DE3615259A1 - Method and system for the continuous determination of the concentrations of molecular compounds in liquids and gases - Google Patents
Method and system for the continuous determination of the concentrations of molecular compounds in liquids and gasesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzentrationen verschiedener optisch absorbierender Molekülverbindungen in flüssigen und gasförmigen Stoffgemischen, wobei vorzugsweise optische Strahlung im ultravioletten-, im sichtbaren-, im nahen infrarot- und im infrarot-Bereich eingesetzt wird. Aus der Schwächung der optischen Strahlung beim Durchgang durch eine die zu untersuchende Substanz enthaltende transparente Zelle wird die Konzentration der jeweils gewünschten Substanz bestimmt.The invention relates to a method and a system for continuous Determination of the concentrations of various optically absorbing Molecular compounds in liquid and gaseous mixtures, where preferably optical radiation in the ultraviolet, in the visible, is used in the near infrared and in the infrared range. From the Attenuation of the optical radiation when passing through the die the transparent substance containing the investigating substance becomes the concentration of the desired substance.
Derartige Systeme bestehen aus einer optischen Strahlungsquelle, die einen bestimmten Wellenlängenbereich emittiert, mit Wellenlängen, die von der zu bestimmenden Molekülverbindung optisch absorbiert werden, ferner aus einer optisch durchlässigen Zelle, die vom jeweiligen Verfahrensmedium durchströmt wird, sowie einem strahlungsempfindlichen Detektor, der auf Änderungen der optischen Strahlungsintensität anspricht und diese in ein elektronisches Signal zur Weiterverarbeitung umwandelt.Such systems consist of an optical radiation source, that emits a certain wavelength range, with wavelengths, those of the molecular compound to be determined optically be absorbed, furthermore from an optically transparent cell, which is flowed through by the respective process medium, and a radiation-sensitive detector that is sensitive to changes in the optical Radiation intensity responds and this in an electronic signal converted for further processing.
Gemäß dem Stand der Technik werden für die Konzentrationsbestimmung verschiedener optisch absorbierender Stoffe in Gasen und Flüssigkeiten sogenannte Prozeßphotometer eingesetzt. Neben Zweistrahl- Systemen unter Verwendung von pneumatischen- oder gasdynamischen- Detektor-Prinzipien sind Einstrahl/Bifrequenz- bzw. Einstrahl/Gasfilterkorrelations- Techniken unter Einsatz von pyroelektrischen- oder Halbleiter-Detektoren bekannt. Ein ganz entscheidender Nachteil der am Markt angebotenen Zweistrahl-Photometer besteht jedoch darin, daß die unvermeidliche Verschmutzung der optischen Fenster bzw. der Wandung der Meßzelle durch das Prozeßmedium und sonstige Begleitstoffe, wie z. B. Staub, chemische Verbindungen, die ebenfalls im interessierenden Bereich optisch absorbieren, sowohl zu unvermeidlichen Nullpunktsdriften als auch Driften der Meßempfindlichkeit, führt. Diese Nachteile werden durch die obengenannten Einstrahl- Photometer zwar weitgehend beseitigt, ein weiterer schwerwiegender Nachteil der Systeme gemäß dem Stand der Technik besteht jedoch darin, daß die Einstrahl-Systeme, ebenso wie die Zweistrahl-Systeme auf mechanischen Choppern zur Strahlungsmodulation beruhen. Diese mechanischen Choppersysteme weisen, abgesehen von hohen Produktionskosten, unvermeidliche Unwuchten auf, die eine Störung des Rundlaufes und damit Phasenschwankungen, d. h. Jitter-Effekte, des rotierenden oder schwingenden Choppers bewirken. Aus diesem Grunde weisen die Meßgenauigkeit und Nullpunktsstabilität dieser Systeme für viele praktische Anwendungsfälle sehr unbefriedigende Werte auf. Darüberhinaus führen Alterungs- und Verschleißeffekte bei den mechanischen Lagern des Choppers zu zeitabhängig variierenden Jitter-Effekten des Choppers und damit zu unvermeidbaren zeitlichen Driften des Meßsignals. Ferner stellen der elektrische Antrieb und die mechanische Lagerung des Choppers sehr kostspielige und sehr empfindliche Verschleißteile dar, welche die Sicherheit von Photometern nach dem Stand der Technik, insbesondere beim Einsatz in der Prozeßtechnik, sehr infrage stellen. Hinzu kommt, daß die Photometer gemäß dem Stand der Technik durch Alterung bzw. Temperaturschwankungen der Strahlungsquelle bedingte gravierende Meßfehler aufweisen. Letztere werden zwar durch die Anwendung des Bifrequenzverfahrens bzw. der Gasfilterkorrelationstechnik als Folge der Quotientenbildung der Signale des Meß- und Referenzkanales zu einem gewissen Teil eliminiert. Jedoch auch beim Bifrequenzverfahren treten beispielsweise bei leichter Abkühlung des thermischen Strahlers Meßfehler auf, da die Intensitäten von Meß- und Referenzwellenlänge gemäß dem Planck'schen Strahlungsgesetz sich mit unterschiedlichen Faktoren ändern und daher auch der Quotient eine Änderung erfährt. Darüberhinaus ist sowohl bei den Geräten nach dem Bifrequenzverfahren als auch nach der Korrelationstechnik als weiterer Nachteil anzuführen, daß eine Strahlschwächung, die z. B. aufgrund einer unerwünschten Absorption infolge von Verschmutzungseffekten der optischen Fenster der Meßzelle oder durch eine Änderung der Reflexionseigenschaften der Zellenwand bewirkt wird, als solche nicht zu erkennen, bzw. von einer echten Absorption der zu messenden Molekülverbindung nicht zu unterscheiden ist und daher ebenfalls zu Fehlmessungen führt. Ferner weisen sämtliche Strahlungsdetektoren einen sogenannten Dunkeleffekt auf, d. h. sie führen auch bei durch den Chopper abgedunkeltem Strahl zu einem Meßeffekt. Dieser Meßeffekt ist temperaturabhängig und erzeugt daher bei variierender Temperatur des Detektors Fehlsignale, die eine Konzentrationsvariation der zu messenden Molekülverbindung vortäuschen. Die Prozeßphotometer gemäß dem Stand der Technik sind daher zur Lösung zahlreicher Probleme der modernen Prozeß- und Verfahrenstechnik, der Umwelttechnik, sowie zur Kontrolle von Arbeitsplätzen bezüglich gefährlicher Arbeitsstoffe, nicht geeignet. Letzteres zeigt sich quantitativ dadurch, daß die derzeitigen Systeme eine Langzeitschwankung der sogenannten dekadischen Extinktion von mindestens ± 1 · 10-3 bis 1 · 10-2 aufweisen, während für sehr viele Meßprobleme Langzeitschwankungen von höchstens 1 · 10-4 zulässig sind. Die dekadische Extinktion E berechnet sich dabei gemäß der Beziehung:According to the prior art, so-called process photometers are used for determining the concentration of various optically absorbing substances in gases and liquids. In addition to two-beam systems using pneumatic or gas dynamic detector principles, single-beam / bifrequency or single-beam / gas filter correlation techniques using pyroelectric or semiconductor detectors are known. A very decisive disadvantage of the two-beam photometer on the market is that the inevitable contamination of the optical windows or the wall of the measuring cell by the process medium and other accompanying substances, such as. B. dust, chemical compounds, which also optically absorb in the area of interest, both lead to inevitable zero drifts and drifts of the sensitivity. Although these disadvantages are largely eliminated by the abovementioned single-beam photometers, a further serious disadvantage of the systems according to the prior art is that the single-beam systems, like the two-beam systems, are based on mechanical choppers for radiation modulation. In addition to high production costs, these mechanical chopper systems have unavoidable imbalances which cause a disturbance in the concentricity and thus phase fluctuations, ie jitter effects, of the rotating or oscillating chopper. For this reason, the measuring accuracy and zero point stability of these systems have very unsatisfactory values for many practical applications. In addition, aging and wear effects in the mechanical bearings of the chopper lead to time-dependent varying jitter effects of the chopper and thus to unavoidable time drifts in the measurement signal. Furthermore, the electrical drive and the mechanical mounting of the chopper represent very expensive and very sensitive wearing parts, which seriously question the safety of prior art photometers, particularly when used in process technology. In addition, the photometers according to the prior art have serious measurement errors due to aging or temperature fluctuations of the radiation source. The latter are to a certain extent