DE2638333A1

DE2638333A1 - Selbsttaetig abgleichendes photometer

Info

Publication number: DE2638333A1
Application number: DE19762638333
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Yamazaki
Original assignee: Boehringer Mannheim GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 1976-08-25
Filing date: 1976-08-25
Publication date: 1978-03-02
Also published as: GB1586565A; NL7707138A; DE2638333B2; FI772459A; DE2638333C3; US4128339A; SE7708718L; CH621869A5; JPS5327471A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wi-ickmann, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke

Dipl.-Ing. F. A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRÄSSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

BOEHRINGER MANNHEIM GMBH 6800 Mannheim, Sandhofer Straße 112-132

Selbsttätig abgleichendes Photometer

Die Erfindung betrifft ein selbsttätig abgleichendes Photometer, welches die Lichtabsorption einer Probe mittels eines Photodetektors mißt und einen dem Meßsignal des Photodetektors entsprechenden, in einen Extinktionswert umgerechneten Wert mit linearem Maßstab in einer Meßwert-Anzeigeeinrichtung anzeigt.

Derartige Photometer werden insbesondere zur Konzentrationsbestimmung absorbierender Substanzen, beispielsweise von Lösungen benutzt. Die Probe wird hierbei in den Strahlengang einer monochromatischen Lichtquelle eingebracht, und die aus der Probe austretende Strahlung wird mittels des Photodetektors in ein Meßsignal umgesetzt, das in einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird. Der Grad der Strahlungsschwächung duroh die Probe wird als Transmissionsgrad T bezeichnet, der, auf die Probe bezogen Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. T=O entspricht vollständiger Abdunkelung des Lichtstrahl durch die Probe; T = 1 bezeichnet den ungehinderten, d.h. unge-

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-Jt-

schwächten Durchtritt des Lichtstrahls. Das Meßsignal ist dem Transmissionsgrad proportional, wenn der Photodetektor ein der zu messenden Lichtintensität^proportionales Meßsignal erzeugt. Nach dem Gesetz von Lambert-Beer ist die Konzentration der absorbierenden Substanz proportional der Extinktion E. Die Extinktion E läßt sich gemäß der Gleichung

E = log 1/1 (1)

bestimmen. Um die Konzentrationsmessung zu erleichtern, weisen die Anzeigeeinrichtungen herkömmlicher Photometer Doppelskalen auf, die zum einen mit linearer Teilung den Transmissionsgrad und zum anderen mit logarithmisoher Unterteilung die Extinktion entsprechend der oben stehenden Gleichung zeigen. Dies hat den Nachteil, daß die Ablesegenauigkeit der Extinktion stark vom Meßwert abhängt.

Es ist bekannt das dem Transmissionsgrad proportionale Meßsignal mit Hilfe einer logarithmischen Rechenschaltung in ein der Extinktion proportionales Signal umzurechnen und dieses Signal ebenfalls auf einer linear unterteilten, mit gleichmäßiger Ablesegenauigkeit ablesbaren Skala anzuzeigen. Bei derartigen Photometern ist jedoch der Abgleich umständlich. Die Extinktion E kann, entsprechend der oben stehenden Gleichung, für einen Transmissionsgrad T zwischen 0 und 1 Werte zwischen Unendlich (T = 0) und 0 (T = 1) annehmen. Das Photometer kann zwar mit hinreichender Genauigkeit auf den Wert E=O, d.h. auf denjenigen Endwert abgeglichen werden, der bei ungehindertem Lichtdurchtritt auftritt, doch läßt sich der Extinktionswert unendlich, der dem abgedunkelten Lichtstrahl entspricht, bei linear anzeigenden Anzeigeeinrichtungen nur mit unzureiohender Genauigkeit nachbilden. Bei herkömmlichen Photometern muß deshalb für den Abgleich die Anzeigeeinrichtung auf die Messung des Transmissionsgrad umgeschaltet werden und es muß

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nach Einstellen der Skalenendwerte T und T = 1 im Extinktions-Meßbereich eine Kontrollmessung, beispielsweise mit Hilfe eines Filters oder einer Farblösung bekannten Absorptionswerts durchgeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen,wie bei einem die Extinktion mit linearem Maßstab anzeigenden Photometer der Abgleich selbsttätig durchgeführt werden kann.

