzeitige Störungen, deren Dauer kürzer als die Sendezeit ist, die integrale Messung über das gesamte Sendezeitintervall. Je kürzer die Sendezeit ist, umso kürzer ist auch der über die Dauer der Störung hinaus andauernde negative Einfluss der Störung. Zum anderen wirken sich kurzzeitige Störungen, die deutlich länger andauern, als die kurzen Sendezeiten, auf mehrere aufeinander folgende Teilmessungen aus, und können hierüber nachträglich leichter erkannt werden.
• Eine Verkürzung der Sendezeiten ist jedoch zwangsläufig mit den oben beschriebenen Nachteilen verbunden.
• In der AT 504 436 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Alkoholgehalts von Flüssigkeiten beschrieben. Die Bestimmung erfolgt z.B. anhand von bei unterschiedlichen Wellenlängen ausgeführten Absorptionsmessungen, bei denen Licht durch eine Probe hindurch gesendet und austrittsseitig mittels eines Detektors empfangen wird. Um mehrere Absorptionswerte gleichzeitig messen zu können, wird eine Leuchtdiode elektrisch mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen moduliert und das Signal vom Detektor entsprechend dieser Frequenzen demoduliert.
• Aus der DE 10 2009 011 421 B3 ist eine Gaskonzentrationsmessvorrichtung zur Messung von Gaskomponenten in einer Gasprobe bekannt. Die Vorrichtung umfasst zwei Infrarotstrahler unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, die abwechselnd Infrarot-Strahlung durch eine Gasprobe hindurch zu einem Detektor senden. Zwischen der Gasprobe und dem Detektor ist ein Dual-Band Fabry Perot Interferometer angeordnet, das mittels einer Steuerspannung über einen Wellenlängenbereich abgestimmt wird. Die Steuerspannung ist mit dem alternierenden Betrieb der Infrarotstrahler derart synchronisiert, dass bei über die Steuerspannung bewirkten Wechseln der Durchstimmrichtung des Dual-Band Fabry Perot Interferometers jeweils zwischen den beiden Infrarotstrahlern umgeschaltet wird.
• In der US 5 983 121 A ist ein Verfahren zur Messung von Absorptionsinformationen beschrieben, bei dem mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz moduliertes Licht in einem Medium gestreut und das gestreute Licht mittels eines Detektors empfangen wird. Beim gleichzeitigen Senden von moduliertem Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen werden zwischen Medium und Detektor Wellenlängen-Selektionsfilter eingesetzt.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Messeinrichtung zur Messung von Absorption oder Streuung eines Mediums bei unterschiedlichen Wellenlängen anzugeben, mit der die Messungen bei den unterschiedlichen Wellenlängen möglichst zeitgleich und genau ausführbar sind.
• Hierzu umfasst die Erfindung eine Messeinrichtung zur Messung von Absorption oder Streuung eines Mediums bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen gemäß Anspruch 1.
• Gemäß einer Weiterbildung senden die Lichtquellen jeweils während durch den zeitlichen Verlauf der für ihre Wellenlänge verwendeten Modulation vorgegebenen Sendezeiten Licht ihrer Wellenlänge in die Messkammer, und die Sendezeiten der Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge überlappen zeitlich.
• Gemäß einer weiteren Weiterbildung weisen die für die einzelnen Wellenlängen verschiedenen Modulationen einen zeitlichen Verlauf auf, bei dem im Messbetrieb im Mittel zu jeder Zeit eine zumindest annähernd konstante Anzahl an Lichtquellen gleichzeitig Licht in die Messkammer sendet.
• Gemäß einer Weiterbildung
• - weist die Signalverarbeitung für jede der Wellenlängen ein Filter auf,
• -- das aus einem die gemessene Strahlungsintensität wiedergebenden Messsignal einen mit dem zeitlichen Verlauf der Modulation für die jeweilige Wellenlänge korrelierenden Anteil herausfiltert, und
