DE3840078A1 - Verfahren zur erhoehung der lebensdauer einer uv-lampe und durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer einer ultravioletten (UV) Lampe, die bei der Konzentrationsmes­ sung von Gasen und Flüssigkeiten als Anregungslichtquelle einge­ setzt wird. Dabei wird die UV-Strahlung entweder durch eine Meß­ zelle geleitet, die die zu erfassenden Gase oder Flüssigkeiten enthält und die von diesen Stoffen bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark absorbiert wird, so daß durch Messung der UV-Intentsität vor und nach der Meßzelle die Transmission und mit­ tels des Lambert-Beerschen Gesetzes die Konzentration bestimmt wird, oder bei dem die ultraviolette Strahlung die in einer Meß­ zelle befindlichen Gase oder Flüssigkeiten zur Fluoreszenz an­ regt, deren Intensität photoelektrisch gemessen und mittels einer Eichung die Konzentration dieser Stoffe bestimmt werden kann.

Solche als Spektralphotometer, -spektrometer oder aber Fluores­ zenzspektrometer bezeichneten Meßgeräte werden in der Laboranaly­ tik und in der Prozeßmeßtechnik eingesetzt. Damit können sowohl Gase kontinuierlich gemessen werden, z. B. Stickoxide und Ammoni­ ak im Abgas eines mit fossilen Energieträgern betriebenen Kraft­ werkes zur Überwachung der Emissionsgrenzwerte oder zur optimalen Steuerung von Entstickungsanlagen. Bei der Analyse von Flüssig­ keiten werden solche Systeme unter anderem in der HPLC (High Per­ formance Liquid Chromatography) eingesetzt. Bei diesem Meßverfah­ ren wird eine flüssige Probe in einen Flüssigkeitsstrom (Eluent) injiziert und diese Mischung bei hohem Druck durch eine spezielle Säule geleitet, die durch Wechselwirkung zwischen Säulenfüllmate­ rial und den einzelnen Flüssigkeitskomponenten diese unterschied­ lich lange festhält, so daß am Ausgang der Säule die in der Mi­ schung enthaltenen Komponenten zeitlich getrennt heraustreten und von einem nachfolgenden Meßgerät, z. B. einem Spektralphotometer oder Fluoreszenzspektrometer, detektiert werden können. Diese Meßgeräte arbeiten zumeist im ultravioletten Spektralbereich, weil die Absorption der zu messenden Stoffe in diesem Bereich be­ sonders groß ist und somit gute Nachweisgrenzen erreicht werden können.

Solche Meßgeräte weisen jedoch einen gravierenden Nachteil auf, der insbesondere in der Prozeßmeßtechnik störend ist: Die ultra­ violette Strahlungsquelle, meist eine Deuteriumlampe, hat nur ei­ ne begrenzte Lebensdauer von einem viertel oder einem halben Jahr bei Dauerbetrieb, wie es in der Prozeßmeßtechnik nötig ist. Somit ist nicht nur mit zusätzlichen Kosten durch den Austausch zu rechnen, nachteilig ist vielmehr eine Produktionsverschlechterung oder gar ein Produktionsausfall, wen der Prozeß von einem sol­ chen Meßgerät gesteuert wird. Andere UV-Lampen mit einer Lebens­ dauer von einem Jahr, wie z. B. Quecksilberniederdrucklampen, weisen nur ein diskretes Emissionsspektrum auf. Im UV wird prak­ tisch nur eine Linie bei 254 nm Wellenlänge ausgesendet. Die Ein­ satzmöglichkeiten werden dadurch stark eingeschränkt, weil nur solche Stoffe erfaßt werden können. Mit konstanter Frequenz gepulste Xenon-Lampen haben bei gleicher mittlerer Leistung auch keine größere Lebensdauer.

