DE3732216A1

DE3732216A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der fluoreszenz-abklingdauer einer fluoreszierenden substanz

Info

Publication number: DE3732216A1
Application number: DE19873732216
Authority: DE
Inventors: Gustav W Dipl Phys Fehrenbach; Wolfgang Dipl Phys Dr Schaefer
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: TACAN CORP CARLSBAD CALIF US
Priority date: 1986-10-06
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1988-04-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf Vorrichtungen zur Messung der Fluoreszenz-Abklingdauer einer fluoreszierenden Substanz, deren Fluoreszenz-Abklingdauer von mindestens einer physikalischen Größe abhängt, indem die Substanz einer Strahlung ausgesetzt wird, die in zeitlichen Abständen wiederholt wird und die eine Fluoreszenzstrahlung hervorruft, die einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird, dessen Ausgangssignale phasenempfindlich gleichgerichtet und integriert werden und die Regelgröße eines Regelkreises beeinflussen, dessen Regelgröße ein Maß für die physikalische Größe ist.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Gattung sind in Verbindung mit einem faseroptischen Temperaturmesser bekannt (s. z. B. Th. Bosselmann, A. Reule, J. Schröder: "Fiber-Optic Temperature Sensor using fluorescence Decay Time" in 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Stuttgart, 1984, VDE-Verlag GmbH, Berlin, Offenbach, oder EP-B-0 0 29 653). Der faseroptische Temperaturmesser enthält eine lumineszierende Substanz, die Teil eines selbstoszillierenden Systems ist, dessen Schwingungsdauer Δ T im eingeschwungenen Zustand proportional zu der Lumineszenz-Relaxationszeit τ ist, solange die Signallaufzeit innerhalb der Auswertungselektronik gegenüber der Relaxationszeit τ vernachlässigt werden kann. Dabei bestimmt ein Photodiodensignal, das phasenempfindlich gleichgerichtet und aufintegriert wird, die Frequenz eines frequenzbestimmenden Stellgliedes, eines spannungskontrollierten Oszillators (VCO), so daß die Frequenz eine eindeutige Funktion der Lumineszenz- Relaxationszeit ist.

Bekannt ist auch ein faseroptischer Temperatursensor, bei dem die fluoreszierende Strahlung von einem sinusförmig modulierten Strahler angeregt wird. Das aus dem zeitlich verzögerten Fluoreszenzlicht gewonnene Signal wird über ein Zeitglied auf die Steuerung des Modulators rückgekoppelt. Die sich in dem selbsterregten Schwingkreis einstellende Frequenz ist abhängig von der Fluoreszenz-Abklingdauer und damit von allen physikalischen Größen, die diese beeinflussen (DE-OS 32 02 089). Der eingangs beschriebene faseroptische Temperatursensor hat gegenüber dem zuletzt erläuterten Temperatursensor den Vorteil, daß nur ein geringes Rauschen auftritt und daß die Empfindlichkeit und die Genauigkeit verbessert werden.

Wenn das Ausgangssignal des photoelektrischen Empfängers während der Anregungsphase und der Abklingphase der Fluoreszenzstrahlung integriert wird, sind Maßnahmen zur Unterdrückung des Übersprechens der Anregungsquelle und zur Kontrolle des zeitlichen Verlaufs der Anregung notwendig. Es müssen optische Filter und elektronische Streulichtkompensationsmaßnahmen eingesetzt werden. Weiterhin muß die von der lumineszierenden Substanz absorbierte Leistung geregelt werden. Durch eine erhebliche Störanfälligkeit dieser Maßnahmen gegen das Übersprechen des Anregungskanals erweist sich sogar der Einsatz von Lichtwellenleiter-Steckverbindungen aufgrund der in ihnen auftretenden Reflexionen als problematisch. Darüber hinaus ist eine resonante Anregung, bei der der Anregungswellenlängenbereich mit dem Lumineszenzwellenlängenbereich weitgehend übereinstimmt, praktisch nicht möglich, da eine Unterdrückung des Streulichts durch optische Filter in diesem Fall nicht mehr durchgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung zur Messung der physikalischen Größe derart weiterzuentwickeln, daß die Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit durch Übersprechen eines Anregungskanals, durch DC-Schriften und durch zeitliche sich langsam verändernde Verluste auf einer Übertragungsstrecke beseitigt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fluoreszenzstrahlung nur in der Abklingphase alternierend phasenempfindlich derart gleichgerichtet wird, daß die Gesamtzeiten der unterschiedlich langen Gleichrichtungsabschnitte in den beiden verschiedenen Richtungen gleich sind, daß die alternierend gleichgerichteten Signale integriert werden, und daß die Summe der Integrale in den beiden Richtungen die Frequenz der Schwingung eines Schwingkreises beeinflußt, der die Strahlung erzeugt, wobei die Fluoreszenzstrahlung auf die Strahlung rückgekoppelt wird.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Strahlung als Schwingung mit gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender Frequenz ausgesendet wird, daß die Fluoreszenzstrahlung nur in der Abklingphase alternierend phasenempfindlich gleichgerichtet wird und daß als Regelgröße die relativen Dauern mindestens zweier Gleichrichtungsabschnitte in beiden verschiedenen Richtungen derart verändert werden, daß die Summe der Integratle in den beiden Richtungen null oder nahezu null wird.

