Nach dem Kompensationsprinzip arbeitende Strahlenvergleichsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine nach dem Kompensationsprinzip arbeitende Strahlenvergleichsvorrichtung.
Es sind Strahlenvergleichsvorrichtungen, beispielsweise Spektrophotometer, bekannt, bei denen durch Strahlenwechselmittel, z. B. einen rotierenden Sektor- spiegel, ein Mess- und Vergleichsstrahlenbündel abwechselnd auf einen Strahlungsempfänger geleitet und von dem der Intensitätsdifferenz entsprechenden Wechselstrom-Ausgangssignal des Strahlungsempfängers Abgleichmittel, z. B. in Gestalt einer Blende, gesteuert werden.
Bei den bekannten Spektrophoto- metern fallen das Mess- und das Vergleichsstrahlenbündel abwechselnd auf den Eingangsspalt eines Monochromators, werden durch ein Prisma oder sonstige dispergierende Mittel zu einem Spektrum auseinandergefächert, fallen auf einen Littrow-Spiegel, der die spektral zerlegten Bündel zur nochmaligen Dispersion auf das Prisma zurückwirft und erzeugen ein Spektrum vor dem Ausgangsspalt des Monochromators. Durch Verschwenken des Littrow-Spiegels kann das ganze Spektrum kontinuierlich abgetastet werden.
Die Schwenkbewegung des Littrow-Spiegels erfolgt synchron mit dem Schreibstreifenvorschub eines Registriergerätes, während mit den Abgleichmitteln die Schreibfeder gekoppelt ist, so dass man einen Schrieb Durchlässigkeit über Wellenlänge erhält.
Da es sich um eine Kompensationsmessung handelt, ist der abgeglichene Zustand unabhängig von der Intensität der benutzten Strahlungsquelle oder deren spektraler Verteilung und von der Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers und der diesem nachgeschalteten elektrischen Glieder sowie von Absorptionen des Mess- und Vergleichsstrahlenbündels in Luft, Kohlendioxyd oder Wasserdampf. Diese Einflüsse wirken sich aber auf die Grösse des Ausgangssignals des Strahlungsempfängers aus, welches den Stellmotor für die Abgleichmittel steuert. Der Stellmotor läuft um so schneller, je grösser dieses Ausgangssignal ist, damit grössere Abweichungen von Mess- und Vergleichsstrahlenbündel schnell herausgeregelt werden können. Wenn jedoch z.
B. infolge atmosphärischer Absorption die Intensitäten der beiden Strahlenbündel absinken, dann wird das Ausgangssignal des Empfängers schwächer. Das gleiche kann durch Änderungen der Empfindlichkeit des Empfängers oder sonstige Einflüsse eintreten. Dann läuft der Stellmotor langsamer und vermag unter Umständen den durch die Absorption der Probe hervorgerufenen Intensitätsunterschieden zwischen Messund Vergleichsstrahlenbündel nicht zu folgen, so dass das aufgezeichnete Spektrum verwaschen wird. Wenn der Verstärkungsgrad des Regelkreises aber zu gross ist, kann wiederum eine Überregelung eintreten.
Es ist bekannt, zum Ausgleich der spektralen Energieverteilung der Lichtquelle synchron mit dem Littrow-Spiegel eine Kurvenscheibe anzutreiben, durch welche der Eingangsspalt des Monochromators in Abhängigkeit von der Wellenlänge veränderbar ist.
Durch eine solche Programmsteuerung des Spaltes können aber nicht die anderen, nicht vorausberechenbaren Einflüsse wie atmosphärische Absorption oder Empfindlichkeitsänderungen des Empfängers berücksichtigt werden. Es ist ferner schon eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei welcher zusätzlich ein dem Mittelwert der Intensitäten von Mess- und Vergleichsstrahlenbündel entsprechender Messwert erzeugt und dieser zur Bildung eines Messwertes für die Intensität des unabgeglichenen Vergleichsstrahlenbündels in Abhängigkeit von der Stellung der Abgleichmittel ver ändert wird. Diese Anordnung ist aber an einen bestimmten speziellen Typ von Monochromator gebunden.
