DE3048153A1

DE3048153A1 - Direkte auslesevorrichtung zum messen von von fluessigkeiten durchgelassenen lichtes

Info

Publication number: DE3048153A1
Application number: DE19803048153
Authority: DE
Inventors: William Barry 19711 Newark Del. Baker; Joe Turner 22030 Fairfax Va. May
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1981-09-03
Also published as: NL8006918A; ES8205314A1; JPS5698640A; AR224290A1; SE8008990L; GB2065878A; PT72250A; CA1144389A; IT1134835B; BR8008250A; ES498015A0; US4312593A; PT72250B; FR2472184A1; IT8026839A0; KR830004602A; AU6560780A; BE886777A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die von einer Fluidprobe durchgelassenes Licht mißt,.und insbesondere eine Vorrichtung, die eine direkte Anzeige des durchgelassenen Ijichtes ermöglicht.

Zur Überwachung der Luft, der Arbeiter während einer Arbeitsperiöde ausgesetzt sind, tragen solche Arbeiter chemische Zeichen, die von. Taschen gebildet werden, die mit einer chemischen Lösung gefüllt sind, die bestimmte Gase, wie Schwefeldioxid oder Stickstoffdioxid, absorbieren kann. Am Ende der Arbeitsperiode werden diese Zeichen zu Analysezwecken abgenommen. Zum Analysieren dieser Zeichen werden in Pakete abgeschlossene Reagenzien, die in den Taschen enthalten sind, aufgebrochen und. mit der chemischen Lösung vermischt. Wenn in der chemischen Lösung ein Gas absorbiert worden ist, ändert die Lösung ihre Farbe. Eine photometrische Analyse der Lösung wird dann durchgeführt und die Ergebnisse werden aufgezeichnet. Wenn ein Arbeiter eine übergroße Dosis eines bestimmten Gases aufgenommen hat, oder die Dosierung akkumulativ einen bestimmten Sicherheitswert überschritten hat, darf der Arbeiter nicht mehr in einem Bereich für eine vorbestimmte Zeit arbeiten, in dem dieses Gas auftreten kann.

Eine photometrische Analysevorrichtung ist verwendet worden, um von Fluidproben durchgelassenes Licht zu.messen, die beispielsweise in der US-PS 4 066 362 beschrieben ist. Obgleich diese Vorrichtung zuverlässig arbeitet, ist sie aber nicht ohne weiteres für mittlere Betriebsanlagen geeignet, da Vorkehrungen getroffen werden müssen, um zu vermeiden, daß Licht von außen in den Bereich

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kommen kann, in dem sich die Probe befindet. Ferner sind auch keine Vorkehrungen dahingehend getroffen/ daß die ermittelten Daten direkt in Einheiten angegeben werden, die von den Behörden und den auf diesen Gebieten tätigen Industriezweigen üblicherweise verwendet werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung überwindet die zuvor beschriebene Schwierigkeit und ermöglicht eine direkte Auslesung von photometrischen Analysedaten über einen weiten Bereich in verwertbaren Einheiten.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung, die von einer Fluidprobe durchgelassenes Licht mit einem Photodetektor mißt und ein Signal von dem Photodetektor elektronisch in ein Signal umwandelt, das auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird, mit der Spannungsquelle, einer Lichtquelle, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, einem Photodetektor, einem Probenhalter für Proben, die eine Zelle mit"einer konstanten Stärke bildet, durch die Licht von der Lichtquelle geht und durch den Photodetektor gemessen wird, und einer Ausleseeinrichtung dadurch aus, daß ohne einen Bezugslichtstrahl vorgesehen sind:

a) ein Farbinterferenzfilter, der zwischen dem Probenhalter und dem Photodetektor angeordnet ist, und alle Farben von dem von der Probe durchgelassenen Licht mit Ausnahme eines Bandes von Farblicht ausfiltert:, das zu messen ist,

b) ein Wandler, der elektrisch mit dem Photodetektor verbunden ist, und ein Stromsignal von dem Photodetektor in ein Spannungssignal umwandelt,

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c) eine logarithmische Ansprechschaltung, die elektrisch mit dem Wandler verbunden ist und das Spannungssignal von dem Wandler in ein logarithmisches Signal proportional zu. dem Logarithmus des Spannungssignals umwandelt, und

d) ein Digitalvoltmeter, das elektrisch mit der logarithmischen Ansprechschaltung verbunden ist und das Signal von der logarithmischen Ansprechschaltung in ein Signal umwandelt, das auf der Ausleseeinrichtung angezeigt wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung an einem Beispiel näher erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm der Vorrich- · tung,

■Figur 2 eine Probentasche und einen Halter, und

Figuren 3 und 4 schematische Schaltungsauslegungen für die Vorrichtung.

In Figur 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt. Die in dem Blockdiagramm dargestellten Bauelemente bzw. Baugruppen sind in einem Metallgehäuse angeordnet, das eine öffnung für einen Probentaschenhalter hat, der.eine Probentasche enthält. Auch sind eine direkte digitale Ausleseanzeige,

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ein Ein-Aus-Leistungsschalter, eine Verstärkungswählscheibe, eine Meßbereichseinstellscheibe und ein Wählschalter vorgesehen. Eine Gleichstrom-Spannungsquelle 1, die Gleichstrom von 7 bis 12 V liefert, ist elektrisch mit einer Lampe 2 verbunden, typischerweise einer Wolframhalogenlampe. Die Gleichstromversorgungsquelle ist ein Gleichrichter, der 115V Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Eine Probentasche in einem Probentaschenhalter 3 ist zwischen der Lampe 2 und dem Photodetektor 4 angeordnet. Ein Schmalband-Farbinterferenzfilter 5, der typischerweise nur ein schmales Lichtband von + 15nm

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(Nanometer oder Meter χ 10 ) Wellenlänge durchläßt, ist zwischen der Probentasche und dem Halter 3 und dem Photodetektor 4 angeordnet.

