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Vorrichtung zur Messung der Strahlungsabsorption mittels
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modulierter Strahlung.
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Zum Stand der Technik seien die folgenden Schriften genannt.
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1. VDI-Bericht 97, Seite 15 - 23 2. VDI-Bericht 199, Seite L+4-3.
Instrument auch Measurement Vol 1 Akademie press pubblishers New York, London 1961,
Seiten 465 - 471 4. Ithaco Prospekt IAN-32 9/72 5. Leybold Heraens Prospekt 43 M
13, 110 d, 3.6.76 Die erfindungsgemäße Anordnung betrifft Zweistra.llphotometer,
insbesondere Betriebsphotometer, bei welchen durch besondere Maßnahmen eine hohe
Nullpunktstabilität und eine von Störeinflüssen (wie Strahleränderungen, Empfängerempfindlichkeitsänderungen
u.a.m.) unbeeinflußte Empfindlichkeit erzielt wird.
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Es gibt zwar bei verschiedenen Betriebsphotometern Hilfseinrichtungen
zur Verbesserung der Nullpunkts- und Empfindlichkeitskonstanz. Zu diesen Einrichtungen
bzw. Maßnahmen gehören unter anderem Gerätethermostatierung, Temperaturkompensation
u.a.m.
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Der damit verbundene Aufwand ist jedoch oft groß und die Wirksamkeit
in Hinblick auf die Beseitigung des Einflusses von äußeren Störungen (z.B. Netzspannungsschwankung,
Alterung von Bauelementen und Temperaturänderung) oft nur beschränkt.
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Ein besonderes Kennzeichen der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß
sie in Hinblick auf die Nullpunktstabilität eine Anordnung mit erhöhter Symetrie
im Aufbau verwendet. (Dies gilt im besonderen in Bezug auf die Drehspiegelanordnung).
Ein anderes wesentliches Kennzeichen der Erfindung ist, daß sie durch eine photometrische
Messung bei zwei Modulationsfrequenzen den Einfluß von äußeren Störeinflüssen auf
das Meßergebnis praktisch beseitigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Stabilität von Betriebsphotometern
vor allem in Hinblick auf eine Langzeitkonstanz
zu erhöhen, und
zwar sowohl in Bezug auf den Nullpunkt der Messung als auch in Bezug auf die Meßempfindlichkeit.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
gelöst,
durch die
Verwendung eines Drehspiegelsystemshein höchstmaß an Symetrie zwischen Meß- und
Vergleichs strahlengang
und daß durch ein Modulationssystem, bei welchem Meß- und Vergleichsstrahlung (von
einer Phasenverschiebung abgesehen) völlig gleichartig moduliert werden. Hierbei
werden zwei Signale, ein Meß-und ein Hilfssignal, von verschiedener Frequenz erzeugt,
wobei das Meßsignal der Differenz und das Hilfssignal der Summe der beiden Strahlengänge
entspricht. Durch die nachfolgende Quotienten
messungNdie Störeinflüsse, welche Meß- und Hilfssignal in gleicher Weise beeinflussen,
ausgeschaltet
Die Erfindung betrifft ein Zweistrahlphotometer mit einem Meß-und einem Vergleichs
strahlengang mit periodisch modulierter Strahlung, mit einem Empfänger oder einem
gleichsinnig wirkenden Doppelempfänger, wobei die Modulation in der Weise geschieht,
daß in ununterbrochener Folge Strahlungsimpulse abwechselnd dem Meß- bzw. dem Vergleichs
strahlengang zugeleitet werden und wobei das im Empfänger erzeugte Wechselsignal
von der halben Pulsfrequenz (Meßsignal) gemessen wird und als Maß für die zu bestimmende
Intensitätsdifferenz zwischen Meß- und Vergleichsstrahl dient. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich das im Empfänger erzeugte Wechselsignal (Hilfssignal), dessen Frequenz
gleich der Pulsfrequenz ist, gemessen wird, und daß das aus Meßsignal und Hilfssignal
gebildete Verhältnis (z.B. mit Hilfe eines Quotienteneinmeßwerkes) als Maß für die
zu bestimmende Intensitätsdifferenz dient.
