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Optische Einrichtung für Lichtmeßgeräte Die Erfindung betrifft eine
optische Einrichtung zur Verwendung in Mikrolichtmeßgeräten mit einem optischen
System für Lichtverdrängung oder -durchlässigkeitß beispielsweise Kolorimeter, Spektrophotometer
und Geräte zur Messung der Gaskonzentration und zur Messung von Rauch und Trübung.
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In Fig. 1 ist ein Zweistrahlinfrarotanalysator so angeordnet daß die
Differenz der von zwei Lichtquellen 1 und 2 emittierten Infrarotenergie eine Bezugszelle
3 bzw. eine Testzelle 4 passiert und von einem Detektor 5 absorbiert wird. Die Energiedifferenz
leitet sich ab aus der Druckdifferenz in den Kammern 6 und 7 des Detektors 5. Die
Druckdifferenz wird zur Messung der Gaskonzentration des Testgases von einem Kondensatormikrophon
8 in ein elektrisches Signal umgeformt.
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Zur einfacheren Umwandlung in elektrische Signale im Detektor 5 wird
die Lichtbahn in jeder Kammer von einem Lichtunterbrecher 9 so unterteilt, daß man
einen Wechselstromverlauf gegebener Periode erhält. Die Druckmeßkennlinien der Kammern
6 und 7 eines Detektors mit idealem F.ondensatormikrophon sind in Fig. 2 gezeigt.
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Auch wenn kein Gas durch die Testzelle strömt erhält man infolge Herstellungsungenauigkeiten
der beiden Lichtquellen eine unterschiedliche Infrarotemission, so daß die den Detektor
erreichenden Energiemengen nicht gleich sind und ein Differenz- oder Fehlersignal
erzeugen. Man muß deshalb die Licht- oder Infrarotmengen in den beiden Rammern so
einregulieren, daß die Druckamplituden in den Kammern denselben Wert erreichen und
kein Fehlersignal entsteht.
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Bisher hat man zur Regulierung der Licht-engeR eine schatten-(Fig.3)
wert ende Platte 10 in die Lichtbahn gebracht. Da die Lichtbahn durch den Lichtunterbrecher
9 laufend unterbrochen wird wird beim Einführen des schattenwerfenden Gegenstandes
in eine Lichtbahn deren Wellenform gemäß Fig, 4 etwas verzerrt, d.h. die resultierende
Wellenform ist keine volständige Sinuskurve sondern enthält überlagerte harmonische
Schwingungen, was zu einem schlechteren Rausch- oder N/S-VerlElältnls führt, so
daß eine befriedigende Verstärkung unmöglich ist.
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Bei einer alternativen Methode wird gemäß Fig. 5 ein variabler Widerstand
11 in die Schaltung der Lichtquellen 1 und 2 eingefügtl mit dem man die Spannung
an den beiden Lichtquellen entsprechend verteilen kann. Man benötigt somit eine
entsprechende elektrische Schaltung zur Spannungsänderung. Die Anordnung hat außerdem
den Nachteils daß nach jeder Veränderung der Spannung für die Lichtquellen eine
gewisse Stabilisierungszeit abgewartet werden reiß, was die Einstellzeit verlängert.
Ferner wird durch die unterschiedliche Spannung an den beiden Lichtquellen infolge
der entsprechend unterschiedlichen Alterung derselben die Langzeitstabilität nachteilig
beeinflußt.
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Diese Nachteile rühren ausschließlich vom Lichtunterbrecher des r.>rarotanalysators
her. In den Fig. 6 und 7 ist ein konventioneller Lichtunterbrecher gezeigt.
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In Fig. 6 ist ein Motor 12 an der Rückseite der Lichtquellen 1 und
2 angebracht. Eine Welle 14 führt in der Mitte zwischen den beiden Lichtquellen
1 und 2 durch ein Reduktionsgetriebe 13 nach unten. Am Ende der Welle ist ein Lichtunterbrecherflügel
15 befestigt. Bei der Lichtunterbrechungseinrichtung nach Fig. 7 wird eine Welle
17 mit einem Lichtunterbrecherflügel 75 über eine Riemen- oder Getriebeuntersetzung
16 von einem von den Lichtquellen 1 und 2 getrennten Motor 12 angetrieben.
