Photometer
Die Erfindung betrifft ein Photometer für das Messen und Vergleichen von Lichtintensitäten.
Bei vielen Messungen der Lichtintensität, z. B. bei Farbmessungen, Absorptionsmessungen, Dichtemessunusw., ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Anzeige der Messanordnung und den auftretenden Lichtintensitäten ein logarithmisches Verhältnis besteht. Wenn z. B. bei einer bestimmten Vorrichtung die Anzeige a bei einer Lichtintensität I1 und die Anzeige b bei einer Lichtintensität I2 erhalten wird, dann wünscht man, dass
I1 log = a - b sie. (1) 12
Um das gewünschte Verhältnis zwischen den Anzeigen und den Lichtintensitäten zu bekommen, sind bisher fünf Schaltungen entwickelt worden, die auf folgenden Prinzipien beruhen:
1. Verwendung eines Potentiometers, dessen Widerstand logarithmisch mit der Verstellung des Schiebekontaktes verläuft.
Bei dieser teilweise elektronischen und teilweise mechanischen Vorrichtung kann die Anpassung nur stufenweise geschehen, so dass nur annähernd ein logarithmisches Verhältnis erhalten wird. Ausserdem ist der Messbereich immer sehr beschränkt.
2. Verwendung einer Reihe von Dioden, die an ein Folgepotentiometer angeschlossen sind, so dass in diskreten Stufen Spannungen erzeugt werden, die einander überlagern. Diese Schaltung hat dieselben Nachteile wie die erstgenannte.
3. Man benutzt als lichtempfindliches Element eine photoelektrische Zelle. Diese gibt, bei Speisung mit einem konstanten Strom, ein Ausgangssignal ab, welches mit der in Formel (1) dargestellten Relation übereinstimmt, (Gilford Spektralphotometer). Obwohl diese Schaltung in einem weiten Bereich das erwünschte Resultat gibt, sind die hohen Kosten dieser Messanordnung nachteilig.
4. Man benutzt die Eigenschaft, dass der Widerstand von Photowiderständen logarithmisch von der Intensität des auffallenden Lichtes abhängt. (Vergl. z. B. Radiometer News, Nr. 7/1966, Seite 7). Jedoch haben auch solche Schaltungen einen sehr beschränkten Messbereich.
5. In Fällen, in denen das Ausgangssignal der Messanordnung linear mit der Lichtintensität verläuft, wird dieses Signal elektronisch (z. B. mit Hilfe einer logarithmischen Diode) in ein logarithmisches Signal ungewandelt. Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass dazu eine lineare Messanordnung mit gentigend Ausgangsleistung vorhanden sein muss.
Die Nachteile der genannten Schaltungen werden beseitigt durch das Photometer nach der Erfindung, das gekennzeichnet ist durch mindestens einen elektrischen Kreis der in Reihe mit einer Gleichstromquelle liegt und aus einem Photowiderstand und einer logarithmischen Diode besteht, so dass die Spannung tiber der Diode in linearer Beziehung zu dem Logarithmus der Intensität des Lichtes steht mit dem der Photowiderstand bestrahlt wird. Nachfolgend werden Ausfuhrungsformen des Photometers, nach der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Schema, das das Prinzip der Erfindung erklart.
Fig. 2 ein Schema einer Messanordnung nach der Erfindung für das Vergleichen von zwei Lichtintensitäten.
Die Schaltung von Figur 1 enthält einen Photowiderstand 1, z. B. aus Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, oder Bleisulfid, und eine zu diesem in Reihe geschalteten, Diode 2 mit logarithmischer Kennlinie in einem Stromkreis, welche gespeist wird durch eine Quelle B, welche einen Gleichstrom von genügender Stark liefert.
Für einen Photowiderstand gilt annahernd: = I & + Ussr (2) wahrend für eine logarithmische Diode zwischen Stromstärken von 10-2 und 10-2 A gilt: Ud i = a- 10- (3) b In diesen Gleichungen (2) und (3) ist i = Stromstärke des Gleichstromes
I = Intensität des auffallenden Lichtes
Ur = Spannung über den Photowiderstand
Ud = Spannung iiber die Diode
E = Gleichstromspeisespannung = Ud + Ur α,ss, a,b = Konstanten
Aus den Gleichungen (2) und (3) folgt nach logarithmieren α # log I =@/b# Ud - ss # log Ur + log a (4) mit Ur = Ud wird dies:
: α # log I = @/b# Ud - ss # log(E-Ud) + log a (5)
Wird jetzt bei einer Lichtintensität I' eine Spannung Ud' und bei einer Lichtintensität I" eine Spannung Ud" gemessen und trägt man diese Werte jeweils in Gleichung (5) ein, so erhält man zwei Gleichungen und nach Subtraktion der einen Gleichung von der anderen:
I' 1 E-Ud" α # log = (Ud'-Ud") + ss # log (6)
I" b E-U'd
Wenn nun E genügend gross ist hinsichtlich Ud', dann bekommt man den gewünschten logarithmischen Zusammenhang zwischen der Lichtintensität I und dem Ausgangssignal Ud: I' 1 α # log = # (Ud' - Ud") (7)
I" b
In der Praxis hat man fast immer zwei Lichtintensitätch zu vergleichen.