• - die Signalverarbeitung bestimmt die zugehörige Teilintensität bei dieser Wellenlänge anhand des jeweiligen Anteils.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist
• - eine Sendeoptik vorgesehen, über die das Licht der Lichtquellen entlang einer vorgegebenen Senderichtung auf einem räumlich begrenzten Messpfad in die Messkammer gesendet wird, und/oder
• - eine Empfangsoptik vorgesehen, über die aus der Messkammer austretendes Licht auf den Detektor gebündelt wird.
• Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass alle Lichtquellen entsprechend der für die jeweilige Wellenlänge vorgegebenen Modulation quasi gleichzeitig betrieben werden können, da die bei den einzelnen Wellenlängen auftretenden Teilintensitäten anhand der für die jeweilige Wellenlänge vorgegebenen Modulation aus der insgesamt vom Detektor gemessenen Strahlungsintensität ableitbar sind. Über eine entsprechende Vorgabe der Modulationen kann hierdurch sichergestellt werden, dass im Mittel zu jeder Zeit eine zumindest annähernd konstante Anzahl an Lichtquellen gleichzeitig Licht in die Messkammer sendet. Hierdurch werden drastische Schwankungen der auf den Detektor auftreffenden Strahlungsintensität vermieden. Entsprechend können auch sehr schnelle bzw. hochfrequente Modulationen eingesetzt werden, ohne dass hierfür hochwertige schnelle und störempfindliche Verstärkerschaltungen benötigt werden.
• Schnelle bzw. hochfrequente Modulationen bieten den Vorteil, dass kurzzeitige im Medium auftretende Störungen einen deutlichen Anstieg bzw. Abfall mehrerer oder sogar aller bei den einzelnen Wellenlängen gemessenen Teilintensitäten bewirken, und somit nachträglich erkannt und die zugehörigen Messergebnisse verworfen werden können. Das gilt natürlich analog auch für die insgesamt vom Detektor gemessene Strahlungsintensität.
• Darüber hinaus können kurzzeitige im Medium auftretende Störungen auch bei der Verwendung langsamer bzw. niederfrequenter Modulationen anhand der insgesamt vom Detektor gemessenen Strahlungsintensität erkannt werden, sofern über die Modulation sichergestellt ist, dass zu jeder Zeit eine zumindest annähernd konstante Anzahl an Lichtquellen gleichzeitig Licht in die Messkammer sendet. Eine kurzzeitige im Medium auftretende Störung bewirkt auch hier einen entsprechenden Einbruch bzw. Anstieg der insgesamt gemessenen Strahlungsintensität.
• Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt: eine erfindungsgemäße Absorptionsmesseinrichtung;
• 2 zeigt: eine Sendeeinrichtung und eine Signalverarbeitung für eine Absorptionsmesseinrichtung gemäß 1 mit periodischer Modulation der Lichtquellen;
• 3 zeigt: eine Sendeeinrichtung und eine Signalverarbeitung für eine Absorptionsmesseinrichtung gemäß 1 mit nicht periodischer Modulation der Lichtquellen; und
• 4 zeigt: eine erfindungsgemäße Streuungsmesseinrichtung.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung am Beispiel einer Absorptionsmesseinrichtung zur Messung der Absorption eines Mediums M bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen λ.
• Die Messeinrichtung umfasst eine Messkammer 1 zur Aufnahme des Mediums M. Wie bereits eingangs beschrieben, ist die Messkammer 1 beispielsweise eine mit einer Probe des Mediums M befüllbare Küvette, die in die Messeinrichtung eingesetzt wird. Alternativ kann die Messeinrichtung als Sonde ausgebildet sein, die in das Medium M eingebracht wird. In dem Fall wird die Messkammer 1 durch eine Ausnehmung in der Sonde gebildet, die vom Medium M ausgefüllt wird.