eliminated by using the bifrequency method or the gas filter correlation technique as a result of the quotient formation of the signals of the measuring and reference channels. However, in the bifrequency method, too, measurement errors occur, for example, when the thermal radiator is slightly cooled, since the intensities of the measurement and reference wavelengths change according to Planck's law of radiation with different factors and therefore the quotient also experiences a change. In addition, another disadvantage to be mentioned in the devices according to the bifrequency method as well as according to the correlation technique is that a beam weakening, e.g. B. due to an unwanted absorption due to contamination effects of the optical window of the measuring cell or by a change in the reflection properties of the cell wall, as such not to be recognized, or from a real absorption of the molecular compound to be measured is indistinguishable and therefore also to incorrect measurements leads. Furthermore, all radiation detectors have a so-called dark effect, ie they also lead to a measurement effect when the beam is darkened by the chopper. This measurement effect is temperature-dependent and therefore generates false signals when the temperature of the detector varies, which simulates a concentration variation of the molecular compound to be measured. The process photometers according to the prior art are therefore unsuitable for solving numerous problems of modern process and process engineering, environmental technology, and for checking workplaces with regard to hazardous substances. The latter is shown quantitatively by the fact that the current systems have a long-term fluctuation in the so-called decadal extinction of at least ± 1 · 10 -3 to 1 · 10 -2 , while long-term fluctuations of at most 1 · 10 -4 are permissible for a large number of measurement problems. The decadal extinction E is calculated according to the relationship:
E = 10log(I 0/I) E = 10 log ( I 0 / I )
mit I 0 als der ungeschwächten Intensität und I als der durch die zu messende Molekülkomponente geschwächte Intensität.with I 0 as the unattenuated intensity and I as the intensity weakened by the molecular component to be measured.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und ein System zu schaffen, die unter Vermeidung der genannten Nachteile insbesondere sowohl eine hohe Meßgenauigkeit, d. h. eine hohe Extinktionsgenauigkeit, als auch eine hohe Langzeitstabilität der Meßwerte und des Nullpunktes, sowie ein hohes Signal-/Rausch-Verhältnis bei geringen Kosten ermöglichen.Based on this prior art, the invention lies Task to create a method and a system that while avoiding the disadvantages mentioned in particular both high measurement accuracy, d. H. high extinction accuracy, as well as a high long-term stability of the measured values and the zero point, as well as a high signal-to-noise ratio with low Enable costs.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die alternierenden Strahlungsimpulse verschiedener Wellenlängen-Zusammensetzung nicht mechanisch, sondern elektronisch erzeugt werden und daß der Dunkelwert des Detektors bei jeder Periode erfaßt wird und daß darüberhinaus mindestens ein Referenzdetektor eingesetzt wird, der zur Überwachung und Konstanthaltung der Intensität der von den Strahlungsquellen emittierten Strahlung dient. In konkreter Ausführung wird dies dadurch geleistet, indem während jeder Meßperiode sowohl die Meßwellenlänge als auch die Referenzwellenlänge erzeugt wird und die zugeordnete optische Strahlung die Meßzelle durchläuft und vom Meßdetektor jeder Einzelimpuls detektiert wird. Simultan, d. h. während jeder Meßperiode, werden außerdem die Intensitäten der von den Strahlungsquellen erzeugten optischen Strahlungen von einem Referenzdetektor, der sich vor der Zelle befindet, erfaßt. Nach analog-digital-Wandlung und vorausgehender Verstärkung werden die vier Meßwerte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Kombination mit den Dunkelwerten der Detektoren mit Mikroprozessorunterstützung zur Konzentrationsberechnung herangezogen.According to the invention, a method is used to achieve the stated object of the type mentioned, which thereby is characterized in that the alternating radiation pulses different wavelength composition not mechanically, but be generated electronically and that the dark value of the Detector is detected at every period and beyond that at least one reference detector is used for monitoring and keeping the intensity of the radiation sources constant emitted radiation is used. In concrete terms This is done by both Measurement wavelength and the reference wavelength is generated and the associated optical radiation passes through the measuring cell and each individual pulse is detected by the measuring detector. Simultaneously, d. H. during each measurement period, the intensities are also the optical radiation generated by the radiation sources from a reference detector in front of the cell detected. After analog-digital conversion and previous amplification are the four measured values according to the method according to the invention in combination with the dark values of the detectors Microprocessor support used for concentration calculation.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während jeder Meßperiode außerdem die Temperatur des Verfahrensmediums bestimmt und in die Auswertung mit einbezogen, so daß Fehler, die durch Temperaturschwankungen des Absorptionskoeffizienten der betreffenden Molekülverbindung auftreten, sich nicht auf das Meßergebnis verfälschend auswirken, im Gegensatz zu den Systemen gemäß dem Stand der Technik.In a preferred embodiment of the method according to the invention the temperature of the process medium during each measurement period determined and included in the evaluation, so errors caused by temperature fluctuations in the absorption coefficient of the relevant molecular compound occur do not falsify the measurement result, in contrast to the systems according to the state of the art.
Die Störsicherheit gegen Tageslicht sowie sonstige optische Störungen und elektrischen Brumm und Rauschen, insbesondere dem sogenannte l/f-Rauschen, kann weiterhin dadurch erhöht werden, daß die Strahlungsquellen mit hochfrequentem, moduliertem Licht geschaltet werden und aus dem empfangenen Licht der gleiche hochfrequente Anteil ausgefiltert wird, wobei die Resonanzfrequenz in einem selektiven Verstärkersystem, dem ein Phasenschieber folgt, gefiltert wird, dem vorzugsweise ein Tiefpass sowie ein Spannungs- Frequenz-Wandler nachgeschaltet ist.The immunity to daylight as well as other optical disturbances and electrical hum and noise, especially the so-called l / f noise, can be further increased by switching the radiation sources with high-frequency, modulated light and filtering out the same high-frequency component from the received light , wherein the resonance frequency is filtered in a selective amplifier system, which is followed by a phase shifter, which is preferably followed by a low-pass filter and a voltage-frequency converter.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin gegenüber den Systemen gemäß dem Stand der Technik dadurch ausgezeichnet, daß die sonst übliche, zur Berücksichtigung des Beer'schen Gesetzes:The method according to the invention is also compared to the systems according to the prior art characterized in that the otherwise usual, taking into account Beer’s law:
I = I 0 · e -β · c · l I = I 0 · e - β · c · l
mit β als Absorptionskoeffizient, c als Konzentration der Molekülverbindung und l als optische Weglänge der Meßzelle, erforderliche Logarithmierstufe entfällt, indem der im allgemeinen nichtlineare Zusammenhang zwischen Konzentration und Extinktion direkt als Wertetabelle oder als analytische Funktion, z. B. als Polynom n-ten Grades, wobei n beliebig gewählt werden kann, in einem Speicher abgelegt wird, der sich im Zugriffsbereich der elekronischen Signalauswertung befindet. with β as the absorption coefficient, c as the concentration of the molecular compound and l as the optical path length of the measuring cell, the logarithmic level required is eliminated by the generally nonlinear relationship between concentration and extinction directly as a table of values or as an analytical function, e.g. B. as a polynomial n -degree, where n can be chosen arbitrarily, is stored in a memory which is located in the access area of the electronic signal evaluation.
