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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Untersuchen der chemischen
und/oder physikalischen Beschaffenheit von Stoffen, insbesondere der zeitlichen
Änderung dieser Beschaffenheit, mittels elektromagnetischer Wellen, bestehend aus
einem Schwingungserzeuger für die elektromagnetischen Wellen, einer von diesem gespeisten
Meßanordnung, z. B. einer Meßbrücke oder einem Meßgefäß für den zu untersuchenden
Stoff, und einer Empfangseinrichtung.
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Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, mit denen sich Phase
und Betrag durch die Lage eines Meßpunktes in einem Schmitt-Diagramm bestimmen läßt.
Diese Vorrichtungen bewirken jedoch keine echte Trennung von Phase und Betrag, sondern
ermöglichen nur über einen Umrechnungsvorgang eine Ablesung derselben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche eine hohe Empfindlichkeit aufweist und welche
gleichzeitig und kontinuierlich die Registrierung von Phase und Betrag der an der
Meßanordnung austretenden Hochfrequenzschwingung gestattet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Empfangseinrichtung als
Detektorbrücke mit zwei parallelliegenden Brückenzweigen ausgebildet ist, bei der
ein erster Einspeisungspunkt der Detektorbrücke an den Ausgang der Meßanordnung
und zweiter Einspeisungspunkt an den Schwingungserzeuger angeschaltet ist und der
eine Brückenzweig der Detektorbrücke einen ersten Detektor sowie einen 900-Phasenschieber
und der andere Brückenzweig einen zweiten Detektor aufweist, und eine Anzeigevorrichtung
vorgesehen ist, die von den Ausgangssignalen der beiden Detektoren gespeist wird.
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Vorteilhaft ist die Verwendung einer Modulatoreinrichtung, die der
Detektorbrücke vorgeschaltet ist und in der das die Meßanordnung verlassende Ausgangssignal
mit einer gegenüber der Frequenz des Schwingungserzeugers niedrigen Hilfsfrequenz
moduliert wird.
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Der an die Meßanordnung gelangende Energieanteil des Schwingungserzeugers
ist groß gegen den an den zweiten Einspeisungspunkt der Detektorbrücke gelangenden
Energieanteil.
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Es ist günstig, in der Energiezuleitung von dem Schwingungserzeuger
zu dem zweiten Einspeisungspunkt der Detektorbrücke einen Phasenschieber einzuschalten,
um die Lage der Meßwerte auf der Anzeigevorrichtung einstellen zu können.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die Meßanordnung als zweiarmige
Meßbrücke ausgebildet und enthält ein für Hochfrequenzschwingungen durchlässiges
Meßgefäß, einen Phasenschieber und ein Dämpfungsglied, die entweder so angeordnet
sind, daß sich Meßgefäß und Phasenschieber im ersten Brückenzweig befinden, das
Dämpfungsglied dagegen im zweiten, oder so, daß das Meßgerät im ersten Brückenzweig
enthalten ist, Dämpfungsglied und Phasenschieber dagegen im zweiten. Die Verwendung
von je einem Meßgefäß in jedem Zweig der Meßbrücke, vorzugsweise gleicher Meßgefäße,
ermöglicht Differenzmessungen. Hierdurch lassen sich etwa die Einflüsse von Temperaturänderungen
und eines eventuell verwendeten Lösungsmittels ausschalten.
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Zur besseren Kontrolle und zur Messung von Absolutwerten können der
Phasenschieber und das Dämpfungsglied geeicht sein.
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Meßfehler durch Reflexionen der Hochfrequenzwellen können dadurch
ausgeschaltet werden, daß vor und/oder hinter dem Meßgefäß Einwegleitungen angeordnet
sind.
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Aus dem gleichen Grunde sind zweckmäßigerweise am ersten Einspeisungspunkt
der Detektorbrücke Einwegleitungen angeordnet.
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Es ist günstig, wenn der Schwingungserzeuger frequenzstabilisiert
ist, wobei die Frequenz des Schwingungserzeugers so gewählt ist, daß sie im Bereich
der Absorptionsfrequenzen, Dispersionsfrequenzen oder irgendwelcher Molekülresonanzfrequenzen
des zu untersuchenden Stoffes liegt. Die Wellenlänge der vom Schwingungserzeuger
erzeugten Hochfrequenzwellen kann im Zentimeter- bis Millimeterbereich liegen. Derartige
Schwingungen lassen sich etwa durch ein Klystron erzeugen, wobei die Meßbrücke,
die Detektorbrücke und die Energietransportleitungen für die Höchstfrequenzenergie
aus Hohlleitern aufgebaut und als Modulatoreinrichtung und Demodulator Dioden verwendet
werden.
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Die Energieverteilung an den Verzweigungspunkten der Meßbrücke und/oder
der Detektorbrücke kann in an sich bekannter Weise durch magische T-Glieder erfolgen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht.