Die im Stand der Technik vorhandenen Schwierigkeiten werden vermieden, wenn das Ausgangssignal des photoelekrischen Empfängers lediglich außerhalb der Anregungsphasen der Fluoreszenzstrahlung phasenempfindlich gleichgerichtet und integriert wird. Die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2 sind somit übersprechneutral. Der zur Beseitigung des Einflusses des Übersprechens notwendige Aufwand wird stark reduziert. Ein besonderer Vorteil ist noch darin zu sehen, daß auch zeitlich sich langsam verändernde Verluste auf einer Lichtwellenleiter- Übertragungsstrecke beseitigt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in jeder Abklingphase zwei Gleichrichtungsabschnitte in der einen Richtung beiderseits eines Gleichrichtungsabschnitts in der anderen Richtung vorgesehen. Die Zahl der erforderlichen Richtungsänderungen ist hierbei sehr klein. Der Einfluß der DC- Driftung auf die Meßgenauigkeit wird mit den oben beschriebenen Verfahren beseitigt. Die Verfahren zeigen nicht nur bei einfach exponentiellem Abklingen in der Abklingphase die oben angegebenen Vorteile. Auch bei komplizierteren Zeitabläufen sind die Vorteile erreichbar, wenn die Anzahl und Dauer der Gleichrichtungsabschnitte an den jeweils typischen Ablauf angepaßt wird. Eine streng monotone Abnahme des Abklingsignals sollte vorhanden sein.

Vorzugsweise wird innerhalb einer Periode der Schwingung nach einer Anregungsphase und nach den Gleichrichtungsabschnitten jeweils eine Pausenzeit ohne Gleichrichtung eingefügt. Mit dieser Maßnahme lassen sich die Einflüsse der endlichen Anstiegszeit von Vorverstärkern auf das Meßergebnis unterdrücken.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform werden Taktimpulse von gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender Frequenz während einer Periode der Schwingung gezählt und mit vorgegebenen Werten für die Anregungsphase und die Gleichrichtungsabschnitte zur Erzeugung von Steuersignalen verglichen, wobei die Zeitdauern der Gleichrichtungsabschnitte in Abhängigkeit vom positiven oder negativen Ergebnis der Integration verkleinert oder vergrößert und ausgegeben werden. Der Zeitpunkt, zu dem die Gleichrichtung umgekehrt wird, ist eine eindeutige Funktion der Relaxationszeit. Bei bekanntem Zusammenhang zwischen der Abklingzeit und dem zu messenden physikalischen Parameter kann dieser leicht bestimmt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der im Anspruch 1 oder 3 beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß diese Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers invertiert und nichtinvertiert jeweils über zwei Schalter abwechselnd an den invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers anlegbar sind, dessen beide Eingänge während der Anregungsphasen an gleiches Bezugspotential gelegt sind und dessen Ausgang mit einem Integrator verbunden ist, dem eine von einer Logikschaltung für die Schalterbetätigung steuerbare Abtast- und Halteschaltung nachgeschaltet ist, an die der Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators angeschlossen ist. Diese Vorrichtung hat einen sehr einfachen schaltungstechnischen Aufbau. Damit ergeben sich besondere Vorteile in Verbindung mit der Auswerteelektronik eines faseroptischen Temperatursensors, bei dem eine fluoreszierende Substanz optisch über einen Lichtwellenleiter angeregt wird, deren Lumineszenz- Relaxationszeit eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Die zu bestimmende Relaxationszeit ist dann ein Maß für die Temperatur der fluoreszierenden Substanz.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung eines der in den Ansprüchen 2 bis 6 beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß die Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers invertiert und nichtinvertiert jeweils über zwei Schalter abwechselnd an den invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers anlegbar sind, dessen beide Eingänge während der Anregungsphasen an gleiches Bezugspotential gelegt sind und dessen Ausgang mit einem Integrator verbunden ist, dem ein Diskriminator nachgeschaltet ist, an den eine Logikschaltung angeschlossen ist, die einen Zähler enthält, dessen Zähleingang mit Taktimpulsen gleichbleibender Frequenz beaufschlagbar ist und dessen Inhalt zur Erzeugung von Steuersignalen für die Schalter mit vorgebbaren Werten vergleichbar ist. Der phasenempfindliche Gleichrichter ist hierbei das Stellglied des Regelkreises. Der Zählerinhalt, bei dem die Gleichrichtung geändert wird, hängt von der Abklingzeit und der geforderten Auflösung ab.

Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt.

Das Ausgangssignal des photoelektrischen Empfängers wird zweckmäßigerweise über einen Vorverstärker einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Verstärker zugeführt, deren Ausgängen je zwei Schalter nachgeschaltet sind, von denen jeweils der eine an den invertierenden und der andere an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen ist, dessen Eingänge weiterhin je über einen Schalter mit Massepotential verbindbar sind.