Weitere Kennzeichen der Erfindung sind, daß sich Meß- und Referenzdetektor sowie die Strahlungsquellen durch einen thermischen Kurzschluß auf stets derselben Temperatur befinden, so daß sich Temperatureffekte der Detektoren eliminieren, und daß der Abstand l zwischen den optischen Fenstern der Meßzelle durch Distanzstücke mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, z. B. aus Quarzglas, konstant gehalten wird, so daß auch diese bei Systemen gemäß dem Stand der Technik vorliegende Fehlerquelle ausgeschaltet ist.Further characteristics of the invention are that the measuring and reference detector as well as the radiation sources are always at the same temperature due to a thermal short circuit, so that temperature effects of the detectors are eliminated, and that the distance l between the optical windows of the measuring cell is due to spacers with a small coefficient of thermal expansion, e.g. B. made of quartz glass, is kept constant, so that this is also present in systems according to the prior art error source.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin insbesondere in vorteilhafter Weise durch digitale Einstellmöglichkeiten sowohl der Empfindlichkeit (K-Faktor) als auch des Nullpunktes unterstützt, so daß die sonst üblichen, durch Drehpotentiometer hervorgerufenen Driftprobleme entfallen.The method according to the invention is furthermore particularly advantageous Way through both digital adjustment options Sensitivity (K-factor) as well as the zero point are supported, so that the usual, caused by rotary potentiometers There are no drift problems.
Als Strahlungsquellen kommen neben Leuchtdioden gemäß dem Stand der Technik insbesondere monolitisch aufgebaute Doppelleuchtdioden, die zur Emission mehrerer Spektralbereiche angeregt werden können, sowie Entladungslampen, wie z. B. Quecksilber-Niederdruck- oder -Hochdruck-Entladungen, Deuterium Lampen, Atomabsorptions- Lampen, sowie Entladungslampen mit Leuchtstoffen zur Umsetzung von kurzwelligem Licht in längerwelliges Licht, ferner gepulste Laser mit Emissionen im ganzen Spektralbereich insbesondere auch dem infraroten Bereich, der beispielsweise durch CO2-Laser oder Helium/ Neon-Laser zugänglich ist, infrage. Darüberhinaus kommen gepulste Planck'sche Strahler mit extrem geringer Wärmekapazität, d. h. kurzer Ansprechzeit infrage. Insgesamt wird daher erfindungsgemäß eine preiswerte, einfache und störungsfreie sowie mit hoher Präzision versehene Konzentrationsbestimmung im on-line-Betrieb für gasförmige und flüssige Medien geschaffen.In addition to light emitting diodes according to the prior art, radiation sources include, in particular, monolithically constructed double light emitting diodes, which can be excited to emit several spectral ranges, and discharge lamps, such as, for. B. mercury low-pressure or high-pressure discharges, deuterium lamps, atomic absorption lamps, and discharge lamps with phosphors for converting short-wave light into longer-wave light, furthermore pulsed lasers with emissions in the entire spectral range, in particular also in the infrared range, for example by CO 2 laser or helium / neon laser is accessible, in question. In addition, pulsed Planck radiators with extremely low heat capacity, ie a short response time, can be used. Overall, therefore, according to the invention, an inexpensive, simple, trouble-free and high-precision concentration determination is created in online operation for gaseous and liquid media.
Sämtliche Nachteile der bisher verfügbaren Prozeßphotometersysteme werden durch den Erfindungsgegenstand behoben. Hierzu tragen insbesondere bei, daß zur Messung und Berechnung der Konzentration der interessierenden Molekülverbindung vier optische Strahlen herangezogenwerden, deren Intensität zunächst bezüglich des Dunkelwerts des jeweiligen Detektors korrigiert wird. Die vier Strahlen entstammen zwei Lichtquellen verschiedener Lichtwellenlänge, wobei die eine Wellenlänge so gewählt ist, daß sie von der zu untersuchenden Molekülverbindung absorbiert wird, während die andere Wellenlänge ungeschwächt das Verfahrensmedium passiert. Erfindungsgemäß wird je ein Strahl jeder Wellenlänge sowohl vor der Absorptionszelle als auch nach der Absorptionszelle von je einem Detektor erfaßt. Aus den bezüglich Dunkelwert korrigierten Meßwerten wird ein Doppel-Quotient gebildet, der dem Quotienten aus dem Produkt der Intensität der nichtabsorbierten Strahlung hinter der Meßzelle und der Intensität der Strahlung der anderen Wellenlänge vor der Meßzelle als Zähler, und dem Produkt der Intensität der absorbierten Strahlung hinter der Meßzelle und der Intensität der Strahlung der anderen Wellenlänge vor der Meßzelle als Nenner, entspricht. Durch dieses Verfahren werden nicht nur Schwankungen der Strahlungsquellen und des Transmissionsvermögens der optischen Anordnung eliminiert, sondern inbesondere auch nicht graue, d. h. wellenlängenabhängige Verschmutzungen, die zu einer wellenlängenabhängigen zeitlichen Änderung des Transmissionsvermögens führen, und bei den Systemen gemäß dem Stand der Technik gravierende Driften hervorrufen.All disadvantages of the previously available process photometer systems are eliminated by the subject of the invention. Contribute to this in particular at that for measuring and calculating the concentration of the molecular compound of interest four optical rays are used, the intensity of which is initially related to the Dark value of the respective detector is corrected. The four Rays come from two light sources of different wavelengths of light, one wavelength being chosen to be of of the molecular compound to be examined is absorbed while the other wavelength does not weaken the process medium happens. According to the invention, one beam of each wavelength is used both before and after the absorption cell detected by one detector each. From the regarding Measured values corrected for the dark value become a double quotient formed which is the quotient of the product of the intensity of the non-absorbed radiation behind the measuring cell and the intensity the radiation of the other wavelength in front of the measuring cell as a counter, and the product of the intensity of the absorbed Radiation behind the measuring cell and the intensity of the radiation the other wavelength in front of the measuring cell as the denominator. This process not only eliminates fluctuations in radiation sources and the transmittance of the optical arrangement eliminated, but especially not gray, d. H. wavelength-dependent contamination, which leads to a wavelength-dependent change the transmittance over time, and serious in the systems according to the prior art Cause drifting.