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In beiden Lichtzmterbrechungseinrichtungen kann man den axialen Abstand
der Lichtquellen 1 und 2 praktisch nicht frei variieren, da an der Rückseite der
Lichtquellen 1 und 2 der Motor 12 vorhanden ist und eine Riemen- oder Zahnraduntersetzung
erforderlich ist. Zur leichteren Verschiebung oder Verdrängung der Lichtquellen
1 und 2 muß man jedoch den Abstand zwischen den Lichtquellen 1 und 2 verändern können.
Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Einrichtung größer und in ihrer Arbeitsweise
beschränkt wird. Bei Verwendung eines Untersetzungsgetriebes gemäß den Fig. 6 und
7 ist ohne präzise Verarbeitung ein geringes Zahnradspiel unvermeidlich. Auch bei
Präzisionsbearbeitung tritt das Spiel im Laufe der Zeit ein.
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Bei Unterbrechern mit Reibungsgetriebe, wie etwa einem Riemen, ändert
sich der Reibungswiderstand durch die Abnutzung im Laufe der Zeit, so daß durch
Schlupf ein ungleichmäßiger Lauf entstehen kanne Nachteilig bei den bekannten Einrichtungen
ist ferner daß zum Antrieb des Untersetzungsgetriebes ein zusätzlicher Kraftaufwand
benötigt wird. Es wird ein stärkerer Motor erforderlich, der wieder mehr Leistung
verbraucht. Zum Antrieb des Lichtunterbrechefl"'lügels mit geringer Drehzahl muß
die hohe Motordrehzahl über ein Getriebe herabgesetzt werden1 dessen Lager nicht
wie die Lager des Lichtunterbrechungsflügels als öllose Edelsteinlager, z.Bs aus
Saphir ausgeführt werden können.
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Bis auf die Lager des Lichtunterbrecherflügels sind alle Lager aus
Metall. Durch die erforderliche Schmierung ist eine umständliche Wartung erforderlich.
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Die Erfindung hat sich die Auf gabe gestellt den Motorläufer für geringe
Drehzahl auszulegen und als Lichtunterbrechungsflügel zu verwenden, so daß mit einem
Untersetzungsgetriebe auch dessen Nachteile entfallen. Die ganze Einrichtung wird
kleiner und leichter und der Motor muß nur ein kleineres Drehmoment aufbringen.
Außerdem ist durch Verwendung von Edelsteinlagern keine Schmierung erforderlich.
Ferner kann man bei der Erfindung den Abstand der Lichtquellen direkt von außen
ohne einen schattenwerfenden Gegenstand oder elektrische Hilfsmittel zum Verändern
der Lichtmenge variieren1 so daß die Lichtmengen ohne Verzerrung der Wechselstromwellenform
regulierbar sind.
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Durch Vermeidung von Verzerrungen der Wellenform tritt auch kein Rauschen
auf. Ferner wird die Langzeitstabilität der Lichtquellen erhöht.
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Im Prinzip umfaßt die optische Einrichtung gemäß der Erfindung einen
Lichtunterbrecher, der zwischen einem Abschnitt mit den Kammern oder Zellen und
einem Abschnitt mit den Lichtquellen angeordnet ist, und eine Vorrichtung zum Regulieren
der Licht
menge. Zur ausführlicheren Erläuterung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen. Darin zeigt: Fig. 1 eine Ausführungsform eines üblichen Infrarotanalysators
mit zwei Lichtbahnen, Fig. 2 die Druckkennlinie eines idealen Detektors mit Kondensatormikrophon,
Fig. 3 die übliche Methode der Lichtmengenregulierung mittels eines schattenwerfenden
Gegenstandes1 Fig. 4 den Zusammenhang zwischen Wellenform des Drucks und Signal
bei dem Verfahren gemäß Fig. 31 Fig. 5 eine Anordnung zur elektrischen Lichtmengenregulierung,
Fig. 6 sowie Fig. 7 je eine Ausführungsform bekannter optischer Einrichtungen, Fig.
