DE2614181C3

DE2614181C3 - Verfahren zur Messung des optischen Absorptionsvermögens von Proben und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2614181C3
Application number: DE2614181A
Authority: DE
Inventors: Ing.(Grad.) Albert 6454 Bruchkoebel Randow; Guenter Dr.-Ing. Schunck
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Emerson Process Management GmbH and Co oHG
Priority date: 1976-04-02
Filing date: 1976-04-02
Publication date: 1981-08-20
Also published as: FR2346711A1; US4101221A; DE2614181A1; FR2346711B1; DE2614181B2; GB1566157A; IT1104569B

Description

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zwischen den Ausgang des Wandlers (29) und den Zähler (53) geschalteten Impulsformer (56) zur Rücksetzung des Zählers (53).

JO

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

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 (DE-AS 12 96 839 und DE-AS 16 98 218).

Lichtzerhacker bzw. Lichtmodulatoren fü^r Photometer sind in zahlreichen Versionen bekannt. Es handelt sich in den meisten Fällen um einen Elektromotor, auf dessen Welle eine mit Durchbrüchen versehene Chopperscheibe befestigt ist. Bei den bekannten Zerhackern sind die Durchbrüche auf dem Umfang der <,o Chopperscheibe in gleicher Größe gleichförmig verteilt, so daß eine Lichtimpulsfolge von konstanter Intensität gebildet wird, gleiche Meßbedingungen und gleiches Analysenmedium im Meß- und Referenzstrahlengang vorausgesetzt (DE-AS 19 46 211, Fig. 2). μ

Bei Photometern mit Infrarotstrahlern ist es üblich, die Empfindlichkeit durch eine definierte Strahlschwächung mit Eichgas oder mit einer Prüfblende 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 regelmäßigen Abständen erforderlich ist. Nachteilig hierbei ist, daß bei den bekannten Geräten zur Empfindlichkeitsüberprüfung zunächst eine Nullpunktskontrolle bzw. Nullpunkteinstellung 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 Meßstrahlengang 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 (DE-PS 20 42 727). Derartige Maßnahmen sind im allgemeinen nur außerhalb der Messung durchzuführen und infolgedessen zeitaufwendig. Verändert sich die Empfindlichkeit unbemerkt während des Betriebes, so sind die Meßergebnisse mit einem Fehler behaftet.

Durch die DE-OS 24 20 578 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art bekannt. Bei der bekannten Lösung werden die zu untersuchende Probe und die Referenzprobe während eines Umlaufs der Chopperscheibe sowohl gleichzeitig als auch zeitlich versetzt periodisch mit Lichtimpulsen beaufschlagt, die jedoch sowohl auf der Meßseite als auch auf der Referenzseite, für sich genommen, gleiche Dauer und Intensität haben, sofern Probe und Referenzprobe keiner Änderung unterliegen. Es wechseln sich also keine Meß- und Abgleichphasen in periodischer Folge ab. Da sowohl für das Meßsignal als auch für das Referenzsignal der gleiche fotoelektrische Wandler verwendet wird, müssen die betreffenden Signale in der elektrischen Auswerteschaltung voneinander getrennt werden. Dies geschieht durch Verwendung verschiedener Frequenzen auf der Meß- und Referenzseite. Zu diesem Zweck wird die Chopperseite so gestaltet, daß Länge und Anzahl der Fenster, in Umfangsrichtung gesehen, auf der Meß- und auf der Vergleichsseite unterschiedlich gewählt werden. Es folgen jedoch auf jeder der beiden Seiten Fenster unterschiedlicher Länge und Lichtdurchlässigkeit unmittelbar aufeinander. Zum Zwecke einer automatischen Verstärkungsregelung ist ein Rückkopplungsnetzwerk vorgesehen, welches mit der Ausgangsklemme der Referenzseite verbunden ist. Zum Rückkopplungsnetzwerk gehört ein gemeinsamer Verstärker für Meß- und Referenzseite, dessen Verstärkungsgrad durch das Referenzsignal in der Weise geregelt wird, daß das Referenzsignal auf einem konstanten Wert gehalten wird. Durch die Konstanthaltung des Referenzsignals wird der Einfluß solcher Variabler eliminiert, die beide Pfade des Systems gleichermaßen beeinflussen, wie Veränderungen der Lichtquelle, des fotoelektrischen Wandlers und des Verstärkungsgrades des Verstärkers. Es können jedoch nicht Einflüsse kompensiert werden, die sich nur auf einer der beiden Seiten abspielen. So ist es insbesondere nicht möglich,