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Die Erfindung betrifft auch ein Zweistrahlphotometer mit einem Meß-
und einem Vergleichsstrahlengang mit periodisch modulierter Strahlung, mit zwei
zur Differenzmessung vorgesehenen Empfängern oder einem entsprechenden Doppelempfänger,
wobei die Modulation (Grundmodulation) in der Weise geschieht, daß in ununterbrochener
periodischer Folge Strahlungsimpulse gleichzeitig den beiden Strahlengängen zugeleitet
werden und wobei das vom Differenzempfänger gelieferte Signal von der Frequenz der
Strahlungsimpulse (Meßfrequenz) gemessen wird und als Maß für die zu bestimmende
Intensitätsdifferenz
zwischen Meß- und Vergleichs strahlengang dient. Sie ist in dieser Ausführung gekennzeichnet
durch einen zusätzlichen Strahlungsinpuls (Hilfsmodulation) von der gleichen Periodendauer
der Impulsfolge wie die Grundmodulation, welcher in periodisch abwechselnder Folge
einmal der Empfängerkammer des Meßstrahlenqanges und einmal der des Verqleichsstrahlenqanqes
zugeleitet wird, "éin~Milfssignal von der halben Meßfrequenz erzeugt wird, welches
in analoger Weise wie im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 dazu verwendet
wird, um das Verhältnis von Meßsignal und Hilfssignal zu bilden, wobei dieses Verhältnis
als Maß für die zu messende Intensitätsdifferenz dient.
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Im folgenden soll die erfindungsgemße Methode an Hand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert werden. Da die Methode prinzipiell für den gesamten Spektralbereich vom
UV bis zum IR geeignet ist, sind Anordnungen für die verschiedenen Teilbereiche
dieses Gebietes gewählt worden.
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Die Abb. 1a zeigt ein Zweistrahlphotometer mit einem Meß- und einem
Vergleichs strahlengang mit gegenphasiger Modulation. Aus der vom Strahler 1 ausgehenden
Strahlung werden mit Hilfe der Linse 2 und der symetrischen Doppellochblende 3 (siehe
Abb. 1b) zwei Parallelstrahlenbündel ausgeblendet. Diese Bündel werden durch die
mittels Synchronmotor 5 angetriebene Modulatorscheibe 4 gegenphasig moduliert. Das
eine Bündel, das Meßstrahlenbündel M, durchläuft die mit dem Meßgut beschickte Meßküvette
6, und das andere Bündel, das Vergleichsstrahlenbündel V,durchläuft die mit einen
geeigneten Vergleichsstoff gefüllte Vergleichsküvette 7.
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Beide Bündel werden mit Hilfe der Sammellinse 8 auf den Strahlungsempfänger
9 (z.B. auf die Kathode K einer Photozelle mit der Anode A als Gegenelektrode) vereinigt.
In der Photozelle wird einem auftretenden Strahlungsfluß entsprechender Photostrom
erzeugt, welcher am Arbeitswiderstand RA in einen entsprechenden Spannungsabfall
umgewandelt wird. Der dem Wechselstrahlungsfluß entsprechende Wechselspannungsanteil
wird über den Koppelkondensator CK einem breitbandigen Vorverstärker 10 zugeleitet.
Es sei angenommen, daß die Modulatorscheibe 4 die in Abb. 2a gezeigte Form habe.
Das gesamte optische System außer der Modulatorscheibe ist symetrisch in Bezug auf
die durch mitte Lichtquelle und mitte Photozelle gebildete Achse. Die Drehachse
des Modulators fällt mit dieser Achse (optischen Achse) zusammen. Von den Strahlungsbündeln
sind in der Abb. 1 nur die Bündelachsen (gestrichelt) gezeichnet. Der Bündelquerschnitt
ergibt sich aus den oeffnungen der Doppellochblende 3.
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Die Modulatorscheibe besitzt eine kreisförmige Öffnung (Lochblende),
die gleich oder zweckmäßigerweise um ein geringes Maß größer als die der Lochblenden
von 3 ist und welche auf dem gleichen Lochkreisradius wie die Lochblenden von 3
angeordnet ist.
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Bei der mit synchroner Drehzahl n umlaufenden Modulatorscheibe 4 ergeben
sich 2n Strahlungsimpulse pro Sekunde, welche in abwechselnder Folge (mit einer
Phasenverschiebung -von 1800) die Meßküvette 6 bzw. die Vergleichsküvette 7 durchlaufen
und wie beschrieben auf dem Strahlungsempfänger vereinigt werden.
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Als Folge dieser 2n-Impulse resultieren am Vorverstärkerausgang Spannungsimpulse
von der Impulsfrequenz fp, wobei fp gleich 2n ist.
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Für den Nullpunkt der Messung sind aus Symetriegründen alle Impulse
gleich. Wenn in der Küvette 6 durch das Meßgut eine Strahlungsschwächung stattfindet,
so sind die Impulse des Meßstrahlenganges kleiner als die des Vergleichsstrahlenganges.
Es sei angenommen, daß die Strahlungsschwächung 10% (Absorption A = 10 %) betrage.
1) Die Größe der ungeschwächten Spannungsimpulse nach 10 sei.Uo.
