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Registrierende Meßanordnung, die nach einer Nulimethode mit selbsttätigem
Abgleich arbeitet Die Erfindung bezieht sich auf eine registrierende Meßanordnung,
die nach einer Nullmethode mit selbsttätigem Abgleich arbeitet. Ein Beispiel einer
solchen Meßanordnung ist ein Spektrophotometer üblicher Art: Ein Meß- und ein Vergleichsstrahlenbündel
werden abwechselnd auf einen Monochromator und dann auf einen Strahlungsempfänger
geleitet. Das Meßstrahlenbündel durchsetzt dabei eine Probe und wird je nach der
Art der Probe mehr oder weniger durch Absorption geschwächt. Es wird nun bei der
Kompensations-Meßanordnung nicht die Ausgangsspannung des Strahlungsempfängers als
Meßwert benutzt, sondern von dieser Ausgangsspannung (Fehlersignal) wird ein Stellmotor
gesteuert, welcher eine im Strahlengang des Vergleichsstrahlenbündels augeordnete
Blende (Abgleichsglied) verstellt, bis die Intensitäten von Meß- und Vergleichsstrahlenbündel
gleich sind. Der Stellweg der Blende ist dabei ein Maß für die Absorption, der das
Meßstrahlenbündel in der Probe unterworfen ist. Andere Beispiele für Kompensationsmessungen
dieser Art sind die verschiedenen Meßanordnungen mit selbsttätigem Brükkenabgleich.
Im folgenden ist die Erfindung der Anschaulichkeit halber an Hand eines Spektrophotometer
beschrieben.
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Sie ist jedoch bei allen anderen Meßanordnungen, die nach einer Nullmethode
mit selbsttätigem Abgleich arbeiten, in entsprechender Weise anwendbar.
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Bei bekannten Spektrometern wird ein Spektrum kontinuierlich abgetastet
und dabei die Absorption oder die Durchlässigkeit der Probe in Abhängigkeit von
der Wellenlänge mittels einer Registriervorrichtung selbsttätig aufgezeichnet. Dazu
wird die Stellung eines Abgleichsgliedes, nämlich der Blende, durch einen elektrischen
Meßwert abgebildet und dieser einem Schreiber zugeführt. Das geschieht in der Weise,
daß der elektrische Meßwert von einem Spannungsteiler (Geberspannungsteiler) abgenommen
wird, dessen Abgriff mit dem Abgleichsglied gekoppelt ist, und ihm eine Spannung
entgegengeschaltet ist, die an einem zweiten Spannungsteiler (EmpfängerspaF nungsteiler)
abgegriffen wird, und daß der Abgriff des zweiten Spannungsteilers zusammen mit
einem Schreib gEied durch einen Motor verstellbar ist, der von der Differenz der
am Qeberspannungsteiler und am Empfängerspannungsteiler abgegriffenen Spannungen
gesteuert wird.
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Man wünscht häufig, einen Teil eines aufgezeich netten Diagramms,
bei dem der Meßwert nur geringen änderungen unterworfen ist, z. 3. schwache Absxrpt£nshanden
)>genauer«, d. h. mit größerer Empfindlichkeit zu untersuchen. Es ist natürlich
bei Meß-
instrumenten allgemein bekannt, die Empfindlichkeit umschaltbar zu machen
und so wahlweise mit verschiedenen Meßbereichen zu arbeiten. So kann man bei einem
Voltmeter durch Umschakung von Vorschaltwiderständen wahlweise mit 0,1; 1; 10 oder
100 Volt Skalenendwert arbeiter Es ist auch bekannt, einen Meßwertverlauf gleichzeitig
mit zwei Schreibers mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten und gege benenfalls
mit unterschiedlichen Schreibstreifenvrschub aufzuzeichnen, um einen Tal des Meßwertverlaufes
gewissermaßen »unter der Lupe« zu betrachten.