• Es ist eine nachfolgend im Detail beschriebene Sendeeinheit 3 vorgesehen, die im Messbetrieb Licht in die Messkammer 1 hinein sendet, und es ist ein einziger Detektor 5 vorgesehen, der dazu dient, eine am Ort des Detektors 5 insgesamt aus der Messkammer 1 austretende Strahlungsintensität I_g zu messen. Die Messung der Absorption erfolgt in Transmissionsrichtung. D.h. der Detektor 5 ist hier auf einer der Sendeeinheit 3 in deren Senderichtung gegenüberliegenden Seite der Messkammer 1 hinter der Messkammer 1 angeordnet. Das Licht der Sendeeinheit 3 wird vorzugsweise auf einem vorgegebenen hier durch gestrichelte Linien eingezeichneten räumlich möglichst eng begrenzten Messpfad durch die Messkammer 1 gesendet. Das bietet den Vorteil, dass das Licht der unterschiedlichen Wellenlängen den gleichen Weg durch das Medium M nimmt, und damit im Medium M den gleichen Bedingungen ausgesetzt ist Hierzu kann senderseitig zwischen der Sendeeinheit 3 und der Messkammer 1 eine hier schematisch als Linse dargestellte Sendeoptik 7 vorgesehen sein, die eine homogene parallele Strahlführung des Lichts mit geringem Strahlquerschnitt entlang des Messpfads bewirkt.
• Zusätzlich kann empfängerseitig eine hier ebenfalls schematisch als Linse dargestellte Empfangsoptik 9 vorgesehen sein, die das über den Messpfad aus der Messkammer 1 austretende Licht auf den Detektor 5 bündelt.
• Der Detektor 5 ist beispielsweise - wie hier dargestellt- eine Photodiode. Alternativ können aber auch Solarzellen oder photosensitive Feldeffekttransistoren als Detektoren eingesetzt werden. Auf optische Filter und teure Spektralanalysatoren kann aufgrund der Erfindung vollständig verzichtet werden.
• Der Detektor 5 erzeugt ein Ausgangssignal, hier eine Ausgangsspannung, das die insgesamt darauf auftreffende Strahlungsintensität I_g wiedergibt. Das Ausgangssignal wird einer hier durch einen Verstärker dargestellten Verstärkerschaltung 11 zugeführt, die das Ausgangssignal verstärkt und als die insgesamt auf den Detektor 5 auftreffende Strahlungsintensität I_g wiedergebendes Messsignal einer daran angeschlossenen Signalverarbeitung 13 zuführt.
• Die Sendeeinheit 3 umfasst für jede der Wellenlängen λ₁, .. ,λ_n, bei denen die Absorption gemessen wird, eine elektrisch steuerbare Lichtquelle L₁, ..., L_n, die dazu dient Licht dieser Wellenlänge λ₁, .. , λ_n in die Messkammer 1 hinein zu senden. Als Lichtquellen L können beispielsweise elektrisch steuerbare LED's verwendet werden. Eine Lichtquelle L kann natürlich auch mehrere synchron gesteuerte Sendeelemente, z.B. mehrere LED's, umfassen.
• Erfindungsgemäß ist eine Steuerung 15 vorgesehen, die die einzelnen Lichtquellen L₁, ..., L_n mit einer für die einzelnen Wellenlängen λ₁, .. , λ_n jeweils verschiedenen zeitlichen Modulation von deren Sendeintensität I₀₁, ..., I_0n betreibt. Die am Detektor 5 insgesamt auftreffende Strahlungsintensität I_g ist folglich eine von den verschiedenen Modulationen und der Absorption im Medium M abhängige Überlagerung von jeweils nur eine der Wellenlängen λ₁, .., λ_n aufweisenden auf den Detektor 5 auftreffenden Teilintensitäten I₁, ..., I_n. Die Signalverarbeitung 13 ist an die Steuerung 15 angeschlossen, und bestimmt anhand der insgesamt vom Detektor 5 gemessenen Strahlungsintensität I_g und den wellenlängen-spezifischen Modulationen für jede der Wellenlängen λ₁... , λ_n die zugehörige Teilintensität I₁, ..., I_n.
• An die Signalverarbeitung 13 ist eine Messelektronik 17 angeschlossen, die anhand der von der Signalverarbeitung 13 bestimmten Teilintensitäten I₁, ..., I_n. die im Medium bei den einzelnen Wellenlängen λ₁, .. , λ_n aufgetretene Absorption µ₁, ..., µ_η bestimmt, und einer Anzeige und/oder einer weiteren Verarbeitung zugänglich macht. Die Absorptionsbestimmung erfolgt - wie bei herkömmlichen Absorptionsmessgeräten auch - anhand des exponentiellen Zusammenhangs zwischen der auf die gesendete Strahlungsintensität I₀₁, ..., I_0n bezogenen aus dem Medium M austretenden Strahlungsintensität I₁, ..., I_n. und dem Produkt aus der bei der jeweiligen Wellenlänge λ₁, .. , λ_n auftretenden Absorption µ₁, ..., µ_n und der Medium M zurückgelegten Strecke, und ist daher hier nicht im Detail beschrieben.