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Die in dem Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung umfaßt als Schwingungserzeuger
ein Klystron 1, welches eine hochfrequente Strahlung von etwa 3 cm Wellenlänge erzeugt
und eine Ausgangsleistung von 100 Milliwatt aufweist. An das Klystron 1 schließt
sich ein Impedanzwandler 2 an, auf den eine Einwegleitung 3 folgt. Der Ausgang derselben
ist über einen Frequenzmesser 4 an einen Hohlleiter 5 angeschlossen, der an einen
Richtkoppler 6 mündet. Die ser Richtkoppler ist so aufgebaut, daß 10 °/o der durch
den Hohlleiter übertragenen Wellenenergie an ein Dämpfungsglied 7 geleitet werden,
während 90°/o dieser Energie an ein magisches T-Glied 8 gelangen.
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Dieses T-Glied bildet den Eingang der Meßbrücke 9 und teilt die ankommende
Wellenenergie in zwei gleiche Teile auf, die in je einen Zweig der Meßbrücke 9 geleitet
werden. Der eine Zweig der Meßbrücke, den man als Bezugszweig bezeichnen könnte,
enthält DämpfungsgliederlO und 11, während der andere Zweig, der den Meßzweig bildet,
einen Phasenschieber 12, eine Einwegleitung 13, das Meßgefäß 14 sowie eine zweite
Einwegleitung 15 umfaßt, welche Teile sämtlich hintereinander angeordnet sind.
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Der Phasenschieber 12 ist vorzugsweise geeicht. Er kann natürlich
auch statt in dem Meßzweig in dem Bezugszweig der Meßbrücke 9 angeordnet sein.
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Beide Brückeazweige sind an einem zweiten magischen T-Glied 16 zusammengeführt.
Die zusammengeführte Wellenenergie gelangt über den Hohlleiter 17 an ein Dämpfungsglied
18 und von dort an eine Modulationseinrichtung 19, der außerdem ein 100-kHz-Signal
zugeführt wird. Der Ausgang der Modulatoreinrichtungl9 ist über Einwegleitungen
20, 21 und 22 an ein magischesT-Glied23 der Demodulatorbrücke geführt. Dieses T-Glied
teilt die ankommende Energie in zwei gleich große Anteile auf, die in einen ersten
Demodulatorbrückenzweig 24 bzw. einen zweiten Demodulatorbrückenzweig 25 eingespeist
werden. In jedem dieser Demodulatorbrückenzweige befindet sich eine Demodulatordiode
26 bzw.
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27, die mit einem einfachen T-Glied angekoppelt
sind.
Man kann jedoch auch, wie in der Figur dargestellt ist, zur Ankopplung magischeT-Glieder
verwenden, die jeweils mit zwei Dioden ausgestattet sind, wobei durch die Phasenverschiebung
um 1800 (durch das magische T-Glied) an den beiden Dioden eine Differenzmessung
ermöglicht wird, die eine weitere Verbesserung der Meßempfindlichkeit mit sich bringt.
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Die Demodulationsausgänge der als Demodulatoren dienenden Dioden 26
und 27 sind an die Eingänge eines Zwillingsverstärkers 30 geleitet, der an einen
Oszillographen 31 angeschlossen ist. Der erste Zweig der Demodulatorbrücke enthält
außerdem noch einen 900-Phasenschieber 28. Das andere Ende der beiden Demodulatorbrückenzweige
endet ebenfalls in einem magischen T-Glied 29, welches von dem Dämpfungsglied 7
und über den Phasenschieber 12 a Energie bezieht und diese in zwei gleiche Anteile
aufteilt.
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Ein quarzgesteuerter 100-kHz-Oszillator 32 speist einerseits die
Modulatoreinrichtung 19 und andererseits eine Helligkeitssteuereinrichtung 33 für
den Oszillographen 31.
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Zum Betrieb der Vorrichtung wird der zu untersuchende Stoff in das
Meßgefäß 14 eingeführt. Sodann werden die Dämpfungsglieder 10 und 11 sowie der Phasenschieber
12 der Meßbrücke 9 derart eingestellt, daß am Ausgang des magischen T 16 der Meßbrücke
keine Spannung mehr vorhanden ist, d. h. daß die Meßbrücke abgeglichen ist. Treten
nun irgendwelche Veränderungen des Stoffes auf, so werden sich auch dessen Dielektrizitätskonstante
und dessen Verlustwinkel gewöhnlich verändern, so daß die Meßbrücke 9 aus dem Gleichgewicht
kommt und am Ausgang derselben eine Hochfrequenz-Wellenenergie auftritt, die ein
Maß für die Änderungen des Zustandes des Stoffes ist. Dieses Signal gelangt über
ein Dämpfungsglied 18 an die Modulationseinrichtun 19 und wird in dieser mit der
Frequenz von 100 kHz des Hilfsoszillators 32 amplitudenmoduliert und gelangt schließlich
über die Einwegleitungen 20, 21 und 22 an den Eingang der Demodulatorbrücke.
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Durch das Eingangs-T-Glied 23 derselben wird das Signal in zwei gleich
große Teile zerlegt, die auf die Brückenzweige 24 bzw. 25 gegeben werden. Durch
Vergleich mit dem am Richtkoppler 6 ausgekoppelten Bezugssignal, das über ein weiteres
T-Glied 29 ebenfalls in zwei gleich große Energieanteile aufgeteilt ist, läßt sich
das Signal in zwei orthogonale Komponenten zerlegen.
