DE102017127122A1

DE102017127122A1 - Spektrometrisches Messgerät

Info

Publication number: DE102017127122A1
Application number: DE102017127122.8A
Authority: DE
Inventors: Björn Haase; Joachim Bolle
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-11-18
Also published as: DE102017127122B4; CN109799194A; CN109799194B; US20190154505A1; US10760968B2

Abstract

Die Erfindung offenbart ein spektrometrisches Messgerät (1) für eine Messstelle der Prozessautomatisierungstechnik, umfassend: eine breitbandige Lichtquelle (2) zum Einstrahlen von Licht auf eine zu messende Probe (9) durch eine Eintrittsapertur (7), wobei die Strahlenbündel des Lichts eine Einstrahlebene (X-Y) bilden; einen Lichtbegrenzer (5), der das Licht in einem Winkel, insbesondere 90°, zur Einstrahlebene (X-Y) begrenzt, wodurch sich unter diesem Winkel eine unterschiedliche Lichtmenge ergibt; ein dispersives Element (4) zum Trennen des Lichts nach seiner Wellenlänge; und einen Detektor (3) zum Empfangen von nach seiner Wellenlänge getrennten Lichts, wobei die Lichtquelle (2) das Licht durch die Probe (9), auf die Eintrittsapertur (7), den Lichtbegrenzer (5) und das dispersive Element (4) strahlt und das Licht auf den Detektor (3) trifft, wobei der Detektor (3) als zweidimensionaler Detektor ausgestaltet ist und so ausgerichtet ist, dass unter dem Winkel, also insbesondere 90°, Licht empfangbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein spektrometrisches Messgerät für eine Messstelle der Prozessautomatisierungstechnik.
In Produktionsprozessen können spektrometrische Messungen in Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Mehrphasen-Gemischen durchgeführt werden, um Erkenntnisse über den Produktionsverlauf bzw. einen als Produkt des Prozesses gebildeten Stoff, insbesondere dessen Menge oder Qualität, zu erhalten. Aus spektrometrischen Messungen können auch Werte von mit der Konzentration von Edukten und/oder Hilfsstoffen des Prozesses korrelierende Messgrößen gewonnen werden. Beispielsweise können in einem biochemischen Produktionsprozess Konzentrationen von Nährstoffen und/oder Konzentrationen von Stoffwechselprodukten der im Produktionsprozess verwendeten Mikroorganismen und/oder die Konzentration des in dem Prozess erzeugten Produkts in einem Prozessmedium, überwacht werden und der Prozessverlauf anhand der so gewonnenen Messdaten gesteuert und/oder geregelt werden. Das Prozessmedium ist dabei in der Regel in einem Prozessbehälter, beispielsweise einem Reaktor, einem Fermenter oder in einer Rohrleitung, enthalten.
Bei Absorptionsspektroskopie wird meist eine breitbandige Lichtquelle verwendet, deren Licht durch das zu untersuchende Medium geleitet wird, beispielsweise unter Nutzung transparenter Fenster oder Küvetten, und anschließend in einem optischen Spektrometer analysiert wird. Der Spektrometer umfasst dabei eine Detektionseinheit, umfassend eine Apertur, insbesondere einen Spalt, ein Abbildungssystem, und einen Detektor, sowie die bereits erwähnte Lichtquelle, einen Detektor und den entsprechenden Strahlengang.
Die im zu untersuchenden Medium vorhandenen Stoffe und Stoffgemische können dann anhand ihrer charakteristischen Absorptionslinien identifiziert werden. Je nach Molekülspektrum sind dabei verschiedene Wellenlängen interessant. Wichtig ist dabei, dass hier nicht nur die Identifikation einzelner Linien relevant ist, sondern auch deren absolute Signalstärke, da sich aus dieser Informationen zur jeweiligen Konzentration errechnen lassen. Insbesondere verfügen viele für Anwendungen der Prozessautomatisierungstechnik bedeutsame Stoffe Absorptionslinien im ultravioletten (UV) Spektralbereich. Ein UV-Absorptionsspektrometer zur Analyse eines solchen Stoffgemischs benötigt somit insbesondere einen für den Wellenlängenbereich ausgelegten Detektor und eine zugehörige geeignete Lichtquelle.
Bei den Lichtquellen lassen sich im wesentlichen LEDs, thermische Lampen (z.B. Halogenlampen) sowie Gasentladungslampen unterscheiden.