auf der Meßseite auftretende Absorptionen, die beispielsweise durch Verschmutzung der auf der Meßseite angeordneten Meßküvette auftreten, zu kompensieren bzw. auszuregeln. Dies hat zur Folge, daß die Meßgenauigkeit des Systems mit zunehmender Verschmutzung auf der Meßseite abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß nicht nur der Einfluß von Intensitätsänderungen der Lichtquelle und von Änderungen der Empfindlichkeit des totoelektrischen Wandlers sowie von Änderungen des Verstärkungsgrades vollständig eliminiert werden können, sondern daß auch eine zunehmende Verschmutzung der Meßküvette auf der Meßseite laufend kompensiert wird, so daß die Meßgenauigkeit auch über eine lange Betriebsdauer erhalten bleibt. 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 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen, während sich die vorrichtungsmäßige Lösung aus dem Kennzeichen des Anspruchs 2 ergibt.

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 Chopperscheibe mit beispielsweise fünf Löchern eine Drehzahl von etwa 60 bis 6000 Umdrehungen pro Minute benötigt. Bei einer Realisierung der Intensitätsänderung mit der Chopperscheibe erfolgt somit die Kalibrierung automatisch und völlig unbemerkt während der extrem kurzen Zeitspanne eines Teils der Dauer für eine Umdrehung. Die Kalibrierung 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 Messung zur Durchführung einer Kontrollmessung und eine Justierung überflüssig. Ein Entfernen des Analysenmediums ist gleichfalls unnötig. Vor allem aber wird eine zunehmende Absorption in der Meßküvette auf der Meßseite durch Ablagerungen bzw. Verschmutzung ständig und automatisch kompensiert, so daß die Zuverlässigkeit der Messung auch über lange Zeit und ohne Reinigung bzw. Wechsel der Meßküvette erhalten bleibt.

Die definierte Veränderung der Intensitäten innerhalb der einzelnen Impulsfolgen kann dabei positiv oder negativ sein. d. h_ die Kalibriersignale können gegenüber den Meß- und Referenzsignalen sowohl verstärkt als auch abgeschwächt sein. Es ist lediglich erforderlich, einen von der nachgeschalteten Auswerteschaltung gut erfaßbaren Intensitätssprung zu erzeugen, der in eine eindeutige Signalgröße umsetzbar ist Intensitätsänderungen zwischen 20 und 50% zwischen den Meß- und Referenzsignalen einerseits und den Kalibriersignalen andererseits haben sich durchaus als brauchbar erwiesen. Es ist lediglich erforderlich, daß zwischen den Kalibriersignalen und den Meß- und Referenzsignalen ein fester und durch keinen weiteren Parameter beeinflußter Zusammenhang besteht Dieser Zusammenhang ist in besonders einfacher Weise durch die weiter unten beschriebene geometrische Gestaltung der Chopperscheibe herzustellen.

