DE2132973A1 - Optische Einrichtung fuer Lichtmessgeraete - Google Patents

Optische Einrichtung fuer Lichtmessgeraete

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DE2132973A1
DE2132973A1 DE19712132973 DE2132973A DE2132973A1 DE 2132973 A1 DE2132973 A1 DE 2132973A1 DE 19712132973 DE19712132973 DE 19712132973 DE 2132973 A DE2132973 A DE 2132973A DE 2132973 A1 DE2132973 A1 DE 2132973A1
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Kozo Isida
Haruo Kotani
Tosio Simazaki
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/37Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using pneumatic detection

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Nachteile rühren ausschließlich vom Lichtunterbrecher des r.>rarotanalysators her. In den Fig. 6 und 7 ist ein konventioneller Lichtunterbrecher gezeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bis auf die Lager des Lichtunterbrecherflügels sind alle Lager aus Metall. Durch die erforderliche Schmierung ist eine umständliche Wartung erforderlich.
  • 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.
  • Durch Vermeidung von Verzerrungen der Wellenform tritt auch kein Rauschen auf. Ferner wird die Langzeitstabilität der Lichtquellen erhöht.
  • 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.
  • 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.
  • Im Zellenabschnitt 30 dient eine Zelle 31 zur Aufnahme eines Testgases und eine Zelle 32 zur Aufnahme eines Bezugegases.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine andere Ausführungsform des Abschnitts 50 mit den Lichtquellen ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

patentansprüche
1. Optische Einrichtung, gekennzeichnet durch einen Lichtquellenabschnitt zum Einstellen der Lichtmenge1 durch einen Lichtunterbrechungsabschnitt mit einem Rotor als Lichtunterbrechungsflügel, durch einen Zellenabschnitt mit einer Bezugszelle und einer Testselle und durch einen Erfassungsabschnitt mit zwei Detektoren, wobei die lichtunterbrechende Vorrichtung 80 zwischen dem Lichtquellenabschnitt und dem Zellenabschnitt entlang der optischen Achse angeordnet ist, daß das Ganze eine Einheit bildet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Lichtquellenabschnitt zur Lichtmengenregulierung durch mechanische Mittels durch eine tichtunterbrechungsvorrichtung mit einem als Lichtunterbrechungsflügel dienenden Rotor und durch einen Zellenabschnitt und einen Erfassungsabschnitt1 wobei der lichtunterbrechende Abschnitt entlang der optischen Achse zwischen der Lichtquelle und dem Zellenabschnitt angeordnet ist und der Erfassungsabschnitt auf der anderen Seite des Zellenabachnittes liegt.
3, Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtunterbrechende Abschnitt ein rundes, nicht magnetisches Gehäuse aufweist, daß in dem Gehäuse ein zylindrischer Rotor aus magnetischem Material drehbar gelagert ist und daß an der Innenseite des Gehäuses eine der Gehäuseperipherie und an Magnetpole angepaßte Wicklung vorhanden ist, wobei lattenförmige Teile des s Gehäuses und des Rotors mit Fenstern fUr das durchtretende Licht versehen sind, so daß der Rotor selbst als LichtunterbrechungsflUgel wirkt.
4, Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquellenabschnitt zwei Lichtquellen aufweist, einen Halter zur derartigen Aufnahme der Lichtquellen1 daß sie in Richtung der optischen Achse verschiebbar sind1 einen von außen bedienbaren Mechanismus zum Bewegen der Lichtquellen in Richtung der optischen Achse und Schrauben zum Fixieren der Lichtquellen am Halter,
5. Optische Einrichtung nach Anspruch + dadurch gekennzeichnet1 daß der von außen bedienbare Mechanismus zum Bewegen der Lichtquellen in Richtung der optischen Achse in einem Teil drehbar gelagert ist, das die Lichtquellen trägt, und Lichtmengenregulierschrauben aufweist die aus dem Halter herausragen, und die Schrauben aufnehmende Metallbügel, die am Halter angebracht sind,
6. Optische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von außen bedienbare Mechanismus zum Verschieben der Lichtquellen in Richtung der optischen Achse zylindrische Teile für die Lichtquellen aufweist, außen mit Gewinde und Längsnuten versehen und nur in Richtung der optischen Achse verschiebbar, und daß die Lichtmengenregulierringe auf die zylindrischen Teile geschraubt und in eine bestimmte Stellung drehbar sind, L e e r s e i t e
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