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Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisch arbeitendes Absorptions-
bzw. Emissions-Spektrometer, z. B. für die selbsttätige Fabrikations-Kontrolle bzw.
-Steuerung.
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Zur spektralen Strahlungsemissions-Messung, vorzugsweise von durch
Funkenentladungen hocherhitzten Gasen, z. B. Luft, ist bereits (z. B. durch die
Zeitschrift »Journal of Scientific Instruments«, Heft 38 vom Juni 1961, S. 239 bis
241) ein schnell arbeitender Spektrograph bekannt. Bei ihm ist durch kombinierte
mechanisch-optisch-elektrische Steuerung eine zeitlich so genaue Reproduzierbarkeit
der einzelnen Funkenentladungen in Form stark gedämpfer Schwingungen im us-Bereich
erreicht, daß die Bilder des Spektrums einer größeren Anzahl (50) von nacheinander
von Hand eingeleiteten Funkenentladungen auf derselben photographischen Platte zu
einem einzigen scharfen, lichtstarken Bild des Spektrums überlagert werden können.
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Ferner ist durch die » Wissenschaftlichen Forschungsberichte«, Bd.
62, »Einführung in die Ultrarotspektroskopie«, 1962, S. 181 bis 182, ein Ultrarotspektrometer
für Strahlungsabsorptions-Messungen bekannt, bei dem bei Einstrahlbetrieb der Meßstrahl
nach Durchsetzung des Meßobjekts gebündelt und mittels eines Ablenkorgans in Form
eines oszillierenden Ablenkspiegels über eine weitere Linse durch fortschreitend
wechselnde Stellen eines Interferenz-Keilfilters geschickt wird zwecks Aussiebung
jeweils einer bestimmten Spektralfrequenz, die auf ein deren jeweilige Strahlungsintensität
messendes Organ in Form eines Vakuum-Thermoelements fokussiert wird.
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Grundsätzlich bekannt, z. B. durch das Buch »Ultrasonics« von Benson
Carlin, Mc Graw Hill-Verlag, 1960, S. 143 off und 146 bzw. 299, 300, ist auch bereits
die Helligkeitssteuerung parallelen Lichts (zum Nachweis von Ultraschallschwingungen
bzw. zur Erzeugung von Fernsehbildern) durch Beugung an den durch Ultraschallwellen
erzeugten gitterartigen Zonen abwechselnder Deformation in einer Schicht eines geeigneten
lichtdurchlässigen (flüssigen oder festen) Stoffes. Die Anregung dieser Schwingungen
in der Ultraschallzelle genannten Schicht erfolgt durch einen mit einer Schmalseite
der letzteren formschlüssig verbundenen Piezokristall (s.Fig. 11 bis 29).
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
ein sehr schnell arbeitendes Spektrometer zu schaffen, das die spektralen Meßfrequenzen
linear und mit einer durch keine mechanische Bewegung begrenzten Geschwindigkeit
abtastet bzw. auswählt und dadurch mit einer über den ganzen Spektralbereich gleichmäßigen
Genauigkeit die laufend wiederholte schnelle Messung der spektralen Strahlungsabsorption
bzw. -emission eines zu überwachenden, vorzugsweise strömenden Mediums ermöglicht.
