-
Die Erfindung bezieht sich auf ein registrierendes Spektralphotometer,
das nach dem Impulstrennungsverfahren arbeitet und bei dem eine optische Umschaltvorrichtung
periodisch abwechselnd Licht über einen Meßweg und einen Bezugsweg leitet und in
den dazwischenliegenden Schaltphasen beide Wege unterbricht.
-
Bei einem sogenannten Ratio-Spektralphotometer, bei dem das Verhältnis
der in beiden Lichtwegen auftretenden spektralphotometrischen Signale gemessen wird,
wird ein von einer Lichtquelle oder aus dem Ausgangsspalt eines Monochromators kommendes
Strahlungsbündel periodisch zeitlich abwechselnd über zwei optische Wege geleitet,
von denen der eine durch eine einen geeigneten Bezugsstoff enthaltende Zelle (Bezugszelle)
und der andere durch eine den zu untersuchenden Stoff, die Probe, enthaltende Zelle
(Probenzelle) hindurchgeht. Die Strahlung aus den beiden optischen Kanälen wird
danach auf einen gemeinsamen optischen Detektor vereinigt und dessen Ausgangsspannung
verstärkt. Es wird dann die Ausgangsspannung des Verstärkers auf zwei Signalkanäle
verteilt, von denen der erste den in dem Bezugsweg erzeugten optischen Signalen
entspricht, während der zweite den in dem Probenweg erzeugten optischen Signalen
entspricht. In jedem Signalkanal sind Signalspeicherungsvorrichtungen vorgesehen,
und die gespeicherten Signale werden einem Differenzverstärker zugeführt, der einen
Servomotor steuert, welcher seinerseits eine Vorrichtung für den Abgleich der beiden
dem Differenzverstärker zugeführten Signale steuert, z. B. den Kontaktarm eines
parallel zu der Speicherungsvorrichtung des Bezugskanals geschalteten Potentiometers
verstellt. Der Servomotor treibt ferner die Schreibfeder einer Aufzeichnungsvorrichtung
an, deren Registrierstreifen synchron mit den Wellenlängen des Monochromators angetrieben
wird, so daß die Aufzeichnung der Durchlässigkeit der Probe in Abhängigkeit der
Wellenlänge erhalten wird. Derartige Spektralphotometer sind bekannt.
-
Um das richtige Verhältnis zwischen der Durchlässigkeit der Bezugssubstanz
und der Probendurchlässigkeit zu erhalten, ist es notwendig, die den optischen Durchlässigkeiten
der beiden optischen Kanäle entsprechenden Signale durch einen gemeinsamen optischen
Detektor umzuwandeln, die erhaltenen elektrischen Signale in einem gemeinsamen Verstärker
zu verstärken und auf zwei Signalkanäle aufzuteilen, ohne daß sich hierbei tÇbersprechverhältnisse
ergeben.
-
Verschiedene für die Infrarotarbeit verwendete Detektoren, wie z.
B. Bleisulfidzellen und Thermoelemente, reagieren nur langsam auf änderungen der
auf sie auftreffenden Strahlung und werfen dadurch schwerwiegende »Übersprech«-Probleme
auf.
-
Unter »Übersprechen« werden allgemein Störungen verstanden, die in
einem Signalkanal durch Einstreuung von einem anderen Signalkanal entstehen.
-
Im nachfolgenden wird im wesentlichen zwischen »statischem Übersprechen«
und »dynamischem Ubersprechen« zu unterscheiden sein. Dabei wird unter »statischem
Übersprechen« die tÇbersprech-Störerscheinung verstanden, die sich in einem Signalkanal
dann ergibt, wenn das Nutzsignal dieses Kanals selbst Änderungen nicht unterworfen
ist. Unter dynamischem Übersprechen« werden Störsignale verstanden, die sich einstellen,
wenn das Nutzsignal in dem anderen Signalkanal schnellen änderungen
unterworfen ist.
