EP3899461A1 - Verfahren zur kalibrierung eines spektrometers - Google Patents

Verfahren zur kalibrierung eines spektrometers

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EP3899461A1
EP3899461A1 EP19808762.9A EP19808762A EP3899461A1 EP 3899461 A1 EP3899461 A1 EP 3899461A1 EP 19808762 A EP19808762 A EP 19808762A EP 3899461 A1 EP3899461 A1 EP 3899461A1
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EP
European Patent Office
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light source
emission spectrum
spectrometer
spectrum
light
Prior art date
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Pending
Application number
EP19808762.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim BOLLE
Thilo Krätschmer
Andreas Weber
Julian Oser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Publication of EP3899461A1 publication Critical patent/EP3899461A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0297—Constructional arrangements for removing other types of optical noise or for performing calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J2003/2866—Markers; Calibrating of scan

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a spectrometer, a measuring system comprising a spectrometer, a computer program and a computer-readable medium.
  • Spectrometers have a wavelength calibration ex works. This is defined, for example, by a third degree polynomial.
  • the wavelength calibration assigns the individual pixels of a detector to a specific wavelength.
  • each spectrometer must be calibrated after it has been manufactured.
  • the spectrometer is connected to a defined calibration light source.
  • a routine is started which maps the emission spectrum of the calibration light source to the pixels. Then, in the example, a 3rd degree polynomial is calculated, which adapts to the specified peaks.
  • a spectrometer is usually built into a measuring system, which includes other components such as a data processing unit, a defined access to the measuring medium, etc.
  • the calibration light source required for calibration is usually only designed as a laboratory light source. So either the spectrometer has to
  • the invention has for its object to propose a simplification of the calibration of a spectrometer.
  • the object is achieved by a method comprising the steps: sending light by means of a light source, the light source being a known and in the
  • Has emission spectrum that is essentially unchangeable over time receiving the light as the reception spectrum, comparing the reception spectrum with the emission spectrum and determining a deviation, and taking the determined deviation into account in subsequent measurements with the spectrometer if the deviation is greater than a tolerance value.
  • the light is sent from the light source in the direction of the medium to be measured, the measuring medium.
  • the method further comprises the step: performing an adjustment when the determined deviation is greater than the tolerance value.
  • the emission spectrum of the light source is independent of the temperature. The light source therefore emits the same emission spectrum at every temperature.
  • the emission spectrum of the light source is from
  • Temperature dependent In this case, a temperature measurement of the light source is first carried out and the emission spectrum is used at the corresponding temperature.
  • One embodiment provides that the emission spectrum of the light source is temperature stable with respect to the process.
  • the emission spectrum of the light source is temperature stable with respect to the process.
  • the light source only has to be temperature stable with respect to the process. So if the temperature of the process, i.e. of the medium to be measured, it does not matter if the emission spectrum of the light source is fundamentally temperature-dependent, since only a constant temperature is relevant. In other words, the temperature of the light source is decisive and must be constant for this configuration. However, the temperature of the light source can change, for example, when the ambient temperature varies or when the probe is warmed up. Then the temperature of the
  • Light source are determined and the possibly temperature-dependent emission spectrum of the light source be known.
  • Reception spectrum is performed. In general, it must be possible to infer one or more wavelengths from the shape of the emission spectrum.
  • the claimed method thus works with all light sources whose emission spectrum is not spectrally constant over the emission range.
  • One embodiment provides that the comparison of the received spectrum with the emission spectrum is carried out using a single peak. This is particularly possible if all peaks shift in the same way, that is, for example, all have a positive offset.
  • the emission spectrum comprises at least two, in particular at least three, peaks and comparing the
  • Receiving spectrum is carried out with the emission spectrum based on the peaks.
  • the peak (s) is designed as a dip (peak down), jump, discontinuous point, extreme point, floe point, low point or turning point in the emission spectrum.
  • the course of the emission spectrum is used per se. In one embodiment, the course of the emission spectrum itself is determined in a certain way
  • One embodiment provides that the light is sent through a defined test medium for the calibration of the spectrometer.
  • test medium can be chosen freely. It is only important that the same is always used and the same
  • test medium is air or nitrogen.
