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Elektromagnetisches Antriebssystem zur periodischen Umschaltung der
optischen Strahlung in einem Spektralphotometer Es sind elektromagnetisch angetriebene
Antriebssysteme zur periodischen Umschaltung der optischen Strahlung eines Spektralphotometers
auf einen Meßweg bzw. einen Bezugsweg zwecks intensitätsvergleichender Anzeige der
über beide Wege abwechselnd geleiteten Strahlung durch einen gemeinsamen Strahlungsdetektor
bekannt, wobei die zur Umschaltung der Strahlung vorgesehenen optischen Mittel auf
einer in bezug auf ihre Ruhelage beiderseits schwingungsfähig gelagerten Trägeranordnung
angeordnet sind.
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Es ist auch bekannt, eine Trägeranordnung dadurch elektromagnetisch
in Bewegung zu setzen, daß eine auf die Bewegungen der Trägeranordnung ansprechende
Detektorvorrichtung ein elektrisches Steuersignal erzeugt, welches bei der Eigenfrequenz
der Trägeranordnung im Sinn einer Schwingungserzeugung und -aufrechterhaltung auf
die elektromagnetische Antriebsvorrichtung der Trägeranordnung einwirkt. Derartige
Anordnungen haben jedoch im allgemeinen den Nachteil, daß die Amplitude der sich
ausbildenden Schwingungen äußeren Einflüssen unterliegt und daher nicht konstant
ist. Die Erfindung bezweckt die Vermeidung derartiger störender Erscheinungen.
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Ein elektromagnetisch angetriebenes Antriebssystem zur periodischen
Umschaltung der optischen Strahlung eines Spektralphotometers auf einen Meßweg bzw.
einen Bezugsweg zwecks intensitätsvergleichender Anzeige der über beide Wege abwechselnd
geleiteten Strahlung durch einen gemeinsamen Strahlungsdetektor, bei dem die zur
Umschaltung der Strahlung vorgesehenen optischen Mittel auf einer in bezug auf ihre
Ruhelage beiderseits schwingungsfähig gelagerten Trägeranordnung angeordnet sind,
kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß eine erste auf die Bewegungen
der Trägeranordnung ansprechende an sich bekannte Detektorvorrichtung ein erstes
elektrisches Steuersignal erzeugt, welches bei der Eigenfrequenz der Trägeranordnung
im Sinn einer Schwingungserzeugung und -aufrechterhaltung auf die elektromagnetische
Antriebsvorrichtung wirkt, und daß eine zweite Detektorvorrichtung nur bei stärkeren
Schwingungsamplituden ein zweites elektrisches Steuersignal erzeugt, welches dem
ersten Steuersignal entgegenwirkt, so daß die mechanischen Schwingungen der Trägeranordnung
im wesentlichen auf einem konstanten Amplitudenwert gehalten werden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung wird das die Schwingungen der
Trägeranordnung erzeugende Antriebssystem durch die zweite vorgesehene Detek-
torvorrichtung
derart beeinflußt, daß bei größeren Schwingungsamplituden die Energiezufuhr zu dem
Antriebssystem verringert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Beschreibung im
Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Von den Figuren zeigt F i g. 1 eine schematische
Darstellung der optischen Einrichtung, Fig.2 eine schematische Teilansicht eines
erfindungsgemäßen Antriebssystems, F i g. 3 ein im Rahmen der Erfindung zur Anwendung
gelangendes Schaltungsschema.
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In F i g. 1 ist eine monochromatische Lichtquelle 10 mit einem Austrittsspalt
11 dargestellt, durch den ein schmales und im wesentlichen paralleles und monochromatisches
Strahlenbündel entlang einem Strahlengang 12 austritt. Das Strahlenbündel fällt
auf einen Spiegel 13, der zusammen mit einem zweiten
Spiegel 14
auf einer Trägeranordnung, bestehend aus einer schwingungsfähigen Bühne 15, angeordnet
ist.
