DE3633916C2

DE3633916C2 -

Info

Publication number: DE3633916C2
Application number: DE19863633916
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr. 7504 Weingarten De Rinke; Gunther Prof. Dr. 7500 Karlsruhe De Krieg; Siegfried 6839 Oberhausen De Mueller; Helmut 7514 Leopoldshafen De Stripf
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1986-10-04
Filing date: 1986-10-04
Publication date: 1990-06-13
Also published as: DE3633916A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur kontinuierlichen Bestimmung einer gasförmigen oder auch flüssigen Substanz innerhalb eines Gemisches werden für den prozeßtechnischen Einsatz Photometer eingesetzt.

Ein Photometer mißt die Absorption elektromagnetischer Strahlung im Bereich vom UV bis IR. Basierend auf dem Einstrahl-Bifrequenzverfahren wird lediglich ein Meßstrahl verwendet, aber bei zwei verschiedenen Wellenlängen im Zeitmultiplex gemessen.

Bei einem Meßgerät genannter Art gelangt ein Lichtbündel von der Strahlungsquelle durch eine Meßzelle, die das zu analysierende Gas- oder Flüssigkeitsgemisch enthält, durch zwei alternierend in den Strahlengang eingebrachte optische Filter und eine Linse auf den Photodetektor. Diese Filter sind auf einer sich drehenden Scheibe angebracht und weisen unterschiedliche Wellenlängen für ihre Transmission auf.

Die zeitliche Zuordnung der auf den Detektor fallenden Strahlungsimpulse zu dem richtigen Filter wird durch eine zweite Scheibe erreicht, die auf derselben Achse wie das Filterrad angeordnet ist und deren Schlitze eine Lichtschranke steuern.

Die vom Detektor gelieferten Signale werden nach Vorverstärkung entweder auf analoge Weise oder nach Analog-Digital-Umsetzung rein digital weiterverarbeitet.

Die optischen Filter werden so ausgewählt, daß für die zu erfassende Komponente innerhalb des Gemisches ein Filter mit einer solchen Durchlaßwellenlänge eingesetzt wird, bei der diese Komponente eine für sie charakteristische Absorption zeigt. Neben dem "Meßfilter" wird noch ein "Referenzfilter" verwendet, dessen Durchlaßwellenlänge möglichst mit keiner Absorptionswellenlänge einer in der Absorptionszelle vorhandenen Substanz zusammenfällt. Durch Logarithmierung und Differenzbildung der Meß- und Referenzsignale kann mittels des Lambert-Beerschen Gesetzes die Extinktion und durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor die Konzentration der gewünschten Substanz bestimmt werden.

Bei einem aus der DE-PS 27 27 976 bekannten Gerät, das wie gerade beschrieben funktioniert, läßt sich nur die Extinktion oder Konzentration einer einzigen Substanz in einem Gemisch bestimmen, was auf den optischen Aufbau und die Signalverarbeitung zurückgeht. Eine Erweiterung auf mehrere Substanzen ist bei dieser Methode ohne weiteres nicht möglich, da dann die verschiedenen Meßsignale überlappen und sich somit alle Meßwerte gegenseitig beeinflussen. Während bei dem oben beschriebenen Analysengerät für die Einkomponentenmessung eine Überlappung aufeinanderfolgender Signale durch einen zeitlich konstanten Korrekturwert näherungsweise kompensierbar ist, kann dieses Verfahren bei einem Multikomponentengerät nicht angewendet werden, da es die Konstanz des vorhergehenden Impulses zur Voraussetzung hat.

Das beschriebene System weist weiterhin den Nachteil auf, daß bei einigen Anwendungsfällen eine spektrale Überlappung der Absorption der zu messenden Substanz mit denen anderer Komponenten möglich ist, so daß daraus eine nicht mehr tragbare Querempfindlichkeit resultiert.

Fig. 1 zeigt schematisch den optischen Aufbau des Detektorkopfes eines Photometers nach dem Stand der Technik. Dieser ist durch die rotierende Scheibe mit den zwei Interferenzfiltern gekennzeichnet, die vor der Sammellinse und dem Detektor angeordnet ist.

Der Anzahl der gleichzeitig meßbaren Komponenten sind bei dieser Anordnung jedoch gewisse Grenzen gesetzt: Zum einen lassen sich bei den bisherigen Filterdurchmessern kaum weitere Filter unterbringen, kleinere würden dagegen einen Intensitätsverlust und somit größeres Rauschen bedeuten. Weiterhin müßte mit extremen Überlagerungen der Signalimpulse gerechnet werden, die auf die thermische Zeitkonstante des pyroelektrischen Detektors zurückgehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prozeßphotometer eingangs genannter Art so zu verbessern, daß eine gleichzeitige Messung der Konzentrationen mehrerer Substanzen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte und einer Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung derselben gelöst.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung desselben an.