Als fluoreszierende Substanz zur Temperaturmessung werden vorzugsweise Kristalle verwendet, die mit den isoelektronischen Störstellen V²⁺, Cr³⁺ oder Mn⁴⁺ dotiert sind. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung von Sensorkristallen aus Cr³⁺ : Y₃Al₅O₁₂ und Cr³⁺ : Al₂O₃. Durch die kombinierte Dotierung mit dreiwertigen Ionen aus der Gruppe der Seltenen Erden ist es möglich, aufgrund des Energietransfers zwischen den unterschiedlichen Seltenen-Erden-Ionen (z. B. Nd³⁺ und Yb³⁺) eine stark temperaturabhängige Lumineszenzabklingzeit zu erreichen, obwohl die Abklingzeit der einzelnen, isolierten Seltenen-Erden-Ionen keine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit zeigt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Abklingzeit einer fluoreszierenden Substanz,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der am Ausgang eines photoelektrischen Empfängers der Vorrichtung gemäß Fig. 1 auftretenden Signale,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der am Ausgang eines phasenempfindlichen Gleichrichters gemäß Fig. 1 auftretenden Signale,

Fig. 4 den Schaltungsaufbau eines phasenempfindlichen Gleichrichters,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von Steuersignalen für Schalter im phasenempfindlichen Gleichrichter,

Fig. 6 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Abklingzeit einer fluoreszierenden Substanz und

Fig. 7 ein Zeitdiagramm von Steuersignalen für Schalter gemäß der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung und

Fig. 8a bis 8d Zeitdiagramme der Integratorausgangssignale für verschiedene Lumineszenz-Relaxationszeiten je für die in Fig. 1 und 6 dargestellten Anordnungen.

Bei einfach exponentiellen Relaxationsvorgängen, läßt sich der zeitliche Intensitätsverlauf nach der Anregung durch die Gleichung

I (t) = I₀ e^{-t/ t}

beschreiben, worin I die Intensität der Strahlung, I₀ die Anfangsintensität und τ die Lumineszenz-Relaxationszeit sind.

Eine Unterdrückung des DC-Driftens ist mit einer phasenempfindlichen Gleichrichtung z. B. mit symmetrischen Zeitintervallen Δ T nicht möglich, wie sich aus der folgenden Ungleichung ergibt:

Eine überraschend einfache Möglichkeit zur Beseitigung des Einflusses des Übersprechens und des Einflusses von DC- Driftvorgängen stellt die modifizierte, alternierende, phasenempfindliche Gleichrichtung nach folgender Beziehung dar:

wenn zwischen T₁, T₂, T₃, T₄ und Δ T folgender Zusammenhang besteht:

T₂ = T₁ + n₁Δ T;
T₃ = T₂ + n₂Δ T;
T₄ = T₃ + n₃Δ T;
mit

n₁ + n₃ = n₂.

n₁, n₂ und n₃ sind Faktoren, um die sich die jeweiligen Zeitabschnitte als Vielfaches des Zeitintervalls Δ T unterscheiden. Es wird also phasenempfindlich in der Abklingphase der Fluoreszenzstrahlung abwechselnd in unterschiedlichen Richtungen gleichgerichtet. Es ergeben sich Gleichrichtungsabschnitte n₁Δ T und n₃Δ T in der einen und n₂Δ T in der anderen Richtung bzw. Polarität. Die Gesamtzeiten der Gleichrichtungsabschnitte in den beiden Richtungen müssen jeweils gleich sein.

Beispielsweise erhält man für

n₁ = 1;
n₂ = 3;
n₃ = 2;

im eingeschwungenen Zustand die dann mit dem Zeitintervall Δ T übereinstimmende Schwingungsdauer durch die Gleichung:

T = - ln (1/2 ( · τ ≈ 0,481 · τ.

Es sind auch andere Kombinationen n₁, n₂ und n₃ unter Einhaltung der Bedingung n₁ + n₂ = n₃ möglich. Für streng monoton abklingende Signale sind die Tastenverhältnisse n₁ : n₂ : n₃ entsprechend anzupassen.

Fig. 1 zeigt beispielhaft den Prinzipaufbau eines faseroptischen Temperatursensors, bei dem die Lumineszenz-Relaxationszeit durch den Einsatz der alternierenden phasenempfindlichen Gleichrichtung ohne aufwendige Maßnahmen zur Unterdrückung des Übersprechens des Anregungskanals ausgewertet wird.

Eine lichtemittierende Diode (1) (LED) wird über einen Schalter (2) periodisch mit Betriebsspannung versorgt. Die von der LED 1 emittierte Strahlung wird z. B. über eine nicht näher bezeichnete Optik in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt, an dessen anderem Ende eine lumineszierende Substanz angebracht ist. Optik, Lichtwellenleiter und lumineszierende Substanz entsprechen z. B. der in der DE-OS 32 02 089 dargestellten Anordnung. Das von der Substanz ausgehende Lumineszenzlicht wird über den Lichtwellenleiter und einen Strahlenteiler (3) zu einem photoelektrischen Empfänger (4) z. B. einer Photodiode geleitet.