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Der Spiegel 13 ist mit einem Winkel von 450 gegen das aus der monochromatischen
Lichtquelle 10 austretende Strahlenbündel angeordnet und reflektiert das Bündel
in einer Richtung senkrecht zu der ursprünglichen Richtung entlang einem Strahlengang
12 a. Das reflektierte Strahlenbündel fällt dann auf einen zweiten Spiegell4 auf,
der parallel zu dem Spiegel 13 angeordnet ist. Das Strahlenbündel wird dann wieder
reflektiert und verläuft entlang einem Strahlengang 12 b, der parallel zu dem ursprünglichen
Strahlengang 12 verläuft.
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Die Bühne 15, auf der die Spiegel 13 und 14 angeordnet sind, wird
durch eine Einrichtung, die im folgenden näher beschrieben werden soll, in einer
Richtung parallel zu den Strahlengängen 12 und 12 b in Schwingungen versetzt. Weil
die Spiegel 13 und 14 auf der Bühne 15 parallel zueinander angebracht sind, verlaufen
die Strahlengänge 12 und 12 b während der Schwingungen der Bühne weiterhin parallel
zueinander.
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Zwei Lagen der Bühne 15 und der Spiegel 13 und 14 sind in F i g.
1 dargestellt. Die erste Lage ist durch ausgezogene und die zweite durch gestrichelte
Linien gekennzeichnet. In der ersten Lage tritt der Teil des Strahlenbündels, der
entlang dem Strahlengang 12 a verläuft, durch eine stationäre Prüfzelle 16 hindurch,
die auf der Vorder- und Rückseite mit lichtdurchlässigen Fenstern versehen ist.
In der zweiten Lage der Bühne tritt das Lichtbündel durch eine stationäre Bezugszelle
17 hindurch, die vorzugsweise wie die Prüfzelle 16 ausgebildet ist. In beiden Lagen
der Bühne fällt das Bündel, das von dem Spiegel 14 reflektiert wird und entlang
dem Strahlengang 12 b verläuft, auf eine stationäre Nachweiseinrichtung 19. Wenn
die Bühne 15 sich in einer Lage zwischen den beiden dargestellten Lagen befindet,
wird das Lichtbündel durch eine stationäre Blende 18 abgeblendet, so daß kein Licht
auf die Nachweiseinrichtung 19 auftrifft.
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Wenn sich die Einrichtung in Betrieb befindet, schwingt die Bühne
15 zwischen den beiden dargestellten Extremlagen. In der Umgebung der ersten Extremlage,
die mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, verläuft das Bündel durch die stationäre
Prüfzelle 16. Wenn sich die Bühne zu einer zentralen Lage hin bewegt, wird das Bündel
von der Blende 18 abgeblendet. Die Bühne bewegt sich dann weiter bis in die mit
gestrichelten Linien dargestellte Lage, und das Bündel tritt durch die Bezugszellel7
hindurch.
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Die Bühne wird dann wieder zurück zu der zentralen Lage hin bewegt,
in der das Bündel wieder durch die Blende 18 abgeblendet wird. Durch diese Schwingbewegung
der Bühne und der daran angebrachten Spiegel weist die Nachweiseinrichtung 19 zwei
getrennte Signale nach, von denen sich das eine auf die Prüfzelle und das andere
auf die Bezugszelle bezieht. Ein Vergleich dieser beiden Signale ergibt eine Information
über die optischen Eigenschaften des zu prüfenden Materials, das in der Prüfzelle
16 enthalten ist, relativ zu den Eigenschaften des Materials, das in der Bezugszelle
17 enthalten ist. Eine zu diesem Zweck geeignete Vergleichseinrichtung ist bekannt.
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Die Bühne 15 ist über Verbindungsteile 32, 38, 37 mit einem Bewegungsmechanismus
verbunden, der aus einem Stab 39 aus magnetisierbarem Material,
z. B. Siliciumstahl,
besteht. An den Ansätzen 37 und 38 sind Flügel 41 bzw. 42 mittels Schrauben 40 befestigt.
