DE4119627C2 - Verfahren zur Messung der Intensität einer von einer UV-Quelle ausgesandten Ultraviolettstrahlung, und Vorrichtung zur Ausführung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Intensität einer von einer UV-Quelle ausgesandten Ultraviolettstrahlung und eine Vorrichtung zur Ausführung desselben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 bzw. des Anspruchs 3.

Der Photoeffekt und seine Anwendung in gasgefüllten Photozellen ist beispielsweise aus "Der lichtelektrische Effekt und seine Anwendungen" von Simon, H./Surmann, R. (Herausgeber), zweite revidierte Auflage 1958, Springer Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg, bekannt. Bei einer mit Gleichspannung betriebenen gasgefüllten Photozelle kann der Entladungsstrom nur dann durch Licht beeinflußt werden, wenn die Ladungsträgererzeugung wesentlich durch den Photoeffekt an der Kathode beeinflußt wird.

Im Ultraviolettfrequenzbereich haben gasgefüllte Photozellen - im Vergleich zu Siliziumphotodetektoren - eine größere Empfindlichkeit und sie sind darüberhinaus für den sichtbaren Bereich und noch darunter liegende Frequenzen blind. Dies ist der Grund, warum gasgefüllte Photozellen bis heute bei der Feuerüberwachung und beim Aufspüren von Flammen üblicherweise verwendet wurden.

Photozellen, wie sie in Einrichtungen zur Feuerüberwachung verwendet werden, besitzen einen Fülldruck von etwa 100 mbar. Sie werden üblicherweise im Bereich der selbsterhaltenden Glimmentladung mit einer sinusförmigen Spannung von einigen hundert Volt betrieben. Der analysierende Schaltkreis einer Flammenüberwachungseinrichtung unterscheidet nur, ob der durch­ schnittliche Entladestrom größer oder kleiner als ein Grenzwert ist. Die Wahl des Grenzwertes muß garantieren, daß in dem Brenner eine Flamme existiert, wenn der Strom höher ist als der Grenzwert. Während der Lebenszeit der Photozelle ist es möglich, daß eine Entladung auftritt, ohne daß Strahlung vorhanden ist. In diesem Fall ist die angelegte Spannung größer als ein kritischer Wert, der sich im Laufe der Lebensdauer verringert. Deshalb ist es erforderlich, das Löschen der Entladung mit einem Shutter periodisch zu überprüfen.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus der GB-PS 15 15 116 bekannt, die sich mit der Optimierung des Ansprechens von Kaltkathoden-Gasentladungsröhren auf ultraviolette Strahlung befaßt. Das bekannte Verfahren und die Vorrichtung benutzen ins­ besondere eine bestimmte Anzahl von Anzeigen, um sicherzu­ stellen, daß die Entladung von der zu überwachenden Quelle herrührt und nicht aus einem anderen Grund stattfindet.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch mit dem Messen der Intensität der von einer UV-Quelle emittierten ultravioletten Strahlung, beispielsweise für die Anwendung bei Desinfektions­ systemen, die mit ultravioletter Strahlung arbeiten. Bei derar­ tigen Verwendungen ist es erforderlich, die UV-Intensität in einer definierten Umgebung zu kennen, um sicherzustellen, daß tatsächlich Desinfektion bewirkt wird. Bis heute sind folgende Prinzipien für Systeme zur Überwachung der Strahlungsintensität bekannt:

• 1. Die Intensität der UV-Quelle ist größer als die zur Zerstö­ rung von Bakterien in einer definierten Umgebung nötige In­ tensität. Dabei muß lediglich die einwandfreie Funktion des Strahlers kontrolliert werden. Dies wird dadurch bewirkt, daß entweder der elektrische Strom des Strahlers oder das Licht überwacht wird, beispielsweise so, wie es oben im Falle der Flammenüberwachung geschildert wurde.
• 2. Die Intensität wird durch photosensitive Halbleiter über­ wacht. In diesem Fall muß man entweder einen Teil des Fre­ quenzspektrums überwachen, für das die Vorrichtung sensibel ist, oder das UV-Spektrum in das Spektrum sichtbaren Lichts umwandeln; dies wird durch die Verwendung von Leuchtstoffen erreicht.

Nach der DE 37 06 986 A1 ist bereits ein Verfahren zur Intensitätsmessung der von einer UV-Quelle ausgesandten Strahlung bekannt, das ein UV-empfindliches Sensorelement mit einer zwischen Elektroden gebildeten Entladungsstrecke verwendet, die durch einfallende UV-Strahlung ionisiert wird und damit zum Zünden bzw. Durchschalten des Sensorelementes führt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt darin, ein einfaches und wirksames Verfahren nebst einer Vorrichtung zur Messung der Intensität der von einer UV-Quelle ausgesandten Ultraviolettstrahlung zu schaffen.

So weit das Verfahren betroffen ist, wird dies erreicht durch die Merkmale im Anspruch 1.