Ein Beispiel für »statisches Übersprechen« bilden beispielsweise die eingangs erwähnten,
durch Trägheit des gemeinsamen Detektors bedingten Erscheinungen, die es zur Folge
haben, daß der Detektor in einer Signalphase noch Nachwirkungen des in der vorausgehenden
anderen Signalphase verarbeiteten Signals zeigt. Ein Beispiel für » dynamische Obersprecherscheinungen«
bilden beispielsweise die Einschwingvorgänge, die sich ergeben, wenn es infolge
eines scharfen Absorptionsbandes in dem Probenkanal zu Einschwingvorgängen kommt
und es dadurch vorübergehend zu einer Verschiebung der zur Ausnutzung gelangenden
Gegentaktsignale in bezug auf das Null-Potential kommt.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die bei einem
nach dem Impulstrennungsverfahren arbeitenden Spektralphotometer durch Übersprecherscheinungen
oder Auswanderung des Bezugspotentials auftretenden Meßfehler zu beseitigen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Spektralphotometer gelöst, das sich
erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, daß ein an sich bekannter Gegentaktverstärker
vorgesehen ist, der zwei gegenphasig gesteuerte Ausgänge aufweist, wobei über den
einen Ausgang während der Meß- und während der Bezugsphase zwei Speichervorrichtungen
während einer Zeitdauer t abwechselnd Ladung zugeführt wird, während in den Unterbrechungsphasen
über den anderen Ausgang mit halber Zeitdauer t/2 Ladung beiden Speichervorrichtungen
zugeführt wird.
-
Es ist bei Ratio-Detektoren an sich bekannt, eine vier Sektoren aufweisende
rotierende Sektorscheibe zur Umschaltung der optischen Strahlen über die beiden
optischen Wege vorzusehen und bei zwischen der Meßphase und zwischen der Bezugsphase
eine Signalunterbrechung zu bewirken und in diesen Dunkelimpulsen Kompensationsvorspannungen
auszutasten, die als Korrekturspannungen zur Kompensation von Nullpunktverlagerungen
der während der Meßphase bzw. der Bezugsphase erzeugten Signale verwendet werden,
indem diese aus den Dunkelimpulsen ausgeblendeten Signale für sich in einer Speichervorrichtung
gespeichert werden.
-
Die Ausnutzung der Dunkelimpulse verringert dynamische Übersprecherscheirtungen
und die dabei auftretenden Potentialverlagerungen im Ausgangskreis des Verstärkers,
wenn starke Änderungen der Signalamplitude des Meßsignals auftreten.
-
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen hervor, in denen F i g. 1 ein
Schaltschema eines erfindungsgemäßen Spektralphotometers ist, F i g. 2 die bevorzugte
Zeitfolge des Demodulators und des Modulators der vorliegenden Erfindung sowie eine
idealisierte Wellenform des Demodulatoreingangs veranschaulicht.
-
In Fig. 1 ist ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Spektralphotometers
dargestellt. Ein Strahlungsbündel von einer Nemstlampe 12 wird auf einen rotierenden
Sektorspiegel 14 gelenkt, der abwechselnd ein erstes Strahlungsbündel 16 durch einen
Bezugsstoff auf einen feststehenden Spiegel 20 und von dort auf einen Vereinigungsspiegel
22 und einen zweiten Strahl 24 auf einen feststehenden Spiegel 26 und von diesem
durch einen Probenstoff 28 zu dem Vereinigungsspiegel 22 lenkt. Der rotierende Spiegel
14 hat vier Quadranten, so daß der Strahl nacheinander
durchgelassen,
abgesperrt, reflektiert und abgesperrt wird. Es besteht das den zur Vereinigung
des über den Bezugsweg und den Probenweg geleiteten Lichts vorgesehenen Spiegel
22 verlassende Licht aus einer Folge von Lichtimpulsen, die durch verdunkelte Zwischenräume
voneinander getrennt sind, wobei jeder zweite Lichtimpuls eine Amplitude aufweist,
die der Durchlässigkeit des Bezugsstoffes entspricht, und jeder andere Lichtimpuls
eine Amplitude hat, die der Durchlässigkeit des Probenstoffes entspricht.