Licht von der Lampe geht durch die Probentasche in. dem Halter und durch den Interferenzfilter, der nur ein schmales Lichtband durch den Photodetektor durchläßt. Das Licht bewirkt, daß in dem Photodetektor 4 ein elektrischer Strom erzeugt wird, der einem Strom/Spannungswandler (I/V) 6 zugeführt wird, der eine Verstärkungseinstellung 7 hat. Diese Verstärkungseinstellung dient als eine Nullpunktregelung. Das Signal von dem Strom/Spannungswandler 6 wird einer Aufzeichnungsschaltung 8 zugeführt. In der Aufzeichnungsschaltung 8 oder der logarithmischen Ansprechschaltung wird das elektrische Signal zu einem logarithmischen Signal umgewandelt. Dieses Signal wird dann einer Temperaturkompensationsschaltung 9 zugeführt, die jegliche Signalveränderungen infolge von Temperaturänderungen ausgleicht. Das Signal gelangt dann zu einer Meßbereichseinstelleinrichtung 1Ö> die ein Verstärker mit variabler Verstärkung ist, der die Ausgangssignale von der Temperaturkompensationsschal-

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tung zu einem Signal umwandelt, das einem Digitalvoltmeter 11 zugeführt wird. Das Digitalvoltmeter liefert ein Signal, das einer Digitalanzeige 12 zugeführt wird, die direkt von einer Bedienungsperson abgelesen werden kann.

In Figur 2 ist der Probentaschenhalter gezeigt. Das Gehäuse 12 des Probentaschenhalters kann aus Metall oder einem haltbaren bzw. widerstandsfähigen Kunst-, stoff bestehen. Das Gehäuse hat ein Gelenk im Mittelteil, mittels dessen es; zusammenfaltbar ist. Die Druckkissen 13 drücken Flüssigkeit in der Probentasche 14 in einen Raum unter den Weglängenanschlag 15, der eine Zelle mit konstanter Stärke bildet, durch die ein Lichtstrahl von der in Figur 1 gezeigten Lampe durchgeht. Es ist wichtig, daß eine Zelle mit konstanter Stärke gebildet wird, um genaue Meßergebnisse mit der Vorrichtung zu erhalten. Der Lichtstrahl geht durch die öffnungen 16 und 17, wenn der Probentaschenhalter geschlossen ist. Eine in der Figur nicht gezeigte öffnung liegt der Öffnung 16 direkt gegenüber. Diese Öffnungen sind mit einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise einer PoIyäthylenterephthalatfolie, bedeckt, um ein Ausbreiten der Tasche in die öffnung zu verhindern. Die Probentasche 14 aus einem Kunststoffmaterial enthält einen Abschnitt 18, der eine Flüssigkeit enthält, die spezielle Gase absorbiert, denen ein Arbeiter ausgesetzt ist. Bevor die Probentasche in den Probenhalter eingelegt wird, wird eine zeitweilige Dichtung an zwei Taschen 19 durchbrochen, die Reagenzien enthalten. Die Reagenzien werden dann in den Abschnitt 18 der Tasche gedrückt und erfahren dort eine innige Vermischung. Die Probentaschen können mehrere Reagenzientaschen enthalten. Das Reagenz

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reagiert mit der Flüssigkeit, die Gase absorbiert hat, und es tritt eine Farbveränderung auf. Die Vorrichtung mißt die Farbintensität der Flüssigkeit in der Probentasche. Die Probentasche kann Gele, Feststoffe oder sogar auch Gase enthalten, die die Farbe verändern und es ist keine Beschränkung auf Flüssigkeiten vorhanden .

Nachstehend werden die Theorie und die Arbeitsweise der Vorrichtung insgesamt beschrieben.

Wie zuvor erwähnt, mißt die Vorrichtung mittels einer Farbänderung genau die Menge eines bestimmten Gases, das von einer Probentasche absorbiert worden ist. Das Beer'sche-Lambert'sche-Gesetz, ausgedrückt in der mathematischen Gleichung (1) ist die Arbeitsbasis der Vorrichtung.

O) c = k log —

Al

wobei: c = molare Konzentration des gesuchten chemischen Stoffes, PPMA₇--..,. (parts per million/Volumen)

.*■

k = Proportionalitätskonstante

Am ⁼ von der Probe durchgelassenes Licht in Watt

cm²

= auf die Probe auftreffendes Licht in Watt

cm²

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Nach Figur 1 wirft die Lampe 2 Licht auf die Probentasche 3. Das aufgetroffene Licht ist X . Die Flüssigkeit in der Tasche absorbiert bestimmte Lichtfarben. Die Farbe des absorbierten Lichtes hängt von der Art der chemischen Substanz ab -, die von der Tasche absorbiert worden ist, während das Absorptionsvermögen bzw. die Menge an absorbiertem Material eine Funktion der Menge an absorbierter chemischer Substanz ist.

Das durch die Tasche durchgelassene Licht (λ_φ) geht durch einen Schmalband-Farbinterferenzfilter 5. Der Filter läßt einen schmalen Bandabschnitt des Lichtspektrums durch, während alle anderen Bandspektren aufgehalten werden. Die Filterart wird in Abhängigkeit von der zu ermittelnden chemischen Substanz gewählt. Der Filter wird vor dem Photodetektor angeordnet, um· den Effekt des Streulichtes zu vermindern, das um den Probenhalter eintreten kann, wodurch vermieden wird, daß das Gehäuse und der Probenhalter lichtdicht sein müssen.

Ein Photodetektor mit einem großen Arbeitsbereich wandelt das Am~Signal in einen Strom Ι_φ proportional zu X^ um. Ι_φ gelangt in einen Operationsverstärker, der als ein Regelstrom/Spannungswandler 6 geschaltet ist. Hier wird I_T in eine Sp
proportional zu λ™ ist.