Die Schrauben 40 durchsetzen Langlöcher 43, so daß die Flügel in vertikaler Richtung
einstellbar sind.
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Aus Fig.2 ist ersichtlich, daß der Stab 39 aus magnetisierbarem Material
als Anker einer elektrb magnetischen Einrichtung dient. Eine Spule 44 ist an der
Querstütze 21 z. B. mit Hilfe L-förmiger Tragglieder 45 und 46 starr befestigt.
Diese Tragglieder 45 und 46 dienen ferner dazu, zwei Permanentmagnete47 und 48 zu
haltern. Die Tragglieder 45 und 46 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen
und gewünschtenfalls gegossen sein, so daß sie einen Teil aufweisen, der die Magnete
47 und 48 umgibt und zuverlässig haltert. Die Spule44 kann dann an den Innenflächen
der Stützglieder mit einem geeigneten Klebstoff befestigt werden. Natürlich können
die Spule und die Permanentmagnete auch in anderer Weise befestigt werden.
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Die Permanentmagnete 47 und 48 sind so angeordnet, daß ihr magnetischer
Fluß in entgegengesetzten Richtungen verläuft. Wie in F i g. 2 dargestellt ist,
liegt der Nordpol des Magnets 47 der Querstütze 21 am nächsten, während der Südpol
des Magnets 48 dieser Querstütze am nächsten liegt. Die Lage dieser Magnete könnte
natürlich auch umgekehrt sein. Die Magnete 47 und 48 sind mit Schlitzen 49 bzw.
50 versehen, durch die der Anker 39 verläuft. Die Spule44 ist mit einem nicht dargestellten
Schlitz entsprechender Abmessungen wie die Schlitze 49 und 50 versehen. Diese Schlitze
ermöglichen die seitliche Bewegung des Ankers 39 mit der gleichzeitigen Bewegung
der gesamten schwingenden Einrichtung, welche die Bühne 15 und die Spiegel 13 und
14 enthält.
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Beim Betrieb fließt ein Strom durch die Spule, wodurch der Anker
39 magnetisiert wird. Wenn der Strom in der einen Richtung durch die Spule 44 hindurchfließt,
wird das linke Ende des Ankers 39 zu einem Nordpol und das rechte Ende zu einem
Südpol.
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Wenn die Permanentmagnete 47 und 48 in der dargestellten Weise angeordnet
sind, wird das linke Ende des Ankers 39 vom Nordpol des Permanentmagnets 47 abgestoßen
und von dessen Südpol angezogen.
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Gleichzeitig wird das rechte Ende des Ankers 39 von dem Südpol des
Magnets 48 abgestoßen und von dem Nordpol dieses Magnets angezogen. Der Anker 39
bewegt sich deshalb zusammen mit dem Rest der schwingungsfähigen Einrichtung zu
der Vorderseite des Rahmens, so daß die Bühne 15 und die Spiegel 13 und 14 die in
F i g. 1 in gestrichelten Linien dargestellte Lage einnehmen. Wenn die Stromrichtung
umgekehrt wird, muß sich der Anker 39 in der entgegengesetzten Richtung bewegen.
Dadurch ist ersichtlich, daß beim Anlegen einer Wechselspannung an die Spule 44
der Anker 39 abwechselnd polarisiert wird, so daß die Bühne 15 zwischen den beiden
in F i g. 1 dargestellten Lagen hin und her schwingt.
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Um den Leistungsbedarf für die elektromagnetische Einrichtung auf
einem Minimum zu halten, muß die schwingungsfähige Einrichtung mit ihrer Eigenfrequenz
schwingen. Wenn die schwingungsfähige Einrichtung mit dieser Eigenfrequenz erregt
wird, sind nur die Dämpfungsverluste für die erforderliche Eingangsleistung maßgebend.
Der Eingangsstrom der Spule 44 sollte deshalb eine Frequenz besitzen, die gleich
der Frequenz der Eigenschwingung der schwingenden
Einrichtung ist.
