DE2614181A1 - Verfahren zur lichtoptischen messung des absorptionsverhaltens von festen, fluessigen und gasfoermigen medien - Google Patents
Verfahren zur lichtoptischen messung des absorptionsverhaltens von festen, fluessigen und gasfoermigen medienInfo
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Description
Verfahren zur lichtoptischen Messung des Absorptionsverhaltens
von festen, flüssigen und gasförmigen Medien "
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur lichtoptischen
Messung des Absorptions Verhaltens von festen, flüssigen und gasförmigen Medien, insbesondere bei der photometrischen Analyse
von Gasen mittels Infrarotstrahlen, durch Beaufschlagung des Analysenmediums und eines Vergleichsmediums mit zwei durch
eine Zerhackervorrichtung in eine periodische Folge von Lichtimpulsen
zerlegte Lichtstrahlen und Auswertung der gemessenen
Differenz der Strahl Schwächungen im Analysen- und Vergleichsmediuin
in einer Schaltungsanordnung, die bezüglich der Strahlungs
intensität der optischen Lichtquelle und der Empfindlichkeit
des Lichtempfängers justierbar ist.
709842/0097
Die Verwendung von intermittierenden Meßlichtstrahlen ist
auf dem Gebiete der lichtoptischen Meßtechnik allgemein üblich. Es wird auch der Ausdruck "Lichtmodulation" verwendet,
und die hierfür benutzten Vorrichtungen werden als Zerhacker oder auch "Chopper" bezeichnet. Die Lichtmodulation
geschieht vornehmlich zum Zwecke einer Trennung des eigentlichen Meßsignals von sogenannten Störsignalen,
wobei das Störsignal eine andere Frequenz als das Meßsignal besitzt. Auch sind einige übliche Detektoren, insbesondere
Gasdetektoren mit Mikroströmungsfühlern nur zum Empfang
von intermittierender Lichtstrahlung geeignet.
Der Erfindungsgegenstand findet bevorzugt Anwendung auf dem Gebiet der Gasanalyse durch Bestimmung der Absorption
einer infraroten Lichtstrahlung. Derartige Verfahren bzw.
Vorrichtungen sind Stand der Technik (DT-AS 1 296 839 und DT-AS 1 698 218).
Lichtzerhacker bzw. Lichtmodulatoren für Photometer sind
in zahlreichen Versionen bekannt. Es handelt sich in den meisten Fällen um einen Elektromotor, auf dessen Welle ein
mit Durchbrüchen versehenes Zerhackerrad befestigt ist. Bei den bekannten Zerhackern sind die Durchbrüche auf dem Umfang
des Zerhackerrades in gleicher Größe gleichförmig verteilt, so daß eine Impulsfolge von konstanter Intensität
gebildet wird, gleiche Meßbedingungen und gleiches Analysenmedium vorausgesetzt (DT-AS 1 946 211, Figur 2).
Bei Photometern mit Infrarotstrahlern ist es üblich, die
Empfindlichkeit durch eine definierte Strahl Schwächung mit
Eichgas oder mit einer Profblende im Meßkanal zu überprüfen und gegebenenfalls nachzustellen. Dies ist unter anderem
deswegen erforderlich, weil Intensitätsänderungen in der
Strahlung des Infrarotstrahlers und in der Empfindlichkeit
des Meßlichtempfängers praktisch unvermeidbar sind, so daß eine Justierung des Meßgeräts in mehr oder weniger regel-
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26U181
mäßigen Abständen erforderlich ist. Nachteilig hierbei ist, daß bei den bekannten Geräten zur Überprüfung zunächst eine
Nullpunktskontrolle bzw. Null punktennstel1ung erforderlich
ist, wobei die Zeitkonstante für die Anzeige des Justierwertes die gleiche oder eine ähnliche ist, wie
für das eigentliche Meßsignal. Die Forderung, daß zur Nullpunktskontrolle
die Absorption im Analysenmedium Null sein soll, bedeutet eine teilweise unangenehme Einschränkung bei
Geräten im Dauerbetrieb. Zu diesem Zweck muß das Analysenmedium abgezogen und die Strahlung im Analysenmedium
definiert geschwächt werden. Hierbei muß die Anzeige auf einen angegebenen Justierwert gehen. Ist dies nicht der
Fall, muß die Empfindlichkeit nachgestellt werden. Bei
einer bekannten Vorrichtung wird zum Zwecke der Justierung eine schwenkbare Abdeckblende in den Vergleichskanal eingeschwenkt
(DT-PS 2 o42 727). Derartige Maßnahmen sind im allgemeinen nur außerhalb der Meßung durchzuführen und
infolgedessen zeitaufwendig. Verändert sich die Empfindlichkeit
unentdeckt während des Betriebes, so sind die Meßergebnisse mit einem Fehler behaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der'eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß der
Einfluß von Intensitätsänderungen der Lichtquelle und der Empfindlichkeit des Lichtempfängers praktisch vollständig
eliminiert wird, so daß die Stabilität des Meßsignals wesentlich gesteigert und ein etwaiges Driften
und Temperatureinflüsse auf Lichtquelle und Empfänger verringert
werden. Außerdem sollen laufende Kontrollmessungen zur Überprüfung des Nullpunkts in wesentlich Längeren Zeiträumen
als bisher erforderlich werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die
1^) Empf indl i chkei ts-
. *. 26U181
Lichtimpulse durch definierte Veränderung der Intensität in zwei unterschiedliche Impulsfolgen unterteilt werden,
von denen die eine Folge Meßlichtimpulse und die andere
Folge Steuerimpulse sind, daß die Auswertung der Lichtimpulse
als Meßlichtimpulse durch die Steuerimpulse für
eine kurze Zeitspanne periodisch unterbrochen wird, während welcher der Ist-'Wert der Steuerimpulse erfaßt
und mit einem Soll - Wert verglichen wird, und daß die Justierung der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen Ist- und Soll-"Wert der Steuerimpulse in der Weise durchgeführt wird, daß
diese Differenz kleinstmöglich ist, worauf die folgenden
Meß!ichtimpulse wieder der Auswertung zum Zwecke einer
Mes&ing unterworfen werden.
