DE3833899A1

DE3833899A1 - Spectral-photometric device for measuring distance

Info

Publication number: DE3833899A1
Application number: DE19883833899
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Danigel; Werner Zumbrunn
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1989-04-27
Also published as: CH674083A5

Abstract

A spectral-photometric device (1) for measuring distance via optical waveguides has a flashlamp as light source (3). For smoothing the radiation power (11) emitted by the flashlamp over time, and for stretching it (15) with respect to time, there is at least one inductance (18), or similar smoothing device, in the discharge circuit (16), in which the flashlamp (3) lies, of a capacitor (17), so that any non-linearities of the signal-detecting and signal-processing elements are avoided and, instead of the amplitude of the signal, its integral can be evaluated (Fig. 2). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine spektralfotometrische Einrichtung zur Fernmessung, bei welcher sich die Meßstelle(n) mit zwei einander gegenüberliegenden Fenstern, zwischen denen sich das zu untersuchende Medium befindet, deren eines das Meßlicht ab gibt und deren anderes das im Medium nicht absorbierte Licht, im weiteren Restlicht genannt, aufnimmt, in räumlichem Abstand zu dem das Meßlicht erzeugenden und zu dem das Restlicht ver arbeitenden Gerät befinden und mittels Lichtleitern ange schlossen sind, wobei hinter dem das Restlicht aufnehmenden Fenster eine Auswerteelektronik für das von dem zu messenden Medium durchgelassene Restlicht vorgesehen ist.The invention relates to a spectrophotometric device for remote measurement, in which the measuring point (s) with two opposite windows, between which the medium to be examined is located, one of which the measuring light and the other is the light not absorbed in the medium, hereinafter referred to as residual light, takes up at a spatial distance to the ver generating the measuring light and to which the residual light working device and light fibers are closed, behind which the residual light Window evaluation electronics for the one to be measured Medium transmitted residual light is provided.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der EP-B- 00 15 170 bekannt. Dabei sind jedoch der räumlichen Entfer nung zwischen der Lichtquelle und dem die Meßergebnisse ver arbeitenden Gerät erhebliche Grenzen gesetzt, weil die übli chen Lichtleiter in ihrem Verlauf Verluste haben und bei im mer größerer Länge immer weniger Meßlicht und Restlicht üb rigbleibt. Falls das Meßlicht durch sehr trübe oder gefärbte Medien hindurchgeschickt werden soll, kann eine solche Ein richtung selbst bei Verwendung einer sehr starken Lampe als Lichtquelle unzureichend sein.
Such a device is known for example from EP-B-00 15 170. However, the spatial distance between the light source and the measuring results processing device ver considerable limits because the übli chen light guide have losses in their course and less and less measuring light and residual light remains over rig. If the measuring light is to be sent through very cloudy or colored media, such a device can be insufficient even when using a very strong lamp as a light source.

Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Einrichtung bzw. ein Spektralfotometer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dessen optische Sonden - Prozeßküvetten, Reflektions- oder Remissionssonden od. dgl. - in großem räumlichem Abstand (bis zu einigen hundert Meter) von dem das Meßlicht erzeugenden, detektierenden und verarbeitenden Gerät befinden kann. Dabei soll es möglich sein, nicht nur im sichtbaren und infraroten, sondern gegebenenfalls auch im ultravioletten Spektralbereich, wo die Übertragungsverluste in Lichtwellenleiter am größten sind, große Entfernungen kostengünstig überbrücken zu können.There is therefore the task of a facility or a To create spectrophotometers of the type mentioned at the beginning, whose optical probes - process cells, reflection or Remission probes or the like - at a large spatial distance (to to a few hundred meters) from the measuring light detecting and processing device. Here should it be possible not only in the visible and infrared, but possibly also in the ultraviolet spectral range, where the transmission losses are greatest in optical fibers are able to bridge large distances cost-effectively.

Die überraschende Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Lichtquelle eine Blitzlampe ist und daß zum Glätten der von der Blitzlampe über die Zeit abgegebenen Strahlungsleistung und zu ihrer zeitlichen Streckung im Entladestromkreis eines Kon densators, in dem sich die Blitzlampe befindet, dieser Blitz lampe zumindest eine Induktivität od. dgl. Glättungseinrich tung vorgeschaltet ist.The surprising solution to this problem is that the Light source is a flash lamp and that for smoothing the of the flash lamp emitted radiation power over time and to their temporal extension in the discharge circuit of a Kon in which the flash lamp is located, this flash lamp at least one inductor or the like. smoothing device device is connected upstream.