Die Lebensdauer von Gasentladungslampen wird hauptsächlich durch das Heraustreten von Elektrodenmaterial (Sputtern) und Niederschlag am Lampenkolben bestimmt. Weiterhin verfärbt sich mit der Zeit der Lampenkolben auch durch die ultraviolette Strahlung (Farbzentrenbildung). Beide Effekte sind allerdings nur dann wirksam, wenn die Lampe in Betrieb ist, während z. B. die Diffu­ sion von Deuterium im Falle von Deuteriumlampen durch den Lampen­ kolben von der Zeit abhängt und also auch bei ausgeschalteter Lampe wirksam ist. Dieser Effekt ist allerdings bei den heutigen Lampen von untergeordneter Bedeutung. Aus diesen Gründen kann ei­ ne Erhöhung der Lebensdauer dann erreicht werden, wenn keine ständige Ausgabe von Meßwerten erwartet und nur zu bestimmten Zeiten, den Meßzeiten, eine Meßwertausgabe gewünscht wird.

Ziel der Erfindung ist es, die Lebensdauer einer UV-Lampe zu ver­ längern, indem ein spezielles Verfahren zur Ansteuerung von ge­ pulsten Lampen eingesetzt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gepulste Lampe verwendet, die von einer Elektronik nur dann automatisch eingeschaltet wird, wenn Meßsignale erwartet werden. Eine solche Korrelation ist z. B. in der Prozeß-HPLC vorhanden: Sollen beispielsweise zwei Sub­ stanzen erfaßt werden, deren Peaks im Chromatogramm zwischen den Retensionszeiten t ₁ und t ₂, bzw. t ₃ und t ₄, beobachtet werden, so wird die gepulste Lampe nur für die Meßzeiten t ₁ bis t ₂ und t ₃ bis t ₄ eingeschaltet. Außerhalb dieser Zeiten, den Pausenzeiten, bleibt die Lampe ausgeschaltet. Die zu messenden Stoffe und die damit verbundenen Peaks sind für eine jeweilige Meßaufgabe be­ kannt. Mittels einer einmaligen Eichung können daher anhand des Chromatogramms die Meß- und Pausenzeiten festgelegt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens besteht darin, die UV-Lampe während der Meßzeiten mit hoher und in den Pausen­ zeiten mit geringer Impulsenergie zu betreiben. Damit ist auch eine Überwachung von anderen Meßwerten möglich bei nur geringfü­ giger Verkürzung der Lampenlebensdauer.

Eine weitere Variante sieht vor, die Impulsfolgefrequenz während der Meßzeiten hoch und während der Pausenzeiten niedrig zu hal­ ten. Dies kann auch mit einer Änderung der Impulsenergie gemäß dem vorhergehenden Absatz kombiniert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Meß- und Pausenzeiten automatisch verändert. Dies ist z. B. bei der Prozeß-HPLC wichtig, wenn sich durch Alterungseffekte die Reten­ sionszeiten der Trennsäule etwas verändern. Zur Kompensation kann die Elektronik die gemessene Retensionszeit mit einem Sollwert vergleichen und bei Überschreitung um einen festgelegten Wert die Meß- und Pausenzeiten entsprechend ändern.

Zusätzlich oder auch alternativ kann die Umschaltung zwischen beiden Betriebsarten der Lampe von einer Schwelle abhängig ge­ macht werden. Das sei an folgendem Beispiel demonstriert: Die Ni­ tratkonzentration im Trinkwasser wird unter anderem mit konventi­ onellen UV-Photometern bei etwa 210 nm Wellenlänge gemessen. Die Nachweisgrenze eines solchen Meßgerätes betrage beispielsweise 0,1 mg/l. Soll nun ein Meßwert nur dann ausgegeben werden, wenn die Nitratkonzentration über 50 mg/l ansteigt, dann kann die ge­ pulste Lampe in den Pausenzeiten mit solch einer niedrigen Im­ pulsfolgefrequenz und/oder Impulsenergie betrieben werden, daß die durch die geringe mittlere optische Leistung bedingte Nach­ weisgrenze auf z. B. 25 mg/l ansteigt. Wird nun eine über dieser Nachweisgrenze liegende Nitratkonzentration gemessen, dann wird auf eine höhere mittlere Leistung umgeschaltet, bis die Nitrat­ konzentration durch geeignetere Gegenmaßnahmen unter 25 mg/l sinkt. Auf diese Weise wird während der Meßzeiten eine hohe Ge­ nauigkeit erzielt und gleichzeitig die Lebensdauer der Lampe er­ höht.