Ferner soll in weiterer Ausbildung durch einfache Maßnahmen auch die Strahlungsenergie
nur von bestimmten diskreten Frequenzen oder Frequenzbändern eines Spektrums gemessen
bzw. überwacht werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein automatisches Spektrometer, bei dem
zur Auswahl der spektralen Meßfrequenzen ein Interferenz-Keilfilter zwischen zwei
Kollimatorlinsen im Strahlengang zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlablenkorgan
einerseits und einem elektrischen Strahlungs-
empfänger andererseits angeordnet ist,
durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst: a) Ein entweder zur Strahlungsabsorptions-Messung
vor dem Strahlungsempfänger angeordnetes oder zur Strahlungsemissions-Messung die
achromatische Strahlungsquelle ersetzendes Meßobjekt; b) ein im Parallelstrahlengang
zwischen der ersten Kollimatorlinse und der zweiten Sammellinse vor dem Interferenz-Keilfilter
angeordnetes Strahlablenkorgan in Form eines für alle spektralen Meßfrequenzen durchlässigen
Ultraschallleiters mit einem formschlüssig mit ihm verbundenen piezoelektrischen
Antriebselement, der am jeweiligen Ort der durch einen kurzen Ultraschallimpuls
verursachten mechanischen Beanspruchung die parallele Strahlung abbeugt; c) ein
nur die nicht abgebeugte Strahlung vom Strahlungsempfänger abschirmender undurchlässiger
Schirm im Brennpunkt der zweiten Linse; d) ein Korrekturfilter zum Ausgleich der
nicht durch das Meßobjekt bedingten Nichtlinearitäten der spektralen Strahlungsintensitätsverteilung
im Spektrometer; e) eine vom Strahlungsempfänger gesteuerte Ausgangsschaltung.
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Einzelne Strahlungsfrequenzen, bei denen die Absorption bzw. Emission
des Meßobjekts geprüft wird, können durch die Anzahl und zeitlichen Abstände der
Kontakte eines mit dem Impulsdurchlauf durch den Ultraschalleiter synchronisierten
elektrischen bzw. elektronischen Verteilers elektrisch vorbestimmt werden.
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Mit den Ausgängen des Verteilers sind getrennte Grenzwert-Schaltkreise
einer Auswerteschaltung verbunden, welche die einzelnen Kontrollsignale zu einem
resultierenden Steuersignal zusammenfaßt.
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Die Spektralfrequenzen oder Frequenzbänder für die Absorptions- bzw.
Emissions-Kontrolle des Meßobjekts können auch durch eine Schlitzblende zwischen
Ultraschalleiter und dem Interferenz-Keilfilter vorbestimmt werden.
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Die Anordnung und Wirkungsweise des Spektrometers wird nachstehend
für zwei Ausführungsbeispiele, und zwar ein Absorptions und ein Emissions-Spektrometer,
an Hand von Zeichnungen näher beschrieben. Von letzteren stellt dar F i g. 1 Prinzipskizze
eines erfindungsgemäßen Absorptions-Spektrometers, Fig. 2 Frequenz-Zeit-Diagramm
des vom dynamischen Filter durchgelassenen Lichtes, F i g. 3 Frequenz-Weg-Diagramm
für das Keil-Interferenzfilter, F i g. 4 Diagramm der spektralen Energieverteilung
des Spektrometers ohne und mit Kompensationsfilter, F i g. 5 Prinzipbild eines erfindungsgemäßen
Emissions-Spektrometers.
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Das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorptions-Spektrometers
nach F i g. 1 ermöglicht die laufende Messung des Absorptions-Spektrums eines hinsichtlich
dieser Eigenschaft oder mit ihr zusammenhängender anderer Eigenschaften zu überwachenden
flüssigen oder gasförmigen Mediums 5, das, z. B. von einem laufenden Fabrikationsprozeß
parallel abgezweigt, eine durchsichtige Meßkammer 28 mit einer Einlaßöffnung30 und
einer Auslaßöffnung 32 durchströmt. Die Anordnung enthält eine
konstante
achromatische Lichtquelle 1 mit einem alle zu untersuchenden Frequenzen enthaltenden
Spektrum, ein dynamisches Filter 3 mit zeitabhängigem Frequenzdurchlaß, das Meßobjekt5,
einen für den zu untersuchenden Spektralbereich empfindlichen lichtelektrischen
Empfänger7 und einen Ausgangs-Stromkreis 8.
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Das Herzstück des Spektrometers, das dynamische Farbfilter3, läßt
gemäß seinem Frequenz-Zeit-Diagramm nach F i g. 2 normalerweise kein Licht durch.
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Erst von einem Startsignal im Zeitpunkt ab bis zum Zeitpunkt b läßt
es von dem Licht der Lichtquelle 1 nur annähernd monochromatisches Licht mit einem
mit der Zeit - vorzugsweise linear -veränderlichen engen Frequenzbereich durch.
