UPK-50-S Fluoreszenz Messanordnung

Sensor mit Steuer– und Auswerteelektronik

Gigahertz-Optik GmbH fertigt ein gut sortiertes Programm an Baugruppen für lichtmesstechnische Anwendungen.
Neben den Baugruppen bietet Gigahertz-Optik Dienstleistungen in Form von Applikationslösungen, die bevorzugt aus bestehenden Baugruppen zusammengestellt werden. Oft sind diese Komplettlösungen der Auslöser für Produktverbesserungen oder auch komplette Produktneuentwicklungen. In Form von Applikationsberichten wollen wir dem interessierten Kunden die Anwendung unserer Produkte und möglichen Einsatzgebiete näherbringen.

Applikationsbeschreibung:

Fluoreszenz beschreibt die Emission von Licht beim Übergang eines physikalischen Systems in den Zustand niedriger Energie. Die Emission erfolgt spontan und das emittierte Licht ist im Regelfall energieärmer ist als das vorher absorbierte. Physikalische Systeme mit fluoreszierenden Eigenschaften sind beispielsweise Atome, Moleküle und Ionen. Fluoreszenz als Form der Lumineszenz endet umgehend mit dem Ende der Bestrahlung und unterscheidet sich dadurch von der Phosphoreszenz, bei der es zu einem Nachleuchten kommt. Die Regel ist eine langwellige Verschiebung des emittierten Lichts zum anregenden Licht. Das Anwendungsgebiet der Fluoreszenz ist weit gestreut und findet sich in den Bereichen der Fluoreszenzspektroskopie, Aufhellung, Beleuchtung, Dekoration, Kennzeichnung, Anzeigen, Displays und Bildschirme, Biochemie, Medizin, Mineralogie.

Prinzip der Volumen Fluoreszenz
Beispiel eines Emissionsspektrums mit UV-A Anregung

Werden in fluoreszierende Farbstoffe in Trägermaterialien eingebracht bzw. aufgedruckt besteht die Notwendigkeit den Nachweis und die Wirkung der Fluoreszenz messtechnisch nachzuweisen. Dies erfordert eine Lichtquelle zur Stimulation und ein Lichtmessgerät für die Fluoreszenzemission.

Messgeometrie:

Zur Anregung wurde eine diffuse Beleuchtung der Probe gewählt, die Einflüsse durch Oberflächenstrukturen minimiert. Die Stimulierung kann wahlweise mit Ultravioletter Strahlung im UV-C, UV-B und UV-A Wellenlängenbereich erfolgen. Zur Quantifizierung der anregenden Strahlung kann die von ihr erzeugte Bestrahlungsstärke E inW/m² auf der Probe verwendet werden. Als Messgröße für die Fluoreszenz wurde die Leuchtdichte L in cd/m² herangezogen, die die Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges wieder spiegelt. Die Quantifizierung der Fluoreszenz erfolgt demnach in der Messgröße

cd/m²
——————
W/m²

Prinzipaufbau der Messeinrichtung

Messanordnung:

Zur Probenbeleuchtung wurde eine Ulbrichtkugel UV Strahlungsquelle gewählt. Diese bietet die gewünschte diffuse und homogene Bestrahlung der Probenfläche. Wegen der UV-Strahlung wurde die Ulbrichtkugel Modell UPK-50-S gewählt, da diese eine Beschichtung aus OPDIMA hat. Der diffuse reflektierende Kunststoff zeichnet sich für die vorliegende Anwendung durch eine hohe UV Reflexion, niedrige Eigenfluoreszenz und UV Langzeitstabilität aus. Die kompakte Kugel mit einem Innendurchmesser von 50mm erzeugt ein Leuchtfeld mit 12,5mm Durchmesser. . Durch seitliche Öffnungen wird UV-A, UV-B oder UV-C Strahlung erzeugt durch UV LEDs in die Kugel eingekoppelt. Der umlaufende „Kragenschatter“ ermöglicht die gleichzeitige Verwendung von mehreren gleichen LEDs zur Leistungssteigerung oder unterschiedlicher Wellenlängen. Durch diffuse Vielfachreflexion an der Kugelwand wird diese Strahlung gleichförmig in der Kugel verteilt bevor sie aus der Kugel austritt. Die austretende Strahlung beleuchtet die Probe und regt die Fluoreszenz an. Die Intensität der UVStrahlung wird durch eine Referenzphotodiode gemessen. Die Referenzdiode ist ausschließlich im Ultravioletten Spektrum empfindlich und wird durch das sichtbare Licht der Fluoreszenz nicht beeinflusst. Die Referenzdiode ist durch das Kalibrierlabor für optische Strahlungsmessgrößen der Gigahertz-Optik kalibriert und auf die Bestrahlungsstärke auf der Probenbezugsfläche abgeglichen. In axialer Ausrichtung zur Messöffnung ist an der Kugeloberseite ein Leuchtdichtemesskopf angeordnet.