Demgegenüber besteht die Erfindung bei einer nach dem Kompensationsprinzip arbeitenden Strahlenvergleichsvorrichtung, bei welcher durch Strahlen wechselmittel ein Mess- und ein Vergleichsstrahlenbündel abwechselnd mit einer ersten Frequenz auf einen Strahlungsempfänger geleitet und von dem der Intensitätsdifferenz entsprechenden Wechselstromausgangssignal des Strahlungsempfängers Abgleichmittel für das Vergleichsstrahlenbündel gesteuert werden, darin, dass die Strahlenwechselmillel mit einer zweiten Frequenz beide Strahlenbündel unterbrechen und dass die im Ausgangssignal des Strahlungsempfängers enthaltene Komponente mit der zweiten Frequenz als Messwert für den Mittelwert der Intensitäten von Mess- und Vergleichsstrahlenbündel dient.
Dann können in Abhängigkeit von dem Messwert für die Intensität des unabgeglichenen Vergleichsstrahlenbündels Abschwächmittel für das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers steuerbar sein, so dass sich eindeutige Regelverhältnisse, unabhängig von Störeinflüssen wie atmosphärischer Absorption, Empfindlichkeitsänderung des Empfängers, Änderung der Strahlungsquelle oder von Ungenauigkeiten in der Spaltprogrammsteuerung, ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Strahlenvergleichsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt die Strahlenwechselmittel.
Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemässen Anordnung.
Fig. 4 zeigt Charakteristik einer Röhre von Fig. 1 und 3.
In Fig. 1 bezeichnet S eine Strahlungsquelle, welche beispielsweise von einem Glühstift gebildet werden kann, welcher infrarote Strahlen aussendet.
Selbstverständlich können auch andere Strahlungsquellen benutzt werden. Die Erfindung ist auch nicht auf infrarote Strahlung beschränkt. Die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung wird durch Spiegel
10, 11, 12 und 13 zu einem Vergleichsstrahlenbündel RB und einem Messstrahlenbündel SB gebündelt. Das Messstrahlenbündel tritt durch eine Probenzelle 14, welche das zu analysierende Material enthält. Dieses kann in einem Lösungsmittel gelöst sein. Das Messstrahlenbündel wird dann durch einen Spiegel 16 auf eine Sektorscheibe 15 geleitet. Das Vergleichsstrahlenbündel RB tritt durch eine Vergleichszelle 17, welche die Aufgabe hat, die Absorption des Lösungsmittels oder andere Intensitätsverluste, die durch die Probenzelle im Weg des Messstrahlenbündels verursacht werden können, im Weg des Vergleichsstrahlenbündels zu kompensieren.
Es wird dann durch Spiegel 18 und 19 ebenfalls auf die Sektorscheibe 15 geleitet.
Die Sektorscheibe 15 ist in Fig. 2 dargestellt. Sie hat einen Teil 21, der sich ungefähr über 1700 erstrecken kann, dessen Oberfläche verspiegelt ist, so dass er das Messstrahlenbündel reflektiert. Ein anderer Teil 22 der Sektorscheibe kann lichtdurchlässig oder weggeschnitten sein, so dass er den Durchgang des Vergleichsstrahlenbündels gestattet. Die reflektierenden und die durchlässigen Teile der Sektorscheibe sind durch einen Bereich 23 voneinander getrennt, welcher einen schwarzen Streifen bildet und sich beispielsweise über einen Winkelbereich von 10 erstreckt.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird das Vergleichsstrahlenbündel beim Antrieb der Sektorscheibe 15 durch einen Motor 24 während eines Teils der Umdrehung durch den Spiegel 19 auf einen Spiegel 25 reflektiert und während eines anderen Teils der Umdrehung unterbrochen, während das Messstrahlenbündel dann von der Oberfläche 21 der Sektorscheibe 15 auf den Spiegel 25 reflektiert wird.