-
Die Impulsfolge wird sodann durch den Monochromator 30 geschickt.
Die den Ausgangsspalt des Monochromators 30 verlassende Impulsfolge wird auf einen
Strahlungsdetektor 32, z. B. ein Thermoelement, gelenkt. Der Detektor wandelt die
Impulse der auftreffenden Strahlung in eine Folge elektrischer Impulse um, die etwa
die gleiche Wellenform aufweisen wie die Strahlungsimpulse. Der Ausgangskreis des
Detektors 32 ist mit einem Verstärker verbunden, der mit gleicher Amplitude, jedoch
entgegengesetzter Polarität, Gegentakt-Ausgangssignale liefert. Diese Signale werden
an einen Demodulator 42 geführt, der zwei Ausgänge aufweist, die mit Speicherstufen
44 und 46 zeitlich abwechselnd verbunden werden.
-
44 ist die Bezugssignalspeicherstufe und 46 die Probensignalspeicherstufe,
wobei der Demodulator 42 die Bezugssignalimpulse und die Probensignalimpulse von
dem Verstärker 36 in den betreffenden Signalkanal leitet.
-
Ein Potentiometer 52 ist parallel zu dem Ausgang der Bezugssignalspeicherstufe
44 geschaltet und weist einen Kontaktarm 54 auf, der mit dem einen Eingang eines
Differenzverstärkers 56 verbunden ist. Der andere Eingang des Differenzverstärkers
56 ist mit der Ausgangsleitung der Probensignalspeicherstufe 46 verbunden. Der Ausgang
des Differenzverstärkers 56 steuert den Betrieb eines Schreiber-Servomotors 58,
der den Kontaktarm 54 antreibt sowie die Bewegung eines Schreiborgans in üblicher
Weise steuert.
-
Es ist ersichtlich, daß im Betrieb bei Einhaltung einer genauen Demodulationsfolge
der Demodulator 42 die im Ausgangskreis des Verstärkers 36 auftretenden Bezugssignale
in die Speicherstufe 44 leitet.
-
Die Bezugssignalspeicherstufe 44 wird nämlich zu der gleichen Zeit
für dieselbe Dauer mit der Leitung 50 verbunden, in der ein Bezugsstrahlungsimpuls
auf den Strahlungsdetektor 32 auftrifft. Die Probensignalspeicherstufe 46 wird zu
der gleichen Zeit und für dieselbe Dauer mit der Leitung 50 verbunden, in der ein
Probenstrahlungsimpuls auf den Detektor 32 auftrifft.
-
Übersprecheffekte werden durch die Verwendung eines Verstärkers mit
Gegentaktausgang und genaues Einhalten der Demodulationsfolge verringert. Da zwei
Gegentaktausgänge 38, 40 des Verstärkers 36 vorhanden sind, die gleiche Amplitude,
jedoch entgegengesetzte Polarität aufweisen, ist es möglich, Teile jeder der Ausgangsspannungen
den Speicherstufen so aufzudrücken, daß Übersprechen mit durch Einschwingvorgänge
bedingten Potentialverschiebungen wesentlich vermieden werden. Die für diesen Zweck
geeignete Demodulationsfolge wird in Verbindung mit F i g. 2 erläutert.
-
Die dargestellte Ausführungsform verwendet eine Zeittrennung der
Signale, bei der der rotierende Sektorspiegel 14 reflektierende und durchlässige
Quadranten hat, die durch lichtundurchlässige Sek-
toren voneinander getrennt sind,
und die Vereinigungsvorrichtung 22 ist ein zur Hälfte reflektierender und zur Hälfte
durchlässiger rotierender Spiegel. Ein derartiges optisches System bewirkt eine
optische Wellenform, die einen Bezugsimpuls, einen Verdunklungsimpuls, einen Probenimpuls
und einen Verdunklungsimpuls aufweist. Eine derartige Wellenform ist bei a in F
i g. 2 dargestellt.