Erfindungsgemäß weist das Filterrad statt 2 weitere Filter auf: Für jede zu erfassende Gas- oder Flüssigkeitskomponente i wird ein Filter mit einer solchen Durchlaßwellenlänge eingesetzt, bei dem diese Komponente eine für sie charakteristische Absorption zeigt. Neben diesen i "Meßfiltern" werden noch ein oder mehrere "Referenzfilter" verwendet, deren Durchlaßwellenlängen möglichst mit keiner Absorption einer in der Absorptionsküvette vorhandenen Substanz zusammenfallen.

Das genannte Filterrad ist in den konvergenten Strahlengang zwischen Linse und Detektor eingebracht.

Die Meßwertverarbeitung wird nach A/D-Umsetzung rein digital mittels Mikrocomputer durchgeführt, wobei eine zeitliche Überlappung der Detektorsignale in der Weise kompensiert wird, daß von den integrierten Rohmeßwerten eine Größe subtrahiert wird, die proportional zum Rohmeßwert des vorhergehenden Signals ist oder als Potenzfunktion dieses Signals dargestellt wird.

Diese Kompensation wird sowohl für das Meßsignal als auch für das entsprechende Dunkelsignal durchgeführt. Wichtig ist die Reihenfolge: Erst Kompensation der zeitlichen Signalüberlappung für Meß- und Dunkelsignal, danach Subtraktion des so korrigierten Dunkelsignals von dem korrigierten Meßsignal. Andernfalls sind drastische Fehler bei starker Eigenstrahlung, z. B. bei beheizter Absorptionszelle, möglich.

Querempfindlichkeiten, die durch eine spektrale Überlappung der Absorptionsbanden der verschiedenen Gas- oder Flüssigkeitskomponenten entstanden, werden rechnerisch kompensiert. Dies kann durch iterative oder analytische Lösung eines Gleichungssystems erreicht werden, wobei die wellenlängenabhängige Extruktion als lineare Funktion aller Konzentrationen dargestellt ist. Nichtlineare Abhängigkeiten sind näherungsweise korrigierbar.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 den optischen Aufbau eines Meßkopfes eines Prozeßphotometers nach dem Stand der Technik mit der Anordnung des Filters im Bereich der parallelen Strahlen im Strahlengang vor der Linse,

Fig. 2 den optischen Aufbau eines Prozeßphotometers nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 den optischen Aufbau eines Multikomponenten-Systems mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Filter im konvergenten Strahl zwischen Linse und Detektor,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Vorrichtung mit den funktionellen Bereichen: Meßkopf, Meßwert-Erfassung, -Verarbeitung und -Darstellung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Signale Meßfenster, des verstärkten und integrierten Detektorsignals.

Die grundsätzliche Idee besteht darin, ein bisher nach Fig. 1 vor der Sammellinse angeordnetes Filterrad, wie in Fig. 3 dargestellt, zwischen Linse und Detektor in den konvergenten Strahlengang zu bringen. Dadurch kann die Zahl der Filter erhöht werden. Ein Intensitätsverlust tritt nicht auf.

Das durch diese Filteranordnung bedingte Kanalübersprechen wird durch das erfindungsgemäße Signalverarbeitungsverfahren auf ein vertretbares Maß herabgesetzt.

Das grundsätzliche Prinzip des Verfahrens besteht darin, von dem integrierten Meßsignal einer Komponente eine Spannung zu subtrahieren, die dem integrierten Meßsignal der unmittelbar vorhergehenden Komponente proportional ist. Denkbar ist auch eine Erweiterung mit dem Polynom. Diese Prozedur kann sowohl durch Elektronik oder besser noch softwaremäßig mittels Mikroprozessor durchgeführt werden.

Die Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung mit den funktionellen Bereichen: Meßkopf 2, 5, 6, 6 a, 6 b, Meßwerterfassung 9, 10, 11, 12, 13, 27, Meßwertverarbeitung 8, 17 und Darstellung 15, 16, 19.

Das Antriebsorgan 6, das Filterrad 5 und die Synchronisierscheibe 6 a sind über die Antriebswelle 20 synchronisiert. Die von der Synchronisierscheibe 6 a beeinflußte Lichtschranke 6 b ist mit ihrem elektrischen Ausgang 21 mit einem Interrupteingang 22 des Mikroprozessors 8 und dem Triggereingang 23 eines ersten Zählers 11 verbunden, auf dessen Eingang 23 a der CPU-Takt geschaltet ist.