Man sieht daher, dass der Spiegel 25 abwechselnd von dem Vergleichsstrahlenbündel und dem Messstrahlenbündel beaufschlagt ist, und zwar mit einer Frequenz, die von der Umdrehung der Sektorscheibe abhängt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass diese Frequenz sechs Hertz betrage. Zweimal während jeder Umdrehung werden beide Strahlenbündel durch die dunklen Teile 23 der Sektorscheibe mit einer Frequenz von zwölf Hertz unterbrochen. Von dem Spiegel 25 aus laufen die beiden Strahlenbündel längs eines übereinstimmenden Weges durch den Rest des Systems. Die Strahlenbündel werden von einem Spiegel 26 auf den Eingangsspalt 27 eines Monochromators reflektiert, der mit 28 bezeichnet ist. Es ist selbstverständlich, dass die genaue Art des Monochromators oder sogar das Vorhandensein des Monochromators nicht einen wesentlichen Teil der Erfindung bildet.
Von dem Eingangsspalt werden die Strahlenbündel auf einen Parabolspiegel 29 geleitet, welcher als Kollimator dient und sie auf ein Prisma 31 leitet. Dieses dispergiert die Strahlenbündel zu einem Spektrum, welches von einem Littrow-Spiegel 32 aufgenommen wird. Von dem Littrow-Spiegel werden die dispergierten Strahlenbündel zu einer nochmaligen Dispersion auf das Prisma zurückgeworfen und dann von dem Parabolspiegel 29 und dem Spiegel 30 auf den Ausgangsspalt 33 des Monochromators reflektiert. Der Littrow-Spiegel kann zur kontinuierlichen Abtastung des Spektrums verschwenkbar sein, und die Schwenkbewegung des Littrow-Spiegels kann in bekannter Weise mechanisch mit dem Schreibstreifenvorschub eines Registriergerätes synchronisiert sein. Von dem Ausgangsspalt werden die Strahlenbündel durch einen Spiegel 34 auf einen Detektor 35 geleitet, der von einem Thermoelement gebildet wird.
Selbstverständlich kann jeder geeignete Strahlungsempfänger, der ein Signal entsprechend der darauffallenden Strahlung liefert, benutzt werden.
Der Strahlungsempfänger liefert ein Signal, dass sich entsprechend der Intensität der Strahlenbündel ändert. Die Amplitude des 6-Hertz-Signals, welches den Wechsel zwischen Vergleichsstrahlenbündel RB und Messstrahlenbündel SB darstellt, ist proportional der Intensitätsdifferenz der zwei Strahlenbündel. Die Amplitude des überlagerten 12-Hertz-Signals ist proportional dem Mittelwert der beiden am Strahlungsempfänger wirksam werdenden Intensitäten. Die bei den von dem Strahlungsempfänger gelieferten Signale werden dann einem Verstärker 36 zugeführt und liegen dann an Widerständen 37 und 38 an, welche mit dem Verstärkerausgang verbunden sind. Ein von einem Stellmotor einstellbares Potentiometer 39 zur Regelung des Verstärkungsgrades ist den Widerständen 37 und 38 parallel geschaltet, und beide Signale liegen auch an dem Potentiometer an.
Von dem Potentiometer 39 werden die Signale einem Siebglied 41 zugeführt, welches das 12-Hertz-Signal unterdrückt und eine Verstärkung des 6-Hertz-Signals bei 42 gestattet. Der Ausgangsmesswert des Verstärkers 42 wird dann durch übliche Mittel 43, beispielsweise einen phasenempfindlichen Gleichrichter demoduliert.
Dieser Messwert wird in geeigneter Weise bei 44 verstärkt und dient zur Steuerung eines Stellmotors 45 für Abgleichmittel 46 im Strahlengang des Vergleichsstrahlenbündels. Auf diese Weise wird die Intensität des Vergleichsstrahlenbündels so lange abgeblendet, bis sie der Intensität des Messstrahlenbündels entspricht. Die Stellung der Abgleichmittel 46 ist ein Mass für das Verhältnis der Intensitäten der zwei Strahlenbündel. Mit den Abgleichmitteln 46 ist ein Registriergerät 47 gekoppelt, so dass die Intensität des Messstrahlenbündels im Vergleich zur Intensität des Vergleichsstrahlenbündels graphisch aufgezeichnet wird.
