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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Verwendung einer fluoreszierenden Substanz, deren Fluoreszenz-Abklingdauer
von einer physikalischen Größe wie Temperatur
abhängt,
wobei 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 eine Regelgröße eines Regelkreises beeinflussen,
wobei die Regelgröße ein Maß für die physikalische
Größe ist.
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Um insbesondere Temperaturen an einem Ort
zu bestimmen und an einem anderen Ort auszuwerten, sind faseroptische
Sensoren mit einer fluoreszierenden Substanz bekannt, dessen Abklingzeit eine
Aussage über
die Temperatur ermöglicht.
Hierzu kann die fluoreszierende Strahlung von einem sinusförmig modellierten
Strahler angeregt werden. Das aus dem zeitlich verzögerten Fluoreszenzlicht
gewonnene Signal wird über
ein Zeitglied auf die Störung
des Modulators rückgekoppelt.
Die sich in dem selbsterregten Schwingkreis einstellende Frequenz ist
dabei abhängig
von der Fluoreszenzabklingdauer und damit von den physikalischen
Größen, die
diese beeinflussen, vgl. hierzu
GB 2 113 837 A .
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Als fluoreszierende Substanzen sind
Kristalle oder Gläser
bekannt, in denen ein oder mehrere Elemente aus der Reihe der Übergangselemente stöchiometrisch
eingebaut oder dotiert sind. Bei der Auswahl der zu verwendenden
Kristalle bzw. Gläser muß darauf
geachtet werden, daß gleiche
fluoreszierende Substanzen innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen in ihrer Abklingzeit
unverändert
bleiben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere bei mit Chrom
dotierten Aluminiumoxidkristallen wie Rubinkristallen Konzentrationsänderungen
der Chrom-Ionen
einen erheblichen Einfluß auf
die Abklingzeit ausüben.
Dies bedeutet, daß bei
der Herstellung entsprechender Kristalle große Anstrengungen erforderlich
sind, um Konzentrationsschwankungen zu vermeiden. Dies ist selbst
bei absolut konstanten Ausgangsbedingungen bei der Kristallzucht
nicht möglich,
so daß entsprechende
Kristalle wenig geeignet sind, als fluoreszierende Substanz insbesondere
zur Temperaturbestimmung für
Seriengeräte
verwendet zu werden.
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Aus den Literaturstellen Chem. abstr.
87 (1977); Ref. Nr. 191603 c und Chem. abstr. 92 (1980); Ref. Nr.
86177 x ist es bekannt, YAG-Kristalle mit einer Chromionenkonzentration
kleiner als 2,5 × 1020 Ionen pro cm3 zu
verwenden. Ein Hinweis, entsprechendes Material zur Bestimmung einer
physikalischen Größe wie Temperatur
zu verwenden, ergibt sich nicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine fluoreszierende Substanz zur Bestimmung einer physikalischen
Größe wie insbesondere
Temperatur zur Verfügung
zu stellen, die eine ausgeprägte
temperaturabhängige
Fluoreszenzabklingzeit aufweist, wobei eine Veränderung der Konzentration der
dotierten Ionen keinen meßtechnisch
relevanten Einfluß auf
die Bestimmung der physikalischen Größe ausüben soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die fluoreszierende
Substanz ein Yttriumaluminiumgranat (YAG) (Y3Al5O12)-Kristall ist,
der mit Chrom einer Konzentration von 0,5 bis 2,5 at% dotiert ist.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird
eine fluoreszierende Substanz in Form eines Kristalls zur Verfügung gestellt,
der neben seinem günstigen
Anregungswellenlängenbereich
mit von lichtemittierenden Dioden stammender Strahlung und seiner
ausgeprägten
temperaturabhängigen
Fluoreszenz-Abklingzeit den Vorteil zeigt, daß die herstellungsbedingt auftretenden
Konzentrationsschwankungen eine Beeinflussung der Abklingzeit nicht
verursachen, sofern die Konzentration der Chrom-Ionen zwischen 0,5
und 2,5 at % liegt. Insbesondere wird die Abklingzeit auch dann
nicht verändert,
wenn bei der Kristallzüchtung
Verteilungskonzentrationen von z. B. anfangs 1,3 at % und zum Schluß von 0,7
at % Chrom-Ionen gegeben ist, so daß Abschnitte des gesamten Kristalls
uneingeschränkt
als Temperatursensoren Verwendung finden können. Hierdurch sind Vorteile
gegeben, die sich zum einen insbesondere in der Reproduzierbarkeit
der Bestimmung der interessierenden physikalischen Größen und
in den vereinfachten Herstellungsbedingungen ergeben, die es ermöglichen,
austauschbare Temperatursensoren zum Einsatz zu bringen, gleichwenn
die Konzentration der dotierten Chrom-Ionen von Kristall zu Kristall
unterschiedlich sein kann.
