Interferometer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer zu Messzwecken, bei dem die Auswanderung der Interferenzstreifen zur Ermittlung der Änderung einer Messgrösse, beispielsweise der Konzentration eines Gases, dient. Dabei werden die Interferenzstreifen durch einen Kompensator wieder in die Nullstellung geschoben, wobei die Verschiebungsgrösse den Messwert ergibt. Insbesondere soll die Streifenauswanderung über lichtelektrisch betätigte Elemente kompensiert und die der Kompensation entsprechende Messgrösse direkt registriert werden.
Es ist ein Interferometer bekannt, bei welchem zur Messung die Streifenauswanderung durch über lichtelektrische Mittel betätigte optische Elemente kompensiert wird und bei welchem die Anderung einer Messgrösse direkt abgelesen bzw. registriert werden kann. Solange die Anderung der Messgrösse so klein bleibt, dass die Auswanderung der Interferenzstreifen kleiner ist als ein halber Streifenabstand, arbeitet das bekannte Interferometer ohne Fehler.
Ändert sich jedoch die Messgrösse stärker, d. h. tritt eine Auswanderung von mehreren Streifenbreiten auf, so können Fehler dadurch entstehen, dass bei einer plötzlichen Änderung der Messgrösse die Einrichtung ausser Takt kommt, d. h. dass ein falscher Streifen zur Einstellung benutzt wird. Dieser Fehler kann auch dann auftreten, wenn die Interferenzstreifen mit wei ssem Licht erzeugt werden, so dass farbige Streifen entstehen.
Das Interferometer gemäss der vorliegenden Erfindung vermeidet diesen Nachteil, d. h. also, es erlaubt eine exakte Messung auch bei einer grossen oder plötzlichen Anderung der Messgrösse. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zusätzlich zum Messkammerpaar mindestens ein Hilfskammerpaar vorgesehen ist, das bei der Messung in dem zugehörigen Interferenzstreifensystem eine geringere Streifenauswanderung erzeugt als das Messkammerpaar, und dass den Hilfskammern über lichtelektrische Mittel betätigte, mit den dem Messkammerpaar zugeordneten Kompensationselementen gekoppelte optische Kompensationselemente zugeordnet sind. Es ist vorteilhaft, das Hilfskammerpaar so auszubilden, dass in dem zugehörigen Interferenzstreifensystem eine Streifenauswanderung von stets weniger als einer halben Streifenbreite erzeugt wird.
Dadurch, dass das vom Hilfskammerpaar erzeugte Streifensystem bei der Messung vorzugsweise um weniger als eine halbe Streifenbreite auswandert, wird erreicht, dass die dem Hilfskammerpaar zugeordnete Nachführeinrichtung zur Einstellung stets den richtigen Streifen benutzt. Durch die Kopplung der dem Messkammer- und dem Hilfskammerp aar zugeordneten Kompensationselemente wird erreicht, dass durch die Kompensation im Hilfszweig zugleich eine Grobverschiebung der Streifen im Messzweig vorgenommen wird. Sorgt man durch entsprechende Ausbildung der Nachführeinrichtung dafür, dass nach erfolgter Kompensation im Hilfszweig die verbleibende Streifenauswanderung im Messzweig kleiner ist als eine halbe Streifenbreite, so wird auch die dem Messkammerpaar zugeordnete Nachführeinrichtung stets den richtigen Streifen zur Einstellung benutzen.
Es ist zur Erreichung dieses Zieles lediglich erforderlich, die Nachführeinrichtungen genügend empfindlich auszubilden und für eine solche Kopplung der den einzelnen Kammerpaaren zugeordneten Kompensationselemente zu sorgen, dass diese entsprechend dem Verhältnis der Streifen auswanderung zur Wirkung kommen.
Es ist zweckmässig, die Hilfskammern kürzer zu wählen als die Messkammern und eine direkte Verbindung zwischen einander zugeordneten Kammern herzustellen. Dadurch wird automatisch erreicht, dass die Streifen auswanderung in dem vom Hilfskammerpaar erzeugten Interferenzstreifensystem nur einen Bruchteil der Streifenauswanderung des vom Messkammerpaar erzeugten Interferenzstreifensystems beträgt.
