DE2620006A1

DE2620006A1 - Photometer

Info

Publication number: DE2620006A1
Application number: DE19762620006
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Phys Berthold; Hans-Dieter Dipl Phys Dr Hess; Alex Lempe
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1977-11-17

Description

Photometer Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Vorrichtung zur Modulation von Strahlung, insbesondere für Photometer, mit einem Blendenaussparungen aufweisenden und von der Strahlung beaufschlagten Rotationskörper, der von einem Elektromotor angetrieben ist.
Beispeilsweise arbeiten Photometer mit einer modulierten l,ichtstrahlung. Mittels einer Modulationsvorrichtung wird die auf den Empfänger (z.B. Photoelement) auftreffende Strahlungsintensität periodischen Schwankungen unterworfen. Diese Geräte sind entweder als Einstrahl- oder Zweistrahlgeräte ausgefMrt, wobei Zweistrahlgeräte immer im Wechsellichtverfahren betrieben werden. Ein mit Wechsellicht arbeitendes Einstrahlphotometer hat gegenüber einem Gleichlichtphotometer folgende Vorteile: a) die bei Gleichspannungsverstärkern auftretende Nullpunktdrift wird vermieden; b) der Empfänger kann selektiv zur Modulationsfrequenz arbeiten, wodurch sich die Bandbreite begrenzen läßt und damit das Rauschen verringert wird; c) durch Streustrahlung bedingte Störungen werden unterdrückt, da nur modulierte Strahlung registriert wird.
Das Wechs ellicht wird mit einer Modulationsvorrichtung erzeugt, die der Strahlung den Weg abwechselnd durch den Neß- bzw. Referenzzweig freigibt. Mit diesen Zweistrahlgeräten sind wesentlich genauere Messungen als mit Einstrahlgeräten möglich, da sich mit ihnen auch diejenigen Meßfehler weitgehend unterdrücken lassen, die von Schwankungen der Lampenintensität und Änderungen der Detektorempfindlichkeit herrXlren.
Diese Strahlungsmodulation wird bei den heute bekannten Geräten durch eine Lochscheibe oder scheibenförmige Blende bewirkt, die von einem Synchron- oder geregelten Gleichstrommotor angetrieben wird. (Lit. 4 bis 7) Bei diesen rotierenden Scheibenblenden treten infolge unterschiedlicher Schwingungszustände mechanische Instabilitäten auf, die Störungen in der auf den Empfänger gelangenden Strahlungsintensität verursachen (Lit. 3). Diese Instabilitäten sind in erster Näherung dem Quadrat des Scheibendurchmessers proportional. Diese bekannten Strahlungsmodulatoren (Lit. 4 bis 7) weisen Scheibendurchmesser zwischen 10 und 25 cm auf. Die durch mechanische Instabilitäten verursachten Intensitätsschwankungen werden mit 0,1 bis 0,2 % angegeben. Es sind ferner oszyllierende Blenden zur Strahlungsmodulation bekannt. (Lit. 8; 9). Diese bekannten "Schwingchopper" sind mechanisch aber noch instabiler als die erstgenannten Blendenscheiben. iben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung mit einfachen Mitteln und in einer solchen kompakten Bauweise zu schaffen, daß damit die nachteiligen Instabilitäten der bekannten Geräte und somit die Fehlerquellen nahezu beseitigt und dadurch die Nachweisempfindlichkeit und Neßgenauigkeit dieser Geräte wesentlich verbessert sind.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als Rotationskörper mindestens eine Welle vorgesehen ist, die eine oder mehrere quer zur Wellenachse verlaufende Blendenaussparungen aufweist, und daß die Strahlung quer zur-Wellenachse verläuft.
Die mit diesem Gerät in kompakter Zweistrahlanordnung angestel1-T ten Laborversuche haben eine hohe Stabilität gezeigt. Es wurde dabei festgestellt, daß bei sorgfältiger Justierung die durch mechanische Instabilitäten verursachten Strahlungsintensitätsschwankungen je Woche kleiner als 1 . 10 5s d.h. um etwa zwei Größenordnungen niedriger sind als die der bekannten Strahlungsmodulatoren. i In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, daß die Blendenwelle mit zwei in Richtung der Wellenachse im Abstand nebeneinander angeordneten Blendenaussparungen versehen ist, die um einen bestimmten Winkel (z.B. 900) gegeneinander versetzt sind, daß die Blenddnalelle mit mindestens einer Blendenaussparung versehen ist, und daß im Abstand davon in Richtung der Wellen achse eine oder mehrere, am Umfang verteilte Blendenaussparutlgen angeordnet sind, daß zwei voneinander getrennt angetriebene, in einem festen Frequenzverhältnis zueinander stehende Blendenwellen vorgesehen sind, deren Motoren elektronisch miteinander gekoppelt sind, und daß die erste Welle mit mindestens einer Blendenaussparung und die zweite Welle mit einer oder mehreren am Umfang verteilten und in einem Winkel (z.B. 450) gegeneinander versetzten Blendenaussparungen versehen ist, daß alle oder einige der Blendenaussparungen diametral oder exzentrisch angeordnet sind, daß die Blendenaussparungen von runden oder schlitzförmigen Durchbrüchen gebildet sind, daß die Blendenaussparungen an der Stirnseite der Blendenwelle angeordnet sind.