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Elektrische Meßvorrichtung für Zweistrahlfotometer Die Erfindung betrifft
elektrische Meßvorrichtungen für Zweistrahlfotometer mit optischem Abgleich.
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Es ist bekannt, daß Folowiderstände nichtlineare Kennlinien aufweisen
und daß ihre Funktionsweise temperaturabhängig ist. Bereits bekannte Zweistrahlfotometer
können mit Fotowiderständen betrieben werden, ohne daß die vorerwähnten Eigenschaften
der Fotowiderstände das Meßergebnis beeinflussen, wenn dabei der Abgleich nur optisch
erfolgt und der Fotowechselstrom nur als Null-Indikator dient. Bei einer phasenempfindlichen
Gleichrichtung des Signals jedoch, wie sie zu einer quantitativen Auswertung notwendig
wäre, bereitet die durch die Verschiedenheit der Zeitkonstante bei hohem und niedrigem
Lichtpegel verursachte veränderte Phasenlage Schwierigkeiten, die sich auf bekannte
Art nur auf zwei Wegen beseitigen lassen. Einmal kann man den Vergleichsstrahl konstant
halten und den Meßstrahl meßbar auf die Ansprechempfindlichkeit, z. B. 1 1°/o, schwächen.
Diese Methode hat den großen Nachteil, daß alle Messungen bei kleinstem Pegel durchgeführt
werden, worunter natürlich die Meßgenauigkeit leidet. Zum anderen aber kann man
die Meßfrequenz so hoch wählen, daß auch bei der großen vorhandenen Zeitkonstante
die Phasenverschiebung bereits 900 beträgt. Damit aber ist ein Amplitudenverlust
verbunden, der sich wiederum ungünstig auf die Genauigkeit des Meßergebnisses auswirkt.
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Es ist ferner ein Gerät zum Vergleich zweier Lichtintensitäten für
pyrometrische, kolorimetische oder ähnliche Messungen mittels zweier Fotozellen,
die je einen Kippkreis steuern, bekannt. Dieses Gerät enthält eine von dem einen
Kippkreis und eine gleichartige, von dem anderen Kippkreis mit konstanter Spannung
versorgte frequenzabhängige Spannungsteilerschaltung mit gleichartigen frequenzabhängigen
Widerständen sowie Mittel zur Bildung der Differenz der an den frequenzabhängigen
Widerständen anfallenden Spannungen. Die Spannungsdifferenz wird nach Gleichrichtung
der an den frequenzabhängigen Widerständen abgegriffenen Spannungen gebildet und
dann angezeigt oder zur Steuerung elektrischer oder optischer Abstimmglieder benutzt.
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Auch gehört zum Stand der Technik eine Vorrichtung zur Herbeiführung
der Gleichheit der Intensitäten zweier unterbrochener Strahlengänge unter Einbringung
einer Blende in den einen der beiden Strahlengänge, wobei die Bewegung der Blende
durch einen Motor bewirkt wird, der durch die Spannung angetrieben wird, die von
den in Differenzschaltung liegenden Strahlungsmessern oder von einem Diffe-
rentialstrahlungsmesser
abgegeben und verstärkt wird. Dabei findet ein Gleichstrommeßmotor Verwendung, dessen
von dem Verstärker abgegebene Antriebsspannung durch einen Kommutator phasenabhängig
gleichgerichtet wurde.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, mit Fotowiderständen bestückte
Fotometer zu schaffen, obwohl nach Angabe aller Hersteller von Fotowiderständen
diese fotometrisch nicht genau arbeiten. Die Fotometer sollen bei möglichst geringem
technischem Aufwand gleiches leisten wie bekannte Fotometer.
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Damit ist es möglich, die Vorteile des Fotowiderstandes gegenüber
den anderen bekannten fotoelektrischen Empfängerarten, nämlich erheblich geringerer
Preis und Erfassen eines breiteren Spektralbereiches, auch bei Fotometern auszunutzen.
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Um diese Aufgabe realisieren zu können, wurde eine neue Meßvorrichtung
für Fotometer entwickelt.