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Dieses Licht variabler Frequenz durchdringt das zu untersuchende
Medium 5 in der Meßkammer 28.
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Entsprechend der zu ermittelnden Absorptions-Charakteristik des Meßobjekts
werden von diesem bestimmte Lichtfrequenzen stärker, andere schwächer absorbiert.
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Das vom Meßobjekt 5 nicht absorbierte Licht wird vom Lichtempfänger
7, z. B. einem Photoelement, einer Photozelle oder einem Photowiderstand, in ein
elektrisches Signal umgewandelt und vom Stromkreis 8 zur Absorptions-Charakteristik
des Meßobjekts bzw. zu von ihr abgeleiteten Steuersignalen ausgewertet.
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Das dynamische Filter 3 besteht nach Fig. 1 aus einer das Licht der
lichtstarken Lichtquelle 1 parallel machenden Kollimator-Linse 12, einem durchsichtigen,
in der Impulstechnik zur zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse als Ultraschall-Verzögerungsglied
bekannten Ultraschalleiter 14, einem Interferenz-Keilfilter 18, einem Kompensationsfilter
20 und einer das parallele Licht auf einen kleinen undurchsichtigen Schirm 24 fokussierenden
Sammellinse 22.
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Der bekannte, beispielsweise aus geschmolzenem Quarz bestehende Ultraschalleiter
14 in Form einer flachen, quadratischen oder rechteckigen Scheibe wird durch ein
mit ihm formschlüssig verbundenes, über Anschlußklemmen 17 erregtes piezoelektrisches
Antriebselement 16 bekannter Art zu mechanischen Schwingungen angeregt. Wenn das
Piezoelement 16 in den gewünschten Zeitabständen der einzelnen Stichprobenmessungen
durch einen einzelnen sehr kurzen elektrischen Impuls mit Ultraschallfrequenz erregt
wird, pflanzt sich ein entsprechend kurzer mechanischer Longitudinal-Schwingungszug
15 mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in Quarz, also mit einer gegenüber
der Elektronengeschwindigkeit im Leitungsmaterial wesentlich verzögerten Geschwindigkeit,
vom Anfang 14 a des Ultraschalleiters 14 bis zu seinem Ende 14 b fort, das zur Verhinderung
störender Reflexion mit einem nicht dargestellten dämpfenden Abschlußstück versehen
sein kann. Während das Licht normalerweise den Ultraschalleiterl4 geradlinig durchquert,
wird es an einer engbegrenzten Stelle 15, die durch die mechanischen Druck- bzw.
Zugbeanspruchungen des fortschreitenden Schwingungsimpulses verursacht wird, in
bekannter Weise abgebeugt.
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Das keilförmige Interferenzfilter 18 bekannter Art läßt an jedem
Punkt nur monochromatisches Licht von einer ganz bestimmten Frequenz hindurch, die
von der Dicke des Filters an dieser Stelle und somit auch von deren Entfernung X
von der Filter-Unterkante gemäß Fig.3 linear abhängt. Der undurch-
sichtige Schirm
24 fängt im Ruhezustand alle Lichtstrahlen ab, die den Ultraschalleiter 14 und das
dicht anschließende Keilfilter 18 parallel durchqueren und daher von der Linse 22
auf dem Schirm 24 gesammelt werden. Nur diejenigen Lichtstrahlen, die von dem im
Ultraschalleiter 14 fortschreitenden Ultraschallimpuls 15 abgebeugt werden und aus
denen das Keilfilter 18 jeweils nur einen schmalen Frequenzbereich für den Durchtritt
freigibt, gehen an dem Schirm 24 vorbei, durch die Meßkammer 28 mit dem Meßobjekt
5 hindurch und zum Lichtempfänger 7.