Ausgehend von dem eingangs näher erläuterten Photometer wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Photometer einen Speicher sowie eine Einrichtung aufweist, die beim Abgleich das bei einem Transmissionsgrad = 1 auftretende Meßsignal um einen vorbestimmten Faktor verringert und die Werte des um den vorbestimmten Faktor verringerten Meßsignals sowie des beim Transmissionsgrad = 1 auftretenden Meßsignals oder diesen Werten entsprechende Extinktionswerte in den Speicher einliest und daß das Photometer eine Rechenschaltung aufweist, die im Meßbetrieb aus den im Speicher gespeicherten Werten den Extinktionswert des Meßsignals derart in den anzeigenden Wert umrechnet, daß den gespeicherten Werten gleichbleibende anzuzeigende Werte zugeordnet sind. Zum Abgleich des Photometers reicht es aus am Photodetektor dem Transmissionsgrad = 1 entsprechende Lichtbedingungen, etwa durch Herausnehmen der die Probe enthaltenden Küvette, zu schaffen und das Einlesen der vorstehend erläuterten Meßwerte in den Speicher zu veranlassen. Die Rechenschaltung normiert im Meßbetrieb den Extinktionswert des Meßsignals auf die beiden im Speicher gespeicherten Werte, denen gleichbleibende, anzuzeigende Werte zugeordnet sind. Dem gespeicherten Wert des beim Transmissionsgrad = 1 auftretenden Meßsignals ist hierbei der Extinktionswert 0 zugeordnet. Der gespeicherte Wert des um den vorbestimmten Faktor verringerten Meßsignals weicht von dem bei Abdunkelung (Transmissionsgrad)

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= O) auftretenden Wert des Meßsignals ab. Der Abgleich erfolgt somit bei beiden Werten mit guter Genauigkeit. Vorzugsweise ist der Paktor so gewählt, daß der Wert des verringerten Meßsignals 10$ des beim Transraissionsgrad = 1 auftretenden Meßsignals beträgt. Entsprechend der obenstehend angegebenen Gleichung (1) ist diesem Wert die Extinktion E = 1 zugeordnet.

Es wäre denkbar, die Umrechnung des Transmissionsgrads in linear anzuzeigende Extinktionswerte in der Rechenschaltung durchzuführen. Diese Umrechnung könnte zusammen mit der Normierung des Meßsignals beim Meßbetrieb erfolgen.Besonders einfache Rechenschaltungen lassen sich erreichen, wenn die Umrechnung vor der Verarbeitung in der Rechenschaltung erfolgt. Der Speicher speichert dann Extinktionswerte und die Rechenschaltung errechnet den anzuzeigenden Wert E entsprechend der Gleichung

E= ^Y -^Yo (2)

^V1 - ^Vo

aus dem logarithmierten Wert V des Meßsignals, wobei V der logarithmierte Wert des beim Transmissionsgrad = 1 auftreten den Meßsignals und V.. der logarithmierte Wert des um den vor bestimmten Paktor verringerten Meßsignals ist. Die Rechenschaltung rechnet hierbei ein bereits in einem linearen Maßstab vorliegendes Signal so um, daß den Werten V_Q und V^ an der Anzeigeeinrichtung ablesbare Extinktionswerte gemäß der oben stehenden Gleichung (1) zugeordnet sind.

Es ist denkbar, die beim Abgleich das Meßsignal um den vorbestimmten Paktor verringernde Einrichtung, beispielsweise als Blende im Strahlengang der monochromatischen Lichtquelle auszubilden und die Blende beim Abgleichen um einen vorbestimmten Wert zu schließen. Hierzu wären jedoch mechanische Stelleinrichtungen erforderlich. Eine rein elektrisch arbei-

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nachträglich > geändert ;

tende, einfache Einrichtung ohne die Nachteile, die sich bei der Steuerung derartiger Blenden ergeben können, benutzt als Meßsignal ein Stromsignal, äaS zwei Widerstände in Serie durchfließt, von denen einer mittels eines Schalters im Meßbetrieb kurz schließbar ist. Die Widerstandswerte sind so aufeinander abgestimmt, daß der beim Abgleich in Serie hinzugeschaltete Widerstand das Stromsignal um den vorbestimmten Faktor verringert. Das gleiche Ergebnis erhält man, wenn das Meßsignal ein Spannungssignal ist und die das Meßsignal um den vorbestimmten Faktor verringernde Einrichtung eine das Spannungssignal beaufschlagende Spannungteilerschaltung aus zwei Widerständen aufweist, von denen einer mittels eines Schalters im Meßbetrieb kurzschließbar ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Widerstandswerte so aufeinander abgestimmt, daß der im Meßbetrieb kurzgeschlossene Widerstand beim Abgleich die am anderen Widerstand auftretende Spannung um den vorbestimmten Faktor verringert. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die beim Abgleich den Schalter öffnet, den Speicher zum Einlesen des einen Werts freigibt, den Schalter wieder schließt und bei geschlossenem Schalter den Speicher zum Einlesen des anderen Werts freigibt. Die Steuerung kann den Speicher zum Einlesen des anderen Werts vor Öffnen des Schalters oder nach Schließen des Schalters freigeben. Mit Hilfe einer derartigen Steuerung können die zum Abgleich des Photometers erforderlichen Handgriffe bis auf Betätigung eines die Steuerung betätigenden Schalters verringert werden.