Hier wird I_T in eine Spannung V umgewandelt, die direkt

Die Werte von ν_φ können typischerweise in der Stärke über 6 bis 7 Zehnerpotenzen, beispielsweise von etwa 3 V bis 10 V variieren. Die nachstehenden Techniken werden angewandt, um den Variationsbereich einzuschränken, da ein solcher Variationsbereich äußerst hohe Anforderungen an die elektronischen Bauelemente der darauf

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folgenden Signalverarbeitungsstufen stellen würde:

1. Die Größe von /L· nimmt in der Stärke um etwa zwei Zehnerpotenzen zwischen 700nm und 350nm infolge der Verringerung der Abgabeleistung der Lampe bei kleineren Wellenlängen ab. Um diese Abnahme zu kompensieren, wird die an der Lampe anliegende Spannung von 7 V bei 700nm auf 12V bei 350nm erhöht, wodurch ^ ansteigt. Die Spannung vergrößert die abgegebene Lichtleistung um einen Paktor von etwa 10. Auch kann ein Filter verwendet werden, das die durchgelassene Lichtbandbreite von + 10nm bei 700nm auf + 30nm bei 350nm vergrößert. Hierdurch wird die verfügbare Lichtmenge zwischen 700nm und 350nm um einen Faktor von 3 vergrößert.

2. Ein Wandlerverstärker kann so geschaltet sein, daß sich ein variabler Verstärkungsbereich von 160 bis 1 ergibt. Durch entsprechend geeignete Verstärkungswahl kann der Ausgang des Strom/ Spannungs(I/V)-Wandlers bei maximalem Λ_τ ^auf 3 Volt eingestellt werden und da der Bereich der Lichtwerte für eine vorgegebene Tasche sich nur auf 100:1 beläuft, belaufen sich die entsprechenden Spannungswerte am Ausgang des Strom/-Spannungswandlers (I/V-Wandlers) auf nur 3 V bis 30 mV. Die an den I/V-Wandler zu stellenden Leistungsanforderungen sind relativ mäßig und es kann ein billigerer Verstärker verwendet werden.

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Der Ausgang des I/V-Wandlers ist direkt mit einer Aufzeichnungsschaltung 8 verbunden. Ihre übertragungsfunktion ist in der Gleichung (2) angegeben.

(2) V_o = k log V_T

wobei: V = Ausgang der Auf zeichnungsscha-1-tung in Volt

k = Proportionalitätskonstante,

-3mV
db

V_m = Ausgang des I/V-Wandlers proportional zu Am in· Volt

V = Bezugsspannung, mit der alle Aus-R

gangsspannungen des I/V-Wandlers verglichen werden, in Volt (dieser Wert entspricht \ ).

Die Aufgabe der Aufzeichnungsschaltung ist, den (log X¹H) -Anteil des Beer'schen-Lambert¹ sehen Gesetzes zu verwirklichen. Der Ausgang der Schaltung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und einen kleinen Skalenfaktor bzw. Normierungsfaktor. Der Temperaturkoeffizient wird unter Verwendung einer Temperaturkompensationsschaltung korrigiert, die im Anschluß an die Aufzeichnungsschaltung vorgesehen ist. Der Skalenfaktor bzw. der Normierungsfaktor wird um einen Faktor von 36 vergrößert, um ein stärkeres Signal zu erhalten.

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Das Ausgangssignal der Temperaturkompensationsschaltung treibt einen Regelverstärker (Meßbereichseinstellschaltung 10) , dessen Verstärkung über einen Bereich von 800:1 variiert werden kann, und dessen Aufgabe es ist, das Signal direkt in brauchbare Einheiten umzuwandeln. Das Signal der Meßbereichseinstelleinrichtung wird dem Digitalvoltmeter 11 zugeführt, das das Signal in ein Signal umwandelt, das einer Digitalanzeige zugeführt wird, die direkt von einer Bedienungsperson abgelesen werden kann.

Eine übliche Technik, die verwendet werden könnte, um eine Nullanzeige bei der Vorrichtung zu erreichen, besteht darin, den Signalpegel des I/V-Wandlers zu verwenden und V₀ in der Aufzeichnungsschaltung so einzustellen, daß man am Ausgang der Aufzeichnungsschaltung Null erhält. Null tritt auf, wenn V_. = Ausgang des I/V-Wandlers ist, da log 1=0. Bei diesem Vorschlag benötigt man einen sehr großen Bereich für die Signalwerte von Mikrovolt bis Volt. Es ergibt sich jedoch kein günstiges Arbeitsverhalten, da die Aufzeichnungsschaltung unfähig ist, genau über einen solchen großen Bereich zu arbeiten.

Die nachstehende Technik wird zum Erzielen einer Nullanzeige in der Vorrichtung verwendet. Die Bezugsspannung V-, wird bei etwa 3 Volt fest vorgegeben und die Verstärkung des I/V-Wandlers wird variiert, um einen Ausgangswert zu erreichen, der gleich V ist, so daß man eine Nullanzeige hat. Die Nulleinstellung durch Variation der Verstärkung ermöglicht, daß die Schaltung bei hohen Betriebswerten arbeiten kann, wodurch elektrische Rauscheffekte vermindert werden. Auch wird hier-

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durch erreicht, daß die Aufzeichnungsschaltung nur über einen Bereich von zwei Zehnerpotenzen in ihrer Stärke anstatt von vier oder fünf zu arbeiten braucht.

Der Arbeitsbereich des Photodetektors wird dadurch eingestellt/ daß die Lampenspannung und die Bandbreite des Filters variiert werden. Hierdurch wird der Bereich um etwa 2 1/2 Zehnerpotenzen in der Stärke kleiner, unter dem der Photodetektor arbeiten muß.. Hierdurch lassen sich die an den Photodetektor zustellenden Anforderungen herabsetzen, wodurch sich gleichzeitig die Kosten der Vorrichtung verringern.

