DE1139294B

DE1139294B - Double beam spectrometer

Info

Publication number: DE1139294B
Application number: DEG22470A
Authority: DE
Inventors: Ronald Haswell
Original assignee: Sir Howard Grubb Parsons and Co Ltd
Current assignee: Sir Howard Grubb Parsons and Co Ltd
Priority date: 1956-07-27
Filing date: 1957-07-05
Publication date: 1962-11-08

Description

Doppelstrahlspektrometer Bei Doppelstrahlspektrometern wird häufig ein Wechselstromsignal niedriger Frequenz in der Größenordnung von 10 Hz und proportional einer entsprechenden Lichtmenge erhalten. Hierbei war es bisher notwendig, diesen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, um mit diesem entsprechende Instrumente steuern zu können.Double beam spectrometer With double beam spectrometers is often a low frequency AC signal on the order of 10 Hz and proportional receive a corresponding amount of light. Up to now it was necessary to do this Convert alternating current into direct current in order to use this appropriate instruments to be able to control.

Solche Instrumente mit Nullabgleich werden Instrumenten mit Direktausschlag vorgezogen. Bei selbstabgleichenden Spektrometern wird von einer geeigneten Strahlungsquelle mehrmals in der Sekunde eine Strahlung abwechselnd auf zwei Strahlungswege geschickt, von denen der eine die zu prüfende Probe und der andere eine Vergleichssubstanz enthält, bevor die Strahlenbündel in den Eintrittsschlitz eines Monochromators einfallen. Such zero-calibrated instruments become direct deflection instruments preferred. In the case of self-aligning spectrometers, a suitable radiation source is used several times a second a radiation is sent alternately on two radiation paths, one of which is the sample to be tested and the other is a reference substance contains before the bundles of rays fall into the entrance slit of a monochromator.

Im Monochromator werden bestimmte Wellenlängen jeden Strahlenbündels ausgewählt und so beeinflußt, daß sie abwechselnd auf einen Detektor fallen. Dabei erzeugt eine Energiedifferenz zwischen den beiden Strahlen im Detektor ein Wechselstromsignal niederer Frequenz, das gleichgerichtet und dann in Wechselstrom einer gängigen Frequenz, z. B. In the monochromator there are certain wavelengths of each beam selected and influenced so that they fall alternately on a detector. Included an energy difference between the two beams in the detector creates an alternating current signal low frequency, which is rectified and then converted into alternating current of a common frequency, z. B.

Netzfrequenz, umgewandelt wird, bevor es einer Phase eines Mehrphasenmotors zugeführt wird, während die andere Phase kontinuierlich dem Netz entnommen wird. Der genannte Motor dient dazu, eine Intensitätsblende in dem die Vergleichssubstanz enthaltenden Strahlenbündel zu betätigen, bis die Energie in beiden Strahlenbündeln ausgeglichen ist, worauf der Detektor kein Wechseistromsignal mehr abgibt und die Blende zum Stillstand kommt, wobei deren endgültige Stellung ein Maß für die Energiedifferenz zwischen den beiden Strahlenbündeln ist.Mains frequency, is converted before it becomes a phase of a polyphase motor is supplied, while the other phase is continuously withdrawn from the network. The mentioned motor is used to set an intensity aperture in which the comparison substance to operate the bundle of rays until the energy in both bundles of rays is balanced, whereupon the detector no longer emits an AC signal and the Aperture comes to a standstill, the final position of which is a measure of the energy difference is between the two beams.

Diesem Verfahren haftet der Nachteil an, daß das gleichgerichtete Signal vor der weiteren Verwendung geglättet werden muß, wodurch eine unerwünschte Zeitverschiebung entsteht, die unter Umständen zu Unstabilitäten führen kann. This method has the disadvantage that the rectified Signal must be smoothed before further use, thus creating an undesirable Time difference arises, which can lead to instabilities under certain circumstances.

Es wurde daher angestrebt, das Wechselstromsignal direkt, d. h. ohne vorherige Gleichrichtung, zur Steuerung der Instrumente bzw. eines Servosystems heranzuziehen, was aber auf große Schwierigkeiten stieß, da Instrumente oder Servosysteme für sehr niedrige Frequenzen nur schwer herstellbar und sehr teuer sind, während die billigen Instrumente und Servosysteme, die zur Steuerung mit Netzfrequenz ausgelegt sind, mit den erwähnten niedrigen Frequenzen nicht gesteuert werden können. It has therefore been sought to use the AC signal directly, i.e. H. without previous rectification, to control the instruments or a servo system to use, which, however, met with great difficulties, since instruments or servo systems are difficult to manufacture and very expensive for very low frequencies, while the cheap instruments and servo systems designed for power frequency control cannot be controlled with the mentioned low frequencies.