Ein weiteres, sehr wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß im eingeschalteten Zustand die getakteten Lichtquellen zusätzlich moduliert werden, wobei die Modulationsfrequenz wesentlich höher ist als die Taktfrequenz. Dadurch wird erreicht, daß Störfrequenzen durch selektive Filterung der Modulationsfrequenz ausgeblendet werden, was zu einer Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses führt.Another very essential feature of the invention The method consists in that in the switched-on state clocked light sources are additionally modulated, the Modulation frequency is significantly higher than the clock frequency. This ensures that interference frequencies through selective filtering the modulation frequency are hidden, resulting in a Increases the signal / noise ratio leads.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:Further advantages and features of the invention result from the claims and from the description below, in the embodiments of the invention with reference to the drawings are explained in detail. It shows:
Fig. 1a Eine schematische Darstellung des Meßkopfes und der elektronischen Signalverarbeitung des erfindungsgemäßen Systems Fig. 1a is a schematic representation of the measuring head and the electronic signal processing of the system according to the invention
Fig. 1b Ein Blockschaltbild der elektronischen Signalverarbeitung des erfindungsgemäßen Systems Fig. 1B is a block diagram of the electronic signal processing of the inventive system
Fig. 2a Ein Zeitablaufdiagramm eines Meßzyklus Fig. 2a is a timing diagram of a measurement cycle
Fig. 2b Die einzelnen Rechenoperationen während eines Meßzyklus Fig. 2b The individual arithmetic operations during a measurement cycle
Fig. 2c Die Zeitintervalle für die Strahlungsimpulse der Strahlungsquelle zur Erzeugung der Meßstrahlung Fig. 2c The time intervals for the radiation pulses of the radiation source for generating the measuring radiation
Fig. 2d Die Zeitintervalle für die Strahlungsimpulse der Strahlungsquelle zur Erzeugung der Referenzstrahlung Fig. 2d The time intervals for the radiation pulses of the radiation source for generating the reference radiation
Fig. 3 Ein Flußdiagramm zur Verarbeitung der Signale und zur Berechnung der Konzentrationswerte der interessierenden Molekülverbindung Fig. 3 is a flowchart for processing the signals and to calculate the concentration values of the molecule of interest compound
Fig. 4a Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optomechanischen Systems FIG. 4a One embodiment of the opto-mechanical system according to the invention
Fig. 4b Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optomechanischen Systems unter Einsatz von Miniaturgasfilter- Küvetten Fig. 4b An embodiment of the optomechanical system according to the invention using miniature gas filter cuvettes
In Fig. 1a ist der Aufbau des Meßkopfes 1 und der elektronischen Signalverarbeitung 2 dargestellt. Das Licht zweier Strahlungsquellen 3, 4 gelangt alternierend durch die Küvette 5, die über einenZufluß 6 und einen Abfluß 7 vom zu untersuchenden gasförmigen- oder flüssigen Prozeßmedium durchströmt wird. Anschließend trifft die Strahlung auf einen Strahlungsdetektor 8. Als Lichtquellen kommen Quellen, die den gesamten optischen Spektralbereich abdecken in Betracht, wie z. B. Quellen mit Emissionen im ultravioletten-, sichtbaren-, nahen- infrarot, infrarot und fernen-infrarot-Bereich in Betracht. Als Strahlungsdetektoren können Halbleiter- pn- Bauelemente, wie z. B. Photodioden, Photoelemente, Photowiderstände sowie pyroelektrische Detektoren und Thermoelemente eingesetzt werden.In Fig. 1a, the structure of the measuring head 1 and the electronic signal processing 2 is shown. The light from two radiation sources 3, 4 passes alternately through the cuvette 5 , through which the gaseous or liquid process medium to be examined flows through an inflow 6 and an outflow 7 . The radiation then strikes a radiation detector 8 . As light sources come sources that cover the entire optical spectral range, such as. B. Consider sources with emissions in the ultraviolet, visible, near infrared, infrared and far infrared range. Semiconductor pn components, such as, for. B. photodiodes, photo elements, photoresistors and pyroelectric detectors and thermocouples can be used.
Das elektrische Signal des jeweiligen Strahlungsdetektors 8, im folgenden auch als Meßdetektor bezeichnet, wird von einem Verstärkersystem 9, das in Fig. 1b dargestellt ist, an einen ersten Spannungs-Frequenz-Wandler 10 weitergegeben, dessen aktuelle Werte von einem Zähler 11 erfaßt und an einen Mikroprozessor 12 weitergegeben werden. Alternativ wird das Signal eines Temperaturfühlers 13 nach Betätigung eines Umschalters 13 a über den Spannungs-/ Frequenz-Wandler 10 und den Zähler 11 an den Mikroprozessor 12 weitergeleitet. Dadurch können Einflüsse der Temperatur des Prozeßmediums auf den Absorptionskoeefizienten der zu untersuchenden Molekülverbindung rechnerisch korrigiert und dadurch bedingte Fehler bei der Konzentrationsmessung, wie sie bei Systemen gemäß dem Stand der Technik vorliegen, vermieden werden. Die zugehörigen mathematischen Korrekturfunktionen bzw. die Koeffizienten von Korrekturpolynomen, werden in einem nicht flüchtigen Speicher 14, z. B. einem EPROM, für die jeweilige Molekülverbindung abgelegt.The electrical signal of the respective radiation detector 8 , hereinafter also referred to as the measuring detector, is passed on from an amplifier system 9 , which is shown in FIG. 1b, to a first voltage-frequency converter 10 , the current values of which are recorded by a counter 11 and sent to a microprocessor 12 are passed on. Alternatively, the signal of a temperature sensor 13 is passed on to the microprocessor 12 after actuation of a switch 13 a via the voltage / frequency converter 10 and the counter 11 . In this way, influences of the temperature of the process medium on the absorption coefficients of the molecular compound to be investigated can be corrected by calculation and errors in the concentration measurement, as are present in systems according to the prior art, can be avoided. The associated mathematical correction functions or the coefficients of correction polynomials are stored in a non-volatile memory 14 , e.g. B. an EPROM for the respective molecular compound.
Um auszuschließen, daß Schwankungen der Strahlungsintensitäten der Strahlungsquellen 3, 4 zu Fehlern im Meßergebnis führen, werden die Strahlungsintensitäten von einem Refernzdetektor 15, der sich vor der Küvette befindet, erfaßt und über einen elektronischen Referenzkanal 16, bestehend aus Verstärkersystem 17 mit nachgeschaltetem Spannungs-/Frequenz-Wandler 18 und Zähler 19 zum Mikroprozessorsystem 12 weitergeleitet. Das Mikroprozessorsystem korrigiert die Schwankungen gemäß den in Fig. 3 angegebenen Schritten. Dadurch wird erfindungsgemäß erreicht, daß trotz der unvermeidlichen Schwankungen der Intensitäten der Strahlungsquellen 3, 4 ein präzises Meßergebnis bei hoher Langzeitstabilität erreicht wird. Dementsprechend können kostengünstige Lichtquellen mit geringen Anforderungen an die Stabilisierung der Stromversorgungen der Strahlungsquellen eingesetzt werden. Die Stromversorgung der Lichtquellen erfolgt über eine Energieversorgung 20, die über ein Port 21 und zwei logische Gatter 22, 23 entweder die Strahlungsquelle 3 und 4 alternierend mit Energie versorgt und entsprechende, zeitlich aufeinanderfolgende Strahlungsimpulse bewirkt. Als Lichtquellen kommen in Betracht sämtliche Quellen, die Emissionen im Spektralbereich zwischen dem kurzwelligen ultraviolett und dem fernen infrarot aufweisen, wie z. B. Gasentladungslampen mit kontinierlichen- oder linienförmigen Spektren, Lasersysteme, schwarze Strahler, d. h. glühende Körper, Halbleiter-Leuchtdioden und -Laser-Dioden sowie Gasentladungen mit Leuchtstoffbeschichtung. Die Taktfrequenz der Strahlungsquellen- Impulssteuerung kann beispielsweise 2 kHz betragen.In order to rule out that fluctuations in the radiation intensities of the radiation sources 3, 4 lead to errors in the measurement result, the radiation intensities are detected by a reference detector 15 , which is located in front of the cuvette, and via an electronic reference channel 16 , consisting of an amplifier system 17 with a downstream voltage / Frequency converter 18 and counter 19 forwarded to the microprocessor system 12 . The microprocessor system corrects the fluctuations according to the steps indicated in FIG. 3. It is thereby achieved according to the invention that, despite the inevitable fluctuations in the intensities of the radiation sources 3, 4, a precise measurement result is achieved with high long-term stability. Accordingly, inexpensive light sources with low requirements for stabilizing the power supplies of the radiation sources can be used. The light sources are supplied with power via a power supply 20 , which alternately supplies the radiation sources 3 and 4 with energy via a port 21 and two logic gates 22, 23 and causes corresponding, temporally successive radiation pulses. All sources which have emissions in the spectral range between the short-wave ultraviolet and the far infrared, such as B. gas discharge lamps with continuous or linear spectra, laser systems, black emitters, ie glowing bodies, semiconductor light-emitting diodes and laser diodes, and gas discharges with a fluorescent coating. The clock frequency of the radiation source pulse control can be, for example, 2 kHz.