Für spektrometrische Absorptionsmessungen in einem großen Frequenzbereich sind Halogenlampen ideal. Sie verfügen über ein recht kontinuierliches Emissionsspektrum und emittieren Dauerlicht. Durch die praktisch möglichen Temperaturen im Glühdraht sind jedoch kaum Signalkomponenten im ultravioletten Spektralbereich möglich. Besonders im kurzwelligen Lichtbereich unterhalb von 350 nm ist kaum Lichtintensität vorhanden. Charakteristisch bei Gasentladungslampen ist, dass die relativen Lichtintensitäten durch die Resonanzen des Leuchtmittels kein kontinuierliches Spektrum bilden, sondern scharf abgegrenzte Bereiche hoher Amplitude und Bereiche mit sehr geringer Signalstärke. Diese Eigenschaft ist insbesondere für quantitative Absorptionsmessungen eine wesentliche Herausforderung, da sie für eine stabile Messung einen Detektor mit einer außerordentlich hohen Signaldynamik verlangt.
Eine Verbreiterung der scharfen Spektrallinien kann bei Gasentladungslampen beispielweise dadurch erzielt werden, dass das Leuchtgas unter extrem hohem Druck gebracht wird und mit sehr hohen Temperaturen betrieben wird, wie es z.B. bei sogenannten Xenon-Hochdrucklampen der Fall ist. Die durch den hohen Druck verursachten häufigen atomaren Stöße im Leuchtmedium führen zu einer Störung der quantenmechanischen Übergänge und einer Verbreiterung der scharfen Spektrallinien. Derartige Hochdrucklampen brauchen oft ein explosionsgeschütztes Gehäuse, separate Kühlungen, sodass sie in industriellen Sensoren nur in Ausnahmefällen zum Einsatz kommen können. Es ist daher in der Praxis erforderlich, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um trotz der hohen Signaldynamik, d.h. viel Signal auf den Resonanzen und wenig Signal dazwischen, in allen Frequenzbereichen Absorptionsmessungen durchführen zu können.
Im Unterschied zu mehr oder weniger kontinuierlich leuchtenden Lichtquellen für den sichtbaren Spektralbereich wie sie auch für die Deckenbeleuchtung zum Einsatz bekommen, werden für UV-Lichtquellen zudem deutlich höhere Anregungsenergien benötigt. Diese können z.B. bei Gasentladungslampen erreicht werden, die in einzelnen Blitzen hoher Energie angesteuert werden. Diese Lampen lassen sich typisch nur mit sehr geringen Wiederholfrequenzen (z.B. 10 Hz) über lange Betriebsdauern von mehreren Jahren stabil betreiben.
Als letzte Variante kommen als Lichtquelle auch UV-LEDs zum Einsatz. Im Unterschied zu den oben genannten Lampen verfügen diese jedoch nur über ein außerordentlich enges Frequenzspektrum und sind deswegen für eine breitbandige Analyse des Absorptionsverhaltens bei vielen Wellenlängen gleichzeitig nicht geeignet.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass für die meisten praktischen Anwendungen der industriellen UV-Spektroskopie nur UV-Gasentladungslampen mit Ansteuerung mit Einzelblitzen in Frage kommen, und diese in ihrem Emissionsspektrum in der Praxis eine Vielzahl scharfer Linien mit starker Intensität aufweisen und gleichzeitig dazwischen Wellenlängenbereiche mit kaum emittiertem Licht.
Preisgünstige spektrometrische Detektoren sind in der Regel heute auf Siliziumbasis aufgebaut und verfügen insbesondere über eine charakteristische wellenlängenabhängige Empfindlichkeit. Dies vergrößert den für breitbandige Absorptionsmessungen im Detektor erforderlichen Dynamikbereich zusätzlich.
Bei Spektrometern kommen insbesondere CCD oder CMOS-Detektoren zum Einsatz. CMOS-Sensoren verfügen dabei über einen eigentlich wünschenswert hohen Dynamikbereich, weisen jedoch oft keine optimale Linearitätseigenschaft auf, welche für Absorptionsmessungen besonders wichtig sind: Bei Absorptionsmessungen wird in der Regel die Intensität des gemessenen transmittierten Spektrums durch die Intensität einer Referenzmessung dividiert. D.h. dividiert wird beispielsweise eine Messung bei der in einer durchstrahlten Flüssigkeitsküvette die sich beim Einfüllen einer Probeflüssigkeit ergebende Lichtmenge durch die Intensitäten einer Messung bei der in der Transmissionsküvette Reines Wasser eingefüllt ist. Je nach Absorptionsgrad und Wellenlänge können sich bei diesen zwei Messungen große Intensitätsunterschiede ergeben. Gerade bei hohen Dynamikbereichen lassen sich mit CMOS-Detektoren oft keine verlässlichen quantitativen Ergebnisse erzielen, insbesondere nicht, wenn sich die Temperatur ändert.