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Bei einem A-Wert von 10 entstehen danqperiodisch abwechselnd Spannungsimpulse
der Größe Uo und 0,9 Uo. Diese Impulse lassen sich zerlegen in ein Folge konstanter
Impulse von der Größe Uo (bzw. genauer von 0,95 Uo) mit der Impulsfrequenz fp (Hilfsfrequenz
fH) und einer Folge von abwechselnd positiven und negativen Impulsen der Größe 0,05
Uo und der Frequenz 0,5 fp (Meßfrequenz f). Das Ausgangssignal des Vorverstärkers
10 wird nun zwei getrennten selektiven Verstärkern 11 und 12 zugeführt. In diesen
Verstärkern werden die Impulse getrennt verstärkt und gleichgerichtet, und zwar
in 11 der dem zu messenden A-Wert entsprechende Meßfrequenzimpuls (0,05 Uo für A
= 10 %) und in 12 der Hilfsfrequenzimpuls (0,95 Uo für A = 10 %). Das Verhältnis
q der Ausgangssignale von 11 und 12 wird in dem Quotientenmesser 13 gemessen und
vom Instrument 14 angezeigt (Meßwert q). Der gemessene q-Wert ist dann ein Maß für
den A-Wert und somit für die zu messende Nachweiskonzentration in 6.
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Besonders günstig ist es den Meßsignalverstärker 11 (und evtl.
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auch den Hilfssignalverstärker 12) mit einem phasenrichtigen Gleichrichter
(z.B. einem lock-in-Verstärker) auszustatten dem ein Steuersignal der Frequenz fM
( und evtl. auch ein Steuersignal der Frequenz fH) zugeführt wird. Das Steuersignal
wird dabei in 1) In der Abb. 2a ist aus Gründen der besseren zeichnerischen Darstellung
ein A-Wert von 0,25 zugrundegelegt.
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an sich bekannter Weise durch optische, magnetische, hochfrequente
oder sonstige Abtasteinrichtungen von der Modulatorscheibe oder vom Antriebsmotor
abgegriffen. Eine einfache Möglichkeit ein solches Steuer signal für den Meßsignalverstärker
zu erzeugen besteht z.B. darin, in derDoppellochblende (Abb. 1b) eine zusätzliche
Öffnung z.B. auf dem Lochkreis um 90" gegenüber den beiden Lochblenden versetzt
anzubringen und ein Fotoelement hinter dieser Zusatzöffnung anzuordnen. Die vom
Photoelement gelieferten Signale werden im Steuerreingang (Referenzeingang eines
lock-in-Verstärkers) in Sinus-Signale umgewandelt und können in der Phasenlage durch
einen elektronischen Phasenschieber auf optimale Gleichrichtung des Meßsignals eingestellt
werden. Die Quotientenbildung von Meßsignal kann auch auf andere an sich -bekannte
Weise bewerkstelligt werden. Man benutzt daher z.B. einen Vorverstärker, der in
seinem Verstärkungsgrad durch eine Steuerspannung regelbar ist. Das in 12 verstärkte
und gleichgerichtete Hilfssignal wird mit einem Spannungsnormal vergluichen und
die Differenz zwischen Hilfssignal und Spannungsnormal (Steuerspannungs differenz)
in solcher Weise zur Regelung des Vorverstärkers benutzt, daß diese Differenz zu
null wird. Das sich dann ergebende verstärkte Meßsignal ist stets auf ein konstantes
Hilfssignal bezogen, was einer Quotientenmessung gleich kommt.
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Die Abb 2b, 2c, und 2d zeigen andere Ausführungsformen von Modulatorscheiben.
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Bei der Scheibe nach 3b entsteht ein für die Messung der Differenz
der Strahlungsbündel geeignetes Signal 6 M der -Frequenz fM = n und ein für die
Summenmessung geeignetes Signal der Frequenz fH = fp = 2n. Zum Unterschied zur Scheibe
nach Abb. 2a ist hier das entstehende Hilfssignal vergleichsweise kleiner, sodaß
von der gleichen Größenordnung wie 0-H ist. Dies erleichtert die elektronische Auswertung
der Signale, weil die Abtrennung des Hilfssignal einfacher ist als bei 2a. Jedoch
bereitet es grundsätzlich keine Schwierigkeit ein z.B. 10 - 20 mal stärkeres Signal
der doppelten Frequenz mit Bandfilterverstärkern (evtl.
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1) g M max = Maximalwert vonM für Meßbereichsendwert
ergänzt
durch ein Sperrfilter für die doppelte Frequenz) zu messen.
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Bei der Scheibe nach 2c kann man je nach der Wahl des Winkels E den
Fall wie in 2a oder 2b verwirklichen. Kleines 6 entspricht der Anordnung nach 2b,
großes g dem der Anordnung nach 2a.
