DE4105493C2 - Vorrichtung und Verfahren zur photoelektrischen Messung photometrischer Größen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur photoelektrischen Messung photometrischer GrößenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur photoelektrischen
Messung sich beim Lichtdurchtritt durch ein lichtdurchlässiges
Medium ändernder photometrischer Größen (Photometer) mit einer
Lichtquelle und einem Photodetektor, die auf einer gemeinsamen
optischen Achse angeordnet sind. Desweiteren betrifft die Er
findung ein Verfahren zum Messen von photoelektrischen Größen.
Photoelektrische Meßgeräte der eingangs genannten Art werden
zur photometrischen Analyse lichtdurchlässiger Medien einge
setzt und dienen dabei insbesondere zur Bestimmung von in ei
ner zu analysierenden Probe enthaltenen Inhaltsstoffen sowie
in der Probe erfolgten chemischen Reaktionen. Hierbei geht
man aus von dem bekannten physikalischen Phänomen, daß die
von einer Lichtquelle ausgehende Strahlungsleistung infolge
des Durchtritts durch ein lichtdurchlässiges Medium eine
Schwächung (Extinktion) erfährt, die proportional zur Dicke
und zur Dichte des Mediums ist. Dieser physikalische Zusam
menhang ist durch das Lambert-Beersche-Extinktionsgesetz
definiert, das vereinfacht wiedergegeben wie folgt lautet:
ln P-ln P0=-S,
wobei S eine von der Schichtdicke und Dichte des Mediums be
einflußte Größe darstellt, die sich aus der Differenz zwi
schen der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlungsleistung
P0 und der nach Durchtritt durch das Medium von einem Photo
detektor gemessenen Strahlungsleistung P als direktes Maß
der Extinktion ergibt.
Dieser physikalische Zusammenhang wird in Photometern schal
tungstechnisch dargestellt, um durch Messung der Extinktion
die vorbeschriebene Analyse durchführen zu können. Ein sol
ches Photometer ist aus der DE-PS 28 38 498 bekannt. Dieses
bekannte Photometer besteht im wesentlichen aus Licht emit
tierenden Dioden (LED) und einer Gasentladungslampe sowie
jeweils den einzelnen LEDs bzw. der Gasentladungslampe zu
geordneten Empfängern.
Aus der jeweils paarweise erfolgten Zuordnung von LED bzw.
Gasentladungslampe und Empfänger zur Bildung jeweils einer
Meßachse, entlang der die in der Probe erfolgte Extinktion
bestimmt wird, ergibt sich ein raumgreifender komplexer
Aufbau des Photometers. Wegen der unterschiedlichen Anord
nung der Meßachsen im Raum muß die Probe zur Messung exakt
ausgerichtet werden, damit sämtliche Meßachsen die Probe
schneiden. Dies hat zur Folge, daß bei dem bekannten Gerät
eine aufwendige Halterung der Probe für die Funktion des
Gerätes unabdingbar ist.
Ein weiterer Nachteil, der sich aus der voneinander abwei
chenden Anordnung der Meßachsen ergibt, ist, daß die einzel
nen Meßachsen das Probenvolumen im Bereich unterschiedlicher
Teilvolumen (Meßvolumen) und in voneinander abweichenden Win
keln schneiden. Beides kann, wie nachfolgend näher beschrie
ben wird, zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen. Zum
einen wirken sich wegen der unterschiedlichen Meßvolumen Dich
teunterschiede im Probenvolumen nachteilig auf das Meßergeb
nis aus. Zum anderen besteht die Gefahr, daß wegen der unter
unterschiedlichen Winkeln das Probenvolumen schneidenden Meß
achsen abhängig von den Winkeln im Bereich unterschiedlicher
Schichtdicken des Probenvolumens gemessen wird. Auch dies
wirkt sich verfälschend auf das Meßergebnis aus.