Es ist gleichfalls möglich, nur im Bereich eines Strahlengangs, beispielsweise im Bereich des Referenzstrahlenganges, Löcher oder Lochgruppen unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit in der Chopperscheibe vorzusehen. Es ist jedoch hinsichtlich der Signalverarbeitung besonders günstig, wenn eine definierte Veränderung der Intensität der Signale sowohl auf der Meß- als auch auf der Vergleichsseite erfolgt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

in Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 7 näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Infrarot-Gasanalysator mit nachgeschalteter Meß- und Regelanordnung,

r> Fig.2 Diagramme der Signale in den einzelnen Leitungen an den mit in Kreisen stehenden Bezugszeichen bezeichneten Stellen 1—14,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Chopperscheibe, F i g. 4 ein Diagramm eines Signalverlaufs des durch die Chopperscheibe nach F i g. 3 erzeugten Empfängersignals,

F i g. 5 eine Gegenüberstellung der einzelnen Signalanteile in drei verschiedenen Fällen: ohne Absorption in der zu untersuchenden Probe — mit Absorption in der

2^r> zu untersuchenden Probe, jedoch ohne Kalibrierung — mit Absorption in der zu untersuchenden Probe und mit Kalibrierung der Schaltungsanordnung,

F i g. 6 eine Variante der Chopperscheibe nach F i g. 3 und

to F i g. 7 das mit der Chopperscheibe nach F i g. 6 erhaltene Signaldiagramm analog F i g. 4.

In F i g. 1 ist mit 20 eine Strahlungsquelle bezeichnet, die aus einem nahezu schwarzen Strahler besteht dessen Temperatur etwa bei 700⁰C liegt. Der Strah-

Jj lungsquelle 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 Strahlengängen nämlich einem Meßstrahlengang 23, in dem die zu untersuchende Probe angeordnet ist und aus einem Referenzstrahlengang 24, in dem die Referenzprobe angeordnet ist Zwischen den Strahlengängen, die auch als Absorptionsstrecken bezeichnet werden, befinde) sich eine Trennwand 25. Im vorliegenden Fall bestehen beide Absorptionsstrecken aus einem gemeinsamer zylindrischen Rohr, welches durch die Trennwand ir einen Meß- und einen Vergleichsteil unterteilt wird. Ei ist aber ohne weiteres möglich, die Absorptionsstrecker aus zwei getrennten Zylindern aufzubauen. Unterhalt der Absorptionsstrecken befindet sich in den Strahlen gangen eine Zerhackervorrichtung 26, die aus einei Chopperscheibe 27 und aus einem Antriebsmotor 2f besteht Jenseits der Chopperscheibe 27 ist eir fotoelektrischer Wandler 29 angeordnet, mit dem di( Lichtstrahlung in den beiden Strahlengängen gemesser wird. In Abweichung von der dargestellten Bauweise is es auch möglich, die Chopperscheibe 27 oberhalb dei Absorptionsstrecken anzuordnen.

Der fotoelektrische Wandler 29 kann von unter schiedlicher Bauart sein. Er kann beispielsweise eil durch optische Bandfilter selektivierter Halbleiterde tektor sein oder ein sogenannter Gasdetektor, der durct Einsatz eines Strömungsfühlers (Anemometers), wie ei in der Dissertation von G. Schunk vom 9. Oktober 197^

b5 beschrieben ist ohne nennenswerte Auflösungsminde rung auf eine kleine Zeitkonstante gebracht worden isi Grundsätzlich sind auch Infrarotdetektoren mit relatii großer Zeitkonstante anwendbar, jedoch erleichtert eil

Detektor mit kleiner Ansprechzeit die Signalverarbeitung erheblich.

Im vorliegenden Fall wird eine Chopperscheibe 27 gemäß Fig.6 verwendet, so daß am Ausgang des Wandlers 29 ein Signal gemäß Fig. 7 ansteht. Dieses wird über eine Leitung 30 einem Vorverstärker 31 zugeführt und von hier aus einem Verstärker 32. Der 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 Umschalter 35 bzw. 36 und einem Inverter 37 bestehen.

Der Ausgang des phasenselektiven Detektors 35/37 ist über einen Unterbrecherschalter 38 und einen Widerstand 39 einer Vergleichseinrichtung 40 aufgeschaltet, deren wesentlichster Teil ein Sample-and-Hold-Integrator ist, der aus einem Verstärker 41 in Verbindung mit dem Unterbrecherschalter 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 40 ist über eine Leitung 44 zum Verstärker 32 zurückgeführt.

