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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eie Photometer der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Art.
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Derartige Photometer werden in automatisierten Analysengeräten verwendet,
wie es beispielsweise in der DE-OS 30 29 795 dargestellt ist. An derartige Photometer
werden hohe Genauigkeitsanforderung gestellt, wobei die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit
der Messungen groß ist, die für die Analyse benötigte Substanzmenge hingegen klein
sein soll. Weiterhin soll in den Strahlengang ein Filterrad mit verschiedenen optischen
Filtern einschaltbar sein, welche gegebenenfalls auch eine größere Durchstrahlungslänge
zulassen müssen.
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Diese Forderungen lassen sich in der Aufgabenstellung zusammenfassen,
daß ein Photometer angegeben werden soll, welches eine möglichst große Ausbeute
des Lichtstromes bei gleichmäßiger Durchstrahlung der Meßkammer zuläßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, daß sich im Lichtweg die Möglichkeit
bietet, einen Teilerspiegel anzubringen, der einen prozentualen Anteil der Strahlung
einem Referenzelement zuführt, welches eine permanente Uberwachungs- und Vergleichsmöglichkeit
bietet.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein optimaler Aufbau
eines Photometers mit kleiner Meßkammer dann möglich ist, wenn es gelingt, den Lichtstrom
derart zu kanalisieren, daß er die Probe nahezu homogen durchstrahlt.
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Damit kann nämlich auch auf aufwendige Photovervielfacher verzichtet
werden, da phdtoempfindliche Halbleiter mit ihren verhältnismäßig kleinen Rezeptionsflächen
dieser Bauweise angepaßt sind und auch in der elektronischen Beschaltung weniger
aufwendig sind - insbesondere geeignet sind hier photoempfindliche Siliziumdioden.
Durch die Erfindung läßt sich die Lichtausbeute einer Quelle von verhältnismäßig
schlanker Form, wie sie von einem Glühfaden oder einem Lichtbogen gebildet wird,
auf eine Probenkammer konzentrieren, welche mit einem im wesentlichen rechteckigen
Lichteintrittsfenster versehen ist.
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Bei Meßküvetten ist man bestrebt, die Wandflächen im Verhältnis zum
Probenvolumen klein zu halten, so daß das Küvettenfenster ebenfalls günstigerweise
eher quadratisch als schmal und hoch ausgebildet ist. Dazu kommt, daß auch die Empfangsflächen
üblicher Photoaufnehmer - und insbesondere -halbleiter - Rechtecke mit einem Seitenverhältnis
nahe eins bilden, so daß im Hinblick auf eine homogene Durchstrahlung der Küvettenkammer
ein entsprechendes Verhältnis für den Lichteintritt angestrebt werden sollte.
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Die für eine präzise Lichtführung erforderlich feinmechanisch hochwertige
Ausführung der optischen Bank läßt sich bevorzugt in Form eines wannenförmigen Trägers,
gegebenenfalls mit H- oder X-förmigem Querschnitt, realisieren, der aus Aluminiumguß
hergestellt ist. Damit ergibt sich der
zusätzliche Vorteil, daß
die Thermostatisierung der Meßküvette - die, wie zuvor erwähnt, relativ kleine Abmessungen
aufweist - bevorzugt mittels eines Peltierelementes erfolgen kann, dessen einer
Teil mit der Meßküvette und dessen anderer Teil mit dem wannenförmigen Chassis wärmeleitend
verbunden ist.
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Ein weiterer mit der Erfindung verbundener Vorteil ist die große Unempfindlichkeit
der Anordnung gegen Erschütterungen im Betrieb.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
dargestellt bzw. werden nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung eines vorteilhaften
Ausführungsbeispiels näher dargestellt.
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Die einzige Figur zeigt eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen
Photometers in perspektivischer Ansicht.