CCD-Sensoren im Unterschied verfügen in der Regel über eine hervorragende Linearität, haben jedoch häufig nur einen stark reduzierten Dynamikbereich.
Üblicherweise wird insbesondere bei absoluten Transmissionsmessungen mit den hochlinearen CCD-Sensoren gearbeitet. Bei Verwendung von kontinuierlich leuchtenden Lichtquellen kann dabei ein sehr hoher Dynamikbereich dadurch erreicht werden, dass die Belichtungsdauer auf dem CCD-Detektor verkürzt oder verlängert wird. Dieses Verfahren scheidet jedoch beim Einsatz von UV-Blitzlampen aus, da die Blitzpulsdauern von typisch 1 ns und weniger um Größenordnungen kleiner sind als die minimal einstellbaren Belichtungszeiten von CCD-Detektoren und eine Belichtung mit mehr als einem Blitzpuls in der Regel durch die nur geringe mögliche Blitzpuls-Wiederholrate nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer, insbesondere als Teil eines UV-Absorptionsspektrometers, bereit zu stellen, das hochlinear arbeitet und einen hohen Dynamikbereich aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein spektrometrisches Messgerät, umfassend: eine breitbandige Lichtquelle zum Einstrahlen von Licht auf eine zu messende Probe durch eine Eintrittsapertur, wobei die Strahlenbündel des Lichts, insbesondere innerhalb des Spektrometers, eine Einstrahlebene bilden; einen, insbesondere ungleichförmigen, Lichtbegrenzer, der das Licht in einem Winkel, insbesondere 90°, zur Einstrahlebene begrenzt, wodurch sich unter diesem Winkel eine unterschiedliche Lichtmenge ergibt; ein dispersives Element zum Trennen des Lichts nach seiner Wellenlänge; und einen Detektor zum Empfangen von nach seiner Wellenlänge getrennten Lichts, wobei die Lichtquelle das Licht durch die Probe auf die Eintrittsapertur, den Lichtbegrenzer und das dispersive Element strahlt und das Licht, insbesondere anschließend, auf den Detektor trifft, wobei der Detektor als zweidimensionaler Detektor ausgestaltet ist und so ausgerichtet ist, dass unter dem Winkel, also insbesondere 90°, Licht empfangbar ist.
Dadurch ergibt sich eine hohe Dynamik und es kann eine hohe Linearität erreicht werden.
In einer Ausgestaltung nimmt das Licht im Absorptionsspektrometer, also im spektrometrischen Messgerät, dabei den Weg von der Lichtquelle über die Probe ins Spektrometer und dort in die Eintrittsapertur, den Lichtbegrenzer und das dispersive Element hin zum Detektor. In einer Ausgestaltung wird die Reihenfolge der genannten Bauteile geändert.
In einer Ausgestaltung ist zwischen Lichtquelle und Probe ein optisches System zur Parallelisierung (Kollimation) des Lichts von der Lichtquelle angeordnet. Dies erfolgt mittels einer Kollimationsoptik. Damit strahlt im Wesentlichen paralleles Licht durch die Probe. Das optische System umfasst ein oder mehrere Linsen, ein Linsensystem oder einen Lichtwellenleiter.
In einer Ausgestaltung ist zwischen Probe und Eintrittsapertur ein optisches System angeordnet, welches das Licht durch die Eintrittsapertur führt bzw. leitet. Das optische System umfasst ein oder mehrere Linsen, Spiegel, Strahlteiler, ein Linsensystem oder einen Lichtwellenleiter.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer ungleichförmig ausgestaltet. Der Lichtbegrenzer weist in einer Ausgestaltung zumindest entlang seiner längsten Kante eine unterschiedliche Breite oder Dicke auf.
In einer Ausgestaltung umfasst die Eintrittsapertur den Lichtbegrenzer.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer konisch.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer entlang des Winkels kontinuierlich ausgestaltet. In anderen Worten wird das Licht entlang des Winkels kontinuierlich begrenzt.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer stufenartig.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer zwischen Lichtquelle und dispersivem Element angeordnet. In einer Ausgestaltung bildet der Schattenwurf des Lichtbegrenzers auf dem Detektor keine scharfe Struktur, sondern es erfolgt vielmehr eine unscharfe gleitende Schattenbildung.
In einer Ausgestaltung umfasst das Spektrometer zumindest ein Abbildungssystem zum Leiten des Lichts von der Lichtquelle in Richtung des dispersiven Elements und/oder vom dispersiven Element in Richtung des Detektors.
In einer Ausgestaltung umfasst das Abbildungssystem einen Hohlspiegel.