-
Die durch die Strahlung auf den Detektor 32 von diesen erzeugten
Signale werden dem Verstärker 36 mit Gegentaktausgängen zugeführt. Dieser Verstärker
besteht aus einem Verstärker 60, einer Differenzierschaltung 62 und einem Hauptverstärker
64, mit einem Ausgangsübertrager 66, der eine Primärwicklung 68 und eine Sekundärwicklung70
aufweist, deren Mitte 72 geerdet ist. Die Differenzierschaltung 62 gleicht Verzerrungen
in dem Detektor aus, der häufig so wirkt wie ein idealer Detektor gefolgt von einem
Integrator. Der Ausgang von dem Vorverstärker 60 wird dem Hauptverstärker 64 zugeführt,
wo er weiter verstärkt wird. Wenn die Mitte 72 der sekundären Wicklung 70 des Ausgangsübertragers
66 geerdet ist, so nimmt die Ausgangsspannung an den Klemmen der Sekundärwicklung
des Übertragers 66 des Verstärkers 64 die Form zweier in bezug auf Erde symmetrischer
Stromkurven an.
-
Die Leitung 50 b ist geerdet und bildet das Bezugsniveau der gespeicherten
Signale.
-
Die Ausgangsleitungen38 und 40 sind an den Demodulator 42 geführt,
der hier aus zwei Schaltern 74 und 76 besteht, die je einen beweglichen Kontakt
und je zwei feste Kontakte 74 a, 74b bzw. 76 a, 76b aufweisen. Die festen Kontakte
74 a und 76 a sind mit der Ausgangsleitung 38 verbunden, während die festen Kontakte
74 b und 76 b mit der Ausgangsleitung 40 verbunden sind. Der bewegliche Kontakt
des Schalters 74 ist mit der Bezugssignalspeicherstufe 44 und der bewegliche Kontakt
des Schalters 76 mit der Probensignalspeicherstufe 46 verbunden. Die genannten beweglichen
Kontakte können durch an der den Spiegel 14 antreibenden rotierenden Welle angebrachte
Nocken gesteuert werden. Die Reihenfolge der Betätigung dieser Schalter ist bei
b, c und d in Fig.2 dargestellt.
-
Die Bezugssignalspeicherstufe 44 enthält einen Widerstand 78 und
einen Kondensator80, die in Reihe geschaltet sind. Die Probensignalspeicherstufe
46 umfaßt einen Widerstand 82 und einen Kondensator 84, die in Reihe geschaltet
sind.
-
In Fig.2 sind die Demodulations- und Modulationsfolgen der verschiedenen
Schalter dargestellt, zusammen mit den an den Ausgangsleitungen 38 und 40 entstehenden
Wellenformen. In dieser Abbildung zeigt ein Strich an, daß ein Schalter geschlossen
ist, während ein freier Zwischenraum anzeigt, daß der Schalter geöffnet ist; so
ist bei d der Schalterkontakt 74b in Kontakt mit dem beweglichen Kontakt des Schalters
74, und zwar jeweils für eine kurze Zeitspanne t während jedes Verdunklungsimpulses.
Der bewegliche Kontakt 74 ist mit dem Kontakt 74a während eines Bezugsimpulses doppelt
so lang in Kontakt, wie bei c dargestellt. Entsprechend ist der bewegliche Kontakt
des Schalters 76 in Kontakt mit dem unbeweglichen Kontakt 76 b ebenfalls für die
Dauer t bei jedem Verdunklungsimpuls, was auch bei c dargestellt ist, und für die
lange Dauer 2 t mit dem festen Kontakt 76 a während
jedes Probenimpulses
in Kontakt, wie bei b gezeigt.
-
Die Zeitr mag phasenmäßig 300 betragen, wobei 2 t dann 600 sind.
