DE3124312A1 - Integrierendes photometer - Google Patents

Description

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Patentanwalt „:..■·„.· \,^:::.^: " ^;.ifeuB$iirg, den 19.7.1981

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Integrierendes Photometer

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Photometer, mit dem durch Messen der Absorption durch die Proben Messwerte über die Zusammensetzung, Gehalt u.dgl. Eigenschaften der Probe, die ihre Durchsichtigkeit beeinflussen, erhalten werden können. Der Einsatzbereich der Vorrichtung ist in erster Linie Photometer, in denen Proben als grosse Serien gemessen werden, indem man das Ergebnis der Probe mit einer gewissen massigen Genauigkeit erhalten will.

Die Haupt keile des Photometers sind die Lichtquelle, eine die Probe enthaltende Küvette und ein Detektor, d.h. ein Indikator der Menge der durch die Küvette gelaufenen Strahlung. Abgesehen von Ausnahmefällen ist es im allgemeinen ausserdem erforderlich einen geeigneten Wahlteil für die benutzte Farbe des Lichts der Lichtquelle zu verwenden, z.B. ein Prisma oder eine sonstige im Gebiet an und für sich wohlbekannte Vorrichtung für die Wahl einer bestimmten Spektralfarbe.

Weil in der Menge des von der Lichtquelle gesandten Lichts als Folge von Alterung, Temperaturerscheibungen u.dgl. Ursachen Variation vorkommen kann, werden im Photometer im allgemeinen zwei verschiedene Laufbahnen des Lichtstrahls verwendet, von denen die eine der Vergleichsstrahl und die andere der Messstrahl genannt wird. Die zu untersuchende Küvette wird im Wege des Messstrahls gelegt, während dagegen der Vergleichsstrahl über einen solchen Weg geleitet wird, wo der zu messende veränderliche Gegenstand den Strahl nicht beeinflussen kann, obwohl auf seinem Wege der Küvette entsprechende Teile gelegen sein können, so dass seine Verhältnisse den Verhältnissen des Messstrahls ziemlich genau entsprechen. Sowohl der Messstrahl als auch der Vergleichsstrahl werden dann einem geeigneten Detektor zugeführt, wobei meistens beide Strahlen je einen eigenen Detektor haben, aber In Sonderfällen kann auch nur ein Detektor«

eingesetzt werden, wobei der Vergleichsstrahl und der Messtrahl z.B. zeitlich auf dem Detektor voneinander getrennt werden können.

Nach den Detektoren wird auch normalerweise ein Verarbeitungskreissystem für die aus den Detektoren erhaltenen Grossen verlegt, wo die von diesen Detektoren erzeugten Spannungen, Ströme oder andere, entsprechende Grossen so verarbeitet werden, dass als Schlussergebnis ein Output erhalten wird, das die Eigenschaft der zu messenden Probe beschreibt. Mit Rücksicht auf die Funktionierung dieser "Elektronik" wird in irgendeinem Teil der Lichtstrahlen allgemein ein Organ des Brechertyps eingesetzt, das das verwendete Licht zu einem pulsartigen Licht abbricht, weil die Verstärker der Elektronik somit als mit Wechselstrom arbeitend ausgeführt werden können, wobei nie bob facht lieh stabiler· und zuverlässiger werden.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein neues Ehotometer zu erzeugen, und die für die Erfindung kennzeichnenden Eigenschaften werden im Einzelnen im beiliegenden Patentanspruch 1 angegeben.

Besonders ist der Zweck der Erfindung ein Photometer zu erzeugen, bei dem ein Brecher der Lichtstrahlen überflüssig geworden ist, weil pulsartiges Licht verwendet werden kann, wobei die Funktionierung im Rahmen eines einzigen Pulses stattfindet. Besonders günstige Ausführungsformen der Erfindung können auch sonst aus den anderen beiliegenden Patentansprüchen gelesen werden, worin auf Patentanspruch 1 hingewiesen wird.

