Verfahreinheit var. Abschwächer
Soll-Laserpulsenergie setzen Ist-Laserpulsenergie lesen StatusKüvettensensorlesen
Status Shuttersetzen und lesen
Laserpuls-Zähler starten, stoppen, lesen, rücksetzen
Shutter Energie-Regelung
pyroelektr.
Detektor Küvetten-sensor
Zeitsteuerung
Lasertrigger In Kameratrigger OutWatchdogberuhigen
PC / Software
CCD-Kamera Drucker
FireWire Ausgabe Ergebnisse
Nano-Modul
Verfahreinheit var. Abschwächer
Soll-Laserpulsenergie setzenSoll-Laserpulsenergie setzen Ist-Laserpulsenergie lesenIst-Laserpulsenergie lesen StatusKüvettensensorlesenStatusKüvettensensorlesen
Status Shuttersetzen und lesenStatus Shuttersetzen und lesen
Laserpuls-Zähler starten, stoppen, lesen, rücksetzenLaserpuls-Zähler starten, stoppen, lesen, rücksetzen
Shutter Energie-Regelung
pyroelektr.
Detektor Küvetten-sensor
Zeitsteuerung
Lasertrigger In Kameratrigger Out
Lasertrigger In Kameratrigger OutWatchdogberuhigenWatchdogberuhigen
PC / Software
CCD-Kamera Drucker
FireWireFireWire Ausgabe ErgebnisseAusgabe Ergebnisse
Abb. 5.4: Schema der Kommunikation zwischen Soft- und Hardware (Nano-Modul) sowie der Peri-pheriegeräte1. Nicht eingezeichnet ist die remote-Funktion zur Fernbedienung der Anlage.
Abb. 5.5: Vorder- und Rückansicht der Hardware-Steuereinheit. Integriert ist die Elektronik zur Regelung der Laserpulsenergie sowie die Zeitsteuerung zur Erzeugung des Kamera-Triggers aus dem Master-Trigger des Lasers. Details finden sich in Anhang 9.2.
1 Der Shutter ist ein Gerät zur mechanischen Freigabe/Blockierung des Laserstrahls (vgl. Abb. 5.8 in Abschnitt 5.3.2). Der Watchdog (Wachhund) prüft etwa alle 10 Sekunden das grundsätzliche fehlerfreie Funktionieren der Hardware.
Abb. 5.6: Das Signalflußbild zeigt eine Übersicht über die wesentlichen Schaltungsteile sowie ihre Kommunikation. Der Übersichtlichkeit wegen sind Shutter und Küvettensensor nicht eingezeichnet.
Eine ausführliche Erläuterung der Laserpulsenergie-Regelung erfolgt in Abschnitt 5.3.2.
Steuerung des mechanischen Shutters
Der mechanische Shutter unterbricht den Laserstrahl vor der Einfokussierung durch die Linse und ist nur während einer Messung geöffnet. Durch Anlegen einer Gleichspannung (ca. 4,5 - 6,0 V) an einen Schrittmotor wird er geöffnet; liegt keine Spannung an, ist er geschlossen.
Der aktuelle Zustand (geöffnet/geschlossen) wird über einen Kontakt ausgelesen, der bei geschlossenem Shutter ebenfalls geschlossen ist.
Überwachung des Küvettensensors
Der Küvettensensor teilt dem System mit, ob eine Meßzelle vorhanden und ggf.
richtig eingesetzt ist. Er ist in Form eines Endschalters realisiert (Kontakt geschlos-sen = Küvette vorhanden).
Probenwechsler
Der Anschluß eines Probenwechslers ist vorbereitet.
weitere Funktionalität
Bei einem Ausfall der Kommunikation zwischen PC-Software und Nano-Modul-Steuereinheit sind alle für den Meßbetrieb wichtigen Funktionen auch manuell bedienbar. Zudem besteht die Möglichkeit eines manual override (manuelles
Übersteuern) der Sensoren, so daß erforderlichenfalls auch bei defekt arbeitenden Sensoren ein Meßbetrieb möglich ist.