-
Die Ausgangsschaltung des Verstärkers ergibt an den Enden der Sekundärwicklung
70 des Übertragers 66 zwei spiegelbildliche Spannungswellenzüge. Normalerweise,
wenn die Signalamplituden praktisch konstant sind, schwankt jede dieser Wellen wegen
der geerdeten Mittelwindung72 der Sekundärwicklung 70 symmetrisch zur Erdspannung.
-
In F i g. 2 g stellt die obere Spannungskurve die an der Leitung
38 sich ausbildende Spannung gegenüber dem Erdungspunkt 72 und die untere spiegelbildliche
Spannungskurve die sich an der Leitung 40 ausbildende Spannung dar.
-
Jede Wellenform schwankt, so daß die Fläche oberhalb und unterhalb
der Nullinie gleich ist. Die Spannungen, deren Vergleich gewünscht wird, sind mit
den AmplitudenA und B bezeichnet, die das Bezugssignal bzw. das Probensignal darstellen.
Die in der Bezugsphase dem Bezugskanalkondensator 80 zugeführte Spannung ist jedoch
gleich, während die ihm in den Dunkelphasen zugeführte Spannung gleich C ist. Es
ist also offenbar, daß C und D von dem gewünschten Wert A abweichen.
-
Kurz bevor der Bezugsimpuls an den Ausgangsleitungen 38 und 40 auftritt,
wird der bewegliche Schaltkontakt des Schalters 74 mit dem festen Schaltkontakt
74 b in Berührung gebracht, wodurch die Ausgangsleitung 40 mit dem integrierenden
Kondensator 80 verbunden wird. Eine Spannung mit der positiven Amplitude C wird
für die Zeit t dem Kondensator 80 aufgedrückt, was dessen Aufladung entsprechend
der schraffierten Fläche k = t C bewirkt, und der Kondensator wird sodann von der
Leitung 40 abgeschaltet. Der Kondensator wird als nächstes mit der Leitung 38 verbunden,
wenn der bewegliche Kontakt während des Bezugsimpulses den Kontakt 74 berührt. Die
Spannung an der Leitung 38 ist zu diesem Zeitpunkt von einer Amplitude D, was (vgl.
die schraffierte Fläche 1 = 2 t * D) eine Ladung des Kondensators für eine Zeitspanne
2t bewirkt, nach der der Kondensator wiederum von dem Verstärkerausgang abgeschaltet
wird. Die nächste Schaltperiode findet wieder während eines Verdunklungsimpulses
statt, so daß der Kondensator wieder für die Dauer t mit der Spannung C aufgeladen
wird (vgl. schraffierte Fläche m = t C).
-
So hat sich während eines Demodulationszyklus der Kondensator 80
mit einer Ladung, die proportional 2 t [C + D] 2 t A ist, aufgeladen. Die dem Eingang
des Servoverstärkers 56 zugeführte Spannung steht also in direktem Verhältnis zu
der AmplitudeA des Bezugsimpulses. Der gleiche Vorgang findet in dem Probensignalkanal
statt, so daß die an dem Kondensator 84 gespeicherte Spannung einen Wert von B hat
und das wahre Verhältnis von B zu A aufgezeichnet werden kann. Die leichte Welligkeit,
die durch das fortlaufende Auf- und Entladen der Kondensatoren bewirkt wird, ist
unerheblich.
-
F i g. 2h zeigt die Verhältnisse für die an den Leitungen 38, 40
auftretenden Wellenformen, wenn, infolge einer niederfrequenten Ausgleichsschwingung,
bedingt durch eine plötzliche Anderung der Durchlässigkeit der Probenzelle bei Durchlaufen
von Absorptionsbanden, die beiden Spannungskurven in bezug auf den Erdungspunkt
in positiver bzw. in negativer Richtung verschoben erscheinen. Die obere
der in F
i g. 2 h dargestellten Spannungskurven bezeichnet wiederum die an der Leitung 38
auftretende Spannung und die untere Kurve die an der Leitung 40 auftretende Spannung.
