Registrierende Messanordnung, die nach einer Nullmethode mit selbsttätigem Abgleich arbeitet
Die Erfindung bezieht sich auf eine registrierende Messanordnung, die nach einer Nullmethode mit selbsttätigem Abgleich arbeitet. Ein Beispiel einer solchen Messanordnung ist ein Spektrophotometer üblicher Art: Ein Mess- und ein Vergleichsstrahlenbündel werden abwechselnd auf - einen Monochromator und dann auf einen Strahlungsempfänger geleitet. Das Messstrahlenbündel durchsetzt dabei eine-Probe und wird je nach der Art der-Probe mehr oder weniger durch Absorption geschwächt.
Es wird nun bei der Kompensations-Messanordnung nicht die Ausgangsspannung des Strahlungsernpfängers als Messwert benutzt, sondern von dieser Ausgangsspannung wird ein Stellmotor gesteuert, welcher eine im -Strahlen- gang des Vergleichsstrahlenbündels angeordnete Blende so lange verstellt, bis die Intensitäten von Mess- und Vergleichsstrahlenbündel gleich sind. Der Stellwert der Blende ist dabei ein Mass für die Absorption, der das Messstrahlenbündel in der Probe unterworfen- ist. Andere Beispiele für Kompensationsmessungen dieser Art sind die verschiedenen Messanordnungen mit selbsttätigem Brückenabgleich. Im folgenden wird als Ausführungsbeispiel der Erfindung der Anschaulichkeit halber ein Spektrophotometer gewählt werden.
Sie ist jedoch bei allen anderen Messanordnungen, die nach einer Nullmethode mit selbsttätigem Abgleich arbeiten, in entsprechender Weise anwendbar.
Bei bekannten Spektrometern wird ein Spektrum kontinuierlich abgetastet und dabei die Absorption oder die Durchlässigkeit der Probe in Abhängigkeit von der Wellenlänge 2 mittels einer Registriervorrichtung selbsttätig aufgezeichnet. Dazu wird di Stellung eines Abgleichgliedes, nämlich einer Blende, durch einen elektrischen Messwert abgebildet und dieser einer Registriervorrichtung zuge-fühTt. Das ge schieht in der Gleise, dass der elektrische Messwert von einem Spannungsteiler (Geberspannungsteiler) ab genommen wird, dessen Abgriff mit dem Abgleichs glied gekoppelt ist, und ihm eine Spannung entgegengeschaltet ist, die an einem zweiten Spannungsteiler (Empfängerspannungsteiler) abgegriffen wird,
und dass der Abgriff des zweiten Spannungsteilers zusammen mit einem Schreibglied durch einen Motor verstell bar -ist, - der von der < Differenz der am - Geberspan- nungsteiler und am Empfängerspannungsteiler abge -griffenen Spannungen gesteuert wird.
Es ist wünschenswert, bei einer solchen registrierenden Messanordnung die Ordinaten der aufgezeichneten Diagramme, z.-B. je nach der Absorption der gerade-untersuchten Probe, mehr oder weniger zu dehnen, ann die Messgenauigkeit, die durch eineKom- pensationsmethode - ermöglicht wird, voll ausnutzen zu können.
Das kann ermöglicht werden, wenn erfindungsgemäss einerseits die-Nachstellgeschwindigkeit der Ab gleichmittel und anderseits die Empfindlichkeit der egistriervorrichtung einstellbar ist.
Wenn-man lediglich die Empfindlichkeit der Registriervorrichtung erhöhen würde, -so würden bei einer - Ordinatendelmung auch alle Rauscheinflüsse verstärkt in Erscheinung treten. Bei einer die Merkmale der Erfindung aufweisenden Anordnung kann abetbei kleinen Bewegungen des Abgleichgliedes, die eine Erlröhung der Empfindlichkeit der Registriervorrichtung bedingen, die Machstellgeschwindigkeit, also gewissermassen die Empfindlichkeit der Abgleichmittel klein gehalten werden, so dass der Absolutwert des Rauschpegels niedrig ist. Bei grösseren Amplituden, die eine grössere Nachstellgeschwindigkeit be dingen, : ist eine Ordinatendehnung nicht oder nur in geringerem Masse erforderlich.