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Die Modulatorscheibe nach 3d ergibt ein Hilfssignal von der 4-fachen
Meßfrequenz, was in Hinblick auf die elektronische Abtrennung des Hilfssignals günstig
ist. Hier ist jeder Strahlungsimpuls in 2 gleiche Impulse unterteilt. (Eine Unterteilung
in 3 oder mehr Impulse ist ebenfalls möglich).
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Selbstverständlich ist es auch möglich größere Modulatorscheiben mit
einer außerhalb der optischen Achse gelegenen Drehachse zu verwenden. Aui diese
an sich bekannte Technik braucht nicht näher eingegangen werden, da eine Ausgestaltung
dieser Scheiben in Analogie zu 2a bis 2d sich ohne weiteres ergibt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 3 wiedergegeben. Bei
der dort gezeigten Anordnung und auch bei den in Abb. 4 und 5 gezeigten Anordnungen
wird als charakteristisches Modulationselement ein ux eine in der Spiegelebene liegende
Drehachse rotierender beidseitig spiegelnder Planspiegel verwendet. Die Anordnungen
ermöglichen es in besonders einfacher Weise ausgehend von nur einer Strahlungsquelle
zwei möglichst gleichartige Strahlenbündel (Meß- bzw. Vergleichsstrahlenbündel)
zu erzeugen.
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Bei dem Photometer nach Abb. 3 wird die Strahlungsquelle 21 (z.B.
eine Glühlampe mit einer Glühwende von 1 mm x 3 mm) mittels der Linse 22 auf einen
flachen beidseitig reflektierenden Metallspiegel von 5 mm x 5 mm etwa im Verhältnis
1:1 abgebildet. Aus der Abb. 3b, welche eine Seitenansicht der in Abb. 3a im Grund
riß dargestellten Element 21 - 23 wiedergibt, ist die Antriebswelle (ohne den Antriebsmotor)
mit dem Drehpfeil angedeutet. Bei Drehung des Spiegels wird die Strahlung abwechselnd
in den Meßstrahlenweg M (ausgezogene Linien) bzw. den Vergleichsstrahlenweg
(gestrichelte
Linien) geleitet, und zwar während einer Umdrehung je 2 mal, sodaß sich eine Pulsfrequenz
fp von der 4-fachen Drehzahl n ergibt. Die im Meßstrahlengang (bzw. im Vergleichs
strahlengang) liegenden Elemente wie Umlenkspiegel 24 (25), Doppellochblende 26
(siehe Abb. 3c), Küvette 29 (30), und Sammellinse 31 sind in ihren optischen Eigenschaften
gleich bzw. symetrisch zu einer durch die Mitten von Lichtquelle und Drehspiegel
verlaufenden Achse. Zur Beschickung mit dem Meßgut ist die Küvette 29, die Meßküvette,
mit einem Ein- bzw. Austrittsstutzen versehen. Wie aus 3a ersichtlich werden die
beiden Bündel M und V auf einer Empfängerschicht (hier die Kathode einer Photozelle)
vereinigt. Die Elektronik wurde in der Zeichnung fortgelassen und entspricht der
in Abb. 1a erläuterten. Die Funktion der Anordnung nach Abb. 3 entspricht im übrigen
ganz der für die Abb. 1 in Zusammenhang mit Abb. 2a beschriebenen.
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Die Mittel zur Aussonderung von Spektralbereichen (wie z.B.
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Interferenzfilter, Farbfilter etc.) wurden wie auch in der Abb. 1
fortgelassen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Drehspiegelachse mit der Achse
Strahlungsquelle-Drehspiegel bei praktisch gleicher Fuktion der Anordnung vertauscht
werden kann. Diese Vertauschung kann aus konstruktiven Gründen von Interesse sein.
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Der besondere Vorteil des Drehspiegelsystems sei im folgenden herausgestellt.
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Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Betriebsphotometer ist die
Tatsache, daß sich Unterschiede in der Leuchtedichte-Verteilung der Lichtquelle,
insbesondere, dann wenn diese sich zeitlic ändern auf die Empfindlichkeitskonstanz
und im besonderen Maße auf die Nullpunktskonstanz der Messung sehr nachteilig auswirken.
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Bei den als Zweistrahlgerät ausgebildeten Betriebsphotometern arbeitet
man in der Regel mit einem Vergleichs- und einem Meßstrahlengang, wobei der Vergleichsstrahlengang
dazu dient die
Wirkung des Meßstrahlenganges für einen bestimmten
Meßpunkt (im allgemeinen für den Nullpunkt der Messung) zu kompensieren.