Da üblicherweise die Zerhackerfrequenz in Abhängigkeit
von der Art des verwendeten Gasdetektors bzw. Lichtempfängers in einem Bereich von etwa 5 Hz bis etwa 500 Hz und darüber
liegt, wird bei Verwendung einer rotierenden Zerhackerscheibe mit beispielsweise 5 Löchern eine Drehzahl von
etwa 60 bis 6000 Umdrehungen pro Minute benötigt. Bei einer Unterbringung der erfindungsgemäßen Intensitätsänderung auf dem Umfang der Zerhackerscheibe erfolgt somit
die Justierung automatisch und völlig unbemerkt während der extrem kurzen Zeitspanne eines Teils der Dauer für
eine Umdrehung. Die Justierung erfolgt dabei periodisch in so kurzen Abständen, daß Intensitätsänderungen des
Strahlers und ein Driften des Empfängers praktisch vollständig ausgeregelt werden. Die Stabilität des Meßsignals
wird dadurch wesentlich gesteigert. Ferner wird eine Unterbrechung der Mgsung zur Durchführung einer Kontrol Imss ung
und eine Justierung überflüssig. Ein Entfernen des
Analysenmediums ist gleichfalls unnötig.
709842/0097 _ 5 _
- β -3. 26U181
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des eingancs beschriebenen Verfahrens. Sie besteht
aus einer optischen Strahlungsquelle, einer Meßabsorptionsstrecke,
einer Vergleichsabsorptionsstrecke, einer Zerhackervorrichtung für die durch beide Absorptionsstrecken gehenden Lichtstrahlen, aus mindestens einem
Liqhtempfanger und einer Schaltungsanordnung für die
Anzeige des Meßwerts mit mindestens einer Justiereinrichtung zum Ausgleich von Veränderungen der Strahlungsintensität
der optischen Strahlungsquelle und der Empfindlichkeit
des Lichtempfängers. Eine solche Vorrichtung .ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Zerhackervorrichtung mindestens im Bereich einer Absorptionsstrecke mit Löchern oder Lochgruppen abwechselnd
unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit versehen ist, welche
den.Lichtstrahl periodisch durchlaufen, und daß in der dem
Lichtempfänger nachgeschalteten Schaltungsanordnung eine
Vergleichseinrichtung für Ist- und Soll- Werte der Steuerimpulse und ein von der Vergleichseinrichtung
Eo beaufschlagter Regel verstärker, eine von den Empfängersignalen
synchronisierte Phasenregeleinrichtung sowie mehrere, von der Phasenregeleinrichtung gesteuerte Schaltglieder
angeordnet sind, durch welche abwechselnd und periodisch die Meßlichtimpulse einer Anzeigevorrichtung
und die Steuerimpulse der Vergleichseinrichtung und der Phasenregeleinrichtung zugeführt werden. Eine solche Lösung
enthält die konstruktiven Voraussetzungen und Vorteile für
die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die hierdurch ermöglichte, ununterbrochene und periodische
Umschaltung von Messen und Justieren kann in besonders einfacher Weise schaltungstechnisch dadurch bewirkt werden,
daß der Vergleichseinrichtung ein phasenselektiver Detektor
709842/0097 e
" 6
- 40-
zur Gleichrichtung der Impulsfolge und der Phasenregeleinrichtung ein weiterer phasenselektiver Detektor zur
Umpolung der Impulsfolge nach einem Phasenwinkel von 90 Grad >una_ kückpol ung nach Z70P vorgeschaltet ist., wobei
die phasenselekfiyen Detektoren -vori der
<Phasenreaeleinrichtung angesteuert sind.