Eine Blitzlampe kann, wenn auch für relativ kurze Zeit, Licht sehr hoher Intensität abgeben, so daß bei seiner Weiterlei tung durch lange Lichtwellenleiter dennoch an einer optischen Sonde genügend Meßlicht ankommt und hinter der Meßstelle ge nügend Restlicht übrigbleibt, um mit hoher Präzision ausge wertet werden zu können. Dabei hat Blitzlicht den weiteren Vorteil, daß neben sichtbarem und infrarotem auch viel ultra violettes Licht abgestrahlt wird. Die während der Blitzdauer zur Verfügung stehende hohe optische Strahlungsleistung ver mindert den Einfluß von Streulicht und anderen elektromagne tischen Störstrahlungen und verbessert somit wiederum die Präzision einer Messung. Da jedoch eine Blitzlampe einen zeit lich sehr kurzen und in seinem Verlauf nicht regelmäßigen Lichtblitz sehr hoher Intensität abgibt, ist er eigentlich für die erforderliche Auswertung einer Messung mit Hilfe ei ner Auswerteelektronik nicht geeignet. Die Erfindung sieht deshalb die scheinbar widersinnige Maßnahme vor, in dem Ent ladestromkreis des Kondensators der Blitzlampe dieser Blitz lampe noch eine Induktivität oder Glättungseinrichtung vor zuschalten, die die absolute Helligkeit des Blitzes vermin dert, also scheinbar dem Verwendungszweck des Blitzes zuwi derläuft. Es hat sich jedoch gezeigt, daß trotz der Glättung und zeitlichen Streckung der Blitzlicht-Kurve immer noch ein gegenüber einer konventionellen Lichtquelle erheblich stär keres Licht zur Verfügung steht, welches aber nun erlaubt, die von der Blitzlampe abgegebene und an der Meßstelle übrig bleibende Energie auszuwerten, was mit einer Auswerteelek tronik gut möglich ist. Außerdem wird dadurch die Genauig keit der Messung weiter gesteigert.A flash lamp can emit light, albeit for a relatively short time emit very high intensity, so that when it is passed on long optical fibers on an optical one Sufficient measuring light arrives and ge behind the measuring point sufficient residual light remains to be output with high precision to be able to be evaluated. Flash light has the other Advantage that in addition to visible and infrared also a lot of ultra violet light is emitted. The during the flash duration available high optical radiation power ver reduces the influence of stray light and other electromagnetic table interference radiation and thus in turn improves the Precision of a measurement. However, since a flash lamp takes a while very short and not regular in its course It gives off a very high intensity flash of light for the required evaluation of a measurement using ei evaluation electronics not suitable. The invention sees hence the seemingly absurd measure in which Ent charging circuit of the capacitor of the flash lamp this flash lamp an inductor or smoothing device switch on, which reduce the absolute brightness of the flash changes, i.e. apparently to the intended use of the flash that runs. However, it has been shown that despite the smoothing and temporal stretching of the flash curve considerably stronger than a conventional light source kere light is available, but which now allows the one emitted by the flash lamp and left at the measuring point evaluate permanent energy, what with an evaluation elec tronics is quite possible. It also makes it accurate measurement further increased.

Darüber hinaus erlaubt die hohe Energieausbeute einer Blitz lampe - selbst wenn sie nur über einen relativ kurzen Zeit raum zur Verfügung steht - daß der Blitzlampe ein Strahltei ler zur Bildung eines Meßlichtzweiges und eines Referenz lichtzweiges nachgeschaltet ist und die Auswerteelektronik sowohl für den Meßlichtzweig als auch für den Referenzlicht zweig jeweils einen Integrator und bzw. vorgeschaltete Ver stärker sowie nachgeschaltete Abtast-Halteglieder aufweist, denen ein Rechner, Computer oder dergleichen gegebenenfalls über einen Analog-Digitalwandler nachgeschaltet ist. Somit kann immer ein Verhältnis-Meßwert ermittelt werden, so daß geringfügige Schwankungen der einzelnen Blitze sich nicht auf den Verhältnis-Meßwert auswirken.In addition, the high energy yield allows a flash lamp - even if only for a relatively short time space is available - that the flash lamp is a beam ler to form a measuring light branch and a reference light branch is connected downstream and the evaluation electronics both for the measuring light branch and for the reference light branch each an integrator and or upstream Ver has stronger and downstream sample and hold elements, which a computer, computer or the like, if necessary is connected via an analog-digital converter. Consequently a ratio measured value can always be determined so that slight fluctuations in the individual flashes are not apparent affect the ratio reading.

Die Auswerteelektronik kann also einen zumindest während der Dauer des Blitzes freigegebenen Integrator aufweisen, wo durch sie jeweils den Energiegehalt des Blitzes bzw. des Restlichtes des Blitzes hinter der Meßstelle erfassen kann.The evaluation electronics can at least during the Duration of the flash released integrator where through them the energy content of the lightning or the Residual light from the flash behind the measuring point can detect.

Dabei ist es für eine lange Lebensdauer zweckmäßig, wenn die Lichtquelle eine mit Edelgas gefüllte Blitzlampe ist. Solche Blitzlampen sind an sich bekannt und haben außerdem den Vor teil, in relativ schneller Folge Blitze abgeben zu können.It is useful for a long life if the The light source is a flash lamp filled with noble gas. Such Flash lamps are known per se and also have the advantage partly to be able to emit flashes in a relatively quick succession.

Eine zweckmäßige Anordnung kann dabei darin bestehen, daß der die Blitzlampe speisende Kondensator eine Kapazität von etwa acht Mikrofarad, die Induktivität einen Wert von etwa sechs Mikrohenry und der gegebenenfalls vorgesehene Widerstand ei nen Widerstandswert von etwa 2,5 Ohm haben.An expedient arrangement can be that the the capacitor feeding the flash lamp has a capacity of about eight microfarads, the inductance a value of about six Microhenry and the resistance provided, if any have a resistance value of about 2.5 ohms.

Wie bereits erwähnt, wird bei der erfindungsgemäßen Einrich tung anstelle der Amplitude eines Signales dessen Zeit-Integral mit Hilfe des Integrators ausgewertet. Dazu ist es zweckmä ßig, wenn ein Lichtsensor, vorzugsweise eine Silizium- oder Germanium-Fotodiode, vorgesehen ist, die eintreffende Strah lung in einen proportionalen Strom umwandelt. Dieser kann dann in einem Vorverstärker in eine Spannung umgewandelt und in einem Folgeverstärker mit wählbarer Verstärkung für die endgültige Auswertung verstärkt werden. Wegen dieser Erfor dernisse und wegen des Frequenzganges des Lichtsensors, des Vorverstärkers und des Folgeverstärkers ist wiederum die er findungsgemäße Formung des zeitlichen Verlaufes des Si gnales erforderlich. Der so ermittelte Wert der Energie des Signales ist nämlich unabhängig vom Frequenzgang der elektri schen Komponenten.As already mentioned, the device according to the invention device instead of the amplitude of a signal, its time integral evaluated with the help of the integrator. It is useful for this ßig if a light sensor, preferably a silicon or Germanium photodiode is provided, the incoming beam conversion into a proportional current. This can then converted to a voltage in a preamplifier and in a subsequent amplifier with selectable amplification for the final evaluation will be strengthened. Because of this requirement and because of the frequency response of the light sensor The preamplifier and the repeater is again the one shaping according to the invention over time of the Si gnales required. The value of the energy of the The signal is independent of the frequency response of the electri components.