8 einen Längsschnitt durch die gesamte optische Einrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Lichtunterbrechers gemäß der Erfindung,
Fig. 10 einen Längsschnitt des Lichtunterbrechers, Fig. 11 einen vergrößerten Schnitt
durch die Lichtmengenreguliereinrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 12 eine Draufsicht
auf eine andere Ausführungsform der Lichtmengenreguliereinrichtung und Fig. 13 einen
Schnitt längs der Linie XIII-XILI in Fig. 12.
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Die optische Einrichtung nach Fig. 8 umfaßt einen Meß- oder Erfassungsabschnitt
20, einen Abschnitt 30 für die Zellen1 einen Abschnitt 40 zur Lichtunterbrechung
und einen Abschnitt 5G fur die Lichtquellen.
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Im Zellenabschnitt 30 dient eine Zelle 31 zur Aufnahme eines Testgases
und eine Zelle 32 zur Aufnahme eines Bezugegases.
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Der Erfassungsabschnitt 20 besitzt zwei den Zellen 31 und 32 zugeordnete
Detektoren 21 und 22. Die Ausgangsdifferenz der beiden Detektoren 21,22 wird von
einem Kondensatormikrophon 24 erfaßt und zur Erzeugung eines Signales von einem
Verstärker 23 verstärkt Der Lichtunterbrecher 40 gemäß Fig. 9 und 10 zeigt ein hohles
rundes Gehäuse iI aus nichtmagnetischem Material, einen in diesem Gehäuse 41 drehbar
gelagerten Rotor 42, eine Wicklung 43 an der inneren Umfangsseite des Gehäuses 41,
an den äußeren Umfang des Rotors 42 angepaßt, und Magnetpole 4. Die gegenüberliegenden
Stirnplatten des Gehäuses sind entsprechend den beiden Zellen 31 und 32 mit der
gewünschten Anzahl Öffnungen 45 versehen. Der Rotor oder Läufer 42 besteht aus einem
magnetischen Zylinder mit einer dünnen platte 46 mit einer Öffnung 47 ür das zu
unterbrechenden Licht. Die Welle 70 des Läufers 42 ist in Edelstein-48 lagern /,
beispielsweise Saphirlagern, drehbar. Die Wicklung 43 liegt in einem Wicklungskörper
oder -rahmen 49. Der Lichtunterbrecher 40 erzeugt mit der Wicklung 43 und den Magnetpolen
44 ein rotierendes Magnetfeld, so daß sich der Läufer 42 mit der gewünschten Drehzahl
dreht und mit der dünnen Platte 46 als Lichtunterbrecher wirkt. Das Drehfeld kann
auch auf andere Weise erzeugt werden, ähnlich der Ausführung in Spaltpol-, Hysterese-,
Kondensator- und Induktionsmotoren.
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Der erfindungsgemäße Lichtunterbrecher 40 arbeitet somit ohne Übersetzungsgetriebe,
vermeidet Reibung und Transmissionen sowie Laufunregelmäßigkeiten und Vibrationen
des Lichtunterbrecherflügels,
die vor allem bei Verschleiß auftreten
können. Durch den Wegfall einer Drehzahluntersetzung verringern sich Größe1 Gewicht
und Kosten der Einrichtung. Ferner kann man einen Motor mit geringem Stromverbrauch
verwenden. Durch die Verwendung von Lagern aus Saphir oder dgl. vereinfacht sich
durch den Wegfall einer Schmierung die Wartung. Da der Läufer selbst als Lichtunterbrecherflügel
arbeitet bildet der Lichtunterbrecher eine zwischen den Abschnitten für die Lichtquellen
und den Zellen einfach einsetzbare Einheit des optischen Systems was den Umgang
mit diesem sehr vereinfacht.
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Der Lichtquellenabschnitt 50 in Fig. 11 zeigt zwei Lichtquellen 51152
in einem Halter 53 entsprechend den beiden Zellen 31 und 32 Verschiebbar. Die beiden
Lichtquellen werden von einer noch zu beschreibenden Vorrichtung von außen in Richtung
der optischen Achse verschoben.
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Hierzu sind Lichtmengenregulierschrauben 54,55 drehbar angeordnet
und mit der Rückseite der Teile zur HaLterung der Lichtquellen 51 und 52 verbunden.