Die definierte Veränderung der Intensität zwischen den Impulsfolgen kann dabei positiv oder negativ sein, d.h.
die Steuerimpulse können gegenüber den Meßlichtimpulsen
sowohl verstärkt als auch abgeschwächt sein. Es ist lediglich erforderlich, einen von der nachgeschalteten
Schaltungsanordnung gut erfaßbaren Intensjtätssprung zu
erzeugen, der in eine eindeutige Signalgröße urnsetzbar ist. Intensitätsänderungen zwischen 20 und 50 %
zwischen der einen und der nachfolgenden Impulsfolge haben sich durchaus als brauchbar erwiesen. Es ist lediglich
erforderlich, daß zwischen dem definiert veränderten und
dem unveränderten Detektorsignal einerseits und dem beispielsweise durch Strahlungsabsorption durch das Analysenmedium
erzeugten Detektorsignal ein fester und durch keinen weiteren Parameter beeinflußter Zusammenhang besteht.
Besonders vorteilhafte und einfache konstruktive Voraussetzungen für'die Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre
sind dadurch gegeben, daß die Zerhackervorrichtung aus einer gleichförmig antreibbaren, rotierenden Scheibe mit
zwei Reihen von Löchern bzw. Lochgruppen besteht, wobei die eine Reihe der Meßabsorptionsstrecke und die andere Reihe
der Vergleichsabsorptionsstrecke zugeordnet ist, und daß in jeder Reihe mindestens/ein Loch bzw. eine Lochgruppe mit
einem von den übrigen Löchern bzw. Lochgruppen abweichenden
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Querschnitt angeordnet ist. Durch unterschiedliche Querschnitte
der Löcher innerhalb einer Lochfolge wird die entsprechende Verstärkung oder Abschwächung des betreffenden
Impulses bewirkt, da jedes Loch die Wirkung einer Blende besitzt. Die Löcher können dabei paarweise, d.h. in
radialer Richtung nebeneinander angeordnet sein, so daß
Meß- und Vergleichsabsorptionsstrecke gleichzeitig mit der optischen Strahlung beaufschlagt werden. Es ist aber
für die Signalverarbeitung einfacher, wenn die Löcher
beider Lochreihen gegeneinander versetzt sind, so daß
Meß- und Vergleichsabsorptionsstrecke abwechselnd beaufschlagt werden.
Es ist gleichfalls möglich, nur im Bereich einer Absorptionsstrecke,
beispielsweise der Vergleichsabsorptionsstrecke Löcher oder Lochgruppen unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit
vorzusehen. Es ist jedoch hinsichtlich der Signalverarbeitung besonders günstig, wenn eine definierte
Veränderung der Intensität der Impulse sowohl auf der Meß- als auch auf der Vergleichsseite erfolgt.
'Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
Varianten der Zerhackervorrichtung und deren Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 7
näher beschrieben.
.λ
.λ
Es zeigen:
Figur 1 einen Infrarot-Gasanalysator mit nachgeschalteter
Meß- und Regelanordnung,
Figur 2 Diagramme der Signale in den einzelnen
Leitungen an den mit in Kreisen stehenden Bezugszeichen bezeichnenden Stellen 1 - 14,
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fa
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Zerhackerrades
,
Figur 4 ein Diagramm eines Signalverlaufs des durch
das Zerhackerrad nach Figur 3 erzeugten Empfängersignals,
Figur 5 eine Gegenüberstellung der einzelnen Signalanteile
in drei verschiedenen Fällen: ohne Absorption im Analysenmedium - mit Absorption
im Analysenmedium, jedoch ohne Justierung - mit Absorption im Analysenme
dium und mit erfindungsgemäßer Justierung
der Schaltungsanordnung,
Figur 6 eine Variante des Zerhackerrades gemäß Figur 3 und
Figur 7 daß mit dem Zerhackerrad nach Figur 6 erhaltene Signaldiagramm analog Figur 4.
In Figur 1 ist mit 2o eine Strahlungsquelle bezeichnet, die
aus einem nahezu schwarzen Strahler besteht, dessen Tempertur etwa bei 700 0C liegt. Der Strahlungsquelle ist ein
Reflektor 21 zugeordnet, welcher die Infrarotstrahlung in
Richtung auf ein infrarotdurchlässiges Fenster 22 reflektiert, Unterhalb des Fensters befindet sich eine Anordnung aus
zwei Absorptionsstrecken, nämlich der Meßabsorptionsstrecke 23 und der Vergleichsabsorptionsstrecke 24, zwischen denen
sich eine Trennwand 25 befindet. Im vorliegenden Fall bestehen beide Absorptionsstrecken aus einem gemeinsamen
zylindrischen Rohr, welches durch die Trennwand in Meß- und
Vergleichsteil unterteilt wird. Es ist aber ohne weiteres
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26Η18Ί
möglich, die Absorptionsstrecken aus zwei getrennten Zylindern aufzubauen. Unterhalb der Absorptionsstrecken
befindet sich eine Zerhackervorrichtung 26» die aus einem scheibenförmigen Zerhackerrad 27 und einem Antriebsmotor
28 besteht. Jenseits des Zerhackerrades 27 ist ein Lichtempfänger 29 angeordnet, mit dem die aus
Meß- und Vergleichsabsorptionsstrecke austretende Lichtstrahlung
gemessen wird. In Abweichung von der dargestellten Bauweise ist es auch möglich, das Zerhackerrad
27 oberhalb der Absorptionsstrecken anzuordnen.