Damit nicht nur im sichtbaren und infraroten, sondern - wie bereits erwähnt - auch im ultravioletten Spektralbereich die gewünschten großen Distanzen kostengünstig überbrückt wer den können, ist es zweckmäßig, wenn der Lichtleiter zu und von der Meßstelle jeweils eine Einzelfaser ist. Zwar gibt es auch Lichtwellenleiter aus Faserbündeln, jedoch haben diese höhere Kosten und auch größere Verluste.So not only in the visible and infrared, but - how already mentioned - also in the ultraviolet spectral range desired long distances inexpensively bridged who it can be useful if the light guide to and from the measuring point is a single fiber. There are also fiber optic cables from fiber bundles, but they have higher costs and also greater losses.

Ferner eröffnet die Verwendung von Lichtwellenleitern mit Einzelfaser aufgrund des geringen Kerndurchmessers von einigen hundert Mikrometern die Möglichkeit, daß mehrere, gegebenenfalls räumlich verteilte, optische Sonden mittels einfasrigen Lichtleitern an einem Gerät angeschlossen sind und ihre Eingänge unmittelbar nebeneinander im Bereich ei ner einzigen Blitzlampe liegen. Somit kann die Einrichtung gleichzeitig für mehrere Meßstellen eingesetzt werden. Ent sprechend wirtschaftlich und preiswert ist diese Einrichtung.The use of optical fibers also opens up with single fiber due to the small core diameter of a few hundred micrometers the possibility that several, optionally spatially distributed optical probes single-fiber optical fibers are connected to a device and their inputs directly next to each other in the area egg a single flash lamp. Thus, the facility can be used simultaneously for several measuring points. Ent This facility is extremely economical and inexpensive.

Da der von einer Blitzlampe erzeugte Blitz eine gewisse räum liche Ausdehnung hat, können die Eintritte in die zumindest an ihrem Anfang etwa parallelen Lichtleiter in einer gemeinsamen Ebene mit geringem Abstand zu der Blitzlampe angeordnet sein. Bei gängigen Blitzlampen ist es möglich, daß eine Blitzlampe etwa zehn Lichtwellenleiter speist. Somit genügt also eine einzige Blitzlampe für die Bedienung von zehn Meßstellen oder Sonden.Because the flash produced by a flash lamp has a certain amount of space Liche expansion, the entries in the at least their beginning roughly parallel light guides in a common Level with a short distance to the flash lamp. With common flash lamps it is possible that a flash lamp feeds about ten optical fibers. So one is enough only flash lamp for the operation of ten measuring points or Probes.

Zwischen der Lichtquelle und dem schon erwähnten Strahltei ler zur Bildung eines Referenzlichtzweiges kann ein Monochro mator, vorzugsweise ein motorisch angetriebenes Filterrad an geordnet sein. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Blitzlampe durch eine Lichtschranke getriggert ist, welche lichtdurch lässige oder lichtreflektierende Markierungen des Filterra des abtastet. Das Filterrad erlaubt es, für ein Meßproblem verschiedene Interferenzfilter individuell einzusetzen. Übli che Filterräder besitzen z. B. 20 Filterplätze, jedoch kann auch ein Filterrad mit noch mehr Filterplätzen benutzt wer den, wobei zweckmäßigerweise ein Synchronmotor in bekannter Weise dieses Filterrad z. B. mit einer Umdrehung pro Sekunde antreibt und auch als Uhr des Systemes dienen kann. Die er wähnte Lichtschranke erfaßt jeweils die genaue Position des Filters und kann somit im richtigen Moment den jeweiligen Blitz auslösen. Between the light source and the beam part already mentioned A monochrome can be used to form a reference light branch mator, preferably a motor-driven filter wheel be ordered. It is useful if the flash lamp is triggered by a light barrier, which light through casual or light reflecting markings on the Filterra the scans. The filter wheel allows for a measurement problem use different interference filters individually. Usual che filter wheels z. B. 20 filter spaces, however also a filter wheel with even more filter spaces used the, where expediently a synchronous motor in known Way this filter wheel z. B. with one revolution per second drives and can also serve as a clock of the system. Which he imagined light barrier detects the exact position of the Filters and can therefore at the right moment each Trigger flash.

Die Integratoren der Auswerteelektronik können gleichfalls durch die Markierungen des Filterrades abtastende Lichtschran ke getriggert sein. Somit wird jeweils auch im richtigen Au genblick die elektronische Auswertung eines Lichtsignales er möglicht.The integrators of the evaluation electronics can also light barrier scanning through the markings of the filter wheel ke triggered. Thus, in each case also in the right Au the electronic evaluation of a light signal possible.

Zum Auslösen des Zündspannungsimpulses für die Blitzlampe kann eine Zeitsteuerung vorgesehen sein, die außerdem zum Freigeben der Integratoren mit diesen verbunden sein kann.For triggering the ignition voltage pulse for the flash lamp can be provided a time control, which also for Release of the integrators can be connected to them.

Aufgrund der erwähnten Arbeitsweise des angetriebenen Filter rades sind mit der erfindungsgemäßen Einrichtung mehrere, vorzugsweise etwa 20 Einzelmessungen pro Sekunde möglich.Due to the way the driven filter works Rades are several with the device according to the invention, preferably about 20 individual measurements per second possible.

Für eine Einrichtung, bei welcher mehrere von einer einzigen Blitzlampe beaufschlagte Lichtleiter vorgesehen sind, kann die Auswerteelektronik für die verschiedenen Lichtleiter ei nen mehrpoligen Umschalter und einen einzigen Analog-Digital wandler aufweisen, so daß dieser für die verschiedenen Licht leiter und die von diesen übertragenen Signale und Meßsigna le ausgenutzt werden kann.For a facility where multiple of a single Flash guide light guide can be provided the evaluation electronics for the various light guides multi-pole switch and a single analog-digital have transducers so that this for the different light conductor and the signals and measurement signals transmitted by them le can be exploited.

