DE3838820A1 - Abgleich des mess- und vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen photometern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Intensitätsabgleich des Meß- und Vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen Photometern, das im Gegensatz zu den bisher üblichen Ver­ fahren in den beiden Strahlengängen keine besonderen opti­ schen und/oder mechanischen Einrichtungen zur kontrollier­ ten Lichtschwächung benötigt.

Durch das Verfahren soll im Vergleich zum Stand der Tech­ nik eine wesentliche Vereinfachung und größere Robustheit des Aufbaus von Zweistrahlphotometern sowie eine höhere Meßgeschwindigkeit über den Gesamtmeßbereich von mehreren Größenordnungen erreicht werden.

Nach dem Stand der Technik besitzen Photometer mit hoher Meßgenauigkeit zwei Strahlengänge, einen Meßstrahlengang und einen Vergleichlichtstrahlengang.

Beide Strahlengänge stammen von derselben Lichtquelle. Bei Photometern, die nach dem Substitutionsprinzip arbei­ ten, hat jeder Strahlengang seinen eigenen Sensor, wobei beide Sensoren in eine Kompensationsschaltung integriert sind. Im Meßstrahlengang befindet sich eine Vorrichtung zur Lichtschwächung, die solange verändert wird, bis die Kom­ pensationsschaltung auf Null abgeglichen ist. Die Verände­ rung der Lichtschwächungsvorrichtung wird quantitativ als Meßergebnis erfaßt.

Bei Photometern, die nach dem Wechsellichtprinzip arbeiten, befindet sich die Vorrichtung zur Lichtschwächung im Ver­ gleichsstrahlengang. Meßstrahlengang und Vergleichsstrahlen­ gang haben nicht nur eine gemeinsame Lichtquelle, sondern sie werden auch abwechselnd nacheinander auf einen gemein­ samen optoelektronischen Sensor geleitet. Die Vorrichtung zur Lichtschwächung wird solange quantitativ verändert, bis der Sensor die Intensität beider Strahlengänge als gleich erkennt.

Photometer, die nach den eben beschriebenen Prinzipien arbei­ ten, haben im Unterschied zu einstrahligen Photometern die Eigenschaft, daß Änderungen der Lichtintensität z. B. durch Alterung der Lichtquelle oder ihres Stromversorgungsteils keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Photometer, die nach dem Wechsellichtprinzip arbeiten, lie­ fern darüberhinaus Meßergebnisse, auf die eine eventuelle Veränderung des optoelektronischen Sensors und der ihm nach­ geschalteten Elektronik durch Verschmutzung, Alterung usw. keinen Einfluß hat.

Die Vorrichtungen zur kontinuierlich veränderbaren Licht­ schwächung, die in den Strahlengängen der Photometer unter­ gebracht sind, um die wechselseitige Anpassung von Meßlicht und Vergleichslicht vorzunehmen, benötigen präzise Stell­ elemente geringer Hysterese, mit denen die Veränderung der Lichtintensität meßbar und reproduzierbar vorgenommen wer­ den kann.

Man benutzt zur Lichtschwächung z. B. verstellbare Blenden, verschiebbare optische Graukeile, gegeneinander verdrehbare Polarisatoren, Drehspiegel und variable Beugungsgitter.

Diese Vorrichtungen zur Lichtschwächung des Meßlicht- bzw. Vergleichlichtstrahles haben folgende Nachteile:

• 1. Großer mechanischer und optischer Aufwand zur reprodu­ zierbaren Umsetzung einer Bewegung in eine definierte Lichtschwächung.
• 2. Beträchtlicher Justieraufwand der Vorrichtung im Strah­ lengang.
• 3. Beeinträchtigung des Meßwertes durch Verschmutzung und Dejustage, z. B. beim Transport.
• 4. Die mechanische Bewegung begrenzt die Einstellgeschwin­ digkeit des Meßwertes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, photometrische Messungen nach der Substitutions- und der Wechsellicht- Methode möglich zu machen, ohne daß eine Vorrichtung zur Lichtschwächung im Meß- oder Vergleichlichtstrahlengang eingebaut werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Intensität der Lichtquelle durch eine geeignete Steuerung veränderbar ist und der Meßzyklus nach folgendem Verfahren abläuft:

Bei maximaler Intensität der Lichtquelle werden die Intensi­ tätswerte digital oder analog gespeichert. Die Speicherung der beiden Werte kann gleichzeitig erfolgen, wenn beide Strahlengänge gemäß der oben beschriebenen Substitutions­ methode ihren eigenen optoelektronischen Sensor haben. Sie wird nacheinander vorgenommen, wenn beide Strahlengänge wie z. B. bei der Wechsellichtmethode einen gemeinsamen Sensor haben. Dabei wird entweder durch eine rotierende Blende, oder eine mittels Drehmagnet bzw. Hubmagnet verschiebbare Blende, oder durch einen Flatterspiegel jeweils einer der Strahlen­ gänge für den gemeinsamen Sensor freigegeben.

Danach entscheidet ein digitaler bzw. analoger Vergleich der gespeicherten Werte, ob die Intensität des Meßstrahles an den gespeicherten Vergleichlichtwert angepaßt wird oder um­ gekehrt. Dies hängt davon ab, ob die Meßstrahlintensität größer oder kleiner als die Vergleichlichtintensität ist.

Der Abgleich der Intensität des betreffenden Strahlenganges mit dem gespeicherten Wert geschieht nun durch eine Änderung der Intensität der Lichtquelle.

Die zum Abgleich erforderliche Intensitätsänderung der Licht­ quelle wird auf eine vom Sensor im Meß- bzw. Vergleichsstrah­ lengang unabhängige Weise bestimmt und als Meßwert ausgegeben. Dann wird wieder die Maximalintensität der Lichtquelle ange­ steuert und der beschriebenen Meßablauf beginnt von Neuem.

Da keine optisch-mechanischen Stellglieder für den Meßab­ lauf erforderlich sind, abgesehen von der bewegten Blende zwischen Meß- und Vergleichlicht bei der Wechsellichtmethode, ist es möglich, dem Meßablauf rein elektronisch zu reali­ sieren.

Durch den Einsatz der heute verfügbaren schnellen digitalen und analogen elektronischen Schaltkreise und Lichtquellen wie z. B. Leuchtdioden und Laserdioden kann die Wiederholfre­ quenz des Meßablaufs daher hinreichend groß gemacht werden, um eine quasi-kontinuierliche Meßfolge zu erzeugen:

Sie ist dann gegeben, wenn die Meßfrequenz groß ist im Ver­ gleich zu den zeitlichen Änderungen des Meßobjekts und im Vergleich zu möglichen Veränderungen, die am photometrischen Meßsystem selbst im Laufe der Beanspruchung vorkommen kön­ nen.

Die Meßgeschwindigkeit des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens und die verfahrensmäßig vorgesehene Speicherung und Vergleichung der pro Meßzyklus erhaltenen Werte bietet implizit die Möglichkeit, auf einfache Weise eine Beein­ flussung des Meßwertes zu kompensieren, die bei einer Ver­ änderung der optisch-elektronischen Einrichtung infolge Verschmutzung, Alterung u. ä. auftreten würde.

Außerdem sind Konzentrationsänderungen über mehrere Größen­ ordnungen, wie sie z. B. in der Aerosolmeßtechnik üblich sind, um ein Vielfaches schneller verfolgbar, als es mit den her­ kömmlichen Zweistrahlphotometern möglich ist.

Besonders einfach läßt sich ein Photometer im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens gestalten, wenn der Steuer­ strom der Lichtquelle einen sägezahnartigen Verlauf hat und die dadurch hervorgerufene sägezahnartige Intensitäts­ änderung der Lichtquelle von einem Sensor erfaßt wird, der in einem zum Meß- und Vergleichlichtstrahl hinzukommenden dritten Strahlengang (im folgenden Beleuchtungsstrahl ge­ nannt) untergebracht ist.