Pulsartiges Licht ist an und für sich schon früher in Photometern benutzt worden. Zum Beispiel beschreibt die U.S. Patentschrift 3-653.764 ein Photometer, bei dem eine Regelung beschrieben wird für die Steuerung der Lichtquelle des Photometers derartig, dass daraus für jede Probe wenigstens ein Puls erhalten wird, dessen Messperiode auf eine günstige Form eingestellt worden ist. Nachdem der Lichtpuls in dieser Weise einge-

ns-

stellt worden ist, vertraut man bei der betreffenden Patentschrift darauf, dass, wenn aus dem Puls ein gewisser stabiler Teil gewählt wird* das davon aus der Probe gegebene Output direkt z.B. einem Integrator zugeführt werden kann, und die vom Puls im Integrator veranlasste Massangabe kann dann direkt als Messwert der Eigenschaften der Probe vorgestellt werden. Bei dieser Lösung leidet man selbverständlich an dem Nachteil, dass trotz einer sorgfältigen Einstellung der Spannung keine Regelung vorgenommen worden ist zur Einstellung der entwickelten Lichtmengej die als Folge von Alterung der Lampe und von anderen, entsprechenden Erscheinungen unabhängig der Spannung Variation aufweist, das heisst, in der von der Patentschrift beschriebenen Lösung ist man gar nicht in der Lage gewesen, einen Vergleichsstrahl zu benutzen.

Im Photometer gemäss der vorliegenden Erfindung kann man eine preisgünstige und leicht zugängliche Lampe benutzen.' Weiter erreicht man beim Photometer gemäss der vorliegenden Erfindung eine lange Lebensdauer der Lampe, denn anlässlich der pulsartigen Stromzufuhr zur Lampe kann die Lampe sich jeweils zwischen den Betriebspulsen abkühlen, und dies verlängert die Lebensdauer. Weil ein Vergleichsstrahl verwendet wird, brauchen auf die Stabilität der Lichtstärke keine wesentlichen Forderungen gestellt zu werden, und weil bei der Konstruktion gar kein mechanischer Unterbrecher erforderlich ist, z.B. ein Motor und eine Lochscheibe zur Modulation des Lichts der Lampe, wird die gesamte Konstruktion einfach.

Die vorliegende Erfindung ist insgesamt leichter zu verstehen, wenn man sie an Hand der nachstehend zu beschreibenden Ausführungsbeispiele betrachtet. Bei diesen Beispielen werden nur die für diese Erfindung typischen Variatxonsmöglichkeiten besonders betont, und die Geräte im ganzen enthalten viele Teile, die auch bei anderen Photometern allgemein sind und die ein Fachmann somit auf Grund seiner allgemeinen Sachkenntnis verwenden kann.

Der erste ähnliche Teil von allgemeiner Natur ist die beim Photometer benutzte Lichtquelle und der danach gelegene Messlichtfarbenwähler, der z.B. ein Filter sein kann. Ebenso kann die Verteilung in einen Vergleichsstrahl und Messstrahl durch an und für sich bekannte Mittel ausgeführt werden, z.B. unter Benutzung eines teilweise abspiegelnden Spiegels, wobei der durchgelaufene Strahl und der abgespiegelte Strahl die betr. zwei Strahlen bilden. Die Durchlasseigenschaften des

.10 teilweise abspiegelnden Spiegels brauchen nicht vom Typ" 50 % zu sein, sondern auch sonstige Verteilungen sind annehmbar.

. _β Wenn, es, angenommen werden kann,-dass die Farbenve-rteilung de-r Lampe in ihren verschiedenen Situationen ausreichend unveränderlich bleibt oder wenn Veränderungen der Verteilung durch besondere Regelungen kompensiert werden können, kann als Vergleichslichtstrahl auch ein Teil von anderer Farbe der aus der Lichtquelle erhaltenen Strahlung werwendet werden, welcher Teil von

.20 anderer Farbe sonst verloren gehen und unbenutzt bleiben würde.

Bei der Lösung der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass zwei Detektoren verwendet werden. Theoretisch brauchen sie nicht miteinander gleichartig zu sein, aber est ist offenbar, dass wenn zwei gleichartige Detektoren verwendet werden, es angenommen werden kann, dass sie einander entsprechend altern, während verschiedenartig alternde Detektoren die Gestaltung einer neuen Fehlerquelle verursachen.

Das Output der beiden Detektoren wird einem Integrator zugeführt. In der Elektronik kennt man mehrere Lösungen für die Gestaltung eines integrierenden Kreises, und der einfachste von diesen ist ein Kondensator, der die.Outputspannung als Zeitintegral aus der von der vom Detektor beobachteten Strahlung entwickelten Strommenge formt. Eine mit der Elektronik vertraute Person kann leicht verschiedenartige andere Integratoren, erzeugen,

falls die Verwendung eines blossen Kondensators allein in einigen bestimmten Fällen nicht als Lösung geeignet ist.

