DE2140335A1

DE2140335A1 - Photometer

Info

Publication number: DE2140335A1
Application number: DE2140335A
Authority: DE
Inventors: Joachim Mueller; Adolf Triller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-08-11
Filing date: 1971-08-11
Publication date: 1973-02-22
Also published as: GB1387607A; DE2140335B2; FR2148576A1; US3790290A; CH549206A; FR2148576B1; IT963763B

Description

DHMOLLER-BORß DIPL-PHYS. DR. MANlTZ DIPL-CHEMDItDEUFEk DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-INO. GRÄMKOW

PATENTANWÄLTE 2 !

M/bg - S 2285

ERWIN SICK
7808 Waldkirch (Brsg.)

Photometer

Die Erfindung betrifft ein Photometer, bei dem von einer einzigen Lichtquelle ein Mess- und Yergleichsstrahl abgeleitet und zwei Photoempfängern zugeführt werden? aus deren Ausgangssignalen, eine für die Transmission, Extinktion, Remission oder dergleichen repräsentative Anzeige gebildet wird.¹

Bei genauen photometrischen Messungen tritt gewöhnlich das Problem der Kompensation von Lichtquelle und Photοempfänger gegen Temperatur- und Spannungsänderungen sowie gegen Alterung auf. Zur Lösung dieses Problems sind bereits zwei 2-Strahl-Verfahren bekannt, bei denen nur ein Photοempfanger verwendet wird, indem ein Mess- und ein Vergleichsstrahl entweder abwechselnd auf den Photoempfänger gegeben werden oder auch gleichzeitig -jedoch mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert. Die Signale werden dann elektrisch voneinander getrennt,und

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Dr. M0!!er-Bsr<5 ' Dr. Msnitz · Dr. Deufel · Dipl.-Ing. FinstMwald ' Dipl.-Iitg. Grflmkow

33 Bratmichweig, Am B3rgerparlc8 8 München 22, Robert-Kodi-StraSe 1 7 Stuttgart - Bad Connstatt

Telefon (0531) 73387 _{TAfcn (am)} ^₅ ^ g^ _mbp(jf Markhtrafl· 3, Telefon (0711) 5i72«l Bank; Zentralkaui Bayer. Volksbanken, München, Kto.-Nr. 9822 Postxhsdt: MOnehen 95495

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Es wird aus ihnen der Quotient gebildet. Praktisch wird der Quotient meist nur indirekt ermittelt, indem ein Regelkreis (Lampenregelung bzw. Verstärkungsregelung) das Vergleichssignal auf einem konstanten Wert hält. Beide Verfahren werden in der Praxis für sehr genaue Messungen physikalischer Größen wie Transmission, Extinktion und Remission verwendet, bedingen jedoch einen relativ hohen technischen Auwand, so daß sie in der Anwendung kostspielig sind.

Normale Einstrahlphotometer sind zwar mit geringem Aufwand herstellbar, ihre Genauigkeit liegt gedoeh um fast 2 Größenordnungen niedriger als die der oben genannten Ein-Strahl-Geräte, zumindest wenn sie langzeitig im Einsatz sind.

Es ist auch schon ein Zwei-Zellen-Photometer bekannt, bei dem mit der Vergleichszelle über einen Servomotor eine verstellbare Blende auf Gleichheit der zu vergleichenden Idchtströme eingestellt wird. Die mechanische Stellung der Blende ist dann ein Haß für die Transmission. Der Nachteil dieser Anordnung besteht Jedoch darin, daß aufgrund der mechanischen Regelung die Ansprechzeiten relativ lang sind. Außerdem ist die Beeinflußung der am Teilerspiegel reflektierten bzw. durch ihn hindurchgehenden Lichtstrahlen ungleich.

Bei einem weiteren bekannten Rauchdichtemeßgerät empfängt die Vergleichszelle einen Teillicht strom. Das von der Vergleichszelle abgegebenen elektrische Signal wird zur Regelung der Lampenhelligkeit benutzt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß der Meß- und Vergleichslichtstrom aus untei»hiedlichen Sendewinkelbereichen der Lampe stammen. Da die Kolben der Lampen stets inhomogen geschwärzt werden, arbeitet diese bekannte Methode nicht fehlerfrei. Außerdem ist die Regelung des Lampenstroms eine LeistungsregelungfPdaß der elektronische Aufwand relativ groß ist. Die Regizeitkonstante der bekannten Anordnung ist relativ groß, da die thermische Trägheit der

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Lampe eingeht.

