DE4022083C2 - Verfahren zur Störgrößenunterdrückung bei der kontinuierlichen Ermittlung optischer Größen wie Streulicht, Transmission, Reflexion etc. mittels phasen- und frequenzselektiver Abtastung an festen, flüssigen oder gasförmigen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von Störgrößen bei der kontinuierlichen Messung optischer Größen, wie z. B. Streulicht, Transmission, Reflexion usw. an festen, flüssigen oder gasförmigen Medien.

In vielen Fällen müssen heute optische Messungen von Reflexion, Transmission, Absorption, Streuung usw. in einer Umgebung vorgenommen werden, die mehr oder weniger stark durch weitere, die Messung verfälschende optische und elektrische Signale belastet ist. Funktionierende Meßverfahren müssen daher in der Lage sein, diese aus dem Umfeld kommenden Einflüsse mit hoher Effizienz vom eigentlich zu messenden Signal zu trennen.

Als Störgrößen bei derartigen Messungen können z. B. auftreten:

• - Gleich- und Wechsellichtanteile durch Tages- und Kunst­ licht,
• - Gleich- und Wechselspannungen durch Netzeinflüsse, Rauschen bzw. elektromagnetische Felder,
• - Intensitätsschwankungen der für die Messung benutzten Strahlungsquelle,
• - Fremd-Reflexion oder -Remission der zur Messung verwen­ deten Strahlung an Umfeldstrukturen, z. B. an der Meß­ kammerwand.

Zur Beseitigung solcher Störgrößen ist es bereits bekannt, den Sender zu modulieren, was meist periodisch geschieht, so daß die zu ermittelnde Größe frequenz- und phasenkorre­ lierbar ist. Dadurch wird der Signalabstand zu den nicht frequenz- und/oder phasengleichen Störsignalen, die den Empfänger beeinflussen können, verbessert (vgl. hierzu beispielsweise Busch, K.W. und Busch, M.A., "Multielement Detection Systems for Spectrochemical Analysis", John Wiley & Sons, New York, 1990, S. 534-540).

Ferner ist es zur Störgrößenberücksichtigung aber auch bekannt, eine Kompensation dergestalt vorzunehmen, daß die existie­ renden Störgrößen unabhängig von der Meßgröße ermittelt und dann in den Meßwert eingerechnet werden. Die Störgröße kann räumlich getrennt mit dem sogenannten Zweistrahlverfahren ermittelt werden. Hierbei werden zwei Pfade aufgebaut, die sich meßtechnisch nur dadurch unterscheiden, daß in den einen Pfad die zu messende Größe eingefügt wird. Der andere Pfad dient als Referenz. Dieses Verfahren ermöglicht eine konti­ nuierliche Messung, hat aber den Nachteil, eines relativ hohen technischen Aufwandes und erfordert zudem, daß die beiden Pfade außerhalb des Probenraumes identisch sein und bleiben müssen. Sollte sich das System unabhängig von der Meßgröße ändern, so ist eine erneute Kalibrierung, d. h. also eine Unterbrechung der Messung notwendig.

Eine Kompensierung ist aber auch mit einem Einstrahlverfahren möglich. Hierbei benötigt man nur einen Pfad, der - zeitlich aufeinanderfolgend - mit und ohne der zu untersuchenden Probe vermessen wird. Dem geringeren technischen Aufwand steht der Nachteil gegenüber, daß die Probenmessung durch die Kompensationsmessung unterbrochen werden muß.

Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht brauchbar sind, wenn gleichzeitig das Meßsystem statistischen Veränderungen unterliegt, die Einfluß auf das zu messende Signal haben und gleichzeitig eine zeitlich kontinuierliche Messung vorgeschrieben ist.

Strahlung, die nicht von dem eingesetzten Sender kommt, wird durch das Modulationsverfahren eliminiert, solange sie nicht zu einer Übersteuerung des Empfängers führt. Dies trifft jedoch nicht für denjenigen Intensitätsanteil des Senders zu, der unabhängig vom Nutzsignal nach Streuung und/oder Reflexion innerhalb des Gerätes auf den Empfänger gelangt, da dieser Anteil üblicherweise phasen- und frequenzgleich zum Nutzsignal ist. Dieser Anteil ist zwar durch Kalibrierung zu ermitteln. Verändern jedoch relevante Geräteteile während der Messung ihr optisches Verhalten, so sind die auftretenden Signaländerungen nicht ohne erneute Kalibrierung vom Nutzsignal zu trennen.