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Abgesehen davon, daß bei Geräten mit heterochromatischen Vergleich,
Meß- und Vergleichsstrahlengang eine unterschiedliche spektrale Verteilung, (z.B.
mittels unterschiedlicher Farbfilter) aufweisen, sollen Meß- und Vergleichs strahlengang
dabei möglichst gleichartig sein. Die Konstanz der Kompensation setzt durchweg voraus,
daß er zum Einstellen der Kompensation erforderliche optische Abgleich sich nicht
ändert. Bei sich ändernder Lichtverteilung des Strahlers, die häufig auch mit einer
Änderung der Richtungsverteilung der Strahlung verbunden ist, wird der Kompensationsabgleich
jedoch gestört. Dies führt zu Störungen des Nullabgleichs und hat somit Nullpunktsdriften
zur Folge. Es ist bekannt, diesen Nachteil durch eine besondere Art der Bündelteilung
zu vermeiden, und zwar entweder, indem man mit halbdurchlässigen Spiegeln arbeitet
(siehe VDI-Bericht 97, Seite 21) oder indem man einen Rillenspiegel (siehe "Limas"-Prospekt
derFirma Hartmann und Braun) verwendet. Beide Verfahren sind nachteilig, weil sie
einen vergleichsweise großen Aufwand an speziell zu fertigendem optischen Mitteln
und an Justiermitteln erfordern Bei der Anordnung mit Flimmerspiegel (VDI-Bericht
97, Seite 21, Bild 16) wird zwar die Gleichartigkeit der beiden Lichtbündel (Meß-
und Vergleichsbündel) in einem hohen Maß erzielt, doch sind die Mittel zum amplitudenkonstanten
Erregen des Schwingspiegels (Flimmerspiegels) ebenfalls sehr aufwendig. Ferner ergeben
Erschütterungen des Meßsystems leicht unerwünschte Störsignale.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung finden zur Erzeugung der beiden
zu vergleichenden Lichtbündel (Meß- und Vergleichsbündel) jeweils die gleichen reflektierenden
Spiegelflächen Verwendung.
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Dadurch wird sichergestellt, daß durch eine Reflexionsänderung am
Drehspiegel keine Unterschiede in den beiden Bündeln erzeugt werden. So bewirkt
bei den bekannten Anordnungen mit rotierenden Sektorenspiegel 1) eine Änderung in
der Reflexion bei einer Spiegelfläche, z.B. als Folge einer Verschmutzung oder Belegung
1) z.B. nach Cary ix j.Hengstenberg "Messen und Regeln in der chemischen Technik"
2. Aufl., Seite 482
dieser Spiegelfläche, einen Unterschied in
der Helligkeit der beiden Bündel, was eine Nullpunktsdrift zur Folge hat. Bei der
erfindungsgemäßen Anordnung wirkt sich eine solche Reflexionsänderung hingegen gleichsinnig
auf beide Lichtbündel aus und hat somit auf den Nullpunkt der Messung keinen Einfluß.
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Der Drehspiegelmodulator kann in einfacher Weise als Selektivmodulator
ausgeführt werden. Dazu ist es nötig, daß eine Seite des Spiegels mit einem optischen
Filter (Interferenzfilter, Farbfilter, absorbierende Folie, Gasfilter) oder auch
beide Seiten mit unterschiedlichen optischen Filtern belegt werden.
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In dieser Variante ist das Photometer dann auch als Einstrahlphotometer
verwendbar. Bei Verwendung als Zweistrahlphotometer ergit sich jedoch hierbei eine
höhere Nullpunktsstabilität.
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Die Verwendung anderer Spiegelformen (statt des Planspiegels) ist
auch möglich. So kann der Spiegel auch als Hohlspiegel (beidseitig) ausgeführt werden.
Die Linse 22 kann dann entfallen.
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Doch muß in diesem Fall im Interesse einer ausreichenden Strahlungsausbeute
ein vergleichsweise großer Spiegel (z.B. 20 mm x 20 mm) verwendet werden, was konstruktiv
ungünstiger ist.
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Es sei noch erwähnt, daß das für die Quotientenmessung erforderliche
Hilfssignal bei den Anordnungen nach Abb. 1 und 3 und auch bei den noch zu beschreibenden
Abb. 4 - 6 auch dadurch gewonnen werden kann, daß ein mit Wechselstrom oder pulsierenden
Gleichstrom betriebener Strahler verwendet wird. Bei Strahlerbetrieb mit 50 Hz-Wechselstrom
ergibt sich dabei eine Pulsfrequenz von 100 Hz.
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In den Abb. 4 und 5 sind Beispiele von erfindungsgemäßen Anordnungen
für den IR-Bereich wiedergegeben. Die Anordnungen entsprechen grundsätzlich der
in Abb. 3 gezeigten. Während bei Abb. 3 zur Erzeugung der Bündel optische Abbildungselemente
(z.B. Linsen) verwendet werden, erfolgt die Bündelführung (wie das häufig bei technischen
Betriebsphotometern für den IR-Bereich geschieht) durch Mehrfachreflexion an reflektierenden
Hohlleitern.