Dasselbe Ziel lässt sich z. B. auch dadurch erreichen, dass man die Hilfskammern und die Messkammern gleich lang ausbildet und an sich bekannte Vorrichtungen vorsieht, welche in den Hilfskammern eine geringere Konzentration der Messsubstanz aufrechterhalten wie in den Messkammern.
Soll der Messbereich des Interferometers sehr gross sein, so ist es vorteilhaft, mehrere Hilfskammerpaare vorzusehen, die eine untereinander verschiedene Strei fenauswanderung erzeugen. In diesem Fall wird die Grobverschiebung in verschiedenen Schritten vorgenommen, wobei jeweils dafür gesorgt ist, dass die Auswanderung der Interferenzstreifen des durch ein bestimmtes Kammerpaar erzeugten Interferenzstreifensystems durch die vorausgehende Grobverschiebung bis auf mindestens eine halbe Streifenbreite kompensiert wird.
Um das Interferometer an verschiedene Messbedingungen angleichen zu können, kann es zweckmässig sein, ein Hilfskammerpaar variabler Länge vorzusehen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäss der Erfindung in schematischer Darstellung,
Fig. 2a die durch das Interferometer nach Fig. 1 erzeugten Interferenzstreifensysteme in der Nullstellung,
Fig. 2b die durch das Interferometer nach Fig. 1 erzeugten Interferenzstreifensysteme bei einer Sinde- rung der Messgrösse,
Fig. 3 die Helligkeitsverteilung im Interferenzbild sowie die Anordnung der zur lichtelektrischen Nachführeinrichtung gehörenden beiden Spalte,
Fig. 4a ein erstes Ausführungsbeispiel der lichtelektrischen Nachführeinrichtung,
Fig. 4b ein zweites Ausführungsbeispiel der lichtelektrischen Nachführeinrichtung,
Fig. 5 die dem Elektromotor der Nachführeinrichtung zugeführte Steuerspannung,
Fig.
6 ein drittes Ausführungsbeispiel der lichtelektrischen Nachführeinrichtung,
Fig. 7 ein Interferometer mit mehreren Hilfskammerpaaren,
Fig. 8 ein Interferometer mit einem Hilfskammerpaar, dessen Länge gleich ist der Länge des Messkammerpaares.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Lichtquelle, mit 2 eine
Linse, mit 3 ein Doppelspalt, mit 4 eine Lochblende und mit 5 eine weitere Linse bezeichnet. Von dem aus diesen Elementen aufgebauten optischen System werden zwei Parallelstrahlbündel 6 und 7 erzeugt.
Diese beiden Lichtbündel treten in ein aus den beiden
Teilen 8 und 9 zusammengesetztes Prisma, dessen mit
19 bezeichnete Trennfläche halbdurchlässig verspiegelt ist. An dieser Trennfläche werden die beiden Lichtbündel 6 und 7 in jeweils zwei kohärente Teillichtbündel 6a, 6b und 7a, 7b aufgespalten. Die Teillichtbündel 7a und 7b treten durch das Messkammerpaar 10, 11, wobei der Doppelspalt 3 durch die Linse 5 auf die Planspiegel 14 und 15 abgebildet wird. Auf diesen Planspiegeln entstehen auch die dem Messkammerpaar zugeordneten Interferenzstreifen. Mittels der Linse 16 werden diese Streifen zusammen mit dem Bild des Spaltes 3 in die Ebene zweier Doppelspalte 21, 22 abgebildet. Mit 17 ist dabei das Bild der Blende 4 bezeichnet, das, nach Vereinigung der Teillichtbündel 7a und 7b auf der Trennfläche 19, von den Lichtbündeln 6 und 7 gebildet wird.