Die Intensität des von der Lichtquelle des Photometers abgegebenen Lichts kann Schwankungen unterworfen sein, die zu Meßfehlern führen würden. Es hat sich deshalb als zweckmäßig erwiesen, wenn das Photometer einen zweiten ein Bszugssignal lieferndenPhotodetektor aufweist, der die Intensität des auf die Probe auftreffenden Lichts mißt und wenn der Meßwert-Anzeigeeinrichtung eine Differenzschaltung, insbesondere

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nachträfllich geändert

ein Differenzverstärker vorgeschaltet ist, die ein^Differenz der Meßsignale der beiden Photodetektoren entsprechendes Signal zur Anzeige abgibt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert werden, die ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Photometers zeigt.

Der optische Teil des Photometers umfaßt eine herkömmliche monochromatische Strahlungsquelle 1 mit einer Lampe 3> deren Lichtstrahl über ein Linsensystem 5 sowie ein monochromatisches Filter 7 durch einen den Lichtstrahl aufteilenden, halbdurchlässigen Spiegel 9 tritt. Der Spiegel 9 teilt das Licht auf einen Meßkanal und einen Bezugskanal auf. In den Meßkanal ist eine Küvette 11 einsetzbar, die die Probe, deren Extinktion bestimmt werden soll, enthält. Das Licht des Meßkanals wird von einem Photodetektor 13 empfangen, während das vom Spiegel 9 zum Bezugskanal hin umgelenkte Licht von einem Spiegel 15 zu einem Photodetektor 17 hin umgelenkt wird. Die Photodetektoren 13, 17 geben der Intensität des auftreffend en Lichts proportionale Meßsignale ab. Die Meßsignale des Photodetektors 13 werden über einen Verstärker 19 als Stromsignal über zwei in Serie geschaltete Widerstände 21,23 einem Eingang eines verhältnisbildenden logarithmischen Verstärkers 25 zugeführt, der an seinem anderen Eingang das Meßsignal des Photodetektors 17 über einen Verstärker 27 sowie einen Widerstand 29 aufnimmt. Die Widerstände 23 und 29 sind gleich groß und die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 19»27 sind so aufeinander abgestimmt, daß Intensitätschwankungen der Lampe 3 in dem Verstärker 25 eliminiert werden können.

Während der Photodetektor 13 ein dem Transmissionsgrad T proportionales Signal abgibt, gibt der Verstärker 25 ein der Extinktion linear proportionales Signal ab. Das Aus-

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gangssignal des Verstärkers 25 wird über einen Verstärker 31 und einen Analog-Digital-Wandler 33, einem Mikroprozessor herkömmlicher Art zugeführt, der den-Abgleich des Photometers selbsttätig bei Betätigung einer Bedienungstaste 37 durchführt und im Meßbetrieb die mittels des Verstärkers 25 in
Extinktionswerte umgerechneten Meßsignale des Photodetektors 13 entsprechend den beim Abgleich ermittelten Extinktionswerten normiert. An den Mikroprozessor 35 ist eine vorzugsweise digitalanzeigende Anzeigeeinrichtung 39 angeschlossen.

Der Mikroprozessor 35 rechnet das aus dem Analog-Digital-Wandler 33 zugeführte Signal V entsprechend der Gleichung

E=

- ^Yo

um, wobei E der Wert des in der Anzeigeeinrichtung 39 anzuzeigenden normierten Signals ist und Y_Q der Wert eines beim Transmissionsgrad = 1 auftretenden Signals und V₁ der Wert
eines bei dem Transmissionsgrad = 1 auftretenden, jedoch um einen vorbestimmten Faktor verringerten Signals ist. Um im
Meßbetrieb den Wert des anzuzeigenden Signals E aus dem Signal V berechnen zu können, weist der Mikroprozessor 35 einen nicht dargestellten Speicher auf, in den die Werte V_Q und V₁ beim Abgleich auf die Betätigung des Schalters 37 hin eingelesen werden.