  • Measuring medium acts. This is particularly the case if the measuring medium does not act as a filter for the light emitted by the light source, in particular not in the wavelength range of the peak or peaks.
  • Deviation includes temperature compensation. If a light source with a known emission spectrum is used in the measuring system, which
  • Temperature compensation can be used. The wavelength shift caused by the temperature is thus compensated.
  • One embodiment provides that the determined ones are taken into account
  • Deviation includes the aging of the measuring system.
  • One embodiment provides that the consideration of the determined deviation includes mechanical stress.
  • a measuring system comprising at least one light source, a spectrometer, the spectrometer in particular comprising at least one mirror, grating, a receiver, in particular a CCD sensor, and entry gap, and a data processing unit which is designed to perform the steps the procedure as described above.
  • the measuring system comprises a temperature sensor.
  • One embodiment provides that the light source as a xenon flash lamp
  • Gas discharge lamp, incandescent lamp or fluorescent lamp is configured.
  • the light source is designed as an LED.
  • the light source is designed as a temperature-dependent light source.
  • the temperature-dependent emission spectrum of the light source must be known and when comparing the reception spectrum with that
  • the object is further achieved by a computer program comprising commands which cause the measuring system to carry out the method steps as described above as described above.
  • the object is further achieved by a computer-readable medium on which the computer program is stored as described above.
  • One embodiment provides that the emission spectrum of the light source is stored on the medium.
  • the claimed measuring system in its entirety has reference number 10 and is shown in FIG. 1.
  • the measuring system 10 comprises at least one light source 1, a spectrometer 3 and a data processing unit 4 which is designed to carry out the steps of the claimed method, for example to switch the light source 1 on and off or to carry out the data processing.
  • the spectrometer 3 is only shown symbolically in FIG. 1 and comprises at least one mirror 5, grating 6 and a receiver 7.
  • Mirror 5 and grating 6 can be designed as a single component.
  • the receiver is designed as a CCD sensor.
  • An entry slit 8 is located at the input of the spectrometer 3.
  • the measuring medium 2 can be the medium actually to be measured. During the procedure for the calibration of the spectrometer 3, this can
  • Measuring medium 2 can be replaced by a test medium such as air, nitrogen or, if necessary, vacuum.
  • the light source 1 can also be configured as an LED. If the emission spectrum of the light source 1 is temperature-dependent, the measuring system 10 comprises a temperature sensor 9, which is arranged at, in or at least in the vicinity of the light source 1.
  • the light source 1 comprises one or more windows which are at least partially transparent to the emitted light.
  • the measuring medium 2 is separated from the optical and electronic components of the measuring system 10 via the windows.
  • a light source 1 with a known emission spectrum and one or more characteristic emission peaks is used in the measuring system 10, this can be used for wavelength calibration. All you have to do is ensure that the measuring system 10 is in a medium (liquid, gas, solid, ...) whose absorption spectrum allows the characteristic emission peaks of the lamp to be determined. On the one hand, this means that there is no excessive absorption by the medium, so that there is still enough light to detect the emission peaks. On the other hand, no absorptions should occur which prevent the emission peaks of the light source 1 from being clearly identified. To calibrate the wavelength, it is not absolutely necessary for the measuring system 10 to be perfectly cleaned, since the intensity does not play a role in the calibration. For example, that
  • Wavelength calibration can be used.
  • Emission peaks can also use a dip (peak down), jump, discontinuous point, extreme point, high point, low point or turning point in the emission spectrum. Likewise, the course of the emission spectrum,
  • Context should be understood as a medium in which a
  • Characterization of the emission spectrum i.e. the assignment of at least one wavelength to a characteristic feature (extreme value, inflection point, peak, dip, jump, etc.) is possible. In the wavelength range this
  • the medium must not absorb all light, i.e. sufficient (detectable) light must still arrive at the receiver 7 in this wavelength range. Furthermore, the medium must not make the characterization of the emission spectrum “unrecognizable”.
  • the calibration can be carried out. In one embodiment, the calibration is carried out before each measurement. Calibration can also be done by non-specialist personnel be carried out as no other aids and special
  • Calibration light sources are necessary.
  • the measurement performance is improved especially when a spectrometer with a wavelength drift over temperature is used.