Die Anordnung ge stattet also ilie Einstellung cines optimalen- Signal-zu- : Rauschen Yerhältnisses.
Bei einer Anordnung, bei welcher der elektrische Messwert von einem Spannungsteiler (Geberspannungsteiler) abgenommen wird, dessen Abgriff mit dem Abgleichglied gekoppelt ist, wird zweckmässigerweise die Empfindlichkeit der Registriervorrichtung dadurch geändert, dass an den Spannungsteiler wahlweise verschiedene Spannungen anlegbar sind. Wenn der abgegriffenen Spannung wie bei den bekannten Anordnungen eine Spannung entgegengeschaltet ist, die an einem zweiten Spannungsteiler (Empfängerspannungsteiler) abgegriffen wird, und der Abgriff des zweiten Spannungsteilers zusammen mit einem Schreibglied durch einen Motor verstellbar ist, der von der Differenz der am Geberspannungsteiler und am Empfängerspannungsteiler abgegriffenen Spannungen gesteuert wird, kann statt dessen auch die Spannung am Empfängerspannungsteiler variiertwerden.
Wesentlich ist, dass das Verhältnis der an Geberund Empfängerspannungsteiler anliegenden Spannungen veränderbar ist.
Wenn das Abgleichsglied durch einen Stellmotor eingestellt wird, so kann die Nachstellgeschwindigkeit der Abgleichmittel dadurch veränderbar gemacht werden, dass zwischen Stellmotor und Abgleichsglied ein regelbares Geschwindigkeitswechselgetriebe eingeschaltet ist.
Um sicherzustellen, dass bei der Ordinatendehnung für das aufgezeichnete Diagramm stets die volle Breite des Schreibstreifens zur Verfügung steht, kann der Widerstand des Geberspannungsteilers gegenüber dem Spannungsteilerabgriff verstellbar angeordnet sein.
Ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben:
Fig. 1 zeigt als Blockschema ein Spektrophotometer mit einer registrierenden Messanordnung.
Fig. 2 zeigt stark schematisiert den mechanischen und elektrischen Aufbau der Messanordnung.
Fig. 3a und 3b veranschaulichen die Wirkungsweise eines Geber- und eines Empfängerpotentiometers bei einer derartigen Messanordnung.
Fig. 4 ist ein elektrisches Schaltbild, und
Fig. 5 zeigt verschiedene mit einer derartigen Messanordnung aufgezeichnete Diagramme.
Von einer Strahlungsquelle 10 gehen zwei Strahlenbündel, ein Messstrahlenbündel und ein Vergleichsstrahlenbündel aus, welche über Spiegel 11 einerseits durch ein Probe 12 und anderseits durch eine Blendenanordnung 13 geleitet werden. Durch einen von einem Motor M angetriebenen umlaufenden Sektorspiegel 14 wird abwechselnd das Vergleichsstrahlenbündel zum Eintrittsspalt eines Monochromators 15 durchgelassen oder das Messstrahlenbündel auf diesen reflektiert.
Der Monochromator 15 enthält in bekannter, nicht näher dargestellter Weise einen Kollimator, ein dispergierendes Element, z. B. ein Prisma und einen Littrowspiegel, das heisst einen Spiegel, der die durch das dispergierende Element spektral zerlegte Strahlung auf dieses zu einer nochmaligen Dispersion zurückwirft. Der Littrowspiegel ist durch eine Kurvenscheibe 16 verschwenkbar, so dass durch den Monochromator das ganze Spektrum kontinuierlich abgetastet wird. Da die von der Strahlungsquelle ausgestrahlte Energie sich mit der Wellenlänge ändert, ist mit der Kurvenscheibe 16 ein Potentiometer 17 gekoppelt, an dem eine von der jeweils gerade abgetasteten Wellenlänge abhängige Spannung abgegriffen wird.
Diese Spannung wird einem Spaltsteuerkreis 18 zugeführt, durch welchen die Breite des Eingangs- und des Ausgangsspaltes des Monochromators in Abhängigkeit von der Wellenlänge verändert wird.