Sie sind in an einem Halter 53 befestigte Metallbügel 56 und 57 geschraubt. Die
Lage der Lichtquellen 51 und 52 ist über die Schrauben 58 und 59 im Halter 53 einstellbar.
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Am anderen Ende sind die Lichtmengenregulierschrauben 54 und 55 in
die Metallbügel 56 und 57 geschraubt und erlauben durch Drehen im Uhrzeigersinn
oder im Gegensinn das axiale Verschieben der Lichtquellen 51,52 im Halter 53 gegenüber
den Metallbügeln 56 und 57. Wenn an den Zellen 31,32 über die Detektoren 21122 ungleiche
Energiemengen von den Lichtquellen 51152 ankommen so läßt sich das durch Einstellen
der Lichtquellen 51,52 mittels der Regulierschrauben 54155 gegenüber dem Halter
62 ausgleichen.
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Eine andere Ausführungsform des Abschnitts 50 mit den Lichtquellen
ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
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In Bohrungen 63164 sind auf einem Halter 62 zwei Lichtquellen 60,61
gegenüber den Zellen 31,32 angeordnet. Die Bohrungen 63164 weisen wie Fig. 13 zeigt
abgestuften Durchmesser auf.
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Die innerste Zone 65 hat den kleinsten Durchmesser. In die Oeffnung
auf der der Zelle gegenüberliegenden Seite ist ein transparentes Fenster 66 eingepaßt.
Der Durchmesser der zentralen Zone 67 ist so gewählt daß ein zylindrisches Teil
68 oder 69 satt einsetzbar ist. Die mittlere Zone ist kürzer als das zylindrische
Teil. Den größten Durchmesser weist die Zone 70 auf, Die Lichtquellen 1 und 2 sind
in der Mitte der zylindrischen Teile 68169 angebracht. Die zylindrischen Teile 68,69
sind außen mit Schraubgewinde 8271 und Längsnuten 72s73 versehen, Die zylindrischen
Teile 68,69 lassen sich mit einer noch zu beschreibenden Vorrichtung von außen in
Richtung der optischen Achse verschieben.
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Lichtmengenregulierringe 74175 sind in den ringförmigen Zwischenraum
zwischen den Abschnitten 70 mit großem Durchmesser und den zylindrischen Teilen
68 bzw. 69 eingesetzt und mit Innengewinde 76177 auf das Außengewinde 82171 der
zylindrischen Teile 68 bzw. 69 geschraubt. Ein Führungsstift 78 ist von außen in
das zylindrische Teil geschraubt. Vorne sitzt der Führungsstift in der Längsnute
des zylindrischen Teils. Eine Setzschraube 79 für den Führungsstift und eine Setzschraube/£tr
den Lichtregulierring sind vorgesehen. Die zylindrischen Teile lassen sich somit
durch Drehen an den Lichtmengenregulierringen in ihrer Bohrung in Richtung der optischen
Achse verstellen.
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Nach Einjustierung der Lichtmengen werden die Regulierringe mittels
der Setzschrauben in ihrer Lage fixiert, Wie oben erwähnt ist die erfindungsgemäße
Lichtmengenreguliereinrichtung bequem von außen einstellbar und bedienbar, Da die
Lichtmengenreguliereinrichtung gemäß der Erfindung die Lichtquellen zum Verändern
ihres Abstandes vom Erfassungsabschnitt und zum Verändern der Lichtmengen auf der
Lichtbahn des optischen Systems verschiebt, kann die im Erfassungsabschnitt erfaßte
Wellenform nicht deformiert werden,
Die Lichtunterbrechungsvorrichtung
gemäß der Erfindung ist so ausgeführt, daß der Läufer selbst als Lichtunterbrechungsflügel
wirkte so daß kein besonderer Motor zu dessen Antrieb erforderlich ist, Man kann
deshalb an der Lichtunterbrechungsvorrichtung direkt nach außen gerichtete Lichtquellen
anbringen. Die erfindungsgemäße Lichtmengenreguliereinrichtung bildet somit zusammen
mit der beschriebenen Lichtunterbrechungsvorrichtung eine präzis regulierbare, optische
Einrichtung, die außerdem von außen bedienbar ist.