Figur 3 ist eine schematische Schaltungsauslegung der Stromquelle der Vorrichtung. 115 Volt Wechselspannung (115 Volt Wechselspannung) liegt an der Vorrichtung und an der Primärseite des Transformators T1 (•typischerweise ein EWC-Modell DPC-12-2000) über einen Ein-Aus-Schalter S2 und eine Schmelzsicherung F1 an. Die Sekundärwicklung des Transformators T1 erzeugt 12 Volt Wechselspannung an dem Doppelbrückengleichrichter U1 (typischerweise ein Motorola MDA-100). Der Doppelbrückengleichrichter U1 wandelt 12,5 Volt Wechselspannung in eine gleichgerichtete Vollwellengleichspannung um₇ die im Kondensator C1 (typischerweise 2 χ 2200μΐ (Mikrofarad)) gespeichert und gefiltert wird. Der Kondensator lädt sich auf einen Höchstwert von etwa 18 Volt auf. Diese gefilterte Spannung V wird an einen variablen Spannungsregler U2 (typischerweise ein National Halbleiter LM 350) angelegt. Der variable Spannungsregler U2 erzeugt eine geregelte Ausgangsspannung V , deren Wert durch die Gleichung (3) bestimmt ist:

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(3) V = 1,25

1 + Rl + R2 Ry

Für die verschiedenen Stellungen des Schalters S1 sind Widerstände mit verschiedenen Widerstandswerten RY zwischen dem Ausgangsanschluß von U₂ (V ) und dem Einstellanschluß (ADJ) geschaltet. Wenn sich der Schalter in der Position 1 befindet, wird RY von der Parallelschaltung· von R_ (typischerweise 523 Ohm), der zwischen dem Anschluß V und dem Anschluß ADJ geschaltet ist, und des Widerstands R- (typischerweise 619 Ohm) gebildet, der zwischen dem Schalteranschluß und V geschaltet ist. In der Position 2 wird RY von der Parallelschaltung von R₃ und R₅ (typischerweise 698 Ohm) gebildet, die zwischen dem Anschluß 2 und V geschaltet sind. In der Position 3 wird RY von der Parallelschaltung von R- und Rg (typischerweise 909 Ohm) gebildet, die zwischen dem Anschluß 3 und V geschaltet ist. In der Stellung 4 wird RY von der Parallelschaltung von R₃ und R₇ (typischerweise 1,62 kOhm) gebildet, die zwischen dem Anschluß 4 und V geschaltet ist. In der Position 5 wird RY durch die Parallelschaltung von R₃ und Rg (typischerweise 3,01 kOhm) gebildet, die zwischen dem Anschluß 5 und V geschaltet ist. In den Positionen 6 bis 12 werden keine weiteren Widerstände an deren Anschlüsse zugeschaltet. Deshalb ist RY gleich R₃. Die verschiedenen Widerstandswerte bewirken eine Änderung des tatsächlichen Wertes von RY in der Gleichung, so daß verschiedene Ausgangsspannungen bei verschiedenen Schalterstellungen erhalten warden. Die Werte variieren von 12 Volt in der Stellung 1 bis etwa 7 Volt in der Stellung 12.

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Die Ausgangsspannung (V ) des Spannungsreglers U2 liegt an der Lampe L1 (typischerweise eine G.E« Nr. 789) an und daher ändert sich die Leuchtstärke mit den sich ändernden Schalterstellungen. Der Schalter dient auch zur Auswahl von verschiedenen Farbinterferenzfiltern. Der mit der Lampe L1 verbundene Kondensator C2 (typischerweise mit 10μί, 15 Volt) gewährleistet eine elektrische Stabilität des Spannungsreglers.

' Die Wechselspannung von der Sekundärseite des Transformators T1 liegt ebenfalls auch an einem Doppel-.Brückengleichrichter U3 (typischerweise ein Motorola MDA-100) an. ü3 liefert eine vollwellengleichgerichtete Spannung an ihren "+"- und "-"^Anschlüssen. Der "+"-Anschluß von U3 ist mit der +-Seite des Kondensators C3 (typischerweise mit 1000nf bei 10 Volt) verbunden, dessen anderes Ende mit dem Mittelabgriff von TI verbunden ist. Dieser Punkt bestimmt die Schaltungserdung. C3 wird durch U3 auf eine Höchstspannung von etwa 8 Volt aufgeladen. Diese Spannung liegt auch an dem Eingangsanschluß des Spannungsreglers U4 (typischerweise ein· National Kalbleiter LM78L05) an. Der Erdungsanschluß "GRD" von ü4 ist ebenfalls mit dem Mittelabgriff von T1 verbunden. Die Ausgangsdurchführung bzw. der Ausgangsanschluß (output pin) von U4 wird durch die Schaltungsauslegung in U4 bei +5 V Gleichspannung gehalten. Dieser Punkt stellt die +5 Volt-Versorgung für die anderen Schaltungen der Vorrichtung dar und wird nachstehend als +5 Volt-Quelle (Figur 3) bezeichnet. Der Kondensator C5 (typischerweise mit 0,1μί bei 15 Volt), der. zwischen U4 Ausgang (out) und GND geschaltet ist, gewähr-Heistet die elektrische Stabilität von U4.

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Auf ähnliche Art und Weise mit Ausnahme der Umkehrung aller elektrischer Polaritäten bilden C4 (typischerweise mit 470μί bei 10 Volt), U5 (typischerweise ein National Halbleiter LM79L05) und C6 (typischerweise mit 0,1μί bei 15 Volt) die -5 Volt-Versorgung für die anderen Schaltungen der Vorrichtung, die nachstehend als die -5 Volt-Versorgung bezeichnet wird (Figur 3).

Die AbgabeIeistung der Lampe L1 trifft auf die zu prüfende Probentasche und das durchgelassene Licht wird durch den Photodetektor CR1 (typischerweise ein UTC Modell SD-5B) erfaßt. In Figur 4 sind schematisch die anderen bei der Vorrichtung verwendeten Schaltungen dargestellt. CR1 ist eine Siliciumphotodiode, deren Kathode mit der Erdung und deren Anode mit dem Verstärker U6 verbunden ist, der den Eingangsanschluß umkehrt. Der Anschluß 3, der nicht invertierende Eingang von U6 ist mit der Erdung verbunden. CR1 arbeitet in einem virtuellen Kurzschlußkreis. Wenn die CR1-Photodiode in einem Kurzschlußkreis betrieben wird, ist es möglich, einen Stromausgang zu erhalten, der über 5 bis 6 Zehnerpotenzen der Stärke der Leuchtstärke linear proportional zum Lichteingang ist. Der Diodenbereich bei dieser Auslegung beläuft sich von etwa 10 μνί/cm ( Mikrowatt/cm²) auf etwa 10 μW/cm².

