DE19808110A1

DE19808110A1 - Spektrophotometer mit elektronischer Temperaturstabilisierung

Info

Publication number: DE19808110A1
Application number: DE19808110A
Authority: DE
Inventors: Robert J Hutchinson
Original assignee: Lucid Technologies Inc
Current assignee: CV US INC., LAWRENCEVILLE, NJ, US
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1998-09-10
Also published as: JPH10246670A; GB2322698B; GB9803468D0; US5739905A; GB2322698A; FR2760088A1; FR2760088B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spektrophoto meter, die einen Motor verwenden zum Betätigen eines spektral dispersiven Elements, um Licht mit verschiedener Wellenlänge oder in unterschiedlichen Wellenlängenbändern auf einen Photodetektor zu leiten, und die eine Tempera turstabilisierung des Spektrophotometers durch Betrieb des Motors als Wärmequelle verwenden, wenn dieser das Element nicht betätigt. Insbesondere sieht die Erfindung ein System zum Stabilisieren der Temperatur eines Spektrophotometers vor, wodurch die wärmeinduzierten Effekte vermindert werden, die Spektralmessungen beeinträchtigen können.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, ein Temperaturstabili sierungssystem für ein Spektrophotometer vorzusehen, bei dem die Position eines dispersiven Elements durch einen Motor gesteuert wird und das eine elektrische Schaltung, beispielsweise einen Mikroprozessor, besitzt, die bzw. der Steuersignale zum Positionieren des Motors vorsieht, die Temperatur des Spektrophotometers abfühlt und den Motor dann, wenn der Motor nicht in Spektralmessungen einbezogen ist, dazu verwendet, eine Erwärmung des Spektrophotometers vorzusehen, um dadurch dessen Tempe ratur zu stabilisieren und wärmebezogene Spektralmeß fehler zu vermindern.

Wärmeinduzierte Meßfehler wurden in Spektrophotometern erkannt. Es wurde vorgeschlagen, den diesen Fehler verursachenden Wärmeeffekt zu vermindern durch die mechanische Konstruktion des Spektrophotometers, beispielsweise durch die Verwendung von Befestigungen bzw. Trägern mit kontrollierten Wärmeausdehnungseigen schaften und Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um Wärme abzuleiten und dadurch Wärmeänderungen in einem Gitter zu verhindern, die Spektralmeßfehler verursachen können, wenn sich das Gitter oder seine Befestigung ausdehnt oder zusammenzieht. Ein solcher Vorschlag ist beschrieben im US Patent 5,319,437, ausgegeben am 7. Juni 1994 an VanAken, et al. Eine solche mechanische Kon struktion neigt dazu, die Kosten des Spektrophotometers sowie seine Größe und sein Gewicht zu erhöhen und ist nicht vollständig zufriedenstellend gewesen. US Patent 5,017,250, ausgegeben an McGee am 10. Dezember 1991, schlägt vor, die Geschwindigkeit eines Ventilators bzw. Gebläses zu steuern, um die Temperatur eines Spektro photometers zu kontrollieren bzw. zu steuern. Dieser Vorschlag ist nicht kompatibel mit tragbaren, hand gehaltenen Spektrophotometern. Es wurde erkannt, daß Wärmestabilisierung in verschiedenen Vorrichtungen erforderlich ist, beispielsweise in Motoren oder anderen elektrischen Vorrichtungen, die, wenn sie kalt sind, Start- bzw. Warmlaufeigenschaften besitzen, die den Motor beschädigen können. Wenn beispielsweise die Lager des Motors kalt sind, übt deren Viskosität beim Starten einen übermäßigen Widerstand auf den Motor aus und kann bewirken, daß der Motor einen übermäßigen Strom zieht, was entweder den Motor oder seine Steuerschaltungen beschädigen kann. Es wurde vorgeschlagen, Motorwicklungen als Heizspulen zu verwenden und einen Motor zu verrie geln, so daß er Wärme anstatt Bewegung erzeugt, wodurch dann der Motor und seine Umgebung erwärmt werden. Solche Vorschläge sind beispielsweise beschrieben im US Patent Nr. 5,172,754, ausgegeben am 22. Dezember 1992 an Grayber et al, US Patent Nr. 5,384,448, ausgegeben am 25. Januar 1995 an Kubasko und US Patent Nr. 5,502,3628, ausgegeben am 26. März 1996 an Brandes.

Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Spektro photometer vor, das die in einem Spektrophotometer vor handene Ausrüstung verwendet für elektronisch gesteuerte Temperaturstabilisierung. Keine speziellen Motorbefesti gungen werden verwendet und ein kostengünstiges Spektro photometer, wie beispielsweise das, welches in der Internationalen (PCT) Anmeldung WO96/12166 vom 25. April 1996 gezeigt ist, das der US Patentanmeldung Seriennr. 08/322,244, eingereicht am 12. Oktober 1994, entspricht, können nachgerüstet werden, um elektronische Temperatur stabilisierung vorzusehen.

Entsprechend ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Spektrophotometer mit elektronisch gesteuerter Temperaturstabilisierung vorzusehen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Spektrophotometer vorzusehen, das den Motor, welcher das dispersive Element betätigt, um Spektral messungen bei verschiedenen Wellenlängen oder in Wellen längenbändern einer Beleuchtung bzw. Belichtung zu erhalten, als Wärmequelle verwendet, ohne den Betrieb des Motors bei der Durchführung der Spektralmessungen zu stören bzw. zu beeinträchtigen.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Spektrophotometer vorzusehen, das nach gerüstet werden kann, um Temperaturstabilisierung vorzu sehen, indem der Motor und die Motorsteuerschaltung des Spektrophotometers mit einem Temperaturfühler versehen wird, und zwar für die elektronische Steuerung der Temperatur des Spektrophotoineters.

Die vorgenannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile werden deutlicher beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Spektrophotometers ist, und zwar in Ausführung der erfindungsgemäßen elektronischen Temperaturstabilisierung;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm des Motors und der Motorsteuerschaltung des Spektrophotometers ist, das in dem in Fig. 1 gezeigten System verwendet wird; und

Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, das die Programmierung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Mikroprozessors darstellt.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist darin ein dispersives Element gezeigt, das durch ein Beugungsgitter vorgesehen ist, wie beispielsweise das Gitter 58 in der oben genann ten internationalen veröffentlichten Patentanmeldung W096/12166. Dieses Gitter ist auf einem Arm 152 ange bracht, der durch einen Motor 42 gedreht wird. Der Motor ist ein Schrittmotor mit vier Spulen. In den vorliegenden Figuren werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in der genannten internationalen Anmeldung. Die Spulen 100 des Motors sind in Fig. 2 gezeigt. Dieser Motor wird durch einen Controller bzw. eine Steuereinheit, insbeson dere einen Mikroprozessor gesteuert, der auf einer ge druckten Leiterplatte angebracht ist, die als Teil 66 in Fig. 6 der oben genannten Anmeldung gezeigt ist. Der Arm 152 ist in der vorliegenden Fig. 1 als die mechanische Kupplung zwischen dem Motor und dem Gitter dargestellt. Diese Kupplung umfaßt auch den Motorschaft bzw. die Motorwelle und andere mit dem Arm 152 assoziierte Komponenten (siehe Fig. 6 der oben genannten internationalen Anmeldung).