Auf diese Weise wird trotz der unterschiedlichen Ausstrahlung der Strahlungsquelle 10 für alle Wellenlängen ein konstantes Energieniveau aufrechterhalten.
Vom Ausgangsspalt des Monochromators 15 wird die Strahlung auf einen Strahlungsempfänger- 19 geleitet. Das Ausgangssignal des Empfängers steuert über einen Vorverstärker 20, einen Verstärker 21 und Siebglieder 22 einen Abgleichmotor 23. Der Abgleichmotor 23 verstellt über ein stufenlos regelbares Geschwindigkeitswechselgetriebe 24 die Blende 13.
Gleichzeitig mit der Blende 13 wird ein Geberspannungsteiler 25 verstellt, der damit gekoppelt ist. Dem Geberspannungsteiler 25 ist ein Empfängerspannungsteiler 26 entgegengeschaltet. Von der Spannungsdifferenz der am Geber- und am Empfängerspannungsteiler abgegriffenen Spannungen wird über einen Verstärker 27 ein Stellmotor 28 gesteuert.
Der Stellmotor 28 verstellt den Schreibstift ( Schreibglied ) 29 eines Schreibers 30 und gleichzeitig mit dieser den Abgriff des Empfängerpotentiometers 26.
Das Empfängerpotentiometer und gleichzeitig damit der Schreibstift 29 des Schreibers 30 werden durch den Motor 28 so lange verstellt, bis die beiden abgegriffenen Spannungen einander gleich sind.
Das Geberpotentiometer 25 liegt an einem Ordinatendehner 31, der noch näher beschrieben wird.
Die Einstellung und Veränderung der abgetasteten Wellenlänge kann durch handbetätigte Mittel 32 oder durch eine automatische Steuervorrichtung 33 erfolgen. Von der Steuervorrichtung 33 wird ausserdem ein Motor 34 für den Registriertrommelantrieb geregelt, der mit der Registriertrommel über ein durch Einstellmittel 35 verstellbares Geschwindigkeitswechselgetriebe 36 gekoppelt ist.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau der Abgleichmittel und der Registriervorrichtung. Mit 40 ist in Fig. 2 der Stellmotor für die im Strahlengang des Vergleichsstrahlenbündels angeordnete Blende bezeichnet, die in Fig. 2 das Bezugszeichen 46 trägt.
Die Verstellung der Blende 46 erfolgt über ein Reibradgetriebe 41, das aus zwei Reibscheiben 42, 43 mit gegeneinander versetzten Achsen und einem radial dazu verschiebbaren Zwischenreibrad 44 besteht, und Kegelräder 45.
Zusammen mit der Blende 46 wird das in Fig. 2 mit 47 bezeichnete Geberpotentiometer verstellt, an welches durch einen Spannungswähler 13 wahlweise das Einviertel-, Ein-, Fünf-, Zehn- oder Zwanzigfache einer Grundspannung anlegbar ist. Die Grundspannung liegt an einem Empfängerspannungsteiler 50 an. Die Differenz der an den Spannungsteilern 47, 50 abgegriffenen Spannungen steuert über einen mit 49 bezeichneten Verstärker einen Motor 51, der mit dem Abgriff des Potentiometers 50 und ausserdem mit dem Schreibstift 52 eines Schreibers gekoppelt ist.
Durch Verstellung des Zwischenrades 44 kann das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 41 zwischen dem Motor 40 und der Blende 46 verändert werden. Wenn die Blende 46 nur kleine Bewegungen auszuführen braucht, kann das Zwischenrad zur Achse des Motors 40 hin verschoben werden, so dass die Blende 46 auf Bewegungen des Motors 40 nur langsam reagiert. Dadurch wird der Einfluss des Rauschens weitgehend unterdrückt. Die endgültige Einstellung der Blende 46 wird durch die Verringerung der Nach stellgeschwindigkeit nicht berührt. An das Geberpotentiometer 47 wird gleichzeitig durch den Spannungswähler 48 beispielsweise das Zehnfache der am Empfängerspannungsteiler 50 anliegenden Spannung angelegt. Die bei gleicher Blendenstellung an dem Spannungsteiler 47 abgegriffene Spannung ist dann zehnmal so gross, als wenn am Geberpotentiometer die gleiche Spannung anläge wie am Empfängerpotentiometer.