Ein großer Vorteil der Anordnung bestehend aus Meßdetektor 8 und Referenzdetektor 15 ist insbesondere darin zu sehen, daß die Strahlungsquellen sich im instationären Zustand befinden können, d. h., daß die Intensität während des jeweiligen Strahlungsimpulses nicht konstant gehalten werden muß. Auch durch Änderungen der Umgebungstemperatur bewirkte Strahlungsschwankungen haben keinen Einfluß auf das Meßergebnis.A great advantage of the arrangement consisting of measuring detector 8 and reference detector 15 can be seen in particular in the fact that the radiation sources can be in the transient state, ie that the intensity does not have to be kept constant during the respective radiation pulse. Radiation fluctuations caused by changes in the ambient temperature also have no influence on the measurement result.
Über eine Ausgabeeinheit 24 werden die Temperaturwerte des Temperaturfühlers 13 an einer Temperaturanzeige 25 und die Konzentrationswerte der Molekülkomponente an einer Konzentrationsanzeige 26 kontinuierlich angezeigt. Darüberhinaus werden ebenfalls über die Ausgabeeinheit 24 sowohl Temperatur- als auch Konzentrationsmeßwerte an den Normschnittstellen 27, 28, z. B. als V 24-Schnittstellen, für die Prozeßsteuerung zur Verfügung gestellt. Die Normschnittstelle 27 ist für die Temperatur, die Normschnittstelle 28 für die Konzentration vorgesehen. Der Nullpunkt bzw. die Empfindlichkeit des Ausgangssignales für die Konzentration werden über hexadezimale Drehschalter, und zwar über Drehschalter 29 der Nullpunkt und über Drehschalter 30 die Empfindlichkeit, eingegeben. Die Eingabe erfolgt über die Eingabeeinheit 31, z. B. einem VIA-Baustein, zum Mikroprozessor 12. Als externer Arbeitsspeicher für den Mikroprozessor wird der Speicher 32, z. B. ein RAM, herangezogen.The temperature values of the temperature sensor 13 are continuously displayed on a temperature display 25 and the concentration values of the molecular component on a concentration display 26 via an output unit 24 . Moreover, also via the output unit 24 both temperature and Konzentrationsmeßwerte to the standard interfaces 27, 28, for example. B. as V 24 interfaces, provided for process control. The standard interface 27 is provided for the temperature, the standard interface 28 for the concentration. The zero point or the sensitivity of the output signal for the concentration are entered via hexadecimal rotary switches, specifically the zero point via rotary switch 29 and the sensitivity via rotary switch 30 . The input takes place via the input unit 31 , e.g. B. a VIA module to the microprocessor 12 . As an external working memory for the microprocessor, the memory 32 , e.g. B. a RAM used.
Fig. 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen schaltungstechnischen Aufbaus der Verstärkersysteme 9 bzw. 17 (Fig. 1a) einschließlich der erfindungsgemäßen Realisierung der Ansteuerung und Leistungsversorgung der Lichtquellen. Das von den Strahlungsquellen 3, 4 (Fig. 1a) am Meßdetektor 8 bzw. Referenzdetektor 15 jeweils erzeugte elektronische Signal wird zunächst einem Vorverstärker 33, z. B. einem photovoltaischen Verstärker, zugeführt, gelangt danach auf einen Wechselspannungsverstärker 34 und über ein aktives Bandpassfilter 35 sowie einen mit dem Potentiometer 36 einstellbaren Phasenschieber 37 auf einen getakteten Inverter 38. Der Inverter 38 setzt die negativen Halbwellen der vom Bandpassfilter kommenden Sinusfunktionen in positive Halbwellen um und erzeugt dadurch eine pulsierende Gleichspannung doppelter Frequenz, die im sich anschließenden Tiefpass 39 in eine Gleichspannung transformiert wird. Die Invertierung gemäß Fig. 1b wird über den Takt des Oszillators 40 in Synchronisation mit den Leistungsversorgungen 41, 42 der Strahlungsquellen 43, 44 und über den Schalter 45 der Invertierungsstufe 38 gesteuert. Die Leitung 46 führt zu dem Schalttransistor 47 der die entsprechende Verstärkeranordnung 48 des Referenzkanales 49 hinsichtlich der Signalinvertierung steuert. Durch diese erfindungsgemäßen Anordnungen werden alle Störfrequenzen die außerhalb des Bereichs des Bandpasses 35 liegen eliminiert und außerdem alle Störfrequenzen innerhalb des Durchlaßbereiches des Bandpasses 35, die nicht in Synchronisation mit den getakteten Lichtquellen sind, ausgeschaltet. Dadurch wird eine wesentliche Steigerung des Signal/ Rausch-Verhältnisses am Referenz- und am Meßkanal erzeugt, so daß eine extrem hohe Meßgenauigkeit resultiert. Die Ansteuerung der Strahlungsquellen 43, 44 erfolgt ebenfalls durch den Oszillator 40, dessen Signale über einen Impulsformer 40 a und ein logisches Gatter 43, 43 a in der gewünschten Synchronisation an die Schalttransistoren 45, 47 der getakteten Inverter und an die Transistoren 50, 51 der Leistungsversorgungseinheiten der Strahlungsquellen weitergeleitet werden. Die Mittenfrequenz des Bandpasses 35 wird über das Potentiometer 35 a eingestellt. Fig. 1b shows an embodiment of the circuitry structure of the amplifier systems 9 and 17 ( Fig. 1a) including the implementation of the control and power supply of the light sources according to the invention. The generated by the radiation sources 3, 4 ( Fig. 1a) on the measuring detector 8 or reference detector 15 electronic signal is first a preamplifier 33 , z. B. supplied to a photovoltaic amplifier, then arrives at an AC voltage amplifier 34 and via an active bandpass filter 35 and a phase shifter 37 that can be adjusted with the potentiometer 36 on a clocked inverter 38 . The inverter 38 converts the negative half-waves of the sine functions coming from the bandpass filter into positive half-waves and thereby generates a pulsating DC voltage of double frequency, which is transformed into a DC voltage in the subsequent low-pass filter 39 . The inversion of FIG. 1b is controlled by the clock of the oscillator 40 in synchronization with the power supplies 41, 42 of radiation sources 43, 44 and through the switch 45 of the inverter stage 38th The line 46 leads to the switching transistor 47 which controls the corresponding amplifier arrangement 48 of the reference channel 49 with regard to the signal inversion. By means of these arrangements according to the invention, all interference frequencies which lie outside the range of the bandpass 35 are eliminated and, moreover, all interference frequencies within the passband of the bandpass 35 which are not in synchronization with the clocked light sources are switched off. This produces a significant increase in the signal-to-noise ratio on the reference and on the measuring channel, so that an extremely high measuring accuracy results. The control of the radiation sources 43, 44 is also carried out by the oscillator 40 , whose signals via a pulse shaper 40 a and a logic gate 43, 43 a in the desired synchronization to the switching transistors 45, 47 of the clocked inverters and to the transistors 50, 51 Power supply units of the radiation sources are forwarded. The center frequency of the bandpass 35 is set via the potentiometer 35 a .