Diese Schwellwertsteuerung kann ebenfalls dazu benutzt werden, um Alterungseffekte der Trennsäule bei der HPLC zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird beispielsweise ein Kontrollzyklus gefahren, bei dem die UV-Lampe ständig blitzt und die Meß- und Pausenzeiten durch die Zeitpunkte bestimmt werden, bei denen eine Schwelle über- oder unterschritten wird.

Als gepulste UV-Lampe eignet sich besonders eine Xenon-Blitzlam­ pe, die im Gegensatz zu Xenon-Kurzbogenlampen einen wesentlich niedrigeren Innendruck aufweist, der 2 atm nicht überschreitet. Solche Lampen sind sowohl als linearen Blitzlampen (Wand-stabili­ siert) als auch als Kolbenblitzlampen (Elektroden-stabilisiert) kommerziell erhältlich.

Die Verlängerung der Lampenlebensdauer hängt von der Meßzeit und Pausenzeit ab. Sollen z. B. bei der Prozeß-HPLC 3 Substanzen an­ hand ihrer 3 Peaks im Chromatogramm quantitativ erfaßt werden und betrage die Dauer eines Peaks 30 s (Meßzeit: 3 30 s = 90 s), das gesamte Chromatogramm 8 min (Pausenzeit: 8 60 s - 90 s = 390 s), dann verlängert sich die Lebensdauer der Blitzlampe gegenüber ständigem Blitzbetrieb um den Faktor 480 s/90 s = 5,3. Die ab­ solute Lebensdauer hängt vom geforderten Signal-Rausch-Verhältnis und damit vom gesamten optischen System und der mittleren von der Lampe emittierten optischen Leistung ab.

Da jede Blitzlampe im Gegensatz zu kontinuierlich strahlenden Lampen eine stärkere Intensitätsfluktuation zeigt, müssen Maßnah­ men zur Reduzierung ergriffen werden. Eine Möglichkeit ist das auch in konventionellen Photometern verwendete Zwei-Strahl-Prin­ zip: Durch die gleichzeitige Messung der Intensität vor und nach der Absortionszelle und Division können solche Schwankungen eli­ miniert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, schal­ tungsmäßig dafür zu sorgen, daß diese Intensitätsfluktuationen schon bei ihrer Entstehung möglichst gering bleiben. Das wird durch sogenannte Simmerschaltungen erreicht, die für eine gewisse Ionisation des Plasmas sorgen, so daß eine reproduzierbare Entla­ dung erreicht wird. Kontinuierliche Simmerschaltungen haben den Nachteil, daß Sputtern von Elektrodenmaterial als Hauptursache für eine Lebensdauerreduzierung immer noch vorhanden ist, wenn auch in geringerem Maße. Geeigneter sind für dieses Verfahren energieschwache Entladungen, die unmittelbar vor der Hauptentla­ dung gezündet werden und für die nötige Elektronendichte sorgen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 1 Ansteuerung einer gepulsten Lampe.

Fig. 2 Signalpegel der Ansteuerschaltung und Vergleich mit einem Chromatogramm bei der Prozeß-HPLC.

