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Verfahren zur Bestimmung des Quotienten zweier Lichtströme Bei optischen
Absorptionsmessungen wird vorzugsweise die Lichtdurchlässigkeit des zu untersuchenden
Mediums photoelektrisch ermittelt und diese in Beziehung zum ohne Medium gemessenen
Licht gesetzt.
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Hierbei werden die Messungen mit und ohne Absorber zumeist zeitlich
hintereinander durchgeführt oder aber für laufende Registnerungen Parallelmessungen
mit getrennten Strahlengängen, und Photozellen. angestellt, wobei dann der Ausschlag
des Meßstrahlenganges mittels des Vergleichsstrahlenganges kompensiert wird.
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Diese Verfahren sind aber sehr störanfällig, da Änderungen in der
Lichtdurchlässigkeit der Küvetten, Reflexionsverluste, Änderungen in der photoelektrischen
Schicht und im Verstärker in die Anzeige mit eingehen.
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Es sind weiterhin die sogenannten Zweistrahlverfahren in die Praxis
eingeführt worden, bei denen der eine Strahl durch das zu untersuchende Medium,
der andere Strahl durch ein möglichst gleichartig ausgebildetes optisches System
verläuft und der Quotient beider Lichtintensitäten mittels eines elektronischen
Potentiometerverstärkers ermittelt wird. Die Quotientenbildung wird dabei auf relativ
komplizierte Weise bewerkstelligt, w es halb derartige Apparaturen außerordentlich
aufwendig werden.
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Die vorliegende Erfindung gibt einen Weg an um diese Quotientenbildung
bei synchron mit der Netzspannung erfolgender Lichtumschaltung durch Ausnutzen der
gleichgerichteten Halbwellen dieses Wechselstroms sehr wesentlich zu vereinfachen,
wobei die Umschaltung rein elektrisch und unter Vermeidung mechanischer Kontaktvorrichtungen
durchgeführt wird.
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Es wird nun ein Verfahren zur Bestimmung des Quotienten zweier Lichtströme
vorgeschlagen die durch zeitlich hintereinander auf eine Photozelle fallende Lichtimpulse
entstehen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lichtimpulse synchron mit
dem Wechselstrom erzeugt werden und deren, an einer Photozelle entstandene Spannungsimpulse
entweder direkt oder nach gemeinsamer Verstärkung an das Gitter einer Diskriminatorröhre
geschaltet werden, der die Halbwellen desselben Wechselstromes über Gleichrichter
auf zwei verschiedenen. Wegen zugeleitet werden, wobei in beide Wege Spulen oder
Widerstände eines Quotientenmessers eingeschaltet werden, so daß der Quotientenmesser
das Verhältnis beider Ströme unabhängig von Schwankungen im Verstärker oder im optischen
Strahlengang anzeigt.
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Man kann das erfindungsgemäß vorgeschjageneVerfahren auch unter Verwendung
eines Kreuzspul- oder T-Spulinstrumentes als Quotientenmesser durchführen, dem entweder
direkt oder über Widerstands- und
Kondensatorkombinationen die beiden Stromimpulse
der Endröhre zugeführt werden, wobei die Anschaltung auf der Kathoden- oder Anodenseite
erfolgen kann.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn man so arbeitet, daß die
an dem Gitter der Endröhrel ankommenden Spannungsimpulse positiv gepolt sind und
die den Dunkelpausen entsprechenden Nullpotentiale über einen Gleichrichter festgehalten
werden, vorzugsweise in. einem solchen Potential, in dem die Arbeitskennlinie der
Endröhre die Gitterspannungsgerade schneidet.
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Ferner kann man das Verfahren der Erfindung acuh in der Weise ausführen,
daß zur Linea, risierung der Kennlinie eine Gegenkopplung von der Endröhre an den
Eingang des Verstärkers, insbesondere an den Fußpunkt des Photo, widerstandes erfolgt,
so daß die über den ganzen Verstärkerweg sich einstellenden nicht linearen Verzerrungen
unterdrückt werden.
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Man kann weiterhin auch. das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise
durchführen, daß die abtasten, den Lichtimpulse eine verschiedene spektrale Zusammensetzung
aufweisen, wobei die Lichtdurchlässigkeit der zugehörigen Filter so gewählt wird,
daß die eine Halbwelle durch das zu untersuchende Medium stark absorbiert wirt wohingegen.
die Vergleichshalbwelle möglichst wenig beeinflußt wird, so daß die Anzeige des
Quotientenmessers ein Maß für die gewünschte Veränderung der zu untersuchenden Größe,
z. B. Konzentration eines Stoffes oder Schichtdicke eines Absorbers od. dgl., liefert.
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Eine weitere Ausführun. gsform des Verfahrens besteht darin, daß
zum optischen Nullabgleich der Anordnung
Hilfsfilter in den Strahlengang
eingeschaltet werden, die für die beiden verwendeten Wellenlängenbereiche sehr unterschiedliche
Durclllässigkeiten aufweisen, wobei die Hilfsfilter entweder in verschiedener Dicke
oder in Keilform od. dgl. angewendet werden.