In Fig. 2a bis 2d ist der Zeitablauf der Ansteuerung der einzelnen Komponenten des Verfahrens dargestellt. Fig. 2a zeigt die fünf Zeitintervalle 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, die während einer Gesamt- Periodendauer 59 der Zeitsteuerung durchlaufen werden. Aus Fig. 2b ist ersichtlich, daß im Zeitintervall 60 die gemäß Fig. 1a angegebene Empfindlichkeitseinstellung 30 der Konzentrationsmessung sowie die Nullpunktseinstellung 29 über die Eingabeeinheit 31 (Fig. 1a) in den Speicher 32 bzw. den Mikroprozessor 12 eingelesen werden. Im Zeitintervall 53 werden die Strahlungswerte 61, 62 der Meßwellenlänge der Strahlungsquelle 3 (Fig. 1a) am Referenzdetektor 15 und am Meßdetektor 8 erfaßt. Im Zeitinterval 55 werden die entsprechenden Strahlungswerte 63, 64 der Referenzwellenlänge, die von Strahlungsquelle 4 emittiert wird, sowohl vom Referenzdetektor als auch vom Meßdetektor erfaßt. Im Zeitintervall 56 erfolgt die Erfassung des Signals 65 des Temperaturfühlers 13 (Fig. 1a). Die gesamte Meßperiode wird nach der Aufnahme der Dunkelwerte 66, 67 der Strahlungsdetektoren 8, 15 (Fig. 1a) bei jeweils abgeschalteten Strahlungsquellen, abgeschlossen. In den Einschaltphasen 68, 69 werden die Strahlungsquelle 43, 44 zusätzlich hochfrequent moduliert. Aus Fig. 2c ist ersichtlich, daß die Strahlung 68 der Strahlungsquelle 3 während der Zeitintervalle 52, 53, die Strahlung 69 der Strahlungsquelle 4 während der Zeitintervalle 54, 55 eingeschaltet werden. Gemäß Fig. 2a wird nach dem Einschalten 70 des Gesamtsystems das elektronische System in den Ausgangszustand 71 versetzt und der erste Meßzyklus durch eine Initialisierung 72 automatisch gestartet. Im Falle eines Spannungsausfalls oder einer Störung der Signalabfolge wird das System selbsttätig, über die Initialisierung 72 wieder in Betrieb genommen.In Fig. 2a to 2d, the timing of activation of the individual components is shown of the procedure. FIG. 2a shows the five time intervals 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 which are run through during a total period 59 of the time control. From FIG. 2b it can be seen that in the time interval 60 the sensitivity setting 30 of the concentration measurement specified according to FIG. 1a and the zero point setting 29 are read into the memory 32 or the microprocessor 12 via the input unit 31 ( FIG. 1a). In the time interval 53 , the radiation values 61, 62 of the measurement wavelength of the radiation source 3 ( FIG. 1 a ) are recorded on the reference detector 15 and on the measurement detector 8 . In the time interval 55 , the corresponding radiation values 63, 64 of the reference wavelength, which is emitted by radiation source 4, are detected both by the reference detector and by the measurement detector. In the time interval 56 , the signal 65 of the temperature sensor 13 is detected ( FIG. 1a). The entire measurement period is concluded after the dark values 66, 67 of the radiation detectors 8, 15 ( FIG. 1a) have been recorded, with the radiation sources switched off. In the switch-on phases 68, 69 , the radiation source 43, 44 are additionally modulated at high frequency. From FIG. 2c it can be seen that the radiation 68 of the radiation source 3 during the time intervals 52, 53 , the radiation 69 of the radiation source 4 during the time intervals 54, 55 are switched on. According to FIG. 2a, after the entire system is switched on 70, the electronic system is set to the initial state 71 and the first measurement cycle is started automatically by an initialization 72 . In the event of a power failure or a fault in the signal sequence, the system is automatically put back into operation via the initialization 72 .
Fig. 3 zeigt das Flußdiagramm für die Software-Steuerung und die im Zeitintervall 59 (Fig. 2a) ablaufenden Rechenroutinen des Mikroprozessors. Zunächst wird vom Meßwert 61 (Fig. 2) der Meßwellenlänge λ 1 der Strahlungsquelle 3 am Meßdetektor 8 (Fig. 1a) der zugehörige Dunkelwert 66 des Meßdetektors subtrahiert. Man erhält dadurch den korrigierten Meßwert 73 der Wellenlänge λ 1 der Strahlungsquelle 3. Danach wird vom Meßwert 62 (Fig. 2b) der Meßwellenlänge der Strahlungsquelle 3 am Referenzdetektor 15 (Fig. 1a) der zugehörige Dunkelwert 67 des Referenzdetektors 15 subtrahiert. Man erhält dadurch den korrigierten Referenzwert 74 der Meßwellenlänge der Strahlungsquelle 3 am Referenzdetektor 15. Anschließend wird vom Meßwert 63 (Fig. 2) der Referenzwellenlänge g 2 der Strahlungsquelle 4 am Meßdetektor 8 der zugehörige Dunkelwert 66 des Meßdetektors 8 subtrahiert. Man erhält dadurch den korrigierten Referenzwert 75 der Referenzwellenlänge λ 2 der Strahlungsquelle 4 am Meßdetektor. Schließlich wird vom Meßwert 64 der Referenzwellenlänge λ 2 der Strahlungsquelle 4 am Referenzdetektor 15 der zugehörige Dunkelwert 67 des Referenzdetektors 15 subtrahiert. Man erhält den korrigierten Referenzwert 76 der Referenzwellenlänge λ 2 der Strahlungsquelle 4 am Referenzdetektor 15. FIG. 3 shows the flowchart for the software control and the computing routines of the microprocessor running in the time interval 59 ( FIG. 2a). First, the associated dark value 66 of the measuring detector is subtracted from the measured value 61 ( FIG. 2) of the measuring wavelength λ 1 of the radiation source 3 at the measuring detector 8 ( FIG. 1a). This gives the corrected measured value 73 of the wavelength λ 1 of the radiation source 3 . The associated dark value 67 of the reference detector 15 is then subtracted from the measured value 62 ( FIG. 2b) of the measuring wavelength of the radiation source 3 at the reference detector 15 ( FIG. 1a). The corrected reference value 74 of the measurement wavelength of the radiation source 3 at the reference detector 15 is thereby obtained. Subsequently, the measured value 63 (FIG. 2) the reference wavelength of the radiation source 4 g 2 at the measuring detector 8, the associated dark value 66 of the measurement detector 8 is subtracted. This gives the corrected reference value 75 of the reference wavelength λ 2 of the radiation source 4 on the measuring detector. Finally, the reference wave length is measured from 64 λ 2 of the radiation source 4 at the reference detector 15, the corresponding dark value 67 of the reference detector 15 subtracted. The corrected reference value 76 of the reference wavelength λ 2 of the radiation source 4 is obtained at the reference detector 15 .