In einer Ausgestaltung umfasst das dispersive Element ein optisches Gitter.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer zwischen Lichtquelle und einem Abbildungssystem angeordnet, wobei das Abbildungssystem das Licht von der Lichtquelle auf das dispersive Element leitet.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer zwischen dispersivem Element und einem Abbildungssystem angeordnet, wobei das Abbildungssystem das Licht von der Lichtquelle auf den Detektor leitet.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer zwischen einem Abbildungssystem und einem Detektor angeordnet, wobei das Abbildungssystem das Licht von der Lichtquelle auf den Detektor leitet.
In einer Ausgestaltung ist der Lichtbegrenzer als Blende ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung ist die Blende kammartig ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung ist der ungleichförmige Lichtbegrenzer so ausgestaltet, dass das Licht in dem Winkel, insbesondere 90°, zur Einstrahlebene (X-Y) so begrenzt, dass sich unter diesem Winkel kontinuierlich eine unterschiedliche Lichtmenge ergibt.
In einer Ausgestaltung umfasst das spektrometrische Messgerät, insbesondere der Absorptionsspektrometer, einen Messpfad (Messlicht) und einen Referenzpfad (Referenzlicht), wobei Licht aus der Lichtquelle über den Messpfad und den Referenzpfad leitbar ist, wobei der Referenzpfad an der Probe vorbeiführt.
Für genaue Absorptionsmessungen sollen verschiedene Störsignalquellen unabhängig voneinander untersuchen zu können. Als Störquellen kommt insbesondere auch die Alterung der Lampe in Betracht. Deswegen wird das Spektrum der Lichtquelle unabhängig vermessen, wobei Licht über den Referenzpfad um die zu untersuchende Probe herumgeleitet wird. In einer Ausgestaltung wird Licht vor der Probe in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt und vor der Eintrittsapertur wieder ausgekoppelt.
In einer Ausgestaltung wird über einschwenkbare Blenden Licht entweder durch den Referenzpfad oder den Messpfad, also durch die zu untersuchende Probe durchstrahlt. Einschwenkbare bewegliche Blenden sind etwa über einen Elektromotor beweglich.
In einer Ausgestaltung erfolgt im Absorptionsspektrometer die Einkopplung des Lichts des Referenzpfads ins Spektrometer über einen räumlich getrennten Bereich des Lichtbegrenzers, so dass auf dem zweidimensionalen Detektor ebenfalls eine räumliche Trennung von Referenzlicht und Messlicht erfolgt. In dieser Ausgestaltung werden bei einer einzelnen Aufnahme des zweidimensionalen Intensitätsspektrums Referenzlicht und Messlicht gleichzeitig aufgenommen.
Bezogen auf gepulst betriebene Gasentladungs-Blitzlampen kann diese Ausgestaltung den Vorteil bieten, dass damit Puls-zu-Puls-Intensitätsschwankungen der Lichtquelle dadurch kompensiert werden können, dass Referenzlicht und Messsignal des Pulses immer gleichzeitig erfasst werden können. Schwankt beispielsweise die Lichtmenge eines Blitzes von Puls zu Puls um 10 %, so kann diese Schwankung im räumlich auf dem 2D-Detektor getrennten Referenzlichtbereich erkannt und beispielsweise durch eine Division der gemessenen Messlichtintensitäten durch die gemessenen Referenzlichtintensitäten rechnerisch kompensiert werden.
Bei Verwendung mechanischer „Shutter“ (beispielsweise mittels Elektromotoren realisiert) kann für den jeweiligen Lichtblitz nur alternativ entweder Referenzpfad oder Messpfad erfasst werden und es wird bei Intensitätsschwankungen der Lichtquelle erheblich mehr Messzeit zur Mittelung erforderlich, als wenn über den Referenzpfad die Schwankung der Intensität der einzelnen Pulse immer direkt miterfasst werden können.
Bezogen auf die Intensität der Messsignale und dem damit für die Messung im Detektor erforderlichen Dynamikbereich ist bedeutsam, dass im Allgemeinen der Referenzpfad und das durch die zu untersuchende Probe geleitete Licht stark unterschiedliche Amplituden aufweisen kann, beispielsweise dadurch, dass in den Fenstern einer für die Durchstrahlung eines Mediums verwendeten transparenten Küvette große Intensitätsverluste zu berücksichtigen sein können.
In einer Ausgestaltung ist der Detektor gegenüber der X-Z-Achse gekippt, insbesondere gegenüber der X-Achse.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert:

1 zeigt ein beanspruchtes optisches Absorptionsspektrometer.
2 zeigt eine Ausgestaltung eines Lichtbegrenzers.
3 zeigt das aus dem Lichtbegrenzer aus 2 resultierende Bild auf einem Detektor.
4 zeigt eine Ausgestaltung eines Lichtbegrenzers.