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Der Erhöhung der Empfindlichkeit ist jedoch eine Grenze durch den
Rauschpegel gesetzt. Nutzsignal ist ein Rauschen überlagert, d. h. ein statistischer
Signalverlauf mit relativ hoher Frequenz, dessen Amplitude in die Größenordnung
des Nutzsignals gelangen kann. Wollte man zu einer genaueren Untersuchung von relativ
geringen Meßwertänderungen einfach nur die Empfindlichkeit des Schreibers erhöhen,
so würde dies in vielen Fällen gar nichts bringen. Mit der gleichen erXten EmpfincUu:hkeit,
mit welcher die Meßwertänderungen aufgezeichnet werden, würde auch der Rauschpegel
aufgezeichnet. Die erhöhte Epfiudlichkeit wurde dadurch gar nicht ausgenutzt werden
können, weil die Meßwertänderungen teilweise im Rauschpegel untergehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer nach einer Nuihnethode
arbeitenden Anordnung der erwähnten Art die Ordinaten der aufgezeichneten
Diagramme,
z. B. je nach der Absorption der gerade untersuchten Probe, mehr oder weniger zu
drehen, um die Meßgenauigkeit, die durch eine Nullmethode ermöglicht wird, voll
ausnutzen zu können, ohne daß dies durch den Rauschpegel verhindert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination folgender
an sich bekannter Merkmale gelöst: (a) Das Verhältnis der von dem Abgleichsglied
zum Nullabgleich ausgeführten Wege zum Weg des Schreibgliedes des Schreibers ist
zwecks Erhöhung der Empfindlichkeit veränderbar; (b) das Verhältnis der Nachstellgeschwindigkeit
des Abgleichsgliedes zu dem den Abgleich veranlassenden Fehlersignal ist bei Erhöhung
der Schreibempfindlichkeit zwecks Verminderung des Rauschpegels verringerbar.
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Wenn die Empfindlichkeit des Abgleichs, d. h. das Verhältnis von
Nachstellgeschwindigkeit zu Fehlersignal verringert wird, dann vermag das Abgleichsglied
den schnell wechselnden, relativ hochfrequenten Signalen des Rauschpegels nicht
mehr zu folgen.
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Wohl aber kann es den langsameren Nutzsignalen folgen. Der Rauschpegel
wird daher durch die Trägheit des Abgleichs weitgehend herausgemittelt, und es ergibt
sich ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis.
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Es genügt aber nicht, generell mit einer geringen Nachstellgeschwindigkeit
zu arbeiten. Dann wäre nämlich das Abgleichsglied nicht in der Lage, großen Meßwertänderungen
zu folgen, und infolgedessen würde bei relativ großen Meßwertänderungen die Aufzeichnung
des Meßwertverlaufes verzerrt. Wenn die Meßwertänderungen groß sind, stört aber
das Rauschen, dessen Amplitude im wesentlichen konstant ist, nicht, weil letzter
klein gegen die Meßwertänderungen ist, und wenn der Meßwertverlauf mit geringerer
Empfindlichkeit des Schreibers aufgezeichnet wird, dann tritt das Rauschen bei der
Aufzeichnung kaum in Erscheinung.
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Dadurch, daß einerseits die Empfindlichkeit des Schreibers und andererseits
die Empfindlichkeit des Nullabgleichs veränderbar gemacht wird, ist es möglich,
das jeweils günstigste Signal-Rausch-Verhältnis einzustellen und mit der maximal
erreichbaren Genauigkeit und Empfindlichkeit zu arbeiten.
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Wenn das Merkmal (b) vorstehend als »an sich bekannt« bezeichnet
wird, so ist dies so zu verstehen, daß die Veränderung des Verhältnisses von Nachstellgeschwindigkeit
zu Fehlersignal bekannt ist. Nicht bekannt ist, dieses Verhältnis bei gleichzeitiger
Erhöhung der Schreiberempfindlichkeit zur Verminderung des Rauschpegels zu verringern.
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Bei einer Anordnung, bei welcher der elektrische Meßwert von einem
Spannungsteiler (Geberspannungsteiler) abgenommen wird, dessen Abgriff mit dem Abgleichsglied
gekoppelt ist, wird zweckmäßigerweise die Empfindlichkeit der Registriervorrichtung
dadurch geändert, daß an den Spannungsteiler wahlweise verschiedene Spannungen anlegbar
sind. Wenn der abgegriffenen Spannung wie bei den bekannten Anordnungen eine Spannung
entgegengeschaltet ist, die an einem zweiten Spannungsteiler (Empfängerspannungsteiler)
abgegriffen wird, und der Abgriff des zweiten Spannungsteilers zusammen mit einem
Schreibglied durch einen Motor verstellbar ist, der von der Differenz der am Geberspannungsteiler
und am
Empfängerspannungsteiler abgegriffenen Spannungen gesteuert wird, kann statt
dessen auch die Spannung am Empfängerspannungsteiler variiert werden. Wesentlich
ist, daß das Verhältnis der an Geber- und Empfängerspannungsteiler anliegenden Spannungen
veränderbar ist.
