DE3838820A1 - Abgleich des mess- und vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen photometern - Google Patents
Abgleich des mess- und vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen photometernInfo
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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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883838820 DE3838820A1 (de) | 1988-11-17 | 1988-11-17 | Abgleich des mess- und vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen photometern |
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DE19883838820 DE3838820A1 (de) | 1988-11-17 | 1988-11-17 | Abgleich des mess- und vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen photometern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3838820A1 true DE3838820A1 (de) | 1990-05-23 |
DE3838820C2 DE3838820C2 (de) | 1991-01-31 |
Family
ID=6367294
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DE19883838820 Granted DE3838820A1 (de) | 1988-11-17 | 1988-11-17 | Abgleich des mess- und vergleichlichtstrahles bei lichtelektrischen photometern |
Country Status (1)
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DE (1) | DE3838820A1 (de) |
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- 1988-11-17 DE DE19883838820 patent/DE3838820A1/de active Granted
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