Am Ausgang des photoelektrischen Empfängers (4) tritt das in Fig. 2 dargestellte Signal U _PD auf. Dieses Signal gelangt in einen phasenempfindlichen Gleichrichter (5), der von einer Logikschaltung (6) gesteuert wird, die auch den vorzugsweise kontaktlosen Schalter (2) steuert. Dem phasenempfindlichen Gleichrichter (5) ist ein Integrator (7) nachgeschaltet, an den eine Abtast- und Halteschaltung (8) angeschlossen ist, die ebenfalls durch die Logikschaltung (6) gesteuert wird. Mit der Abtast- und Halteschaltung (8) ist der Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) (9) verbunden, dessen Ausgang an einen Eingang der Logikschaltung (6) angeschlossen ist. Durch die Logikschaltung (6) wird somit ein Regelkreis geschlossen, dessen Regelgröße die Frequenz der Schwingung der Strahlung ist, die über den VCO als Stellglied beeinflußt wird.

In Fig. 4 ist der prinzipielle Aufbau des phasenempfindlichen Gleichrichters (5) dargestellt. Das Ausgangssignal U _PD des photoelektrischen Empfängers (4) ist an den Eingang eines Vorverstärkers (10) gelegt, dessen Ausgang einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Verstärker (11) bzw. (12) speist. Der Ausgang des nicht invertierenden Verstärkers (11) ist mit zwei, vorzugsweise kontaktlosen Schaltern (13, 14) verbunden. An den Ausgang des invertierenden Verstärkers (12) sind zwei, vorzugsweise kontaktlose Schalter (15, 16) angeschlossen. Die Schalter (13, 15) sind mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (17) verbunden, dessen invertierender Eingang an die Schalter (14, 16) angeschlossen ist. Der nichtinvertierende und der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (17) sind über je einen Schalter (18, 19) an Massepotential anlegbar. Bei dem Vorverstärker (10) handelt es sich um einen rauscharmen Transimpedanz-Verstärker. Am Ausgang des Differenzverstärkers (17) tritt das Signal U _PH auf, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 3 dargestellt ist. Die Schalter (13) bis (16) und (18, 19) werden von der Logikschaltung (6) gesteuert. Während der Anregungsphase sind die Schalter (18, 19) geschlossen. Die Schalter (18, 19) sind während der Abklingphase offen. Die Schließzeit des Schalters (2) legt die Impulsdauer der Anregung fest.

Im Gegensatz zur phasenempfindlichen Gleichrichtung mit gleich langen direkt aufeinanderfolgenden Additions- und Subtraktionsphasen, mit der außerhalb der Anregungsphase bei streng monoton fallenden Empfangssignal U _PD nach der Aufintegration des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Gleichrichters U _PH innerhalb des Regelkreises kein Nullabgleich möglich ist, wird dieser Nullabgleich erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf eine Additions- und Subtraktionsphase unterschiedlicher Länge nochmals eine Additionsphase folgt, wobei lediglich die Gesamtdauer der beiden Additionsphasen mit der Dauer der Subtraktionsphase übereinstimmt, eine notwendig Bedingung zur Elimination von DC-Driften des Eingangssignals U _PD. Die jeweilige Dauer der Additions- und Subtraktionsphasen wird durch die Stellung der Schalter (13) bis (16) und (18, 19) bestimmt, die von einer Logik kontrolliert werden. Im Falle eines einfach exponentiell abklingenden Signals ist ein Taktverhältnis 1 : 3 : 2 geeignet. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Signalart beschränkt, sondern ermöglicht auch die Auswertung komplexerer monoton abklingender Signale durch entsprechend anzupassende Tastverhältnisse n₁ : n₂ : n₃.

Die Fig. 5 zeigt beispielhaft für die bereits oben erwähnte Kombination n₁=1, n=3 und n₃=2 in einem Zeitdiagramm die Stellung der von der Logikschaltung (6) kontrollierten Schalter (13) bis (16) und (18, 19). Während der Anregungsphase (Schalter 2) geschlossen) werden die Eingänge des Differenzverstärkers (17) über die Schalter (18) und (19) auf Nullpotential gelegt. Nach der phasenempfindlichen Gleichrichtung wird das Signal U _PH in dem Integrator (7) aufintegriert und während der Anregungsphase von der Abtast- und Halteschaltung (8) übernommen, deren Ausgangssignal den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (9) steuert. Im eingeschwungenen Zustand ist die Schwingungsdauer Δ T proportional zu der Relaxationszeit τ. Der Zusammenhang zwischen Δ T und τ wird durch die Taktkombination n₁, n₂ und n₃ bestimmt. Für das oben angegebene Beispiel n₁=1, n₂=3, n₃=2 gilt Δ T ≈ 0,481 · τ.

Die Impulse des spannungsgesteuerten Oszillators (9) sind in Fig. 5 mit (20) bezeichnet.

