Kompensations-Strahlungsmesser
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kompensations-Strahlungsmesser, bei welchem ein Messstrah lenbündel eine absorbierende Probe durchsetzt und mit einem nicht durch die Probe geleiteten Kompensationsstrahlenbündel verglichen wird. Damit Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle keinen Einfluss auf die Messung ausüben, gehen beide Strahlenbündel zweckmässigerweise von ein und derselben Lichtquelle aus. Das Kompensationsstrahlenbündel wird durch einen veränderbaren Abschwächer, z. B. eine Blendenanordnung, in messbarer Weise geschwächt. Solche Anordnungen benutzt man z. B. zur Absorptionsmessung mit infraroten Strahlen in sog. Gasanalysatoren.
Durch die Absorption in der Probe wird das Messstrahlenbündel meist nur sehr wenig geschwächt.
Die z. B. bei einem Gasanalysator zu messenden Konzentrationsschwankungen äussern sich nun als Änderungen dieser schon sehr geringen Absorption.
Mit den bisher bekannten Apparaten sind diese kleinen Änderungen nur sehr schwer genau zu messen.
Die Schwierigkeit liegt vor allem darin, dass es viel Mühe macht, mit der nötigen Genauigkeit eine Blende herzustellen, die das Lichtstrahlenbündel um so geringe Beträge schwächt, es also z. B. um maximal 1% abblendet. Dabei werden extreme Anforderungen an die Genauigkeit der Bearbeitung und Eichung gestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bei den bisher bekannten Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Anordnung zu schaffen, bei welcher auch die kleinen Intensitätsänderungen mit grosser Genauigkeit gemessen werden können.
Erfindungsgemäss wird die Anordnung so getroffen, dass das Kompensationsstrahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten ist, von denen eines, das den grösseren Teil der Gesamtintensität ausmacht, konstant gehalten wird, während das schwächere zweite auf die Abschwächeranordnung geleitet wird.
Dann wird die Kompensation des Messstrahlenbündels vorzugsweise durch dasjenige der beiden Kompensationsstrahlenbündel bewirkt, dessen Intensität konstant gehalten wird und die diejenige des anderen überwiegt. Der genaue Abgleich der Strahlenbündel erfolgt dagegen durch eine Abschwächeranordnung, die nur auf das zweite, wesentlich schwächere Kompensationsstrahlenbündel einwirkt. Es ist einleuchtend, dass selbst eine ziemlich starke Abblendung dieses zweiten Kompensationsstrahlenbündes immer nur eine relativ geringe änderung der Ges amtintensität der beiden Kompensationsstrahlenbündel bewirkt und dass man dadurch den Abgleich der Strahlenbündel wesentlich feinfühliger vornehmen kann als mit den oben geschilderten bekannten Anordnungen.
Wenn man beispielsweise mit einem Apparat der bekannten Art Absorptionsänderungen in der Grössenordnung von weniger als 1% genau messen wollte, dann müsste man die - variable - Blendenöffnung mit der geforderten Genauigkeit um diesen Betrag verkleinern und die Verkleinerung dann auch genau ablesen. Das ist praktisch nicht möglich. Dagegen macht es gar keine Schwierigkeiten, ein Lichtstrahlenbündel um 10% abzublenden und die Grösse des abgeblendeten Anteils mit der entsprechenden Genauigkelit abzulesen oder sonstwie abzutasten. Wenn man nun zwei Kompensationsstrahlenbündel vorsieht, von denen das eine nur 10% von der Intensität des anderen hat, dann kann man dieses schwächere Strahlenbündel natürlich auch ohne Schwierigkeiten wieder um 10% abblenden.
Diese 10% des schwächeren Strahlenbündels entsprechen aber 1% der Gesamtintensität, welche die beiden Kompensationsstrahlenbündel zusammen besitzen.
Man kann also - bezogen auf die Gesamtintensität der Kompensationsstrahlenbündel - eine Abschwächung um 1% mit der gleichen Genauigkeit einstellen und bequem ablesen, wie man bei den bisherigen Anordnungen eine 10%-Abschwächung einstellen und ablesen kann.