Das Zweistrahlverfahren kann zwar die Forderungen nach zeit­ licher Kontinuität zu erfüllen, es ist jedoch nicht in der Lage, statistische, d. h. nicht vorhersehbare Veränderungen des Probenkanals im Referenzkanal nachzubilden.

Das Einstrahlverfahren kann zwar prinzipiell während der Kalibrierung die Veränderungen feststellen, solange sie bis dahin konstant bleiben bzw. die Kalibrierung keine weiteren Einflüsse an diesen Veränderungen verursacht. Allerdings ist dabei die Forderung nach zeitlicher Kontinuität nicht erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Meßverfahren zur Unterdrückung derjenigen Signalkomponente anzugeben, die bei der Ermittlung optischer Größen an festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern durch Streuung bzw. Reflexion der für die Messung verwendeten Strahlen an Bau­ teilen des Meßgerätes entsteht, wobei die Veränderungen dieser Signalkomponenten trotz Phasen- und Frequenzgleichheit mit dem Nutzsignal ohne zusätzlichen Aufwand eliminiert werden sollen.

Die Aufgabe besteht somit darin, das eigentliche Meßsignal sehr spezifisch vom Störlicht der gleichen Strahlungsquelle zu trennen, und zwar unter Beibehaltung der Vorzüge der bereits bekannten Meßverfahren, als da sind:

• - kontinuierliches Messen,
• - phasen- und frequenzselektive Abtastung, und
• - einstrahliger Aufbau.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Wesentlichster Verfahrensschritt ist dabei, daß in den Probenraum des Meßgerätes das Bild einer geometrisch periodischen Struktur abgebildet wird.

Dieses Strukturbild wird über eine zweite Optik auf ein be­ wegtes Chopperelement abgebildet, das identisch zu der abge­ bildeten Struktur strukturiert ist. Hinter dem Chopperelement befindet sich im Empfängerraum des Meßgerätes der Empfänger zum Detektieren der vom Chopperelement durchgelassenen Strahlen und zur Ermittlung des daraus resultierenden Nutzsignals.

Die Frequenz der durchgelassenen Strahlen wird erst im letzten Abschnitt der Meßstrecke, nämlich hinter dem Chopperelement bestimmt. Somit verursacht jegliches Streulicht, das vor diesem Punkt in das Meßsystem eintritt und das nicht wie vorstehend beschrieben erzeugt wird, d. h. geometrisch nicht strukturiert ist, lediglich einen Gleichanteil im Signal.

Die Strukturierung der Meßgröße ermöglicht somit eine Ab­ kopplung z. B. von nicht strukturiertem Streulicht, das durch die mechanische Begrenzungen des gesamten Meßsystems entstehen kann. Bei der Wahl des Chopperelementes bzw. seiner Strukturierung sind wenig Beschränkungen vorhanden.

Somit ermöglicht die nochmalige Abbildung der im Meßraum abgebildeten Struktur in den Empfängerbereich den Zugriff auf die zu messende Größe. Dies kann mechanisch durch ein Chopperelement, z. B. eine Choppertrommel geschehen. Ein Verzicht auf bewegliche Teile kann jedoch dadurch erreicht werden, daß die nochmalige Abbildung auf ein gleichartig strukturiertes Empfängerelement erfolgt. Nach periodischem Abtasten der Einzelelemente des Empfängers steht dann ein die Meßgröße darstellendes Signal zur Verfügung.

In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungs­ beispielen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2a-2c Intensitätsverteilungen in der Ebene der Choppertrommel,

Fig. 3a-3c Signale im Empfänger hinter der Choppertrommel,

Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau zur Streulichtunterdrückung, bei dem eine Choppertrommel verwendet wird. In der Figur ist mit 1 die Lichtquelle bezeichnet, die über eine Kondensoroptik 2 ein Gitter 3 beleuchtet. Dieses Gitter 3 wird von einer abbildenden Optik 4 in den Probenraum 5 abgebildet. Dort erscheint das Bild B3 des Gitters 3 in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung als mehr oder weniger gut erkennbare Gitterstruktur. Die Struktur wird über eine weitere Optik 6 auf eine zylindrische Choppertrommel 7 abgebildet. Die Geo­ metrie dieser Choppertrommel ist an diejenige des Gitters 3 bzw. dessen Bildes B3 angepaßt. Als Strahlenbegrenzung sollte am Ort der Choppertrommel eine Blende (nicht gezeigt) vorhanden sein.