Die Schalter (13) und(16) sowie (15) und (14) sind jeweils gleichzeitig offen oder geschlossen. Nach dem Öffnen der Schalter (18, 19) werden zuerst die Schalter (13, 16) für den durch Δ T bestimmten Gleichrichtungsabschnitt geschlossen. Danach werden die Schalter (13, 16) geöffnet, während die Schalter (15, 14) für den durch n₂ · Δ T bestimmten Gleichrichtungsabschnitt geschlossen werden. Anschließend werden die Schalter (15, 14) geöffnet und die Schalter (13, 16) erneut für den durch n₃ · Δ T bestimmten Gleichrichtungsabschnitt geschlossen. Danach beginnt eine Anregungsphase durch Schließen des Schalters (2).

In der Logikschaltung (6) wird vorzugsweise ein von dem VCO (9) getakteter Zähler in Verbindung mit einem Demultiplexer zur Ansteuerung der analogen CMos-Schalter einsetzen. Bei der oben angegebenen Taktkombination wird der Zähler nach jeweils acht Takten zurückgesetzt. Die Logikschaltung (8) ist zweckmäßigerweise auch mit einem µP realisierbar.

Durch die Logikschaltung (6) wird der Schwingungskreis geschlossen. Die Logikschaltung (6) untersetzt die Frequenz des beispielsweise mit einer höheren Frequenz schwingenden spannungsgesteuerten Oszillators (9) in die Frequenz der aus einer Anregungs- und einer Abklingphase bestehenden Schwingung, die für die Schließzeit und Öffnungszeit des Schalters (2) maßgebend ist. Die Schließzeiten der Schalter (13, 16) und (14, 15) legen jeweils einen Gleichrichtungsabschnitt fest, wobei durch die Schalter (13, 16) eine Polarität und durch die Schalter (14, 15) die andere Polarität bestimmt wird.

Das Ausgangssignal des Integrators (7) wird jeweils am Ende des in einer Abklingphase letzten phasenempfindlichen Gleichrichtungsabschnitts in die Abtast- und Halteschaltung (8) übernommen.

Die Gleichrichtungsabschnitte erstrecken sich mindestens über die Dauer einer Schwingungsdauer bzw. Schwingungsperiode Δ T. Gleichrichtungsabschnitte, die länger als die Schwingungsperiode des VCO (9) sind, erstrecken sich über Vielfache dieser Schwingungsperioden.

Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung kann auch die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung verwendet werden. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 sind ebenso wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 die lichtemittierende Diode (1) und der diese steuernde Schalter (2) vorgesehen, bei dessen Betätigung die Diode (1) an Betriebsspannung, d. h. den Pol (21) einer Spannungsquelle gelegt wird. Die von der Diode (1) emittierte Strahlung wird über eine Optik (22) in einen Lichtwellenleiter (23) eingekoppelt, an dessen anderem Ende eine lumineszierende Substanz angebracht ist, die vorzugsweise aus einem Sensorkristall aus Cr³⁺ : Y₃Al₅O₁₂ bzw. Cr³⁺ : Al₂O₃ besteht. Es können zweckmäßigerweise Kristalle verwendet werden, die mit den isoelektrischen Störstellen V²⁺, Cr³⁺ oder Mn⁴⁺ dotiert sind. Durch kombinierte Dotierung mit dreiwertigen Ionen aus der Gruppe der Seltenen Erden ist es möglich, aufgrund des Energietransfers zwischen den unterschiedlichen Seltenen-Erden- (z. B. Nd³⁺ und Yb³⁺) eine stark temperaturabhängige Lumineszenzabklingzeit zu erreichen, obwohl die Abklingzeit der einzelnen, isolierten Seltenen-Erden-Ionen keine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit zeigt.

Die von der lumineszierenden Substanz ausgehende Strahlung gelangt über den Lichtwellenleiter (23), die Optik (22) und den Strahlenleiter (3) sowie über ein Filter (24) zum photoelektrischen Empfänger (4), dem der Vorverstärker (10) nachgeschaltet ist. Der Vorverstärker (10) ist zweckmäßigerweise Bestandteil des phasenempfindlichen Gleichrichters, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. In Fig. 6 ist zum besseren Verständnis nochmals schematisch ein phasenempfindlicher Gleichrichter (25) dargestellt, der dann den Vorverstärker (10) nicht aufweist. Der Gleichrichter (25) speist den Integrator (7), dem ein Diskriminator (26) nachgeschaltet ist, der z. B. in Abhängigkeit von der Polarität der Eingangssignale vorzeichenabhängige binäre Signale z. B. ± 1 abgibt. Mit dem Diskriminator (26) ist eine Logikschaltung (27) verbunden, die weiterhin von einem Oszillator (28) gespeist wird, der eine Taktimpulsfolge mit konstanter Frequenz f₀ bzw. nahezu konstanter Frequenz erzeugt. Die Taktimpulse beaufschlagen die Zähleingänge eines ersten Zählers (29) und eines zweiten Zählers (30) der an eine Ausgabeschaltung (31) angeschlossen ist, an der ein der physikalischen Größe entsprechender Wert verfügbar ist. Die Logikschaltung (27) steuert die Schalter des phasenempfindlichen Gleichrichters (25), d. h., die Schalter (13), (14), (15), (16), (18) und (19) und den Schalter (2) auf die in Fig. 7 angegebene Art. Es ist ein festes Perioditätsintervall T′₄ vorhanden, nach dessen Ablauf der Zähler (29) zurückgesetzt wird. Die Anregungsphase ist mit T′₁ bezeichnet. Auf die Anregungsphase T′ folgt eine Pausenzeit T′₂, in der der Schalter (2) offen ist, während die Schalter (17) und (19), ebenso wie während der Anregungsphase, geschlossen sind. An die Pausenzeit T′₂ schließt sich eine Integrationszeit an, in der eine positive Integration stattfindet.