Der Lichtempfänger kann von unterschiedlicher Bauart
sein. Er kann beispielsweise ein durch optischen Band-. filter selektivierter Halbleiterdetektor sein oder ein
sogenannter Gasdetektor, der durch Einsatz eines Strömungsfühlers
(Anariometers) wie er in der Dissrtation
von G. Schunckvom 9. Oktober 1974 beschrieben ist, ohne nennenswerte Auflösungsminderung auf eine kleine Zeitkonstante
gebracht worden ist. Grundsätzlich sind auch Infrarotdetektoren mit relativ großer Zeitkonstante
anwendbar, jedoch erleichtert ein Detektor mit kleiner Ansprechzeit die Signalverarbeitung erheblich.
Im vorliegenden Fall wird ein Zerhackerrad gemäß Figur verwendet, so daß am Ausgang des Lichtempfängers 29 ein
Signal gemäß figur 7 ansteht. Dieses wird über eine Leitung 3o einem Vorverstärker 31 zugeführt und von hier aus
einem Regel verstärker 32. Der Regel verstärker 32 ist über Leitungen 33 bzw. 34 mit zwei um 90 Grad versetzten
phasenselektiven Detektoren 35/37 und 36/37 verbunden, die aus je einem Schaltglied 35 bzw. 36 und einem Inverter
37 bestehen.
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- Io -
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Der Ausgang des phasenselektiven Detektors 35/37 ist über
ein Schaltglied 33 und einen Widerstand 39 einer Vergleichseinrichtung
4o aufgeschaltet, deren wesentlichster
Teil ein Sample- und Hold-Integrator ist» der aus einem Verstärker 41 in Verbindung mit dem Schaltglied 38 und
einem Kondensator 42 gebildet wird. Dem Verstärker 41 ist ein Sollwertgeber 43 vorgeschaltet, der eine Gleichspannung
erzeugt und den Sollwert für die Intensität der Steuerimpulse vorgibt. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung
4o ist über eine Leitung 44 zum Regel verstärker 32 zurückgeführt.
Der Ausgang des phasenselektiven Detektors 36/37 ist über
ein Schaltglied 45 und einen Widerstand 46 einer Phasenregeleinrichtung 47 aufgeschaltet, zu de"r gleichfalls ein
Sample-Hold-Integrator gehört, der aus einem Verstärker
48 in Verbindung mit dem Schaltglied 45 und einem Kondensator 49 gebildet wird.
Zur Phasenregeleinrichtung 47 gehört weiterhin eine
Phase-Lock-Loop-Schaltung 50, der der Ausgang des Verstärkers
48 über eine Leitung 51 aufgeschaltet ist. Die
Phase-Lock-Loop-Schaltung 50 enthält einen integrierten,
spannungsgesteuerten Oszillator 52. Ihr nachgeschaltet ist
ein Zähler 53, der als Johnson-Zähler ausgeführt ist, und dem ein Decoder 54 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des
Vorverstärkers 31 ist über eine Leitung 55 und einen Impulsformer 56 gleichfalls dem Zähler 53 aufgeschaltet.
Die Ausgänge des Decoders 54 sind mit den in Kreisen stehenden Bezugszeichen lo, 11, 12 und 13 versehen und
- in Figur 1 nicht dargestellt - mit den mit gleichen Bezugszeichen versehen Elementen im oberen Teil der Schaltungsanordnung
verbunden.
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- Ii -
Der Ausgang des Inverters 37 ist über ein Schaltglied 57 mit einem Verstärker 58 verbunden, der über einen parallelgeschalteten
Stellwiderstand 59 eine Bereichswahl ermöglicht. Dem Verstärker 58 nachgeschaltet ist ein weiterer
phasenselktiver Detektor, der aus einem Inverter 60 und
einem Schaltglied 61 besteht. Dem Schaltglied 61 ist eine Anzeigevorrichtung 62 nachgeschaltet, die zur Anzeige
des Heßwertes dient. Glättungsvorrichtungen für die
Glättung des welligen Signals sind der Einfachheit halber fortgelassen.