Anschließend wird der korrigierte Meßwert 73 der Meßwellenlänge am Referenzdetektor durch den korrigierten Meßwert 74 der Meßwellenlänge am Meßdetektor dividiert und man erhält das korrigierte Meßsignal 77 der Meßwellenlänge λ 1 der Strahlungsquelle 3. In derselben Weise wird anschließend der korrigierte Meßwert 75 der Referenzwellenlänge λ 2 am Referenzdetektor durch den korrigierten Meßwert 76 der Referenzwellenlänge λ 2 am Meßdetektor dividiert. Man erhält das korrigierte Referenzsignal 78 der Referenzwellenlänge der Strahlungsquelle 4. Abschließend wird das korrigierte Referenzsignal 78 durch das korrigierte Meßsignal 77 dividiert und man erhält das Ergebnissignal 79, dessen Verlauf in Abhängigkeit von der Konzentration der interessierenden Molekülverbindung die sogenannte Eichkurve darstellt. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann dieses Signal 79 einer dekadischen Logarithmierung unterzogen werden, so daß gemäß dem Beer'schen Gesetz zumindest für kleine Konzentrationen der Molekülverbindung eine lineare Eichkurve resultiert. Letzteres ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, da der exponentielle Verlauf der Eichkurve, der ohne Logarithmierung vorliegt, direkt in dem nicht flüchtigen Speicher 14 (Fig. 1a) abgelegt werden kann, so daß jedem Ergebnissignal eindeutig ein Konzentrationssignal vom Mikroprozessor zugeordnet werden kann. Die in Figur beschriebene Prozedur wird bei jeder Periode 59 (Fig. 3) wiederholt. Zur weiteren Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird der Mittelwert von mehreren aufeinanderfolgenden Ergebnissignalen 79 gebildet, wobei als spezielle Ausführung insbesondere eine gleitende Mittelwertbildung bevorzugt wird, die darauf beruht, daß nach Ablauf der letzten Meßperiode der neue Ergebniswert in die Mittelwertbildung einfließt während der älteste Wert unberücksichtigt bleibt, so daß insgesamt die Zahl der jeweils gemittelten Werte eine Konstante ist.Subsequently, the corrected measurement value 73 of the measurement wavelength at the reference detector is divided by the corrected measurement value 74 of the measurement wavelength at the measurement detector, and the corrected measurement signal 77 of the measurement wavelength λ 1 of the radiation source 3 is obtained . In the same way, the corrected measured value 75 of the reference wavelength λ 2 at the reference detector is then divided by the corrected measured value 76 of the reference wavelength λ 2 at the measuring detector. The corrected reference signal 78 of the reference wavelength of the radiation source 4 is obtained . Finally, the corrected reference signal 78 is divided by the corrected measurement signal 77 and the result signal 79 is obtained , the course of which, depending on the concentration of the molecular compound of interest, represents the so-called calibration curve. In a further embodiment of the invention, this signal 79 can be subjected to decadal logarithmization, so that a linear calibration curve results, at least for small concentrations of the molecular compound, according to Beer law. However, the latter is not absolutely necessary, since the exponential course of the calibration curve, which is present without logarithmization, can be stored directly in the non-volatile memory 14 ( FIG. 1a), so that a concentration signal from the microprocessor can be uniquely assigned to each result signal. The procedure described in Figure is repeated every period 59 ( Figure 3). To further improve the signal-to-noise ratio, the mean value is formed from a plurality of successive result signals 79 , with a special embodiment in which a moving mean value formation is preferred, based on the fact that after the last measurement period the new result value is incorporated into the mean value formation during the oldest Value is disregarded, so that the total number of averaged values is a constant.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird die Abhängigkeit des Ergebnissignales vom mit dem Temperaturfühler 13 ermittelten Temperaturwerten des Verfahrensmediums 6 in der Prozeßküvette 5 im Speicher 14 abgelegt, so daß eventuell dadurch bedingte Meßfehler ausgeschaltet werden. Je nach vorliegender Temperatur multipliziert der Mikroprozessor 12 das Ergebnissignal mit dem zugehörigen Korrekturwert, der im Speicher 14 abgelegt ist.In a further embodiment according to the invention, the dependence of the result signal on the temperature values of the process medium 6 ascertained with the temperature sensor 13 is stored in the process cell 5 in the memory 14 , so that measurement errors which may be caused thereby are eliminated. Depending on the prevailing temperature, the microprocessor 12 multiplies the result signal with the associated correction value, which is stored in the memory 14 .
Um bei nicht-grauen, d. h. wellenlängenabhängigen Verschmutzungen des optischen Strahlenganges, z. B. Verschmutzungen der optischen Fenster der Küvette 5, Meßfehler infolge unterschiedlicher Schwächung der Strahlungen von Lichtquelle 3 und Lichtquelle 4 zu vermeiden, wird bei jedem Meßzyklus 59 (Fig. 3) innerhalb des Zeitintervalles 58 vom Mikroprozessor geprüft, ob die Verhältnisse der Strahlungssignale jeder der Lichtquellen 3, 4 am Meßdetektor 8 und am Referenzdetektor 15 gegenüber früheren Verhältniswerten sich nicht geändert haben. Zur Durchführung dieser Prozedur wird dem Mikroprozessor 12 durch einen Taster 80 (Fig. 1a) signalisiert, daß die dazu erforderliche Evakuierung der Küvette 5 bzw. die Spülung der Küvette 5 mit nicht absorbierendem Gas, z. B. Stickstoff, in Betrieb genommen ist, so daß der Vergleichsvorgang anlaufen kann. Falls die Prüfung zeigt, daß eines oder beide Verhältnisse aus den Intensitäten am Meßdetektor 8 und am Referenzdetektor 15, d. h. für die Strahlungsquelle 3 und/oder die Strahlungsquelle 4, sich geändert haben, wird der jeweilige Quotient vom Mikroprozessor mit einem Faktor versehen, so daß der ursprüngliche Wert resultiert. Dadurch wird erfindungsgemäß auch eine nicht graue Verschmutzung der Fenster oder sonstiger optischer Komponenten des Strahlenganges eliminiert und eine bisher nicht erreichte Meßgenauigkeit und insbesondere Langzeitstabilität erzielt. In order for non-gray, ie wavelength-dependent contamination of the optical beam path, for. B. contamination of the optical windows of the cuvette 5 , measurement errors due to different attenuation of the radiation from the light source 3 and light source 4 to avoid, is checked at each measurement cycle 59 ( Fig. 3) within the time interval 58 by the microprocessor whether the ratios of the radiation signals each of Light sources 3, 4 on the measuring detector 8 and on the reference detector 15 have not changed compared to previous ratio values. To carry out this procedure, the microprocessor 12 is signaled by a button 80 ( FIG. 1a) that the evacuation of the cuvette 5 or the flushing of the cuvette 5 with non-absorbing gas, e.g. B. nitrogen, is put into operation so that the comparison process can start. If the test shows that one or both ratios of the intensities at the measuring detector 8 and at the reference detector 15 , ie for the radiation source 3 and / or the radiation source 4 , have changed, the respective quotient is provided with a factor by the microprocessor so that the original value results. As a result, according to the invention, non-gray contamination of the windows or other optical components of the beam path is also eliminated, and measurement accuracy and, in particular, long-term stability, which has not been achieved to date.