Der Verstärker U6 (typischerweise eine Analogeinrichtung AD515) ist als ein Strom/Spannungswandler mit variabler Verstärkung geschaltet. Der Ausgang (Anschluß 6) ist-mit einem Ende des Potentiometers R17 (typischerweise ein 50 kOhm Potentiometer) verbunden. Das andere Ende von R17 ist mit R18 (typischerweise ein 300 Ohm, 1 % Metallfolienwiderstand) verbunden und das

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andere Ende R1 8 ist mit der Erdung ve.rbunden. Der
Abgreifer von R17 ist mit R16 (typischerweise ein
4 99 kOhm Widerstand) verbunden. Das andere Ende von
R16 ist mit dem invertierenden Eingang von U6 verbunden. D.ie +5 Volt-Versorgung und die -5 Volt-Versorgung (Figur 3) sind an die Verstärkeranschlüsse 7 und 4 jeweils angeschlossen. Die Ausgangsspannung von U6 ergibt sich durch folgende Gleichung (4) .

-U)-V₀ = i_c z_f

wobei: V = Ausgangsspannung in Volt,

I = Photozellenstrom im Verstärker, c

gemessen in Ampere

Zj; = Wirkwiderstand zwischen Anschluß und Anschluß 2 von U6, gemessen in Ohm

Der Wirkwiderstand bzw. die Wirkimpedanz Z_f hängt von
der Einstellung des Potentiometers R17 ab und ändert
sich von 499 kOhm auf 83 MegOhm. Beim Betreiben wird
R17 während der Nulleinstellung so adjustiert, daß er
etwa einen Ausgang von 3 Volt liefert. Ein Kondensator C7 (typischerweise mit 0,1uf bei 50 Volt) wird verwendet, um die Verstärkerbandbreite und somit das Rauschen zu verringern. Der Verstärker U6 ist hauptsächlich wegen seines niedrigen Eingangsvorstromes von etwa 1 Picoampere gewählt, da der Vorstrom eine direkte Fehlerquelle für die Messung ist.

Der Ausgang von U6 ist mit dem Eingang, Anschluß 4,

der Aufzeichnungsschaltung, die von einer logarithmischen

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Ansprechschaltung gebildet wird, und mit U7 bezeichnet ist, verbunden (Ü7 ist typischerweise eine Analogeinrichtung mit der Modellbezeichnung AD536). Die Übertragungsfunktion von U7 ist zuvor in der. Gleichung (2) angegeben. Der Bezugsanschluß, Anschluß 9, von U7 ist mit einem Präzisionsspannungsregler, U9 (typischerweise ein National Halbleiter LM336Z) über einen Normierungswiderstand R22 (typischerweise 180 kOhm) verbunden. Der Ausgang von U9 stellt das durchgelassene Licht oder den Bezugspegel der Ausleuchtung in der Gleichung nach dem Beer'schen-Lambert'sehen Gesetz dar. Wenn das an der Vorderseite der Schalttafel vorgesehene "Nulleinstellungs"-Potentiometer während der Nulleinstellung derart eingestellt wird, daß es einen Ausgang gleich dem Ausgang von U9 hat, wird der Ausgang von U7 Null, da der Logarithmus von (1) Null ist. U9 wird von der +5 Volt-Versorgung (Figur 3) über R21 (typischerweise mit 1 kOhm, 5 %) versorgt, dessen eines Ende mit der +5 Volt-Versorgung und dessen anderes Ende mit dem positiven Ende von U9 verbunden ist. Das negative Ende von U9 ist mit der Erdung verbunden. Die Spannung am positiven Ende von U9 hat konstant 2,5 Volt und dieses Ende ist auch mit dem Ende eines Bezugswiderstandes R22 verbunden. Das andere Ende von R22 ist mit dem Bezugsanschluß 9 von U7 verbunden und liefert U7 einen Bezugsstrom. Die Durchführung bzw. der Anschluß 9 ist auch mit dem Anschluß 7 und mit einem Ende eines Kondensators C9 (typischerweise mit 0,00imf bei 15 Volt) verbunden. Das andere Ende von C9 ist wie die Anschlüsse 1 und 2 von Ü7 mit der Erdung verbunden. Diese stellen die Erdungen der Vorrichtung dar. Die Aufgabe von C9 ist, die innere Schaltung von U7 zu stabilisieren. C8 (typischerweise mit 1OUf bei 10 Volt) ist zwischen dem Anschluß 6, U7 und der +5 Volt-Versorgung (Figur 3) geschaltet und

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ist ein Filterkondensator, der die Geräusche der Ausgangssignale von U7 unterdrückt. Der Anschluß 3 von U7 ist mit der +5 Volt-Versorgung (Figur 3) und der Anschluß 5 von U7 mit der -5 Volt-Versorgung (Figur 3) verbunden. Der Ausgang von U7 wird von dem Anschluß bzw. der Durchführung 8 gebildet.

Bei den.; Messungen wird der Ausgang von U6 kleiner als der Bezugswert und der Ausgang von U7 wird proportional zu dem Logarithmus des Verhältnisses von Eingang, dividiert durch den Bezugswert ein negativer Wert.

Der Ausgang von U7 ist mit dem Eingang des Verstärkers U8A verbunden. Der Verstärker U8A, die Widerstände R19 und R20, bilden eine Normierungs- und Temperaturkompensationsschaltung. Der Ausgang (bei Anschluß 8) der Aufzeichnungsschaltung U7 hat einen Skalenfaktor bzw. Normierungsfaktor von -3 mV/dB und einen negativen Temperaturkoeffizienten von 0,3 %/°C. ü8A vergrößert den Skalenfaktor um einen Faktor von 36, der durch das Verhältnis RZO- zu R19 vorgegeben ist. R19 ist ein spezieller Widerstand mit einem negativen-Temperaturkoeffizienten von -0,3 %/°C, der aufgrund seiner Anordnung in der Rückfüh-•rungsschleife von U8A unmittelbar den negativen Temperaturkoeffizienten von ü7 aufhebt. Der Kondensator C10 vermindert die Bandbreite von U8A und somit das Rauschen.'

