DE4105493C2 - Vorrichtung und Verfahren zur photoelektrischen Messung photometrischer Größen - Google Patents

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.