Aus der JP 59-154 338 (A) Patents Abstracts of Japan,
Vol. 9 (1985), Nr. 6 (P-326) ist eine Vorrichtung
zur photometrischen Messung sich beim Lichtdurchtritt
durch ein lichtdurchlässiges Medium ändernder
photometrischer Größen bekannt. Die bekannte Vorrichtung
ist mit einer aus mehreren, Licht jeweils
unterschiedlicher Wellenlänge emittierenden Dioden
gebildeten Lichtquelle sowie einem Photodetektor
ausgestattet, wobei die Lichtquelle und der Photodetektor
auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet
sind. Die photometrische Messung erfolgt bei
dieser Vorrichtung auf mit Abstand zueinander angeordneten,
parallelen Meßachsen, so daß auch hier die
einzelnen Meßachsen das Probenvolumen im Bereich
unterschiedlicher, mit entsprechendem Abstand zueinander
angeordneten Meßvolumen schneiden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich
tung und ein Verfahren zur photoelektrischen Messung photo
metrischer Größen zu schaffen, mit der bzw. mit dem ein ein
facher, raumsparender Aufbau der Vorrichtung sowie eine er
höhte Genauigkeit der mit der Vorrichtung durchgeführten Mes
sungen ermöglicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Vorrich
tung die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
Durch die näherungsweise Anordnung der LEDs auf einer gemein
samen optischen Achse mit dem als Empfänger dienenden Photo
detektor ist eine Möglichkeit geschaffen, alle Messungen auf
einer im wesentlichen gleich orientierten Meßachse durchfüh
ren zu können. Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen
LEDs im wesentlichen parallel zur optischen Achse angeordnet
sind, wobei gleichzeitig deren Abstände untereinander bzw. zur
optischen Achse so klein sind, daß sie gegenüber dem Abstand
zwischen den LEDs und dem gemeinsamen Photodetektor vernach
lässigbar sind. Hiermit wird also der Idealanordnung der LEDs
in einem gemeinsamen Punkt auf der optischen Achse weitest
gehend entsprochen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
die Empfängerfläche des Photodetektors so bemessen, daß sämt
liche darauf abgebildeten Querschnittsflächen der Strahlen
bündel, die von den einzelnen LEDs ausgehen, als Teilflächen
der Empfängerfläche auf dieser abgebildet werden. Diese beson
dere Konfiguration der Anordnung im Verhältnis der Empfänger
fläche zu den auf dieser abgebildeten Querschnittsflächen der
Strahlenbündel gewährleistet, daß die erfindungsgemäße Vor
richtung ohne Strahlungsleistungsverluste arbeitet, die da
durch entstehen können, daß die Strahlungsbündel nicht voll
ständig auf die Empfängerfläche auftreffen und somit ein Teil
der von den LEDs emittierten Strahlungsleistung bei der Be
stimmung der Extinktion verlorengeht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die LEDs zu
einem, ein integriertes Bauteil bildenden Diodenblock zusam
mengefaßt. Hierdurch ist es möglich, die einzelnen Dioden
dichter nebeneinander anzuordnen, als dies bei einer Neben
einanderordnung einzelner, separater Dioden möglich wäre.
Die integrierende Aufnahme der Dioden in den Diodenblock wird
dabei ermöglicht durch eine entsprechende Bearbeitung der
Diodenköpfe, womit eine Verdichtung in der Diodenanordnung
möglich wird.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, im Strahlengang
zwischen der durch die LEDs gebildeten Lichtquelle und dem
lichtdurchlässigen Medium, also der im Strahlengang angeord
neten Probe, eine Blende vorzusehen. Durch die Blende läßt
sich der vorteilhafte Effekt erzielen, daß auch bei einer
relativ geringen Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem
Photodetektor eine weitestgehend parallele Ausrichtung der
einzelnen, zu einem Lichtbündel zusammengefaßten Lichtstrah
len entlang des Strahlenganges gegeben ist. Ausgehend von der
Zusammenfassung der einzelnen Meßachsen der LEDs zu einer ge
gemeinsamen Meßachse wird durch die Parallelisierung der Licht
strahlen des von einer LED ausgehenden Lichtbündels eine wei
tere Erhöhung der Meßgenauigkeit erreicht. Als Folge der
Parallelisierung durchdringen nämlich alle Lichtstrahlen das
Probenvolumen in einem Bereich von im wesentlichen konstan
ter Dichte unter einem im wesentlichen übereinstimmenden Win
kel. Natürlich ist es auch denkbar, eine Parallelisierung
der Lichtstrahlen eines Lichtbündels durch eine im Strahlen
gang angeordnete entsprechend ausgebildete Linse zu errei
chen. Auch eine im Strahlengang verschiebbar angeordnete oder
mit einer verstellbaren Blendenöffnung versehene Blende ermög
licht den Querschnitt des das Probenvolumen durchdringenden
Strahlenbündels dem Probenquerschnitt anzupassen.
Die Wirksamkeit der Blende läßt sich durch eine möglichst
dichte Anordnung derselben vor dem Photodetektor entscheidend
erhöhen. Bei dieser Anordnung wirken sich Ablenkungseinflüs
se der Küvette auf die auf diese auftreffenden Strahlenbündel
möglichst gering aus. Diese Ablenkungseinflüsse werden im
wesentlichen verursacht durch die gewölbte Kontur der Küvette.