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Eine gestrichelt dargestellte Meßküvette 1 enthält eine Kammer 2,
welche die zu untersuchende Flüssigkeit aufnimmt. Sie ist mindestens in Richtung
der optischen Achse 3 (strichpunktiert dargestellt) mit lichtdurchlässigen Fenstern
versehen. Als Lichtquelle dient eine Hg-Lampe, welche einen Lichtbogen 4 erzeugt,
der in der Figur als Rechteck schematisch dargestellt ist, während die weiteren
Einzelheiten der Lichtquelle nicht wiedergegeben sind.
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Auf der optischen Achse befindet sich nächst der Lichtquelle 4 eine
Blende 5, deren Form zur Ausblendung von Streulicht beiträgt und im übrigen jeweils
einen Teil des
oberen und unteren Bereichs des Lichtbogens von der
Probendurchstrahlung ausschließt, da diese Teile erfahrungsgemäß unruhiger und ungleichmäßiger
brennen. Von der ursprünglichen Länge des Lichtbogens, die bei einer Breite von
ca. 2,2 mm ca. 18 mm beträgt, werden jeweils oben und unten 2 mm ausgeblendet.
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Anschließend passiert das Licht eine Zylinderlinse 6, wobei die gedachte
Mittelachse des Zylindermantels parallel zum Lichtboden 4 gerichtet ist. Unmittelbar
benachbart der Zylinderlinse ist ein Filter 7, das eine große Dicke (maximal 30
mm) in Richtung der optischen Achse hat, so daß eine den übrigen hohen Anforderungen
an die Apparatur entsprechende spektrale Reinheit der Strahlung erzielbar ist. Ein
gestrichelt angedeutetes Filterrad 8 nimmt mehrere verschiedene Filter auf, welche
je nach Bedarf in den Strahlengang geschwenkt werden können. Die Ausbildung derartiger
Filterräder und der dazu erforderliche Antrieb sind bekannt und nicht näher dargestellt.
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In einiger Entfernung vom Filter 7 folgen im Strahlengang eine Bikonvexlinse
8 und ein Teilerspiegel 9, der eine Durchlässigkeit von ungefähr achtzig Prozent
hat, so daß ein verhältnismäßig geringer Anteil der Strahlung, welche die Küvette
2 erreicht, abgezweigt und durch eine Blende 10 einem Referenzelement 11 zugeführt
wird. Der Hauptanteil der Strahlung gelangt durch eine Blende 12 und die Kammer
2 der Küvette 1 hindurch zu einem Lichtempfänger 13.
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Das aus der Zylinderlinse 6 und der Konvexlinse 8 gebildete optische
System ist derart ausgebildet, daß für - in
der Zeichnung - vertikale
Richtungen lediglich die Linse 8 wirksam ist und die Lichtquelle im Bereich der
Küvettenkammer 2 abbildet. Durch geeignete Wahl der Brennweite der Linse 8 und den
übrigen geometrischen Bemessungen resultiert eine Verkleinerung der Länge des vertikalen
Lichtbogens 4. Bezüglich horizontaler Richtungen wirken dagegen beide Linsen 6 und
8 und bilden damit ein zweilinsiges optisches System. Hier sind die geometrischen
Verhältnisse so bemessen, daß eine Abbildung der Querabmessung des Lichtbogens 4
nahezu in natürlicher Größe oder geringfügiger Verkleinerung die Folge ist. Die
Zylinderlinse wirkt dabei auch vergleichsweise wie ein Kondensator und sammelt das
Licht aus einem größeren den Brenner umgebenden horizontalen Winkelbereich.
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Auf diese Weise wird die Kammer 2 von einer Art "Lichttunnel" ausgefüllt,
der in seiner Beschaffenheit fast homogen ist. Es ist dabei zu beachten, daß durch
das dargestellte System auf dem Photoempfänger 13 zwar kein konkretes "Bild" des
Glühfadens der Art hervorgerufen wird, daß es beispielsweise Einzelheiten wiedergäbe,
sondern stattdessen ein rechteckiger Lichtfleck von 4 mm Höhe und 1,4 mm Breite,
dessen Beleuchtungsintensität über seine Fläche nahezu konstante Werte aufweist.