Der Ausgang von U7 ist mit einem speziellen Temperaturkompensationswiderstand, R19 (typischerweise ein TELabs Modell QB-1, 1 kOhm) verbunden. R19 ist mit dem invertierenden Eingang (Anschluß 2) des Verstärkers U8A (typischerweise 1/2 von Texas Instruments TIL082CP) verbunden, der invertierend geschaltet ist. Ein Gegenkopplungs-

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widerstand R20 (typischerweise ein 36 kOhm, 1 % Metallfolienwiderstand) ist zwischen dem Ausgangsanschluß 1 von U8A und seinem invertierenden Eingang, Anschluß 2, geschaltet. Der nicht invertierende Eingang, Anschluß 3, ist mit der Erdung verbunden. Die +5 Volt-Versorgung (Figur 3) und die -5 Volt-Versorgung (Figur 3) sind mit den Anschlüssen 8 und 4 jeweils zum Betreiben dos Verstärkers ü8A verbunden. Der Kondensator C10 (typischerweise mit 0,1 iif bei 15 Volt und ein Plattenkondensator) ist zwischen dem invertierenden Eingang (Anschluß 2) und dem Ausgang (Anschluß 1) von U8 geschaltet und vermindert die Frequenzbandbreite dieser Stufe. Die Gesamtkombination liefert eine Verstärkungsstufe mit einer invertierenden Verstärkung von etwa -36.

Der Ausgang von U8A beim Anschluß 1 dient zur Versorgung des Verstärkers U8B, der als Verstärker mit variabler Verstärkung geschaltet ist. Die Verstärkung dieser Stufe ist durch die Gleichung (5) bestimmt:

(5)

Z.

wobei: A = Spannungsverstärkung des Verstärkers in Volt/Volt,

Z_f = Effektivwert des Widerstandes zwischen den Anschlüssen 6 und 7 von U8B in Ohm,

Z. = Eingangswiderstand in Ohm.

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Der Effektivwert von Z_ ist durch die Einstellung der Meßbereichseinstellung (Figur 1), dem Potentiometer, und den Widerständen R25, R23 und R29 bestimmt. Der Bereich der Effektivwerte erstreckt sich von 10 kOhm zu 8 Megaohm. Hierdurch ergibt sich ein Verstärkungsbereich für diese Stufe von etwa 0,05 zu 40 oder 800 zu

Das Spannungsausgangssignal von U8A am Anschluß 1 ist mit R24 (typischerweise ein 200 kOhm, 1 % Metallfolienwiderstand) verbunden. Das gegenüberliegende Ende von R24 ist mit dem invertierenden Eingang (Anschluß 6) des Verstärkers U8B (typischerweise 1/2 TIL082CP) verbunden. Der nicht invertierende Eingang von U8B, Anschluß 5, ist mit der Erdung verbunden. Ein Potentiometer (das in Figur 1 mit Meßbereichseins.tellung bezeichnet ist) R25, (typischerweise 100 kOhm Potentiometer mit 10 Windungen) hat ein Ende, das mit dem Ausgang, Anschluß 7, von U8B verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende ist mit dem Ende von R29 (typischerweise ein 125 Ohm, 1 % Metallfolienwiderstand) verbunden, dessen gegenüberliegendes Ende mit der Erdung verbunden ist. Der Abgreifer von R25 ist mit einem Ende von R23 (typischerweise ein 10 kOhm, 1 %'Metallfolienwiderstand) verbunden, dessen gegenüberliegendes Ende mit dem invertierenden Eingang, Anschluß 6, von U8B verbunden ist. Ein Kondensator C 1.1 (mit 0,1 mf bei 15 Volt Plattenscheibenkondensator) ist zwischen dem Ausgangsanschluß 7 von U8B und seinem invertierenden Eingang, Anschluß 6, geschaltet.

Die Bewegung des Abgreifers von R25 näher an den Anschluß 7 von U8B heran bewirkt eine Abnahme der effektiven Impedanz zwischen dem Anschluß 7 und dem Anschluß und "somit der Verstärkung in dieser Stufe. Wenn man umge-

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kehrt den Abgreifer in Richtung auf das Potentiometerende von R29 bewegt, wird die effektive Impedanz und somit die Verstärkung größer.

Durch eine entsprechend geeignete Einstellung der Verstärkung von ü8B erreicht man eine Normierung der Meßergebnisse auf direkte verwertbare Einheiten, wie "PPM-H" (parts per million pro Stunde).

Der normierte Ausgang U8B, Anschluß 7, ist mit dem Eingang des Digitalvoltmeters verbunden, der eine integrierte Schaltung U10 (typischerweise eine Intersil 7107 integrierte Schaltung) ist. Die Aufgabe von U10 ist, die Analogspannungen proportional zu den chemischen Dosierungen in eine digitale Form umzuwandeln. Die Umwandlung erfolgt im Inneren von U10. U10 ist ein 3 1/2 Stellenanalog/Digitalwandler mit einer integrierten Schaltung und einer integralen Anzeigentreiberschaltung. Der Anschluß 36 stellt den Bezugsspannungsanschluß dar und die Spannung an diesem Punkt bestimmt den Eingangsbereich der Einrichtungen insgesamt. Die Widerstände R27 und R28 (typischerweise ein 3,1 kOhm und 2 kOhm, 1 % Metallfolienwiderstand) bilden einen Spannungsteiler, der eine Spannung von 1,25 Volt am Anschluß 36 liefert. Ein Ende von R27 ist mit der +5 Volt-Versorgung (Figur 3) und das gegenüberliegende Ende mit einem Ende von R28 und gleichzeitig mit dem Anschluß 36 verbunden. Das gegenüberliegende Ende von R28 ist mit der Erdung wie die Anschlüsse 32 und 30 von U10 verbunden. Der Widerstand R31 (typischerweise 100 kOhm, 5 % Kohlenstoffwiderstand) ist mit einem Ende mit dem Anschluß 39 und das gegenüberliegende Ende gleichzeitig mit dem Anschluß 40 von U10 und einem Ende des Kondensators C12 (typischerweise mit 100 pf (Pico-