Die Zeit der Anregungsphasen ist bei dem mit der Anordnung gemäß Fig. 4 ausgeübten Verfahrens ebenfalls vorhanden, jedoch nicht ausdrücklich unter Hinweis auf eine Zeit benannt. Die oben erwähnte Zeit T₁ ist eine Pausenzeit, der bei der Anordnung gemäß Fig. 6 die Pausenzeit T₂ entspricht. Die oben angegebene Zeit T₂ für die positive Integration entspricht bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung einer Zeit T₂′ + T _x. Der erwähnten Zeit T₃ für die negative Integration entspricht einer Zeit T₂′ + T _x + T₃′. Bei dem oben beschriebenen Auführungsbeispiel schließt sich für die positive Integration eine Zeit T₄ an, der gemäß der in Fig. 6 dargestellten Anordnung die Zeit T₂′ + 2T₃′ entspricht. Die Anordnung gemäß Fig. 6 arbeitet mit der fest vorgegebenen Periodenzeit T₄′.

Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die Logikschaltung steuert mit Hilfe des auf einer festen Frequenz f _o schwingenden Oszillators (28) und des Zählers (29), der nach Ablauf des Perioditätsintervalles T₄′ wieder zurückgesetzt wird, durch Vergleich des Zählerstandes mit fest vorgegebenen Werten T₁′, T₂′, T₃′ und T₄′ und dem variablen Wert T _x, der im Zähler (30) entsteht, die Stellung der Schalter des phasenempfindlichen Gleichrichters (25) und damit die Anregung, Pausen und Gleichrichtung (siehe Fig. 7) sowie des Schalters (2). Ein Regelkreis wird in einer einfachen Form dadurch geschlossen, daß entsprechend dem Vorzeichen der Spannung am Ausgang des Integrators (7) nach abgeschlossener Integrationsphase, das an dem Diskriminator (26) bestimmt wird, der Parameter T _x um den Wert 1 erhöht bzw. erniedrigt wird. Bei drei gleichrichtenden Zeitabschnitten werden die Zeitpunkte, zu denen die Umkehrungen der Gleichrichtungen erfolgen so eingestellt, daß die Summe der Integrale null wird.

Der Inhalt des Zählers (29) wird mit Taktimpulsen der gleichbleibenden Frequenz f₀ erhöht. Hierbei gilt:

Wenn der Zählstand n₄ = T₄′/Δ T erreicht ist, was der Periodendauer T₄′ entspricht, wird der Zählerinhalt auf den Wert Null zurückgesetzt. Der Inhalt des Zählers (29) wird mit dem Inhalt des Zählers (30) verglichen, um die Schalter (13, 14, 15, 16, 18, 19) einzustellen. Es gelten für folgende Zählerstände n₁, n₂, n₃ und n _x die Beziehungen n₁ = T₁/′Δ T; n₂ = T₂′/Δ T, n₃ = T₃′/Δ T und n _x = T _x/Δ T.

Die Anregungsphase entspricht dem Zählerstand 0 < n < n₁, die Pausenzeiten entsprechen dem Zählerstand n₁ < n < n₂ oder n₂ + 2n₃ < n < n₄. Die positive Integration erfolgt, solange der Zählerstand die Bedingung n₂ < n < n₂ + n _x oder n₂ + n _x + n₃ < n < n₂ + 2n₃ erfüllt, während die negative Integration beim Zählerstand n₂ + n _x < n < n₂ + n _x + n₃ erfolgt.

Es wird bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung bei gleichbleibender Frequenz f₀ und damit konstanter Periode Δ T in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Ausgangsspannung des Integrators (7) am Ende der Periode T₄′ jeweils der Inhalt des Zählers (30) verändert. Im einfachsten Fall wird der Zählerstand n _x bei positiver Ausgangsspannung um den Wert 1 erhöht, während er bei negativer Ausgangsspannung des Integrators (7) um den Wert 1 erniedrigt wird. Es erfolgt daher eine Anpassung über die Dauer der positiven und negativen Integrationszeiten bei gleichbleibender Periode T₄′. Der Zählerstand, bei dem die Gleichrichtung jeweils umgekehrt wird, steht in eindeutigem Zusammenhang mit der Relaxationszeit.

Diese Regelung kann zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens durch folgende adaptive Regelung ersetzt werden.