Der Taktgenerator 1 erzeugt eine Rechteckspannung 2, deren Fre­ quenz von der analogen Spannung 3 bestimmt wird. Die Spannung 2 wird durch den Meß- und Pausenzeitenschalter 4 nur für bestimmte Zeiten, den Meß- und Pausenzeiten, auf den Ausgang 5 gegeben, was durch das Signal 6 veranlaßt wird. Das Signal 5 steuert sowohl die Vorionisationsschaltung 7 als auch nach Verzögerung in der Verzögerungsstufe 8 das Hochspannungsladegerät 9 für die Haupt­ entladung. Die Hochspannungsimpulse der Vorionisation 7 und des Hochspannungsladegerätes 9 zünden die Blitzlampe 10. Die Steue­ rungselektronik 11 erfüllt mehrere Aufgaben: Ausgehend von einem Startimpuls 12, der z. B. bei Injektion einer Probe vom HLPC-Sy­ stem kommt, wird ein Signal 6 erzeugt, das z. B. für die Meßzei­ ten logisch 1 und für die Pausenzeiten logisch 0 sein kann. Zur Änderung der Frequenz des Signals 2 wird ein Signal 3 erzeugt, das für die logischen Zustände des Signals 6 unterschiedliche analoge Spannungen haben kann. Zur Änderung der Ladeenergie wird von der Steuerungselektronik 11 ein weiteres Signal 13 gebildet, das während der logischen Zustände von 6 unterschiedliche analoge Werte hat. Über den Eingang 14 können das Signal 6 und die davon abgeleiteten Signale 3 und 13 geändert werden, um Alterungseffek­ te der Trennsäule automatisch zu korrigieren. Durch Programmie­ rung der Steuerungselektronik 11 können die in den Ansprüchen 1 bis 7 dargestellten Betriebsarten der Blitzlampe realisiert wer­ den.