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Dieses Ergebnis ist erstaunlich und
auch nicht zu erwarten gewesen, wenn man berücksichtigt, daß z. B.
in mit Chrom dotierten Aluminiumoxidkristallen durch Paarbandeffekte
bereits Chrom-Ionenkonzentrationen von 1018 pro
cm3 eine Verringerung der Abklingzeit von
einem 1 % gegenüber schwächer dotierten
Rubin-Kristallen verursachen (siehe z.B. Physical Revue A 137, 1117
(1965)). Eine hohe Konzentration von Chrom-Ionen ist jedoch erforderlich,
wenn man den mit lichtemittierenden Dioden anregbaren 4A2 → 4T2-Übergang
berücksichtigt, dessen
Wirkungsquerschnitt in etwa 2 × 10–20 cm2 beträgt.
Da jedoch die Kristalle nicht länger
als 10 mm sein sollen, muß zur
effektiven Nutzung des Anregungslichtes eine Chrom-Ionenkonzentration
im Bereich von 1020 pro cm3 liegen,
so daß unter
Berücksichtigung
der Literaturangaben chromdotierte Kristalle zur Fertigung austauschbarer
Temperatursensoren an und für
sich nicht in Betracht kamen. Entgegen dieser Auffassung zeigt jedoch
eine Verwendung des erfindungsgemäßen Kristalles mit einer Chrom-Ionenkonzentration
von 0, 5 bis 2,5 at%, daß bei
hinreichendem Absorptionsquerschnitt die Fluoreszenzabklingzeit
innerhalb der Fehlergrenzen unverändert bleibt. (Eine mögliche Erklärung, daß sich beim chromdotierten
Yttriumaluminiumgranat der Paarbandeneffekt erst bei extrem hohen
Chrom-Ionenkonzentrationen auswirkt, kann möglicherweise darin gesehen
sein, daß die
Chrom-Ionen ausschließlich auf
oktaedrischen Aluminiumplätzen
eingebaut sind. Hierdurch ergibt sich ein nächstnachbar Chrom-Ionen-Abstand
von 5,2 Å,
so daß die
Wechselwirkung zwischen diesen entsprechend gering ist.) In der nachfolgenden
Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispielen
werden weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung
offensichtlich.
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Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer Ausführung
einer Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Abklingzeit einer
fluoreszierenden Substanz,
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2 ein
Zeitdiagramm von Steuersignalen für Schalter gemäß der in 1 dargestellten Vorrichtung
und
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3a und b Zeitdiagramme der Integratorausgangssignale
für verschiedene
Lumineszenz-Relaxationszeiten für
die in 1 dargestellte
Anordnung.
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Bei der Vorrichtung gemäß 1 sind eine lichtemittierende
Diode (1) und ein 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 aus einem Sensorkristall aus Cr3+: Y3A15O12 besteht.
Durch zusätzlich
kombinierte Dotierung mit dreiwertigen Ionen aus der Gruppe der Seltenen
Erden ist es möglich,
aufgrund des Energietransfers zwischen den unterschiedlichen Seltenen-Erden-Ionen
eine stark temperaturabhängige Lumineszenzabklingzeit
zu erreichen.