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Wie sich bei der schaltungstechnischen Realisierung dieser Vorrichtung
zeigte, läßt sich diese mit Vorteil auch bei der Benutzung von für Fotometer herkömmlichen
fotoelektrischen Empfängern verwenden. Sie erbringt gute Meßleistungen und ist trotzdem
gegenüber bekannten Geräten in ihrem Aufbau einfach und wenig aufwendig. Ein besonderer
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß der Extinktion proportionale
Signale unmittelbar geliefert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Meßvorrichtung für
Zweistrahlfotometer mit einem fotcelektrischen Empfänger und optischem Abgleich,
bei der durch jedes der beiden Strahlenbündel abwechselnd ein Fotostrom erzeugt
und dieser anschließend
integriert wird. Die Meßvorrichtung zeichnet
sich durch folgende Funktionsschritte aus: a) Auf den einen fotoelektrischen Empfänger
trifft wechselweise das Licht vom Meß- und Vergleichsstrahlengang auf. b) Von dem
fotoelektrischen Empfänger wird nur ein Kondensator aufgeladen. c) Beim Erreichen
einer bestimmten Spannung an diesem Kondensator wird durch einen mittels einer Glimmröhre
oder einer Kippstufe erzeugten Impuls eine Flip-Flop-Schaltung angeregt, die die
Umschaltung der Strahlengänge steuert. d) In Abhängigkeit von der Zeit, in der sich
der Kondensator auf die vorbestimmte Spannung auflädt, bewegt ein Servomotor ein
im Vergleichsstrahlengang befindliches, in seiner Lichtschwächung variables Mittel
in Richtung zunehmender Lichtschwächung, nach Umschalten auf den anderen Strahlengang
in Richtung ahnehmender Lichtschwächung. e) Diejenige Stellung, in der das lichtschwächende
Mittel schließlich gegenüber einer Skala stehenbleibt, ist ein Maß für die Durchlässigkeit
der Probe im Meßstrahlengang.
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Es kann in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz, d. h. der Anzahl
der Umschaltungen der Strahlengänge je Zeiteinheit eine Spannung gebildet werden,
die als Gleichspannung zur Regelung der Empfindlichkeit des verwendeten fotoelektrischen
Empfängers durch Variation seiner Versorgungsspannung herangezogen wird, derart,
daß die Schaltfrequenz angenähert konstant bleibt. Bei Verwendung eines fotoelektrischen
Empfängers, dessen Empfindlichkeit mit Hilfe der Versorgungsspannung nicht regelbar
ist, kann eine von der Schaltfrequenz, d. h. der Anzahl der Umschaltungen der Strahlengänge
je Zeiteinheit abhängige Spannung gebildet werden, die als Gleicht spannung die
Basen von als steuerbare Blindwiderstände wirkenden Transistoren steuert, derart,
daß mit abnehmender Schaltfrequenz die Glättungszeitkonstante für die Speisespannung
des den Abgleich durchführenden Motors erhöht wird.
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Das Umschalten der beiden Strahlengänge kann, wie an sich bekannt,
mittels elektromagnetisch gesteuerter Blenden-, Verschluß- oder Spiegelanordnungen
erfolgen. Es kann aber auch jedem der Strahlengänge eine Lampe zugeordnet sein,
die in Abhängigkeit von der Umschaltung wechselweise während der Ladezeiten des
Kondensators aufleuchten.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielsweise
erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Meßvorrichtung mit besonders einfacher Schaltung,
F i g. 2 Kurven des Zeitverlaufs, F i g. 3 eine Meßvorrichtung mit automatischer
Regelung der Empfindlichkeit.
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In F i g. 1 ist eine Meßvorrichtung dargestellt, bei der zwei Lampen
Laut, La*, zur Erzeugung der beiden Strahlengänge verwendet sind. Ein Fotowiderstand
10 ist mit einem Kondensator 11 in Reihe liegend an eine Spannung von etwa 200 V
gelegt. Parallel zu diesem Kondensator liegt ein aus einer Glimmlampe 12 sowie einem
Widerstand 13 gebildeter Spannungsteiler. Über dem Widerstand 13 wird eine Spannung
abgegriffen, die über einen Koppelkondensator 14 so-
wie zwei Dioden 15, 16 den Basen
zweier Transistoren 17, 18 zugeführt wird. Diese beiden Transistoren sind zu einer
an sich bekannten Flip-Flop Schaltung zusammengeschaltet, bei der jedoch die Kollektorwiderstände
durch zwei Lampen, und La2 dargestellt sind. Jeder der Spannungsteiler, die aus
der Lampe, und den Widerständen 21, 19 bzw. der LampeLa, und den Widerständen22,20
bestehen, verbindet den Kollektor des einen Transistors mit der Basis des anderen
Transistors und sorgt, unterstützt von Kondensatoren 23, 24 sowie dem gemeinsamen
Emitterwiderstand 25, für eine Rückkopplung, so daß immer eine der beiden Lampen
ein-, die andere ausgeschaltet ist. Zwischen die Kollektoren der beiden Transistoren
ist über einen Vorwiderstand 26 ein Gleichstrommotor 28 geschaltet, dem ein Kondensator
27 parallel geschaltet ist. Dieser Motor hat die Aufgabe, einen Graukeil 29 entsprechend
dem Absorptionswert des gemessenen Objekts 30 zu verschieben.