Der Outputwert des Integrators des Vergleichsstrahls wird mit einer im voraus bestimmten Spannung verglichen, welche Spannung gemäss einem Ausführungsfall als mehrere verschiedene Spannungen gewählt werden kann, damit das Photometer noch vielseitiger arbeiten könnte. Somit wird das Output des Integrators mit dieser im voraus bestimmten Ebene verglichen, und wenn das Output des Integrators diese Ebene erreicht, gibt das Vergleichsorgan ein Outputsignal, das zur Steuerung der Beendigung des Integriervorganges des anderen Integrators benutzt wird.

Die einfachste Lösung zur Beendigung der Integrierung ist, dass das Output des Vergleichsorgans direkt die Lichtquelle des Geräts steuert und sie lischt, wenn der bestimmte Integralwert erreicht worden ist. Weil aber das von der Lichtquelle gegebene Licht dabei nicht augenblicklich abbricht sondern gemäss einer gewissen Löschkurve abnimmt, bedeutet dies, dass man in unterschiedlichen Situationen unterschiedliche Mengen von Strahlung während der Löschzeit nach der Funktionierung des Vergleichsorgans erhalten kann. Dies bedeutet natürlich, dass die betreffende Lösung sich nicht für Anwendungslösungen, die die höchste Genauigkeit verlangen, eignet.

Eine wesentlich genauere Lösung kann erreicht werden, wenn der von beiden Detektoren erzeugte Strom über elektronische Sehalter auf Integratoren geleitet wird und wenn das Starten stattfindet, wenn die Lichtquelle und die Probe fertig für den Anfang des Messens sind, während das Losschalten auf Grund eines vom Vergleichsorgan erteilten Vergleichspulses stattfindet. Dabei beruht die Integrationszeit auf der von der Lichtquelle erteilten Lichtmenge, aber die während der Integrationszeit eingegangene Menge ist in der von der als Vergleichswert des Vergleichsstrahls gestellten Spannung bestimmten Weise immer unveränderlich. Die im

Integrator des Messstrahls geformte Integriersumme ist jetzt der Messwert der erwünschten Grosse in der zu messenden Probe. Dieser Spannungswert kann in der bekannten Weise z.B. zur numerischen Anzeige mittels eines PulsZählers gesteuert werden oder für weitere Verarbeitung einem geeigneten Prozessor zugeführt werden, wobei bei der Verarbeitung auch Faktoren von Unlinearität der Probe berücksichtigt werden können. Das Ergebnis kann auch auf einem bestimmten Zettel ausgeschrieben oder in einem geeigneten Speicher für späteren Bedarf gespeichert werden.

Wie oben schon festgestellt wurde, kann die Lebensdauer der Lichtquelle bedeutend erhöht werden, wenn der Lichtquelle die Betriebsleistung nur als kurze Pulse zu den Zeiten zugeführt wird, wenn das Licht wirklich benötigt wird. Weil mit dem Starten bei der Lichtquelle besonders- aussergewöhnliche Verhältnisse verbunden sind, kann man in diesem Zusammenhang ausserdem so vorgehen, dass die Ankunft der Küvette an der Messstelle im Gerät ein Signal der Bereitschaft für die Einleitung des Messens erteilt. Dabei wird in der Lichtquelle die Spannung eingeschaltet und einem bestimmten Verzugsorgan ein Signal gegeben, wobei nach einer von diesem Organ bestimmten Verzögerung angesehen werden kann, dass die Lichtquelle ihre stabilen Werte erreicht hat. Dann werden beide Detektoren zu ihren Integratoren eingeschaltet und die eigentliche Messperiode beginnt. Wenn der Integrator des Vergleichsstrahls dann seinen Bestimmungswert erreicht, erteilt das Vergleichsorgan aus seinem Output einen Puls, der den Integrator des Messstrahls vom Detektor losschaltet. Gleichzeitig erteilt dieses Vergleichsorgan eine Arbeitsanweisung einer Anzeigenvorrichtung oder dergleichen, mit deren Hilfe die vom Integrator des Messstrahls erreichte Spannung abgelesen wird, um als Messwert der Absorption durch die gemessene; Probe gezeigt zu werden. Der Kreis besteht aus einem Integrator, der so konstruiert ist, dass sein Speicher (Kondensator) mittels Rückkopplung