Die Erfindung überwindet die vorgenannten Schwierigkeiten, indem sie es ermöglicht, die niedrige Frequenz des vom Detektor erzeugten Wechsel- stromsignals ohne Gleichrichtung in eine höhere, der Netzfrequenz entsprechende Frequenz umzuwandeln. The invention overcomes the aforementioned difficulties by it makes it possible to reduce the low frequency of the alternating current signal to convert it into a higher frequency that corresponds to the mains frequency without rectification.

Die Erfindung betrifft daher ein Doppelstrahlspektrometer, bei welchem ein einer entsprechenden Lichtmenge proportionales Signal einer niedrigen Frequenz J1 durch Unterbrechen eines oder mehrerer Lichtbündel mit Hilfe eines die Frequenz ft liefernden Zerhackers entsteht. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß von einem Generator eine Frequenz f2 erzeugt wird, welche in Anwendung von in der Nachrichtentechnik an sich bekannten Maßnahmen mit der Frequenzft des Signals moduliert wird, und zwar derart, daß die vom Generator erzeugte Frequenz J2 zur Frequenz f1 des Signals in der Beziehung fi + f2 steht, wobei die Größer auch den Wert der Netzfrequenz annimmt, und daß ein Filterkreis vorgesehen ist, um aus dem modulierten, resultierenden Frequenzgemisch ein Signal mit der Netzfrequenz (F) auszusieben, das zur Steuerung von Meß- und/ oder Aufzeichnungsgeräten für das Signal verwendbar ist. The invention therefore relates to a double beam spectrometer in which a low frequency signal proportional to a corresponding amount of light J1 by interrupting one or more light beams with the help of the frequency ft supplying chopper is created. It is characterized by the fact that one Generator a frequency f2 is generated, which is used in communications engineering known measures is modulated with the frequency of the signal, namely such that the frequency generated by the generator J2 to the frequency f1 of the signal in the relation fi + f2, where the larger also assumes the value of the network frequency, and that a filter circuit is provided in order to filter out the modulated, resulting frequency mixture to filter out a signal with the mains frequency (F), which is used to control measuring and / or recording devices for the signal can be used.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht in einem Gerät entsprechend dem vorstehenden Absatz, das ein Servosystem einschließt, bei welchem ein Mehrphaseninduktionsmotor vorgesehen ist, dessen Hauptphase kontinuierlich vom Hauptnetz gespeist wird, während seine Steuerphase von dem modulierten Wechselstrom gespeist wird, wobei ferner der die Modulationsfrequenz erzeugende Generator so ausgelegt ist, daß die modulierte Phase im Verhältnis zur Hauptphase um 900 verschoben ist. An advantageous embodiment consists in a device accordingly the preceding paragraph, which includes a servo system in which a polyphase induction motor is provided, the main phase is continuously fed from the main network while its control phase is fed by the modulated alternating current, furthermore the the generator generating the modulation frequency is designed in such a way is, that the modulated phase is shifted by 900 in relation to the main phase.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt und unter Bezugnahme auf diese näher beschrieben. Es bedeutet Fig. 1 eine Doppelstrahlspektrometeranordnung mit Nullabgleichprinzip und einem die Frequenz erhöhenden- Stromkreis nach der Erfindung, Fig. 2 das Schaltbild des frequenzerhöhenden Stromkreises im einzelnen. The invention is shown in the drawing by way of example and schematically shown and described in more detail with reference to this. It means Fig. 1 a double beam spectrometer arrangement with a zero balance principle and a frequency increasing circuit according to the invention, Fig. 2 is the circuit diagram of the frequency increasing Circuit in detail.