Die Küvette wirkt somit auf die auf sie auftreffenden Strah
lenbündel als eine zwischen der Blende und dem Photodetektor
angeordnete Linse. Die beschriebenen Ablenkungen der Strahlen
bündel führen zu einer Verlagerung der auf die Empfängerflä
che des Photodetektors auftreffenden Querschnittsflächen der
Strahlenbündel. Infolge des geringen Abstandes zwischen der
Blende und dem Photodetektor ist weitestgehend sichergestellt,
daß selbst nach einer erfolgten Verlagerung die Querschnitts
flächen immer noch vollständig auf der Empfängerfläche des
Photodetektors angeordnet sind, und es somit nicht zu Strah
lungsleistungsverlusten kommen kann.
Das im wesentlichen aus der Lichtquelle und dem Photodetektor
gebildete optische System der Vorrichtung ist in einem ver
windungs- und biegesteifen Trägersystem angeordnet. Hierdurch
erfolgt eine weitgehende Abschirmung des optischen Systems
gegen äußere mechanische Einflüsse, die zu einer Verfälschung
von Meßergebnissen führen können. Als besonders vorteilhaft
hat es sich erwiesen, für das Trägersystem einen massiv aus
gebildeten, aus Aluminium bestehenden Materialblock vorzu
sehen. Hierbei ist für den Strahlengang eine entsprechende,
die Leuchtdioden mit dem Photodetektor verbindende Bohrung
sowie eine Ausnehmung für die Einführung der Küvette in den
Strahlengang vorgesehen.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Auf
gabe ist dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen
der aus mehreren Leuchtdioden bestehenden Lichtquelle und dem
Probenvolumen ein Lichtleiter, vorzugsweise eine Glasfaser,
angeordnet ist, dessen Enden zur Durchführung von photoelektrischen Messungen
mit den einzelnen LED's unabhängig von der Anordnung
der LED's auf einer gemeinsamen Meßachse relativ zueinander
bewegbar sind. Die Glasfaser ermöglicht quasi eine Krümmung
der optischen Achse, so daß es beispielsweise nicht mehr not
wendig ist, das Probenvolumen zwischen den Leuchtdioden und
dem Photodetektor anzuordnen. Aufgrund der flexiblen Ausfüh
rung des Lichtleiters ist es möglich, die Enden des Lichtlei
ters in gewissen Grenzen unabhängig voneinander zu bewegen,
so daß unabhängig von der Anordnung der LEDs der Ort des Ein
tritts des durch den Lichtleiter geleiteten Strahlenbündels
in das Probenvolumen konstant bleibt und somit auch bei unter
schiedlich angeordneten LEDs die Meßachsen der einzelnen Mes
sungen absolut deckungsgleich sind.
Das erfindungsgemäße Photometer ist mit einer Eingabetasta
tur ausgestattet, die zur Eingabe von Werten in eine den Meß
algorithmus steuernde Steuereinheit (Mikroprozessor) dient.
Hierdurch ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, etwa den
Meßalgorithmus besonderen Probengegebenheiten anzupassen.
Weitere vorteilhafte Merkmale des Photometers bestehen in
einer netzunabhängigen Spannungsversorgung und einer digita
len Anzeigeeinrichtung. Somit ist es möglich, das erfindungs
gemäße Photometer als Handgerät einzusetzen, um etwa eine
schnelle Analyse der Probe unmittelbar am Ort der anfallen
den Probe vornehmen zu können.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Photometer mit
einer Fernanzeigeeinrichtung zu versehen, um etwa - wie es
üblicherweise in Lehrveranstaltungen der Fall ist - die er
mittelten Meßergebnisse in Echtzeit einem größeren Publikum
übermitteln zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur photoelektrischen Messung
photometrischer Größen mit einem Photometer besteht darin,
daß vorzugsweise vier, eine Lichtquelle bildende, monochromatisches Licht
emittierende Dioden (LED) einzeln aufeinanderfolgend betrie
ben werden. Durch diese besondere Art der Diodenansteuerung
ist es möglich, die zur photometrischen Analyse notwendigen,
Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittierenden Dioden in
im wesentlichen einem Punkt auf einer optischen Achse mit ei
nem Photodetektor anzuordnen, ohne daß es zu einer gegensei
tigen Beeinflussung der LEDs kommt. Der aufeinanderfolgende
Betrieb der LEDs ermöglicht die Durchführung von einander un
abhängigen photometrischen Messungen mit den einzelnen LEDs
längs einer im wesentlichen übereinstimmenden Meßachse.