Insgesamt ergibt sich eine spektroskopische Einrichtung, die aufgrund der Verwendung von Blitzlicht eine sehr große Ent fernung zwischen der Lichtquelle und der Meßstelle sowie der Auswertung der Messung erlaubt, wobei dennoch eine große Ge nauigkeit und Präzision der Messung erreichbar ist. Dies gilt in erhöhtem Maße dann, wenn das Licht der Lichtquelle in ei nen Meßstrahl und einen Referenz-Lichtstrahl aufgeteilt wird, was aufgrund der hohen Intensität des Blitzlichtes möglich ist, obwohl die erwähnte große räumliche Überbrückung statt finden soll. Durch die erfindungsgemäße Art der Aufbereitung des Blitzlichtes und der Auswertung werden dabei die einem Blitzlicht eigentlich zugehörigen Nachteile, vor allem die Schwankungen der Strahlungsleistung, auf elegante Weise ver mieden.
Overall, there is a spectroscopic device that allows a very large distance between the light source and the measuring point and the evaluation of the measurement due to the use of flash light, while still a great Ge accuracy and precision of the measurement can be achieved. This applies to an increased extent if the light from the light source is divided into a measuring beam and a reference light beam, which is possible due to the high intensity of the flash light, although the aforementioned large spatial bridging should take place. Due to the type of processing of the flash light and the evaluation according to the invention, the disadvantages actually associated with a flash light, in particular the fluctuations in the radiation power, are avoided in an elegant manner.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren ihr als wesentlich zugehörenden Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt in schematischer DarstellungBelow is the invention with its as essential associated details with reference to the drawing explained. It shows a schematic representation

Fig. 1 eine erfindungsgemäße spektralfotometrische Einrich tung mit einer Blitzlampe, einem Filterrad, einer Bildung eines Referenzlicht-Zweiges, einer Meßsonde und einer Auswertung, Fig. 1 is a spectrophotometric Einrich invention tung with a flash lamp, a filter, a formation of a reference light branch, a measuring probe and an evaluation,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung nach Fig. 1, wo bei die Auswerteeinrichtung verdeutlicht ist, Fig. 2 is a block diagram of the device according to Fig. 1, where illustrated in the evaluation device,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild, bei welchem ange deutet ist, daß die Einrichtung mehrere Meßsonden mit Lichtzuleitungen und -ableitungen aufweisen kann, Fig. 3 is a simplified block diagram, in which is indicated that the device may have multiple probes with light inlet and outlet lines,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Strahlungsleistung eines Blitzlichtes in etwas idealisierter Form, d. h. ohne die in Wirklichkeit auftretenden Unstetigkeiten sowie den zeitlichen Verlauf der Strahlungsleistung des er findungsgemäß geglätteten und zeitlich gestreckten Verlaufes der Strahlungsleistung der Blitzlampe und Fig. 4 shows the time course of the radiation power of a flash light in a somewhat idealized form, ie without the discontinuities that actually occur and the time course of the radiation power of the smoothed and time-stretched course of the radiation power of the flash lamp and

Fig. 5 die Elektroden einer Blitzlampe mit einem angedeute ten Lichtbogen sowie die Zuordnung der Eintritte meh rerer von derselben Blitzlampe beaufschlagter Licht wellenleiter. Fig. 5 shows the electrodes of a flash lamp with a hinted arc and the assignment of the entrances of several light wave conductors acted upon by the same flash lamp.

Eine im ganzen mit 1 bezeichnete spektralfotometrische Ein richtung ist bezüglich ihres prinzipiellen Aufbaues in Fig. 1 und bezüglich des Zusammenwirkens verschiedener Einzelteile in Form eines Blockschaltbildes in Fig. 2 sowie in abgewan delter Form in Fig. 3 dargestellt. A device designated as a whole by 1 a spectrophotometric direction with respect to its basic structure in Fig. 1 and with respect to the interaction of different individual members in the form of a block diagram in FIG. 2 and shown in abgewan Delter form in Fig. 3.

Die Einrichtung 1 dient dabei zur Fernmessung, d. h. die Meß stelle oder die Meßstellen, die in Fig. 1 bis 3 durch eine an der jeweiligen Meßstelle anzuordnende Sonde 2 angedeutet sind, befinden sich in großer Entfernung von einer Lichtquelle 3 einerseits und einer Auswertung 4 des Meßlichtes andererseits. Die Sonde 2 kann dabei einen beliebigen Aufbau haben, wobei in bekannter und nicht näher dargestellter Weise zwei einan der gegenüberliegende Fenster vorgesehen sind, zwischen denen das zu untersuchende Medium von dem Meßlicht durchstrahlt wird. Eines dieser Fenster gibt also das Meßlicht ab, während das andere das nach dem Durchtritt durch das Medium verblei bende Restlicht aufnimmt. Dabei können sich diese beiden Fen ster gegenüberliegen oder es kann eine Reflektions- oder Re missionssonde vorgesehen sein, die den Lichtstrahl aussendet und das reflektierte Restlicht wieder aufnimmt.The device 1 is used for remote measurement, ie the measuring point or the measuring points, which are indicated in FIGS. 1 to 3 by a probe 2 to be arranged at the respective measuring point, are located at a great distance from a light source 3 on the one hand and an evaluation 4 of the Measuring light on the other hand. The probe 2 can have any structure, two in the known and not shown two on the opposite windows are provided, between which the medium to be examined is irradiated by the measuring light. One of these windows emits the measuring light, while the other receives the residual light remaining after it has passed through the medium. These two windows can be opposite each other or a reflection or re-emission probe can be provided which emits the light beam and takes up the reflected residual light again.