Um Änderungen der Intensität der Lichtquelle zu kompensieren, kann z.B. die Schaltung nach Fig. 2 benutzt werden, welche die Kombination von zwei Schaltkreisen nach Fig. 1 zu einer Wheatston'schen Brücke ist. Es kann dann der eine Photowiderstand von einer Referenzlichtquelle Io und der andere von der Lichtquelle In bestrahlt werden, deren Intensität gemessen werden muss. Der ganze Kreis besteht nur aus zwei verschiedenen Arten billiger Elementen (Photowiderstände und logarithmische Dioden), deren Wahl zudem nicht kritisch ist. Nichtdestoweniger ergibt sich, dass dieser Kreis sehr wenig Rauschen zeigt und eine grosse Stabilität hat, wobei ausserdem noch in weiten Grenzen gemessen werden kann, und normalerweise keine Verstärkung notwendig ist.
Einige Daten, aus Messungen erlangt, werden diese Beispiele genügend erläutern: Rauschen 0,0002 Absorptionseinheiten Drift 0,001 Absorptionseinheiten pro 4h Bereich minimal 3 Absorptionseinheiten Ausgangsspannung 0,5 bis 0,7 V pro Absorptionseinheit, abhängig von dem(den) gebrauchten Photowiderstand(ständen) und Diode(n).
Ohne die Anwendungsmöglichkeiten dafür zu beschränken, kann die Messanordnung nach der Erfindung zum Beispiel mit den genannten oder anderen Vorteilen besonders in der Kolorimetrie, Spektralphotometrie, der Kolorimetrie Absorptionsphotometrie, Densimetrie, usw. angewendet werden.
Einige Beispiele von Anwendungen und damit erlangte Resultate sind:
Beispiel I
Es wurden gewogene Mengen von Amidoschwarz in einer alkalischen Lösung von 50% Äthanol in Wasser gelöst. Die Absorptionen wurden zuerst mit einem Beckmann DU Spektrophotometer gemessen und nachher mit einer Anordnung gemäss der Erfindung nach Fig. 2, in der ein Differentialvoltmeter verwendet wurde, so dass der Eingang hochohmig und der Ausgang niederohmig war. Die Resultate der Messungen mit den beiden Messanordnungen sind in Tabelle I dargestellt, wobei fiir die Messanordnung nach der Erfindung gilt: y = 0,001169 + 0,001753 x (8) worin y = die Absorption der Lösung und x = das Ausgangssignal in mV ist.
Beispiel 2
Eine konstante Lichtquelle In wurde in verschiedenen Entfernungen von dem einen Photowiderstand (Figur 2) angeordnet. In der Tabelle II sind das Ausgangssignal in mV als Funktion der Entfernung und die berechnete sowie die gemessene Anderung des Logarithmus des Verhältnisses der Io/In angegeben.
Die mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate ermittelte lineare Beziehung, mittels der Werte in der vorletzten Spalte der Tabelle II berechnet wurden, ist:
104 y = 32,304 + 13,903 x (9)
Wenn die Lichtquelle In wieder in 20 cm Entfernung vom einen Photowiderstand gebracht und die Intensität der Lichtquelle derart vermindert wurde, dass wieder ein Signal von 1113 mV erhalten wurde, dann konnte die Lichtquelle In wieder bis auf 120 cm entfernt werden, ohne dass dies eine Abweichung von der in der Formel (9) gegebenen Anzeigecharakteristik verursacht hätte, so dass das Photometer einen Messbereich hatte, der von 0,000 bis wenigstens 3,000 Absorptionseinheiten reichte.
Absorptionseinheiten gemessen Ausgangssignal der Messanord- Aus dem Ausgangssignal x mit Unterschied zwischen den Mesmit dem Beckmann DU nung nach der Erfindung in mV Formel (8) berechnete Ab- sungen mit der Messanordnung y x sorptionseinheiten nach der Erfindung und mit dem
Beckmann DU Photometer
0,000 0,0 0,001 . 0,001
0,031 17,5 0,032 . 0,001
0,062 34,0 0,061 - 0,001
0,093 52,0 0,092 - 0,001
0,117 65,5 0,116 - 0,001
0,156 88,3 0,156 0,000
0,312 175 0,308 - 0,004
0,625 357 0,627 # 0,002
0,925 529 0,927 # 0,002
1,248 709 1,244 - 0,004
1,527 868 1,523 - 0,004
TABELLE II Entfernung Licht- Logarithmus des Berechnete Ausgangssignal Absorption berechnet Unterschied zwiquelle bis Photowider- Verhältnisses der Absorption mV aus Formel schen berechneter stand in an <RTI
ID=3.5> Intensitaten y x (9) und gemessener to Absorption log
In
2
20 2 log - = 0,000 0,0 0,0032 . 0,003
2
3
30 2 log - = 0,3522 249 0,3494 - 0,003
2
4
40 2 log - = 0,6020 428 0,5983 - 0,004
2 5
50 2 log - = 0,7958 570 0,7957 0,000
2
6
60 2 log - = 0,9542 682 0,9514 - 0,003
2
7
70 2 log - = 1,0881 781 1,0891 . 0,001
2
8
80 2 log = 1,2041 869
2
9
90 2 log - = 1,3064 939 1,3087 . 0,002
2 10
100 2 log - = 1,3980 1004 1,3991 s 0,001
2 11
110 2 log - = 1,4807 1063 1,4811 0,000
2 12
120 2 log - = 1,5563 1113 1,5507 - 0,006
2