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung hat folgende Wirkungsweise, wobei auf die Signaldiagramme gemäß Figur 2 Bezug
genommen wird: Das vom Lichtempfänger 29 abgegebene Signal hat nach Vorverstärkung bei (1) einen Verlauf, der - auch
in Übereinstimmung mit Figur 7 aufgrund der Geometrie des verwendeten Zerhackerrades 27 gemäß Figur 6-aus einer
Sinuswelle mit großer Amplitude und drei Sinuswellen mit kleiner Amplitude besteht. Der Kurventeil mit großer Amplitude
wird auch als Burst-Signal bezeichnet und ist in Figur
(1) mit B bezeichnet. Das Burst-Signal bildet die sogenannten Steuerimpulse. Der Kurventeil mit kleiner Amplitude wird
für die eigentliche Messung verwendet und ist in Figur 2 (1) mit M bezeichnet. Die Meßsignale bilden die sogenannten
Meßlichtimpulse. Am Ausgang des Regel Verstärkers hat der
Signal verlauf bei (2) einen im wesentlichen ähnlichen Verlauf wie bei -[I) . Dieses Signal steht an den unteren Kontakten
der Schaltglieder 35 und 36 an und aufgrund des
Inverters 37 als inverses Signal an den oberen Kontakten der Schaltglieder 35 und 36. Durch die phasengesteuerte
periodische Umschaltung der Schaltglieder 35 und 36 mittels
der um 90 Grad phasenverschobenen Steuerimpulse gemäß Figur
(lo) und (11) entsteht aus dem Kurvenverlauf (2) hinter dem
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- 12 -
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Schaltglied 35 der gleichgerichtete pulsierende Kurvenverlauf
(6). Aufgrund der um 90 Grad phasenverschobenen Betätigung des Schaltgliedes 36 entsteht aus dem Signal
(2) das Signal (8) mit sehr steilen Flanken an den Umkehrpunkten. Die Signalfolgen (6) und (8) werden nun
durch die gleichzeitig betätigten Schaltglieder 38 und
45 auf eine ganz bestimmte Weise zeitlich unterbrochen. Durch eine impulsförmige Steuerspannung gemäß Figur 2
(12), dereilmpulsdauer genau der Dauer des Burst-Signals
entspricht, werden die Impulsfolgen (6) und (8) zeitlich so ausgetastet, daß die Impulsfolgen (7) und (9)
entstehen, die ausschließlich den Anteil enthalten, der
den Burst- bzw. Steuersignalen entspricht.
Die Impulsfolge (7) wird nun mittels des Sample-Hold Integrators 38/41/42 der Vergleichseinrichtung 4o integriert
und mit dem Ausgang des Sollwertgebers 43 verglichen.
Ergibt sich hierbei keine Abweichung, so bleibt
der Verstärkungsgrad des Regel Verstärkers 32 unverändert. Wird eine Abweichung zwischen Ist- und Sollwert festgestellt,
so wird der Regel verstärker 32 über die Leitung 44 in der Weise angesteuert, daß die Differenz in der
Vergleichseinrichtung 4o einen kl einstmöglichen Wert, insbesondere
den Wert Null, hat.
Die Impulsfolge (9) wird mittels des Sample-Hold-Integrators
45/48/49 der Phasenregeleinrichtung 47 über die Phase-Lock-Loop-Schaltung
5o, den Zähler 53 und den Decoder 54 aufgrund der Synchronisation über den Impulsformer 56 in insgesamt
vier I.mpulsfol gen umgesetzt, die den Kurvenverläufen
(lo) bis (13) gemäß Figur 2 entsprechen. Einzelheiten der Blöcke 50, 53 und 54 sind Stand der Technik, so daß
sich ein Eingehen hierauf erübrigt.
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Es ist erkennbar, daß die Impulsfolge (13) einen gegenüber der Impulsfolge (12) inversen Verlauf hat, so daß das
Schaltglied 57 dann geöffnet ist, wenn die Schaltglieder
38 und 45 geschlossen sind und umgekehrt. Hieraus ergibt sich, daß die Signalfolge hinter dem Schaltglied 57
bei (3) nur noch diejenigen Signale enthält, die den eigentlichen Meßlichtsignalen M entsprechen. Diese werden
im Verstärker 58 verstärkt, so daß sie den in Figur 2 (4) gezeigten Kurvenverlauf haben. Durch den phasenselektiven
Detektor 6o/61 erfolgt eine Gleichrichtung, so daß bei (5) eine (pulsierende) Gleichspannung ansteht, die
von der Anzeigevorrichtung 62 als Meßwert sichtbar gemacht werden kann.
Es ist erkennbar, daß allein durch die bewußte Differenzierung der Impulse in Steuer- und Meßlichtimpulse und
die angegebene Schaltungsanordnung eine Trennung in zwei
verschiedene Impulsfolgen möglich ist, von denen die eine für die automatische und periodische Justierung der
Schaltungsanordnung und die andere für die Bildung des
Meßsignals herangezogen wird.
