179775. lajstromszámú szabadalom • Berendezés fényabszorbció méréséra, hőmérséklet kompenzált fénykibocsátó dióda fényforrással
3 179775 4 szerben, ahol a fényforrás fényteljesitménye a mérési eredményt befolyásolja, a LED hőmérséklet függését kompenzálni kell. A fénykibocsátó dióda alkalmazása optikai műszerekben viszonylag új keletű, ennek ellenére ismertek már olyan megoldások, amelyek a LED hőmérsékletfüggését csökkentik, vagy kiküszöbölik. A leggyakrabban alkalmazott eljárás lényege, hogy a LED áramát hőmérsékletfüggővé tesszük, pl. hőmérsékletfüggő ellenállás alkalmazásával. Kiviteli példát a 2. ábrán láthatunk. Működése a következő: az 1 fénykibocsátó diódából és a 2 hőmérsékletfüggő ellenállásból (termisztorból) álló láncra a 3 feszültségforrást kapcsoljuk. Ha a hőmérséklet nő, a termisztor ellenállása lecsökken, így állandó feszültség mellett a LED árama megnő. Megfelelő méretezés esetén a LED áramnövekedése éppen kompenzálja a haiásfok csökkenését, így a kisugárzott fényteljesítmény állandó marad. A módszer legnagyobb előnye egyszerűségében rejlik, mindössze egyetlen járulékos alkatrészt kell alkalmazni. Ez magyarázza elterjedését. A módszer két jelentős hátránnyal rendelkezik: e) Korlátozott statikus pontosság. b) Nem kielégítő dinamikus viselkedés. A statikus hiba abból ered, hogy a termisztor nemlineáris ellenállás-hőmérséklet karakterisztikája következtében nem jó) illeszkedik a LED lineáris hőmérsékletfüggéséhez. Emiatt a kompenzálás elvileg sem lehet pontos. Bonyolultabb, termisztorokból és ellenállásokból álló hálózattal jobb közelítés érhető el (pl. CELESCO Industries inc. Model 101 Portable Opacity Meter, Model 107 smokemeter), de hiba itt is keletkezik. További problémát okoz a kereskedelmi termisztorok viszonylag nagy szórása. A termisztorok válogatása nehézkes művelet, mert nemcsak ellenállást, hanem hőmérsékletfüggést is kell mérni. A fent leírt hiányosságokon kívül fellép egy másik hiba is: ez abból adódik, hogy a LED és a kompenzáló termisztor hőmérséklete különböző: a kristályhömérséklet ugyanis jóval magasabb. mint a környező hőmérséklet. így a LED és a termisztor eltérő hőmérsékleten van. A hőmérséklet gyors változása esetén, ami pl. hordozható műszerekben gyakran előfordulhat, fellép a b) pontban említett dinamikus hiba. Ennek oka a LED és a termisztor eltérő hőtehetetlensége és gyakran megengedhetetlen hibákat okoz a mérésben. A termisztoros hőmérsékleti kompenzálás, mint láttuk, jelentős hátrányokkal rendelkezik, amelyeknek egy része magából a termisztorból, másrészt a LED és a termisztor eltérő hőmérsékletéből adódik. 3. ábra. LED nyitóirányú feszültségének hőmérsékletfüggése. 4. ábra. A találmányi megoldás szerinti berendezés blokksémája. 5 5. ábra. A találmány szerinti berendezés kiviteli példája. A kitűzött feladat megoldásához az a felismerés vezetett, hogy a LED fényét nem szükséges állandó értéken tartani, mint az eddig ismert megoldásoknál, 10 hanem amennyiben a LED hőmérsékletét ismerjük, a hőmérsékletváltozásból eredő fényerőváltozás okozta mérési hibát utólagosan, az optikai műszer jelfeldolgozó egységében is korrigálhatjuk. További felismerésünk, hogy a LED hőmérsékletét 15 legpontosabban önmagával lehet mérni; a LED, mint minden dióda, nyitóirányú feszültségét változtatja a hőmérséklet függvényében. Az összefüggés lineáris, kb. 2 mV/°C meredekséggel (3. ábra). A fenti két felismerés alapján a találmány szerinti 20 megoldás lényege, hogy a LED nyitóirányú feszültségét, mint hőmérsékletfüggő kompenzáló jelet használjuk fel a LED hőmérsékletfüggő sugárzásából eredő hiba korrigálására. A találmányi megoldás szerinti berendezést a követ- 25 kezőkben ismertetjük : Fotoelektromos műszert építünk fel, amely a LED- ből, mint fényforrásból, a vizsgálandó anyagmintából, fényelektromos detektorból és ehhez csatlakozó elektronikus egységből áll. LED-et állandó árammal táp- 30 láljuk és mérjük a nyitó feszültséget. Az elektronikus egység feszültségvezéreit erősítésű tényezővel rendelkezik. Az erősítés vezérlését a LED nyitófeszültségével végezzük. Megfelelő méretezés esetén a LED hőmérsékletfüggő nyitófeszültsége éppen akkora változást 35 okoz az erősítési tényezőben, hogy a fénykibocsátás hőmérsékleti változásának hatása kiküszöbölhető legyen. A találmány szerinti berendezést a 4. ábrán mutatjuk be. Az 1 fénykibocsátó diódával (LED-del) sorbakötjük to a 4 áramgenerátort. A LED fényútjába helyezzük az 5 mérendő anyagot. Az 5 mérendő anyagon áthaladó fény a 6 optikai érzékelőre esik, amelynek villamos kivezetéseit a 7 feszültségvezéreit erősítő bemeneti pontjaira csatlakoztatjuk. A LED Uf nyitófeszültségét 15 a 7 feszültségvezéreit erősítő vezérlő bemenetére kötjük. A 4. ábrán látható mérőberendezés elvileg lehet abszorpciómérő, fényszórásmérő stb. Kiviteli példaként az 5. ábrán egy fényabszorpciómérő műszert láthatunk. A 4 áramgenerátor által megtáplált 1 fénykibocsátó O dióda 0, fényteljesitménye áthalad az 5 mérendő anyagon. A mérendő anyagban levő valamely oldott anyag koncentrációja és a fényelnyelés összefüggése az Ismeretesek további megoldások, (pl. két fényút alkalmazása stb.) azonban ezek a készülék bonyolultságát és árát nagymértékben megnövelik. A találmány szerinti megoldásban célul tűztük ki olyan berendezés megvalósítását, amely az ismert kompenzálási módok hibáitól mentes, tehát mind statikusan, mind dinamikusan kompenzálja a LED hőmérsékleti hibáit. Bár az ábrákra a vonatkozó helyeken hivatkozunk, emellett még összefoglalva is ismertetjük. J. ábra. Fénykibocsátó dióda (LED) fényintenzitásának hőmérséklet-függése. 2. ábra. LED fényintenzitásának hőmérsékleti kompenzációja ismert módszer szerint. ismert Lambert—Beer törvény alapján : 0 = 0,e-kc. (1) 55 ahol 0t a LED által kibocsátott, 0 a mérendő anyagon áthaladt fényteljesítmény, c az elnyelő anyag koncentrációja, k anyagi állandó 0, állandó áram mellett a hőmérséklet függvénye : 60 (lásd 1. ábra) 0t=0(jí! —*0 (2), ahol 0O-0, értéke 0 CC mellett; t — a hőmérséklet; * — állandó (értéke kb. 0,4"0 ( C) Az 0 fényteljesitmény a 6 optikai érzékelőre esik, ott E 0 áramot kelt, E az érzékenység. 65 Ezt az áramot a 9 műveleti erősítő a 10 ellenállással