Das Ziel der Erfindung bestellt darin, ein Photometer zu schaffen, das bei einem relativ geringen technischen Aufwand eine hohe Genauigkeit liefert und somit die Lücke zwischen den bekannten Methoden schließt. Außerdem soll die elektronische Schaltung wenig aufwendig sein, die Ansprechzeit_konstante einen möglichst geringen Wert haben und eine unterschiedliche Beeinflussung der Strahlen vermieden werden»

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der von der Lichtquelle kommende Lichtstrahl an einem Teilerspiegel in eiffii Meß- und Vergleichsstrahl aufgeteilt wird, daß der Meßstrahl an einem Reflektor in sich zurückgeworfen und am gleichen Teilerspiegel zu einem ersten Photoempfänger umgelenkt wird und daß der Vergleichsstrahl an einem Spiegel unter einem solchen Winkel reflektiert wird, daß er zwar noch auf den Teilerspiegel, jedoch nicht auf den ersten Photo empfänger, sondern auf einen in unmittelbarer Nähe desselben angeordneten zweiten Photoempfänger fällt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Meßstrahl und der Vergleichsstrahl an dem spektral im allgemeinen nicht neutralen Teilerspiegel je einen Durchgang und je eine Eeflektion aufweisen und damit spektral in identischer Weise verändert vje*den. Da die beiden Photo empfänger überdies unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, sind !Fehler durch unterschiedliche Temperaturen weitgehend ausgeschaltet. Erfindungsgemäß werden Photoempfänger verwendet, die im geforderten Temperaturbereich weniger als 2 %eAbweichung in ihrer relativen Empfindlichkeit aufweisen.

Vorzugsweise wird der Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert, was für die Auswertung Vorteile ergibt.

Die optische Anordnung ist vorzugsweise so, daß die Lichtquelle duafe. einen· Kondensator auf den Lochring einer umlaufenden Loch-

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scheibe abgebildet ist. Die Modulationsfrequenz beträgt vorzugsweise 4 kHz.

Zweckmäßigerweise bildet ein Makroobjektiv, das hinter der Lochscheibe angeordnet ist, das Bild der Lichtquellenwendel in das am Beginn der Meßstrecke befindliche Objektiv ab. Der Teilerspiegel ist vorteilhafterweise zwischen Makroobjektiv und Objektiv angeordnet.

Der Reflexionsspiegel ist vorzugsweise sphärisch oder parabolisch ^ ausgebildet, derart, daß er das auffallende Licht des Vergleichsstrahles auf dem zweiten Photoempfänger konzentriert.

Ein weitgehend gleiches Temperaturverhalten wird gewährleistet, wenn die beiden Photoempfänger in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

Sofern das verwendete Licht moduliert ist, werden die beiden Ausgangssignale der Photoempfänger vorzugsweise über eine Hochpaß und das Vergleichssignal zusätzlich über einen Gleichrichter mit einem Tiefpaß gemeinsam an einen Regelverstärker gelegt.

Wird auf eine Lichtmodulation verzichtet, können die Ausgangs- f signale der beiden Photoempfänger über einen Tiefpaß und das Vergleichssignal zusätzlich über einen Zerhacker gemeinsam an einen Regelverstärker gelegt sein. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Meßphoto empfänger über einen Zerhacker und der Vergleichsphotoempfänger direkt oder über einen Tiefpaß gemeinsam an einen Regelverstärker angeschlossen sind.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlenganges eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Photometers,

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Fig. 2 das Blockschaltbild einer Auswerteschaltuiig bei Verwendung Von moduliertem Licht,

Fig* 3 das Blockschaltbild einer Auswerteschaltung bei Verwendung von Gleichlicht Und

Fig. 4 ein weiteres Blockschaltbild einer Auswert eschaltung bei Verwendung von Gleichlicht.

Nach Fig. 1 wird der von der Wendel 11 einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrom über einen Kondensor 20, 20' in den Lochring 21 einer von einem Motor 22a angetriebenen umlaufenden Lochscheibe 22 abgebildet. Unmittelbar hinter dem Lochring ist ein Mikroobjektiv 25 vorgesehen, das das Bild der Wendel in den Löchern 21 in das Objektiv 25. abbildet, das sich am Beginn der Meßstrecke 24 befindet. Am Ende der Meßstrecke ist ein z.B. durch einen Tripelspiegel gebildeter Reflektor 18 aufgestellt, der das Meßstrahlenbündel 12 in sich zurückwirft.

Zwischen Mikroobjetiv 23 und Objektiv 25 ist ein Teilerspiegel 17, z.B. ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet, welcher einen Teil des Lichtstrahlenbündels 16 nach oben zu einem sphärischen Spiegel 19 reflektiert.

Der zurückgeworfene Teil des Meßstrahles 12 wird ebenfalls am Teilerspiegel 17 fceilreflektiert und gÄangt über eine Sammellinse zu einem Meß-Pho to empfänger 14.