Zweckmässigerweise wird die Abschwächeranordnung in Abhängigkeit vom Ausgangsmesswert der Strahlungsempfänger-Anordnung automatisch nachgestellt.
Man kann die Empfindlichkeit der Anordnung einstellbar machen, wenn man die Anfangsintensitäten der Kompensationsstrahlenbündel durch zusätzliche fest einstellbare Abschwächer veränderbar macht, wobei zweckmässigerweise die zusätzlichen Abschwächer miteinander gekoppelt sind, so dass die Summe der Anfangsintensitäten der beiden Kompensationsstrahlenbündel konstant gehalten wird. Das geschieht z. B. in der Weise, dass die zusätzlichen Abschwächer von zwei starr miteinander verbundenen parallelen Schneiden gebildet werden, von denen eine von rechts in ein Kompensationsstrahlenbündel hineinragt und die zweite von links in das andere Strahlenbündel.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in den Abbildnugen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch einen Gasanalysator.
Fig. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Blenden der dabei verwendeten Art.
Fig. 5 zeigt eine Frontansicht eines Gasanalysators entsprechend der schematischen Fig. 1.
Mit S ist in Fig. 1 eine Lichtquelle bezeichnet.
Von der Lichtquelle S werden drei Strahlenbündel 10, 11, 12 von ursprünglich gleicher Intensität ausgeblendet. Eines der Strahlenbündel, das Messstrahlenbündel 10, wird durch eine absorbierende Probe 13 geleitet. Die Probe 13 wird hier von einer mit zwei Anschlussstutzen vesehenen Kammer gebildet, durch welche ein zu untersuchendes Medium, z. B. ein Gas, geleitet wird. Die anderen beiden Strahlenbündel 11 und 12 sind die beiden Kompensationsstrahlenbündel.
Alle drei Strahlenbündel 10, 11, 12 werden auf einen gemeinsamen Strahlungsempfänger 16 geleitet.
Ein Motor 15 treibt eine Unterbrecherscheibe 14, die aus zwei einander gegenüberliegenden kreissektorförmigen Flügeln besteht. Diese Unterbrecherscheibe 14 deckt die Lichtstrahlenbündel 10, 11 und 12 periodisch ab, und zwar ist die Anordnung so getroffen, dass die beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 jeweils gleichzeitig unterbrochen werden, während die Unterbrechung der Messstrahlenbündel mit Phasenverschiebung dazu erfolgt.
Der Ausgangsmesswert des Strahlungsempfängers 16 wird über einen Vorverstärker 17 und einen weiteren Verstärker 18 einem phasenempfindlichen Demodulator 19 zugeführt. Der phasenempfindliche Demodulator 19 wird von einem Hilfsspannungsgenerator 20 gesteuert, der synchron mit dem Unterbrechermotor 15 umläuft. Der Demodulator 19 erzeugt ein gleichgerichtetes Signal, welches proportional zu dem Unterschied zwischen der Strahlungsenergie des Messstrahlenbündels 10 und derjenigen Strahlungsenergie ist, welche die beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 zusammen besitzen.
Der Ausgangsmesswert des Demodulators 19, wird in einem Siebglied 21 gefiltert und steuert einen Regelverstärker 22, der einen Stellmotor 23 antreibt. Der Stellmotor 23 verstellt eine veränderbare Blende 24, welche im Strahlengang des einen Kompensationsstrahlenbündels 11 angeordnet ist.
In den Strahlengängen der drei Strahlenbündel 10, 11, 12 sind zusätzliche Abblendvorrichtungen 30, 31, 32 angeordnet, durch welche bestimmte feste Verhältnisse der Anfangsintensitäten der drei Strahlenbündel einstellbar sind. Die konstante Intensität des Kompensationsstrahlenbündels 12 wird wesentlich grösser eingestellt als die Anfangsintensität des regelbaren Kompensationsstrahlenbündels 11. Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung ist folgende:
Zunächst werden die Blenden 30, 31 und 32 so eingestellt, dass die Anfangsintensitäten der beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 zusammen gerade der Anfangsintensität des Messstrahlenbündels 10 entsprechen. Dann trifft auf den Strahlungsempfänger 16 eine praktisch konstante Strahlung, da ja die Strahlenbündel 10, 11 und 12 abwechselnd auf den Empfänger 16 geleitet werden.