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Die in den Dioden 26 und 27 gleichgerichteten Signale gelangen sodann
über einen Zwillingsverstärker 30 an einen Oszillographen 31. Diese Komponenten
kann man jeweils dem Fehler der Phase und der Dämpfung in der Meßbrücke zuordnen,
wobei diese Zuordnung um so genauer ist, je kleiner die Fehler sind. Die Komponenten
des Signals werden an die beiden Plattenpaare des Oszillographen gelegt und also
zweidimensional angezeigt. Das Helligkeitssteuergerät 33 bewirkt, daß die auf dem
Oszillographenschirm normalerweise auftretende Lissajous-Figur, die gewöhnlich eine
Ellipse ist, nur an einem Umkehrpunkt, d. h. einem Schnittpunkt der großen Achse
der Ellipse mit dieser selbst wiedergegeben wird. Hierdurch erreicht man eine eindeutige
Anzeige.
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Die Anzeige kann in Dezibel und Grad geeicht sein. Die Empfindlichkeit
der Demodulatoreinrichtung beträgt etwa -95 dbm. Änderungen von 5 10-3 db bzw. 1
10-2 Grad sind damit gerade
noch erkennbar. Das entspricht Molkonzentrationsänderungen
einfacher organischer Substanzen von etwa 10-molar. Die Empfindlichkeit der Anzeige
der Konzentrationsänderungen ist dabei unabhängig von der Grundkonzentration, jedoch
abhängig von den dielektrischen Eigenschaften der Substanzen.
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Die Registrierzeit für schnell ablaufende Vorgänge ist abhängig von
der Bandbreite des Verstärkers. Sie liegt bei einer verwendeten Vorrichtung in der
Größenordnung von Millisekunden, kann jedoch ohne Schwierigkeiten noch verkleinert
werden.
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Die Klystronstabilität läßt sich durch Einbau an sich bekannter quarzgesteuerter
Stabilisiergeräte wesentlich verbessern, und zwar auf Werte von 10-6 pro Woche und
10-8 im Mittel für kurze Zeiträume.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich für mannigfaltige Zwecke
verwenden, von denen einige im folgenden aufgezählt sind.
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1. Chemische Analysen und die Messung von Reaktionsgeschwindigkeiten.
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2. Die Übertragung von gesteuerten chemischen Reaktionen vom Laborbetrieb
auf die Großherstellung.
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3. Die Aufzeichnung und Überwachung von Härteprozessen von Polymerisationsreaktionen,
z. B. zum Erhöhen der Ausbeute bei der Kunstseideherstellung.
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4. Die Herstellung von Isolierstoffen, um eine maximale Isolierfähigkeit
zu erreichen.
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5. Die automatische, kontinuierliche Aufzeichnung von Alterungsprozessen
über längere Zeiträume, etwa unter Zuhilfenahme eines Linienschreibers.
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6. Die Messung hygroskopischer Eigenschaften und des Feuchtigkeitsgehalts.
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7. Die Aufzeichnung von Stoffumwandlungen in Bakterienkulturen und
Gewebeauszügen.
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8. Kontinuierliche Aufzeichnung der Verdauung von Eiweißstoffen durch
Fermente und der Zersetzung von Eiweiß stoffen durch Hitze.
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9. Die Untersuchung von Blut und Gewebe am lebenden Organismus von
Tieren oder Menschen.
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10. Die Untersuchung an Gasen und Plasmen.
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Die für diese Anwendungen günstigsten Frequenzen des Schwingungserzeugers
lassen sich leicht aus vorläufigen Messungen bestimmen oder aus der einschlägigen
Literatur entnehmen. Hierzu kann man grobe Messungen mit durchstimmbaren Generatoren
vornehmen.
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An Stelle von Transmissionsmessungen kann man mit der Vorrichtung
nach der Erfindung bei abgeänderter Ausbildung der Meßbrücke auch Reflexionsmessungen
ausführen.
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Es kann auch in jedem Zweig der Meßbrücke ein Meßgefäß vorgesehen
sein. Dies ist insbesondere günstig für die Untersuchung von Stoffen, die in einem
Lösungsmittel gelöst sind, da dessen Einfluß auf das Gleichgewicht der Meßbrücke
auf diese Weise ausgeschaltet werden kann und lediglich der gelöste Stoff das Fehlersignal
beeinflußt.
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Insbesondere zur Untersuchung von Reaktionsabläufen kann man zwei
oder mehr Vorrichtungen nach
der Erfindung verwenden, wobei die
Meßzweige der Meßbrücken ein gemeinsames Meßgefäß enthalten, durch das die zu untersuchende,
reagierende Substanz geleitet wird oder in dem sie enthalten ist. Die verschiedenen
Vorrichtungen werden jedoch mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben, die typisch
sind für die Ausgangsprodukte, Zwischenprodukte und/oder Endprodukte.