Eine zweite Lösung besteht in dem Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 2.

Was die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens angeht, so wird die Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 3 gelöst.

Der obere Grenzwert U_max kann dazu verwendet werden, das Löschen der Entladung zu prüfen, weil nur im Falle eines Durchzündens die Triggerpulsdauer und die Entladepulsdauer einander gleich sind, so daß der Strom einen maximalen Wert erreicht. Es werden vorzugsweise handelsübliche integrierte Schaltkreise verwendet, wie ein Zeitgeber 556, ein Umwandler AD 536 und ein Komparator TCA 965.

Je früher ein Entladepuls nach dem Beginn eines Triggerpulses startet, desto intensiver muß tatsächlich die ultraviolette Strahlung sein, welche die auf die Kathode der Photozelle auf­ treffenden und die Entladung hervorrufenden Photonen produziert. Genauer gesagt funktionieren UV-Photozellen, die im Bereich der selbsterhaltenden Glimmentladung arbeiten, als von Photonen ge­ triggerte Triggerröhren. Das bedeutet, daß ein Photon, das auf die Photokathode auftrifft, in der Lage ist, eine Entladung zu verursachen. Die in dem folgenden Abschnitt beschriebenen funda­ mentalen Zusammenhänge gelten für derartige Photozellen. Im all­ gemeinen sind dieselben für einen Detektor oder einen Detektor­ schaltkreis gültig, der wie eine selbsthaltende Solenoide ar­ beitet, die von einer physikalischen Größe getriggert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen dargelegt. Es zeigt:

Fig. 1, die Betriebsspannung für eine UV-Photozelle mit symmetrischen Elektroden, wobei ferner ersichtlich ist, daß eine periodische Spannung beliebiger Kurvenform für die statistischen Betrachtungen ohne Einschränkung zu einer Rechteckform vereinfacht werden kann (Dabei werden die statistischen Betrachtungen selber nur durch die Gleichungen 1. und 2. im Beschreibungstext wiedergegeben);

Fig. 2, die rechteckförmige Betriebsspannung einer Photozelle;

Fig. 3, die Entladungspulse pro Zeiteinheit;

Fig. 4, ein vereinfachtes Schema eines Schaltkreises, der in einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens verwendet werden kann.

Zur Erklärung einiger Definitionen wird auf Fig. 1 hingewiesen. Die Zündspannung U_i ist die niedrigste Gleichspannung, die, wenn zwischen Anode und Kathode gelegt, eine Entladung hervorruft, sobald eine photoelektrische Emission stattfindet.

Die Triggerpulsdauer τ ist diejenige Zeit, während welcher die angelegte Spannung größer als die Zündspannung oder dieser gleich ist. Eine geeignete Betriebsspannung stellt eine Trigger­ pulsdauer zur Verfügung, die sich periodisch mit der Periode T wiederholt.

Wegen dieser Definitionen kann eine periodische Betriebsspannung beliebiger Kurvenform zu einer Rechteckform vereinfacht werden, ohne daß dies zu irgendwelchen Restriktionen hinsichtlich der statistischen Überlegungen führt. Wenn eine solche Spannung an die Elektroden einer UV-Photozelle angelegt wird, ist die Wahrscheinlichkeit für ein durch auf die Kathode auftreffende Photonen hervorgerufenes Zünden gegeben durch

nT = 1 - e^{-n₀ τ} (1)

n ist die Anzahl von Strompulsen (Fig. 3) pro Zeiteinheit.

n₀ ist die charakteristische Größe, die sich auf die Anzahl der Photonen bezieht, die auf die Kathode pro Zeiteinheit auftref­ fen.

Versuche haben gezeigt, daß n₀ nahezu unabhängig von τ ist. Deshalb ergibt sich die mittlere Entladungspulsdauer aus folgender Formel:

Im Falle einer Rechteckbetriebsspannung ist der Durchschnittsstrom

Der Effektivwert oder R.M.S.-Wert des Stromes (R.M.S.=Root Mean Square) ist

_s kann entsprechend den durch die Gleichungen (2), (3) oder (4) gegebenen Prinzipien gemessen werden.

Als Beispiel: Messung der digitalen Pulsbreite im Falle der Gleichung (2)

Für die Messung der Strahlungsintensität muß man die Meßmethoden kalibrieren. Die Genauigkeit der Intensitätsmessung nach auf der Gleichung basierenden Verfahren ist nicht groß, jedoch immer ausreichend für eine Intensitätsüberwachung, wie sie hier Gegenstand der Betrachtung ist.