Der Widerstand 21 ist im Meßbetrieb durch einen, beispielsweise elektronischen Schalter 41 kurzgeschlossen. Beim Abgleichen wird der Wert V bei geschlossenem Schalter 41 ermittelt, indem im Meßkanal dem Transmissionsgrad T = 1 entsprechende optische Verhältnisse geschaffen werden. Auf Be-

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tätigung des Schalters37 hin liest der Mikroprozessor 35 den sich hierbei ergebenden Wert V in den Speicher ein. Der Mikroprozessor 35 öffnet daraufhin den Schalter 41 und Terringert so. den Wert V um einen vorbestimmten Faktor. Der Wert V wird vorzugsweise auf 10 ^aJ> verringert; dem entspricht eine Erhöhung des Extinktionswerts von 0 auf 1. Um dies zu erreiohen, muß der Wert des Widerstand 21 das 0,9 fache der Summe der Widerstände 21 und 23 betragen. Der Wert V₁ wird bei geöffnetem Schalter 41 ebenfalls in den Speicher eingelesen, worauf der Mikroprozessor 35 <3en Schalter 41 schließt und das Photometer abgeglichen ist.

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L e e r s e \ \ e

Claims

Patentansprüche

1./Selbsttätig abgleichendes Photometer, welches die Lichtabsorption einer Probe mittels eines Photodetektors mißt und einen dem Meßsignal des Photodetektors entsprechenden, in einen Extinktionswert umgerechneten Wert mit linearem Maßstab in einer Meßwert-Anzeigeeinrichtung anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Speicher sowie eine Einrichtung (21,23,41) aufweist, die beim Abgleich das bei einem Transmissionsgrad gleich 1 auftretende Meßsignal um einen vorbestimmten Faktor verringert und die Werte des um den vorbestimmten Faktor verringerten Meßsignals sowie des beim Transmissionsgrad gleich 1 auftretenden Meßsignals oder diesen Werten entsprechende logarithmierte Werte des Meßsignals in den Speioher einliest und daß es eine Rechenschaltung (35) aufweist, die im Meßbetrieb aus den im Speicher gespeicherten Werten den Extinktionswert des Meßsignals derart in den anzuzeigenden Wert umrechnet, daß den gespeicherten Werten gleichbleibende, anzuzeigende Werte zugeordnet sind.

2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher logarithmierte Werte des.Meßsignals speichert und die Rechenschaltung (35) den anzuzeigenden Wert E entsprechend der Gleichung

V — V"
E = ^{V V}O

aus dem logarithmierten Wert Y des Meßsignals errechnet, wobei V der logarithmierte Wert des beim Transmissionsgrad gleich 1 auftretenden Meßsignals und V.. der logarithmierte Wert des um den vorbestimmten Faktor verringerten Meßsignals ist.

3. Photometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal ein Stromsignal ist und die das Meßsignal um den vorbestimmten Faktor verringernde Einrichtung zwei in Serie von Stromsignal durchflossene

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Widerstände (21,23) aufweist, von denen einer mittels eines Schalters (41) im Meßbetrieb kurzschließbar ist.

4. Photometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal^ein Spannungssignal ist und die das Heßsignal um den vorbestimmten Faktor verringernde Einrichtung eine das Spannungssignal beaufschlagende Spannungsteilerschaltung aus zwei Widerständen aufweist, von denen einer mittels eines Schalters im Meßbetrieb kurzschließbar ist.

5. Photometer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Steuerung auf v/eist, die beim Abgleich den Schalter (41) öffnet, den Speicher zum Einlesen des einen Werts . freigibt, den Schalter (41) wieder schließt und bei geschlossenem Schalter (41) den Speicher zum Einlesen des anderen Werts freigibt.

6. Photometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung und/oder der Speicher und/oder die Reihenschaltung Teil eines digitalen Mikroprozessors (35) ist, dem das Meßsignal über einen Analog-Digital-Wandler (33) zuführbar ist,

7. Photometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch, gekennzeichnet, daß das Meßsignal zur Anzeige von Extinktionswerten der Rechenschaltung über einen logarithmischen Verstärker (25) zuführbar ist.

8. Photometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zweiten als Bezugssignalquelle dienenden Photodetektor aufweist, der die Intensität des auf die Probe auftreffenden Lichts misst und daß der Meßwerteinrichtung eine Differenzschaltung, insbesondere ein Differenzverstärker vorgeschaltet ist, die ein der

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Differenz der Meßsignale der beiden Photodetektoren entsprechendes Signal zur Anzeige abgibt.

. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des um den vorbestimmten Faktor verringerten Meßsignals 10% des beim Transmissionsgrad gleich 1 auftretenden Meßsignals beträgt.

10. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Transmissionsgrades in linear anzuzeigende Extinktionswerte in der Rechenschaltung durchgeführt wird.

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