Zur weiteren Verdeutlichung ist in Fig. 2 ein Chromatogramm ge­ zeigt, das mit einem HPLC-System und einem Spektralphotometer als Detektor erhalten wird. In diesem Beispiel sind vier Peaks 15 bis 18 zu sehen, die von vier verschiedenen Substanzen hervorgerufen werden. Ziel ist z. B. die Auswertung der Peaks 15 bis 17, wäh­ rend Peak 18 für die Prozeßsteuerung uninteressant sein soll. Die in Fig. 1 kurz erläuterten Signale 2, 3, 6 und 13 sind zusätzlich in Fig. 2 grafisch dargestellt. Bei diesem nur als Beispiel ge­ zeigtem Fall wird von unterschiedlichen Impulsfolgefrequenzen und unterschiedlichen Impulsenergien für die Meß- und Pausenzeiten ausgegangen. Da bei dieser Betriebsart die Blitzlampe auch in den Pausenzeiten angesteuert wird, bleibt das Signal 6 auf konstantem Pegel und das Signal 5 ist mit dem von 2 identisch. Wird jedoch beispielsweise die Blitzlampe während der Pausenzeiten nicht an­ gesteuert, so wechselt das Signal 6 zwischen beiden logischen Werten, und das Signal 5 entspricht nur für die Meßzeiten dem von 2, sonst ist es Null.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung stellt nur ein Ausführungs­ beispiel dar. Sie kann bis auf die Stufen 7 und 9 sowohl diskret aufgebaut als auch durch ein Rechnersystem realisiert werden. Die Signalformen 2, 3, 6, 13 in Fig. 2 sind ebenfalls nur als ein Beispiel zu verstehen. So können sowohl positive und/oder negati­ ve, symmetrische oder unsymmetrische Impulse oder auch andere Si­ gnalformen, z. B. Sinusschwingungen, verwendet werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer einer ultravioletten (UV) Lampe, die bei der Konzentrationsmessung von Gasen und Flüssigkeiten als Anregungslichtquelle bei der Absorptions- Fluoreszenzspektroskopie oder Chromatographie eingesetzt wird, bei der eine Probe durch ultraviolettes Licht bestrahlt wird, die Änderung der UV-Intensität durch Molekülabsorption oder die Veränderung einer Fluoreszenz infolge einer Molekül­ konzentrationsänderung mittels eines Photodetektors gemessen wird, wobei den Anwender nur Meßwerte innerhalb einer be­ stimmten Zeit, der Meßzeit, interessieren und nicht außerhalb dieser Zeit, der Pausenzeit, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-Strahlungsquelle eine gepulste Gasentladungslampe verwendet wird, die nur während der Meßzeit eingeschaltet und während der Pausenzeit ausgeschaltet wird und bei der die Meßzeit mit zu erwartenden Meßereignissen korreliert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wäh­ rend der Meßzeit die Lampe mit hoher und während der Pausen­ zeit mit geringer Energie betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Meßzeiten eine hohe und in den Pausenzeiten eine geringe Impulsfolgefrequenz eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Xenon-Blitzlampe verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Methode für chromatografische Verfahren eingesetzt wird, bei denen die Zeiten der zu erfassenden Peaks bekannt sind und somit die Meß- und Pausenzeiten fest­ gelegt werden können.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten automatisch kleine Korrekturen der Meß- und Pausenzeiten abgeleitet werden, indem die Abweichungen des Retensionszeitmaximums von einem vorgegebenen Sollwert gemes­ sen und bei Überschreitung um einen festgelegten Betrag die Meß- und Pausenzeiten geändert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung der gepulsten Lampe von einer Meßwertschwelle in der Weise abhängig gemacht wird, daß nur bei Überschreiten eines Meßsignals die gepulste Lampe gemäß den Ansprüchen 2 und 3 betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten automatisch kleine Korrekturen der Meß- und Pausenzeiten abgeleitet werden, indem bei einem Kontrollzy­ klus die Meß- und Pausenzeiten durch die Zeitpunkte des Über- und Unterschreitens einer Schwelle neu festgelegt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Kompensation von Intensitätsschwankungen der gepulsten Lampe mindestens zwei Photoempfänger verwendet werden, deren elektrische Ausgangssignale durch eine elektro­ nische Schaltung automatisch dividiert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verringerung der Intensitätsfluktuationen die Lampe mit einem Impuls geringer Energie unmittelbar vor dem Hauptimpuls angesteuert wird, so daß eine ausreichende Ionisation des Gases in der Lampe vor dem Hauptimpuls herge­ stellt wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 mit einer Blitzlampe (10), einer Vor­ ionisationsschaltung (7), einer Verzögerungsschaltung (8), einem Ladegerät (9) und einem Taktgenerator (1), dadurch ge­ kennzeichnet,
daß der Taktgenerator (1) eine Rechteckspannung (2) mit einer Frequenz erzeugt, die von einer Eingangsspannung (3) abhängig ist,
die Rechteckspannung (2) von einem Meß- und Pausenschalter (4) nur dann auf dessen Ausgang (5) weitergegeben wird, wenn das Eingangssignal (6) logisch auf 1 liegt,
die Impulsenergie des Ladegerätes (9) von einer Eingangsspan­ nung (13) gesteuert wird,
die Signale (3, 6, 13) von einer Steuerungselektronik (11) gebildet werden, die von einem Meßsystem über den Eingang (12) synchronisiert wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach dem Anspruch 6 mit einer Steuerungselektronik (11), dadurch gekennzeich­ net, daß aus den Meßwerten über den Eingang (14) der Steue­ rungselektronik (11) automatisch kleine Korrekturen der Meß- und Pausenzeiten abgeleitet werden, indem die Abweichungen des Retensionszeitmaximums von einem vorgegebenen Sollwert gemessen und bei Überschreitung um einen festgelegten Betrag die Signale (3, 6, 13) von der Steuerungselektronik (11) ent­ sprechend geändert werden.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 7 mit einer Steuerungselektronik (11), dadurch gekennzeich­ net, daß die Meß- und Pausenzeiten und die damit zusammenhängenden Si­ gnale (3, 6, 13) über einen Eingang (14) der Steuerungselek­ tronik (11) in Abhängigkeit von einem Meßsignal in der Weise verändert werden, daß bei Überschreiten einer Schwelle das Signal (6) und/oder (3) und/oder (13) seinen Wert ändert und das Signal (2) seine Frequenz.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 mit einer Steuerungselektronik (11), dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten über den Eingang (14) der Steuerungs­ elektronik (11) automatisch kleine Korrekturen der Meß- und Pausenzeiten abgeleitet werden, indem bei einem Kontrollzy­ klus die Meß- und Pausenzeiten durch die Zeitpunkte des Über- und Unterschreitens einer Schwelle von der Steuerungselektro­ nik (11) neu festgelegt werden.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Hauptentladung eine Vorentladung in der Blitzlampe (10) gezündet wird, wobei die Spannung des Ladegerätes (9) durch eine Verzögerungsschaltung (8) gegenüber der Spannung der Vorionisationsschaltung (7) verzögert wird.