Die Entfernung zwischen der Lichtquelle 3 und der Sonde 2 so wie auch der Sonde 2 und dem Auswertegerät 4, welches eine noch zu beschreibende Auswerteelektronik enthält, ist durch Lichtleiter 5 und 6 überbrückt.The distance between the light source 3 and the probe 2 as well as the probe 2 and the evaluation device 4 , which contains evaluation electronics to be described, is bridged by light guides 5 and 6 .

Um dabei den Einfluß von Streulicht oder elektromagnetischen Feldern od. dgl. Störungen so gering wie möglich zu halten, sind im Ausführungsbeispiel die Lichtleiter 5 und 6 sowie ein noch zu erwähnender Lichtleiter 7 für einen Referenz-Licht strahl jeweils als Einzelfasern ausgebildet.In order to keep the influence of stray light or electromagnetic fields or the like interference as low as possible, the light guides 5 and 6 and a light guide 7 to be mentioned for a reference light beam are each formed as individual fibers in the exemplary embodiment.

Um zwischen der Lichtquelle 3 und der Sonde 2 einerseits so wie der Sonde 2 und dem Auswertegerät 4 andererseits wirklich große Entfernungen von gegebenenfalls mehr als hundert Metern oder gar mehreren hundert Metern überbrücken zu können, wo bei auch einfasrige Lichtleiter Verluste haben, muß während des eigentlichen Meßvorganges entsprechend viel Energie von der Lichtquelle aufgebracht werden. Diese ist deshalb im Aus führungsbeispiel eine Blitzlampe, wobei in Fig. 5 die beiden Elektroden 8 und die Zündelektrode 9 einer solchen als Licht quelle 3 dienenden Blitzlampe schematisiert zusammen mit ei nem Lichtbogen 10 dargestellt sind.In order to be able to bridge really long distances of possibly more than a hundred meters or even several hundred meters between the light source 3 and the probe 2, on the one hand, like the probe 2 and the evaluation device 4 , where even single-fiber light guides have losses, must be done during the actual Measuring process correspondingly much energy from the light source are applied. This is therefore in the exemplary embodiment from a flash lamp, in FIG. 5 the two electrodes 8 and the ignition electrode 9 of such a light source 3 serving as a flash lamp are shown schematically together with an arc 10 .

Das Blitzlicht einer solchen Blitzlampe hat eine entsprechend hohe Leistung, allerdings nur für sehr kurze Zeit, wie es die Kurve 11 in Fig. 4 etwas idealisiert zeigt. Aufgrund der nur sehr kurzen Blitzdauer und der dabei häufig noch auftretenden Schwankungen der Strahlungsleistung ist ein solches Blitzlicht trotz seiner hohen Leistung vor allem für eine Aus wertung der Messung praktisch ungeeignet. Dabei ist zu be rücksichtigen, daß der Frequenzgang des Lichtsensors 12 a, eines Vorverstärkers 12 in der Auswerteelektronik 4 und eines dem Vorverstärker 12 nachgeschalteten Folgeverstärkers 13 der zeitliche Ablauf des Signales verzerrt.The flash light of such a flash lamp has a correspondingly high output, but only for a very short time, as curve 11 in FIG. 4 shows somewhat idealized. Due to the very short flash duration and the frequently occurring fluctuations in the radiation power, such a flash light is practically unsuitable for evaluating the measurement despite its high power. It should be taken into account that the frequency response of the light sensor 12 a , a preamplifier 12 in the evaluation electronics 4 and a preamplifier 12 downstream amplifier 13 distorts the timing of the signal.

Deshalb wird anstelle der Amplitude des Signales dessen Inte gral mit Hilfe eines elektrischen Integrators 14 ausgewertet. Dieser Wert entspricht der Energie des Signales und ist unab hängig vom Frequenzgang der elektrischen Komponenten.Therefore, instead of the amplitude of the signal, the inte gral is evaluated using an electrical integrator 14 . This value corresponds to the energy of the signal and is independent of the frequency response of the electrical components.

Voraussetzung dafür ist allerdings, daß an keiner Stelle eine Nichtlinearität, z. B. in Folge begrenzter Anstiegsgeschwin digkeit, auftritt.However, the prerequisite for this is that there is no Non-linearity, e.g. B. as a result of limited rate of increase severity, occurs.

Es ist deshalb im Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß ein dem Frequenzgang und dem Großsignalverhalten der elektrischen Komponenten angepaßter zeitlicher Verlauf des Lichtpulses gemäß der Kurve 15 in Fig. 4, also ein etwa glockenkurvenför miger Verlauf des Lichtpulses erzeugt wird. Dies geschieht dadurch, daß im Entladestromkreis 16 (Fig. 2) eines Kondensa tors 17, in dem sich die Blitzlampe befindet, dieser Blitzlam pe zumindest eine Induktivität 18 od. dgl. Glättungseinrichtung vorgeschaltet ist. It is therefore provided in the exemplary embodiment that a time curve of the light pulse adapted to the frequency response and the large signal behavior of the electrical components is generated according to curve 15 in FIG. 4, that is to say an approximately glockenkurvenför shaped curve of the light pulse. This is done in that in the discharge circuit 16 ( Fig. 2) of a capacitor 17 in which the flash lamp is located, this Blitzlam pe at least one inductor 18 or the like. Smoothing device is connected upstream.

In Reihe mit der Induktivität 18 ist dabei außerdem noch ein ohmscher Widerstand 19 geschaltet, wie man es in Fig. 2 er kennt.In series with the inductor 18 , an ohmic resistor 19 is also connected, as is known in FIG. 2.