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(Rohren oder Kanälen). Ein von der Stellung des rotierenden Drehspiegels
43 abhängiger Teil des mittels Strahler 41 und Reflektor 42 erzeugten Strahlenbündels
gelangt entweder in den Meßstrahlengang M oder in den VergleichsstrahlengangV.
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Die beiden Bündel M bzw V werden durch die Planspiegel 44 bzw. 45
umgelenkt, durchlaufen die Meßküvette 46 bzw. die Vergleichsküvette 47 und treffen
auf die beiden miteinander verbundenen Kammern 48 bzw. 49 eines pneumatischen Empfängers
(sihe z.B. Z. techn. Phys. 1948; Seite 97 ruf). Die nicht von Strahlung beaufschlagten
Kammern 50 bzw. 51 sind ebenfalls miteinander verbunden.
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Das Kammerpaar 48 - 49 ist mit der Kammer 52 und das Kammerpaar 50
- 51 mit der Kammer 53 eines aus Membran 54 und feststehender durchlöcherter Gegenelektrode
54 bestehenden Kondensatormeßmikrophons verbunden. Die elektrischen Anschlüsse des
Mikrophons werden einer Meßelektronik zugeführt, welche in bekannter Weise die in
den Empfängerkammern auftretenden Wechseldrücke in elektrische Spannungen umwandelt.
Der Drehspiegel 43 rotiert mit der Drehzahl n um eine durch P (senkrecht zur Zeichenebene)
verlaufende Drehachse. Dabei werden Strahlungsimpulse der Frequenz fp (fp = 4n)
erzeugt, welche in den Empfängerkammern 48 - 49 Druckimpulse gleicher Frequenz erzeugen.
Da die Kammern 48 und 49 miteinander verbunden sind wirken sie gleichsinnig und
entsprechen praktisch einer einzigen Empfängerkammer, welcher Meß- bzw.
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Vergleichsstrahlung durch optische Umlenkmittel zugeführt werden.
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Für den Nullpunkt der Messung, d.h. wenn in der Meßküvette 46 keine
Schwächung erfolgt, sind die im Empfänger erzeugten Impulse gleich. Es tritt dann
nur eine Signalfrequenz fp auf. Das dieser Signalfrequnz fp entsprechende Signal
wird wieder wie bereits ausführlich dargelegt als Hilfssignal GH verwendet (fH =
fp).
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Bei Schwächung der Strahlung in der Meßküvette 46 wird der Meßstrahlungsimpuls
entsprechend der Strahlungsschwächung A geschwächt. Das hierbei im Empfänger erzeugte
Signal aber halben von der halben Pulsfrequenz (fM = 0,5 fp) kann dann analog zu
der bei Abb. 1a gezeigten Elektronik zur Messung der Differenz von Meß- und Vergleichsstrahlungsdifferenz
verwendet werden,
wobei auch hier wieder die vorteilhoaften Wirkungen
in Hinblick auf die Beseitigung von Störeinflüssen erzeilt werden.
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Die Anordnung nach Abb. 5 entspricht im wesentlichen der von Abb.
4. Die Bündelführung wird hier unter Verzicht auf zusätzliche Reflektoren durch
einen zylindrischen Ringkanal von beispielweise recateckigen Querschnitt bewirkt.
Ferner wird die Doppelkammer durch eine in entgegengesetzter Richtung von Meß-und
Vergleichsstrahlung beaufschlagte zylindrische Kammer, welche von der als Zylinderring
ausgeführten Gegenkammer (der nicht von Strahlung beaufschlagten gleich großen Empfängerkammer)
umschlossen wird. Die Anordnung nach Abb. 5 ist besonders vom konstruktiven Standpunkt
sehr günstig. Außerdem ergibt sich wegen des gedrungenen und symetrischen Aufbaues
ein günstiges Temperaturverhalten. Im einzelnen entnält die Anordnung den Strahler
61, den Reflektor 62, den mit der Frequenz n umftotierenden Drehspiegel, die Meßkammer
M, die Vergleichskammer V, die Empfängerkammer 64 mit dem Anschlußröhrchen 66 und
die Gegenkammer 65 mit dem Anschlußröhrchen 67. Die Anschlüsse 66 und 67 sind mit
einem nicht gezeichneten Meßmikrophon (mit der dazu gehörigen Auswerteelektronik)
verbunden.