Das von der Blende durchgelassene Strahlenbündel wird über eine nicht dargestellte Sammellinse einem Empfänger 8 zuge­ führt, wobei eine Pupillenabbildung der abbildenden Optik 4 auf dem Empfänger 8 erforderlich ist.

Zur Überwachung der Intensität der Lichtquelle 1 ist ein Referenzkanal inklusive Referenzdiode notwendig, der in der Darstellung jedoch nicht gezeigt ist.

Wie erwähnt hat das Meßverfahren vier besondere Merkmale, die in ihrer Kombination entscheidend zur Abkopplung des Nutzsignals von auftretenden Störgrößen beitragen:

• a) Die Lichtquelle wird mit Gleichspannung betrieben.
• b) Im Probenraum wird durch die Abbildung des Gitters eine geometrisch periodische Struktur erzeugt, deren Intensitätsverteilung bezüglich ihrer Amplitude von der Teilchenkonzentration im Probenraum abhängig ist.
• c) Die nochmalige Abbildung dieser Struktur in den Empfängerraum ermöglicht den Zugriff auf die zu messende Größe. Dies kann mechanisch unter Ver­ wendung einer Choppertrommel oder - ohne bewegte Choppertrommel - durch Abbildung auf ein gleichartig strukturiertes Empfängerelement erreicht werden. Die Frequenz des Nutzlichtsignals wird erst im letzten Abschnitt der Meßstrecke bestimmt, so daß nicht gleichartig strukturiertes Streulicht lediglich einen Gleichanteil im Signal erzeugt.

In den Fig. 2a-2c ist anhand von drei verschiedenen Meß­ situationen der beschriebenen Streulichtunterdrückung die Signalerzeugung verdeutlicht.

Fig. 2a zeigt prinzipiell die Intensitätsverteilung in der Ebene der Choppertrommel 7 bei alleinigem Vorhandensein von parasitärem Streulicht. Bei sorgfältigem Design des Proben­ raumes kann erreicht werden, daß streuende Flächen des Raumes in der Ebene der Choppertrommel 7 lediglich eine nicht oder kaum strukturierte Intensitätsverteilung verursachen.

Dies gilt umso mehr für andere Bereiche des Meßsystems, je weiter sie von dem Gitter 3 bzw. dessen Bild B3 und der Choppertrommel 7 entfernt sind. Da die Lichtquelle 1 mit Gleichspannung betrieben wird, erzeugt das hier betrachtete Streulicht auf der Choppertrommel 7 eine zeitlich konstante Intensität. Bei Rotation der Choppertrommel 7 entsteht im Empfänger 8 ein gleichförmiges Signal, wie in Fig. 3a dar­ gestellt, das elektrisch mit einfachsten Mitteln zu unter­ drücken ist.

Fig. 2b zeigt den Fall, bei dem der homogenen parasitären Streulichtintensität ein schwaches Nutzsignal überlagert ist. Die geometrisch periodische Struktur, die praktisch nur vom Nutzsignal stammt, verursacht im Empfänger 8 durch Rotation der Choppertrommel 7 ein Wechselsignal, dessen Frequenz durch die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel bestimmt wird. Das komplette Signal am Ausgang des Empfängers ist somit eine Gleichspannung, der das Nutzsignal als Wechselspannung über­ lagert ist, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist.

Fig. 2c stellt die Intensitätsverteilung am Ort der Chopper­ trommel 7 dar, für den Fall eines hohen Nutzsignals bei Störlicht entsprechend Fig. 2b. Aus Fig. 3c ist ersichtlich, daß in diesem Falle der Wechselspannungsanteil gegenüber Fig. 3b vergrößert wird.