In Figur 3 ist ein Zerhackerrad 27 und seine relative Lage zur Meßabsorptionsstrecke 23 und zur Vergleichsabsorptionsstrecke
24 und zur Trennwand 25 dargestellt. Das Zerhackerrad 27 besitzt auf seinem halben Umfang vier unterschiedliehe
Sektoren a, b, c, und d. Die Ausbildung der einzelnen Sektoren wiederholt sich in Umfangsrichtung gesehen, in
der gleichen Reihenfolge. Das Zerhackerrad ist zwecks besserer Erkennbarkeit schraffiert. Durch die unterschiedliche
Abdeckung bzw. Strahlschwächung in den Positionen a und b einerseits und c und d andererseits erhält die vom
Lichtempfänger 29 erzeugte Signal spannung das Aussehen gemäß
709842/0097
- 14 -
Figur 4. Der Kurvenverlauf im Zeitintervall t, gibt das sogenannte Burst-Signal B wieder. Der Flächeninhalt des
Kurvenverlaufs M in dem Zeitintervall t2 ist ein Maß für
die im Analysenmedium absorb-ierte Strahlungsintensität.
Innerhalb dieses Zeitintervalls erfolgt die eigentliche
Messung des unbekannten Objekts aufgrund der Anordnung gemäß Figur 1.
Zum besseren Verständnis der Vorgänge sind die Signale aufgrund der Intensitätsverläufe gemäß Figur 4 in Figur 5 durch Flächen
dargestellt, und zwar ist die einfach schraffierte Fläche ein Maß für die Intensität der Strahlung aus der Vergleichsabsorptionsstrecke
und die kreuzweise schraffierte Fläche ein Maß für die Intensität der Strahlung aus der Meßabsorptionsstrecke.
Die Darstellung im linken Feld I entspricht einer Anordnung gemäß Figur 1, bei der sich in der Meßabsorptionsstrecke
kein Analysenmedium befindet. Die Summe der gemessenen Signalanteile entspricht daher in der Stellung a des Zerhackerrades
dem Wert U1 . Beim Durchgang der Position b des Zerhackerrades
hat das Signal der Summe der gemessenen Intensitäten aus beiden Absorptionsstrecken infolge der größeren
Abdeckung einen sehr viel kleineren Wert. Die Differenz der beiden Summen in den Positionen a und b hat den Wert^Uj.
Dies ist derjenige Wert, der nachfolgend als Grundlage für die Steuerung des Regel Verstärkers 32 dient. In der Position
c ist die Vergleichsabsorptionsstrecke 24 vollständig abgedeckt;
es wird ausschließlich die Strahlung aus der Meßabsorptionsstrecke
erfaßt, die naturgemäß mit der Strahlung aus der Vergjeichsabsorptionsstrecke beim Durchgang des
Sektors d identisch ist.
Das mittlere Feld II charakterisiert einen Zustand bei dem sich in der Meßabsorptionsstrecke ein Analysenmedium mit
einer Absorption von 25% befindet. Das Signal der Summe der Strahlungsintensitäten
aus beiden Absorptionsstrecken erreicht infolgedessen nur noch den mit Uj1 bezeichneten Wert beim
709842/0097
.„$. 26U181
Durchgang des Sektors a des Zerhackerrades. Proportionale Verhältnisse gelten für den Sektor b. Die Differenz der
beiden Summen in den Positionen a und b hat jetzt nur noch den WertAUjj. Das Intensitätssignal beim Durchgang des
Sektors c kommt naturgemäß mit einem um 25% verringerten Wert. Die Differenz gegenüber dem Intensitätssignal aus
der (unveränderten) Vergleichsabsorptionsstrecke ist der eigentliche Meßwert Vq. Dieser Wert kann zutreffend sein,
er kann aber auch einen Meßfehler aufweisen, wenn sich beispielsweise die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle
2o und/oder die Empfindlichkeit des Lichtempfängers 29
aufgrund äußerer Einflüsse geändert haben. Die Darstellung im mittleren Feld II zeigt die Verhältnisse ohne justierenden
Ei ngriff.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung stellen sich
automatisch die im rechten Feld III dargestellten Verhältnisse ein. Auch in diesem Fall befindet sich in der
Meßabsorptionsstrecke ein Analysenmedium mit einer Absorption
von 25%. Aufgrund des vorgenommenen Vergleichs der Differenz AUjjj der jeweiligen Summen der Signalanteile zwischc
den Durchgängen der Sektoren a und b des Zerhackerrades mit einem vorgegebenen Sollwert (Sollwertgeber 43) erfolgt über
■ die Vergleichseinrichtung 4o und die Leitung 44 ein entsprechender
Eingriff in den Regel verstärker 32, der die obige Differenz ΔΙΚ^ wieder auf den Wert ΔΙΚ bringt,
d.h. ^Ujjj =ΔΙΚ. Dies resultiert in einer entsprechenden,
proportionalen Vergrößerung der Meßsignale aus der Vergleichsabsorptionsstrecke
einerseits und der Meßabsorptionsstrecke andererseits, wobei auch die Differenz proportional
auf einen korrigierten Meßwert V vergrößert wird. Unabhängig davon, daß auf diese Weise unverzüglich jeder Einfluß
auf die Meßgenauigkeit ausgeregelt wird, entsteht auf die angegebene Weise zusätzlich ein Linearisierungseffekt
im Hinblick auf die Abhängigkeit des Meß-
709842/0097 " 16 "
ORIGINAL INSPECTED
. jL«>- 26H181
signals von der Meßabsorption. Diese Abhängigkeit läßt
sich als e-Funktion darstellen, d.h. mit zunehmender Konzentration des absorbierenden Analysenmediums nimmt das
Meßsignal nicht mehr im gleichen Maße zu. Ideal wäre ein linearer Verlauf, der sich aufgrund der physikalischen
Zusammenhänge bisher nicht erreichen ließ. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird der zusätzliche Vorteil erzielt,
daß die Abhängigkeit des Meßsiganls von der Konzentration mehr in Richtung auf eine gerade Linie verändert wird.