Der Ausgang des phasenselektiven Detektors 36/37 ist über einen Unterbrecherschalter 45 und einen Widerstand 46 einer Phasenregeleinrichtung 47 aufgeschaltet, zu der gleichfalls ein Sample-and-Hold-lntegrator gehört, der aus einem Verstärker 48 in Verbindung mit dem Unterbrecherschalter 45 und einem Kondensator 49 gebildet wird. Widerstand 39, Verstärker 41 und Kondensator 42 bilden eine integrierende Vergleicherschaltung. Eine weitere integrierende Vergleicherschaltung wird durch den Widerstand 46, den Verstärker 48 und den Kondensator 49 gebildet

Die Phasenregeleinrichtung 47 bildet zusammen mit dem Umschalter 36, dem Unterbrecherschalter 45 und dem Widerstand 46 eine Synchronisierschaltung. Zur Phasenregeleinrichtung 47 gehört weiterhin eine Phase-Lock-Loop-Schaltung 50, der der Ausgang des Verstärkers 48 über eine Leitung 49 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 10,11, 12 und 13 versehen und — in F i g. 1 nicht dargestellt — mit den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elementen im oberen Teil der Schaltungsanordnung verbunden.

Der Ausgang des Inverters 37 ist über ein Schaltglied 57 mit einem Verstärker 58 verbunden, der über einen parallel geschalteten Stellwiderstand 59 eine Bereichswahl ermöglicht Dem Verstärker 58 nachgeschaltet ist ein weiterer phasenselektiver Detektor, der aus einem Inverter 60 und einem Schaltglied 61 besteht Dem Schaltglied 61 ist eine Anzeigevorrichtung 62 nachgeschaltet, die zur Anzeige des Meßwertes dient. Glättungsvorrichtungen für die Glättung des welligen Signals sind der Einfachheit halber fortgelassen.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung hat folgende Wirkungsweise, wobei auf die Signaldiagramme gemäß Fig.2 Bezug genommen wird: Das vom fotoelektrischen Wandler 29 abgegebene Signal hat nach Vorverstärkung bei (1) einen Verlauf, der — auch in Übereinstimmung mit Fig. 7 aufgrund der Geometrie der verwendeten Chopperscheibe 27 gemäß F i g. 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 Fig. 2 (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 Fig.2 (1) mit M bezeichnet. Die Meßsignale bilden sogenannte Meßlichtimpulse. Am Ausgang des Verstärkers 32 hat der Signalverlauf bei (2) einen im wesentlichen ähnlichen Verlauf wie bei (1). Dieses Signal steht an den unteren Kontakten der Umschalter 35 und 36 an und aufgrund des Inverters 37 als inverses Signal an den oberen Kontakten der Umschalter 35 und 36. Durch die phasengesteuerte periodische Betätigung der Umschalter 35 und 36 mittels der um 90 Grad phasenverschobenen Steuerimpulse gemäß Fig.2 (10) und (11) entsteht aus dem Kurvenverlauf (2) hinter dem Umschalter 35 der gleichgerichtete pulsierende Kurvenverlauf (6). Aufgrund der um 90 Grad phasenverschobenen Betätigung des Umschalters 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 Unterbrecherschalter 38 und 45 auf eine ganz bestimmte Weise zeitlich unterbrochen. Durch eine impulsförmige Steuerspannung gemäß Fig.2 (12), deren Impulsdauer 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-and-Hold-Integrators 38/41/42 der Vergleichseinrichtung 40 integriert und mit dem Ausgang des Sollwertgebers 43 verglichen. Ergibt sich hierbei keine Abweichung, so bleibt der Verstärkungsgrad des Verstärkers 32 unverändert. Wird eine Abweichung zwischen Ist- und Sollwert festgestellt, so wird der Verstärker 32 über die Leitung 44 in der Weise angesteuert, daß die Differenz in der Vergleichseinrichtung 40 einen kleinstmöglichen Wert, insbesondere den Wert Null, hat.