Der die Blitzlampe 3 speisende Kondensator 17 kann z. B. eine Kapazität von etwa 8 Mikrofarrad, die Induktivität 18 einen Wert von etwa 6 Mikrohenry und der Widerstand 19 einen Wider standswert von etwa 2,5 Ohm haben. Es ergibt sich dann eine Glättung und zeitliche Streckung der Blitzlicht-Kurve, die zwar eine erheblich geringere, aber immer noch über normalen Lichtquellen liegende Amplitude hat, vor allem aber aufgrund der zeitlichen Streckung und damit vermiedenen Nichtlinea ritäten in der Auswerteelektronik problemlos integriert und somit gut und präzise ausgewertet werden kann.The capacitor 17 feeding the flash lamp 3 can e.g. B. a capacity of about 8 microfarads, the inductance 18 has a value of about 6 microhenries and the resistor 19 has a resistance value of about 2.5 ohms. There is then a smoothing and temporal stretching of the flashing light curve, which has a considerably lower amplitude, but still lies above normal light sources, but above all due to the temporal stretching and thus avoided non-linearities in the evaluation electronics, it is easily integrated and therefore good and can be evaluated precisely.

Bei der Einrichtung 1 wird also einerseits die hohe Lichtaus beute eines Blitzlichtes ausgenutzt, andererseits gleichzei tig aber dafür gesorgt, daß die für solche Messungen ungün stigen Eigenschaften eines Blitzlichtes eliminiert werden.In the device 1 so on the one hand, the high light output of a flash light is exploited, on the other hand at the same time, however, ensures that the unfavorable properties of a flash light for such measurements are eliminated.

Bevorzugt kann dabei die Lichtquelle 3 eine mit Edelgas be füllte Blitzlampe sein, um genügend viele Blitze pro Zeitein heit abgeben zu können und dennoch eine lange Lebensdauer zu haben.Preferably, the light source 3 can be a flash lamp filled with noble gas to be able to emit enough flashes per Zeitein unit and still have a long life.

Wie bereits erwähnt, hat die Auswerteelektronik 4 einen Inte grator 14, der zumindest während der Dauer des Blitzes frei gegeben ist.As already mentioned, the evaluation electronics 4 has an integrator 14 which is released at least during the duration of the flash.

Da die einzelnen Blitze einer Blitzlampe jeweils in ihrer Intensität geringfügig schwanken können, dennoch aber jedes mal eine präzise Messung erforderlich ist, ist im Ausführungs beispiel vorgesehen, daß der Blitzlampe 3 ein Strahlteiler 20 zur Bildung des die Sonde 2 enthaltenden Meßlichtzweiges und eines Referenzlichtzweiges 7 nachgeschaltet ist. Die Auswerte elektronik 4 hat sowohl für den Meßlichtzweig 6 als auch für den Referenzlichtzweig 7 jeweils einen Integrator 14 und die sem vorgeschaltete Verstärker 13 und 12, sowie nachgeschal tete Abtast-Halteglieder 21, denen ein in Fig. 3 angedeuteter Rechner oder Computer 22, gegebenenfalls über einen Analog- Digitalwandler 23 nachgeschaltet ist.Since the individual flashes of a flash lamp can vary slightly in intensity, but each time a precise measurement is required, it is provided in the embodiment example that the flash lamp 3 has a beam splitter 20 connected to form the measuring light branch containing the probe 2 and a reference light branch 7 is. The evaluation electronics 4 has both for the measuring light branch 6 and for the reference light branch 7 in each case an integrator 14 and the sem upstream amplifiers 13 and 12 , and downstream sample-and-hold elements 21 , which a computer or computer 22 indicated in FIG. 3, if appropriate is connected via an analog-digital converter 23 .

In Fig. 2 ist außerdem eine Zeitsteuerung 24 erkennbar, die den jeweiligen Blitz auslöst und die Integratoren 14 während der Dauer des Blitzes freigibt. Die Ausgangsspannungen der Integratoren 14 werden nach dem Blitzende durch die Abtast halteglieder 21 gehalten. FIG. 2 also shows a time control 24 which triggers the respective flash and releases the integrators 14 during the duration of the flash. The output voltages of the integrators 14 are held by the sampling holding members 21 after the end of the flash.

Meß- und Referenzlicht werden also in zwei elektrisch iden tischen Auswertekanälen verarbeitet und können anschließend dividiert werden; d. h. es findet eine Verhältnisbildung statt. Diese Verhältnisbildung eliminiert die nicht zu vermeiden den Schwankungen der Blitzintensität oder sonstige gleich laufende Fehler in den beiden Auswertekanälen. Diese Division von Meß- und Referenzwert geschieht am besten dadurch, daß die Spannung der Abtast-Halteglieder 21 nacheinander - mit tels eines Umschalters - dem Analog-Digitalwandler 23 zuge führt, gewandelt und anschließend in dem Rechner 22 verar beitet werden.Measuring and reference light are processed in two electrically identical evaluation channels and can then be divided; that is, a relationship is formed. This ratio formation eliminates the unavoidable fluctuations in lightning intensity or other identical errors in the two evaluation channels. This division of measurement and reference value is best done in that the voltage of the sample-and-hold elements 21 one after the other - by means of a switch - leads the analog-digital converter 23 , converted and then processed in the computer 22 .

In Fig. 1 erkennt man zwischen der Lichtquelle 3 und dem Strahlteiler 20 einen Monochromator, der in diesem Falle als mit Hilfe eines Schrittmotors 25 angetriebenes Filterrad 26 ausgebildet ist. Dabei ist die Blitzlampe 3 durch eine Licht schranke 27 getriggert, welche Lichtschranke 27 in Fig. 1 gerade eine lichtdurchlässige Markierung 28 des Filterrades 26 abtastet. Stattdessen könnte auch eine lichtreflektieren de Markierung abgetastet werden. Neben der zu der Blitzlam pe 3 führenden Leitung 27 a erkennt man dabei außerdem noch eine Leitung 29, die von dieser Lichtschranke 27 ausgeht und wodurch die Integratoren 14 der Auswerteelektronik 4 gleich falls durch die die Markierungen 28 des Filterrades 26 ab tastende Lichtschranke 27 getriggert sind.In Fig. 1 it can be seen between the light source 3 and the beam splitter 20, a monochromator 25 driven filter wheel 26 is formed in this case by means of a stepping motor. The flash lamp 3 is bound by a light trigger 27, which photocell 27 in FIG. 1, just a translucent mark 28 scans the filter wheel 26.. Instead, a light-reflecting marking could also be scanned. In addition to the line 27 a leading to the Blitzlam pe 3 , one also recognizes a line 29 which emanates from this light barrier 27 and as a result of which the integrators 14 of the evaluation electronics 4 are triggered by the marks 28 of the filter wheel 26 from the light barrier 27 .