Erfindungsgemäß ist der Sp£gel 19 so gekippt, daß das Vergleichsstrahlenbündel 13 nicht in sich selbst, sondern unter einem kfeinen Winkel zurückreflektiert wird. Er gelai# auf diese Weise zwar noch auf den Teilerspiegel 17, was wesentlich ist, nicht aber zum Meß-Photoempfänger 14, sondern über eine Sammellinse 15a zu einem dichb daneben angeordneten Vergloichsphoboempfanger 15. Erfindungs-

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gemäß sind die Sammellinsen 14-a, 15a nebeneinander angeordnet und es ist zwischen sie und die Photo empfänger 14, 15 ein. Korrekturfilter 10 geschaltet.

Auf diese Weise durchlaufen Meß- und Vergleichsstrahl den Teilerspiegel 17 einmal und werden einmal an ihm reflektiert. Die Beeinflussung beider Strahlen durch den Vexierspiegel ist also die gleiche.

Der Spiegel 19 ist derart sphärisch ausgebildet, daß das auf ihn fallende Licht auf die Sammellinse 15a und damit auf den Photo empfänger 15 konzentriert wird.

Die an den Ausgängen der Photoempfänger 14, 15 erschein/ienden elektrischen Signale können erfindungsgemäß z. B. in einer

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Schaltung nach Fig. 2 ausgewertet werden» Entsprechend der z.B. 4KHz "betragenden Modulationsfrequenz entstehen an den Ausgängen der beiden Photοempfänger /Modulierte Mess- und Vergleichssignale „ Um Gleich- oder Niederspannungskomponenten in den Signalen zu eliminieren werden die Signale zu-

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nächst .zu Hochpassfiltern/mit einer Grenzfrequenz von ca. 1 KHz geführt. Darauf wird das Vergleichssignal gleichgerichtet und in einem Tiefpassfilter/mit einer Grenzfrequenz von 10 Hz gesiebt. Das gefilterte Meßsignal sowie das demodulierte Referenzsignal werden gemeinsam auf einen Regelverstärker gegeben und anschliessend mit einem 1 kHz-Hochpassfilter 33 sowie einem 10 Hz-Tiefpassfilter/wieder getrennt. Ein mit einem Sollwert beaufschlagter Regler 35 vergleicht das Vergleichssignal mit einer konstanten Vergleichsspannung und regelt den Regelverstärker so lange nach, bis Gleicheit der Signale besteht. Das Meßsignal wird hierauf demoduliert und in einem Tiefpass 36 gesiebt. Es steht jetzt zur Weiterverarbeitung in einer Anzeigevorrichtung 37 bereite

Diese Art der indirekten Quotientenbildung ist an Aufwand und Genauigkeit der direkten Quotientenbildung überlegen.

Der wesentlich neue Erfindungsgedanke der Auswerteschaltung besteht darin, dass Mess- und Vergleichssignal, nachdem sie' durch Hochpassfilter von Störkomponenten befreit sind, auf einen gemeinsamen regelbaren Verstärker 29 gegeben werden, anschliessend beide Signale wieder getrennt und die Verstärkung des Regelverstärkers so geregelt wird, dass das Vergleichssignal immer konstant bleibt. Da zunächst jedoch beide Signale gleiche Frequenz haben und man sie demzufolge nach dem Mischen nicht wieder ohne weiteres voneinander trennen kann, wird das Vergleichseignt. erst in ein Gleichstromsignal verwandelt, in einem Regelverstärker mit einem 4 kHz-Meßsignal gemischt und nur mit Hochpass- bzw. Tiefpassfilter

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wieder getrennt.

Obwohl die vorstehend beschriebene mit moduliertem Licht arbeitende Auswerteschaltung bevorzugt ist, kann in einfacheren Fällen auch mit Gleichlicht gearbeitet werden, z.B. dann, wenn Fremdlicht nicht vorkommen kann.

Auch in diesem Falle kann das gleiche Auswerteprinzip z.B. gemäsa der Schaltung nach Fig. 3 angewendet werden. Im Anschluss an die Photοempfänger 14, 15 sind Tiefpässe 30, 31 für die Ausfilterung des 100 Hz-Brumms vorgesehen. Das Vergleichssignal wird ausaerdem noch über einen Zerhacker mit einer Frequenz von z.B. 1 kHz geleitet, um anschliessend dem Regelverstärker 29 zugeführt zu werden.

Im Anschluss an den.Regelverstärker 29 sind in der gezeigten Weise ein Tiefpass 38, ein Hochpass 39, ein Demodulator 40, ein weiterer Tiefpass 41 und ein Regler 42 angeordnet, welcher das Steuersignal für den Regelverstärker 29 liefert.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist besonders für langsam veränderliehe Meßsignale geeignet. Die Lampe 11 braucht hier nicht stabilisiert zu sein.