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Wenn das Abgleichsglied durch einen Stellmotor eingestellt wird,
so kann die Nachstellgeschwindigkeit der Abgleichmittel dadurch veränderbar gemacht
werden, daß zwischen Stellmotor und Abgleichsglied ein regelbares Geschwindigkeitswechselgetriebe,
vorzugsweise ein Reibradgetriebe, eingeschaltet ist.
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Um sicherzustellen, daß bei der Ordinatendehnung für das aufgezeichnete
Diagramm stets die volle Breite des Schreibstreifens zur Verfügung steht, kann der
Widerstand des Geberspannungsteilers gegenüber dem Spannungsteilerabgriff verstellbar
angeordnet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch
dargestellt und im folgenden beschrieben: F i g. 1 zeigt als Blockschema ein Spektrometer
mit einer registrierenden Meßanordnung nach der Erfindung; F i g. 2 zeigt stark
schematisiert den mechanischen und elektrischen Aufbau der Messeanordnung; F i g.
3 a und 3 b veranschaulichen die Wirkungsweise eines Geber- und eines Empfängerpotentiometers
bei einer Meßanordnung nach der Erfindung; F i g. 4 ist ein elektrisches Schaltbild.
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Von einer Strahlungsquelle 10 gehen zwei Strahlenbündel, ein Meßstrahlenbündel
und ein Vergleichsstrahlenbündel aus, welche über Spiegel 11 einerseits durch eine
Probe 12 und andererseits durch eine Blendenanordnung 13 geleitet werden. Durch
einen von einem Motor M angetriebenen umlaufenden Sektorspiegel 14 wird abwechselnd
das Vergleichsstrahlenbündel zum Eintrittsspalt eines Monochromators 15 durchgelassen
oder das Meßstrahlenbündel auf diesen reflektiert.
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Der Monochromator 15 wird von einer Kurvenscheibe 16 verstellt, so
daß ein Wellenlängenbereich abgetastet wird.
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Vom Ausgangsspalt des Monochromators 15 wird die Strahlung auf einen
Strahlungsempfänger 19 geleitet. Das Ausgangssignal des Empfängers steuert einen
Vorverstärker 20, einen Verstärker 21 und Siebglieder 22 einen Abgleichsmotor 23.
Der Abgleichsmotor 23 verstellt über ein stufenlos regelbares Ge schwindigkeitswechselgetriebe
24 die Blende 13.
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Gleichzeitig mit der Blende 13 wird ein Geber spannungsteiler 25
verstellt, der damit gekoppelt ist.
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Dem Geberspannungsteiler 25 ist ein Empfängerspannungsteiler 26 entgegengeschaltet.
Von der Spannungsdifferenz der am Geber- und am Empfängerspannungsteiler abgegriffenen
Spannungen wird über einen Verstärker 27 ein Stellmotor28 gesteuert. Der Stellmotor
28 verstellt die Feder 29 eines Schreibers 30 und gleichzeitig mit dieser den Abgriff
des Emp fängerpotentiometers 26. Das Empfängerpotentiometer und gleichzeitig damit
die Feder 29 des Schreibers 30 werden durch den Motor 28 so lange verstellt, bis
die beiden abgegriffenen Spannungen einander gleich sind.
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Das Geberpotentiometer 25 liegt an einem Ordinatendehner 31 an, der
noch näher beschrieben wird.
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Die Einstellung und Veränderung der abgetasteten Wellenlänge kann
durch handbetätigte Mittel 32 oder durch eine automatische Steuervorrichtung 33
erfolgen. Von der Steuervorrichtung 33 wird außerdem
ein Motor 34
für den Registriertrommeiantrieb geregelt, der mit der Registriertrommel 30 über
ein durch Einstellmittel 35 verstellbares Geschwindigkeitswechselgetriebe 36 gekoppelt
ist.