derartig entladen werden kann, dass das Ergebnis eine Exponentkurve ist, die die Spannung als Punktion der Zeit darstellt. Dabei wird also der Integrator des Vergleichslichtstrahls, nachdem er seinen Schlusswert erreicht hat, so rückgekoppelt, dass er exponential zum Ausgangswert des Integrators für eine logarithmische Verwandlung wiederhergestellt wird.

Darüber hinaus veranlässt das Vergleichsorgan mit seinem Output auch das Ausschalten der Lichtquelle aus der Spannung, und somit lischt die Lichtquelle auf die Zeit, bis das Messergebnis gelesen, die Probe getauscht : und die Elektronik des Messgeräts wieder auf Null-Lage_: für die neue Probe gestellt worden ist. Dies-^ve-r-längor.t die Lebensdauer der Lampe bedeutungsvoll.

Somit ist jetzt ein Photometer beschrieben worden, mit dem wesentliche. Vorteile erreicht werden, und zwar ohne Rücksicht auf die Art der Verwirklichung von einigen Einzelheiten, die von einem Fachmann variiert werden können. Die vorliegende Erfindung wird somit ausschlxesslich vom Rahmen der beiliegenden Patentansprüche bestimmt.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   l.J Ein Photometer für das Messen der Absorption bei Proben, welches Photometer eine Lichtquelle, geeignete Regelungen für die Wahl der Farbe des benutzten Teils des Lichts, zwei Laufbahnen für den Lichtstrahl, und zwar einen Vergleichslichtstrahl und einen Messlichtstrahl, aufweist, wobei die zu messende Probe in Küvetten im Wege des Messlichtstrahls gelegt wird, wonach ein Detektor für den durch die Probe kommenden Strahl gelegt ist, wie auch ein Detektor des ■Vergleichslichts im Wege des Vergleichslichtstrahls gelegt ist, wonach ein elektronisches Kreissystem gelegen ist für die Verarbeitung der aus den Detektoren erhaltenen Werte so, dass eine erwünschte Massangabe über die Eigenschaften des in der Küvette gelegenen Stoffes erhalten wird, gekennzeichnet dadurch, dass die aus dem Detektor des Vergleichslichtstrahls erhaltene, die Intensität des Lichts ausdrückende Grosse vom Anfang der Messperiode an integriert wird und dass der Messkreis so geschaltet worden ist, dass er den Schlusszeitpunkt der Messperiode auf der Grundlage steuert, dass die Integrier rung des Detektors des Vergleichslichtstrahls eine gewisse im voraus bestimmte Höhe erreicht.
2. 2. Ein Photometer gemäss dem Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Licht der Messlichtquelle pulsartig angeordnet ist und dass die Integrierung des Detektors des Vergleichslichtstrahls vom Anfangszeitpunkt des Pulses angefangen wird.
3. 3. Ein Photometer gemäss dem Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass, wenn der Integrator den im voraus bestimmten Wert erreicht, dieser Wert dazu gebracht wird, die Lichtquelle zu löschen.
4. 4. Ein Photometer gemäss dem Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dasa das Output des Detektors des durch die Probe gelaufenen Strahls in seinen eigenen Detektor ab demselben Zeitpunkt gesteuert

   wird wie die Integrierung des Vergleichs Strahls eingeleitet wLrd, mit Beendigung zu dem Zeitpunkt, wenn die Integrierung des Vergleichsstrahls den erwünschten Wert erreicht.
5. 5· Ein Photometer gemäss irgendeinem der obigen Patentansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der im voraus gestellte erwünschte Schlusswert des Integrators des Vergleichslichtsträhls je nach dem jeweiligen Anwendungsfall auf mehrere verschiedene Höhen gestellt werden kann.
6. 6. Ein Photometer gemäss irgendeinem der obigen Patentansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass, nachdem der Integrator des Veag-le-ialiSlichtstrahls seinen Schlusswert erreicht hat, der Integrator-IS so rückgekoppelt wird, dass er exponential zum Ausgangswert des Integrators wiederhergestellt wird.