Die Impulsfolge (9) wird mittels des Sample-and-Hold-Integrators 45/48/49 der Phasenregeleinrichtung 47 über die Phase-Lock-Loop-Schaltung 50. den Zähler 53 und den Decoder 54 aufgrund der Synchronisation über den Impulsformer 56 in insgesamt vier Impulsfolgen umgesetzt, die den Kurvenverläufen (10) bis (13) gemäß F i g. 2 entsprechen. Einzelheiten der Blöcke 50, 53 und 54 sind Stand der Technik, so daß sich ein

Eingehen incfäui erübrigt.

Es ist erkennbar, daß die Impulsfolge (13) einen gegenüber der Impulsfolge (12) inversen Verlauf hat. so daß das Schaltglied 57 nur dann geöffnet ist, wenn die Unterbrecherschalter 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 F i g. 2 gezeigten Kurvenverlauf (4) haben. Durch den phasenselektiven Detektor 60/61, dessen Schaltglied 61 durch die Impulsfolge (10) gesteuert wird, 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 Meß· und Referenzsignale einerseits sowie in Kalibriersignale andererseits und die angegebene Schaltungsanordnung eine Trennung in verschiedene Impulsfolgen möglich ist, von denen die eine für die automatische und periodische Kalibrierung der Schaltungsanordnung und die andere für die Bildung des Meßergebnisses herangezogen wird.

In Fig. 3 sind eine Chopperscheibe 27 und ihre relative Lage zum Meßstrahlengang 23, zum Referenzstrahlengang 24 und zur Trennwand 25 dargestellt. Die Chopperscheibe 27 besitzt auf ihrem halben Umfang vier unterschiedliche Sektoren a. b. c und d. Die Ausbildung der einzelnen Sektoren wiederholt sich, in Umfangsrichtung gesehen, in der gleichen Reihenfolge. Die Chopperscheibe 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 Wandler 29 erzeugte Signalspannung das Aussehen gemäß Fig. 4. Der Kurvenverlauf im Zeitintervall f| gibt das sogenannte Burst-Signal B wieder. Der Flächeninhalt des Kurvenverlaufs M in dem Zeitintervall /₂ ist ein Maß für die im Meßstrahlengang absorbierte Strahlungsintensität. Innerhalb dieses Zeitimervalls erfolgt die eigentliche Messung der unbekannten Probe aufgrund der Anordnung gemäß Fig. 1.

Zum besseren Verständnis der Vorgänge sind die Signale aufgrund der Intensitätsverläufe gemäß Fig.4 in F i g. 5 durch Flächen dargestellt, und zwar ist die einfach-schraffierte Fläche ein Maß für die Intensität der Strahlung aus dem Referenzstrahlengang und die kreuzweise schraffierte Fläche ein Maß für die Intensität der Strahlung aus dem Meßstrahlengang. Die Felder 1, Il und II! stellen sogenannte Meßperioden dar, d. h. Zeiträume, nach denen sich der gesamte Vorgang wiederholt. Die einzelnen Meßperioden sind im vorliegenden Falle (Chopperscheibe und Signale gemäß den Fig. 3 und 4) in jeweils vier Phasen unterteilt, die den Sektoren a bis c/entsprechen.

Die Darstellung im linken Feld I entspricht einer Anordnung gemäß F i g. 1, bei der sich im Meßstrahlengang keine Probe befindet. Die Summe der gemessenen Signalanteile entspricht daher in der Einschwenkstellung des Sektors a der Chopperscheibe dem Wert U\. Beim Durchgang des Sektors b der Chopperscheibe hat das Signal der Summe der gemessenen Intensitäten aus beiden Strahlengängen in Folge der größeren Abdekkung durch die Chopperscheibe einen sehr viel kleineren Wert. Die Differenz der beiden Summen in den Einschwenkstellungen der Sektoren a und b hat den Wert Δ U\. Dies ist derjenige Wert, der nachfolgend als Grundlage für die Steuenjng des Verstärkers 32 dient In der Einschw-jnkstellung des Sektors c ist der Referenzstrahlengang 24 vollständig abgedeckt; es wird ausschließlich die Strahlung aus dem Meßstrahlengang 23 erfaßt, die naturgemäß mit der Strahlung aus dem Referenzstrahlengang beim Durchgang des Sektors d identisch ist