  • a light source 1 with a known emission spectrum and having characteristic emission peaks is used in the measuring system 10, this can also be used for temperature compensation.
  • the wavelength shift caused by the temperature is thus compensated. Since it is not the absolute intensity spectrum that is of interest for the temperature compensation of the wavelength, but rather only individual pixels in the CCD sensor 7 that meet a local maximum, this compensation can take place directly in the process.
  • the emission spectrum of the light source 1 used at a specific temperature can be stored in the measuring system 10, for example in the data processing unit 4, and is compared with the emission spectrum just measured. For this purpose, characteristic emission peaks are determined, which are then used for comparison.
  • the measured spectrometer is then changed using a routine so that it matches the original mapping of the emission spectrum on the CCD sensor at a defined temperature (e.g. room temperature). The error is reduced by temperature influences on the measurement.

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung eines Spektrometers (3), umfassend die Schritte: Senden von Licht mittels einer Lichtquelle (1), wobei die Lichtquelle (1) ein bekanntes und im Wesentlichen zeitlich unveränderliches Emissionsspektrum besitzt, Empfangen des Lichts als Empfangsspektrum, Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem Emissionsspektrum und Ermitteln einer Abweichung, und Berücksichtigung der ermittelten Abweichung bei anschließenden Messungen mit dem Spektrometer (1), wenn die Abweichung größer einem Toleranzwert ist.

Description

Verfahren zur Kalibrierung eines Spektrometers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Spektrometers, ein Messsystem umfassen ein Spektrometer, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium.
Anhand der optischen Spektroskopie in der Prozessautomatisierung soll das der Erfindung zugrunde liegende Problem beschrieben werden. Spektrometer besitzen ab Werk eine Wellenlängenkalibrierung. Diese ist zum Beispiel durch ein Polynom dritten Grades definiert. Die Wellenlängenkalibrierung weist die einzelnen Pixel eines Detektors einer bestimmten Wellenlänge zu.
Um diese Zuweisung bereitzustellen muss jedes Spektrometer nach seiner Fertigung kalibriert werden. Hierzu wird das Spektrometer an eine definierte Kalibrierlichtquelle angeschlossen. Nach Anschluss der Kalibrierlichtquelle an das Spektrometer wird eine Routine gestartet, welche das Emissionsspektrum der Kalibrierlichtquelle auf die Pixel abbildet. Anschließend wird im Beispielfall ein Polynom 3. Grades berechnet, welches sich an die vorgegebenen Peaks anpasst.
Ein Spektrometer ist üblicherweise in ein Messsystem eingebaut, welches weitere Komponenten wie eine Datenverarbeitungseinheit, einen definierten Zugang zum Messmedium etc. umfasst.
Während der Lebensdauer eines Spektrometers kann es durch mechanische, thermische, alterungsbedingte oder sonstige Belastungen zu Veränderungen am Spektrometer kommen. Als Folge werden die Wellenlängen nicht mehr auf ihre ursprünglich kalibrierten Pixel des Detektors abgelenkt, sondern auf einen benachbarten Pixel. Je nach Temperaturänderung kann dieser Effekt auch mehrere Pixel betragen. Diese Veränderung kann zu einer Fehlinterpretation der Wellenlänge führen. Dadurch kann es notwendig sein, die
Wellenlängenkalibrierung zu wiederholen. Hierzu ist es notwendig das
Messsystem aus dem Prozess zu entnehmen, zu Reinigen und gegebenenfalls zu demontieren. Die Demontage eines Messsystems kann sich mitunter als schwierig gestalten, da optische Komponenten verklebt sein können. Dies ist sehr zeit- und kostenaufwändig.