Um diese Spannung zu kompensieren, muss der Abgriff des Empfängerpotentiometers 50, an dem ja nur die einfache Spannung anliegt, und damit der Schreibstift 52 um den zehnfachen Betrag verstellt werden. Die Ordinaten des aufgezeichneten Diagramms werden also um einen Faktor zehn gedehnt. Wenn die Blende 46 grosse Bewegungen ausführen muss, so kann das Reibrad 44 nach oben verschoben werden, so dass sich eine grössere Nachstellgeschwindigkeit ergibt, die Blende 46 also schneller den Bewegungen des Motors 40 folgt. In diesem Falle ist aber keine oder nur eine geringe Ordinatendehnung, z. B. um einen Faktor zwei, erforderlich.
Durch geeignete Einstellung der Anordnung kann man somit ein günstiges Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erzielen.
Durch die Ordinatendehnung kann es leicht vorkommen, dass der Messbereich der Registriervorrichtung überschritten wird, insbesondere wenn kleine Bewegungen des Abgleichgliedes in der Mitte des Messbereiches registriert werden sollen. Man muss diese dann mit unterdrücktem Nullpunkt aufzeichnen.
Diese Verhältnisse sollen anhand der Fig. 3a und 3b näher erläutert werden:
Die Blende 46 sei so ausgebildet, dass sie in einer Endstellung 51 das Vergleichsstrahlenbündel vollständig abblende (Durchlässigkeit Null) und in der anderen Endstellung 52 das Vergleichsstrahlenbündel ungeschwächt durchlasse (Durchlässigkeit
100%). Es soll einmal angenommen werden, dass sich die Blende in einer Mittelstellung befinde und kleine Bewegungen - entsprechend flachen Absorptionsbanden - ausführe, die mit im Verhältnis 1 : 10 gedehnten Amplituden aufgezeichnet werden sollten.
Zu diesem Zweck liegt an dem Geberspannungsteiler eine Spannung von 60 Volt an, während an dem Empfängerspannungsteiler nur eine Spannung von 6 Volt abfällt. Wenn nun der Abgriff 55 des Geberspannungsteilers sich in der Lage befindet, die der Blendenstellung 50 entspricht, so kann die am Abgriff 55 abgenommene Spannung durch die am Empfängerpotentiometer abgegriffene Spannung nicht kompensiert werden, weil die Spannung am Abgriff 55 (Fig. 3a) schon mehr als 6 Volt beträgt und vom Empfängerpotentiometer überhaupt nur maximal 6 Volt abgenommen werden können. Der Abgriff 53 des Empfängerpotentiometers und damit auch der Schreibstift, der in Fig. 3a mit 54 bezeichnet ist, laufen in ihre Endstellung und bleiben dort. Eine Aufzeichnung der Bewegungen der Blende 46 (Fig. 2) ist so nicht möglich.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist der Widerstandskörper des Geberpotentiometers gegenüber dem Abgriff 55 verschiebbar angeordnet (Fig. 3b).
Der Widerstandskörper kann dann so verschoben werden, dass der Abgriff 55 über dem Bereich zwischen 0 und 6 Volt gleitet. Das wirkt sich als Nullpunktunterdrückung aus, und das Empfängerpotentiometer und damit der Schreibstift können den Spannungsschwankungen folgen.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer Registriervorrichtung. An einer Spannungsquelle 60 liegt ein Transformator 62 mit einer Primärwicklung 61 und zwei Sekundärwicklungen 63a und 63b. An der Wicklung 63a liegen in Reihe Widerstände 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 und parallel zu diesen drei Widerstände 72, 73, 74. Der Widerstand 73 ist als Potentiometer ausgebildet, an dessen Abgriff ein Potentiometer 75 anliegt, welches das Empfängerpotentiometer bildet.