Das Potential, welches an dem Potentiometer 39 anliegt, wird gleichzeitig dem Verstärker 48 zur automatischen Regelung des Verstärkungsgrades zugeführt. Die erste Stufe dieses Verstärkers enthält eine Pentode, welche weiter unten im einzelnen beschrieben werden wird. Das Steuergitter der Pentode ist mit dem Potentiometer 39 verbunden und erhält das an dem Potentiometer auftretende Signal. Die Gittervorspannung der Pentode wird von der Stellung der Schreibfeder des Registriergerätes bestimmt, welche mit einem noch zu beschreibenden Oszillator 49 verbunden ist. Der Ausgangsmesswert des Verstärkers 48 wird bei 51 gesiebt derart, dass das 1 2-Hertz-Signal durchgelassen und das 6-Hertz-Signal unterdrückt wird. Das 12-Hertz-Signal wird dann einem Verstärker 52 zugeleitet und bei 53 demoduliert.
Dieser Demodulator kann ebenfalls ein phasenempfindlicher Gleichrichter sein, der eine Gleichspannung erzeugt, welche bei 54 nochmals gesiebt wird. Diese Gleichspannung wird dann mit einer Vergleichsgleichspannung in Beziehung gesetzt und die Differenz zu einem Servoverstärker 55 geleitet, dessen Ausgangsmesswert den Stellmotor 56 für die Regelung des Verstärkungsgrades steuert, der wiederum die Stellung des Potentiometers 39 einstellt. Auf diese Weise wird das 12 Hertz-Signal am Ausgang des Potentiometers auf einem gleichbleibenden Stand gehalten. Das Potentiometer 39 regelt auch den Verstärkungsgrad für das 6-Hertz-Signal, da beide Signale an dem Potentiometer 39 überlagert sind.
Da weiterhin die Intensität des 12-Hertz-Signals am Strahlungsempfänger sich proportional zum Stellweg der Abgleichmittel bzw. der Feder des Registriergerätes ändert, wird der Verstärkungsgrad der Pentode 50 nach Massgabe der Federstellung verändert.
In Fig. 3 ist der Verstärker für die Verstärkungsgradregelung, das Potentiometer und die Anordnung zur Regelung der Gittervorspannung im einzelnen dargestellt. Das geerdete Ende des Potentiometers 39 ist mit der Kathode der Pentode 50 durch eine Leitung 57 verbunden, und der Schleifer ist mit dem Steuergitter durch einen Kondensator 58 verbunden.
Es ist ein Schalter 59 vorgesehen, so dass die Regeleinrichtung für den Verstärkungsgrad abgeschaltet und der Verstärkungsgrad dann von Hand geregelt werden kann. Der Anodenkreis der Pentode ist mit dem Siebglied 51 verbunden, welches das 12-Hertz Signal durchlässt.
Wie oben dargelegt wurde, wird die Gittervorspannung der Röhre 50 nach Massgabe der Federstellung des Registriergerätes eingestellt. Zu diesem Zweck ist ein Hochfrequenzoszillator 49 mit abgestimmtem Anodenkreis und abgestimmtem Gitterkreis vorgesehen, welcher einen veränderbaren Kondensator 59 aufweist, der mechanisch mit der Feder des Registriergerätes gekoppelt ist. Die Kapazität wird bei einer Bewegung der Feder von einem Ende der Skala zum anderen von Minimum zu Maximum verändert.
Auf diese Weise wird der Strom durch ein Potentiometer 61, das in den Anodenstromkreis des Oszillators eingeschaltet ist, nach Massgabe der Federstellung verändert. Die Spannung an dem Potentiometer 61 wird einer festen Gleichspannungsquelle 62 überlagert und wirkt zusammen mit dieser als Gittervorspannung, indem sie durch Leitungen 63 und 64 zwischen das Steuergitter und die Kathode der Röhre 50 geschaltet ist.
