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Zweistrahlverfahren zur fotometrischen Messung und Anordnungen zur
Durchführung dieses Verfahrens Es ist bekannt, bei fotometrischen Messungen ein
sogenanntes Zweistrahlverfahren anzuwenden, bei dem der Lichtstrahl einer Quelle
in zwei Teile aufgespalten wird, von denen der eine den das zu untersuchende Medium
enthaltenden Meßstrahlengang, der andere den Vergleichsstrahlengang darstellt. Die
einfachste Art, die Intensitäten dieser beiden Strahlengänge zu messen bzw. auszuwerten
ist die, jeden Strahl auf einen besonderen Empfänger, z. B. je eine Fotozelle oder
je einen Fotomultiplier, auftreffen zu lassen und so simultan zu messen. Diese Methode
hat den großen Vorteil, daß die Messung trägheitslos erfolgt. Bei sinngemäßer Auswertung
kann dann auch die Auswertung trägheitslos erfolgen, so daß einerseits sowohl schnelle
Änderungen des Meßobjektes erfaßt als auch andererseits ebenso schnelle Schwankungen
der Lichtquelle, die ja in beiden Strahlengängen gemeinsam auftreten, eliminiert
werden. Außerdem ist die mechanisch-optische Anordnung relativ einfach, da Mittel
zu einer Vereinigung der Strahlen nicht benötigt werden, wie dies von nach dem Zweistrahlverfahren
arbeitenden, mit nur einem Empfänger ausgerüsteten Geräten bekannt ist.
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Die obengenannte Simultanmessung hat aber auch einen Nachteil. Beim
Durchlaufen des Spektrums werden die Empfindlichkeiten der beiden Empfänger stets
etwas voneinander abweichen. Wenn also z. B. bei 400 nm Wellenlänge die Messung
richtige Werte ergab, so kann sie bei 500 nm schon falsch sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren sowie
Anordnungen zu seiner Durchführung zu schaffen, bei denen unter Beibehaltung der
Vorteile der Simultanmessung der oben aufgezeigte Nachteil vermieden ist.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Messung der
Durchlässigkeit bzw. Extinktion von Medien mittels eines Zweistrahlfotometers, das
sich gegenüber Bekanntem dadurch auszeichnet, daß das Licht einer Quelle nach gleichzeitigem
Durchlaufen des Meß- und des Vergleichsstrahlenganges zwei gleichzeitig betriebenen
fotoelektrischen Empfängern zugeführt wird, von denen sich jeweils der eine im Meß-,
der andere im Vergleichsstrahlengang des Gerätes befindet, daß aus den an den den
beiden fotoelektrischen Empfängern zugeordneten Arbeitswiderständen anstehenden
Spannungen in bekannter Weise eine Durchlässigkeit Dg oder eine Extinktion E1 gebildet
wird, daß anschließend die Lage der beiden Empfänger sowohl innerhalb der elektrischen
Schaltung als auch in den beiden Strahlengängen vertauscht wird, daß dann aus der
Abweichung
der nun gebildeten Durchlässigkeit D oder der Extinktion E2 vom ersten Wert (D1
bzw. E) entweder der richtige Wert D bzw. E durch Mittelung gewonnen oder ein elektrisches
Signal abgeleitet wird, welches die Empfindlichkeit beider Empfänger nachregelt.
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Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung
so aufgebaut, daß die beiden verwendeten fotoelektrischen Empfänger durch ein Vorschaltpotentiometer
miteinander verbunden sind, dessen Schleifer an der Minusklemme einer Spannungsquelle
anliegt. Durch ein Verstellen dieses Schleifers läßt sich die Neigung der Empfänger
- Kennlinien -Versorgungsspannung 1 Fotostrom variieren. Die neue Anordnung ist
weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger, wie an sich bekannt, je mit
einem Arbeitswiderstand in Reihe liegen, daß die Verbindungspunkte zwischen den
Empfängern und den Arbeitswiderständen miteinander mindestens durch ein Shunt-Potentiometer
verbunden sind, dessen Schleifer am Pluspotential liegt. Durch ein Verstellen dieses
Schleifers lassen sich die Kennlinien der fotoelektrischen Empfänger parallel zu
sich selbst verschieben. Ein weiteres Merkmal der neuen Anordnung ist es, daß der
Schleifer des Vorschalt- und/oder des Shunt-Potentiometers mittels eines Motors
verstellbar ist, der von einem Differenzverstärker gespeist wird, daß die Eingangsklemmen
dieses Differenzverstärkers einmal mit dem Verbindungspunkt des einen fotoelektrischen
Empfängers und des ihm zugeordneten Arbeftswiderstandes, zum anderen mit dem Schleifer
des als Meßpotentiometer ausgebildeten, dem anderen foto elektrischen Empfänger
zugeordneten Arbeitswiderstandes verbunden sind, daß ein weiterer
ebenfalls
vom Differenzverstärker gespeister Motor zur Verstellung dieses Schleifers vorgesehen
ist, wobei die beiden genannten Motore wechselweise oder gemeinsam anschaltbar sind,
und daß ferner Schaltmittel zur elektrischen und gleichzeitigen optischen Kommutierung
der fotoelektrischen Empfänger vorhanden sind.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die verwendeten optischen
Mittel zur Kommutierung wesentlich einfacher und leichter herstellbar sind als ein
mechanischer Chopper oder ein Strahlenvereiniger. Sie tragen auch nicht zur Bildung
des Meßwertes bei, sondern haben nur Korrekturfunktionen.