• Die zeitlichen Modulationen der Strahlungsintensitäten I₀₁, ..., I_0n mit der die einzelnen Lichtquellen L₁, ..., L_n senden, können gemäß einer ersten Variante der Erfindung einen periodischen oder gemäß einer zweiten Variante der Erfindung einen, insb. zufällig generierten, nicht periodischen Verlauf aufweisen. Zwingend erforderlich ist lediglich, dass die Modulationen, die für die unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, .. , λ_n bei denen die Absorption im Medium gemessen werden soll, verschieden sind. Dabei weist jede Modulation zu allen anderen Modulationen eine möglichst geringe Kreuzkorrelation, idealer Weise eine Kreuzkorrelation von Null, auf.
• Vorzugsweise weisen die unterschiedlichen Modulationen einen zeitlichen Verlauf auf, bei dem die Sendezeiten, in denen die einzelnen Lichtquellen L Licht der jeweiligen Wellenlänge λ aussenden, zeitlich überlappen. Hierdurch wird bewirkt, dass sich die insgesamt auf den Detektor 5 auftreffende Strahlungsintensität I_g immer aus mindestens zwei von Null verschiedenen Teilintensitäten zusammensetzt, und somit im normalen Betrieb nicht unter eine hierdurch sichergestellte Mindestintensität absinkt. Vorzugsweise werden Modulationen eingesetzt, die einen zeitlichen Verlauf aufweisen, bei dem im Messbetrieb im Mittel zu jeder Zeit eine zumindest annähernd konstante Anzahl an Lichtquellen L₁, ..., L_n gleichzeitig Licht in die Messkammer 1 sendet.
• Hierdurch werden drastische Schwankungen oder Sprünge der auf den Detektor 5 auftreffenden Strahlungsintensitätssprünge, wie sie im eingangs genannten Stand der Technik durch den sukzessiven oder alternierenden Betrieb einzelner Lichtquellen bzw. durch die damit verbundenen harten Ein- und Ausschaltvorgänge entstehen, vermieden.
• Darüber hinaus kann der Wertebereich der zu messenden Strahlungsintensität, für den der Detektor 5 und die nachfolgende Elektronik, insb. die Verstärkerschaltung 11, auszulegen ist, über eine gezielte Überlappung der Sendezeiten deutlich reduziert werden.
• Sowohl die Vermeidung von drastischen Intensitätsschwankungen und -sprüngen als auch die Einschränkung des Wertebereichs ermöglichen es deutlich langsamere weniger empfindlichere Verstärkerschaltungen 11 einzusetzen, die dementsprechend nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich unempfindlicher gegenüber von außen eindringender elektromagnetischer Störstrahlung sind.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur ersten Variante der Erfindung mit periodischer Modulation der Lichtquellen L. Dargestellt sind hier lediglich die entsprechend ausgebildete Sendeeinheit 3a, die zugehörige Steuerung 15a, sowie die an die Verstärkerschaltung 11 von 1 angeschlossene zugehörige Signalverarbeitung 13a. Die übrigen Komponenten können identisch aus 1 übernommen werden. In dem Beispiel sind exemplarisch drei Lichtquellen L₁, L₂, L₃ dargestellt, von denen die Lichtquelle L₁ Licht der Wellenlänge λ₁, die Lichtquelle L₂ Licht der Wellenlänge λ₂, und die Lichtquelle L₃ Licht der Wellenlänge λ₃, durch die Messkammer 1 sendet. Die Strahlungsintensitäten I₀₁, I₀₂, I₀₃ mit der die Lichtquellen L₁, L₂, L₃ Licht der jeweiligen Wellenlänge λ₁, λ₂, λ₃ senden wird mittels der Steuerung 15a zeitlich moduliert. Die Steuerung 15a umfasst hierzu drei jeweils an eine der Lichtquellen L₁, L₂, L₃ angeschlossene Module 19. Jedes Modul 19 erzeugt ein Steuersignal S_f1, S_f2, S_f3 mit einer vorgegebenen Frequenz f₁, f₂, f₃ mit der die Strahlungsintensität I₀₁, I₀₂, bzw. I₀₃ der jeweils daran angeschlossenen Lichtquelle L₁, L₂, L₃ periodisch moduliert wird. Die drei Frequenzen f₁, f₂, f₃ sind voneinander verschieden, und liegen vorzugsweise außerhalb von Frequenzbereichen möglicher Störsignale. Störsignale in diesem Sinne sind z.B. elektrische Störsignale, wie sie z.B. durch Netzbrummen im Bereich von 50 Hz auftreten können, oder optische Störsignale, wie z.B. von in der Umgebung angeordneten Leuchtstofflampen ausgesendetes Fremdlicht.