Details zur Kommunikation finden sich in Anhang 9.2.
5.3.2 Regelung der Laserleistung
Eine Auftragung der Pulsenergie des emittierten Laserstrahls bei fester Position des variablen Abschwächers (Graukeil) gegen die Laufzeit des Lasers, beginnend mit dem Zeitpunkt des Einschaltens, zeigt eine signifikante Abnahme der abgegebenen Leistung mit der Zeit. Nach rund 110 Minuten stellt sich ein mehr oder weniger konstantes Niveau ein, jedoch sind auch hier verschiedene Schwankungen feststellbar: Das Oszilloskop zeigt relativ schnelle, kurze Änderungen des vom pyroelektrischen Detektor gelieferten Spannungssignals im Sekundenbereich, dem überlagert ist ein langsameres Ansteigen und Absinken des Spannungspeaks im Zeitraum von einigen Minuten; letzteres wird mit zunehmender Laufzeit des Lasers geringer. Beide Schwankungen liegen in der Größenordnung von bis zu 10 % des jeweiligen Mittelwertes. Während die kurzzeitigen Abweichungen in der folgenden Abb. 5.7 nicht auffallen (Meßwerte gemittelt über 10 Sekunden), ist die langsamere Oszillation durchaus erkennbar1.
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Zeit /min.
Laserpulsenergie /mJ
Abb. 5.7: Zeitliche Entwicklung der Laserpulsenergie bei fester Einstellung des variablen Ab-schwächers. Der Zeitpunkt t = 0 entspricht dem Einschaltzeitpunkt des Lasers. Die aufgetragenen Energiewerte sind über 10 Sekunden gemittelte Durchschnittswerte, Schwankungen im Sekunden-bereich sind daher nicht zu erkennen.
1 Aufgezeichnet mit einem geeichten Meßgerät vom Typ Ophir (OPH-20-00124, Ophir Optronics GmbH) mit pyroelektrischem Meßkopf (PE25-BB-SH).
Derartige Schwankungen der Laserleistung sind unter anderem auf geringfügige Variationen der Versorgungsspannung der Blitzlampe sowie auf thermische Effekte zurückzuführen. Sowohl die
kurz-zeitigen, als auch die im Minuten-bereich liegenden Schwankungen sind für die Laser-induzierte Breakdown-Detektion nicht wünschenswert. Um eine ständige geringfügige manuelle Korrektur, welche ohnehin nur die längerfristigen Abweichungen aus-gleichen könnte, zu umgehen, wurde eine Laserpulsenergie-Regelung entwickelt. Das Gerät arbeitet primär als unabhängige Komponente, das Einstellen und Auslesen des Soll- bzw.
Istwertes wird durch den Mikro-controller der zentralen Hardware-Steuerung (Nano-Modul) ermöglicht.
Bei einer Abweichung vom Sollwert wird über eine elektrische Motor/Getriebeeinheit (Abb. 5.8) der variable Abschwächer (Graukeil) entsprechend verfahren. Die verbleibenden zeitlichen Schwankungen der Laserpulsenergie bei Einsatz der Regelung liegen im Bereich von ±2% des Sollwertes bei der Standardregelenergie von 0,52 mJ und bei rund ±4% bei hohen Pulsenergien von 2,5 mJ 1. Für die gegenwärtige LIBD-Instrumentierung ist dies ein ausreichender Rahmen.
Damit die gewünschte Regelenergie vom Steuer-PC aus gesetzt werden kann, wird sie zunächst gemäß der Kalibrierfunktion in einen entsprechenden Spannungswert umgerechnet (vgl. 4.2.1). Dieser wird sodann an ein zentrales Nano-Modul gesendet und über einen 12 Bit-Wandler analogisiert (DAC2). Der maximale Spannungshub beträgt hierbei 10 V, dies entspricht einem großen Einstellbereich des Sollwertes von 2,5 mV - 10V 3.