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Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweise an Hand von Zeichnungen
erläutert. Es zeigt F i g. 1 die graphische Darstellung einer mit zwei kommutierbaren
fotoelektrischen Empfängern gemessenen Durchlässigkeit, F i g. 2 eine Anordnung
zur Durchführung des neuen Verfahrens, Fig.3 graphisch die Wirkungsweise der beiden
verwendeten Motoren.
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Fig. 1 zeigt die graphische Darstellung der mit zwei gleichartigen
fotoelektrischen Empfängern gemessenen Durchlässigkeit eines Mediums. Da bekanntlich
fotoelektrische Empfänger bei ihrer Herstellung in ihrer spektralen Empfindlichkeit
niemals exakt gleich gemacht werden können, ergeben sich bei simultaner Messung
der Durchlässigkeit eines Mediums zwei verschiedene Kurvenzüge Dt und D2, wenn man
die Empfänger austauscht. Der wahre Durchlässigkeitswert D liegt dann als Mittelwert
zwischen diesen beiden Kurven, wobei die in der Zeichnung angegebenen Formeln Gültigkeit
haben.
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In diesen Formeln bedeutet: D = Durchlässigkeit, or=der Faktor, um
den die Empfindlichkeiten der beiden verwendeten fotoelektrischen Empfänger differieren,
10 = Grundintensität, I=Meßintensität, E = Extinktion.
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In Fig. 2 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt.
Es sind zwei fotoelektrische Empfänger in Form von Multipliern 1, 2 verwendet, deren
Spannungsteilerketten 3, 4 mit einem Vorschaltpotentiometer 5 verbunden sind. Der
Schleifer dieses Potentiometers, das zur Grundjustierung der beiden Multiplier,
d. h. zur Angleichung der Neigung ihrer Kennlinien la=f (Ua) dient, ist an die Minusklemme
einer Spannungsquelle 6 gelegt. Die Anoden der beiden Multiplier sind mittels einer
Reihenschaltung aus zwei Festwiderständen 7, 8 sowie eines Shunt-Potentiometers
9 miteinander verbunden. Der Schleifer dieses Potentiometers ist mittels eines Motors
10 steuerbar, dessen Speisung und Funktionsweise weiter unten beschrieben sind.
Selbstverständlich können statt des Schleifers des Shunt-Potentiometers 9 auch der
Schleifer des Vorschaltpotentiometers 5 oder die Schleifer beider Potentiometer
gemeinsam durch den Motor 10 verstellbar sein. Die Anoden der Multiplier sind außerdem
an Arme eines sowohl die elektrische als auch die optische Kommutierung der fotoelektrischen
Empfänger bewirkenden Mehrpolschalters 11 gelegt, dessen Kontakte 11 a und 11f mit
einem Arbeitswiderstand 12 verbunden sind, während die Kontakte 11 b und 11 e an
einem Meßpotentiometer 13 als Arbeitswiderstand anliegen. Außerdem ist der Kontakt
11 a mit dem einen Eingang eines
Differenzverstärkers 14 verbunden, während der zweite
Eingang mit dem Schleifer des Potentiometers 13 in Verbindung steht. Der Ausgang
dieses Verstärkers speist einen Motor 15, der den Schleifer des Potentiometers 13
verstellen kann. Außerdem ist der Verstärkerausgang mit einem weiteren Schaltarm
des Schalters 11 verbunden, der mit einem dem Motor 10 zugeordneten Kontakt 11 d
zusammenwirken kann. Des weiteren ist eine als Pegelregler dienende Röhre 16 vorhanden,
die mit ihrem Steuergitter an dem Kontaktlle, mit ihrer Anode an der Quelle 6 sowie
mit ihrer Kathode an den Spannungsteilerketten 3, 4 anliegt.
