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
Photometer
The invention relates to a photometer for measuring and comparing light intensities.
For many measurements of light intensity, e.g. B. for color measurements, absorption measurements, density measurements, etc., it is advantageous if there is a logarithmic relationship between the display of the measurement arrangement and the light intensities that occur. If z. For example, in a particular device the display a is obtained at a light intensity I1 and the display b is obtained at a light intensity I2, then one desires that
I1 log = a - b them. (1) 12
In order to get the desired relationship between the displays and the light intensities, five circuits have been developed so far, which are based on the following principles:
1. Use of a potentiometer whose resistance runs logarithmically with the adjustment of the sliding contact.
In this partly electronic and partly mechanical device, the adaptation can only take place in stages, so that only approximately a logarithmic ratio is obtained. In addition, the measuring range is always very limited.
2. Use of a series of diodes connected to a follower potentiometer so that voltages are generated in discrete steps that are superimposed on one another. This circuit has the same disadvantages as the former.
3. A photoelectric cell is used as the photosensitive element. When supplied with a constant current, this emits an output signal which corresponds to the relation shown in formula (1) (Gilford spectrophotometer). Although this circuit gives the desired result over a wide range, the high costs of this measuring arrangement are disadvantageous.
4. One uses the property that the resistance of photoresistors depends logarithmically on the intensity of the incident light. (See e.g. Radiometer News, No. 7/1966, page 7). However, such circuits also have a very limited measuring range.
5. In cases in which the output signal of the measuring arrangement runs linearly with the light intensity, this signal is converted electronically (e.g. with the aid of a logarithmic diode) into a logarithmic signal. The disadvantage of this circuit is that a linear measuring arrangement with sufficient output power must be available.
The disadvantages of said circuits are eliminated by the photometer according to the invention, which is characterized by at least one electrical circuit which is in series with a direct current source and consists of a photoresistor and a logarithmic diode, so that the voltage across the diode is linearly related to the logarithm of the intensity of the light with which the photoresistor is irradiated. Embodiments of the photometer according to the invention are described below with reference to the drawing. In the drawing shows:
Fig. 1 is a diagram explaining the principle of the invention.
2 shows a diagram of a measuring arrangement according to the invention for comparing two light intensities.
The circuit of Figure 1 includes a photoresistor 1, e.g. B. of cadmium sulfide, cadmium selenide, or lead sulfide, and a connected in series with this, diode 2 with a logarithmic characteristic in a circuit which is fed by a source B, which supplies a direct current of sufficient strength.
For a photoresistor the following applies approximately: = I & + Ussr (2) while for a logarithmic diode between currents of 10-2 and 10-2 A the following applies: Ud i = a- 10- (3) b In these equations (2) and (3) i = amperage of the direct current
I = intensity of the incident light
Ur = voltage across the photoresistor
Ud = voltage across the diode
E = DC supply voltage = Ud + Urα, ss, a, b = constants
From equations (2) and (3), after logarithmizing? # log I = @ / b # Ud - ss # log Ur + log a (4) with Ur = Ud this becomes:
:? # log I = @ / b # Ud - ss # log (E-Ud) + log a (5)
If a voltage Ud 'is now measured for a light intensity I' and a voltage Ud 'is measured for a light intensity I and these values are entered in equation (5), two equations are obtained and after subtracting one equation from the other:
I '1 E-Ud "α # log = (Ud'-Ud") + ss # log (6)
I "b E-U'd
If E is now sufficiently large with respect to Ud ', then the desired logarithmic relationship between the light intensity I and the output signal Ud is obtained: I' 1? # log = # (Ud '- Ud ") (7)
I "b
In practice, you almost always have to compare two light intensities.
To compensate for changes in the intensity of the light source, e.g. the circuit of FIG. 2 can be used, which is the combination of two circuits of FIG. 1 to form a Wheatston bridge. One of the photoresistors can then be irradiated by a reference light source Io and the other by the light source In, the intensity of which must be measured. The whole circle consists only of two different types of cheap elements (photoresistors and logarithmic diodes), the choice of which is also not critical. Nonetheless, it turns out that this circle shows very little noise and has a great stability, in addition to which measurements can still be made within wide limits and normally no amplification is necessary.
Some data, obtained from measurements, will explain these examples sufficiently: Noise 0.0002 absorption units Drift 0.001 absorption units per 4h range minimum 3 absorption units Output voltage 0.5 to 0.7 V per absorption unit, depending on the photoresistor (s) used and diode (s).
Without restricting the possible applications for this, the measuring arrangement according to the invention can be used, for example, with the mentioned or other advantages, especially in colorimetry, spectrophotometry, colorimetry, absorption photometry, densimetry, etc.
Some examples of applications and the results obtained are:
Example I.
Weighed amounts of amido black were dissolved in an alkaline solution of 50% ethanol in water. The absorptions were measured first with a Beckmann DU spectrophotometer and then with an arrangement according to the invention according to FIG. 2, in which a differential voltmeter was used, so that the input was high-resistance and the output was low-resistance. The results of the measurements with the two measuring arrangements are shown in Table I, where the following applies for the measuring arrangement according to the invention: y = 0.001169 + 0.001753 x (8) where y = the absorption of the solution and x = the output signal in mV is.
Example 2
A constant light source In was arranged at various distances from the one photoresistor (FIG. 2). Table II shows the output signal in mV as a function of distance and the calculated and measured change in the logarithm of the ratio of Io / In.
The linear relationship determined using the least squares method, from which the values in the penultimate column of Table II were calculated, is:
104 y = 32.304 + 13.903 x (9)
If the light source In was brought back to a distance of 20 cm from a photoresistor and the intensity of the light source was reduced in such a way that a signal of 1113 mV was obtained again, then the light source In could again be removed to a distance of 120 cm without this being a deviation of the display characteristic given in the formula (9) so that the photometer had a measurement range ranging from 0.000 to at least 3,000 absorbance units.
Absorption units measured output signal of the measuring arrangement from the output signal x with the difference between the measurement according to the invention in mV formula (8) with the measuring arrangement y x absorption units according to the invention and with the
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
TABLE II Distance light- logarithm of the calculated output signal absorption calculated difference between source and photoresist ratio of absorption mV from the formulas calculated stand in an <RTI
ID = 3.5> intensities y x (9) and measured 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
4th
40 2 log - = 0.6020 428 0.5983 - 0.004
2 5
50 2 log - = 0.7958 570 0.7957 0.000
2
6th
60 2 log - = 0.9542 682 0.9514 - 0.003
2
7th
70 2 log - = 1.0881 781 1.0891. 0.001
2
8th
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