Bei der beispielsweisen Ausführung der Erfindung in dem dargestellten Beispiel und unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein selbstabgleichendes Doppelstrahlspektrometer mit einer Strahlungsquelle 1 vorgesehen, das zwei Strahlungswege oder -bündel A, B aufweist, wobei das eine Strahlenbündel A die zu prüfende Probe 2 und das andere, B, eine Vergleichssubstanz 3 enthält. Ferner ist ein Monochromator 4 zum Auswählen bestimmter Wellenlängen aus jedem Bündel vorgesehen, wobei die Strahlung auf einen Detektor 5 fokussiert wird. Ein Servosystem 6 wird durch ein elektrisches Signal betrieben, das, vom Detektor 5 ausgehend, einen Verstärker7 und den Frequenzerhöhungsstromkreis 8 durchläuft, wobei das Servosystem eine Intensitätsblende 9 in dem die Vergleichssubstanz 3 enthaltenden Strahlenbündel B steuert. Die beiden Strahlenbündel A und B werden durch geeignete Reflektoren 10 abwechselnd auf dem Eingangsschlitz des Monochromators 4 fokussiert. In the exemplary embodiment of the invention in the illustrated By way of example and with reference to Figure 1 is a self-balancing double beam spectrometer provided with a radiation source 1, the two radiation paths or bundles A, B, wherein one beam A is the sample 2 to be tested and the other, B, a comparison substance 3 contains. There is also a monochromator 4 for selection certain wavelengths are provided from each beam, with the radiation on one Detector 5 is focused. A servo system 6 is operated by an electrical signal operated, starting from the detector 5, an amplifier 7 and the frequency increasing circuit 8 passes through, the servo system having an intensity diaphragm 9 in which the comparison substance 3 containing beam B controls. The two bundles of rays A and B become by means of suitable reflectors 10 alternately on the entrance slit of the monochromator 4 focused.

Dies kann beispielsweise durch bewegte Spiegel erfolgen, die, wie an sich bei Filmvorführgeräten bekannt, zwei unter einem bestimmten unveränderlichen Winkel zueinander geneigte Refiexionsfiächen bilden und in einer Geradführung fortgesetzt in einer auf der durch die Verbindung der beiden Vergleichsstrahlenbündel gegebenen Ebene senkrechten Ebene fortlaufend hin- und hergeführt werden. Dabei fokussiert jede dieser Refiexionsfiächen abwechselnd die Strahlung einer der beiden Strahlenbündel auf den Eingangsschlitz des Monochromators. Die die Spiegel bewegende exzentrische Welle wird mit 750 Ulmin angetrieben, so daß die auf den Eingangsschlitz des Monochromators fallenden Strahlen eine Frequenz von 12,5 Hz aufweisen (deutsches Patent 944401). This can be done, for example, by moving mirrors that, like known per se in projection machines, two under a certain immutable Form angles of inclined reflection surfaces and continue in a straight line in one given by the connection of the two comparison beams Level vertical plane are continuously moved back and forth. In doing so, focused each of these reflecting surfaces alternately emits the radiation from one of the two bundles of rays onto the entrance slit of the monochromator. The eccentric one that moves the mirrors The shaft is driven at 750 rpm, so that it hits the input slot of the monochromator falling rays have a frequency of 12.5 Hz (German patent 944401).

Solange nun keine Probesubstanz 2 im Strahlengang A vorhanden ist, ist die Energie jedes Strahlenbündels A und B gleich, und der Detektor 5 erzeugt kein Signal. Sobald jedoch die Probe 2 in das Strahlenbündel A eingebracht wird, wird die Strahlungsenergie dieses Bündels herabgesetzt, und die Energiedifferenz zwischen den beiden Strahlenbündeln A und B ruft im Detektor ein Wechselstromsignal der Frequenz f1 von 12,5 Hz hervor. Dieses Signal wird, wie später beschrieben, durch den Frequenzerhöhungsstromkreis 8 moduliert und benutzt, das Servosystem 6 anzutreiben, das eine Intensitätsblende9 im Vergleichsstrahlenbündel B so lange bewegt, bis die Energie in beiden Strahlenbündeln A und B ausgeglichen ist und vom Detektor kein Wechselstromsignal mehr ausgeht. As long as there is no sample substance 2 in beam path A, the energy of each beam A and B is the same, and the detector 5 generates no signal. However, as soon as the sample 2 is introduced into the beam A, the radiation energy of this bundle is reduced, and the energy difference between the two beams A and B, an alternating current signal is generated in the detector the frequency f1 of 12.5 Hz. This signal is, as described later, modulated and used by the frequency increasing circuit 8, the servo system 6 to drive that an intensity diaphragm 9 in the comparison beam B for so long moves until the energy in both beams A and B is balanced and dated Detector no longer emits an AC signal.