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Ferner kann es auch zweckmäßig sein, daß der elektrische Abgleich
durch Hilfswiderstände erfolgt, die die beiden Stromwege des Quotientenmessers in
verschiedenem und einstellbarem Maße beeinflussen.
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Weiterhin kann man so verfahren, daß zur Einstellung der rotierenden
Filter auf gleiche Phasenlage in bezug. auf die Endröhre der Synchronmotor drehbar
und der Transformator mit vertauschbaren Netzanschlüssen angeordnet sind.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Quotientenbildung mit einfachen
Kreuzspul- oder T-Spulinstrumen, ten hinter einem vorgeschalteten Verstärker durchzuführen,
und schließlich wird noch ein sehr einfacher Weg angegeben, die erforderlichen,
sysnchronen Lichtiinpulse zu gewinnen, wobei die beiden Lichtimpulse hintereinander
auf dem gleichen. Wege durch das zu untersuchende Medium hindurchgehen. Sie unterscheiden
sich aber in der Wellenlänge, die so ausgewählt wird, daß die eine Wellenlänge (Meßwellenlänge)
von. der Substanz stark absorbiert, die andere dagegen wesentlich schwächer beeinflußt
wird. Diese beiden Lichtimpulse, die durch Filterumschaltvorrichtungen. synchron
mit der Netzfrequenz erzeugt werden, fallen dann nach Durchgang durch das zu untersuchende
Medium hintereinander auf ein und dieselbe Photozelle. Nach entsprechender Verstärkung,
wiederum durch nur einen, Verstärker, gelangen sie dann an das Gitter einer Diskriminatorröhre,
deren Anodenstrom während der zwei Halbwellen des Wechselstroms auf zwei verschiedene
Stromkreise verteilt wird. In diese verschiedenen Wege werden dann die beiden Spulen
eines Quotientenmessers oder die Widerstände eines elektronischen Potentiometer-Recorders
eingeschaItet, deren Anzeige dann automatisch den: Quotienten der Lichtströme ergibt.
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Da die zu untersuchende Substanz im wesentlichen nur die Meß wellenlängen
impulse beeinflußt, so wird die Vergleichswellenlänge gar nicht oder nur kaum in
ihrer Größe verändert. Auf der anderen Seite gehen apparative Störungen, z. B. Verschmutzung
der Küvettenfenster, im wesentlichen gleichmäßig in die Stärke beider Lichtimpulse
ein. Auch zeitliche Änderungen der Empfindlichkeit der lichtelektrischen Schicht
oder des Verstärkers fallen heraus, da auch hier beide Stromwege im gleichen Maße
beeinflußt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird an Hand der Abbildungen beispiels.
weise erläutert. In Abb.. 1 bedeutet a die Lichtquelle, b das zu untersuchende Medium,
c eine Scheibe mit zwei Filtern, die von dem Synchronmotor e mit Netzfrequenz angetrieben.
wird.
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Die Lichtimpulse werden von der Photozelle f in Stromimpulse umgewandelt,
diese durch den Verstärkerv in gewünschtem Maße weiterve:rstärkt und über einen
Kondensator ii an das Gitter der Diskriminatorröhre 1 angelegt. Die Anodenspannung
dieser Röhre wird. von einem mit Mittelanzapfung versehenen Transformator ni über
Gleichrichter dergestalt geliefert, daß in beiden Halbwellen die Ströme auf den
Wegen I und II durch die beiden Spulen eines Quotientenmessers, z. B. des Kreuzspulinstrumentes
g fließen. Die Ströme beider Halbwellen werden. nach Maßgabe der Lichtintensitäten
beeinflußt, so daß letztlich das Kreuzspulinstrument als Quotientenmesser das Verhältnis
beider Lichtimpulse angibt.
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Die am Gitter der Endröhre liegenden. Stromimpulse sind so gewählt,
daß sie von einem negativen Wert während der Dunkelpausen, in denen der Steg der
Filterscheibe den Lichtweg abdeckt, auf positive Beträge springen, so daß die Anodenimpulse
in I und II im wesentlich. proportional den Helligkeiten an der Photozelle sind.
Die Konstanthaltung des Minimalpotentials am Gitter ges ciii eht erfindungsgemäß
durch eine Gitterbatterie od. dgl., die die Minimalspannung über einen Gleichrichter
festhält, dagegen das Anlegen beliebig hiergegen positiver Impulse erlaubt.
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Die Lage des Gitternullpotentials wird zweckmäßig so gewählt, daß
es in der Verlängerung der Arbeitskenne linie auf die Gitterspannungsabszisse im
UG/IA-Diagramm liegt.