Das photometrische Meßergebnis ist dann die Differenz des Beleuchtungswertes im Sägezahnmaximum und dem Beleuchtungs­ wert zu dem Zeitpunkt, zu dem der momentane Meß- bzw. Ver­ gleichlichtwert den im Sägezahnmaximum gespeicherten Ver­ gleichlicht- bzw. Meßwert erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet z. B. bei Aerosol- Streulichtphotometern, die hohe Aerosolkonzentrationen bewerten müssen, eine unmittelbare Korrektur des Fehlers, den der Streulichtwert infolge der Eigenabsorption des Aerosols aufweist.

Dazu ist erforderlich, daß der Beleuchtungsstrahl, der die Aerosolkammer durchsetzt und dabei das Streulicht erzeugt, nach seinem Austritt aus der Kammer auf einen optoelektronischen Sensor fällt, der die Aufgabe hat, die zur Anpassung des Streulichtwertes an den Vergleich­ lichtwert erforderliche Intensitätsänderung der Licht­ quelle zu bestimmen. Da die Eigenabsorption des Aerosols in dieser Anordnung die Intensitätsbestimmung der Licht­ quelle im selben Maß beeinflußt wie die Streulichtwerts­ bestimmung wird der entsprechende Fehler eliminiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt einen Meßablauf, der vorteilhaft von einem Mikroprozessor vollzogen werden kann. Außer den in Anspruch 5 beschriebenen Aufgaben kann der Mikroprozessor zusätzlich z. B. das Meßsystem selbst auf seine korrekte Funktion hin überwachen, indem er beispielsweise die bei jedem Meßzyklus ermittelten maxima­ len Intensitätswerte der verschiedenen Strahlengänge mit Daten vergleicht, die er zu einem früheren Zeitpunkt z. B. an einem Kalibrationsnormal gemessen hatte.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt darin, daß die mechanisch-optische Einrichtung zum Intensitätsab­ gleich der Strahlengänge bei Photometern entfallen kann. Dadurch ist es möglich, die Photometer einfacher und robuster aufzubauen, ihre Meßgeschwindigkeit zu erhöhen, und sie gegenüber Fehlmessungen durch Wegfall der Abschwächvorrichtungen in den Strahlengängen sicherer zu machen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Aerosolkammer besteht aus einem Rohr, das senkrecht zur Papierebene verläuft und am oberen und unteren Ende eine Eintritts- bzw. Austrittsöffnung für das Aerosol be­ sitzt, so daß das Aerosol die Kammer senkrecht zur Papier­ ebene durchsetzt.

Im Bereich der halben Kammerrohrlänge besitzt die Aerosol­ kammer drei Öffnungen, die in einer Ebene parallel zur Papierebene liegen. Zwei dieser Öffnungen sind diametral angeordnet und dienen als Eintritts- bzw. Austrittsöffnun­ gen für den Beleuchtungsstrahl. Die dritte Öffnung dient als Austrittspupille für das Streulicht, das an den Aero­ solpartikeln in Wechselwirkung mit dem Beleuchtungsstrahl entsteht.

Der Beleuchtungsstrahl wird von einem Diodenlaser erzeugt, durch einen Kollimator parallelisiert und fällt nach sei­ nem Durchtritt durch das Aerosol auf eine Photodiode als Meßsensor S 1. Gleichzeitig wird z. B. durch einen Strahltei­ ler vom Diodenlaser ein zweiter Lichtstrahl abgeleitet, der als als Vergleichlichtstrahl zusammen mit dem aus der Aero­ solkammer auftretenden Streulichtstrahl auf einen Sekundär­ elektronenvervielfacher fällt (Vergleichssensor S 2). Im Streulicht- und Vergleichsstrahlengang ist eine verschieb­ bare Blende angeordnet, die entsprechend ihrer Position jeweils für nur einen der beiden Strahlengänge den Weg zum Sensor S 2 freigibt. Diese Blende ist das einzige elektro­ mechanisch bewegliche Teil des Meßsystems.

Der zum System gehörende Mikroprozessor ist mit der in der Zeichnung beispielhaft angedeuteten Interface-Peripherie in der Lage, über den A/D-Wandler durch eine entsprechende Ansteuerung des Multiplexers und der verschiebbaren Blende die an S 1 und S 2 anliegenden und von V 1 und V 2 verstärk­ ten Signale abzurufen, die je nach Zustand des Multiplexers und der Blende entweder den Beleuchtungswert oder den Streulichtwert oder den Vergleichlichtwert darstellen. Der Mikroprozessor kann außerdem mit Hilfe der angedeuteten elektronischen Schaltung LS, die Lichtleistung des Lasers variieren.