Ferner ist noch eine geeignete Phasenbeziehung des Stroms zu den Schwingungen der
Einrichtung auszuwählen.
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Der Flügel42 ist so angebracht, daß er das von der Glühlampe 53 ausgehende
Licht abfängt, wenn sich die Ankeranordnung 39 in ihrer einen Extremstellung, die
in Fig.2 dem Beschauer zugewandt liegt, befindet. Schwingt aus dieser Stellung die
Ankeranordnung zurück, so wird der von der Lampe 53 ausgehende Strahlengang allmählich
freigegeben, so daß das Licht auf den Photoleiter 57 fallen kann.
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In der zweiten, in F i g. 2 vom Beschauer abgewandten Stellung der
Ankeranordnung 39 fällt dann ein großer Teil der von der Glühlampe 53 ausgehenden
Strahlung auf den Photoleiter 57. Der Flügel 41 ist so ausgebildet, daß das von
der Lampe 62 ausgehende Licht nur dann auf den Photoleiter 63 fällt, wenn sich die
Ankeranordnung in der zweiten Stellung befindet, in der auch maximales Licht von
der Glühlampe 53 auf den Photoleiter 57 fällt. In den übrigen Stellungen der Ankeranordnung
39 blendet der Flügel 41 das von der Lampe 62 ausgehende Licht ab.
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In F i g. 3 ist eine elektrische Schaltung zum Steuern des Stroms
dargestellt, der der Spule 44 zugeführt wird. In dieser Schaltung ist der Photoleiter
57 über einen Widerstand 64 mit dem Abgriff A eines Potentiometers 65 verbunden.
Das Potentiometer 65 ist zwischen eine feinregulierte Spannungsquelle B reg. und
einen geerdeten Widerstand 66 geschaltet. Der Photoleiter 63 ist zwischen diese
regulierte Spannungsquelle und den anderen Anschluß des Photoleiters 57 geschaltet.
Diese Verbindungsstelle 7 ist über die Parallelschaltung eines Widerstands 67 und
eines Kondensators 68 geerdet.
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Die Verbindungsstelle zwischen dem Photoleiter 57 und dem Widerstand
64 ist über einen Kondensator 69 mit dem Gitter einer Vakuumröhre 70 verbunden.
Das Gitter ist über einen Widerstand 71 geerdet. Die Anode der Vakuumröhre 70 ist
über einen Arbeitswiderstand 72 mit einer nicht regulierten Spannungsquelle B unreg.
verbunden. Die Kathode der Röhre 70 ist über einen Widerstand 73 geerdet.
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Parallel zu diesem Widerstand ist ein Kondensator 74 geschaltet. Der
Ausgang der Röhre 70 ist über einen Widerstand 75 mit einem Kondensator 76 verbunden.
Die Verbindungsstelle dieses Widerstands und Kondensators ist über einen Kondensator
77 geerdet.
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Der Kondensator 76 ist ferner über einen Widerstand 78 mit dem Gitter
einer Triode 79 verbunden, deren Anode mit der unregulierten Spannungsquelle und
deren Kathode über die Reihenschaltung der Widerstände 80 und 81 geerdet ist. Ein
Vorspannungswiderstand 82 ist zwischen die Verbindungsstelle des Kondensators 76
und des Widerstands 78 und die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 80 und
81 geschaltet. Die Spule 44 und ein Kondensator 83 sind parallel zu den Widerständen
80 und 81 geschaltet.
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Bekanntlich zeigen photoleitende Elemente, wie Cadmiumsulfid und
Cadmiumselenid, einen hohen Widerstand, wenn sie nicht belichtet werden, und einen
verhältnismäßig niedrigen Widerstand, wenn sie belichtet werden. Bei diesen Photoleitern
tritt ferner eine Zeitverzögerung auf, so daß eine Verzögerung zwischen dem Lichteinfall
und der Widerstandsänderung besteht. Dies führt zu einer Phasendifferenz zwischen
dem elektrischen Ausgangssignal und dem
Lichteinfall, die natürlich von dem verwendeten
Material abhängig ist. Diese Eigenschaften werden bei der Betriebsweise der in F
i g. 5 beschriebenen Schaltung in der unten beschriebenen Weise ausgenutzt.