Dasselbe gilt hinsichtlich des Lichtbündels 6, welches nach Aufspaltung in die Teillichtbündel 6a und 6b durch die Hilfskammern 12 und 13 tritt und auf den Planspiegeln 14, 15 das diesem Kammerpaar zugeordnete Interferenzstreifensystem bildet. Auch dieses Streifensystem wird zusammen mit dem Bild des Spaltes 3 in die Ebene der Doppelspalte 21, 22 abgebildet.
Die Messkammer 10 ist mit der Hilfskammer 12 und die Messkammer 11 ist mit der Hilfskammer 13 verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass in verbundenen Kammern jeweils derselbe Druck herrscht und dass in ihnen stets dieselbe Substanz enthalten ist.
Die Kammern 11 und 13 enthalten die Messsubstanz, beispielsweise ein Gas, während die Kammern 10 und 12 die Vergleichssubstanz, beispielsweise ein Vergleichsgas enthalten.
Vor der Kammer 10 ist eine planparallele Platte 91 und vor der Kammer 12 eine planparallele Platte 92 angeordnet. Die Dicke der Platten 91 und 92 verhält sich wie die Länge der Kammern 10 und 12.
Die Platten 91 und 92 sind miteinander verbunden und um eine gemeinsame Achse 93 drehbar. Um diese Achse werden die Platten 91 und 92 bei der Justierung des Interferometers verdreht.
Vor der Kammer 11 ist eine planparallele Platte 94 und vor der Kammer 13 eine planparallele Platte 95 angeordnet. Diese beiden Platten sind genauso aufgebaut wie die Platten 91, 92, und sie sind um eine gemeinsame Achse 96 drehbar.
Anstelle der hier gezeichneten Kompensationselemente 91, 92 und 94, 95 können auch verschiebbare Doppelkeile mit den Längen der Kammern entsprechenden Dicken, Druckkompensatoren oder andere bekannte Kompensationselemente verwendet werden.
Die Fig. 2a und 2b zeigen eine Draufsicht auf die Doppelspalte 21 und 22. Mit 26 ist das vom Hilfskammerpaar 12, 13 erzeugte Streifensystem und mit
27 das vom Messkammerpaar 10, 11 erzeugte Streifensystem bezeichnet. Fig. 2a zeigt die beiden Streifensysteme in der Nullstellung, wobei lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung die beiden Nullstrei fen mit einem Kreuz bezeichnet sind. Fig. 2b zeigt die beiden Streifensysteme bei der Messung. Das Strei fensystem 27 ist dabei beispielsweise um genau zehn
Streifenbreiten ausgewandert. Eine Kompensations vorrichtung allein würde also zur Einstellung einen falschen Streifen verwenden. Es ist jedoch das Interferenzstreifensystem 26 um weniger als eine halbe Streifenbreite ausgewandert, so dass sich für die nachgeschaltete Nachführeinrichtung eindeutige Verhältnisse ergeben.
Jedem der Streifensysteme 26 und 27 ist eine lichtelektrische Nachführeinrichtung nachgeschaltet.
Jede dieser Einrichtungen besteht aus einem Doppelspalt, einer Wechsellichtblende, einer Photozelle und einem dieser nachgeschalteten Verstärker. Die dem Interferenzstreifensystem 26 zugeordnete Nachlaufeinrichtung ist mit 21a, 21b, 23, 25, 29 bezeichnet, während die dem Interferenzstreifensystem 27 zugeordnete Nachlaufeinrichtung mit 22a, 22b, 24, 28, 30 bezeichnet ist. Fig. 4a zeigt die dem Streifensystem 26 zugeordnete Nachlaufeinrichtung in der Ansicht von der Seite.
In Fig. 3 ist mit 31 die Intensitätskurve des Interferenzstreifensystems 26 bezeichnet. Die, auch in den Fig. 2a und 2b sichtbaren Spalte 21a und 21b des Doppelspaltes 21 sind in gleichem Abstand von einem Minimum der Kurve 31 angeordnet. In der Nullstellung wird also die linke und rechte Flanke dieses Minimums auf je einen der beiden Spalte 21a, 21b abgebildet. Dadurch ergibt sich bei seitlicher Verschiebung der Interferenzstreifen die grösste Helligkeitsänderung auf den Spalten.