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Die Anordnung des Filters 7 erfolgt in Bereichen, in denen sich die
Filterdicke nicht oder nur geringfügig auf den Strahlengang auswirkt. Das ist nach
der Zylinderlinse der Fall. Der Lichtquerschnitt ist hier relativ groß, so daß örtliche
Unterschiede der Brenneroberfläche bzw. Verfälschungen oder Verfärbungen der Lichtstrahlung
ausinte-
griert werden. Die Küvette 2 ist dagegen in Bereichen
angeordnet, in denen der Lichtquerschnitt am geringsten und annähernd parallel ist.
Hier erfolgt eine "Abbildung" der Lichtquelle.
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Der Referenzphotoempfänger 11 entspricht nach Art und Aufbau dem Empfänger
13, so daß Abweichungen welche auf Veränderungen des Lichtsenders 4 zurückgehen
oder im Lichtweg bis zum Teilerspiegel 9 auftreten, im Meßergebnis nicht in Erscheinung
treten. Da die optische und elektronische Verarbeitung vollkommen übereinstimmend
erfolgt, wirken sich auch lokale Helligkeitsunterschiede bezüglich der Helligkeit
oder Färbung des Lichtbogens 4 nicht aus.
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Um die durch die Erfindung geschaffenen optischen Vorzüge der Photometeranordnung
voll ausnutzen zu können, sind die dargestellten Elemente in einem wannenförmigen
Träger 14 mit H-förmigem Querschnitt angeordnet, der als Aluminiumgußwerkstück hergestellt
ist. Die Wanne wird von einem nicht dargestellten Deckel lichtdicht verschlossen.
Damit ergibt sich ein verwindungssteifer Träger, dessen innere Oberfläche derart
gestaltet ist, daß er alle zur Aufnahme und zum Befestigen der einzelnen Elemente
erforderlichen Flächen und Anschlüsse aufweist. Gleichzeitig bildet er einen Kühlkörper
für ein Thermostatisierungssystem nach dem Peltierprinzip mit einem Element 15,
das einerseits mit dem wannenförmigen Träger und andererseits mit der Küvette 1
wärmeleitend verbunden ist, so daß mit Hilfe einer angelegten äußeren Spannung eine
Erwärmung oder Abkühlung der Küvette 1 in Bezug auf den wannenförmigen Träger 14
erfolgen kann. Bevorzugt wird die Regelung der
Eingangsspannung
gesteuert durch einen Wärmefühler vorgenommen, welcher ebenfalls mit der Küvette
1 verbunden - in der Zeichnung aber nicht dargestellt - ist. Die Küvette 1 selbst
ist mit Ausnahme der Fensteröffnungen von einem wärmeleitenden Körper 16 umgeben,
der in Kontakt mit dem Peltierelement 15 steht und für eine gleichmäßige Temperierung
der Küvette sorgt.
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Die wiedergegebene Temperierungsanordnung läßt sich besonders vorteilhaft
mit dem erfindungsgemäßen Photometer verwenden, weil durch die relativ kleine Küvettengröße,
die mit dem dargestellten optischen System präzise durchleuchtet werden kann, insgesamt
eine Verkleinerung der Bauform des Photometers möglich ist, welche wiederum eine
Thermostatisierung mit großer Präzision und kleinen Zeitkonstanten zuläßt, zumal
mit dem wannenförmigen Träger ein Ausgleichselement zur Wärmeabgabe bzw. -aufnahme
in Bezug auf die Umgebung zur Verfügung steht, das in der Lage ist, kurzfristig
größere Wärmeleistungen umzusetzen. Somit fördern sich die genannten Maßnahmen gegenseitig
derart, daß die Qualitätsverbesserung weit über das hinausgeht, was jeweils mit
diesen Maßnahmen einzeln erreichbar wäre.
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