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Die von der lumineszierenden Substanz
ausgehende Strahlung gelangt über
den Lichtwellenleiter (23) , die Optik (22) und
einen Strahlenteiler (3) sowie über einen Filter (24)
zum photoelektrischen Empfänger
(4), dem ein Vorverstärker
(10) nachgeschaltet ist. Der Vorverstärker (10) ist zweckmäßigerweise
Bestandteil des phasenempfindlichen Gleichrichters. In 1 ist zum besseren Verständnis schematisch
ein phasenempfindlicher Gleichrichter (25) dargestellt.
Der Gleichrichter (25) speist einen 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 fo 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., Schalter (13), (14),
(15), (16), (18) und (19) und
einen Schalter (2) auf die in 2 angegebene Art. Es ist ein festes Periodizitätsintervall
T'4 vorhanden,
nach dessen Ablauf der Zähler
(29) zurückgesetzt
wird. Die Anregungsphase ist mit T'1 bezeichnet.
Auf die Anregungsphase T'1 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.
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Die in 1 dargestellte
Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Die Logikschaltung steuert
mit Hilfe des auf einer festen Frequenz fo schwingenden
Oszillators (28) und des Zählers (29), der nach
Ablauf des Periodizitätsintervalles
T4' wieder
zurückgesetzt
wird, durch Vergleich des Zählerstandes
mit fest vorgegebenen Werten T1', T2' T3' und T4' und dem variablen
Wert Tx, der im Zähler (30) entsteht,
die Stellung der Schalter des phasenempfindlichen Gleichrichters
(25) und damit die Anregung, Pausen und Gleichrichtung
(siehe 2) sowie des
Schalters (2). Ein Regelkreis wird in einer sehr 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 Tx 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.
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Der Inhalt des Zählers (29) wird mit
Taktimpulsen der gleichbleibenden Frequenz fo erhöht. Hierbei
gilt: fo = 1/ΔT Wenn der Zählstand n4 =
T4'/ΔT 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
nx die Beziehungen n1 = T1'/ΔT; n2 = T2'/ΔT, n3 =
T3'/ΔT und nx = Tx/ΔT .
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Die Anregungsphase entspricht dem
Zählerstand
o < n < n1,
die Pausenseiten entsprechen dem Zählerstand n1 < n < n2 oder
n2 + 2n3 < n < n4.
Die positive Integration erfolgt, solange der Zählerstand die Bedingung n2 < n < n2 +
nx oder n2 + nx + n3 < n < n2 +
2n3 erfüllt,
während
die negative Integration beim Zählerstand
n2 + nx < n < n2 +
nx + n3 erfolgt.
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Es wird bei der in 1 dargestellten Anordnung bei gleichbleibender
Frequenz fo und damit konstanter Periode ΔT 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
nx 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.
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Diese Regelgung kann zur Verbesserung des
dynamischen Verhaltens auch durch eine adaptive Regelung ersetzt
werden.
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In 3a und 3b sind jeweils die Integratorausgangssignale
I in Ordinatenrichtung und die Zeit t in Abszissenrichtung für Lumineszenz-Relaxationszeiten τ1 und τ2 dargestellt,
wobei die Zeiten T2', T3' und Tx in
Abszissenrichtung unter bezug auf die Polarität der Integration eingetragen
sind. Aus 3a und 3b ist zu ersehen, daß bei gleichbleibenden
T2' + 2T3' sich
die Verhältnisse
der positiven und negativen Integrationszeiten ändern.
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Bei der in 1 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.
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Es können auch alle drei Gleichrichtungsabschnitte
verändert
werden.
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Z. B: positive Gleichrichtung bei
n2 < n < n2 + nx oder n2 + 4nx < n < n2 +
6nx, negative Gleichrichtung bei n2 + nx < n < n2 +
4nx Pause bei n2 +
6nx < n < n4.