Ein besseres Regelverhalten wird mit der adaptiven Regelung erreicht, bei der die Anzahl S der vorangegangenen Perioden ohne Veränderung der Polarität der Integratorausgangsspannung die Veränderung Δ n _x des Zählstandes n _x des Zählers (30) bestimmt. Es wird z. B. für die Anzahl von Perioden S der Zählerstand wie folgt verändert:

S = 1Δ n _x = ± 1 S = 2Δ n _x = ± 2 S = 3Δ n _x = ± 5 S = 4Δ n _x = ± 10.

Der sich so ergebende Zählerstandsparameter T _x ist eine eindeutige Funktion der Relaxationszeit und kann bei bekanntem Zusammenhang zwischen der Abklingzeit und dem zu messenden physikalischen Parameter leicht umgerechnet werden.

Die Werte für die Taktfrequenz f₀ und die Parameter T₁′ T₂′ T₃′ und T₄′ hängen von der Abklingzeit und der geforderten Auflösung ab (siehe Beispiel).

Die Pausen dienen zur Unterdrückung von Meßfehlern aufgrund der endlichen Anstiegszeit des Vorverstärkers.

Die Logikschaltung (27) kann mit diskreten Komponenten, z. B. Zählern, Komparatoren und Logikgattern, aber auch mit Hilfe eines Mikroprozessors realisiert werden.

Nachstehend werden in einem Beispiel bevorzugte Werte angegeben:

Relaxationszeit:τ 200 µs . . . 2 ms Taktfrequenz:f₀ = 10 MHz Taktperiode:Δ T, des Oszillators 28 = 0,1µs Anregungsphase:1 ms; T₁ = 10 000 Pausenzeit:50 µs; T₂ = 10 500 Integrationszeit:1 ms; T₃′ = 10 000; T₄ = 31 000

Auflösung bei τ = 200 µs

Auflösung bei τ = 2 ms

Die oben erläuterten Verfahren arbeiten unabhängig von der Gleichspannung am Ausgang des Vorverstärkers (10), d. h. es kann eine Wechselspannungsankopplung verwendet werden, bei der die Fehler der Gleichspannungsankopplung vermieden werden.

Bei einfach exponentiell abklingenden Signalen können Laufzeiteffekte bei unterschiedlich langen Lichtwellenleiterstrecken die Messung und damit die Auswertung nicht beeinflussen (z. B. gilt: 1 km Lichtwellenleiter = 10 µs Verzögerung).

Die Fig. 8a zeigt in Ordinatenrichtung Anregungsimpulse (gestrichelt) und das Integratorausgangssignal I in Abhängigkeit von der Zeit t, die in Abszissenrichtung dargestellt ist, für eine erste Lumineszenz-Relaxationszeit τ₁. In Fig. 8b ist die Integratorausgangsspannung I in Ordinatenrichtung als Funktion der Zeit t in Abszissenrichtung für die Lumineszenz- Relaxationszeit τ₂ < τ₁ gezeigt. Die Zeiten T₁, T₂, T₃ und T₄ sind in beiden Figuren dargestellt, wobei jeweils die positive Integration durch ein + und die negative Integration durch ein - bezeichnet sind. Es ist ersichtlich, daß die Dauer T₁ bis T₄ bei τ₂ < T₁ ebenfalls kleiner ist. In gleicher Weise sind in Fig. 8c und d jeweils die Integratorausgangssignale I in Ordinatenrichtung und die Zeit t in Abszissenrichtung für die beiden Lumineszenz-Relaxationszeiten τ₂ und τ₂ dargestellt, wobei die Zeiten T₂, T₃ und T _x in Abszissenrichtung unter bezug auf die Polarität der Integration eingetragen sind. Aus Fig. 8c und 8d ist zu ersehen, daß bei gleichbleibenden T₂′ + 2T₃′ sich die Verhältnisse der positiven und negativen Integrationszeiten ändern.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung wird somit als Regelgröße die relative Dauer mindestens zweier Gleichrichtungsabschnitte in verschiedenen Richtungen so beeinflußt, daß am Ende der Periode einer Schwingung das Ergebnis der Integration möglichst klein z. B. null wird.

Es können auch alle drei Gleichrichtungsabschnitte verändert werden. Z. B.:

positive Gleichrichtung bei n₂ < n < n₂ + n _x oder n₂ + 4n _x < n < n₂ + 6n _x,
negative Gleichrichtung bei n₂ + n _x < n < n₂ + 4n _x Pause bei n₂ + 6n _x < n < n₄.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Fluoreszenz-Abklingdauer der Strahlung einer fluoreszierenden Substanz, deren Fluoreszenz-Abklingdauer von mindestens einer physikalischen Größe abhängt, indem die Substanz einer Strahlung ausgesetzt wird, die in zeitlichen Abständen wiederholt wird und die eine Fluoreszenzstrahlung hervorruft, die einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird, dessen Ausgangssignale phasenempfindlich gleichgerichtet und integriert werden und die Regelgröße eines Regelkreises beeinflussen, dessen Regelgröße ein Maß für die physikalische Größe ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzstrahlung nur in der Abklingphase alternierend phasenempfindlich gleichgerichtet wird, daß die Gesamtzeiten der unterschiedlich langen Gleichrichtungsabschnitte in den beiden verschiedenen Richtungen gleich sind, daß die alternierend gleichgerichteten Signale integriert werden und daß die Summe der Integrale in den beiden Richtungen die Frequenz der Schwingung eines Schwingkreises beeinflußt, der die Strahlung erzeugt, wobei die Fluoreszenzstrahlung auf die Strahlung rückgekoppelt wird.