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Wie bereits beschrieben wurde, verursacht die Schwingung des Ankers
39, daß der Flügel 42 allmählich den Strahlengang zwischen den Öffnungen 54 und
58 freigibt, wenn sich der Anker in der einen Richtung bewegt, während dieser Strahlengang
allmählich abgeblendet wird, wenn sich der Anker in der anderen Richtung bewegt.
Da der Flügel 41 den Strahlengang zwischen der Glühbirne 62 und dem Photoleiter
63 nur bei einer Extremlage des Ankers freigibt, kann der Einfluß des Photoleiters
63 auf die Schaltung bei kleinen Amplituden der Schwingungen des Ankers vernachlässigt
werden.
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Wenn das photoleitende Element 57 allmählich freigelegt oder von
dem Flügel 42 verdeckt wird, ändert es seine Leitfähigkeit, so daß Spannungsänderungen
an dessen Verbindungsstelle mit dem Widerstand 64 auftreten. Die Spannungsänderungen,
die an dieser Verbindungsstelle auftreten, werden dem Gitter der Triode 70 zugeführt
und treten verstärkt und um 1800 phasenverschoben an deren Anode auf. Wie oben bereits
erwähnt wurde, sind die Spannungsänderungen an der Verbindungsstelle des Photoleiters
57 und des Widerstands 64 um einen gewissen Betrag gegenüber der Bewegung der mechanisch
schwingenden Einrichtung phasenverschoben, weil die Widerstandsänderung des Photoleiters
erst nach einer gewissen Zeitverzögerung nach dem Lichteinfall erfolgt.
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Die an der Anode der Röhre 70 auftretenden Signale werden dann einem
Netzwerk zur Phasenverschiebung zugeführt, das einen Widerstand 75 und einen Kondensator
76 aufweist, der mit dem Gitter der Triole 79 verbunden ist. Die Triole 79 ist als
Kathodenverstärker zur Stromversorgung der Spule 44 geschaltet. Der Widerstand 83,
der in Reihe mit der Spule 44 geschaltet ist, verhindert den Durchtritt von Gleichstrom
durch die Spule, so daß die Wärmeentwicklung in der Spule auf einem Minimum gehalten
wird. Die Widerstände 80, 81 und 82 ergeben eine geeignete Vorspannung für die Röhre
79.
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Um Schwingungen einer Einrichtung aufrechtzuerhalten, während nur
ein Minimum von Eingangsleistung zugeführt werden soll, muß der Strom, welcher der
die Schwingungen verursachenden Spule zugeführt wird, um 900 zu der Bewegung der
Einrichtung phasenverschoben sein. Wenn dies der Fall ist, ist der Strom und damit
die entsprechende auf die Einrichtung ausgeübte Kraft maximal, wenn die Einrichtung
durch ihre Nullage verläuft, während er gleich Null ist und sein Vorzeichen ändert,
wenn die Einrichtung ihre Extremlagen erreicht. Wie oben bereits erwähnt wurde,
ergibt die Zeitverzögerung des Photoleiters 59 einen gewissen Anteil dieser Phasenverschiebung.
Die durch das Netzwerk, das den Widerstand 75 und den Kondensator 76 enthält, verursachte
Phasenverschiebung ergibt den Rest der notwendigen Phasenverschiebung, so daß der
durch die Spule 44 hindurchfließende Strom um 900 gegenüber der mechanischen Schwingung
des Systems phasenverschoben ist.