Die dabei von einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement, etwa eine Photodiode, des Photodetektors empfangene Strah
lungsleistung wird von einem Verstärkerglied des Photodetek
tors LED-abhängig verstärkt. Hierdurch wird eine präzise Ver
stärkungsregulation für jede Diode möglich, so daß diodenab
hängige Unterschiede in den Strahlungsleistungen der Dioden
weitestgehend kompensiert werden können. Durch die Vorgabe
eines diodenabhängigen Verstärkungsfaktors ist es somit mög
lich, Nullpunktsänderungen bei Umschaltung zwischen den ein
zelnen Dioden im wesentlichen zu vermeiden. Dies gilt insbe
sondere für Umschaltungen von oder auf die blaues Licht emit
tierende Diode, die naturgemäß über eine viel kleinere Licht
intensität verfügt als die rote, gelbe oder grüne Leuchtdiode.
Vorteilhafterweise werden die einzelnen LEDs getaktet und
impulsförmig betrieben. Hierbei ist die Dauer der während
eines Taktes auf eine Diode gegebenen Stromimpulse wesent
lich kürzer als die zwischen den Impulsen liegenden Pausen.
Zusammen mit dem getakteten, also aufeinanderfolgenden Be
trieb der einzelnen Dioden ergibt sich daher für jede Diode
nur eine sehr geringe Einschaltdauer. Hieraus resultiert ei
ne relativ niedrige Diodenleistung, so daß schädliche Auf
heizeffekte weitestgehend vermieden werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Länge der
Impulse etwa eine Größenordnung geringer als die Länge der
die Impulse trennenden Pausen zu bemessen. Bei einer Vielzahl
durchgeführter Versuchsmessungen hat sich gezeigt, daß insbe
sondere beim Betrieb der in besonderem Maße alterungsgefähr
deten blauen Diode eine Impulslänge von 125 Millisekunden,
unterbrochen von 2 Sekunden betragenden Pausen, eine bisher
nicht bekannte Ausdehnung der Lebensdauer der Diode ermög
licht.
Desweiteren bieten die so beschaffenen Pausen im Betrieb der
einzelnen Dioden die Möglichkeit, zwischen den getakteten Meß
impulsen eine Kompensation des Dunkelstroms vorzunehmen. Hier
durch erfolgt nahezu kontinuierlich ein Abgleich des elektri
schen Nullpunkts des Photometers, was sich vorteilhaft auf die
Genauigkeit der durchgeführten Messungen auswirkt.
Darüber hinaus erfolgt zwischen den getakteten Meßimpulsen ei
ne der jeweiligen LED-abhängigen Verstärkerleistung des Ver
stärkergliedes entsprechende Temperaturkompensation. Hierdurch
wird vermieden, daß es infolge einer Erwärmung des Photodetek
tors durch eine erhöhte Verstärkerleistung zu Verfälschungen
von Meßergebnissen kommt.
Die von der Photodiode des Photodetektors empfangenen Strah
lungsimpulsleistungen werden in proportionale Spannungsimpul
se umgewandelt. Die Spannungsimpulse werden anschließend von
einem Integrierglied summiert und zur weiteren Signalverarbei
tung von einem entsprechend der Taktansteuerung der LEDs ge
takteten Abfrage- und Speicherglied abgefragt. Durch die In
tegration des impulsförmigen Meßsignals werden Rauschen und
eventuelle Störungen des Signals weitestgehend unterdrückt.
Durch die Übergabe des Meßsignals an das Abfrage- und Spei
cherglied wird eine Anpassung der nachfolgenden Signalver
arbeitung an die Taktansteuerung der LEDs ermöglicht.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Photometers unter Darstellung des erfindungs
gemäßen Verfahrens näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau der dem erfindungsgemäßen Photometer zu
grundeliegenden Anordnung in schematischer Darstel
lung;
Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 mit einer im Strahlengang
angeordneten Blende;
Fig. 3 die Anordnung gemäß Fig. 2 in einer Draufsicht;
Fig. 4 eine Darstellung des Verfahrens in einem Blockschalt
bild.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine im wesentlichen
aus einer Lichtquelle 10 und einem Empfänger 11 bestehende An
ordnung, wobei die Lichtquelle 10 und der Empfänger 11 auf ei
ner gemeinsamen optischen Achse 12 ausgerichtet sind. In einem
von der Lichtquelle 10 ausgehenden Strahlengang 13, der auf
die Oberfläche des Empfängers 11 auftrifft, befindet sich ei
ne Küvette 14, die ein zu untersuchendes Probenvolumen 15 auf
nimmt. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient zur photo
elektrischen Bestimmung des etwa die Konzentration eines im
Pobenvolumen 15 befindlichen Stoffs charakterisierenden Ex
tinktionswertes.