Der Zähler 11 wird über den Busanschluß programmiert und erzeugt softwarekontrolliert die dem jeweiligen Filter bzw. Referenzfilter zugeordneten Meßfenster, die über die Verbindung 24 am ersten Gattereingang 25 anstehen. Der Ausgang des Detektors 2 ist mit dem Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers 10 verbunden, dessen Ausgang auf den zweiten Gattereingang 26 des Zählers 12 führt, der die seriellen Meßwerte innerhalb der Grenzen der Meßfenster integriert und in parallel kodierte Meßwerte umsetzt, die an der Busschnittstelle als Rohdaten anstehen.

Der an den Bus angeschlossene dritte Zähler 13 ist als programmierbarer Umsetzer geschaltet und dient der Steuerung des Antriebsorgans 6 (hier ein Schrittmotor), wobei eine Leistungsstufe 27 zwischengeschaltet ist.

Für bestimmte Antriebsorgane kann die Regelschleife für das Antriebsorgan 6 über die mechanische Kopplung mittels Antriebswelle 20, Lichtschranke 6 b und Mikroprozessor 8 geschlossen werden.

Zur Erläuterung der Software der Meßwertverarbeitung sind in Fig. 5 schematisch die Signale A Meßfenster, B das verstärkte und C das integrierte Detektorsignal dargestellt.

Zu beachten ist, daß der Korrekturterm proportional zum Meßsignal der aktuellen Meßkomponente ist, andernfalls kann ein systematischer Fehler bei hoher Eigenstrahlung auftreten. Zur Verdeutlichung sei als Extremfall angenommen, das Dunkelsignal aus der Referenzmessung betrage U _RD=1 V, das Referenzsignal U _R=4 V. Würde nun erst die Dunkelsignalkorrektur durchgeführt, dann wäre U _R=0 V und somit auch der Korrekturterm Null, obwohl starke Signale auf den Detektor fallen und eine Überlappung zu erwarten ist.

Claims

1. Verfahren zur selektiven Messung der Konzentrationen von IR- bis UV-Strahlung absorbierenden gasförmigen und/oder flüssigen Substanzen in Gasen und/oder Flüssigkeiten durch optische Transmissionstechnik, wobei sich zwei oder mehr zu untersuchende Komponenten in einer Probe befinden und die Probe mit 3 oder mehr Wellenlängen, von denen wenigstens eine unspezifisch ist, die andern in Maxima der Absorption liegen, durchstrahlt wird und Dunkelpausen zwischen der sequentiellen Einstrahlung der verschiedenen Wellenlängen auf den Detektor stattfinden und der Detektor vermöge seiner Trägheit an seinem Ausgang ein elektrisches Signal anstehen hat, das die zeitliche Änderung der Einstrahlung auf ihn wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Frequenz des Wellenlängenwechsels so hoch ist, daß das Signal aufgrund der thermischen Zeitkonstanten des Detektors, seiner Trägheit, noch störend beeinträchtigt wird;
b) jeder Hellmeßwert mit einem Bruchteil des vorangegangenen Hellmeßwertes in einer an den Detektor angeschlossenen Elektronik korrigiert wird;
c) jeder Hellmeßwert mit einem Bruchteil des vorangegangenen Hellmeßwertes in einer an den Detektor angeschlossenen Elektronik korrigiert wird;
d) die Differenzbildung aus dem Logarithmus der unspezifischen und spezifischen Intensitätsmessung für die Konzentrationsermittlung mit den korrigierten Werten in der Elektronik durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur des Hell- und Dunkelmeßwertes durch Subtraktion eines zum vorangegangenen Hellmeßwert proportionalen Anteils erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur des Hell- und Dunkelmeßwerts durch Subtraktion eines Wertes erreicht wird, der durch eine Potenzfunktion für den vorangegangenen Hellmeßwert darstellbar ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Strahlungsquelle (1), einem Detektor (2), einer im parallelen Strahlengang befindlichen Küvette (3), die die Probe enthält, einer Linse (4) zur Fokussierung des Strahls auf den Detektor (2), ein Filterrad (5), ein Antrieb (6) für das Filterrad (5) und der an den Detektor (2) angeschlossenen Elektronik (7), in der die Detektorsignale verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Filterrad auf einem Kreis um seinen Mittelpunkt für jede zu messende Komponente ein Filter und dann ein Referenzfilter in regelmäßigen Abständen aufweist;
- sich zwischen den Filtern auf dem Filterrad lichtundurchlässige Bereich befinden, die die Dunkelpausen für den Detektor bewirken;
- sich die Filter über den Antrieb (6) mit vorgegebener Geschwindigkeit durch den konvergenten Teil des Strahls zwischen Küvette und Detektor bewegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Achse Antriebs-Filterrad eine Synchronisierscheibe (6 a) angebracht ist, die durch Aussparungen auf ihrem Umfang entsprechend der zeitlichen Dauer der Hell-Dunkelsignale über eine Lichtschraube (6 b) einen Impuls an die Elektronik (7) gibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Linse (4) und Filter (5) eine Streulichtblende (14) angeordnet ist.