5 zeigt eine Ausgestaltung des optischen Absorptionsspektrometers.
6A/B/C zeigen Ausgestaltungen eines Lichtbegrenzers, wie er in dem Spektrometer aus 5 angewendet werden kann.
7 zeigt eine Ausgestaltung des Absorptionsspektrometers mit Referenzpfad.
8 zeigt eine Ausgestaltung des Absorptionsspektrometers mit Referenzpfad.
9 zeigt eine Ausgestaltung des Lichtbegrenzers für eine der Ausgestaltungen aus 7 oder 8.
10 zeigt das aus dem Lichtbegrenzer aus 9 resultierende Bild auf einem Detektor.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden soll die Achse „Rechts-Links“ als X-Achse, die Achse „Oben-Unten“ als Y-Achse und die Achse aus der Ebene heraus als Z-Achse bezeichnet werden.
Das beanspruchte spektrometrische Messsystem in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
Der Absorptionsspektrometer 1 besteht aus einer breitbandigen Lichtquelle 2, etwa eine gepulste Blitzlampe, einem Detektor 3 (siehe unten), einer Eintrittsapertur 7 und einem dispersiven Element 4. Das dispersive Element 4 ist als optisches Gitter, genauer als Reflexionsgitter, ausgestaltet. Andere Möglichkeiten sind etwa ein Prisma, besondere Spiegel oder Transmissionsgitter.
Das Licht von der Lichtquelle 2 wird beispielsweise mittels einer Linse 10 parallelisiert (kollimiert) und durch die Probe 9 gestrahlt. Durch die Kollimation erfolgt gegebenenfalls auch eine räumliche Selektion des Lichts, sodass z.B. nur Lichtanteile aus dem räumlichen Zentrum der Lampe durch die Probe durchstrahlt werden. Ein Vorteil der sich durch die räumliche Selektion des Lichts ergeben kann ist eine Auswahl des Lichts von Bereichen in der Lichtquelle erfolgt, die eine besonders geringe Puls-zu-Puls-Schwankung zwischen einzelnen Blitzen aufweisen. Hierfür können gegebenenfalls auch zusätzliche Lochblenden (die das Licht aus Randbereichen der Lichtquelle ausblenden) oder andere aus dem Stand der Technik bekannte optische Vorrichtungen zum Einsatz kommen.
Eine Linse 10 richtet das Licht auf die Eintrittsapertur 7 des zur Detektion verwendeten Spektrometers. Alternativ zur Verwendung einer einzelnen Linse 10 wird ein Linsensystem, Lichtleitfaser, Spiegelsystem oder ähnliches verwendet.
Das abgebildete Absorptionsspektrometer 1 umfasst eine Eintrittsapertur 7, ein Lichtbegrenzer 5, ein erstes Abbildungssystem 8a zum Führen der Strahlenbündel 6 von der Eintrittsapertur 7 zum dispersiven Element 4. Das Spektrometer umfasst ein zweites Abbildungssystem 8b zum Führen der Strahlenbündel vom dispersiven Element 4 zum Detektor 3. In den Strahlengang zwischen dispersiven Element 4 und Detektor 3 können nach dem Stand der Technik übliche Optikkomponenten eingebracht werden, wie z.B. Umlenkspiegel oder optische Ordnungs-Sortierungs-Filter zur Ausblendung von Signalen höherer Beugungsordnung. Das Abbildungssystem 8a, 8b ist etwa über Hohlspiegel realisiert.
Das Licht von der Lichtquelle wird durch eine Eintrittsapertur 7 in Richtung des Abbildungssystems 8a gestrahlt. Die Apertur 7 ist entlang der Z-Achse ausgerichtet. Das Licht bildet ein Strahlbündel 6, das durch einen „linken“ Lichtstrahl 2.l und einen „rechten“ Lichtstrahl 2.r gekennzeichnet ist. Die Lichtstrahlen 2.l und 2.r spannen eine Einstrahlebene auf. Diese Einstrahlebene entspricht der X-Y-Ebene bzw. ist parallel zu dieser.
Beleuchtet man die Eintrittsapertur 7 mit einem Spektrum (breitbandige Lichtquelle 1) erhält man auf der Detektorebene in der X-Z-Achse ebenfalls Linien in der Form der Apertur, jedoch spektral getrennt.
Der Detektor 3 ist als zweidimensionaler (2D) Detektor ausgestaltet. Der Detektor 3 ist also ein Detektor-Array, ausgerichtet in der X-Z-Achse. Dabei ist das Spektrometer insgesamt so ausgelegt, dass an verschiedenen Z-Koordinaten des Detektors 3 unterschiedliche Signalamplituden anliegen, jedoch die gleiche spektrale Charakteristik aufweisen.