Die zur Kalibrierung notwendige Kalibrierlichtquelle ist in der Regel nur als Laborlichtquelle ausgeführt. Somit muss entweder das Spektrometer zum
Hersteller oder einem Servicepartner zurückgeschickt werden, was einen großen Aufwand, damit verbundene hohe Kosten und eine für einen längeren Zeitraum nicht funktionsbereite Messstelle mit sich führt. Als Alternative kann sich der Betreiber eine Kalibrierlichtquelle anschaffen oder ausleihen und sich
gegebenenfalls für die Durchführung einer Kalibrierung schulen lassen. Auch diese Variante ist aufwändig und kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vereinfachung der Kalibrierung eines Spektrometers vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Schritte: Senden von Licht mittels einer Lichtquelle, wobei die Lichtquelle ein bekanntes und im
Wesentlichen zeitlich unveränderliches Emissionsspektrum besitzt, Empfangen des Lichts als Empfangsspektrum, Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem Emissionsspektrum und Ermitteln einer Abweichung, und Berücksichtigung der ermittelten Abweichung bei anschließenden Messungen mit dem Spektrometer, wenn die Abweichung größer einem Toleranzwert ist.
Somit ergibt sich eine Wellenlängenkalibrierung bei Messsystemen mit einem Spektrometer durch Verwendung einer in das Messsystem eingebauten
Lichtquelle ohne das Spektrometer an sich auszubauen.
Dabei wird das Licht von der Lichtquelle in Richtung dem zu messenden Medium, dem Messmedium, gesendet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Verfahren weiter den Schritt umfasst: Durchführung einer Justierung, wenn die ermittelte Abweichung größer als der Toleranzwert ist. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Emissionsspektrum der Lichtquelle temperaturunabhängig ist. Somit strahlt die Lichtquelle bei jeder Temperatur das gleiche Emissionsspektrum aus.
In einer Ausgestaltung ist das Emissionsspektrum der Lichtquelle von der
Temperatur abhängig. In diesem Fall wird zunächst eine Temperaturmessung der Lichtquelle durchgeführt und das Emissionsspektrum bei der entsprechenden Temperatur verwendet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Emissionsspektrum der Lichtquelle gegenüber dem Prozess temperaturstabil ist. Das Emissionsspektrum der
Lichtquelle muss lediglich gegenüber dem Prozess temperaturstabil sein. Wenn sich also die Temperatur des Prozesses, d.h. des zu messenden Mediums, nicht ändert, spielt es keine Rolle, wenn das Emissionsspektrum der Lichtquelle grundsätzlich temperaturabhängig ist, da lediglich eine konstante Temperatur relevant ist. In anderen Worten ist die Temperatur der Lichtquelle entscheidend und muss für diese Ausgestaltung konstant sein. Die Temperatur der Lichtquelle kann sich allerdings zum Beispiel bei einer variierenden Umgebungstemperatur oder beim Warmlaufen der Sonde ändern. Dann muss die Temperatur der
Lichtquelle bestimmt werden und das gegebenenfalls temperaturabhängige Emissionsspektrum der Lichtquelle bekannt sein.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem Emissionsspektrum anhand eines charakteristischen Merkmals des
Empfangsspektrums durchgeführt wird. Im Allgemeinen muss von der Form des Emissionsspektrums auf eine oder mehrere Wellenlängen geschlossen werden können. Das beanspruchte Verfahren funktioniert somit mit allen Lichtquellen, deren Emissionsspektrum über den Emissionsbereich nicht spektral konstant sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem Emissionsspektrum anhand eines einzelnen Peaks durchgeführt wird. Dies ist dann insbesondere möglich, wenn sich alle Peaks auf gleiche Art und Weise verschieben, also beispielsweise alle einen positiven Offset aufweisen. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Emissionsspektrum zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, Peaks umfasst und das Vergleichen des
Empfangsspektrums mit dem Emissionsspektrum anhand der Peaks durchgeführt wird. In einer Ausgestaltung ist dabei ein Peak im unteren und ein Peak im oberen Frequenzbereich des Emissionsspektrums. Insbesondere ist ein dritter Peak im mittleren Frequenzbereich des Emissionsspektrums.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der oder die Peak/s als Dip (Peak nach unten), Sprung, unstetige Stelle, Extrempunkt, Flochpunkt, Tiefpunkt oder Wendepunkt im Emissionsspektrum ausgestaltet ist. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Verlauf des Emissionsspektrums an sich verwendet wird. In einer Ausgestaltung wird der Verlauf des Emissionsspektrums an sich in einem bestimmten
Wellenlängenbereich verwendet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zur Kalibrierung des Spektrometers das Licht durch eine definiertes Prüfmedium gesendet wird.