Die eigentliche Energieregelung erfolgt durch eine analoge Schaltung; sie ermittelt das Maximum des vom pyroelektrischen Detektor stammenden Spannungssignals (Abb. 5.9) und vergleicht es mit der softwareseitigen Vorgabe. Aufgrund des großen Spannungshubs des DAC ist die Verwendung eines Vorverstärkers (Spannungshub
= 0 - 1 V) notwendig; der Verstärkungsfaktor beträgt 10 bezogen auf den
1 Die Regelung an sich arbeitet genauer; limitierendes Glied ist die Dynamik der mechanischen Ver-fahreinrichtung des variablen Abschwächers (Graukeil).
2 Digital-Analog-Converter
3 Dieser große Spannungsbereich wurde bewußt gewählt, um verschiedenen pyroelektrischen Detek-toren mit unterschiedlichen Kenndaten Rechnung zu tragen und das System damit möglichst flexibel zu gestalten.
Abb. 5.8: Elektronisch geregelte Verfahreinrichtung des Graukeils zur Konstanthaltung der Laserpuls-energie. Im Vordergrund der pyroelektrische Detektor, links oben der mechanische Shutter.
Eingang, wodurch sich ein effektiver Einstell- und Regelbereich von 0,25 mV - 1,0 V ergibt1 (Abb. 5.10). Der Regler (digitaler Industrieregler Typ 1110, Bürkert GmbH und Co. KG) selbst ist konfiguriert als Regler mit externem Sollwert, für Eingangsspannungen von 0 - 10 V und für einen stetigen Ausgang. Der Ausgangsregelbereich zur Ansteuerung der Motor/Getriebeeinheit (va-riabler Abschwächer; Graukeil) beträgt ebenfalls 0 - 10 V, diverse weitere Parameter wie interne Verstärkung (Proportionalbeiwert), Totzeit, Vor-haltezeit und Nachstellzeit sind am Regler einstellbar. Die Verfahreinheit selbst ist so
konzipiert, daß sie bei Anliegen eines Gleichspannungswertes von 6,0 Volt ruht, bei einem größeren Wert (max. 9,0 V) bewegt sie sich vorwärts, bei einem kleineren (min. 3,0 V) rückwärts.
Die jeweils aktuelle Laserpulsenergie wird über mindestens zwei Laserpulse integriert (Sample&Hold-Schaltung), über einen 10 Bit-Wandler (ADC2) digitalisiert und auf Abfrage vom Nano-Modul an den PC übermittelt (maximal 10 Abfragen pro Sekunde). Da sich technisch bedingt sowohl bei der Einstellung als auch beim Rücklesen des aktuellen Energiewertes ein linearer Offset der analogen Schaltung ergibt, ist jeweils eine lineare Korrekturfunktion erforderlich. Die Softwareschnittstelle bietet daher einen entsprechenden Dialog, in dem eventuelle Abweichungen durch eine Umrechnungsfunktion ausgeglichen werden können (Abb. 5.12). Die Ermittlung der Korrekturfunktion erfolgt durch einfachen Vergleich von Soll- und Istwert der Energie (Hinrechnung) bzw. tatsächlichem und vom ADC ermittelten Energie-Istwert (Rückrechnung).
1 In der Praxis ist der Bereich durch die mechanischen Grenzen der Verfahreinrichtung des variablen Abschwächers (Graukeil) begrenzt. Der nutzbare Regelbereich der Laserpulsenergie erstreckt sich umgerechnet von etwa 0,05 bis 2,8 mJ.
2 Analog-Digital-Converter
Zeit /µs
Spannung /mV
Laserpuls
70 µs Zeit /µs
Spannung /mV
Laserpuls
Zeit /µs
Spannung /mV
Laserpuls
70 µs
Abb. 5.9: Energieabhängiger Span-nungspeak des pyroelektrischen Detek-tors. Das Maximum wird ca. 70 µs nach Ansteigen der Flanke erreicht.
PC
Abb. 5.10: Prinzip der entwickelten Schaltung zur Einstellung bzw. Regelung der Laserpulsenergie.
Soll-Energie /mJ
Abb. 5.11: Übersicht über alle zur Einstellung und zum Auslesen der Laserpulsenergie erforderlichen Kommunikationsschritte.