Die bisher beschriebene Meßanordnung ermöglicht den Zugriff auf die zu messende Größe durch die Rotation der Chopper­ trommel 7, die als einziges bewegtes Element in der Anord­ nung vorhanden ist. Wie bereits angedeutet, läßt sich auch dieses bewegte Element vermeiden, wenn das Bild B3 direkt auf den Empfänger 10 abgebildet wird. Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. In dieser Figur ist mit 1 wiederum die Lichtquelle bezeichnet, der eine Kondensoroptik 2 und ein Gitter 3 nachgeordnet sind. Das Bild B3 des Gitters 3 wird wiederum in den Probenraum 5 abgebildet und von dort über eine,weitere Optik 6 auf den Empfänger 10. Bei diesem Empfänger 10 handelt es sich um einen strukturierten Halb­ leitersensor, d. h. um einen Sensor, der aus Einzelelementen aufgebaut ist. Lage und Größe der Einzelelemente stimmen mit der Strukturierung des Bildes B3 des Gitters 3 überein.

Die Gewinnung des Nutzsignals erfolgt durch sequentielles Einlesen der Daten der Einzelelemente des Empfängers 10 in eine Auswerteschaltung 11, wobei die Geschwindigkeit des Einlesens die Frequenz erzeugt. Die Auswertung des Signals geschieht nach dem Lok-In-Prinzip oder durch Addition der geradzahligen bzw. ungeradzahligen Elemente mit nachfolgender Subtraktion.

Claims (5)

1. Verfahren zur Störgrößenunterdrückung bei der konti­ nuierlichen Ermittlung optischer Größen, wie Streulicht, Transmission, Reflexion etc., mittels phasen- und frequenz­ selektiver Abtastung an festen, flüssigen oder gasförmigen Medien in einem einstrahligen Gehäuseaufbau, mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) von einer geometrisch periodischen Struktur (3) wird mittels einer mit Gleichspannung betriebenen Lichtquelle (1) und einer zwischengeschalteten Optik (4) im Probenraum (5) eines, Meßgerätes ein Bild (B3) erzeugt, dessen Intensitätsverteilung bezüglich der Amplitude von dem zu untersuchenden Medium abhängig ist,
• b) das Bild (B3) der periodischen Struktur (3) wird nochmals abgebildet, und zwar in den Empfängerraum des Meßgerätes,
• c) der Strahlengang zur Abb. des Bildes (83) der periodischen Struktur (3) wird von einem gleichartig geometrisch periodisch aufgebauten Chopperelement (7) vor Auftreffen auf den im Empfängerraum angeordneten Empfänger (8) gechoppt,
• d) dem Empfänger (8) wird unmittelbar ein der zu messenden Größe entsprechendes Signal entnommen, das von bestimmten Störsignalen frei ist.

2. Verfahren zur Störgrößenunterdrückung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrisch periodische Struktur ein Gitter (3) ist, dessen Bild (B3) in den Proben­ raum (5) auf dem Empfänger (8) im Empfängerraum des Meß­ gerätes abgebildet wird, und daß das Chopperelement (7) ein gleichartig strukturiertes Gitter ist, das sich vor dem Empfänger (8) bewegt.

3. Verfahren zur Störgrößenunterdrückung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Chopperelement eine Trommel (7) ist, die auf ihrem Umfange die geometrisch periodische Struktur trägt.

4. Verfahren zur Störgrößenunterdrückung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Chopperelement eine Scheibe ist, welche die geometrisch periodische Struktur trägt.

5. Verfahren zur Störgrößenunterdrückung bei der konti­ nuierlichen Ermittlung optischer Größen, wie Streulicht, Transmission, Reflexion etc., mittels phasen- und frequenz­ selektiver Abtastung an festen, flüssigen oder gasförmigen Medien in einem einstrahligen Geräteaufbau mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) von einer geometrisch periodischen Struktur (3) wird mittels einer mit Gleichspannung betriebenen Licht­ quelle (1) und einer zwischengeschalteten Optik (4) im Probenraum (5) eines Meßgerätes ein Bild (B3) erzeugt, dessen Intensitätsverteilung bezüglich der Amplitude von dem zu untersuchenden Medium abhängig ist,
• b) das Bild (B3) der periodischen Struktur (3) wird nochmals abgebildet, und zwar in den Empfängerraum des Meß­ gerätes,
• c) dem im Empfängerraum angeordneten Empfänger (10), der aus Einzelelementen aufgebaut ist, die ent­ sprechend der abgebildeten geometrisch periodischen Struktur (3) angeordnet sind und die derart perio­ disch abgetastet werden, daß ein die Meßgröße dar­ stellendes Signal zur Verfügung steht, wird das von bestimmten Störsignalen freie Meßsignal mit Hilfe einer Auswerteschaltung (11) entnommen.