Grundsätzlich kann das definierte Prüfmedium frei gewählt werden. Wichtig ist lediglich, dass immer das gleiche verwendet wird und dieses gleiche
wiederholbare Ergebnisse liefert.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Prüfmedium um Luft oder Stickstoff handelt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem Prüfmedium um das
Messmedium handelt. Dies geht insbesondere dann, wenn das Messmedium nicht als Filter für das von der Lichtquelle ausgesendete Licht wirkt, insbesondere nicht in dem Wellenlängenbereich des Peaks oder der Peaks.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Berücksichtigung der ermittelten
Abweichung eine Temperaturkompensation umfasst. Wird im Messystem eine Lichtquelle mit bekanntem Emissionsspektrum verwendet, welche
charakteristische Emissionspeaks besitzt, kann diese zur
Temperaturkompensation verwendet werden. Die durch die Temperatur verursachte Wellenlängenverschiebung wird somit kompensiert. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Berücksichtigung der ermittelten
Abweichung die Alterung des Messsystems umfasst. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Berücksichtigung der ermittelten Abweichung mechanischen Stress umfasst.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Messsystem, umfassend zumindest eine Lichtquelle, ein Spektrometer, das Spektrometer insbesondere umfassend zumindest einen Spiegel, Gitter, einen Empfänger, insbesondere ein CCD-Sensor, und Eintrittspalt, und eine Datenverarbeitungseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, die Schritte des Verfahrens wie oben beschrieben auszuführen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messsystem einen Temperatursensor umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle als Xenon-Blitzlampe,
Gasentladungslampe, Glühlampe oder Leuchtstofflampe ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lichtquelle als LED ausgestaltet ist. Im Allgemeinen ist die Lichtquelle als temperaturabhängige Lichtquelle ausgestaltet.
In diesem Fall muss das temperaturabhängige Emissionsspektrum der Lichtquelle bekannt sein und beim Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem
Emissionsspektrum sowie dem Ermitteln der Abweichung berücksichtigt werden
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Messsystem wie oben beschrieben die Verfahrensschritte wie oben beschrieben ausführt.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm wie oben beschrieben gespeichert ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass auf dem Medium das Emissionsspektrum der Lichtquelle gespeichert ist.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Fig. 1 zeigt das beanspruchte Messsystem.
Fig. 2 zeigt ein Emissionsspektrum einer Xenon-Blitzlampe.
Das beanspruchte Messsystem in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 10 und ist in Fig. 1 dargestellt.
Das Messsystem 10 umfasst zumindest eine Lichtquelle 1 , ein Spektrometer 3 und eine Datenverarbeitungseinheit 4, welche dazu ausgestaltet ist, die Schritte des beanspruchten Verfahrens auszuführen, also beispielsweise die Lichtquelle 1 ein- und auszuschalten oder die Datenverarbeitung durchzuführen.
Das Spektrometer 3 ist in Fig. 1 nur symbolisch dargestellt und umfasst zumindest einen Spiegel 5, Gitter 6 und einen Empfänger 7. Spiegel 5 und Gitter 6 können als ein einzelnes Bauteil ausgestaltet sein. Der Empfänger ist als CCD-Sensor ausgestaltet. Am Eingang des Spektrometers 3 befindet sich ein Eintrittspalt 8.
Licht von der Lichtquelle 1 , die etwa als Xenon-Blitzlampe ausgestaltet ist, wird von der Lichtquelle 1 ausgehend in Richtung Messmedium 2 gesendet. Beim Messmedium 2 kann es sich um das tatsächlich zu messende Medium handeln. Während des Verfahrens zur Kalibrierung des Spektrometers 3 kann das
Messmedium 2 durch ein Prüfmedium wie Luft, Stickstoff oder gegebenenfalls auch Vakuum ersetzt werden. Die Lichtquelle 1 kann auch als LED ausgestaltet sein. Ist das Emissionsspektrum der Lichtquelle 1 temperaturabhängig, umfasst das Messsystem 10 einen Temperatursensor 9, welche bei, in oder zumindest in der Nähe der Lichtquelle 1 angeordnet ist.