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Die Funktion dieser Meßvorrichtung ist derart, daß sich der mit dem
Fotowiderstand 10 in Reihe liegende Kondensator 11 auflädt und bei einer bestimmten
Ladung die Glimmlampe 12 zum Zünden bringt. Dabei wird ein Signal an die mit den
beiden Transistoren 17, 18 gebildete Kippschaltung gegeben, die aus ihrem Zustand,
z. B. Stromdurchgang für Lampe Lade, in den anderen Zustand, d. h. Sperrung des
Stromes für Lampe, und Durchgang des Stromes zur Lampe La,, schaltet. Läuft der
Motor bei eingeschalteter Lampe, im, bei eingeschalteter Lampe, gegen den Uhrzeigersinn,
so wird er bei gleichen Schaltzeiten nur etwas vibrieren, ohne sich zu drehen.
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Im Mittel wird ihm aber bei ungleichen Schaltzeiten, also wenn der
Graukeil in seinem vor dem Fotowiderstand befindlichen Teil nicht die gleiche Lichtabsorption
zeigt wie das Objekt, eine Regelspannung zugeführt, und er verschiebt den Keil 29
so lange, bis das Gleichgewicht in den beiden Strahlengängen hergestellt ist. Eine
am Keil befindliche Markierung gestattet die Ablesung von Dämpfungswerten.
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In Fig. 2 sind drei Kurvenzüge dargestellt, von denen der obere den
zeitlichen Verlauf der Ladespannung am Kondensator 11 wiedergibt, während die beiden
unteren die Schaltzeiten der Lampen Laut, La2 darstellen. Im dargestellten Fall
wird also der Motor so laufen, daß der Graukeil weiter eingeschoben, d. h. aber
der von der Lampe La2 auf den Fotowiderstand 10 auftreffende Lichtstrahl geschwächt
wird.
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Aus dem Dargestellten ergibt sich, daß trotz der Möglichkeit, auch
bei kleinsten Lichtströmen noch einwandfrei zu messen, kein Meßverstärker benötigt
wird, was sicherlich einen Vorteil gegenüber bekannten Anordnungen darstellt. Die
einzige Flip-Flop Stufe ist mit der Steuerung der Lampen und des Motors doppelt
ausgenutzt. Voraussetzung dafür ist natürlich, daß der Stromverbrauch des Motors
klein gegen den der Lampen ist. Bei Verwendung eines stärkeren Motors muß man gegebenenfalls
beispielsweise zwei weitere Transistoren, etwa als Leistungstriggerstufe, vorsehen,
die synchron von der Flip-Flop-Stufe aus geschaltet wird. Schließlich ist noch zu
erwähnen, daß zur Spannungsversorgung der Kippstufe mit etwa 200 V eine sehr leistungsschwache
und daher kleine Spannungsquelle ausreicht.
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Bei der beschriebenen Meßvorrichtung ist die Schaltfrequenz proportional
dem Lichtpegel, weil die
Ladezeit des Kondensators 11 umgekehrt
proportional dem Fotostrom und damit dem Lichtpegel ist und weil stets konstant
auf die Zündspannung beispielsweise der Glimmlampe 12 aufgeladen wird. Sie kann
also im Verhältnis 1:100 schwanken, wenn bis zu 1°/o Absorption gemessen werden
soll. Nun kann aber einmal bei zu niedriger Schaltfrequenz der Servomotor keinen
Mittelwert mehr bilden, zum anderen ist die einwandfreie Umschaltung der beiden
Strahlengänge bei zu hohen Schaltfrequenzen nicht mehr möglich.