Das von den beiden Spalten 21a und 21b ausgehende Licht wird mittels der Wechsellichtblende 23 abwechselnd unterbrochen und fällt auf die Photozelle 25, welcher der Verstärker 29 nachgeordnet ist.
Der Verstärker 29 liefert also eine Spannung, welche dem Helligkeitsunterschied des durch die Spalte 21a, 21b tretenden Lichtes proportional ist. Die Polarität dieser Spannung ist abhängig davon, durch welchen der beiden Spalte mehr Licht fällt. Infolgedessen ist die vom Verstärker 29 gelieferte Spannung nach Phase und Amplitude von der Stellung des Interferenzstreifensystems abhängig und kann demzufolge als Nachführspannung verwendet werden.
Die vom Verstärker 29 gelieferte Spannung ist in Fig. 5 mit 32 bezeichnet. Dabei ist angenommen, dass das Interferenzstreifensystem um eine halbe Streifenbreite auswandert. Zugleich wandere das Interferenzstreifensystem 27 um zehn volle Streifenbreiten aus.
Die entsprechende, vom Verstärker 30 gelieferte Steuerspannung ist in Fig. 5 mit 33 bezeichnet. Die Verstärkung des Verstärkers 29 sei dabei fünfmal so gross gewählt wie die Verstärkung des Verstärkers 30.
Die beiden Spannungen 32 und 33 werden gemeinsam einem Elektromotor 34 zugeführt, so dass sich eine resultierende Steuerspannung 35 ergibt. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird, sobald mit Hilfe der Grobverschiebungsspannung 32 das Interferenzstreifensystem 27 bis auf weniger als eine halbe Streifenbreite nachgestellt ist, die endgültige Feinverschiebung vom Streifen system 27 gesteuert.
Mit dem Motor 34 ist ein Schneckenrad 36 verbunden, welches in ein Zahnsegment 37 eingreift. Bei einer Erregung des Motors 34 werden demzufolge die planparallelen Platten 94, 95 so lange um die Achse 96 verdreht, bis der endgültige Abgleich erreicht ist.
Mit dem Motor 34 ist weiterhin ein Schreibstift 38 verbunden, welcher bei einer Drehung des Motors in seitlicher Richtung verschoben wird. Dieser Schreibstift 38 zeichnet auf einer bewegten Unterlage 39 direkt die Messkurve 40 auf.
In Fig. 4b ist eine andere Ausgestaltung der Nachlaufeinrichtung dargestellt. Der Doppelspalt 21 der Fig. 4a ist hier durch einen Einfachspalt 41 mit nachgeschaltetem Prisma 46 ersetzt. Spiegel 42, 43, 44, 45 sowie ein Prisma 47 dienen zur Vereinigung der durch das Prisma 46 erzeugten Teillichtbündel auf der Photokathode der Photozelle 25. Eine Wechsellichtblende 48 unterbricht dabei die beiden Teillichtbündel abwechselnd.
Das in Fig. 1 dargestellte Interferometer dient zur kontinuierlichen Messung. Soll ein solches Interferometer jedoch zur diskontinuierlichen Messung verwendet werden, so ist es zweckmässig, die in Fig. 6 dargestellte Nachlaufeinrichtung zu verwenden, bei welcher die von den Verstärkern 29 und 30 gelieferten Spannungen einem Relais 50 zugeführt werden.
Dieses Relais führt, sobald die Grobverschiebungsspannung einen bestimmten einstellbaren Wert überschreitet, die vom Verstärker 29 gelieferte Spannung dem Elektromotor 51 zu. Gleichzeitig schaltet das Relais 50 zwischen dem Elektromotor 51 und dem Schneckenrad 36 das Getriebe 52 ein. Durch dieses Getriebe wird eine Übersetzung der Drehzahl des Motors 51 bewirkt, so dass das Segment 37 sehr schnell verschwenkt wird. Sobald die Grobverschiebungsspannung den eingestellten Wert unterschreitet, verbindet das Relais 50 den Verstärker 30 mit dem Motor 51 und schaltet zugleich das Getriebe 52 aus und das Getriebe 53 ein. Das Getriebe 53 bewirkt eine Untersetzung der Drehzahl des Motors 51, so dass also zur Feinverschiebung das Segment 37 sehr langsam gedreht wird.