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F i g. 2 zeigt schematisch den Aufbau der Abgleichs mittel und der
Registriervorrichtung. Mit 40 ist in F i g. 2 der Stellmotor für die im Strahlengang
des Vergleichsstrahlenbündels angeordnete Blende bezeichnet, die in F i g. 2 das
Bezugszeichen 46 trägt. Die Verstellung der Blende 46 erfolgt über ein Reibradgetriebe
41, das aus zwei Reibscheiben 42,43 mit gegeneinander versetzten Achsen und einem
radial dazu verschiebbaren Zwischenreibrad44 besteht, und Kegelräder 45.
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Zusammen mit der Blende 47 wird das in F i g. 2 mit 47 bezeichnete
Geberpotentiometer verstellt, an welches durch einen Spannungswähler 48 wahlweise
das Einviertel-, Ein-, Fünf-, Zehn- oder Zwanzigfache einer Grundspannung anlegbar
ist. Die Grundspannung liegt an einem Empfängerspannungsteiler 50 an. Die Differenz
der an den Spannungsteilern 47, 50 abgegriffenen Spannungen steuert über einen mit
49 bezeichneten Verstärker einen Motor 51, der mit dem Abgriff des Potentiometers
50 und außerdem mit der Feder 52 eines Schreibers gekoppelt ist.
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Durch Verstellung des Zwischenrades 44 kann das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes 41 zwischen dem Motor 40 und der Blende 46 verändert werden. Wenn
die Blende 46 nur kleine Bewegungen auszuführen braucht, kann das Zwischenrad zur
Achse des Motors 40 hin verschoben werden, so daß die Blende 46 auf Bewegungen des
Motors 40 nur langsam reagiert.
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Dadurch wird der Einfluß des Rauschens weitgehend unterdrückt. Die
endgültige Einstellung der Blende 46 wird durch Verringerung der Nachstellgeschwindigkeit
nicht berührt. An das Geberpotentiometer 47 wird gleichzeitig durch den Spannungsteiler
48 beispielsweise das Zehnfache der am Empfängerspannungsteiler 50 anliegenden Spannung
angelegt. Die bei gleicher Blendeneinstellung an dem Spannungsteiler 47 abgegriffene
Spannung ist dann zehnmal so groß als wenn am Geberpotentiometer die gleiche Spannung
anläge wie am Empfängerpotentiometer. Um diese Spannung zu kompensieren, muß der
Abgriff des Empfängerpotentiometers 50, an dem ja nur die einfache Spannung anliegt,
und damit die Feder 52 um den zehnfachen Betrag verstellt werden. Die Ordinaten
des aufgezeichneten Schriebes werden also um einen FaktorlO gedehnt. Wenn die Blende
46 große Bewegungen ausführen muß, so kann das Reibrad44 nach oben verschoben werden,
so daß sich eine größere Nachstellgeschwindigkeit ergibt, die Blende 46 also schneller
den Bewegungen des Motors 40 folgt.
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In diesem Falle ist aber keine oder nur eine geringe Ordinatendehnung
z. B. um einen Faktor 2 erforderlich. Durch geeignete Einstellung der Anordnung
kann man somit ein günstigstes Signal-Rausch-Verhältnis erzielen.
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Durch die Ordinatendehnung kann es leicht vorkommen, daß der Meßbereich
der Registriervorrichtung überschritten wird, insbesondere wenn kleine Bewegungen
des Abgleichsgliedes in der Mitte des Meßbereiches registriert werden sollen. Man
muß diese dann mit unterdrücktem Nullpunkt aufzeichnen. Diese Verhältnisse sollen
an Hand der F i g. 3 a und 3 b näher erläutert werden: Die Blende 46 sei so ausgebildet,
daß sie in einer Endstellung 51 das Vergleichsstrahlenbündel voll-
ständig abblendet
(durchlässig Null) und in der anderen Endstellung 52 das Vergleichsstrahlenbündel
ungeschwächt durchläßt (Durchlässigkeit 100al,). Es soll einmal angenommen werden,
daß sich die Blende in einer Mittelstellung befindet und kleine Bewegungen - entsprechend
flachen Absorptionsbanden -ausführt, die mit im Verhältnis 1 : 10 gedehnten Amplituden
aufgezeichnet werden sollten. Zu diesem Zweck liegt an dem Geberspannungsteiler
eine Span nung von 60 Volt an, während an dem Empfänger spannungsteiler nur eine
Spannung von 6 Volt abfällt. Wenn nun der Abgriff 55 des Geberspannungs teilers
sich in der Lage befindet, die der Blenden. stellung 50 entspricht, so kann die
am Abgriff abgenommene Spannung durch die am Empfängerpotentiometer abgegriffene
Spannung nicht kompensiert werden, weil die Spannung am Abgriff 55 (F i g. 3 a)
schon mehr als 6 Volt beträgt und vom Empfängerpotentiometer überhaupt nur maximal
6 Volt abgenommen werden können. Der Abgriff53 des Empfängerpotentiometers und damit
auch die Schreibfeder, die in F i g. 3 a mit 54 bezeichnet ist, laufen in ihre Endstellung
und bleiben dort. Eine Aufzeichnung der Bewegungen der Blende 46 (F i g. 2) ist
so nicht möglich.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist der Widerstandskörper des
Geberpotentiometers gegenüber dem Abgriff 55 verschiebbar angeordnet. Widerstandskörper
kann dann so verschoben werden, daß der Abgriff 55 über dem Bereich zwischen 0 und
6 Volt gleitet. Das wirkt sich als Nullpunktunterdrückung aus, und das Empfängerpotentiometer
und damit der Schreiber können den Spannungsschwenkungen folgen.