2. Verfahren zur Messung der Fluoreszenz-Abklingdauer der Strahlung einer fluoreszierenden Substanz, deren Fluoreszenz-Abklingdauer von mindestens einer physikalischen Größe abhängt, indem die Substanz einer Strahlung ausgesetzt wird, die in zeitlichen Abständen wiederholt wird und die eine Fluoreszenzstrahlung hervorruft, die einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird, dessen Ausgangssignale phasenempfindlich gleichgerichtet und integriert werden und die Regelgröße eines Regelkreises beeinflussen, dessen Regelgröße ein Maß für die physikalische Größe ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung als Schwingung mit gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender Frequenz ausgesendet wird, daß die Fluoreszenzstrahlung nur in der Abklingphase alternierend phasenempfindlich gleichgerichtet wird, daß die alternierend phasenempfindlich gleichgerichteten Signale integriert werden und daß als Regelgröße die relativen Dauern mindestens zweier Gleichrichtungsabschnitte in den beiden verschiedenen Richtungen derart verändert werden, daß die Summe der Integrale in den beiden Richtungen null oder nahezu null wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzeiten der unterschiedlich langen Gleichrichtungsabschnitte in den beiden verschiedenen Richtungen gleich sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Abklingphase zwei Gleichrichtungsabschnitte in der einen Richtung beiderseits eines Gleichrichtungsabschnitts in der anderen Richtung vorgesehen sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Periode der Schwingung nach einer Anregungsphase und nach den Gleichrichtungsabschnitten jeweils eine Pausenzeit ohne Gleichrichtung eingefügt wird.

6. Verfahren nach zumindest Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Taktimpulse von gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender Frequenz während einer Periode der Schwingung gezählt und mit vorgegebenen Werten für die Anregungsphase und die Gleichrichtungsabschnitte zur Erzeugung von Steuersignalen verglichen werden, wobei die Zeitdauern der Gleichrichtungsabschnitte in Abhängigkeit vom positiven oder negativen Ergebnis der Integration verkleinert oder vergrößert und ausgegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Gleichrichtungsabschnitte in Abhängigkeit von der Zahl der vorausgegangenen Perioden der Schwingung verändert wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers (4) invertiert und nichtinvertiert jeweils über zwei Schalter (13, 14; 15, 16) abwechselnd an den invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (17) anlegbar sind, dessen beide Eingänge während der Anregungsphasen an gleiches Bezugspotential gelegt sind und dessen Ausgang mit einem Integrator (7) verbunden ist, dem eine von einer Logikschaltung für die Schalterbetätigung steuerbare Abtast- und Halteschaltung nachgeschaltet ist, an die der Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators (9) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtungsabschnitte jeweils gleich der Schwingungsperiode ( Δ T) oder ein Mehrfaches der Schwingungsperiode ( Δ T) der Schwingung des spannungsgesteuerten Oszillators (9) sind.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers (4) invertiert und nichtinvertiert jeweils über zwei Schalter (13, 14; 15, 16) abwechselnd an den invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (17) anlegbar sind, dessen beide Eingänge während der Anregungsphasen und der Pausen an gleiches Bezugspotential gelegt sind und dessen Ausgang mit einem Integrator (7) verbunden ist, dem ein Diskriminator (26) nachgeschaltet ist, an den eine Logikschaltung (27) angeschlossen ist, die einen Zähler (30) enthält, dessen Zähleingang mit Taktimpulsen gleichbleibender Frequenz beaufschlagbar ist und dessen Inhalt zur Erzeugung von Steuersignalen für die Schalter (2, 13, 14; 15, 16; 18, 19) mit vorgebbaren Werten vergleichbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den photoelektrischen Empfänger (4) ein Vorverstärker (10) angeschlossen ist, der einen nichtinvertierenden Verstärker (11) und einen invertierenden Verstärker (12) speist, daß die beiden Schalter (13, 14; 15, 16) je dem nichtinvertierenden und dem invertierenden Verstärker (15, 16) nachgeschaltet sind, von denen jeweils der eine an den nichtinvertierenden und der andere an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (17) angeschlossen ist, dessen Eingänge über jeweils einen weiteren Schalter (18, 19) an Massepotential anlegbar ist.

12. Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die fluoreszierende Substanz ein Kristall ist, der mit den isoelektrischen Störstellen V²⁺, Cr³⁺ oder Mn⁴⁺ dotiert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus Cr³⁺:Y₃Al₅O₁₂ oder Cr³⁺:Al₂O₃ besteht.