Jede dieser Spannungskurven hat eine mit E bezeichnete Gleichstromkomponente, derart,
daß der Flächeninhalt oberhalb dieser Gleichspannungskomponente und der Flächeninhalt
unterhalb derselben gleich ist. Es erzeugt dadurch der Verstärker 36 während der
Dunkeltastperioden an den Leitungen 38 und 40 in bezug auf den Erdungspunkt ein
Potential F. Dieses Potential ist in Fig. 2h als ein Gleichspannungspotential dargestellt,
es handelt sich jedoch im allgemeinen um ein langsam schwankendes Potential. Da
bei der Erfindung der Verstärker 36 einen Gegentaktausgangskreis hat, handelt es
sich um Verschiebungspotentiale F entgegengesetzter Richtung für die an der Leitung
38 bzw. 40 auftretenden Spannungen.
-
Auch in diesem Fall soll die Amplitude des Bezugsimpulses verglichen
werden mit der Amplitude B des Probenimpulses. Bisher war es außerordentlich schwierig,
den Einfluß dieses Verschiebungspotentials F zu berücksichtigen.
-
Man erkennt aus Fig.Lh, daß während des Bezugsimpulses der Speicherkondensator
80 eine der mit 1'bezeichneten schraffierten Fläche 2 D t proportionale positive
Ladung aufnimmt und während des vorausgehenden Dunkelimpulses und des nachfolgenden
Dunkelimpulses zusammen eine den mit k', m' bezeichneten, schraffierten Flächen
entsprechende negative Ladung 2fit aufnimmt, so daß die insgesamt aufgenommene Ladung
wiederum 2 A t proportional ist. Es ist offensichtlich, daß die Signalamplitude
A, d. h. die Impulshöhe oberhalb des Dunkelimpulses, gleich D-F ist. Dieselbe Erscheinung
ergibt sich hinsichtlich des Bezugsimpulses B.
-
Die Demodulationsschaltung beseitigte daher Übersprecherscheinungen,
die mit der Bildung von Potentialverschiebungen F verbunden sind. Bei Verwendung
von optischen Detektoren, die Trägheitserscheinungen aufweisen, stellen sich solche
Potentialverschiebungen in jedem Impuls ein, und diese Potentialverschiebungen werden
bei der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls im wesentlichen beseitigt.
-
Die Kombination eines Widerstandes und eines Kondensators als eine
Speichervorrichtung sowie die Kombination 82, 84 für die Probenspeicherung und die
Kombination 78, 80 für eine Bezugsspeichervorrichtung kann wirksam durch integrierende
Verstärker ersetzt werden. In diesem Fall ist ein Verstärker zu jedem der Kondensatoren
84 und 80 parallelzuschalten. Integrierende Verstärker an Stelle von RC-Kombinationen
haben den Vorteil einer verhältnismäßig hohen Eingangsimpedanz, die derartig ist,
daß der Ausgang des Verstärkers 64 nicht nennenswert belastet wird. Ferner haben
integrierende Verstärker eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz, d. h., die dort gespeicherte
Spannung wird nicht nennenswert von der Ladung der Gegenkopplungsbahn beeinflußt.
-
Es ist offensichtlich, daß die Demodulatorvorrichtung 42 nicht notwendigerweise
aus mechanisch gesteuerten Umschaltern 74, 76 bestehen muß. Es kann eine beliebige
Demodulatorvorrichtung Anwendung finden, die es sicherstellt, daß in der Meßphase
und in der Bezugsphase eine Verbindung der zur Speicherung des Meßsignals bzw. zur
Speicherung des Bezugssignals
vorgesehene Speichervorrichtung44
mit der einen Ausgangsleitung 38 der Verstärkeranordnun 36 erfolgt und während der
Dunkelintervalle eine Verbindung beider Speichervorrichtungen mit der anderen Ausgangsleitung
40 erfolgt, so daß das in F i g. 2 veranschaulichte Durchschaltungsschema gewährleistet
ist.