Erfindungsgemäß setzt sich die Lichtquelle 10 aus vier gelbes,
rotes, grünes und blaues Licht emittierenden Dioden (LED) 16,
17, 18 und 19 zusammen, die mit geringstmöglichem Abstand von
einander möglichst dicht an der optischen Achse 12 angeordnet
sind. Außerdem weisen die Leuchtdioden 16, 17, 18 und 19 einen
geringstmöglichen Öffnungswinkel des jeweils emittierten
Strahlenbündels 20, 21, 22 und 23 auf. Die optischen Achsen
24, 25, 26 und 27 der Leuchtdioden 16, 17, 18 und 19 sind im
wesentlichen parallel zur optischen Achse 12 der Anordnung
ausgerichtet. Aufgrund der dicht aneinanderliegenden Anord
nung der einzelnen Leuchtdioden 16-19 ist der sich ergeben
de Parallelversatz zwischen den optischen Achsen 24-27 zur
optischen Hauptachse 12 relativ gering im Vergleich zur Ent
fernung zwischen den Leuchtdioden 16-19 und dem Empfänger
11. Hieraus resultiert, daß die optischen Achsen 24-27 der
Leuchtdioden 16 und 19 quasi mit der optischen Hauptachse 12
zusammenfallen und der Durchtritt der emittierten Strahlen
bündel 20-23 in einem im wesentlichen gleichbleibenden Meß
querschnitt erfolgt. Diese Übereinstimmung im Meßquerschnitt
zeigt sich besonders deutlich darin, daß den Strahlenbündeln
20-23 zugeordnete Projektionsflächen 28, 29, 30 und 31 auf
der Oberfläche des Empfängers 11 einander weitgehend überlap
pen.
Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 um eine Blende 32 ergänz
te Anordnung. Hierbei dient die Blende 32 zu einer weiteren
Erhöhung der Meßgenauigkeit eines mit der dargestellten An
ordnung versehenen Photometers. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist,
ermöglicht die Blende 32 ein Ausblenden der am Beispiel der
Leuchtdioden 16 und 19 dargestellten äußeren Randstrahlen 33,
34 der Strahlenbündel 20, 23. Aus Gründen der Übersichtlich
keit wurde auf eine Darstellung der übrigen Randstrahlen bei
den Strahlenbündeln 21, 22 verzichtet. Natürlich werden auch
die nicht dargestellten Randstrahlen durch die mit der Anord
nung der Leuchtdioden 16-19 entsprechenden Blendenöffnungen
35, 36, 37 und 38 versehenen Blende 32 ausgeblendet. Im Er
gebnis wird durch die Anordnung der Blende 32 im Strahlengang
13 erreicht, daß neben der bereits durch die Anordnung der
Leuchtdioden 16-19 gegebene parallele Ausrichtung der op
tischen Achsen 24-27 eine Parallelisierung der einzelnen
Lichtstrahlen der Strahlenbündel 20-23 erfolgt. Hierdurch
legen alle Lichtstrahlen eines Strahlenbündels 20-23 im
wesentlichen die gleiche Meßstrecke durch das Probenvolumen
15 zurück, so daß sich etwaige Dichteunterschiede im Proben
volumen nicht nachteilig auf die Meßergebnisse auswirken kön
nen.
Fig. 3 zeigt die aus einer Lichtquelle 10, einem Empfänger
11 und einer Blende 32 bestehende Anordnung in einer Drauf
sicht. In einer Zusammenschau aus den Fig. 2 und 3 wird
deutlich, daß die eng aneinanderliegende Anordnung der Leucht
dioden 16-19 in einem die Lichtquelle darstellenden Dioden
block 10 durch eine besondere Bearbeitung der normalerweise
rotationssymmetrischen LED-Köpfe erreicht wird. Fig. 3 zeigt
den abgeflachten Kopf der Leuchtdiode 16 mit seiner Breitsei
te. Weiterhin wird durch eine Zusammenschau der Fig. 2 und 3
deutlich, daß die Blendenöffnungen 35-38 der Blende 32 ent
sprechend den Leuchtdioden 16-19 übereinander angeordnet
sind und einen im wesentlichen runden Öffnungsquerschnitt auf
weisen.