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farad) bei 15 Volt und einem Keramikplattenkondensator) verbunden. Das andere Ende von C12 ist_mit dem Anschluß 38 von U10 verbunden. Die Widerstands-Kondensatorschaltung mit den Bauelementen R31 und R12 bestimmt die innere Taktfrequenz von U10, die ihrerseits die Probenahmerate bestimmt. Die Taktfrequenz beläuft sich typischerweise auf 40 kHz,

Ein Ende des Widerstandes R32 (typischerweise ein 1 Megaohm, 1 % Metallfolienwiderstand) ist mit dem Anschluß von U10 verbunden. Das gegenüberliegende Ende ist mit einem Ende eines Integrationskondensators C16 (typischerweise mit 0,01 mf bei 63 Volt, Polystyrolkondensator) und gleichzeitig mit einem Kondensator C15 (typischerweise ein Plattenkondensator mit 0,1 mf bei 15 Volt) verbunden. Das gegenüberliegende Ende -von C16 ist mit dem Anschluß 27 von U10 und das gegenüberliegende Ende von C15 mit dem Anschluß 29 von U10 verbunden. R31 und C16 bestimmen die Zeitkonstante einer Integrationsschaltung in XJ10 .(typischerweise 10 Millisekunden). C15' gewährleistet die Stabilität von bestimmten inneren Schaltungen.

Der Kondensator C13 (typischerweise ein Plattenkondensator mit 0,1 mf bei 15 Volt) ermöglicht eine Rauschunterdrückung innerhalb von U10 und ist zwischen die Anschlüsse 33 und 34 von U10 geschaltet. Die Versorgung von U10 erfolgt über die Anschlüsse 26 und 1 jeweils mit der '-5 Volt- und +5 Volt-Versorgung.

Ein Widerstand R30 (typischerweise mit 1 Megaohm, 5 % Kohlenstoffwiderstand) ist mit einem Ende des Ausgangs von U8B, dem Anschluß 7, verbunden. Das gegenüberliegende

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Ende hingegen ist mit dem Anschluß 31 von U10 verbunden, der den Analogeingangsanschluß von U10 bildet. Der Anschluß 31 ist mit einem Ende des Kondensators C14 (typischerweise ein Keramikplattenkondensator mit 0,1 mf bei 15 Volt) verbunden. Das gegenüberliegende Ende von C14 ist mit der Erdung verbunden. Die Kombination von R30 und C14 bildet einen Schmalbandfilter, der das Signalrauschen vermindert. Seine Grenzfrequenz bzw. seine Trennfrequenz beläuft sich typischerweise auf 10 Hertz.

U10 hat als Ausgänge 24 Steüerleitungen (Anschlüsse 1 bis 24), die in Verbindung mit drei numerischen Leuchtdiodenanzeigen (typischerweise Monsanto Typ MAN4610) insgesamt alle Ziffernkombinationen zwischen "000" und "999" plus drei Dezimalpunkten anzeigen' können. Diese Anzeigeeinrichtungen sind an sich bekannt.

Beim Betreiben der Vorrichtung wird der Wählschalter (S1, Figur 3) so eingestellt, daß die Lampe einen korrekten Lepchtstärkenpegel hat und auch der Farbinterferenzfilter entsprechend eingestellt ist. Vorzugsweise ist der Farbinterferenzfilter mechanisch mit dem Wählschalter gekoppelt, so daß der Leuchtstärkenpegel der Lampe an die korrekte Einstellung des Farbinterferenzfilters angepaßt ist. Vorbestimmte Leuchtstärkenpegel, die die genauesten Erfassungen in Ver- . bindung mit einer günstigen Einstellung des Farbinterferenzfilters ermöglichen, sind für Probentaschen vorgegeben, die verschiedene chemische Stoffe für die verschiedenen Typen von zu messenden Gasen enthalten.

Eine Eichkarte mit zwei öffnungen ist vorgesehen, bei der eine öffnung mit einer lichtdurchlässigen Folie bedeckt ist, die eine Lichtundurchlässigkeit hat, die

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einem Wert für die Meßbereichseinstellung entspricht und die andere öffnung ist mit einer lichtdurchlässigen Folie für die Nulleinstellung bedeckt. Eine Eichkarte ist für jeden Satz von zu messenden Probentaschen vorgesehen.

Zur Adjustierung der Vorrichtung wird die Eichkarte in das Instrument eingelegt und es erfolgt eine Einstellung für die Meßbereichsadjustierung, so daß man eine auf der Karte ersichtliche Auslesung erhält und dann wird die Karte gewendet, um die Nulleinstellung vorzunehmen. Dieser Vorgang wird etwa 3 bis 9 mal durchgeführt, bis die Meßbereichseinstellungsausgabe und die Nulleinstellungsausgabe konstant werden.

Dann werden die Werte der Probentaschen gemessen. Zuerst WJ rd der Reagenzabschnitt der Tasche aufgebrochen und es erfolgt eine Vermischung mit den anderen Substanzen in der Tasche. Dann wird die Tasche in den Probentaschenhalter gelegt und es wird das von der Tasche durchgelassene Licht gemessen, das direkt in verwertbare Einheiten, wie.parts per million pro Stunde, durch die Vorrichtung umgewandelt wird. Diese gemessenen Einheiten werden für jede Tasche aufgezeichnet und es wird eine Aufzeichnung für jeden Arbeiter erstellt, die gegebenenfalls die Dosierung angibt, der ein Arbeiter während einer Arbeitsperiode ausgesetzt war.

Einige Vorteile der Vorrichtung gegenüber den bisher üblichen Instrumenten liegen darin, daß die Vorrichtung relativ genau arbeitet, tragbar ist, eine widerstandsfähige Auslegung hat, leicht adjustiert bzw. eingestellt und leicht auf Null eingestellt werden kann und von Be-

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dienungspersonen gehandhabt werden kann, ohne daß spezielle Einarbeitungszeiten erforderlich sind. Im Vergleich zu üblichen Instrumenten hat die erfindungsgemäße Vorrichtung keine empfindliche Bezugsschaltung, die zur Lieferung von genauen Ergebnissen vorhanden sein muß, sondern eine relativ einfache Prozedur zur Einstellung und Nulleinstellung, die direkt auf zu messende Taschen bezug nimmt, so daß man einen ausgezeichneten Genauigkeitsbereich bei den erhaltenen Ergebnissen gewährleisten kann.