Die Stellung der Intensitätsblende 9 ist dann ein Maß der durch die Probesubstanz absorbierten Strahlung. The position of the intensity diaphragm 9 is then a measure of the Sample substance absorbed radiation.

Da die vom Detektor ausgehende Frequenz sehr niedrig ist, ist ein Frequenzerhöhung&stromkreis 8 zur Umwandlung des Signals auf Netzfrequenz vorgesehen, der in Fig. 2 beispielsweise und schematisch dargestellt ist. Hierin ist G ein kleiner Zweipol- wechselstromgenerator mit geringem Schwungmoment, der mit der die hin- und hergehenden Spiegel antreibenden Welle so verbunden ist, daß er eine Drehzahl von 2250 Ulmin hat. Dadurch wird eineWechselspannung mit einer Frequenz f2 37,5 Hz erzeugt. Since the frequency emanating from the detector is very low, a Frequency increase & circuit 8 intended to convert the signal to mains frequency, which is shown in Fig. 2 by way of example and schematically. Here G is a small one Two-pole AC generator with low moment of inertia, which with the back and forth forward mirror driving shaft is connected so that it has a speed of 2250 Ulmin has. This generates an alternating voltage with a frequency f2 37.5 Hz.

Diese Spannung wird über einen Transformator T den Gittern von vier Modulatorröhren 11, 12, 13, 14 zugeführt, deren Anoden durch das niederfrequente Signal des Detektors 5 nach vorheriger Verstärkung gesteuert werden. This voltage is passed through a transformer T to the grids of four Modulator tubes 11, 12, 13, 14 fed, the anodes of which by the low-frequency Signal of the detector 5 can be controlled after previous amplification.

Wenn die durch den Generator G erzeugte Spannung durch E sin w2 t und die Gitterspannung durch Vg = E sin w2 t gegeben ist, dann ist der VerstärkungsfaktorA eine Funktion des niederfrequenten Signals e sin w1 t des Detektors und kann durch A = esin(w1t+ di) dargestellt werden. When the voltage generated by the generator G is sin w2 t and the grid voltage is given by Vg = E sin w2 t, then the gain is A. a function of the low-frequency signal e sin w1 t of the detector and can by A = esin (w1t + di) can be represented.

Wird nun auf geeignete Weise erreicht, daß der Winkel 0 Null wird, dann ist dieAusgangsspannung V gegeben durch y = AV =eE sin w1 t sin w2 t eE = [cos2(j1-f2)j cos 2 [(f, +f,) t]. If it is now achieved in a suitable manner that the angle 0 becomes zero, then the output voltage V is given by y = AV = eE sin w1 t sin w2 t eE = [cos2 (j1-f2) j cos 2 [(f, + f,) t].

2 Aus den Werten von J1 und f2 erkennt man, daß das resultierende Signal im angegebenen Beispiel Frequenzkomponenten von 25 und 50 Hz enthält. Durch entsprechende, an sich bekannte Siebkreise, wie sie z. B. in der Zeichnung dargestellt sind, kann die 25-Hz-Komponente unterdrückt werden und die resultierende 50-Hz-Komponente zur Steuerung des Servosystems 6 unter Umständen nach nochmaliger Verstärkung verwendet werden. 2 From the values of J1 and f2 you can see that the resulting Signal in the example given contains frequency components of 25 and 50 Hz. By corresponding, per se known sieve circles, as z. B. shown in the drawing the 25 Hz component can be suppressed and the resulting 50 Hz component used to control the servo system 6 under certain circumstances after repeated amplification will.

Während in dem angegebenen Beispiel die Frequenzen f1 und 2 mit 12,5 Hz und entsprechend mit 37,5 Hz gewählt sind, können auch andere Werte verwendet werden. Es muß nur darauf geachtet werden, daß ft und f2 so gewählt werden, daß ti + !2 gleich F, d. h. gleich der Netzfrequenz werden. Falls also die Netzfrequenz F wie im deutschen Bundesgebiet 50 Hz ist, dann muß fil 2 die Komponente 50 enthalten. While in the given example the frequencies f1 and 2 with 12.5 Hz and are chosen accordingly with 37.5 Hz, other values can also be used will. It is only necessary to ensure that ft and f2 are chosen so that ti +! 2 equals F, i.e. H. equal to the mains frequency. So if the grid frequency F as in the German federal territory is 50 Hz, then fil 2 must contain the component 50.