• Die Verarbeitung des die insgesamt auf den Detektor 5 auftreffende Strahlungsintensität I_g wiedergebenden verstärkten Messsignals erfolgt vorzugsweise digital. Hierzu wird das Messsignal einem in der Signalverarbeitung 13a integrierten oder dieser vorgeschalteten Analog/DigitalWandler A/D digitalisiert.
• Die Signalverarbeitung 13a bestimmt nun anhand der für die einzelnen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ vorgegebenen Modulationen und dem Messsignal die zugehörigen Teilintensitäten I₁, I₂, I₃. Bei periodischen Modulationen mit vorgegebenen unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂, f₃ kann dies beispielsweise über eine Fouriertransformation des Messsignal erfolgen. Diese kann beispielsweise in einem hier mit FT bezeichneten mit entsprechender Software ausgestatteten Mikroprozessor ausgeführt werden. Hieraus werden vorzugsweise ebenfalls mittels des Mikroprozessors FT die Amplituden A_f1, A_f2, A_f3 des fourier-transformierten Messsignals bei den vorgegebenen unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂, f₃ der einzelnen Modulationen bestimmt. Da das Verhältnis der Amplituden A_f1, A_f2, A_f3 des fourier-transformierten Messsignals bei den vorgegebenen unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂, f₃ zueinander dem Verhältnis der entsprechenden Teilintensitäten I₁, I₂, I₃ zueinander entspricht, können hieraus durch eine entsprechende Normierung die einzelnen Teilintensitäten I₁, I₂, I₃ rechnerisch bestimmt werden. Auch dies erfolgt vorzugsweise über entsprechende Software im Mikroprozessor FT.
• Vorzugsweise weisen die einzelnen Modulationen bzw. die Steuersignale S_f1, S_f2, S_f3 und damit auch die gesendeten Strahlungsintensitäten I₀₁, I₀₂, bzw. I₀₃ zeitlich kontinuierliche Verläufe, wie z.B. die hier dargestellten sinusförmigen Verläufe auf. Dies bietet den Vorteil, dass hierdurch harte Ein- und Ausschaltvorgängen und die damit verbundene Entstehung von Oberwellen bereits senderseitig vermieden wird.
• Grundsätzlich können aber auch Modulationen mit rechteckförmigem periodischem Verlauf eingesetzt werden. In dem Fall bietet die Fouriertransformation den Vorteil, dass zumindest solche gegebenenfalls entstehenden Oberwellen nachträglich eliminiert werden können, die von den Frequenzen f₁, f₂, f₃ der Modulationen verschiedene Frequenzen aufweisen.
• 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung mit nicht periodischer Modulation der Lichtquellen L. Dargestellt sind auch hier lediglich die entsprechend ausgebildete Sendeeinheit 3b, die zugehörige Steuerung 15b, sowie die an die Verstärkerschaltung 11 von 1 angeschlossene zugehörige Signalverarbeitung 13b. Die übrigen Komponenten können identisch aus 1 übernommen werden. Auch hier sind exemplarisch drei Lichtquellen L₁, L₂, L₃ unterschiedlicher Wellenlänge λ₁, λ₂, λ₃ vorgesehen, deren Strahlungsintensitäten I₀₁, I₀₂, I₀₃ mittels einer drei Module 21 aufweisenden Steuerung 15b zeitlich moduliert werden. Jedes Modul 21 erzeugt ein anderes nicht periodisches vorzugsweise zufällig generiertes Steuersignal S_z1, S_z2, S_z3 mit dem die Strahlungsintensität I₀₁ I₀₂, I₀₃ der jeweils daran angeschlossenen Lichtquelle L₁, L₂, L₃ moduliert wird. Die Steuersignale S_z1, S_z2, S_z3 sind beispielsweise aufeinander folgende rechteckförmige Pulse, deren Dauer und/oder deren zeitlicher Abstand voneinander mittels eines Zufallsgenerators festgelegt werden.