Auf diese konstante Spannung spricht die Regelanordnung nicht an. Es wird dabei beispielsweise die Anfangsintensität des Kompensationsstrahlenbündels 11 so gewählt, dass sie etwa 1l1o der Gesamtintensität der beiden Kompensationsstrahlenbündel ausmacht.
Es wird nun in die Messkammer 13 ein zu untersuchendes absorbierendes Medium z. B. ein Gas eingeleitet. Das Gas absorbiere 1% der durchtretenden Strahlung, also des Messstrahlenbündels. Das bewirkt, dass die Intensität der auf dem Empfänger 16 auftreffenden Strahlung schwankt, je nachdem, ob die ungeschwächten Kompensationsstrahlenbündel oder das durch die Absorption geschwächte Messstrahlenbündel auf ihn auftrifft. Der Vorverstärker 17 erhält ein Wechselstromsignal, welches verstärkt dem pha senempfindlichen Demodulator 19 zugeführt wird.
Der phasenempfindliche Demodulator 19 unterscheidet nun, ob die Intensität des Messstrahlenbündels oder die der Kompensationsstrahlenbündel die grössere ist und steuert dementsprechend den Stellmotor 23 nach der einen oder nach der anderen Richtung.
Der Stellmotor 23 verändert nun die Stellung der Blende 24.
In dem geschilderten Beispiel, wo aus dem Messstrahlenbündel 1 % der Energie absorbiert wird, würde also der Stellmotor 23 die Blende 24 so lange verstellen, bis die Gesamtintensität der beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 wieder der Intensität des Messstrahlenbündels 10 entspricht. Das bedeutet also, dass die Gesamtintensität der Kompensationsstrahlenbündel um 1 % geschwächt wird. Da aber die Blende 24 nur auf das Strahlenbündel 11 wirkt, welches ins gesamt nur 10% der Gesamtintensität ausmacht, muss die Blende 24 dieses Strahlenbündel um 10% schwächen.
Wie oben schon dargelegt wurde, ist eine solche 10%-Abschwächung viel leichter genau zu bewerkstelligen und abzulesen als das bei einer 1 %-Ab- schwächung möglich wäre. Die Stellung der Blende 24 wird durch ein Potentiometer 27 abgetastet, dessen Schleifer 26 durch eine Welle 25 mit der Blende 24 gekoppelt ist. Die an dem Potentiometer 27 abgegriffene Spannung steuert über ein Filter 29 eine Registriervorrichtung 28. Fig. 5 zeigt eine besonders zweckmässige Anordnung zur Einstellung des Intensitätsverhältnisses der beiden Kompensationsstrahlen- bündel. Es ist zu diesem Zweck ein strahlungsundurchlässiger Schirm 33 vorgesehen, der mit zwei Öffnungen 34 und 35 versehen ist.
Durch die Öffnungen 34, 35 werden die Lichtstrahlenbündel 11, 12 geleitet, wobei das Strahlenbündel 11 vom linken Rand der Öffnung 34, das Strahlenbündel 12 vom rechten Rand der Öffnung 35 teilweise abgedeckt wird.
Bei einer Verschiebung des Schirmes 33 mit Hilfe der Stellschraube 36 wird das eine Strahlenbündel in dem gleichen Masse aufgeblendet, wie das andere abgeblendet wird. Damit wird also das Verhältnis der Intensitäten geändert, jedoch bleibt die Gesamtintensität der Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 konstant, und es macht keine Schwierigkeiten, diese gleich der Anfangs intensität des Messstrahlenbündels 10 zu machen.