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand beiliegender Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 den Strahlungsmodulator für Einstrahlverfahren, Fig. 2 den Strahlungsmodulator für Zweistrahlverfahren, Fig. 3 den Strahlungsmodulator für ein Zweistrahlverfahren mit zJe i zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, Fig. 4 den Modulator gemäß Fig. 3 in geteilter Bauweise, Fig. 5a den Modulator mit anders angeordneten Blendenausbis 5c sparungen und Fig. 6 die Anwendung des erfindungsgemäßen Wellenmodulators in Zweistrahlbauweise in einem Photometer.
Der in Figur 1 dargestellte Modulator besteht in seiner einfachsten Form im wesentlichen aus einem Wellenstumpf 1, der von einem Motor 2 angetrieben wird; als Antriebsmotoren der Wellenblende kommen Synchron-, geregelte Gleichstrom- oder Schrittmotoren in Frage. Der zu modulierende Strahl 3 kann durch eine schlitzförmige Öffnung 4 hindurchtreten. Dieser Modulator ist daher für Einstrahlverfahren geeignet. Für ein Zweistrahlverfahren hingegen ist die Einrichtung nach Fig. 2 vorgesehen. Die Wellenblende 5 weist zwei in Richtung der Wellenachse nebeneinander angeordnete, ebenfalls schlitzförmige Öffnungen 6, 7 auf, die jedoch um 900 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Diese Blende läßt abwechselnd die Strahlen 9, 8 durch den Proben- und Referenzzweig hindurch. Durch die längliche Form der Öffnungen 6, 7 werden die vom Axialspiel der Wellenblende verursachten Meßfehler vermieden.
In Fig. 3 -ist eine Wellenblende für ein Zweistrahlverfahren mit zwei Modulationsfrequenzen gezeigt. Diese Ausführung ist geeignet, wenn die Strahlungsbündel 10, 11 eine kleine QuerschnittSfläche (wie beim Laser-Strahl) aufweisen. Neben der Öffnung 12 sind mehrere (z.B. vier um 45 gegeneinander versetzte) Öffnungen 13 angeordnet, deren Anzahl dem gewünschten Frequenzverhältnis entspricht.
Die in Figw 4 gezeigte Ausführungsform ist mit derjenigen der Fig. 3 gleichwertig. Hier können jedoch zwei voneinander getrennte Wellenmodulatoren 16, 17 vorgesehen werden, deren Motoren 18, 19 elektronisch miteinander so gekoppelt sind, daß wischen ihnen ein festes Frequenzverhältnis besteht (elektronische Welle). Eine derartige Anordnung läßt sich sehr gut mittels zweier Schrittmotoren verwirklichen, die vom gleichen Generator über einen Frequenzteiler angesteuert werden. Die Anordnung der Blendenöffnungen 12a, 13a ist ähnlich wie bei der in Figur 3.
Die in den Figuren 5a bis 5c gezeigten Ausführungsformen der Wellenstümpfe sind mit denjenigen der Figuren 1 bis 4 gleichwertig. Anstatt runde oder schlitzförmige Blendenöffnungen in den Wellenstümpfen anzubringen, kann man deren Enden auch 20, 21 schlitz- oder stegtörmig gestalten. Entsprechend Fig. 4 und 3 kann zur Erzielung einer hohen Modulationsfrequenz auch mit einem Wellenstumpf gearbeitet werden, der mehrere Schlitze bzw. Stege 22, 23 enthält.
Alle oder einige der Blendenaussparungen bzw. Blendenöffnungen können diametral oder exzentrisch in den Blendenwellen oder auch auf beide Arten in Kombination je nach Bedarf angeordnet sein. Sie können ferner schlitzförmig, wie gezeigt, oder kreisrund oder in sonstiger Gestalt ausgebildet sein.
Figur 6 zeigt ein Funktionsschema eines Zweistrahl-Photometers mit einer der erfindungsgemäßen Wellenblenden, bei dem die Methode der abgeschwächten Totalreflexion (= ATR) angewandt wird. Die Technik der abgeschwächten Totalreflexion ist von der Spektroskopie her bekannt: Die in einem Kristall an einer Grenzfläche total reflektierte Strahlung erleidet bei jeder Totalreflexion einen Energieverlust, der auf dem Weg durch etwa das angrenzende Medium austritt. dieser Weg entspricht/einer Wellenlänge. Arbeitet man beispielsweise bei einer Wellenlänge von 5 ym und treten an der Grenzfläche Kristall / absorbieren des Medium 10 Totalreflexionen auf, so ist die Wegstrecke der Infrarotstrahlung in der Meßflüssigkeit etwa 50 um lang. Mit Hilfe der Technik der abgeschwächten Totalreflelion lassen sich also geringe Schichtdicken verwirklichen, so daß in stark absorbierenden Flüssigkeiten die Konzentration einer Flüssigkeitskomponente bestimmt werden kann. Ein besonderer Vorteil dieser Methode besteht darin, daß der ATR-Kristall in der Wand einer Durchflußmeßzelle großen Querschnitts sitzt; eine Verstopfungsgefahr wie bei Transmissionsküvetten (mit Schicht-1 dicken von 10 bis 100 Ilm) besteht nicht.