Die Wirkungsweise der automatischen Regelung des Verstärkungsgrades ist folgende: 10 bezeichne die Intensität des Vergleichsstrahlenbündels, wenn keine Absorption in der Probe stattfindet. I sei die Intensität des Messstrahlenbündels und 12 die Intensität des Vergleichsstrahlenbündels nach Abschwächung durch die Kompensationszelle und die Abgleichmittel 46.
Das 12-Hertz-Signal zur Regelung des Verstärkungsgrades ist proportional dem Mittelwert der bei den Strahlenbündel, also +2 2. Bei einer Kompen
2 sationsmessvorrichtung der vorliegenden Art ist die Wirkungsweise so, dass das System gewöhnlich in oder nahe dem Nullzustand ist, also l = 12 Das Signal für die Regelung des Verstärkungsgrades ist daher proportional 1. Bei einer Kompensationsmessvorrichtung der vorliegenden Art ist die Stellung der Abgleichmittel oder der Schreibfeder proportional 1110. Man will ein Signal erhalten, welches proportional zu den unerwünschten Änderungen des Vergleichsstrahlenbündels 10 infolge atmosphärischer Absorption oder anderer Ursachen ist.
Mathematisch ist dies möglich durch Multiplikation von 1011 (dem Reziproken des Federstellweges) mit I (dem 12-Hertz-Signal, das im abgeglichenen Zustand an dem Potentiometer für die Regelung des Verstärkungsgrades auftritt).
Dies kann durch die Pentode 50 erreicht werden.
Zum Verständnis des folgenden dient Fig. 4. Die Gittervorspannung eg der Röhre 50 wird durch die Abschwächung des Vergleichsstrahlenbündels bestimmt, indem die Kapazität 59 mit der Schreibfeder oder den Abgleichmitteln 46 mechanisch gekoppelt ist. So wird sich also die Gittervorspannung als Funktion von I/lo ändern. Betrachtet man nun eine normale Änderung der Stellung der Abgleichmittel infolge Absorption des Messstrahlenbündels in der Probe, durch welche eine Verringerung der Intensität des Vergleichsstrahlenbündels verursacht wird, dann würde das am Strahlungsempfänger erzeugte 12-Hertz-Signal absinken und ebenso würde die negative Gittervorspannung an der Pentode vermindert werden. Der Arbeitspunkt der Pentode würde dadurch in eine Lage mit grösserem Verstärkungsgrad auswandern, wie das durch die Steigung der Kurve in Fig. 4 gezeigt ist.
Das Absinken des 12-Hertz-Signals am Potentiometer 49 würde dadurch ausgeglichen. Die Einstellung des Potentiometers würde ungeändert bleiben.
Betrachtet man aber eine Verminderung der Intensitäten des Mess- und Vergleichsstrahlenbündels infolge atmosphärischer Absorption oder dergleichen, so würde das 12-Hertz-Signal absinken, aber der Verstärkungsgrad der Pentode 50, wie er durch die Stellung der Abgleichmittel oder der Schreibfeder gegeben ist, würde ungeändert bleiben. So würde das verkleinerte Signal an dem Stellmotor 56 wirksam werden, so dass dieser das Potentiometer 39 nachstellt und dadurch die Grösse des am Potentiometer abgenommenen Signals konstant hält, ungeachtet unerwünschter Veränderungen innerhalb des Systems.
Es ist selbstverständlich, dass anstelle des Potentiometers 39 andere Mittel zur Veränderung des Verstärkungsgrades bzw. der Rückführung vorgesehen werden könnten. Beispielsweise könnte von dem 12 Hertz-Signal ein veränderbarer Eingangsspalt des Monochromators gesteuert werden. Das Signal, welches ein Mass für die Intensität I0 des Vergleichsstrahlenbündels ist, könnte auf diese Weise auch zum Ausgleich der Intensitätsänderungen bei den verschiedenen Wellenlängen infolge der spektralen Energieverteilung der Lichtquelle dienen.