Bestrahlungs / und Messöffnung der Ulbrichtkugel

Dazu wurde die standardmäßige Ulbrichtkugel UPK-50-S nachbearbeitet, was bei Kugel mit OP.DI.MA. Beschichtung gut möglich ist. Der Leuchtdichtemesskopfe wurde mit modifizierten Komponenten der MD/37 Messkopfserie aufgebaut. Seine Optik bildet einen Messspot auf der Probe ab. Der Durchmesser des Messfeldes muss unbedingt kleiner als die Kugelöffnung sein, damit keine Strahlung von der Kugelwand detektiert wird. Der Durchmesser des Messfeldes kann durch Blenden reduziert werden. Die photometrische Empfindlichkeit des Leuchtdichtesensors ist kalibriert und ermöglicht die Messung der Leuchtdichte L in cd/m². Zur Messung wird die Messkugel mit ihrer Messöffnung auf die Probe aufgesetzt. Die Probe muss die Messöffnung komplett abdecken.

Steuer– und Auswerteelektronik:

Die Elektronikeinheit zur Ansteuerung der Leuchtdioden sowie zur Auswertung der Referenz– und Leuchtdichtesensoren wurde mit Standardbaugruppen aus dem Programm der Gigahertz-Optik realisiert.

Das Netzteil LPS-25 ist für den Betrieb von Leuchtdioden im Konstantstrombetrieb ausgelegt. Es bietet einen Linearregler hoher Stabilität. Ein Digital Linear Wandler DAC mit 16bit Auslösung ermöglicht eine feinstufige Einstellung des LED Strom über den gesamten Leistungsbereich der LED. Falls für höhere Bestrahlungsstärken mehrere gleiche LEDs erforderlich sind, können diese in Reihenschaltung durch ein Netzteil betrieben werden.

Messkugel mit Leuchtdichtesensor aufgesetzt auf Probe

Das LPS-25 liefert dafür bis zu 48V Vorwärtsspannung. Für die UV-A, UV-B und UV-C Leuchtdioden ist jeweils ein eigenes Netzteil vorgesehen. Diese sind über die RS485 Schnittstelle verbunden. Über die Schnittstelle kann der LED Strom ein und aus geschaltet und eingestellt werden.

Das Optometer X1-RM ermöglicht die Auswertung und Messwertanzeige von bis zu vier Messköpfen. Die UV Bestrahlungsstärke und die Leuchtdichte können somit gleichzeitig angezeigt werden. Bei Bedarf kann auch das Verhältnis der UV Bestrahlungsstärke zur Leuchtdichte bestimmt und angezeigt werden. Für die UV-A, UV-B und UV-C Strahlung ist jeweils ein eigener Kalibrierfaktor im Gerät gespeichert, auf den entsprechend der ausgewählten Leuchtdiode zurückgegriffen wird. Im manuellen Betrieb ermöglicht das X1-RM zudem die Fernsteuerung der LPS-25 Netzteile über den RS485 Bus. Die gesamte Einheit X1-RM und 3 x LPS-25 kann über die USB Schnittstelle des X1-RM ferngesteuert werden. Eine einfach aufgebaute Software ermöglicht Einzel– und Serienmessungen mit Datenübergabe an Excel.

X1– RM und LPS-25-RM sind in einem Tischgehäuse der BTH-19 Serie aufgebaut. Ein BTH-19 Netzteil übernimmt die Spannungsversorgung des X1-RM Optometers und der LPS-25-RM Netzteile.

Der modulare Systemaufbau kann in gleicher Form angeboten werden oder ohne großen Aufwand an abweichende Applikationen angepasst werden. Wenden Sie sich dazu bitte an den Vertrieb bzw. die Vertriebspartner von Gigahertz-
Optik.

Elektronikeinheit mit X1-RM
und 3x LPS-25-RM

Einzelmessung

Datenlogger Mode