Das Filterrad 26 erlaubt in üblicher Weise, verschiedene In terferenzfilter individuell einzusetzen. Ein Standardfilter rad besitzt z. B. zwanzig Filterplätze 30, wovon sich in Fig. 1 gerade eines im Strahlengang der Lichtquelle 3 befindet. Der Synchronmotor 25 kann das Filterrad 26 z. B. mit einer Um drehung pro Sekunde antreiben und auch als Uhr des ganzen Systemes dienen. Es ergeben sich dann mehrere, bei zwanzig Filterplätzen und der erwähnten Umdrehungszahl 20 Einzelmes sungen pro Sekunde, wobei das Zünden der Blitzlampe 3 und die Freigabe der Integratoren 14 gleichzeitig erfolgen. Mit Hilfe der erwähnten Lichtschranke 27 kann die Position der einzelnen Filter 30 des Filterrades 26 genau erfaßt und also auch der Blitz im richtigen Augenblick ausgelöst werden.The filter wheel 26 allows in the usual way to use different interference filters individually. A standard filter wheel has z. B. twenty filter locations 30 , one of which is in Fig. 1 in the beam path of the light source 3 . The synchronous motor 25 can the filter wheel 26 z. B. drive with one rotation per second and also serve as a clock of the whole system. There are then several, with twenty filter positions and the mentioned number of revolutions 20 individual measurements per second, the ignition of the flash lamp 3 and the release of the integrators 14 taking place simultaneously. With the help of the light barrier 27 mentioned, the position of the individual filters 30 of the filter wheel 26 can be detected precisely and the flash can also be triggered at the right moment.

Vor allem anhand der Fig. 3 ist dargestellt, daß mehrere, ge gebenenfalls räumlich verteilte optische Sonden 2 mittels ein fasrigen Lichtleitern 5 und 6 (Fig. 1) an einem einzigen Gerät 1 angeschlossen sein können, wobei in Fig. 5 schematisiert dar gestellt ist, daß dabei ihre Eingänge 5 a unmittelbar neben einander im Bereich der Abbildung des Lichtbogens 10 einer einzigen Blitzlampe 3 liegen können, was aufgrund der geringen Eintrittsquerschnitte und der räumlichen Ausdehnung eines Lichtbogens 10 einer Blitzlampe 3 ohne weiteres möglich ist.In particular, the Fig based. 3 is illustrated that several ge spatially distributed optionally optical probes 2 by means of a fibrous light guides 5 and 6 (Fig. 1) may be connected to a single device 1, in which schematically in FIG. 5 is provided is that their inputs 5 a can lie directly next to each other in the area of the image of the arc 10 of a single flash lamp 3 , which is easily possible due to the small inlet cross sections and the spatial extent of an arc 10 of a flash lamp 3 .

Wegen der vorbeschriebenen Vorteile der Lichtwellenleiter und der als Blitzlampe ausgebildeten Lichtquelle können also mehrere, selbstverständlich räumlich verteilte optische Son den 2 an ein einziges Gerät 1 angeschlossen werden. Trotz der relativ kleinen Blitzlampe lassen sich wegen des geringen Durchmessers des einfasrigen Lichtwellenleiters bis zu zehn Sonden mit maximaler Lichtintensität von einer einzigen Blitzlampe speisen. Referenzbildung und Auswertung wird dabei für jede Sonde 2 wie vorstehend beschrieben durchgeführt. Da bei genügt für die Auswertung und Verhältnisbildung in vor teilhafter Weise ein mehrpoliger Umschalter und ein einziger Analog-Digitalwandler 23. Die Anordnung eines Gerätes bzw. einer Einrichtung 1 mit mehreren Sonden 2 ist in Fig. 3 sche matisiert dargestellt.Because of the above-described advantages of the optical waveguide and the light source designed as a flash lamp, several, of course spatially distributed, optical sensors 2 can be connected to a single device 1 . Despite the relatively small flash lamp, because of the small diameter of the single-fiber optical fiber, up to ten probes with maximum light intensity can be fed by a single flash lamp. Reference formation and evaluation is carried out for each probe 2 as described above. Since a multipole switch and a single analog-digital converter 23 are sufficient for the evaluation and ratio formation in an advantageous manner. The arrangement of a device or a device 1 with a plurality of probes 2 is shown schematized in Fig. 3.

Fig. 5 zeigt dabei, daß die Eintritte 5 a der Lichtwellenlei ter 5 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei in dieser Darstellung drei derartige Lichtwellenleiter 5 erkenn bar sind, die im Bereich ihrer Eingänge 5 a parallel laufen. Selbstverständlich können aber oberhalb und unterhalb der dargestellten Lichtwellenleiter weitere derartige Licht wellenleiter angeordnet sein, so daß eine Blitzlampe 3 über das Linsensystem ohne weiteres z. B. neun oder etwa zehn Licht wellenleiter 5 speisen kann. Fig. 5 shows that the entrances 5 a of the Lichtwellenlei ter 5 are arranged in a common plane, with three such optical fibers 5 being recognizable in this representation, which run in the area of their inputs 5 a in parallel. Of course, other such light waveguides can be arranged above and below the optical waveguide shown, so that a flash lamp 3 via the lens system easily z. B. can feed nine or about ten light waveguide 5 .