Da das Meßsignal der unbekannten Probe oft sehr klein ist, die definierte Strahlschwächung jedoch vergleichsweise
groß gewählt werden kann, ist es zur Erzeugung eines großen Rausch-Abstandes günstig, ein möglichst großes Verhältnis
von tp.'t, zu wählen. Figur 6 zeigt ein Zerhackerrad
27, welches ein Verhältnis tp-'t, = 3 erzeugt. Das
dargestellte Zerhackerrad nützt für die Justierung eine 5o%ige Intensitätsänderung aus. Der sich daraus ergebende
Kurvenverlauf des Ausgangssignals des Lichtempfängers 29 ist in Figur 7 analog zum Kurvenverlauf gemäß Figur 4
dargestellt.
Das Zerhackerrad gemäß den Figuren 3 und 6 besteht aus einer gleichförmig antreibbaren, rotierenden Scheibe, beispielsweise
aus einem Metall wie Aluminium, mit zwei Reihen von Löchern 63, 63a bzw. 64, 64a, wobei die eine
Reihe 63, 63a der Meßabsorptionsstrecke 23 und die andere Reihe 64, 64a -der Vergleichsabsorptionsstrecke 24 zugeordnet
ist. In jeder Reihe befindet sich mindestens ein Loch 63a bzw. 64a, welches .einen von den übrigen Löchern
63 bzw. 64 abweichenden Querschnitt besitzt. Besonders zweckmäßig wird dabei die Reihenfolge bzw. Anordnung der
Löcher so getroffen, daß die Rotationssymmetrie des Zer-
- 17 709842/0097
26U181
hackerrades eingehalten wird, so daß eine Unwucht vermieden wird.
Bei dem Gegenstand gemäß Figur 6 bilden mehrere aufeinanderfolgende
Löcher einerReihe 63 bzw. 64 eine sogenannte Lochgruppe, der jeweils ein Loch mit abweichendem Querschnitt
63a bzw. 64a folgt. Es wäre aber auch möglich, die Löcher mit abweichendem Querschnitt in Lochgruppen
anzuordnen, und die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 entsprechend anzupassen.
Bei dem Gegenstand gemäß Figur 6 überschneidet die äußere Lochreihe 63 bzw. 63a den Rand 65 des Zerhackerrades 27,
so daß zwischen den Löchern radiale Flügel 66 gebildet werden. An zwei Stellen des Umfangs, nämlich bei 63a ist
einer der Flügel vollständig entfernt, während in der inneren Lochreihe an zwei Stellen in der Länge der entfernten
Flügel 65 zwei Löcher 64a einen gegenüber den Löchern 64 verringerten Querschnitt aufweisen.
709842/0097 -18-
Claims (9)
- 261Α181Ansprüche:." Verfahren zur lichtoptischen Messung des Absorptions- - Verhaltens von festen, flüssigen und gasförmigen Medien, insbesondere bei der photometrisehen Analyse von Gasen mittels Infrarotstrahlen, durch Beaufschlagung des Analysenmediums und eines Vergleichsmediums mit zwei durch eine Zerhackervorrichtung in eine periodische Folge von Lichtimpulsen zerlegte Lichtstrahlen und Auswertung der gemessenen Differenz der Strahlschwächungen im Analysen- und Vergleichsmedium in einer Schaltungsanordnung, die bezüglich der Strahlungsintensität der optischen Lichtquelle und der Empfindlichkeit des Lichtempfängers justierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse durch definierte Veränderung ihrer Intensität in zwei unterschiedliche Impulsfolgen unterteilt werden, von denen die eine Folge Meßlichtimpulse und die andere Folge Steuerimpulse sind, daß die Auswertung der Lichtimpulse als Meßlichtimpulse durch die Steuerimpulse für eine kurze Zeitspanne periodisch unterbrochen wird, während welcher der Ist- Wert der Steuerimpulse erfaßt und mit einem Soll- Wert verglichen wird, und daß die Justierung der Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Ist- und Soll-'Wert : der Steuerimpulse · in der Weise durchgeführt wird, daß diese Differenz kleinstmöglich ist, worauf die folgenden Meßlichtimpulse wieder der Auswertung zum Zwecke einer Messung unterworfen werden.