In Fig. 7 ist ein Interferometer dargestellt, welches aus dem Messkammerpaar 55, 56 und den Hilfskammerpaaren 57, 58 sowie 59, 60 und 61, 62 besteht. Die Länge der Hilfskammern ist dabei so gewählt, dass, wenn der volle Messbereich des Messkammerpaares 55, 56 ausgenutzt wird, das vom Hilfskammerpaar 61, 62 gelieferte Interferenzstreifensystem sich um weniger als eine halbe Streifenbreite verschiebt. Bei der nun folgenden Grobverschiebung wird zunächst das dem Hilfskammerpaar 59, 60 zugeordnete Interferenzstreifensystem so lange verschoben, bis seine Streifenauswanderung weniger als eine halbe Streifenbreite beträgt. Sodann übernimmt das dem Hilfskammerpaar 59, 60 zugehörende System die Verschiebung des Interferenzstreifensystems des Hilfskammerpaares 57, 58, welches sodann die Feinverschiebung des dem Messkammerpaar 55, 56 zugeordneten Interferenzstreifensystems bewirkt.
Das als Kompensationselement dienende System planparalleler Platten besteht aus den Teilen 63, 64, 65, 66, deren Dicken den Längen der zugeordneten Kammern entsprechen.
Bei dem hier dargestellten Interferometer kann der Messbereich sehr gross gewählt werden, ohne dass an die einzelnen Nachführeinrichtungen hohe Anforderungen zu stellen sind.
Fig. 8 zeigt ein Interferometer, bei welchem das Hilfskammerpaar 72, 73 dieselbe Länge aufweist wie das Messkammerpaar 70, 71. Die Kammern 70 und 72 enthalten das Vergleichsgas und stehen über ein längeres Rohr 75 mit der Aussenluft in Verbindung.
Mit 74 ist der Einlassstutzen bezeichnet.
Die Kammern 71 und 73 enthalten das zu messende Gas. Dabei ist mit 76 die Gasauslassöffnung bezeichnet, an welche im Betrieb eine Saugvorrichtung angeschlossen wird. 77 bezeichnet das Gaseinlassrohr für die Messkammer 71. Das zur Hilfskammer 73 führende Rohr 78 steht mit einem Misch- behälter 79 in Verbindung, welcher seinerseits über ein Rohr 80 mit dem Messgas und über ein Rohr 81 mit einem das Vergleichsgas enthaltenden Behälter 82 in Verbindung steht. Wird bei 76 eine Saugvorrichtung angeschlossen, so strömt das zu messende Gas direkt in die Messkammer 71 ein. In die Hilfskammer 73 strömt zugleich ein Gasgemisch, welches beispielsweise 900/o, Vergleichsgas und 10 0/o Messgas enthält.
Das entsprechende Verhältnis wird durch den Mischungsregler 79 bestimmt.
Das hier dargestellte Interferometer weist ebenfalls den Vorteil auf, dass die Auswanderung des dem Hilfskammerpaar 72, 73 zugeordneten Streifensystems nur einen Bruchteil der Auswanderung des dem Messkammerpaar 70, 71 zugeordneten Interferenzstreifensystems beträgt. Dies wird durch die Herabsetzung der Konzentration des Messgases in der Hilfskammer 73 erreicht. Als Kompensationselement findet auch hier beispielsweise eine Platte Verwendung, welche aus den beiden planparallelen Teilen 83 und 84 besteht. Die Dicke dieser beiden Teile entspricht dabei dem Verhältnis der Konzentration des Messgases in den Kammern 71 und 73.