• Die Verarbeitung des die insgesamt auf den Detektor 5 auftreffende Strahlungsintensität I_g wiedergebenden verstärkten Messsignals erfolgt auch hier wieder vorzugsweise digital anhand des mittels des in der Signalverarbeitung 13b integrierten oder dieser vorgeschalteten Analog/DigitalWandlers A/D digitalisierten Messsignals.
• Die Signalverarbeitung 13b bestimmt auch hier anhand der für die einzelnen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ verschiedenen nicht periodischen Modulationen und dem digitalisierten Messsignal die zugehörigen Teilintensitäten I₁, I₂, I₃.
• Hierzu ist für jede zu messende Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ bzw. für jede der verschiedenen Modulationen jeweils ein mit dem digitalen Messsignal gespeistes digitales Filter F_z1, F_z2, F_z3 vorgesehen, das aus dem Messsignal die mit der zugehörigen Modulation korrelierenden Signalanteile herausfiltert. Hierzu wird jedem der Filter F_z1, F_z2, F_z3 über eine Verbindung mit dem jeweils zugehörigen Modul 19 der Steuerung 15b das entsprechende Steuersignal S_z1, S_z2, bzw. S_z3 zugeführt. In den Filtern F_z1, F_z2, F_z3 kann nun beispielsweise über eine Faltung des digitalen Messsignals mit dem zugehörigen Steuersignal S_z1, S_z2, S_z3 der mit dem Steuersignal S_z1, S_z2, S_z3 korrelierende Anteil des Messsignals auf dem Messsignal herausgefiltert werden.
• Da das Verhältnis der Amplituden dieser Anteile zueinander dem Verhältnis der entsprechenden Teilintensitäten I₁, I₂, I₃ zueinander entspricht, können hieraus durch eine entsprechende Normierung die einzelnen Teilintensitäten I₁, I₂, I₃ rechnerisch bestimmt werden. Auch dies erfolgt vorzugsweise über entsprechende Software in einem Mikroprozessor.
• Die Erfindung ist völlig analog auch in Messeinrichtungen zur Messung der Streuung eines Mediums bei unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, ..., λ_n einsetzbar. Ein Beispiel hier zu ist in 4 dargestellt Auch dort wird Licht der unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, ..., λ_n in einer vorgegebenen Senderichtung in die mit dem Medium M gefüllte Messkammer 1 gesendet. Dies erfolgt genauso wie bei den beschriebenen Absorptionsmesseinrichtungen mittels der Sendeeineinrichtung 3 und der daran angeschlossenen Steuerung 15, die die einzelnen Lichtquellen L₁, ..., L_n mit einer für die einzelnen Wellenlängen λ₁, .. , λ_n jeweils verschiedenen zeitlichen Modulation von deren Sendeintensität I₀₁, ..., I_0n betreibt. Das Licht wird im Medium M gestreut, und die unter vorgegebenen Streuwinkeln α, β aus der Messkammer 1 bei den die einzelnen Wellenlängen λ₁, ..., λ_n austretenden Teilintensitäten I₁, ..., I_n gemessen. Für jeden Streuwinkel α, β unter dem gemessen werden soll ist hierzu jeweils ein unter dem jeweiligen Streuwinkel α, β zur Senderichtung hinter der Messkammer 1 angeordneter Detektor 5 vorgesehen. Die Detektoren 5 sind identisch zu dem Detektor 5 der beschriebenen Absorptionseinrichtungen, und auch die Messungen der Teilintensitäten I₁, ..., I_n erfolgen für jeden Streuwinkel α, β auf die gleiche Weise, wie bei den beschriebenen Absorptionseinrichtungen. Entsprechend ist auch hier an jeden Detektor 5 jeweils eine Verstärkerschaltung 11 und eine Signalverarbeitung 13 angeschlossen. Auch hier übertragen die Signalverarbeitungen 13, die darin für den jeweiligen Streuwinkel α bzw. β bestimmten Teilintensitäten I_1α, ..., I_nα und I_1β, ..., I_nβ an eine Messelektronik 23, die die im Medium bei den einzelnen Wellenlängen λ₁, .. , λ_n aufgetretene Streuung bestimmt, und einer Anzeige und/oder einer weiteren Verarbeitung zugänglich macht.