Der Abgriff des Potentiometers 75 wird zur Einjustierung der am Empfängerpotentiometer anliegenden Spannung einmal eingestellt und bleibt dann unverändert. Mit St, S2, Ss sind drei Kontaktbänke eines Umschalters bezeichnet, die jede sechs Kontakte besitzen, die mit Abs (Absorption), 4-lx, 4 lx, 5x, 10x und 20x bezeichnet sind.
Der Kontakt 20x der Kontaktbank S1 liegt direkt an der Sekundärwicklung 63a des Transformators, der Kontakt 10x am Abgriff des als Potentiometer ausgebildeten Widerstandes 65, der Kontakt 5x entsprechend an einem Abgriff des Widerstandes 67, der Kontakt lx an einem Abgriff des Widerstandes 69 und der Kontakt 4-1x an einem Abgriff eines zu dem Widerstand 70 4 parallel geschalteten Potentiometers 76. Mit dem über der Kontaktbank S1 gleitenden Kontaktarm 77 ist ein Potentiometer 78 verbunden, das als Geberpotentiometer wirkt.
Die am Abgriff 79 des Geberpotentiometers abgenommene Spannung wird über die untereinander verbundenen Kontakte lx, lx, 5x,
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10x und 20x und den Kontaktarm 80 der Kontakt bank S der Spannung entgegengeschaltet, die am Abgriff des Empfängerpotentiometers 75 abgenommen wird, und die Spannungsdifferenz wird einem Verstärker 81 zugeführt. Der Verstärker speist die Wicklung 83 eines Stellmotors 84, der mit dem Abgriff 82 des Potentiometers 75 gekoppelt ist. Der Stellmotor 84 treibt ausserdem einen Generator 85, der ein Signal in der Wicklung 86 erzeugt, welches eine Geschwindigkeitsrückführung auf den Verstärker liefert. Die Statorwicklungen 87 und 88 des Motors 84 und Generators 85 werden ebenfalls von der Spannungsquelle 60 gespeist.
Parallel zu den Widerständen 64 bis 71 liegen drei weitere Widerstände 89, 90, 91, deren mittlerer (90) als Potentiometer ausgebildet ist. Der Abgriff dieses Potentiometers 90 wird einmal einjustiert und bleibt dann unverändert. Er ist mit dem Kontakt Abs der Kontaktbank S3 verbunden und kann über den Kontaktarm 94 an ein logarithmisch gewickeltes Potentiometer 92 gelegt werden. Der Abgriff 93 des Potentiometers 92, der mit dem Abgriff 79 des Potentiometers 79 und der Blende 46 mechanisch gekoppelt ist, ist mit dem Kontakt Abs der Kontaktbank S2 verbunden und kann in der Stellung Abs über den Kontaktarm 80 anstelle des Kontaktarmes 79 an den Verstärker 81 gelegt werden.
Es wird dann statt der Durchlässigkeit selbst der Logarithmus der Durchlässigkeit D aufgezeichnet.
Es ist ja
D = Fkd, wobei k die Absorptionskonstante und z. B. proportional der Konzentration einer in der Probe enthaltenen absorbierenden Komponente ist. Es ist dann der aufgezeichnete Wert log D oder log 1 direkt ein Mass für den Absorptionskoeffizienten selbst.
Jedes Potentiometer 75, 78 und 92 besitzt eine Anzapfung 75a, 78a und 92a, über welche an einem Endbereich des Potentiometers die Spannung der Wicklung 63b anliegt. Diese Spannung verhindert, dass die Abgriffe 82, 79, 93 über den Messbereich hinaus verstellt werden können, weil die Stelirnotoren 40, 84 beim Überschreiten der Anzapfung durch die Spannung der Wicklung 63b einen Impuls erhalten, welcher die Abgriffe 82, 79, 93 wieder vom Ende des Potentiometers wegführt.
Fig. 5 veranschaulicht verschiedene mit einer Anordnung nach der Erfindung aufgezeichnete Diagramme. Diese zeigen in einem engen Wellenlängenbereich die Durchlässigkeit (in Prozent) einer bestimmten Probe. Diese Diagramme wurden mit einem nach der Erfindung ausgebildeten Perkin-Elmer Spektrophotometer Modell 21 aufgenommen.