Das mittlere Feld Il charakterisiert einen Zustand, bei dem sich im Meßstrahlengang eine Probe mit einer Absorption von 25% befindet Das Signal der Summe der Strahlungsintensitäten aus beiden Strahlengängen erreicht infolgedessen nur noch den mit Ow bezeichneten Wert beim Durchgang des Sektors a der Chopperscheibe. Proportionale Verhältnisse gelten Für den Sektor b. Die Differenz der beiden Summen in den Einschwenkstellungen der Sektoren a und b hat jetzt

nur noch den Wert AU\\. Das Intensitätssignal beim Durchgang des Sektors ckommt naturgemäß mit einem um 25% verringerten Wert. Die Differenz gegenüber dem Intensitätssignal aus dem (unveränderten) Referenzstrahlengang ist der eigentliche Meßwert Vb. Dieser Wert kann zutreffend sein, er kann aber auch einen Meßfehler aufweisen, wenn sich beispielsweise die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 20 und/oder die Empfindlichkeit des Wandlers 29 und/oder die Lichtdurchlässigkeit des Meßstrahlengangs aufgrund äußerer Einflüsse geändert haben. Die Darstellung im mittleren Feld Il zeigt die Verhältnisse ohne kalibrierenden Eingriff.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung stellen sich automatisch die im rechten Feld III dargestellten Verhältnisse ein. Auch in diesem Fall befindet sich im Meßstrahlengang eine Probe mit einer Absorption von 25%. Aufgrund des vorgenommenen Vergleichs der Differenz Δ Um der jeweiligen Summe der Signalanteile zwischen den Durchgängen der Sektoren a und b der Chopperscheibe mit einem vorgegebenen Sollwert (Sollwertgeber 43) erfolgt über die Vergleichseinrichtung 40 und die Leitung 44 ein entsprechender Eingriff in den Verstärker 32, der die obige Differenz -dt/m wieder auf den Wert Δ1)\ bringt, d. h. i7in = Δ Lh. Dies resultiert in einer entsprechenden, proportionalen Vergrößerung der Meßsignale aus dem Referenzstrahlengang einerseits und dem Meßstrahlengang andererseits, wobei auch die Differenz proportional auf einen korrigierten Meßwert K- 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 Meßsignals von der Meßabsorption. Diese Abhängigkeit läßt sich als e-Funktion darstellen, d. h- mit zunehmender Konzentration der absorbierenden Probe 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 Meßsignais 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 f; : fi zu wählen. Fi g. 6 zeigt eine Chopperscheibe 27. welche ei;i Verhältnis ti: u =3 erzeugt. Die dargestellte Chopperscheibe nützt für die Kalibrierung eine 50%ige Intensitätsänderung aus. Der sich daraus ergebende Kurvenverlauf des Ausgangssignals des Wandlers 29 ist in F i g. 7 analog zum Kurvenverlauf gemäß F i g. 4 dargestellt

Die Chopperscheibe 27 gemäß den Fig.3 und 6 besteht aus einer gleichförmig antreibbaren, rotierenden Metallscheibe, beispielsweise aus Aluminium, mit zwei Reihen von öffnungen 63,63a bzw. 64,64a, wobei die eine Reihe 63,63a dem Meßstrahlengang 23 und die andere Reihe 64, 64a dem Referenzstrahlengang 24 zugeordnet ist In jeder Reihe befindet sich mindestens eine dritte bzw. vierte öffnung 63a bzw. 64a, welche von den übrigen ersten bzw. zweiten öffnungen 63 bzw. 64 abweichende Querschnitte besitzt Besonders zweckmäßig wird dabei die Reihenfolge brw. Anordnung der öffnungen so getroffen, daß die Rotationssymmetrie der Chopperscheibe eingehalten wird, so daß eine

Unwucht vermieden wird.