In einer Ausgestaltung ist der Detektor 3 gegenüber der X-Z-Achse gekippt, insbesondere gegenüber der X-Achse.
Dazu wird zwischen der Lichtquelle 1 und der Probe 9, und damit auch dem Detektor 3, ein Lichtbegrenzer 5 angeordnet. Der Lichtbegrenzer begrenzt das Licht der Lichtquelle 1 in einem Winkel, etwa 90°, zur Einstrahlebene, d.h. der X-Y-Ebene. Der Lichtbegrenzer begrenzt also das Licht in der Z-Achse. Es ergibt sich also in der Z-Achse eine unterschiedliche Lichtmenge, die letztlich am Detektor 3 ankommt. Der Lichtbegrenzer 5 kann ungleichförmig ausgestaltet sein. Dazu ist der Lichtbegrenzer beispielsweise entlang seiner längsten Kante unterschiedlich breit oder dick.
Die Eintrittsapertur 7 ist etwa als Eintrittsspalt, insbesondere als Eintrittsspalt 7 ausgestaltet.
Eine Möglichkeit für die Apertur 7 besteht darin, den, insbesondere nicht gleichförmigen, Eintrittspalt 7 als Lichtbegrenzer 5 zu verwenden. Vergrößert man den Spalt, so erhält man auf dem Detektor 3 im Allgemeinen mehr Licht, jedoch um den Preis, dass die spektrale Auflösung geringer wird. Führt man den Spalt konisch aus wie in 2 gezeigt, d.h. in X-Z-Ebene, (weißer Bereich transmittiert Licht), so ergibt sich in der X-Z-Detektorebene bei (exemplarischen) drei scharfen Frequenzlinien das Bild in 3. Das Bezugszeichen „B“ entspricht blauem Licht, das Bezugszeichen „G“ entspricht gelbem Licht, das Bezugszeichen „R“ entspricht rotem Licht. Dabei wird das Vorzeichen der Z-Achse gegebenenfalls gespiegelt. Entscheidend ist, dass in den Bereichen in der Z-Ebene mit kleinem Spalt nur eine sehr geringe Signalamplitude verfügbar ist, in den Bereichen mit großem Spalt jedoch viel Signal.
Diesen Effekt kann man sich dadurch zunutze machen, dass man je nach Intensität und Wellenlänge die Informationen aus unterschiedlichen Z-Koordinaten aus der Detektorebene entnimmt. Für jede Wellenlänge wird die Intensität des Messsignals aus derjenigen Zeile (Z-Koordinate) entnommen, die im Detektor 3 optimal ausgesteuert ist.
Damit lässt sich der Dynamikbereich des Photodetektors 3, beispielsweise einer CCD drastisch erhöhen. Dieser Mechanismus kann sowohl für kontinuierliche Lichtquellen wie Halogenlampen als auch für gepulste Blitzlampen verwendet werden.
4 zeigt eine Ausgestaltung des Lichtbegrenzers, in der der Lichtbegrenzer stufenförmig ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung umfasst als Lichtbegrenzer 5 in der Z-Achse in der Nähe des Hohlspiegels 8a. Abgebildet ist eine Ausgestaltung, in der der Lichtbegrenzer 5 bei etwa 1/3 des Abstands zwischen Eintrittsapertur 7 und Abbildungssystem 8a angeordnet ist. Der Lichtbegrenzer 5 ist eine räumliche Blende, die einen unscharfen Schattenwurf auf dem Detektor 3 entlang der Z-Achse verursacht. Dies zeigt 5.
Die Blende hat dabei bezogen auf die Apertur 7 in der X-Z-Ebene eine Form wie sie die 6A, 6B und 6C zeigen. Schwarz skizziert ist dabei die Form des Spalts 7 in der X-Z-Ebene. Es kann hier ebenfalls ein kontinuierliches Graufilter zum Einsatz kommen. Der Vorteil der in den 6B und 6C gezeigten Strukturen ist dabei, dass hierbei durch die unscharfe Abbildung ein kontinuierlicher Intensitätsverlauf in Z-Richtung durch eine „Schwarz/Weiß“-Blende erreicht werden kann, wie es z.B. durch ein strukturiertes geschwärztes Blech realisierbar ist. Eine solche geschwärzte Struktur kann einfacher und kostengünstiger realisiert werden als ein kontinuierliches Graufilter.
Wesentlich ist, dass sich auf der X-Z-Detektorfläche ein unscharfer Schattenwurf ergibt und somit eine abhängig von der Z-Koordinate eine sich ändernde unterschiedliche Lichtmenge auf dem Detektor 3.