Die hier vorgestellte Vorrichtung basiert auf der Messung des R.M.S.-Stromes. Das vereinfachte Schema des Schaltkreises ist in Fig. 4 gezeigt. Periode und Pulsbreite der rechteckförmigen Be­ triebsspannung, die von einer Spannungsquelle 1 und einem Impulsgenerator 2 über einen Halbleiterschalter 6 zur Verfügung gestellt werden, sind variabel (10 ms < T < 0,5 ms). Als Halbleiterschalter wurde ein Leistungs-MOSFET (Metal-Oxide- Semiconductor-Field-Effect-Transistor) verwendet, da die Ansteuerung eines MOSFET′s nahezu leistungslos erfolgt und eine Ansteuerschaltung daher sehr einfach zu realisieren ist. Eine eventuell vorhandene Ansteuerschaltung wäre in der Bedeutung des für den Halbleiterschalter 6 in Fig. 4 verwendeten Symbols enthalten.

Der R.M.S.-Wert des durch die Photozelle bzw. Photoröhre 3 fließenden Stroms wird durch einen R.M.S.-Meßgleichrichter 4 in eine Gleichspannung umgewandelt. Die Gleichspannung wird von einem Fensterkomparator 5 kontrolliert. Der untere Grenzwert U_min wird durch die minimale Intensität vorgegeben, während der obere Grenzwert U_max dazu verwendet wird, um das Löschen der Entladung zu überprüfen. Dies ist möglich, weil nur im Falle eines Durchzündens τ_s dem Wert τ gleich ist und dabei der Strom seinen maximalen Wert erreicht.

Es wird eine stabilisierte Spannungsquelle 1 mit konstanter Spannung benötigt, wenn die Eingangsspannung am R.M.S.-Meßgleichrichter 4 einen Spannungsabfall über den Widerstand R_M darstellt. Wenn hingegen beispielsweise eine Z-Diode (nicht gezeigt) anstelle des Widerstands R_M verwendet wird, ist keine Spannungsquelle mit stabilisierter, konstanter Spannung erforderlich.

Für die Verwirklichung wurden jeweils integrierte Schaltkreise, beispielsweise ein Zeitgeber 556, ein Effektivwert- Meßgleichrichter AD 536 und ein Komparator TCA 965 in üblicher Beschaltung verwendet.

Demnach läßt sich die Vorrichtung nach der Erfindung durch die Verwendung von preiswerten integrierten Schaltkreisen verwirk­ lichen, unabhängig davon, daß unterschiedliche Wege zum Aufbau eines solchen Analyse-Schaltkreises möglich sind. Auf jeden Fall ist es möglich, die Intensität von Ultraviolettstrahlung mit Photozellen zu überwachen, die im Gebiet der selbsterhaltenden Glimmentladung betrieben werden, wobei es einen zusätzlichen Vorteil darstellt, daß ein Durchzünden, somit ein fataler Fehler bei der Anwendung von UV-Photozellen, festgestellt werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Intensitätsmessung der von einer UV-Quelle ausgesandten ultravioletten Strahlung, unter Verwendung einer gasgefüllten Photozelle, auf welche die Strahlung auftrifft, Betreiben der Photozelle mit pulsierender Spannung im Bereich der selbsterhaltenden Glimmentladung, wobei diese Spannung eine sich periodisch wiederholende Triggerpulsdauer erzeugt, während welcher die angelegte Spannung größer ist als die Zündspannung oder derselben gleich ist, so daß Entladungspulse erzeugt werden, wenn durch Photonen, die auf die Photokathode der Photozelle auftreffen, eine photoelektrische Emission stattfindet, und Bestimmung des Verhältnisses zwischen der durchschnittlichen Entladepulsdauer und der Triggerpulsdauer als ein Maß für die Strahlungsintensität.

2. Verfahren zur Messung der Intensität der von einer UV-Quelle ausgesandten ultravioletten Strahlung unter Verwendung einer gasgefüllten Photozelle, auf welche die Strahlung auftrifft, Betreiben der Photozelle mit pulsierender Spannung im Bereich der selbsterhaltenden Glimmentladung, wobei diese Spannung eine sich periodisch wiederholende Triggerpulsdauer erzeugt, während welcher die angelegte Spannung größer ist als die Zündspannung oder derselben gleich ist, so daß Entladungspulse erzeugt werden, wenn durch Photonen, die auf die Photokathode der Photozelle auftreffen, eine photoelektrische Emission stattfindet, und Bestimmung des Effektivwertes des Entladestromes als ein Maß für die Strahlungsintensität.

3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle und einen mit einer Photozelle verbundenen Pulsgenerator, einen Effektivwert- Meßgleichrichter der von der Photozelle beaufschlagt wird, und einen Fensterkomparator, der den Effektivwert vom Meßgleichrichter empfängt, wobei der untere Grenzwert U_min dieses Komparators durch die minimale Strahlungsintensität vorgegeben ist, während der obere Grenzwert U_max dazu verwendet wird, das Löschen der Entladung zu prüfen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in ihr integrierte Schaltkreise als Standardelemente verwendet werden, wie ein Zeitgeber 556, ein Effektivwert- Meßgleichrichter AD 536 und ein Komparator TCA 965.