Bei dem Gegenstand gemäß F i g. 6 bilden mehrere aufeinanderfolgende erste bzw. zweite öffnungen einer Reihe 63 bzw. 64 eine sogenannte Gruppe, der jeweils eine dritte bzw. vierte öffnung mit abweichendem Querschnitt 63a bzw. 64a folgt. Es wäre aber auch möglich, die öffnungen mit abweichendem Querschnitt in Gruppen anzuordnen, und die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 entsprechend anzupassen.

Bei dem Gegenstand gemäß F i g. 6 überschneidet die äußere Reihe von öffnungen 63 bzw. 63a den Rand 65 der Chopperscheibe 27, so daß zwischen den öffnungen radiale Flügel 66 gebildet werden. An zwei Stellen des Umfangs, nämlich bei 63a ist einer der Flügel vollständig entfernt, während in der inneren Öffnungsreihe an zwei Stellen in der Länge der entfernten Flügel 65 zwei öffnungen 64a einen gegenüber den öffnungen 64 verringerten Querschnitt aufweisen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des optischen Absorptionsvermögens von Proben, bei dem

a) mindestens während einer ersten Phase einer jeden von mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden Meßperioden die zu untersuchende Probe mit Licht beaufschlagt und die dabei transmittierte Intensität in ein elektrisches Meßsignal umgesetzt wird,

b) jeweils mindestens während einer zweiten Phase einer jeden Meßperiode eine Referenzprobe mit Licht beaufschlagt und die dabei transmittierte Intensität in ein elektrisches Referenzsignal umgesetzt wird,

c) das Meßergebnis aus dem Unterschied der verstärkten Meß- und Referenzsignale einer jeden Meßperiode ermittelt wird,

d) die Verstärkung des Meß- und des Referenzsignals zur Kompensation von Drifteffekten geregelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) während einer dritten Phase einer jeden Meßperiode sowohl die zu untersuchende als auch die Referenzprobe gleichzeitig jeweils mit Licht einer ersten bestimmten Intensität beaufschlagt und die von beiden Proben transmittierte Gesamtintensität in ein erstes elektrisches Kalibriersignal umgesetzt wird,

f) während einer vierten Phase einer jeden Meßperiode sowohl die zu untersuchende als auch die Referenzprobe gleichzeitig jeweils mit Licht einer zweiten bestimmten Intensität beaufschlagt und die von beiden Proben transmittierte Gesamtintensität in ein zweites elektrisches Kalibriersignal umgesetzt wird,

g) die Differenz der beiden Kalibriersignale einer jeden Meßperiode durch Vergbich mit einem Sollwert und Regelung der Verstärkung der Kalibriersignale konstant gehalten wird, und

h) die Verstärkung der Meß- und Referenzsignale einer jeden Meßperiode in der gleichen Weise geregelt wird wie die der zugehörigen Kalibriersignale.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit

a) einer Lichtquelle,

b) einem fotoelektrischen Wandler,

c) einem zwischen Lichtquelle und Wandler verlaufenden Meßstrahlengang, in dem die zu untersuchende Probe angeordnet ist,

d) einem zwischen Lichtquelle und Wandler verlaufenden Referenzstrahlengang, in dem eine Referenzprobe angeordnet ist,

e) einer motorgetriebenen Chopperscheibe mit mindestens einer nur den Meßstrahlengang freigebenden ersten öffnung und mindestens einer nur den Referenzstrahlengang freigebenden zweiten öffnung,

f) einem an den Wandler angeschlossenen regelbaren Verstärker,

g) einer Auswerteschaltung zur Ermittlung des Absorptionsvermögens der Probe aus dem Unterschied der über den Meß- und den