Beide Signale, d. h. das vom Detektor kommende Signal und das vom Wechselstromgenerator G, müssen ihren Ursprung in derselben Netzfrequenz haben, um die Phasenbeziehung des resultierenden Modulationssignals stets konstant zu halten. Both signals, i.e. H. the signal coming from the detector and that of the Alternator G, must originate from the same grid frequency, in order to always keep the phase relationship of the resulting modulation signal constant.

Im vorstehend beschriebenen Spektrometer wird die Phase des Signals des Wechselstromgenerators in fester Beziehung zu dem des vom Detektor kommenden Signals gehalten, wobei eine entsprechende Phasendifferenz dadurch erhalten werden kann, daß der Läufer des Generators im bestimmten Verhältnis zur Antriebswelle umläuft. In the spectrometer described above, the phase of the signal of the alternator in fixed relation to that coming from the detector Signal held, a corresponding phase difference being thereby obtained can that the rotor of the generator rotates in a certain ratio to the drive shaft.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Servosystems ist der die Intensitätsblende im Vergleichsstrahlenbündel betätigende Motor ein Mehrphaseninduktionsmotor, dessen Hauptphase kontinuierlich aus dem Netz gespeist wird, während die Steuerphase durch das modulierte Signal (mit 50 Hz) gesteuert wird, die dem Frequenzerhöhungsstromkreis entnommen ist. Der Wechselstromgenerator ist so eingestellt, daß das modulierte Signal eine Phasenverschiebung von 900 in bezug auf die Hauptphase aufweist. In a preferred embodiment of the servo system, this is the The motor operating the intensity diaphragm in the comparison beam is a multiphase induction motor, whose main phase is continuously fed from the grid, during the control phase controlled by the modulated signal (at 50 Hz), which is the frequency boosting circuit is taken. The alternator is set so that the modulated Signal a phase shift of 900 in relation to the main phase having.

Außerdem können selbstverständlich an Stelle der in dem Beispiel genannten Elektronenröhren Transistoren Verwendung finden. In addition, instead of the example Electron tubes called transistors are used.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Double beam spectrometer, in which a one corresponding amount of light corresponding low frequency signal Jj that by interrupting one or more light beams with the help of one of one with The motor driven by the mains frequency (F), which supplies the frequency fi Chopper arises, characterized in that a generator generates a frequency f2 is generated, which is known per se in the application of communications engineering Measures is modulated with the frequency fi of the signal, in such a way that the frequency generated by the generator, to the frequency, of the signal in the relationship fil f2 = F, where the variable F also assumes the value of the mains frequency, and that a filter circuit is provided in order from the modulated, resulting frequency mixture to filter out a signal with the network frequency (F), which is used to control measuring and / or Recording devices for the signal is usable.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the resulting Signal with the mains frequency (F) is fed to a servo system that has an intensity diaphragm in the beam of rays of the device for measuring the radiation absorption containing the comparison means controls.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the servo system has a multiphase induction motor, the main phase of which is continuously out of the Mains is powered, during the control phase by the signal from which the frequency increasing circuit is excited with a frequency (F) equal to the mains frequency, the arrangement being such that the aforementioned signal is phase shifted of 900 regarding the main phase has.

4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that for J2 a two-pole alternator (G) with a low moment of inertia is provided, for example via a gearbox with the drive shaft of a reciprocating Mirror system (10) is connected, the voltage generated by the generator Via a transformer (T) the grids of several modulator tubes (11, 12, 13 and 14), whose anodes are affected by the low frequency emitted by the detector Signal (4) can be controlled after previous amplification.

5. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that the generator by its own motor from the same together with the motor that drives the mirrors Mains powered motor is driven.

References considered: U.S. Patent No. 2775 690; French Patent No. 1,132,094; British Patent Specification No. 742320, 731 943, 719745, 688648; ATM Lief. 204, No. Z 634-10, January 1953, pp. 19-22; Vi lb i g, Textbook of High Frequency Technology, Vol. 2, Leipzig, 1942, pp. 243, 245, 283, 287; Joos, textbook of theoretical physics, Leipzig, 1945, pp. 40 to 48, 286, 287; Feingerätetechnik, 4 (1955), pp. 111 to 117; Leitz publication, Opt. Physics list. Measurement no.

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