Der Photodetektor 3 kann nun so ausgesteuert werden, dass die Pixel des Detektors 3 im maximal abgeschatteten Bereich auf der Wellenlänge mit maximaler Detektoramplitude gerade eben nicht übersteuern. Bei Wellenlängen mit weniger Signal wird die Messgröße bei Pixeln mit einer Z-Koordinate ermittelt, für die weniger Abschattung wirksam wird.
Vorteilhafterweise wird die Ausleserichtung so gewählt, dass die Zeilen (Z-Achse) mit geringem Signalpegel im Detektor zuerst ausgelesen werden und die Zeilen mit hohem Signalpegel erst im Anschluss.
7 zeigt ein Absorptionsspektrometer 1 mit einem Messpfad ME und einen Referenzpfad RE des Lichts. Der Messpfad ME ist der oben in Bezug beispielsweise zu 1 beschriebene.
Der Referenzpfad RE ist ein Lichtpfad der nicht durch die Probe 9 gelenkt wird. Stattdessen wird der Lichtpfad an der Probe vorbei geleitet. Nach der Probe wird dieser durch die Eintrittsapertur 7 gelenkt. Die Ausführungen zu 1 bzw. 5 sind anwendbar. Gegebenenfalls ergibt sich eine andere Ausführungsform des Lichtbegrenzers 5, siehe dazu unten und 9.
In der Ausgestaltung in 7 umfasst der Referenzpfad RE mehrere Ablenkelemente 11, die ein Ablenksystem bilden. Licht aus der Lichtquelle 2 wird dazu mit mehreren Elementen, etwa Spiegel oder halbdurchlässigen Spiegel, um die Probe 9 gelenkt. Insbesondere das Ablenkelement 11, das am nächsten zur Lichtquelle 2 und zur Eintrittsapertur 7 angeordnet sind, sind jeweils als halbdurchlässige Spiegel ausgestaltet. In einer Ausgestaltung sind diese als Kippspiegel ausgestaltet. Je nachdem ob der Messpfad ME oder der Referenzpfad RE gemessen werden soll, wird der Kippspiegel entsprechend geschaltet. Der Kippspiegel ist entweder mono- oder bistabil ausgestaltet. Der Kippspiegel wird mittels Elektromotor oder magnetisch angesteuert. Der Vorteil der ersten Variante mit halbdurchlässigen Spiegeln ist, dass kontinuierlich eine Referenzmessung (gleichzeitig mit einer Probenmessung) durchgeführt werden kann, sodass etwa auch Puls-zu-Puls Schwankungen der pulsgesteuerten Lichtquelle ausgeglichen werden können.
In der Ausgestaltung in 8 umfasst der Referenzpfad RE einen Lichtwellenleiter 12. Der Lichtwellenleiter 12 empfängt Licht von der Lichtquelle 2 und leitet es um die Probe 9. Nach der Probe wird das Licht vom Lichtwellenleiter 12 wieder eingekoppelt, d.h. durch die Eintrittsapertur 7 geführt. Gegebenenfalls kann nach der Lichtquelle ein Strahlteiler, halbdurchlässiger Spiegel oder ein Kippspiegel angeordnet sein, um zwischen dem Referenzpfad RE und dem Messpfad ME umzuschalten.
9 zeigt eine Ausgestaltung des Lichtbegrenzers 5, der insbesondere für die Spektrometer aus den 7 und 8 geeignet ist. Der Lichtbegrenzer 5 umfasst zwei Zonen 5.1 und 5.2. Die erste Zone 5.1 entspricht im Wesentlichen der Ausgestaltung aus 2 oder 4. Die zweite Zone 5.2 ist zusätzlich zur ersten Zone 5.1. Die zweite Zone 5.2 umfasst wie abgebildet einen Kreis, allerdings sind auch andere Formen wie Quadrat, Rechteck etc. möglich. Ebenfalls möglich ist eine dreiecksförmige oder stufenförmige Struktur wie in der ersten Zone 5.1. Der Lichtbegrenzer 5 mit den zwei Zonen 5.1, 5.2 ist so angeordnet, dass durch die zweite Zone 5.2 immer Licht aus dem Referenzpfad 5.2 durchstrahlt. Entsprechend wird die erste Zone 5.1 immer mit Licht aus dem Messpfad ME durchstrahlt. In Folge dessen ergibt sich auf dem Detektor 3 das Bild in 10. Das Licht aus dem Referenzpfad RE kommt also auf dem Detektor 3 immer an der gleichen Stelle an und ist insbesondere vom Licht aus dem Messpfad ME räumlich getrennt. Bei Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes auf dem Detektor 3 lässt sich so für jeden Lichtpuls jeweils gleichzeitig die Intensität des Referenzpfads und des Messpfads erfassen. Puls-Zu-Puls Schwankungen der Intensität der Lichtquelle können so rechnerisch kompensiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Spektrometrisches Messgerät
2: Lichtquelle
2.l: linker Strahl
2.r: rechter Strahl
3: Detektor
4: Dispersives Element
5: Lichtbegrenzer
6: Lichtbündel
7: Eintrittsapertur
8a, b: Abbildungssystem
9: Probe
10: Linse
11: Ablenksystem