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In F i g. 3 ist eine Meßvorrichtung dargestellt, bei der eine automatische
Regelung diese Schwierigkeiten behebt. Diese Regelung kann grundsätzlich auf zwei
Arten erfolgen: einmal durch Regelung der Glättungszeitkonstanten des Motors (strichpunktierter
Leitungszug), zum anderen durch Regelung der Versorgungsspannung des foto elektrischen
Empfängers (gestrichelter Leitungszug). Auch hier ist wieder zur Steuerung der Lampen
La3,La4 eine (als Block 31 dargestellte) FlipFlopSchaltung verwendet, deren Ausgänge
über zwei Widerstände 32, 33 mit den Kollektoren zweier Transistoren 34, 35 direkt,
mit deren miteinander verbundenen Basen über zwei Kondensatoren 36, 37 verbunden
sind. Die Emitter dieser Transistoren sind je über einen Widerstand 38,39 an Masse
gelegt. Darüber hinaus sind zwei weitere Transistoren 40, 41 vorhanden, deren Basen
über Widerstände 42, 43 an Masse liegen und gleichzeitig mit dem Kollektor des Transistors
34 bzw. 35 verbunden sind. Die Emitter sind über einen gemeinsamen Widerstand 44
an Masse gelegt. Die Kollektoren der Transistoren 40, 41 liegen über je einen Widerstand
45, 46 an der nicht dargestellten speisenden Quelle an. Außerdem sind sie mit den
Anschlußklemmen des Motors 47 verbunden. Der Basis-Kollektor-Verbindungspunkt der
Transistoren 40 und 34 ist über einen Widerstand 48 sowie einen zu diesem parallel
liegenden Kondensator 50 ebenfalls mit der einen Anschlußklemme des Motors verbunden,
während die andere über einen Widerstand 49 mit parallelliegendem Kondensator 51
an den Basis-Kollektor-Verbindungspunkt der Transistoren 41 und 35 gelegt ist.
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Zwischen dem der Lampe La4 zugeordneten Ausgang der Flip-Flop-Schaltung
und Masse befindet sich ein Spannungsteiler, der von einem Kondenstator 55 und einem
Widerstand 56 gebildet wird.
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Dem Widerstand 56 ist ein aus Widerständen 57, 60, Kapazitäten 58,
61 sowie einem Gleichrichter 59 gebildetes Netzwerk nachgeschaltet, das eine der
Schaltfrequenz umgekehrt proportionale Gleichspannung abgibt. Diese Spannung wird
entweder (strichpunktierte Leitung) zur Beeinflussung der Motor-Zeitkonstante oder
(gestrichelte Leitung) der Speisespannung des nicht dargestellten fotoelektrischen
Empfängers herangezogen.
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Bei dieser Schaltung werden also über Spannungsteiler 32, 42 und
33, 43 mittels von der Flip-Flop-Schaltung abgegebener Rechteckspannungen die Basen
der Transistoren 40, 41 angesteuert. Damit würde der Motor 47 abwechselnd Rechts-Links-Impulse
(vgl. F i g. 2) erhalten. Durch die Reaktanz-Transistoren 34, 35 werden jedoch die
Impulse so geglättet, daß sich an den Basen der Transistoren 40, 41 nur langsam
eine Gleichspannung aufbaut. Die Pegelspannung, die die Transistoren 34, 35 und
damit ihre Ersatzkapazität über die strichpunktiert dar-
gestellte Leitung steuert,
ist der Schaltfrequenz umgekehrt proportional. Sie wird durch Integration (Bauteile
57, 58) und nachfolgende Gleichrichtung gewonnen. Die Bauteile 55, 56 dienen zur
Beseitigung der Gleichspannungskomponente; sie sind so dimensioniert, daß auch bei
kleinsten Schaltfrequenzen noch keine Differentitation stattfindet. Um bei großen
Zeitkonstanten die Stabilität des Regelkreises aufrechtzuerhalten, ist die Motorspannung
über die Widerstände 48, 49 geschwindigkeitsproportional und/oder über die Kondensatoren
50, 51 beschleunigungsproportional auf die Basen der Leistungstransistoren 40, 41
rückgeführt.
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Bei der Empfindlichkeit des Empfängers (gestrichelte Leitung) können
natürlich die Reaktanz-Transistoren 34 und 35 entfallen. Die der Frequenz umgekehrt
proportionale Spannung wird in bekannter Weise mit einer Sollspannung verglichen.
Die Differenz regelt die Speisespannung höher, wenn die Frequenz zu klein ist, und
umgekehrt. So wird eine angenähert konstante Frequenz bei beliebigem Lichtpegel
erzielt. Da aber die Frequenz nicht in die Genauigkeit der Messung eingeht, kann
die Regelgüte und damit der Aufwand klein sein.