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Die Abb. 6 zeigt das Schema eines IR-Zweistrahlphotometers mit gleichphasigen
Impulsen, wobei zusätzlich Hilfsimpulse erzeugt werden. Die Abb. 6a zeigt das Grundschema,
die Abb. 6b bis 6d zeigen Beispiele von Modulatorscheiben für die erfindungsgemäße
Anordnung. Die in den Teilskizzen jeweils rechts befindliche kreisförmige Öffnung
(Durchmesser d bzw. 0,3 d) dienen der Erzeugung der Hilfsstrahlungsimpulse. Bei
den gezeigten Modulatorscheiben,welche mit der Drehzahl n rotieren, beträgt die
Frequenz der gleichphasigen Impulse (Grundmodulation) fH = 2n. Da die Impulse auf
einen Differenzempfänger wirken, ist für den Nullpunkt der Messung die resultierende
Wirkung dieser Impulse (Meßimpulse) null. Bei einer Schwächung des Meßstrahlenganges
ergibt sich ein dieser Schwächung entsprechendes Meßsignal giv. Dieses Signal (3
M entspricht somit der zu messenden Differenz zwischen Meß- und Vergleichsstrahlenintensität.
Die Hilfsstrahlimpulse werden zwar mit gleicher Impulsfolgeperiode wie die
Meßstrahlimpulse
erzeugt, doch werden die ersten periodisch abwechselnd einmal der Vergleichskammer
85 und einmal der Meßkammer 75 des Empfängers zugeleitet.Da die Wirkungen dieser
beiden Kammern gegensinnig sind, wechseln die erzeugten Empfängersignale ihr Vorzeichen.
Praktisch bedeutet dies, daß ein Signal der halben Pulsfrequenz entsteht. (fH =
0,5 fM = n). Die Größe dieses Hilfssignals ist ein Maß für die Summe von Meß- und
Vergleichsstrahlenbündelintensität. Aus diesem Grunde ist auch der Quotient von
Meßsignal und Hilfssignal ein von Strahlerstärke, Empfängerempfindlichkeit usw.
unabhängiges Maß für die relative Schwächung des Meßstrahlenbündels durch das Meßgut,
wenn dafür gesorgt wird, daß für den Nullpunkt der Messung die Intensitäten von
Meß-und Vergleichsstrahlung gleich sind. Dies ist aber aus Symetriegründen gegeben,
wobei kleine Symetrieabweichungen durch an sich bekannte Mittel ausgeglichen werden.
Analog zu den bereits beschriebenen Beispiele wird mittels elektronischer Mittel
das Verhältnis von #M zu #H gemessen. Dieser Meßwert stellt einen von Störeinflüssen
praktisch unabhängiges Maß für die zu messende Bündeldifferenz dar. Im einzelnen
enthält die Anordnung-im Meß-bzw. Vergleichsstrahlengang die folgenden Elemente:
Strahler 71 bzw. 81, Reflektor 72 bzw. 82, Meßküvette 74 bzw. Vergleichsküvette
84 sowie die Empfängerkammern 75 bzw. 85. Die Modulation der Strahlungsbündel erfolgt
mit einer der in Abb. 6b bis 6d skizzierten Modulatorscheiben 73. Die Messung der
in den Empfängerkammern erzeugten Druckimpulse erfolgt mit Hilfe des Mikrophons
76 mit der Membran 77 und der feststehenden Elektrode 87. Die Anschlüsse 78 des
Kondensatormikrophons werden einer nicht wiedergegebenen Auswertelektronik zugeführt.
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Es gehört zum Stande der Technik, daß an Stelle des Meßmikrophons
in den Abb. 4 - 6 auch andere Wechseldruck- bzw. Wechselstörungsmeßsysteme verwendet
werden können. Ein eingehen darauf erübrigt sich daher,
Das wesentliche
Kennzeichen der erfindungsgemäßen in Abb. 1 bis 5 beispielsweise dargestellten Methode
kann folgendermaßen charakterisiert werden.
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1. Es wird eine ununterbrochenederiodische Folge gleichartiger Strahlungsimpulse
verwendet: Die Impulse sind gleichartig insbesondere a) hinsichtlich der geometrischen
Form der Strahlenbündelquerschnitte b) hinsichtlich des Verlaufs der Intensitäts-Zeit-Funktion
bei der Modulation 2. Ausgehend von einem Signal einer einzigen Pulsfrequenz wird
a) ein Differenzsignal (Meßsignal) b) ein Summensignal (Hilfssignal) hergestellt.
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3. Die Signalauswertung liefert das Verhältnis von Differenzsignal
zum Summensignal.
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Auf Grund der genannten Kennzeichen ergibt sich der folgende besondere
Vorteil: Die auf Meß- und Hilfssignal sich in gleicher Weise auswirkenden Störeinflüsse
beeinflussen wegen der Quotientenbildung das Meßergebnis nicht. Solche Störeinflüsse
sind unter anderem durch Temperaturänderungen, durch Netzspannungsschwankungen und
durch Alterung bedingte Änderungen der Strahlerintensität (ausgesandte Strahlungsleistung),
der Empfängerempfindlichkeit und der Empfindlichkeit des Vorverstärkers.