Durch eine entsprechende Programmierung wird nun vom Mikro­ prozessor der Meßablauf nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren durchgeführt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Lichtintensitätsabgleich des Meß- und Ver­ gleichsstrahlengangs bei lichtelektrischen Photometern, dadurch gekennzeichnet, daß bei maximaler Intensität der Lichtquelle der Intensitätswert des Meß- und Vergleichs­ strahlenganges digital oder analog gespeichert wird, und daß anschließend die Intensität der Lichtquelle in einem meßtechnisch darstellbaren Maß zwischen ihrem Minimum und ihrem Maximum solange verändert wird, bis entweder die Ver­ gleichlichtintensität dem zuvor gespeicherten Wert des Meßstrahlenganges entspricht oder umgekehrt bis die In­ tensität des Meßstrahlengangs dem gespeicherten Vergleich­ lichtwert entspricht, je nachdem ob der gespeicherte Wert des Meßstrahlengangs kleiner oder größer als der gespei­ cherte Vergleichlichtwert ist.
Die zum beschriebenen Intensitätsabgleich erforderliche Änderung der Intensität der Lichtquelle stellt das Maß für den durch den Meßstrahlengang gelieferten Intensitäts­ wert dar.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Anspruch 1 beschrie­ bene Meßablauf zyklisch wiederholt wird, so daß bei hin­ reichend großer Wiederholfrequenz, d. h. einer Wiederhol­ frequenz, die groß ist im Vergleich zu möglichen Verände­ rungen des Meßsystems und zu den zeitlichen Änderungen des Meßwertes, eine quasi-kontinuierliche Meßfolge entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Photometern, z. B. Streu­ licht-Aerosolphotometern, die nach der Wechsellichtmethode arbeiten, dem Meß- und Vergleichlichtstrahlengang ein dritter Strahlengang hinzugefügt wird, der mit einem eigenen opto­ elektronischen Sensor versehen ist, mit dessen Hilfe die zur gegenseitigen Anpassung von Meßlicht- und Vergleichlicht­ intensität erforderliche Intensitätsänderung der Lichtquelle gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß z. B. bei Streulicht-Aerosol­ photometern der in Anspruch 3 beschriebene dritte Strahlengang als Beleuchtungsstrahlengang die Aerosol­ kammer passiert und dann auf den ihm zugeordneten Sensor fällt, während das vom Beleuchtungsstrahl in der Aerosol­ kammer erzeugte Streulicht als Meßstrahl und der von der Lichtquelle ausgehende Vergleichlichtstrahl im Sinne von Anspruch 1 ihren eigenen Sensor besitzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle von ihrer Stromversorgung sägezahnartig angesteuert wird, so daß im Sägezahnmaximum die Intensitätswerte der Strahlengänge gespeichert werden und auf der ansteigenden oder abfallen­ den Flanke des Sägezahns die Intensitätsabweichung vom Maximum zum Zeitpunkt der Gleichheit von Meß- und Vergleich­ lichtwert im Sinne von Anspruch 1.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Verfahren beschriebene Meßablauf von einem Mikroprozessor gesteuert wird, indem er bei maximaler Intensität der Lichtquelle den Vergleichlichtwert und den momentan gegebenen Meßwert abspeichert und dann durch eine Änderung der Intensität der Lichtquelle das Meßlicht bzw. das Vergleichlicht an den gespeicherten Vergleichslichtwert bzw. Meßlichtwert anpaßt und die dazu erforderliche Intensitätsänderung der Lichtquelle als Meßresultat anzeigt.
Dieser Prozeßablauf wird kontinuierlich wiederholt mit einer Frequenz, die groß ist im Vergleich zur Meßwert­ änderung.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsänderung der Lichtquelle vom Mikroprozessor mit Hilfe eines Digital- Analogwandlers und einer geeigneten elektronischen An­ steuerung vorgegeben wird.