Fig. 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel des optomechanischen Aufbaus des Meßkopfes 1 (Fig. 1a) des erfindungsgemäßen Systems. Die Strahlungsintensitäten der Strahlungsquellen 81, 82 werden sowohl vom Referenzstrahlungsdetektor 83 als auch vom Meßstrahlungsdetektor 84 erfaßt. Die Wellenlängenbereiche der Emissionen der beiden Strahlungsquellen werden so gewählt, daß die Strahlung der Meßquelle 81 von der zu bestimmenden Molekülverbindung absorbiert wird, während die Strahlung der Referenzquelle 82 optisch durch die zu messende Molekülverbindung nicht beeinflußt wird. In einer speziellen Ausführung können die Lichtquellen 81, 82 bzw. 3, 4 (Fig. 1a) in ein und demselben Gehäuse untergebracht sein. Besonders zu bevorzugen ist eine monolithisch aufgebaute Doppel-Leuchtdiode oder ein als Doppel-Metallfaden realisiertes infrarot-Strahlungssystem, welches als schwarzer Strahler ausgeführt ist und dessen Fäden eine kleine Wärmekapazität aufweisen, so daß die Quellen hochfrequent, d. h. im Bereich einiger Kilohertz, gepulst werden können. Fig. 4a shows an embodiment of the optomechanical structure of the measuring head 1 ( Fig. 1a) of the system according to the invention. The radiation intensities of the radiation sources 81, 82 are detected both by the reference radiation detector 83 and by the measurement radiation detector 84 . The wavelength ranges of the emissions of the two radiation sources are selected such that the radiation from the measurement source 81 is absorbed by the molecular compound to be determined, while the radiation from the reference source 82 is not optically influenced by the molecular compound to be measured. In a special embodiment, the light sources 81, 82 and 3, 4 ( FIG. 1a) can be accommodated in one and the same housing. Particularly preferred is a monolithic double light-emitting diode or an infrared radiation system realized as a double metal thread, which is designed as a black radiator and whose threads have a small heat capacity, so that the sources can be pulsed at high frequencies, ie in the range of a few kilohertz .
Erfindungsgemäß sind die optischen Detektoren 83, 84 über thermisch gut leitende Materialien, z. B. Kupfer mittels der Halterungen 86, 87, 88 miteinander verbunden, sodaß diese Detektoren identische Temperaturen aufweisen, was die Stabilität und die Genauigkeit der Messung erheblich verbessert. Die beiden getakteten Strahlungsquellen 81, 82 befinden sich ebenfalls in einem gemeinsamen, gut wärmeleitenden Träger 85 auf identischer Temperatur. Die elektronische Signalerzeugung der Strahlungsquellen ist auf der Platine 89, dieelektronische Signalverarbeitung der Detektorsignale auf den Platinen 90, 91 untergebracht.According to the invention, the optical detectors 83, 84 are made of thermally highly conductive materials, e.g. B. copper connected by means of the brackets 86, 87, 88 so that these detectors have identical temperatures, which significantly improves the stability and accuracy of the measurement. The two clocked radiation sources 81, 82 are also located in a common, highly heat-conducting carrier 85 at an identical temperature. The electronic signal generation of the radiation sources is housed on the board 89 , the electronic signal processing of the detector signals on the boards 90, 91 .
In einer weiteren Ausführung werden die Strahlungsquellen 81, 82 mit optischen Schmalbandfiltern 92, 93 versehen, um aus einer vorgegebenen spektralen Emissionsverteilung den für die jeweilige Messung erforderlichen Spektralbereich herauszufiltern. In einem weiteren, sehr bedeutenden Ausführungsbeispiel werden zwei identische Lichtquellen 94, 95 eingesetzt. In dieser in Fig. 4b dargestellten Variante wird der für die Untersuchung der betreffenden Molekülverbindung interessante Spektralbereich mit einem Interferenzfilter 96, das die Strahlungsbereiche beider Lichtquellen überdeckt, ausgefiltert. Darüberhinaus werden zwei optisch transparente Miniaturküvetten 97, 98 in Serie zu der Meßküvette 99 geschaltet. Die eine dieser Küvetten ist mit dem Gas der zu untersuchenden Molekülverbindung gefüllt, während die andere evakuiertist bzw. ein nicht absorbierende Gas enthält. Da die eine Küvette die Strahlung, welche von der Molekülverbindung geschwächt wird vollständig absorbiert, wird das entsprechende Signal am Meßdetektor 100 durch die Molekülverbindung, welche sich in der Küvette 99 befindet, nicht beinflußt, im Gegensatz zu der Strahlung, welche die nicht absorbierende Miniaturküvette durchläuft. Infolge der oben erläuterten Signalauswertung und Quotientenbildung wird in diesem Fall auch dann noch ein exaktes Meßergebnis erzielt, wenn sich eine zusätzliche Molekülverbindung in der Küvette 99 befindet, deren Absorptionsbande sich mit der der zu untersuchenden Molekülverbindung überlappt. Sogenannte Querempfindlichkeiten werden also eliminiert, da zwar die Rotations-Schwingungs-Absorptionsbanden verschiedener Molekülverbindungen sich gegenseitig überlappen können, jedoch die Linien, aus denen die Absorptionsbanden zusammengesetzt sind, im allgemeinen keine Überlappung aufweisen, da sie extrem schmalbandig sind.In a further embodiment, the radiation sources 81, 82 are provided with optical narrowband filters 92, 93 in order to filter out the spectral range required for the respective measurement from a predetermined spectral emission distribution. In a further, very important exemplary embodiment, two identical light sources 94, 95 are used. In this variant shown in FIG. 4b, the spectral range which is of interest for the investigation of the relevant molecular compound is filtered out with an interference filter 96 , which covers the radiation areas of both light sources. In addition, two optically transparent miniature cuvettes 97, 98 are connected in series with the measuring cuvette 99 . One of these cuvettes is filled with the gas of the molecular compound to be examined, while the other is evacuated or contains a non-absorbent gas. Since the one cuvette completely absorbs the radiation which is weakened by the molecular connection, the corresponding signal at the measuring detector 100 is not influenced by the molecular connection which is in the cuvette 99 , in contrast to the radiation which passes through the non-absorbing miniature cuvette . As a result of the signal evaluation and quotient formation explained above, an exact measurement result is still achieved in this case even if there is an additional molecular compound in the cuvette 99 , the absorption band of which overlaps with that of the molecular compound to be examined. So-called cross-sensitivities are thus eliminated because, although the rotational-vibration absorption bands of different molecular compounds can overlap one another, the lines from which the absorption bands are composed generally have no overlap, since they are extremely narrow-band.
Das Gehäuse 106 des Meßkopfes wird über eine zirkulierende Flüssigkeit 108 konstanter Temperatur, z. B. über das Prozeßmedium, thermostatisiert. Alternativ kann auch eine in Fig. 4 nicht näher beschriebene Peltier-Thermostatisierung eingesetzt werden. Die Zelle für das Prozeßmedium, die Küvette 99, wird durch zwei optisch transparente Fenster 101, 102, z. B. aus CaF2 oder ZnSe oder anderen Materialien, gebildet. Über die elastischen Dichtungen 103, 104 wird eine hochvakuumdichte Zelle erzielt, die über Zuleitungen 107 vom Prozeßmedium durchflossen wird. Die die Meßgenauigkeit stark bestimmende Konstanz des Abstandes der optischen Fenster wird erfindungsgemäß durch mindestens drei Distanzstücke 105, z. B. aus Quarzglas oder anderen, wenig elastischen Stoffen mit sehr kleinem thermischen Ausdehungskoeffizienten, garantiert.The housing 106 of the measuring head is a circulating liquid 108 constant temperature, for. B. thermostated via the process medium. Alternatively, a Peltier thermostat which is not described in more detail in FIG. 4 can also be used. The cell for the process medium, the cuvette 99 , is through two optically transparent windows 101, 102 , z. B. from CaF 2 or ZnSe or other materials. A high vacuum-tight cell is achieved via the elastic seals 103, 104 and the process medium flows through it via supply lines 107 . The constancy of the distance between the optical windows, which strongly determines the measuring accuracy, is inventively achieved by at least three spacers 105 , e.g. B. made of quartz glass or other, less elastic materials with a very low thermal expansion coefficient, guaranteed.
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