Ende der Beschreibung

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung/ die von einer Fluidprobe durchgelassenes Licht mit einem Photodetektor mißt und ein Signal von dem Photodetektor elektronisch in ein Signal umwandelt, das auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird, mit einer Spannungsquelle, einer Lichtquelle, die mit der Spannungsquelle verbunden ist, einem Photodetektor, einem Probenhalter für eine Fluidprobe, die eine Zelle mit einer konstanten Stärke bildet, durch die Licht von der Licht-

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quelle geht und durch den Photodetektor gemessen wird, und einer Ausleseeinrichtung, dadurch ge-, kennzeichnet, daß ohne einen Bezugslichtstrahl vorgesehen sind:

a) ein Farbinterferenzfilter (5), der zwischen dem Probenhalter (3) und dem Photodetektor (4) angeordnet ist, und alle Farben von dem von der Probe durchgelassenen Licht mit Ausnahme eines Bandes von Farblicht ausfiltert, das zu. nmssen ist,

b) ein Wandler (6), der elektrisch mit dem Photodetektor (4) verbunden ist und ein Stromsignal (I) von dem Photodetektor (4) in ein Spannungssignal (V) umwandelt,

c) eine logarithmische Ansprechschaltung (8), die elektrisch mit dem Wandler (6) verbunden ist und das Spannungssignal (V) von dem Wandler (4) in ein logarithmisches Signal proportional zu dem Logarithmus des Spannungssignals (V) umwandelt, und

d) ein Digitalvoltmeter (11), das elektrisch mit der logarithmischen Änspreinschaltung (8) verbunden ist und das Signal (V ) von der loyarithmischen Ansprechschaltung (8) in ein Signal umwandelt, das auf der Ausleseeinrichtung (12) angezeigt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wählschalter (S1, Fig. 3) mit mehreren Stellungen (1-12) vorgesehen ist, die jeweils mit einem Widerstand (R1-R8) mit einem unter-

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schiedlichen Wert verbunden sind, und daß der Wählschalter (S1) zwischen der Spannungsquelle (1) und der Lichtquelle (2) angeordnet ist, um eine Lichtquelle mit sich ändernder Intensität zu erhalten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wählschalter (S1) mechanisch mit einer Scheibe der Mehrfach-Farbinterferenzfilter (5) derart gekoppelt ist, daß die Lichtquelle (2) an das Farbinterferenzfilter (5) erforderlicherweise für eine spezielle Lichtquelle (2) anpaßbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkungseinstellung elektrisch mit dem Wandler (6) verbunden ist, die eine Nullabgleichseinrichtung bildet, die nach der Adjustierung eine Nullanzeige an der Ausleseeinrichtung (12) liefert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (4) eine Siliciumphotodiode ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturkompensationsschaltung (9) elektrisch mit der Aufzeichnungsschaltung bzw. der logarithmischen Ansprechschaltung (8) und dem Digitalvoltmeter (11) verbunden ist, wobei die Temperaturkompensationsschaltung (9) das von der logarithmischen Ansprechschaltung (8) empfangene elektrische Signal (V ) so einstellt, daß jegliche durch Temperaturschwankungen verursachte Signalschwankungen

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ausgeschaltet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßbereichseinstellschaltung (10) elektrisch mit der Temperaturkompensationsschaltung (9) und dem Digitalvoltmeter (11) verbunden ist, um das elektrische Signal von der Temperaturkompensationsschaltung (9) in verwertbare Einheiten umzuwandeln, die direkt auf der Ausleseeinrichtung (12) anzeigbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wählschalter (S1) vorgesehen ist, der mehrere Schaltstellungen hat, die jeweils mit einem Widerstand (R1-R8) mit einem verschiedenen Wert verbunden sind, daß der Schalter zwischen der Spannungsquelle (1) und der Lichtquelle (2) angeordnet ist/ um eine Lichtquelle mit sich ändernder Intensität zu bilden, daß der Photodetektor (4) eine Siliciumphotodiode ist, daß eine Verstärkungseinstellung elektrisch mit dem Wandler (6) verbunden ist, die eine Nullabgleichseinrichtung bildet, die durch die Einstellung eine Nullanzeige an der Ausleseeinrichtung (12) bewirkt, daß eine Temperaturkompensationsschaltung (9) elektrisch mit der Aufzeichnungsschaltung bzw. der logarithmischen Ansprechschaltung (8) des Digitalvoltmeters (11) verbunden ist, wobei die Temperaturkompensationsschaltung (9) das von der logarithmischen Ansprechschaltung (8) empfangene elektrische Signal (V) so einstellt, daß irgendwelche durch Temperaturschwankungen verursachte Signalveränderungen ausgeschaltet sind, und daß eine Meßbereichseinstellschaltung (10) elek-

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trisch rait der Temperaturkompensationsschaltung (9) und dem Digitalvoltmeter (11) verbunden ist, um das elektrische Signal von der Temperaturkompensationsschaltung (9) in verwertbare Einheiten umzuwandeln, die direkt auf der Ausleseeinrichtung (12) anzeigbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wählschalter (S1) mechanisch mit einer Scheibe der Mehrfach-Farbinterferenzfilter (5) derart gekoppelt ist, daß die Lichtquelle (2) an das Farbinterferenzfilter (5) erforderlicherweise für eine spezielle Lichtquelle (2) anpaßbar ist.
10. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß:

1) die Vorrichtung mit einer Eichkarte dadurch geeicht wird, daß die Meßbereichseinstellung wiederholt derart eingestellt wird, daß ein Wert der Eichkarte ausgelesen wird und die Nulleinstellung der Auslesung wiederholt erfolgt, bis die Anzeigen sich stabilisiert haben,

2) der Wählschalter auf die gewünschte Lichtintensität mit der entsprechenden Farbintensitätsfiltereinstellung eingestellt wird,

3) eine Probentasche in den Probenhalter eingeführt wird, nachdem die Ingredienzien in der Tasche innig vermischt sind, und

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4) die von der Ausleseeinrichtung ausgelesenen Werte der Tasche aufgezeichnet werden.

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