1

Messkammer

3

Sendeeinheit

5

Detektor

7

Sendeoptik

9

Empfangsoptik

11

Verstärkerschaltung

13

Signalverarbeitung

13a

Signalverarbeitung

13b

Signalverarbeitung

15

Steuerung

15a

Steuerung

15b

Steuerung

17

Messelektronik

19

Modul der Steuerung

21

Modul der Steuerung

23

Messelektronik

Claims (5)

1. Messeinrichtung zur Messung von Absorption oder Streuung eines Mediums (M) bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) mit - einer Messkammer (1) zur Aufnahme des Mediums (M), - einer Sendeeinheit (3), -- die für jede der Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) eine elektrisch steuerbare Lichtquelle (L₁, ... , L_n) aufweist, die im Messbetrieb Licht der jeweiligen Wellenlänge (λ₁, ..., λ_n) in die Messkammer (1) hinein sendet, - einer Steuerung (15, 15a, 15b), -- die jede Lichtquelle (L₁, ... , L_n) mit einer anderen für die jeweilige Wellenlänge (λ₁, ..., λ_n) vorgesehenen zeitlichen Modulation von deren Sendeintensität (I₀₁, ..., I_0n) betreibt, wobei die Modulationen nicht periodische, insbesondere zufällig generierte, Modulationen sind, - einem Detektor (5) zur Messung einer von den Modulationen und der Absorption oder der Streuung im Medium (M) abhängigen am Ort des Detektors (5) aus der Messkammer (1) insgesamt austretenden Strahlungsintensität (I_g), die einer Überlagerung von jeweils nur eine der Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) aufweisenden auf den Detektor (5) auftreffenden Teilintensitäten (I₁, ..., I_n) entspricht, und - einer Signalverarbeitung (13, 13a, 13b), -- die anhand der insgesamt vom Detektor (5) gemessenen Strahlungsintensität (I_g) und den Modulationen für jede der Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) die zugehörige Teilintensität (I₁, ..., I_n) bestimmt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der - die Lichtquellen (L₁, ... , L_n) jeweils während durch den zeitlichen Verlauf der für ihre Wellenlänge (λ₁, ..., λ_n) verwendeten Modulation vorgegebenen Sendezeiten Licht ihrer Wellenlänge (λ₁, ..., λ_n) in die Messkammer (1) senden, und - die Sendezeiten der Lichtquellen (L₁, ... , L_n) unterschiedlicher Wellenlänge (λ₁, ..., λ_n) zeitlich überlappen.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, bei der die für die einzelnen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) verschiedenen Modulationen einen zeitlichen Verlauf aufweisen, bei dem im Messbetrieb im Mittel zu jeder Zeit eine zumindest annähernd konstante Anzahl an Lichtquellen (L₁, ... , L_n) gleichzeitig Licht in die Messkammer (1) sendet.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, bei der - die Signalverarbeitung (13b) für jede der Wellenlängen (λ₁, λ₂., λ₃) ein Filter (F_z1, F_z2, F_z3) aufweist, -- das aus dem die gemessene Strahlungsintensität (I_g) wiedergebenden Messsignal des Detektors (5) einen mit dem zeitlichen Verlauf der Modulation für die jeweilige Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) korrelierenden Anteil herausfiltert, und - die Signalverarbeitung (13b) die zugehörige Teilintensität (I₁, I₂, I₃) bei dieser Wellenlänge (λ₁, λ₂., λ₃) anhand des jeweiligen Anteils bestimmt.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, bei der - eine Sendeoptik (7) vorgesehen ist, über die das Licht der Lichtquellen (L₁, ..., L_n) entlang einer vorgegebenen Senderichtung auf einem räumlich begrenzten Messpfad in die Messkammer (1) gesendet wird, und/oder - eine Empfangsoptik (9) vorgesehen ist, über die aus der Messkammer (1) austretendes Licht auf den Detektor (5) gebündelt wird.

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