12: Lichtwellenleiter
B: Blau
G: Gelb
R: Rot
ME: Messung
RE: Referenz
X: Raumrichtung
Y: Raumrichtung
Z: Raumrichtung

Claims

Spektrometrisches Messgerät (1) für eine Messstelle der Prozessautomatisierungstechnik, umfassend: - eine breitbandige Lichtquelle (2) zum Einstrahlen von Licht auf eine zu messende Probe (9) durch eine Eintrittsspaltapertur (7), wobei die Strahlenbündel des Lichts eine Einstrahlebene (X-Y) bilden; - einen Lichtbegrenzer (5), der das Licht in einem Winkel, insbesondere 90°, zur Einstrahlebene (X-Y) begrenzt, wodurch sich unter diesem Winkel eine unterschiedliche Lichtmenge ergibt; - ein dispersives Element (4) zum Trennen des Lichts nach seiner Wellenlänge; und - einen Detektor (3) zum Empfangen von nach seiner Wellenlänge getrennten Lichts, wobei die Lichtquelle (2) das Licht durch die Probe (9), auf die Eintrittsapertur (7), den Lichtbegrenzer (5) und das dispersive Element (4) strahlt und das Licht auf den Detektor (3) trifft, wobei der Detektor (3) als zweidimensionaler Detektor ausgestaltet ist und so ausgerichtet ist, dass unter dem Winkel, also insbesondere 90°, Licht empfangbar ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 1, wobei die Eintrittsapertur (7) den Lichtbegrenzer (5) umfasst.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 2, wobei der Lichtbegrenzer (5) konisch ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 2, wobei der Lichtbegrenzer (5) stufenartig ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 1, wobei der Lichtbegrenzer (5) zwischen Lichtquelle (2) und dispersivem Element (4) angeordnet ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zumindest ein Abbildungssystem (8a, 8b) zum Leiten des Lichts von der Lichtquelle (2) in Richtung des dispersiven Elements (4) und/oder vom dispersiven Element (4) in Richtung des Detektors (3).
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 6, wobei das zumindest eine Abbildungssystem (8a, 8b) einen Hohlspiegel umfasst.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dispersive Element (4) ein optisches Gitter umfasst.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Lichtbegrenzer zwischen Lichtquelle (2) und einem Abbildungssystem (8a) angeordnet ist, und wobei das Abbildungssystem (8a) das Licht von der Lichtquelle (2) auf das dispersive Element (4) leitet.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Lichtbegrenzer (5) als Blende ausgestaltet ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 10, wobei die Blende kammartig ausgestaltet ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtbegrenzer (5) so ausgestaltet ist, dass das Licht in dem Winkel, insbesondere 90°, zur Einstrahlebene (X-Y) so begrenzt, dass sich unter diesem Winkel kontinuierlich eine unterschiedliche Lichtmenge ergibt.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messgerät (1) einen Messpfad (ME) und einen Referenzpfad (RE) umfasst, wobei Licht aus der Lichtquelle (2) über den Messpfad (ME) und den Referenzpfad (RE) leitbar ist, wobei der Referenzpfad (RE) an der Probe (9) vorbeiführt.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 13, wobei das Licht des Referenzpfads (RE) durch den Lichtbegrenzer (5) in dem Winkel insbesondere 90°, zur Einstrahlebene (X-Y) auf dem Detektor (3) räumlich vom Licht des Messpfads (ME) getrennt ist.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Eintrittsapertur (7) den Lichtbegrenzer (5) umfasst und das Licht des Referenzpfads (RE) über einen Lichtleiter auf den Lichtbegrenzer (5) eingekoppelt wird.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei zur Kompensation von Lichtintensitätsschwankungen der Lichtquelle (2) bei dem die auf dem Detektor (3) räumlich getrennt erfassten Lichtintensitäten des Referenzpfads (RE) über ein rechnerisches Verfahren, insbesondere eine Division, mit den Lichtintensitäten des Messpfads (ME) verknüpft werden.
Spektrometrisches Messgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Kollimationsoptik (10) das Licht nur aus einem räumlich beschränkten Bereich der Lichtquelle (2), insbesondere aus deren Zentrum, auf den Detektor (3) abbildet.