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Für die optische Kommutierung ist eine synchron mit dem Schalter
11 gesteuerte, elektromagnetisch betätigte Spiegelanordnung vorhanden. Diese besteht
im wesentlichen aus einem feststehenden Spiegel 20 sowie drei auf einem beweglichen,
unter dem Zug einer nicht dargestellten Feder stehenden Träger 21 montierten Spiegeln22,
23, 24. Außerdem können nicht dargestellte optische Schwächungsmittel im Vergleichsstrahlengang
angebracht sein. Die Kommutierung der beiden Empfänger kann wahlweise von Hand oder
automatisch erfolgen.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Befindet
sich der Schalter 11 in einer solchen Stellung, daß seine Schaltarme an den Kontakten
11 a und 11 e anliegen, so trifft der Meßstrahlengang auf den Multiplier 1, der
Vergleichsstrahlengang auf den Multiplier 2 auf. Der Schleifer des Potentiometers
13 wird durch den Motor 10 so lange verschoben, bis der Ausgang des Verstärkers
14 kein Signal mehr abgibt. Währenddessen bleiben die Schleifer der Potentiometer
5 und 9 in ihrer Position, da der Motor 15 abgeschaltet ist. Durch die Betätigung
des Schleifers des Potentiometers 13 wird die Durchlässigkeit D1 bzw. die Extinktion
E1 eingestellt. Wird nun der Schalter 11 in seine andere Position gebracht und werden
damit die beiden Empfänger kommutiert, so liegen zwangläufig jetzt der Empfänger
2 im Meßstrahlengang und am Potentiometer 13 an, während der Empfänger 1 im Vergleichsstrahlengang
und damit am Widerstand 12 liegt.
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In F i g. 3 ist das Zusammentreffen der beiden Motore 10, 15 dargestellt.
Wäre, wie oben dargestellt, nur der Motor 15 eingeschaltet, so bliebe die Empfindlichkeit
der Empfänger unverändert, d. h., die Anzeige würde vom Wert Dl bzw. E1 nach dem
Wert D2 bzw. E2 laufen. Wäre dagegen, wie in der Mitte der Figur dargestellt ist,
nur der Motor 10 in Funktion, so bliebe der Wert D1 bzw. Er erhalten, und der Fehlerfaktoroc
würde so weit über 1 hinaus korrigiert, daß er auf den anderen Multiplier überginge.
Da nun, wie in der Figur unten dargestellt ist, beide Motoren gleichzeitig arbeiten,
wird sowohl es näher an 1 gebracht als auch der Wert D1 bzw. E1 näher an den Wert
D bzw. E. Durch die Wiederholung des Vorganges wird der Wert D bzw. E immer besser
approximiert.
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Die Stellung des Schleifers des Potentiometers 13 gibt dann den wahren
Meßwert an. Falls erwünscht, kann an das Potentiometer 13 auch ein registrierendes
Gerät angeschlossen werden.
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Der Zweck der Röhre 16 ist folgender: Wäre diese Röhre nicht vorhanden,
so würde bei extrem hohem Lichtpegel durch ein Zusammenbrechen der Anodenspannung
die Anordnung übersteuert. Mit
dieser Röhre aber läßt sich die Versorgungsspannung
beider Empfänger so steuern, daß die Anordnung, die nach der Null-Methode arbeitet,
unabhängig vom Lichtpegel stets funktionsfähig bleibt.
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Es ist noch zu erwähnen, daß sich beisp-elsweise durch das Einbringen
eines kontinuierlich einstellbaren Graukeiles im Vergleichsstrahlengang eine Nullpunktsverlagerung
des Meßergebnisses erreichen läßt. Eine solche ist insbesondere dann erwünscht,
wenn Relativmessungen durchgeführt werden sollen, wie sie beispielsweise in der
Cytologie üblich sind.
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Wenngleich im Ausführungsbeispiel Fotomultiplier gezeigt sind, so
läßt sich eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens auch mit anderen fotoelektrischen
Empfängern, z. B. mit lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen, aufbauen. Es ist
außerdem zu erwähnen, daß das Potentiometer 13 einen logarithmischen Widerstandsgang
aufweisen muß, wenn die Extinktion gemessen werden soll, dagegen einen linearen
Widerstandsgang, wenn die Angabe der Durchlässigkeit erwünscht ist.