Das Gitter 58 streut das Licht, das analysiert wird, in seine diskreten Spektralbestandteile, die auf einen Photodetektor 44 fokussiert werden. Das gestreute bzw. dispergierte Licht sieht eine spektrale Reihe bzw. Anordnung vor, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Ausgabe des Photodetektors 44 wird elektronisch analysiert in einer Schaltung, die einen Integrator 200 umfaßt, und in einem Analog-zu-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 202 digitalisiert, um eine Eingabe an den Mikroprozessor 198 vorzusehen, der die Daten aus dem Wandler 202 analysiert und die Ausgabe vorsieht, die die Spektralmessungen repräsentiert, während der Motor schrittweise betätigt wird, um verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängen bänder oder -bereiche zu messen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt der Mikroprozessor 198 Ausgänge bzw. Aus gaben an vier Transistoren, Q1 bis Q4, die Strom von einer mit Vload bezeichneten Spannungsquelle über Widerstände R19 und R18 an die Motorwicklungen 100 liefern. Dioden CR4 und CR5 werden zur Unterdrückung von Transienten bzw. Spannungsspitzen verwendet. Während Spektralmessungen empfangen die Spulen diskrete Ströme zu aufeinanderfolgenden Zeiten (in anderen Worten werden sie aktiviert, um eine Drehung des Motors in Schritten zu erzeugen). Nach Beendigung des Drehzyklus des Motors ist Zeit verfügbar, um den Motor als Wärmequelle zu verwen den. Natürlich erzeugen die Spulen 100 Wärme, während der Motor läuft. Der Motor wird als Wärmequelle verwendet durch Steuern des Motors, so daß er keine Drehung er zeugt. Dies wird erreicht durch Anschalten der Steuer transistoren Q1 bis Q4 gleichzeitig, wodurch Strom durch die Spulen gezogen wird, der Motor sich aber nicht dreht.

Eine Temperaturstabilisierung wird elektronisch mit Hilfe eines Temperaturfühlers (eines Thermistors bzw. Wärme widerstands) erreicht, welcher in geeigneter Weise auf der Leiterplatte 66 in der Nähe (ungefähr 2,5 cm (1 Zoll) von dem Motor entfernt zwischen dem Motor und dem Gitter) angebracht sein kann. Dann wird eine Temperatur abge fühlt, die die Temperatur des Spektrophotometers reflek tiert. Der Temperaturfühler ist mit einem der Eingänge des Mikroprozessors 198 verbunden. Die Ausgabe des Temperaturfühlers ist ein Analogsignal. Der Mikro prozessor besitzt eine interne Analog-zu-Digital-Umwandlung und sieht intern ein Digitalsignal vor, das die Temperatur des Spektrophotometers repräsentiert.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Mikroprozessor so programmiert, daß er den Temperaturfühler kontinuierlich abliest. Das Programm fährt fort, durch Bestimmen, ob die Temperatur unterhalb eines Einstellpunktes ist. Wenn die Entscheidung dahingehend ist, daß die Temperatur oberhalb des Einstellpunktes ist, dann werden die Motorspulen nicht mit Energie versorgt und es ergibt sich keine Erwärmung. Es ist jedoch eine weitere Entscheidung in dem Programm vorhanden, ob der Motor scannt bzw. sich bewegt oder nicht, was dadurch bestimmt wird, daß festgestellt wird, ob der Mikroprozessor angewiesen wurde, den gesam ten Wellenlängenbereich des Spektrophotometers zu scannen bzw. zu überstreichen, und ob das Fehlen irgendwelcher solcher Anweisungen detektiert wird. Wenn die Temperatur des Spektrophotometers unterhalb des Einstellpunktes ist, liefert der Mikroprozessor Pegel, die die Transistoren von Q1 bis Q4 gleichzeitig einschalten, so daß Heizstrom durch die Spulen 100 hindurchgeht, ohne zu bewirken, daß sich der Motor dreht. Entsprechend wird das Spektrophoto meter so gesteuert, daß ein Temperaturanstieg erreicht wird und daß diese Temperatur beibehalten wird, und zwar durch Einschalten der Wärmequelle nur dann, wenn die Temperatur unter den Einstellpunkt fällt. Es wurde empirisch herausgefunden, daß ein Einstellpunkt von ungefähr 38°C (100°F) ermöglicht, daß das System die Temperatur des in der oben genannten internationalen Anmeldung gezeigten Spektrophotometers während normalen Betriebs auf seiner Arbeitstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur, stabilisiert. Es sei bemerkt, daß ein Nachrüsten mit einem Temperaturstabilisierungssystem gemäß der Erfindung nur den Einbau des Temperaturfühlers auf der gedruckten Leiterplatte sowie eine geeignete Programmierung des Mikroprozessors erfordert, wodurch die Temperaturstabilisierung bei geringen Kosten und ohne komplizierte mechanische Vorrichtungen erreicht werden kann.