Um den Grad der Ausblendung von Randstrahlen der Strahlenbün
del 20-23 variieren zu können, ist die Blende 32 auf hier
nicht näher dargestellte Weise entlang der optischen Haupt
achse 12 längsverschiebbar geführt. Außerdem besteht die Mög
lichkeit, die Blendenöffnungen 35-38 in ihrer Größe zu
variieren, um auch auf diese Weise die Ausblendung von Rand
strahlen beeinflussen zu können.
Wie in den Fig. 2 und 3 durch die gestrichelten Linienverläu
fe angedeutet, besteht gemäß einer weiteren Ausführungsform
die Möglichkeit, die im wesentlichen aus der Lichtquelle 10
und dem Photodetektor 11 gebildete Anordnung in einem massiv
ausgeführten Aluminiumblock 52 unterzubringen. Hierbei sind
die Lichtquelle 10 und der Photodetektor 11 in Bohrungen 53,
55 angeordnet, wobei in dem hier dargestellten Ausführungs
beispiel die Bohrung 53 sich bis zum in der Küvette 14 befind
lichen Probenvolumen 15 erstreckt und somit auch den Strahlen
gang 13 ermöglicht. Für die Küvette 14 ist eine Ausnehmung 54
im Aluminiumblock 52 vorgesehen, so daß sie in den längs der
Bohrung 53 verlaufenden Strahlengang 13 eingeführt werden
kann. Natürlich ist es auch möglich, den Massivblock 52 in
Kunststoff, etwa Gießharz, auszuführen, wobei dann die Licht
quelle 10 sowie der Photodetektor 11 in den Massivblock
eingegossen werden und zur Ausbildung einer Ausnehmung für den
Strahlengang 13 etwa ein Röhrchen in den Massivblock 52 ein
gelegt wird. Die Ausnehmung 54 zur Aufnahme der Küvette 14
kann etwa durch nachträgliche mechanische Bearbeitung, etwa
Fräsen, geschaffen werden.
Fig. 4 zeigt in einem Blockschaltbild eine schematische Dar
stellung eines mit der vorstehend beschriebenen Anordnung
durchführbaren Verfahrens zur Bestimmung des Extinktionswer
tes in einem Probenvolumen. Die vier in einem Diodenblock
bzw. übereinander angeordneten Leuchtdioden 16-19 werden
von einer stabilisierten Stromquelle 56 gespeist. Zwischen dem
Diodenblock 10 und dem als Photodetektor 11 ausgebildeten
Empfänger ist die Küvette 14 mit dem darin befindlichen Pro
benvolumen 15 angeordnet. Der Photodetektor 11 besteht im
wesentlichen aus einer Photodiode 39 und einem mit dieser
verbundenen Verstärkerglied 40. Die dicht nebeneinander an
geordneten Leuchtdioden 16-19 des Diodenblocks 10 werden
angesteuert durch einen digitalen Prozessor 41 im getakteten
Impulsverfahren betrieben. Im einzelnen werden dabei die
Leuchtdioden 16-19 in vorgegebener Reihenfolge angesteuert
und während des jeweiligen Ansteuerungstaktes während vorge
gebener Impulslängen mit Strom beaufschlagt. Es hat sich da
bei herausgestellt, daß sich Impulslängen von 125 Millisekun
den, die durch Pausen von etwa 2 Sekunden voneinander sepa
riert sind, zum einen günstig auf die Lebensdauer der Leucht
dioden 16-19 auswirken als auch in ausreichend kurzer Zeit
Meßergebnisse verfügbar machen. Durch den voneinander unab
hängig erfolgenden Betrieb der Leuchtdioden 16-19 wird ver
mieden, daß es zu Überschneidungen zwischen den von den
Leuchtdioden 16-19 emittierten Strahlenbündeln kommt, wel
che auf die allen Leuchtdioden als gemeinsamer Empfänger die
nende Photodiode 39 ausgerichtet sind.
Der Photodetektor 11 wird mit scheinbarem Kurzschluß betrie
ben, so daß während der Dunkelphasen, also den Pausen im Be
trieb der Leuchtdioden 16-19, der Dunkelstrom im wesentli
chen unterdrückt ist. Über den Prozessor 41 ist es möglich,
dem Verstärkerglied 40 an die unterschiedlichen Strahlungs
leistungen der Leuchtdioden 16-19 angepaßte Verstärkungs
faktoren vorzugeben. Hierdurch wird im nachhinein eine Nivel
lierung der unterschiedlichen Strahlungsleistungen der Leucht
dioden 16-19 erreicht, so daß bei allen Leuchtdioden 16-19
eine gemeinsame Ausgangsbezugsgröße für die Extinktions
messung gegeben ist.