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Dem Keil-Interferenzfilter 18 ist ein Korrekturfilter 20 nachgeschaltet,
um alle nichtlinearen Abhängigkeiten der Lichtintensität des ganzen optischen Systems,
mit Ausnahme des Meßobjekts 5, insbesondere der Lichtquelle 1 und des Keilfilters
18, von der Lichtfrequenz bzw. von der EntfernungX zu kompensieren. Angenommen,
die Intensität des zum Meßobjekt 5 gelangenden Lichtes habe in Abhängigkeit von
seiner Frequenz infolge von Nichtlinearitäten der Einzelcharakteristiken der Lichtquelle
1, der Linsen 12 und 22, des Ultraschalleiters 14 und des Keilfilters 18 ohne das
Korrekturfilter 20 tatsächlich den durch die Kurve A in F i g. 4 dargestellten Verlauf.
Um dann dem System einen konstanten Verlauf der Intensitätsverteilung über den ganzen
Spektral-(Frequenz-)Bereich entsprechend Linie B in F i g. 4 zu erteilen, muß das
Korrekturfilter 20 eine Charakteristik haben, die das Spiegelbild der KurveA mit
Bezug auf die Linie B darstellt. Durch entsprechende Änderung der Charakteristik
des Korrekturfilters 20 können zusätzlich auch noch Nichtlinearitäten der Empfindlichkeit
des Lichtempfängers 7 in Abhängigkeit von der Frequenz ausgeglichen werden.
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Vor der Meßkammer 28 mit dem zu überwachenden Medium 5 ist laut F
i g. 1 eine Blende 26 angeordnet, die den Bereich des durchstrahlten Meßobjekts
so weit einengt, daß alle es durchdringenden Lichtstrahlen den Lichtempfänger 7
treffen.
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Der Ausgangsstromkreis 8 enthält gemäß Fig. 1 einen der Einfachheit
wegen als Drehschalter dargestellten Verteiler 81, der natürlich auch aus elektronischen
Schaltelementen in bekannter Art aufgebaut sein kann. Sein Schaltarm 81 bestreicht
nacheinander eine Anzahl (z. B. 7) von Kontakten 81A bis 81 G, die denjenigen Lichtfrequenzen
entsprechen, für die jeweils die Absorption des Meßobjekts 5 kontrolliert werden
soll. Ihre Zahl kann demgemäß weitgehend variiert werden. Der Umlauf des Verteilers
wird gleichzeitig mit dem Impuls eingeleitet, der dem Piezoelement 16 des Ultraschallleiters
14 zugeführt wird. Die Umlaufgeschwindigkeit des Verteilers 81 ist so gewählt, daß
der letzte der vorhandenen Verteilerkontakte (im Ausführungsbeispiel 81G) berührt
wird, kurz bevor der Ultraschallimpuls 15 das Ende 14 b des Ultraschalleiters erreicht.
Dann erscheinen auf den mit den Verteilerkontakten verbundenen Leitungen 82A bis
82 G nacheinander in Impulsform diejenigen Ausgangsspannungen des Lichtempfängers
7, die ein Maß sind für die Absorption des Mediums 5 bei den durch den zeitlichen
Abstand der Verteilerkontakte bestimmten Frequenzen des Spektrums.
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Diese Signale werden einer Auswerteschaltung 83 zugeführt, die aus
ihnen ein Ausgangssignal auf der Leitung 84 ableitet, das beispielsweise zur Steuerung
von
Fabrikationsprozessen dient. Die Auswerteschaltung kann lediglich aus einfachen
Grenzwert-Schaltkreisen bestehen, die den einzelnen Eingangsleitungen 82A bis 82
G zugeordnet sind und nur dann wirksam werden, wenn die den Absorptionswert des
Meßobjekts 5 bei der jeweiligen Lichtfrequenz bestimmenden Ausgangsspannungen des
Lichtempfängers 7 einen zugehörigen Grenzwert unter- oder überschreiten. Ein resultierendes
Ausgangssignal erscheint in diesem Fall auf der Leitung 84 bereits dann, wenn bei
irgendeiner der Meßfrequenzen eine fehlerhafte Abweichung vom Absorptions-Sollwert
ermittelt wird. Die Auswerteschaltung 83 kann aber auch komplizierte Einrichtungen,
wie Analog- oder Ziffernrechner, enthalten, welche die Einhaltung verschiedener
Kombinationen von Grenzbedingungen überwachen.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel derErfindung erfolgt die Auswahl
der Meßfrequenzen mittels einer in F 1 g. 1 (bzw. F i g. 5) nicht dargestellten
Schlitzblende zwischen dem Ultraschalleiterl4 und dem Keil-Interferenzfilter 18.