Dargestellt ist eine Transmissionsmessung. Dazu umfasst die Lichtquelle 1 ein oder mehrere Fenster, die für das ausgesendete Licht zumindest teiltransparent sind. Über die Fenster ist das Messmedium 2 abgetrennt von den optischen und elektronischen Komponenten des Messsystems 10.
Wird im Messsystem 10 eine Lichtquelle 1 mit bekanntem Emissionsspektrum verwendet, welche einen oder mehrere charakteristische Emissionspeaks besitzt, kann diese zur Wellenlängenkalibrierung verwendet werden. Hierzu muss lediglich sichergestellt werden, dass sich das Messystem 10 in einem Medium (Flüssigkeit, Gas, Festkörper, ...) befindet, dessen Absorptionsspektrum die Bestimmung der charakteristischen Emissionspeaks der Lampe zulässt. Dies umfasst zum einen, dass keine zu starke Absorption durch das Medium stattfindet, so dass noch genügend Licht zur Detektion der Emissionspeaks vorhanden ist. Zum anderen sollen keine Absorptionen auftreten, die eine eindeutige Identifizierung der Emissionspeaks der Lichtquelle 1 verhindern. Zur Kalibrierung der Wellenlänge ist es nicht zwingend notwendig, dass das Messsystem 10 perfekt gereinigt ist, da die Intensität hierbei keine Rolle für die Kalibrierung spielt. So kann z.B. das
Emissionsspektrum einer Xenon-Blitzlampe, siehe Fig. 2, zur
Wellenlängenkalibrierung verwendet werden.
Neben der Verwendung von einem oder mehreren charakteristischen
Emissionspeaks kann auch ein Dip (Peak nach unten), Sprung, unstetige Stelle, Extrempunkt, Hochpunkt, Tiefpunkt oder Wendepunkt im Emissionsspektrum verwendet werden. Ebenso kann der Verlauf des Emissionsspektrums,
beispielsweise in einem bestimmten Wellenlängenbereich, verwendet werden.
Eine Kalibrierung ist in-line ohne größeren Wartungsaufwand möglich. Es muss lediglich vom Anwender sichergestellt werden, dass sich der Spektrometer 3 in einem definierten Medium befindet. Als„definiertes Medium“ in diesem
Zusammenhang soll ein Medium verstanden werden, bei dem eine
Charakterisierung des Emissionsspektrums, also die Zuordnung zumindest einer Wellenlänge zu einem charakteristischen Merkmal (Extremwert, Wendepunkt, Peak, Dip, Sprung, etc.), möglich ist. Im Wellenlängenbereich dieses
charakteristischen Merkmals darf das Medium nicht alles Licht absorbieren, d.h. in diesem Wellenlängenbereich muss noch ausreichend (detektierbares) Licht am Empfänger 7 ankommen. Weiter darf das Medium die Charakterisierung des Emissionsspektrums nicht„unkenntlich“ machen.
Im Vergleich zur Standardmethode wird sehr viel Zeit und damit Kosten
eingespart. Auch wird die Messperformance verbessert, da diese Kalibrierung prinzipiell beliebig oft (bei jeder Messung) ohne zusätzlichen Aufwand
durchgeführt werden kann. In einer Ausgestaltung wird die Kalibrierung vor jeder Messung durchgeführt. Die Kalibrierung kann auch von nicht-Fachpersonal durchgeführt werden, da keine weiteren Hilfsmittel und spezielle
Kalibrierlichtquellen notwendig sind. Gerade für den Anwendungsfall, dass ein Spektrometer mit einer Wellenlängendrift über Temperatur verwendet wird, wird die Messperformance verbessert.
Wird im Messsystem 10 eine Lichtquelle 1 mit bekanntem Emissionsspektrum verwendet, welche charakteristische Emissionspeaks besitzt, kann diese auch zur Temperaturkompensation verwendet werden. Die durch die Temperatur verursachte Wellenlängenverschiebung wird somit kompensiert. Da bei der Temperaturkompensation der Wellenlänge nicht das absolute Intensitätsspektrum von Interesse ist, sondern lediglich einzelne Pixel im CCD-Sensor 7 auf die ein lokales Maximum trifft, kann direkt im Prozess diese Kompensation stattfinden.