Die ebenfalls mit Gleichlicht arbeitende Schaltung nach Fig. ist besonders für schnell veränderliche Meßsignale bestimmt« In diesem Falle ist die Lampe erfindungsgemäss stabilisiert, weswegen der Tiefpass 31 für das Vergleichssignal nicht unbedingt vorgesehen sein muss. Die Frequenz des mit dem Meßsignal beaufschlagten Zerhackers 32 soll möglichst hoch sein»

Im Anschluss an den Regelverstärker 29 sind in der dargestellten Weise ein Hochpass 43 eine Signalverarbeitungsstufe 44, ein Tiefpass 45 und ein Regler 46 angeordnet, der das Steuersignal für den Regelverstärker 29 liefert.

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Claims

Pa tentansprüche

Photometer, bei dem von einer einzigen Lichtquelle ein Mesa- und Vergleiehsätrahl abgeleitet und zwei Photoempfängern zugeführt werden, aus deren Ausgangssignalen eine für die Transmission, Extinktion, Remission oder dergleichen repräsentative Anzeige gebildet wird, dadurch g e k e η η zeichnet, dass der von der lichtquelle (11) kommende Lichtstrahl (16) an einem Teilerapiegel (17) in einen Mess- und Vergleiehsätrahl (12, 13) aufgeteilt wird₉ dass der Meßstrahl (12) an einem Reflektor (18) in sich zurückgeworfen und am gleichen Teilerspiegel (17) zu einem ersten Photoempfänger (14) umgelenkt wird und das® der Vergleichsstrahl (13) an einem Spiegel (19) unter einem solchen Winkel reflektiert wira₉ daas er zwar noch auf den Teilerspiegel (17) jedoch nicht auf den ersten Photoempfänger (14) sondern auf einen in unmittelbarer Wäh® desselben angeordneten zweiten Photoempfänger (15) fällt₀
2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , dass der Lichtstrahl (16) mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert ist.
3. Photometer nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeich net, dass die Lichtquelle (11) durch einen Kondensor (20) auf den Loohring (21) einer umlaufenden Lochscheibe (22) abgebildet ist.
4„ Photometer nach Anspruch 2 oder 3_} dadurch gekennzeichnet» dass die Modulationsfrequenz 4 KHz beträgt.

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5. Photometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k en η zeichnet, dass ein Mikroobjektiv (23) das Bild der Lichtquellenwendel in das am Beginn der Meßstrecke (24) befindliche Objektiv (25) abbildet.
6. Photometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass der Teilerspiegel (17) zwischen Mikroobjektiv

(23) und Objektiv (25) angeordnet ist.
7. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass sich die Meßstrecke

(24) in der "Verlängerung der optischen Achse des Lichtquellen-Strahl engang es (16) befindet.
8. Photometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass der Reflexionsspiegel (19) und die Photoempfänger (14, 15) quer zum Hauptstrahlengang angeordnet sind.
9. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Reflexionsspiegel (19) sphärisch oder parabolisch ausgebildet ist, derart, dass er das auffallende Licht des Vergleichsstrahles

W (13) auf dem zweiten Photοempfänger (15) konzentriert.
10. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,. dass die beiden Photoempfänger (14,15) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
11. Photometer nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Ausgangesignale der Photoempfänger (14, 15) über einen Hochpass (26,27) und

Gleichiiichier mi/tL einem

das Vergleichssignal zusätzlich über einen /uierpass X28) gemeinsam an einen Regelverstärker (29) gelegt sind.

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12. Photometer nach, einem der AB-Sprüche 1 bis 5 his 10,

hei dem keine Lichtmodulation erfolgt, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Ausgangssignale der hei&en Photoempfanger (14, 15) über einen Tiefpaß (30, 31) uad das Vergleichssignal zusätzlich über einen. Zerhacker (32) gemeinsam as. einen Re gel verstärker (29) gelegt sind.
13. Photometer nach einem der Ansprüche 1 his 5 his 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Heßphoto-, empfänger (19) über einen Zerhacker (32) und der Vergleichsphotoempfänger (15) direkt oder über einen Tiefpaß (31) gemeinsam an einen Regelveastärker (29) angeschlossen sind.
14. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansps^che» dadurch gekennzeichnet , daß vor den Photo»- empfängern (14·, 15) Sammellinsen (14-a, 15a) angeordnet sind, die das auf sie konzentrierte Licht im zugeordneten Photoempfänger (14-, 15) vereinigen.

15· Photometer nach einem der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß unmittelbar vor den Photo empfängern (14-, 15) ein Korrekturfilter (10) angeordnet ist.

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