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Daraus ist ersichtlich, daß der Strom zu der Lage des Ankers 39 auf
Grund der Zeitverzögerung in dem Photoleiter und der Phasenverschiebung in dem Netzwerk
um 900 phasenverschoben ist. Obwohl diese
Phasenbeziehung von Vorteil
ist, um die Eingangsleistung auf einem Minimum zu halten, muß das System nicht in
dieser Weise betrieben werden. Bei anderen Phasenbeziehungen kann die schwingende
Einrichtung ebenfalls zufriedenstellend arbeiten, obwohl damit ein gewisser Energieverlust
verbunden ist.
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Natürlich kann auch irgendein anderes photoleitendes Material für
den Photoleiter 57 verwandt werden, entsprechend dem die Parameter des zur Phasenverschiebung
dienenden Netzwerks auszuwählen sind, damit sich die zusammengesetzte Phasenverschiebung
ergibt, mit der das gewünschte Ergebnis erzielt werden kann.
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Durch eine geeignete Schaltung der Spule 44 ergibt sich eine zweckmäßige
Rückkopplung für das System. Dies bedeutet, daß kleine Abweichungen des mechanischen
Aufbaus durch den Photoleiter 57 nachgewiesen und die sich ergebenden elektrischen
Signale verstärkt und der Spule 44 zugeführt werden können, so daß größere Schwingungen
des mechanischen Systems verursacht werden. Folglich wird das System allein durch
Anschluß der Spannungsquellen in Betrieb gesetzt. Wenn diese Spannungsquellen angeschlossen
sind, verursachen stets vorhandene kleine mechanische Vibrationen, daß kleine Spannungsänderungen
an der Verbindungsstelle des Photoleiters 57 und des Widerstands 64 auftreten. Derartige
Spannungsänderungen werden in der beschriebenen Weise verstärkt und verursachen
deshalb eine schnelle Vergrößerung der Amplitude der Schwingungen. Das Potentiometer
65 ermöglicht eine Regulierung der Amplitude dieser Spannungsänderungen und macht
damit eine Regulierung der Amplitude der Schwingungen möglich.
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Wenn die Amplitude der Schwingungen des mechanischen Systems anwächst,
erreicht das mechanische System bald seine gewünschte Extremlage, so daß das photoleitende
Element 63 durch die Strahlung der Glühbirne 62 belichtet wird. Während der Zeitspanne,
in der der Widerstand des Elements 63 wegen des darauf auffallenden Lichts erniedrigt
ist, fließt durch den Widerstand 67 ein Strom, so daß sich über diesem ein Spannungsabfall
ergibt. Durch diesen Spannungsabfall wird der Kondensator 68 aufgeladen, was zur
Folge hat, daß die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen dem Photoleiter 63
und dem Widerstand 67 über das Erdpotential ansteigt. Da diese Spannung auch den
Strom bestimmt, der durch den Widerstand 64 und den Photoleiter 57 fließt, müssen
die an ihrer Verbindungsstelle auftretenden Spannungsänderungen verringert werden.
Dadurch werden die Stromänderungen in der Spule 44 begrenzt und damit auch die Amplitude
der Schwingungen des mechanischen Systems.
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Aus der in Fig. 3 dargestellten Schaltung ist ersichtlich, daß diese
Schaltung keine Elemente enthält, die die Schwingungsfrequenz des mechanischen Systems
bestimmen, die ausschließlich durch die Eigenfrequenz der mechanischen Elemente
gegeben ist. Deshalb muß nur diejenige Energie zugeführt werden, die durch Dämpfungsverluste
verlorengeht, die sich in der Hauptsache auf Grund einer Dämpfung durch die Luft
ergeben. Die Einrichtung gemäß der Erfindung gewährleistet also, daß die optischen
Teile eines Spektralphotometers in Schwingungen mit einer konstanten Amplitude versetzt
werden können, wozu eine minimale Eingangsleistung erforderlich ist.
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Da keine mechanischen Kräfte auf die schwingende
Einrichtung ausgeübt
werden und diese mit ihrer Eigenfrequenz schwingt, ist diese Einrichtung auch bei
sehr langer Betriebsdauer stabil und zuverlässig.