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Diese vorteilhafte Wirkung konnte mit keiner der bekannten Anordnungen
erzielt werden. Zwar gibt es Zweistrahlphotometer, die auch mit einer Quotienten-Messung
von Signalen arbeiten-, doch wird hierbei der Meß- und der Vergleichs strahlengang
mit einer anderen Frequenz moduliert. Meß- und Vergleichssignal werden getrennt
verstärkt und danach das Verhältnis aus der Differenz von Meß- und Vergleichs signal
zum Vergleichssignal
gebildet. Die Differenzbildung zweier über
versciedene Modulationskanäle und verschiedene Vorverstärkerkanäle geleiteten Signale
ergibt große Meßfehler, vor allem dann, wenn es sich um die Erfassung kleiner Differenzen
handelt. Bei Betriebsphotometern werden häufig Absorptionsmeßbereiche von 2 % mit
einer relativen Genauigkeit von 2 % gefordert. Dies erfordert eine Genauigkeit bei
der Differenzbildung von 0,04 %. Solche kleinen Absorptionswerte können jedoch mit
einer üblicherweise für Betriebsanalysatoren geforderte Nullpunktstabilität von
dem genannten Wert von 0,04 % während einer Woche nur mit der an sich bekannten
unmittelbaren optischen Differenzbildung im Zweistrahlverfahren erzielt werden.
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Dabei stieß bislang das Einhalten einer konstanten Ausschlagempfindlichkeit
(denn nur der Nullpunkt wird im Zweistrahlverfahren durch die kompensierende Wirkung
des Vergleichstrahlenganges stabilisiert) in Hinblick auf die oben genannten Störeinflüsse
auf große Schwierigkeiten, für welche es zwar von Fall zu Fall Teillösungen gibt
(Netz spannung skonstantregelung, Thermostatierung, Temperaturkompensation etc.)
doch ist die Wirksamkeit dieser Maßnahmen wesentlich eingeschränkt im Vergleich
zur Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Methode. w r der bekannten Methode mit verschiedenen
Modulationsfrequenzen ia Meß- bzw. Vergleichsstrahlengang ist noch zu sagen, daß
die Anwendung dieser Methode im IR-Bereich in Verbindung mit in Bezug auf Meßempfindlichkeit
und Phasenlage stark frequenz-abhängigen pneumatischen Empfängern kaum mit Vorteil
verwendet werden kann. Hier bieten sich für die erfindungsgemäße Methode außergewöhnliche
Vorteile; denn für das Differenzsignal ist nur eine Frequenz (die Meßfrequenz) und
die bei dieser Frequenz vorliegende Meßempfindlichkeit maßgebend.
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(Zum Unterschied von der bei zwei unterschiedlichen Frequenzen in
Meß- und Vergleichs strahlengang arbeitenden Photometern). Ein evtl. Frequenzfehler
für die Hilfsfrequenz im Vergleich zur Meßfrequenz wirkt sich nur proportional auf
das Differenzmeßergebnis aus.
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Bei den Drehspiegelanordnungen (Abb. 3 - 5) kommt zu den genannten
Vorteilen noch folgender hinzu. Die Richtungsverteilung der vom Strahler ausgehenden
Strahlung ist für Meß- und Vergleichsstrahlimpuls stets die gleiche. Strahlerunsymetrien
(sei es ursprünglich
vorhandene oder infolge von Alterung später
entstehende) haben daher keinen Einfluß auf das Meßergebnis. In der Praxis ergibt
sich auf Grund dieses Befundes eine Verbesserung der Nullpunktskonstanz. Weiterhin
ist bei dem Drehspiegelsystem der einfache und vergleichsweise gedrängte Aufbau
von Vorteil.
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Bei einer korrekten Auswertung des Quotientenwerß q als Funktion von
A ist noch folgendes zu beachten: Es sei
Hierbei sind tundvbei der Eichung zu berücksichtigende Konstanten, die nicht von
A abhängen. Für die Funktion f(A) ist im allgemeinen der Fall A< von Interesse.
Dann wird f(A) tf A und die Gleichung (1) vereinfacht sich in
Aber auch für die größeren A-Werte ist ein einfacher gemäß Gleichung (1) bei der
Eichung zu berücksichtigen der Zusammenhang zwischen q und A vorhanden. Da bei der
Stoffanalyse der Zusammenhang zwischen der Nachweiskonzentration und dem ohnedies
nicht linear ist, ist diese Korrektur ohne Bedeutung, zumal in der Regel sowieso
mit Eichgemischen empirisch geeicht wird.
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