Änderungen und Modifikationen des hierin beschriebenen Spektrophotometers und des Temperaturstabilisierungs systems dafür innerhalb des Bereichs der Erfindung werden sich zweifellos für den Fachmann ergeben. Entsprechend sollte die vorgenannte Beschreibung nur zur Verdeut lichung und nicht in beschränkendem Sinne verstanden werden.

Zusammenfassend sieht die Erfindung also folgendes vor:
Um unzuverlässige und ungenaue spektrophotometrische Messungen zu verhindern, die durch Wärmeeffekte (Aus dehnung/Zusammenziehen) von Bauteilen des Spektrophoto meters verursacht werden können, wie beispielsweise durch das dispersive Element, den Arm oder die Befestigung zum Ändern der Orientierung des Elements, um das Spektrum zu scannen bzw. abzutasten und Spektralmessungen vorzusehen, durch das Element und auch durch die Versetzung des Photodetektors, der Linsen und anderer optischer Elemen te, die Wärmeeffekte hervorrufen können, und auch um temperaturbezogene Fehler im Photodetektor und anderer Elektronik des Spektrophotometers zu vermindern, ist ein Temperaturfühler in thermisch gekoppelter Beziehung innerhalb des Spektrophotometergehäuses angeordnet. Ein Motor, der mit dem Arm gekoppelt ist, um die Orientierung des Elements zu ändern, und der mit dem Motor-Controller gekoppelt ist, ist programmiert, um den Motor als Wärme quelle ansprechend auf die von dem Fühler detektierte Temperatur des Spektrophotometers zu verwenden, wenn der Motor das Element oder Gitter nicht betätigt zum Vorsehen von Spektralmessungen.

Claims

1. Temperaturstabilierungssystem in einem Spektrophoto meter mit einem dispersiven Element, das durch einen Motor mechanisch betätigt wird, wobei das Temperatur stabilisierungssystem folgendes aufweist:
einen Controller bzw. eine Steuereinheit, der bzw. die mit dem Motor verbunden ist zum mechanischen Betätigen des dispersiven Elements, um Spektral messungen vorzusehen,
einen Temperaturfühler, der thermisch mit dem Spektrophotometer gekoppelt ist und mit dem Con troller verbunden ist, zum Betrieb des Controllers, so daß der Motor bei Bedarf als Wärmequelle verwendet wird, wenn dies erforderlich ist zum Erhöhen der Temperatur des Spektrophotometers und wenn Spektral messungen gerade nicht durchgeführt werden.

2. System gemäß Anspruch 1, wobei der Controller ein Mikroprozessor mit Ausgängen ist, die mit den Wicklungen des Motors verbunden sind.

3. System gemäß Anspruch 1, wobei der Controller Mittel besitzt, die den Motor als Wärmequelle verwenden, und zwar ansprechend auf den Temperaturfühler und auf den Betriebszustand des Motors zum Anlegen von Heizstrom an den Motor, ohne eine mechanische Bewegung des Motors zu bewirken.

4. System gemäß Anspruch 3, wobei der Controller ein programmierter Mikroprozessor ist, der die Mittel zum Verwenden des Motors als Wärmequelle vorsieht, wenn das dispersive Element nicht betätigt wird und ansprechend auf den Temperaturfühler.