Selbstverständlich kann anstelle eines Filterrades auch ein anderer Monochromator, z. B. Interferenzgitter, Prismen od. dgl. vorgesehen werden, falls eine bessere Auflösung und hö here Meßdichte erforderlich ist.Of course, instead of a filter wheel other monochromator, e.g. B. interference grating, prisms od. Like. Provided if a better resolution and higher Here measuring density is required.

Insgesamt ergibt sich eine spektralfotometrische Einrichtung 1, die vielfältige Einsatzmöglichkeiten für die Meßanalytik unmittelbar innerhalb ablaufender Prozesse ermöglicht, wobei durch die Verwendung von Blitzlicht mit entsprechend hoher Strahlungsintensität und die sonstigen vorbeschriebenen Maß nahmen eine sehr genaue und präzise Messung über ungewöhnlich große Entfernungen möglich ist, so daß vor allem bei Verwen dung mehrerer Sonden 2 zentral sehr weit auseinanderliegende Meßstellen praktisch gleichzeitig überwacht werden können. Auch kann die empfindliche Auswerteelektronik genügend weit und somit geschützt von Prozeßabläufen angeordnet werden. Overall, there is a spectrophotometric device 1 , which enables a wide range of possible uses for measurement analysis directly within ongoing processes, whereby the use of flash light with a correspondingly high radiation intensity and the other measures described above enables a very precise and precise measurement over unusually long distances, so that especially when using several probes 2 centrally very far apart measuring points can be monitored practically simultaneously. The sensitive evaluation electronics can also be arranged sufficiently far and thus protected from process sequences.

In Fig. 2 ist dabei noch angedeutet, daß ein Lichtsensor 12 a, vorzugsweise eine Silizium- oder Germaniumphotodiode vorgesehen ist, die eintreffende Strahlung am Ende des oder der Lichtwellenleiter 6, 7 in einen proportionalen Strom um wandeln, der in dem nachgeschalteten Vorverstärker 12 in eine Spannung wandelbar und in dem Folgeverstärker 13 ver stärkbar ist.In Fig. 2 it is also indicated that a light sensor 12 a , preferably a silicon or germanium photodiode is provided, the incoming radiation at the end of the or the optical waveguide 6, 7 convert into a proportional current, which in the downstream preamplifier 12 in a voltage is convertible and can be amplified in the repeater 13 .

Claims

1. Spectrophotometric device ( 1 ) for remote measurement, in which the measuring point (s), probes ( 2 ) or the like. In particular with two opposite windows, where on the one hand measuring light is emitted and on the other hand residual light is recorded, at a spatial distance from the the measuring light generating and to the residual light processing device ( 4 ) and by means of light guides ( 5, 6 ) are connected, behind which the residual light absorbing the window or the like. An electronic evaluation unit ( 4 ) for that to be measured Medium-permeable residual light is provided, characterized in that the light source ( 3 ) is a flash lamp and that for smoothing the radiation power ( 11 ) emitted by the flash lamp over time and for its temporal extension ( 15 ) in the discharge circuit ( 16 ) Capacitor ( 17 ) by the flash lamp, this flash lamp at least one inductor ( 18 ) or the like. Smoothing device is connected upstream.

2. Device according to claim 1, characterized in that the evaluation electronics ( 4 ) has an integrator ( 14 ) released at least during the duration of the flash.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that an ohmic resistance ( 19 ) is connected in series with the inductor ( 18 ).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the flash lamp ( 3 ) feeding capacitor ( 17 ) has a capacity of about 8 microfarads, the inductance ( 18 ) has a value of about 6 microhenries and, if appropriate provided resistor ( 19 ) have a resistance value of about 2.5 ohms.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light source ( 3 ) is a flash lamp filled with GE gas.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flash lamp ( 3 ) has a beam splitter ( 20 ) for forming a measuring light branch ( 6 ) and a reference light branch ( 7 ) and the evaluation electronics ( 4 ) both for the measuring light branch ( 6 ) and for the reference light branch ( 7 ) each have an integrator ( 14 ) and preferably upstream amplifiers ( 13, 12 ) and downstream sample and hold elements ( 21 ), to which a computer ( 22 ) or the like. optionally connected via an analog-digital converter ( 23 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a light sensor ( 12 a) , preferably a silicon or germanium photodiode is provided, the incoming radiation at the end of the or the light waveguide ( 6, 7 ) in a proportional Convert current that can be converted into a voltage in the downstream preamplifier ( 12 ) and can be amplified in the secondary amplifier ( 13 ).

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light guide ( 5, 6, 7 ) to and from the measuring point are each single fiber light guide.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that between the light source ( 3 ) and the beam splitter ( 20 ), a monochromator, preferably with a motor or stepper motor ( 25 ) driven filter wheel ( 26 ) is arranged .

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the flash lamp ( 3 ) is triggered by an encoder ( 27 ) which scans markings ( 28 ) of the fil terrades ( 26 ).

11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the integrators ( 14 ) of the evaluation electronics ( 4 ) are likewise triggered by the sensor ( 27 ) scanning the markings ( 28 ) of the filter wheel ( 26 ).

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a time control ( 24 ) is provided for triggering the Zündspannungsimpul ses, which is also connected to release the integrators ( 14 ).

13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized characterized in that several, preferably about ten or twenty or more individual measurements per second are provided are.

14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that several - optionally spatially distributed - optical probes ( 2 ) are connected by means of in particular a fibrous light guide ( 5 ) to a device and their inputs ( 5 a) directly next to each other in the area the image of the arc ( 10 ) of a single flash lamp ( 3 ).

15. Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the entrances ( 5 a) in the at least at their beginning approximately parallel light guide ( 5 ) are arranged in a common plane at a short mutual distance.

16. Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that a flash lamp ( 3 ) feeds about nine or ten optical fibers ( 5 ).

17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation electronics ( 4 ) for the different light guides a multi-pole switch ter and a single analog-digital converter ( 23 ).