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Es ist leicht möglich, durch Einführung von: Gegenkopplungen in den
einzelnen Stufen eine Linearisie rung der Arbeitskennlinie zu erreichen. InsbesonderS
ist es zweckmäßig, von der letzten Stufe eine Legen kopplung über den gesamten.
elektrischen Verstärker in den Eingangskrelis, d. h. an den Fußpunkt des Photozellenwiderstandes,
zu legen. Zu diesem Zweck wird z. B. an der Endröhre ein Potentiometer k eiw geschaltet,
von dem ein entsprechender Betrag für die Gegenkopplung abgegriffen werden kann.
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Es ist möglich, die vorliegende Erfindung in ver schiedener Weise
zu modifizieren. So kann z. B. statt der Impulse verschiedenerWellenlänge auf einem
Weg das Licht über Umlenk- oder Lichtteilerspiegel er führt und in. den. Lichtweg
rotierende Blenden oder Spiegel eingeführt werden, die die beiden messenden verschiedenen
Lichtwege abwechselnd synchron umschalten. Ebenso ist es möglich, als Quotientenmesser
ein T-Spulgerät oder einen elektronischen Potentiometer-Recorder zu verwenden, auch
können die Anzeigeinstrumente statt im Anoden- auch im Kathodenkreis angeschlossen
werden. Das Wesentliche der Erfindung liegt darin, daß eineWechselspannung konstanter
rer quenz, z. B. der techn.ische Wechselstrom, verwendet wird, um eine.rseits die
hiermit synchronen Lichtimpulse zu gewinnen, andererseits im Anzeigekreis die Auftrennung
auf zwei Stromwege zu bewirken, wobei ohne Verwendung von Zerhackern oder anderen
umständlichen und zu Störungen Anlaß gebenden mechanischen. Schaltwerken eine direkte
Quotienten messung möglich ist.
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Der zeitliche Verlauf der Licht und Anodenstromhalbwellen relativ
zum Netzwechselstrom ist in Abb. 2 gesondert dargestellt. Die oberste Kurve gibt
die Sinusspannung des Netzstromes wieder, wobei in Haibwelle 1 der eine, in Halbwelle
II der zweite Lichtimpuls auf die Photozelle gelangt. Darunter sind die Anodenspannungen
an der Diskriminatorröhre gezeichnet, die auf den Wegen I und II and die Anode gelangen.
Durch die Beeinflussung des Gitters über Photozelle und Verstärker kommt man schließlich
zu den Anodenströmen und II, deren Quotient durch den Quotientenmesser angezeigt
wird.
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Es ist wesentlich, daß die Lichtimpulse die richtige Phasenlage bezüglich
der Wechselspannung aufweisen. Erfindungsgemäß läßt sich eine solche ber sonders
leicht einstellen, wenn man den das Filter antreibenden Synchronmotor e drehbar,
z. B. in einet mit Stellschraube versehenen Ring, lagert.
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Eine besonders gute Anzeige erhält man, wenig be reits die beiden
Lichtimpulse ungefähr die gleiche Größe aufweisen. Für den Fall des in Abb. 1 gezeigten
Beispiels mit heterochromem Licht ist eine änderung der Lichtimpulse relativ zueinander
erfidnungegemäß in einfacher Weise durch Einschalten von Filter in
deren
gemeinsamen. optischen Strahlengang, z. B. zwischen b und c, möglich, die beide
Wellenlängen in verschiedener Weise absorbieren. Durch mehr oder weniger dicke Filter
oder durch Herstellung keilförmiger Filter aus solchen Absorbern läßt sich leicht
die relative Intensität der Lichtimpulse auf an nähernde Gleichheit einstellen.
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Eine elektrische Abstimmung ist in der vorliegenden Schaltung ebenso
bequem darzustellen. Zu diesem Zweck werden parallel zu den einzelnen Spulen. des
Quotienten. messers Widerstände gelegt, mit deren Hilfe die durch die Instrumentenspulen
fließenden Stromanteile variiert und damit eine Grob- oder Feinabstimmung durchgeführt
werden, kann. Auch bei elektronischen, Quotientenmessern ist eine analoge elektrische
Feinabstimmung in entsprechender Weise möglich. Schließlich kann durch Beruhigungskondensatoren
parallel zum Anzeigeinstrument und entsprechende Vorschaltwiderstände dafür gesorgt
werden, daß die zur Anzeige kommenden Ströme bereits einen entsprechenden Mittelwert
der zugehörigen Impulse darstellen. Daß mit der beschriebenen Schaltung eine' außerordentlich.
gute Nullpunktskonstanz erreicht werden kann, sei an Hand eines Registrierstreifens
der Abb. 3 demonstriert, der mit einer PbS-Zelle aufgenommen wurde. Trotz der bekanntlich
außero, rdentlich großen Veränderlichkeit solcher Zellen ist der Quotient auf besser
als 1°/oo konstant, so daß Abweichungen der Durchlässigkeit in der Größe von 1 %
unabhängig von Störungen in der Küvette und im Verstärker bereiits erhebliche und
gut meßbare Ausschläge ergeben.