Bei dem in Figur 6 gezeigten Zweistrahiphotometer ,wird das von einer Strahlungsquelle 30 kommende Strahlungsbündel an einem -Spiegel 31 umgelenkt und trifft auf einen Riffelspiegel 32, der das Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel 33; 34 aufteilt, die den Meß- bzw. Referenzzweig darstellen. Diese werden von zwei Umlenkspiegeln 35; 36 umgelenkt und gelangen durch die um 900 gegeneinander versetzten Blendenöffnungen 37; 38 der Blendenwelle 39 auf zwei Interferenz-Filter 40, 41, die an einem ATR-Kristall 42 angeordnet sind. Dieser Kristall 42 ist bündig in der Wand eines Rohres oder Behälters eingesetzt, in dem bzw. in der sich das zu untersuchende Medium (Flüssigkeit oder Gas) befindet. Durch die Öffnungen 37; 38 der Wellenblende 39 wird den Strahlenbündeln 33; 34 abvechselnd der Weg durch den Meßzweig 43 oder den Referenzzweig 44 frei gegeben. Über einen Lichtleiter 45 gelangen diese beiden Strahlenzweige auf einen Detektor 46. Literaturverzeichnis 1. W. Schäfer: IR-Analysatoren; VDI-Berichte Nr. 199, 1974, Seite 41 bis 47.
2. K. Weibezahn: Betriebsphotometer; VDI-Berichte Nr. 199, 1974, Seite 49 bis 54.
3. F. T. Wenthen, L. R. Snowman: High Speed Light Choppers; Applied Optics 12 (1973), Seite 822 bis 824.
4. Princeton Applied Research Corp., Datenblatt des Lichtchoppers Modell 191.
5. Ithaco Inc., Datenblatt des Lichtchoppers Modell 383.
6. Brookdeal Electronics Ltd., Datenblatt des Lichtchoppers Typ 479.
7. Laser Precision Corp., Datenblatt des Lichtchoppers Typ CTX-53.
8. Bulova American Time Products, Datenblatt Light Choppers/ Scanner.
9. Brockdeal Electronics Ltd., Datenblatt des Lichtchoppers Typ 9478.
10. G. G. Mönch: Lichtmodulation durch Öffnungen; Optik 10 (1953), Seite 350 bis 361, 365 bis 374, 567 bis 577.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche ile Elektromechanische Vorrichtung zur Modulation von Strahlung, insbesondere für Photometer, mit einem Blendenaussparungen aufweisenden und von der Strahlung beaufschlagten Rotationskörper, der von einem Elektromotor angetrieben ist, dadurch Sekennzeichnet. daß als Rotationskörper mindestens eine Welle (1, 5, 27, 17, 16, 20a, 21a, 23a) vorgesehen ist, die eine oder mehrere quer zur Wellenachse verlaufende Blendenaussparungen (4, 6, 7, 12, 13, 12a, 13a, 20, 21, 22) aufweist, und daß die Strahlung (3, 8, 9, 10, 11, 14, 15, 20b, 21b, 23b) quer zur Wellenachse verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenwelle (5) mit zwei in Richtung der Wellenachse im Abstand nebeneinander angeordneten Blendenaussparungen (6, 7) versehen ist, die um einen bestimmten Winkel (z.B. 900) gegeneinander versetzt sind. (Fig. 2) oder 2 3. Vorrichtung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenwelle (27) mit mindestens einer Blendenaussparung (12) versehen ist, und daß im Abstand davon in Richtung der Wellenachse eine oder mehrere, am Umfang verteilte Blendenaussparungen (13) angeordnet sind.

(Fig.
3)
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander getrennt angetriebene, in einem festen Frequenzverhältnis zueinander stehende Blendenwellen (16, 17) vorgesehen sind, deren Motoren (18, 19) elektronisch miteinander gekoppelt sind, und daß die erste Welle (16) mit mindestens einer Blendenaussparung (12a) und die zweite Welle (17) mit einer oder mehreren am Umfang verteilten und in einem Winkel (z.B. 450) gegeneinander versetzten Blendenaussparungen (13a) versehen ist. (Fig. 4)
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder einige der Blendenaussparungen (4, 6, 7, 12, 13, 12a, 13a, 20, 21, 22) diametral oder exzentrisch angeordnet sind.
6, Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenaussparungen von runden-oder schlitzförmigen Durchbrüchen (4, 6, 7 12, 13, 12a, 13a, 22, 20) gebildet sind.
7. 7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (20, 21, 22) an der Stirnseite der Blendenwelle (20a, 21a, 23a) angeordnet sind. (Fig. 5a bis 5c)