- 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer optischen Strahlungsquelle, einer709842/0097- 19 --I.Meßabsorptionsstrecke, einer Vergleichsabsorptionsstrecke, einer Zerhackervorrichtung für die durch beide Absorptionsstrecken gehenden Lichtstrahlen, aus mindestens einem Lichtempfänger und einer Schaltungsanordnung für die Anzeige des Meßwertes mit mindestens einer Justiereinrichtung zum Ausgleich von Veränderungen der Strahlungsintensität der optischen Strahlungsquelle und der Empfindlichkeit des Lichtempfängers, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackervorrichtung (26) mindestens im Bereich einer Absorptionsstrecke (23, 24) mit Löchern (63, 63a bzw. 64, 64a) oder Lochgruppen abwechselnd unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit versehen ist, welche den Lichtstrahl periodisch durchlaufen, und daß in der dem Lichtempfänger (29) nachgeschalteten Schaltungsanordnung eine Vergleichseinrichtung (4o) für Ist- und Soll- Werte der Steuerimpulse und ein von der Vergleichseinrichtung beaufschlagter Regel verstärker (32), eine von den Empfängersignalen synchronisierte Phasenregeleinrichtung (47) sowie mehrere, von der Phasenregeleinrichtung gesteuerte Schaltglieder (38, 45, 57) angeordnet sind, durch welche abwechselnd und periodisch die Meßlichtimpulse einer Anzeigevorrichtung (62) und die Steuerimpulse der Vergleichseinrichtung (40) und der Phasenregeleinrichtung (47) zugeführt werden.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichseinrichtung (40) ein phasenselektiver Detektor (35, 37) zur Gleichrichtung der Impulsfolge und der Phasenregeleinrichtung (47) ein weiterer phasenselektiver Detektor (36, 37) zur Umpolung der Impulsfolge nach einem Phasenwinkel von 90 Grad vorgeschaltet ist, wobei die phasenselektiven Detektoren von der Phasenregeleinrichtung (47) angesteuert sind.709842/0097- 2o -- Ζβτ -26U181
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenregeleinrichtung (47) eine Phase-Lock-Loop-Schaitung (50), einen Zähler (53) und einen Decoder (54) mit vier Ausgängen (lo, 11, 12, 13) aufweist, wobei die Impulse an den Ausgängen (10, 11) um 90 Grad phasenverschoben und den phasenselektiven .Detektoren (35, 37.bzw. 36, 37) aufgescha!tet sind und wobei die Impulse an den Ausgängen (12, 13) zueinander invers und den Schaltgliedern (38, 45, 57) für die Austastung der Meßlichtimpulse einerseits und der Steuerimpulse andererseits aufgeschaltet sind.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (53) über einen Impulsformer (56) von dem Lichtempfänger (29) über einen Verstärker (31) angesteuert ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackervorrichtung (26) aus einem gleichförmig antreibbaren, rotierenden Zerhackerrad (27) mit zwei Reihen von Löchern (63, 63a bzw. 64, 64a) bzw. Lochgruppen besteht, wobei die eine Reihe der Meßabsorptionsstrecke (23) und die andere Reihe der Vergleichsabsorptionsstrecke (24) zugeordnet ist, und daß in jeder Reihe mindestens ein Loch (63a, 64a) bzw. eine Lochgruppe mit einem von den übrigen Löchern (63, 64) bzw. Lochgruppen abweichenden Querschnitt angeordnet ist.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Querschnitte der Löcher (63/63a und 64/64a) um mindestens 20% unterscheiden.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Lochreihe (63, 63a) den Rand (65) des Zerhackerrades (27) überschneidet, so daß zwischen den709842/0097- 21 -Löchern radiale Flügel (66) gebildet werden, und daß an mindestens einer Stelle des Umfangs einer der Flügel ganz oder teilweise entfernt ist, und daß in der inneren Lochreihe (64, 64a) der Querschnitt mindestens eines der Löcher (64a) in der Nähe eines entfernten Flügels verringert ist.
- 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzei chnet, daß die Loch anordnung in der Weise getroffen ist, daß die Rotationssymmetrie des Zerhackerrades (27) gegeben ist.709842/0097
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Owner name: LEYBOLD AG, 6450 HANAU, DE |
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