Das impulsförmige Ausgangssignal des Verstärkergliedes 40
wird anschließend einem Integrierglied 42 zugeleitet, in wel
chem es - etwa unter Vorgabe der Anzahl der zu integrieren
den Meßimpulse durch den Prozessor 41 - aufsummiert und in
eine proportionale Ausgangsspannung umgewandelt wird.
Dieses Spannungssignal wird in Abhängigkeit von einem durch
den Prozessor 41 vorgegebenen Steuerparameter von einem Ab
frage- und Speicherglied 43 vom Integrierglied 42 übernommen
und zur Durchführung der Logarithmierung des Spannungswertes
an ein Logarithmierglied 44 übergeben. Hierbei arbeitet das
Abfrage- und Speicherglied 43 mit einer der Taktsteuerung der
Leuchtdioden 16-19 entsprechenden Taktung, um jeweils eine
Zuordnung zwischen den diodenabhängig vom Photodetektor 11
empfangenen Meßwerten zu den zur Durchführung der Logarith
mierung an das Logarithmierglied 44 weitergegebenen Span
nungswerten sicherzustellen.
Der im Logarithmierglied 44 logarithmierte Spannungswert wird
schließlich nach einer hier nicht näher dargestellten Diffe
renzbildung mit dem Meßsignal einer Referenzprobe an einen
A/D-Wandler 45 übergeben und als digitaler Extinktionswert
auf einer Anzeigeeinrichtung 46 zur Anzeige gebracht. Der A/D-
Wandler 45 sorgt dabei gleichzeitig für eine automatische
Nullpunkteinstellung auf der Anzeigeeinrichtung 46 zwischen
den einzelnen Messungen.
Über das Vergleichsglied 47 erfolgt eine Abfrage des Span
nungsausgangswertes vom Logarithmierglied 44 zwischen den
einzelnen Messungen, also während der Pausen des Meßalgo
rithmus. Bei Abweichungen vom elektrischen Nullpunkt wird
ein dem Logarithmierglied 44 vorgeschalteter D/A-Wandler
48 mit einem Steuerparameter des Prozessors 41 beaufschlagt,
so daß ein Spannungsabgleich des Logarithmiergliedes 44 mit
dem Ergebnis erfolgt, daß die Ausgangsspannung des Logarith
miergliedes 44 während der Dunkelphasen der Leuchtdioden 16-
19 gleich 0 Volt ist. Außerdem sorgt der D/A-Wandler 48 für
die Temperaturkompensation des Logarithmiergliedes 44. Hier
zu wird das Logarithmierglied 44 mit der temperaturabhängi
gen Referenzspannung des D/A-Wandlers 48 beaufschlagt, so
daß der Temperaturkoeffizient des Logarithmiergliedes 44
kompensiert ist.
Um etwa eine Beeinflussung des Meßalgorithmus von außen vor
nehmen zu können, ist das nach dem in Fig. 4 dargestellten
Verfahren arbeitende Photometer mit einer Eingabetastatur 49
versehen. Eine Batterie 50 macht den Betrieb des Photometers
netzunabhängig und ermöglicht einen Gebrauch des Photometers
als Handgerät. Um zu gewährleisten, daß ein Verbrauch der
Batterieenergie tatsächlich nur während des Betriebs des Pho
tometers erfolgt, ist eine sogenannte Automatik-Power-ON/OFF-
Einheit 51 vorgesehen.
Claims (24)
1. Vorrichtung zur photoelektrischen Messung sich beim Licht
durchtritt durch ein lichtdurchlässiges Medium ändernder
photometrischer Größen (Photometer) mit einer Lichtquelle
und einem Photodetektor, die auf einer gemeinsamen opti
schen Achse angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (10) aus mehreren
monochromatisches Licht emittierenden Dioden
(LED) (16, 17, 18, 19) besteht, die im wesentlichen
parallel zur optischen Achse angeordnet sind und
deren Abstände untereinander vernachlässigbar klein
gegenüber dem Abstand zwischen der Lichtquelle (10)
und dem Photodetektor (11) sind, derart, daß die mit
den einzelnen Dioden (16, 17, 18, 19) erfolgenden
photoelektrischen Messungen im lichtdurchlässigen
Medium im wesentlichen auf einer gemeinsamen Meßachse
erfolgen.
2. Photometer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle (10) aus vier monochromatisches
Licht emittierenden Dioden (LED)
(16, 17, 18, 19) besteht.
3. Photometer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß die Empfängerfläche des Photodetektors (11) größer
bemessen ist als die Querschnittsflächen von auf die
Empfängerfläche auftreffenden, von den LEDs (16-19)
emittierten Strahlenbündeln (20, 21, 22, 23), derart,
daß die Querschnittsflächen Teilflächen der Empfänger
fläche bilden.
4. Photometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dioden (16 bis 19) zu einem, ein integriertes Bau
teil bildenden Diodenblock (10) zusammengefaßt sind.
5. Photometer nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang (13) zwischen der Lichtquelle (10)
und dem lichtdurchlässigen Medium (Probenvolumen 15) eine
Blende (32) vorgesehen ist.
6. Photometer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (32) möglichst dicht vor dem Photodetektor
(11) angeordnet ist.
7. Photometer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (32) im Strahlengang (13) verschiebbar an
geordnet ist.
8. Photometer nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (32) eine verstellbare Blendenöffnung (35 bis
38) aufweist.
9. Photometer nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das die Lichtquelle (10), den Photodetektor (11) und
gegebenenfalls die Blende (32) einschließende optische
System in einem verwindungs- und biegesteifen Trägersystem
(52) angeordnet ist.
10. Photometer nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägersystem aus einem massiv ausgebildeten Mate
rialblock (52) besteht.
11. Photometer nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägersystem aus einem Aluminiumblock (52)
besteht, wobei der Strahlengang (13) zumindest teilweise
in einer hierzu vorgesehenen Bohrung (53) verläuft und ei
ne Ausnehmung (54) für die Einführung des Probenvolumens
(Küvette 14) in den Strahlengang (13) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung zur photoelektrischen Messung sich
beim Lichtdurchtritt durch ein lichtdurchlässiges
Medium ändernder photometrischer Größen (Photometer)
mit einer Lichtquelle und einem Photodetektor, die
auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strahlengang (13) zwischen der aus mehreren
Leuchtdioden (16 bis 19) bestehenden Lichtquelle
(10) und dem Probenvolumen (15) ein Lichtleiter
angeordnet ist, dessen
Enden zur Durchführung von photoelektrischen Messungen
mit den einzelnen LED's (16 bis 19) unabhängig
von der Anordnung der LED's auf einer gemeinsamen
Meßachse relativ zueinander bewegbar sind.
13. Photometer nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lichtleiter aus Glasfaser besteht.
14. Photometer nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der
weiteren Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bedienung des Photometers eine mit einer Steuer
einheit (Mikroprozessor) (41) verbundene Eingabetastatur
(49) vorgesehen ist.
15. Photometer nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der
weiteren Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Photometer mit einer netzunabhängigen Spannungs
versorgung (Batterie) (50) und einer vorzugsweise digita
len Anzeigeeinrichtung (46) versehen ist.
16. Photometer nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der
weiteren Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Photometer an eine Fernanzeigeeinrichtung an
schließbar ist.
17. Verfahren zur photoelektrischen Messung photometrischer
Größen mit einem Photometer,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere, eine Lichtquelle
(10) bildende, monochromatisches Licht emittierende
Dioden (16 bis 19) einzeln aufeinanderfolgend betrieben
werden, wobei die von einem lichtempfindlichen
Halbleiterbauelement, vorzugsweise eine Photodiode
(39), eines Photodetektors (11) empfangene
Strahlungsleistung von einem Verstärkerglied (40)
des Photodetektors (11) in Abhängigkeit von der jeweils
Licht emittierenden Leuchtdiode (16 bis 19)
verstärkt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
vier Dioden (16 bis 19) einzeln aufeinanderfolgend
betrieben werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leuchtdioden (16 bis 19) getaktet und impulsförmig
betrieben werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Impulse etwa eine Größenordnung gerin
ger als die Länge der die Impulse trennenden Pausen bemes
sen ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß insbesondere zum Betrieb der blauen Diode (19) die
Länge der Impulse 125 Millisekunden und die Länge der Pau
sen 2 Sekunden beträgt.
22. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den zwischen den getakteten Meßimpulsen bestehen
den Pausen eine Kompensation des Dunkelstroms erfolgt.
23. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den zwischen den getakteten Meßimpulsen bestehen
den Pausen eine der jeweiligen Verstärkerleistung des
Verstärkergliedes (40) entsprechende Temperaturkompensa
tion erfolgt.
24. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die der Ausgangsspannung des Verstärkergliedes (40)
proportionale Impulsleistung der Leuchtdioden (16-19)
in einem Integrierglied (42) summiert wird, und zur wei
teren Signalverarbeitung von einem entsprechend der Takt
ansteuerung der Leuchtdioden (16-19) getakteten Abfrage-
und Speicherglied (43) abgefragt wird.
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