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Fig.4 zeigt ein Schaltbild einer Registriervorrichtung nach der Erfindung.
An einer Spannungsquelle 60 liegt ein Transformator 62 mit einer Primärwicklung
61 und zwei Sekundärwicklungen 63 a und 63b. An der Wicklung 63a liegen in Reihe
Widerstände 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 und parallel zu diesen drei Widerstände
72, 73, 74. Der Widerstand 73 ist als Potentiometer ausgebildet, an dessen Abgriff
ein Potentiometer 75 anliegt, welches das Empfängerpotentiometer bildet. Der Abgriff
des Potentiometers 73 wird zur Einjustierung der am Empfängerpotentiometer anliegenden
Spannung einmal eingestellt und bleibt dann unverändert. Mit S1, S2, S3 sind drei
Kontaktbänke eines Umschalters bezeichnet, die jede sechs Kontakte besitzen, die
mit »Abs« (Absorption), 4 lx, lx, 5x, 10x und 20x bezeichnet sind. Der Kontakt 20x
der Kontaktbank S1 liegt direkt an der Sekundärwicklung 63 a des Transformators,
der Kontakt 10x am Abgriff des als Potentiometer ausgebildeten Widerstands 65, der
Kontakt 5x entsprechend an einem Abgriff des Widerstands 67, der Kontakt lx an einem
Abgriff des Widerstands 69 und der Kontakt lx an einem Abgriff eines zu dem Widerstand
70 parallelgeschalteten Potentiometers 76. Mit dem über der Kontaktbank S1 gleitenden
Kontaktarm 77 ist ein Potentiometer 78 verbunden, das als Geberpotentiometer wirkt.
Die am Abgriff 79 des Geberpotentiometers abgenommene Spannung wird über die untereinander
verbundenen Kontakte 4 - lx, lx, 5x, 10x und 20x und den Kontaktarm 80 der Kontaktbank
S2 der Spannung entgegengeschaltet, die am Abgriff des Empfängerpotentiometers 75
abgenommen wird, und
die Spannungsdifferenz wird einem Verstärker
81 zugeführt. Der Verstärker speist die Wicklung 83 eines Stellmotors 84, der mit
dem Abgriff 82 des Potentiometers 75 gekoppelt ist. Der Stellmotor 84 treibt außerdem
einen Generator 85, der ein Signal in der Wicklung 86 erzeugt, welches eine Geschwindigkeitsrückführung
auf den Verstärker liefert. Die Statorwicklungen 87 und 88 des Motors 84 und Generators
84 werden ebenfalls von der Spannungsquelle 60 gespeist.
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Jedes Potentiometer 75 und 78 besitzt eine Anzapfung75a und 78a,
über welche an einem Endbereich des Potentiometers die Spannung der Wicklung 63b
anliegt. Diese Spannung verhindert, daß die Abgriffe 82, 79 über den Meßbereich
hinaus verstellt werden können, weil die Stellmotoren 40, 84 beim Überschreiten
der Anzapfung durch die Spannung der Wicklung 63b einen Impuls erhalten, welcher
die Abgriffe 82 und 79 wieder vom Ende des Potentiometers wegführt.