Diese Blende enthält horizontale Schlitze (senkrecht zur Zeichenebene) an denjenigen
Stelle, die den dort vom Keilfilter 18 durchgelassenen und als Meßfrequenzen gewünschten
Spektralfrequenzen bzw. Frequenzbereichen entsprechen. Die Breite des jeweils gewünschten
Frequenzbandes bestimmt die Breite des betreffenden Blendenschlitzes. Jedesmal,
wenn der Ultraschallimpuls 15 des Ultraschalleiters 14 einen Schlitz dieser zusätzlichen
Blende passiert, gelangt ein monochromatischer Lichtblitz mit einer durch die jeweilige
Absorption des Meßobjekts 5 bestimmten Intensität zum Lichtempfänger 7, der infolgedessen
eine entsprechende Impulsfolge als Ausgangsspannung erzeugt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 5 stellt
ein automatisches Emissions-Spektrometer für die laufende Messung des Emissionsspektrums,
z. B. eines leuchtenden Gases oder Dampfes oder Leuchtstoffes oder einer Mischung
oder Kombination derselben, dar. Eine Anzahl seiner Bestandteile entspricht denen
des Absorptions-Spektrometers nach Fig. 1. Ihre Übereinstimmung wird dadurch gekennzeichnet,
daß die Einer- und Zehnerziffern ihrer dreistelligen Bezugszahlen mit denen der
entsprechenden Teile der F i g. 1 identisch sind.
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Dieses Emissions-Spektrometer nach Fig. 5 enthält an Stelle der konstanten
Lichtquelle 1 der F 1 g. 1 das zu untersuchende leuchtende Meßobjekt 505 der genannten
Art. Die das leuchtende Medium 505 enthaltende Meßkammer 528 kann auch beispielsweise
eine fertige, zur Prüfung automatisch (z. B. mittels Drehtisch) ausgewechselte Gasentladungs-
oder Leuchtstofflampe sein. Durch die Blende 526 hindurch gelangt das von einem
begrenzten Teil dieses Meßobjekts 505 ausgehende Licht durch das dynamische Filter
503 zum Lichtempfänger 507.
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Das anschließende dynamische Filter 503 und der Lichtempfänger 507
sind mit den entsprechenden Teilen 3 und 7 der Fig. 1 identisch, so daß sich deren
nochmalige Beschreibung erübrigt. Eine vom Lichtempfänger 507 gesteuerte Auswerteschaltung
ist nicht mehr dargestellt, da sie der in F i g. 1 gezeigten (Ausgangsstromkreis
8) und bereits beschriebenen entspricht.
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Die Lichtemission des Meßobjekts 505 wird durch
eine Steuerschaltung
591 eingeleitet, die auch gegebenenfalls mit einer entsprechenden Verzögerung -
den Anregungsimpuls für das piezoelektrische Antriebselement 516 des Ultraschalleiters
514 liefert.
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Das dynamische Filter 503 läßt daraufhin vom Emissionsspektrum des
Meßobjekts nacheinander jeweils eine einzige Lichtfrequenz zum Lichtempfänger 507
durch. Die Auswahl einiger bestimmter dieser Emissions-Lichtfrequenzen zur Intensitäts-Messung
bzw. -Kontrolle erfolgt entweder wie beim ersten Ausführungsbeispiel elektrisch
mittels eines mit dem Ultraschalleiter 514 synchronisierten Verteilers mit entsprechender
Kontaktzahl im Ausgangs stromkreis oder wie beim zweiten Ausführungsbeispiel mittels
einer zusätzlichen Schlitzblende zwischen Ultraschalleiter 514 und Keilfilter 518
mit einer entsprechenden Anzahl von Schlitzen in entsprechenden Abständen.