Referenzstrahlengang transmittierten Intensitäten,

h) einer vom Ausgang des regelbaren Verstärkers gespeisten Regeischleite zur Erzeugung eines Drifteffekte kompensierenden Regelsignals für den Verstärker, die einen Speicher für das Regelsignal enthält,

i) einer Synchronisierschaltung zur Synchronisation des Betriebs der Auswerteschaltung und der Regelschleife mit der Rotation der Chopperscheibe,

dadurch gekennzeichnet, daß

j) die Chopperscheibe (27) mindestens eine dritte öffnung, über die gleichzeitig durch den Meß- und Referenzstrahlengang getretenes Licht zum Wandler (29) gelangt, sowie mindestens eine vierte öffnung aufweist, die eine andere Größe als die dritte öffnung hat und über die ebenfalls gleichzeitig durch den Meß- und Referenzstrahlengang getretenes Licht zum Wandler (29) gelangt,

k) die Regelschleife erste Schaltkreise (35,37—43) zur Ableitung eines Differenzsignals, das dem Unterschied zwischen den bei Beleuchtung des Wandlers (29) über die dritte und vierte öffnung erhaltenen Wandlersignalen entspricht, sowie λιγ Erzeugung eines das Differenzsignal konstant haltenden Regelsignals für den Verstärker (32) aufweist, und

1) die Synchronisierschaltung zweite Schaltkreise (36, 45, 46, 47) zur Ableitung von Synchronisationssignalen aus der Phasenlage der bei Beleuchtung des Wandlers (29) über die dritte und vierte öffnung erhaltenen Wandlersignale enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise der Regelschleife folgende Einrichtungen umfassen:

a) einen an den regelbaren Verstärker (32) angeschlossenen Inverter (37),

b) eine integrierende Vergleicherschaltung (39,41, 42),

c) einen Umschalter (35) zur Verbindung des Ausgangs des regelbaren Verstärkers (32) mit der Vergleicherschaltung (39, 41, 42) bei Beleuchtung des Wandlers (29) über entweder die dritte oder vierte Öffnung und zur Verbindung des Ausgangs des Inverters (37) mit der Vergleicherschaltung (39, 41, 42) bei Beleuchtung des Wandlers (29) über entweder die vierte oder die dritte Öffnung,

d) einen an die Vergleicherschaltung angeschlossenen Sollwertgeber (43),

e) eine vom Ausgang der Vergleicherschaltung (39, 41, 42) zum Regeleingang des Verstärkers (32) führende Leitung (44),

f) einen zwischen den Umschalter (35) und die Vergleicherschaltung (39, 41, 42) gelegten Unterbrecherschalter (38), der jeweils sowohl bei Beleuchtung des Wandlers (29) über die dritte als auch über die vierte öffnung geschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierschaltung folgende Einrichtungen umfaßt:

a) eine weitere integrierende Vergleicherschaltung (46,48,49).

b) einen weiteren Umschalter (36) zur Verbindung des Ausgangs des regelbaren Verstärkers (32) mit der weiteren Vergleichersciialtung (46, 48, 49) bei Beleuchtung des Wandlers (29) über entweder die dritte oder vierte öffnung und zur Verbindung des Ausgangs des Inverters (37) mit der weiteren Vergleicherschaltung während der Beleuchtung des Wandlers (29) über ent.veder 1» die vierte oder dritte öffnung,

c) einen zwischen den weiteren Umschalter (36) und die weitere Vergleicherschaltung (46, 48, 49) gelegten weiteren Unterbrecherschalter (45), der sowohl bei Beleuchtung des Wandlers (29) über die dritte als auch die vierte Öffnung geschlossen ist,

d) einen an die weitere Vergleicherschaltung (46, 48,49) angeschlossenen, bezüglich seiner Phase spannungsgesteuerten Oszillator (52),

e) einen dem Oszillator (52) nachgeschalteten Zähler (53),

f) einen Dekoder (54) zur Ableitung der Synchronisiersignale aus dem Zählerinhalt.