Das Emissionsspektrum der verwendeten Lichtquelle 1 bei einer bestimmten Temperatur kann im Messsystem 10, etwa in der Datenverarbeitungseinheit 4, abgelegt sein und wird mit dem gerade gemessenen Emissionsspektrum abgeglichen. Hierzu werden charakteristische Emissionspeaks bestimmt, welche dann zum Vergleich herangezogen werden. Anschließend wird das gemessene Spektrometer mittels einer Routine so verändert, dass dieses wieder mit der ursprünglichen Abbildung des Emissionsspektrums auf den CCD-Sensor bei definierte Temperatur (z.B. Raumtemperatur) übereinstimmt. Der Fehler wird durch Temperatureinflüsse auf die Messung verringert.
Weitere mögliche Kompensationen umfassen die Alterung oder den
mechanischen Stress. Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Messmedium
3 Spektrometer
4 Datenverarbeitungseinheit
5 Spiegel
6 Gitter
7 Empfänger
8 Eintrittspalt
9 Temperatursensor
10 Messsystem

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Spektrometers (3), umfassend die Schritte:
- Senden von Licht mittels einer Lichtquelle (1 ), wobei die Lichtquelle (1 ) ein bekanntes und im Wesentlichen zeitlich unveränderliches
Emissionsspektrum besitzt,
- Empfangen des Lichts als Empfangsspektrum,
- Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem Emissionsspektrum und Ermitteln einer Abweichung, und
Berücksichtigung der ermittelten Abweichung bei anschließenden
Messungen mit dem Spektrometer (1 ), wenn die Abweichung größer einem Toleranzwert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend den Schritt:
- Durchführung einer Justierung, wenn die ermittelte Abweichung größer als der Toleranzwert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Emissionsspektrum der Lichtquelle (1 ) gegenüber dem Prozess temperaturstabil ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Emissionsspektrum der Lichtquelle (1 ) temperaturunabhängig ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Emissionsspektrum zumindest zwei, insbesondere zumindest drei, Peaks umfasst und das Vergleichen des Empfangsspektrums mit dem
Emissionsspektrum anhand der Peaks durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zur Kalibrierung des Spektrometers (3) das Licht durch eine definiertes Prüfmedium gesendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei es sich bei dem Prüfmedium um Luft oder Stickstoff handelt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Berücksichtigung der ermittelten Abweichung eine
Temperaturkompensation umfasst.
9. Messsystem (10),
umfassend zumindest eine Lichtquelle (1 ), ein Spektrometer (3), das Spektrometer insbesondere umfassend zumindest einen Spiegel (5),
Gitter (6), einen Empfänger (7), insbesondere ein CCD-Sensor, und
Eintrittspalt, und eine Datenverarbeitungseinheit (4), welche dazu ausgestaltet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
10. Messsystem (10) nach dem vorherigen Anspruch,
wobei die Lichtquelle (1 ) als Xenon-Blitzlampe, Gasentladungslampe oder Leuchtstofflampe ausgestaltet ist.
11. Computerprogramm,
umfassend Befehle, die bewirken, dass das Messsystem einem der vorherigen Ansprüche die Verfahrensschritte nach einem der
vorhergehenden Ansprüche ausführt.
12. Computerlesbares Medium,
auf dem das Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
13. Computerlesbares Medium,
wobei auf dem Medium das Emissionsspektrum der Lichtquelle gespeichert ist.
EP19808762.9A 2018-12-20 2019-11-21 Verfahren zur kalibrierung eines spektrometers Pending EP3899461A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018133152.5A DE102018133152A1 (de) 2018-12-20 2018-12-20 Verfahren zur Kalibrierung eines Spektrometers
PCT/EP2019/082024 WO2020126277A1 (de) 2018-12-20 2019-11-21 Verfahren zur kalibrierung eines spektrometers

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EP3899461A1 true EP3899461A1 (de) 2021-10-27

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ID=68654483

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19808762.9A Pending EP3899461A1 (de) 2018-12-20 2019-11-21 Verfahren zur kalibrierung eines spektrometers

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Country Link
US (1) US20220057264A1 (de)
EP (1) EP3899461A1 (de)
CN (1) CN113167651A (de)
DE (1) DE102018133152A1 (de)
WO (1) WO2020126277A1 (de)

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