DE639212C - Registrierendes Spektralphotometer - Google Patents

Description

Im Hauptpatent ist ein registrierendes Spektralphotometer beschrieben, bei welchem zwecks Vergleichs des von einer Prüfprobe (z. B. Färbungsprobe) ausgehenden Lichtes mit dem von einer Normalprobe ausgehenden Licht die beiden Lichtbüschel nach Ausblenden eines bestimmten Spektralbereichs abwechselnd einer lichtelektrischen Vorrichtung zugeführt werden, wobei der zufolge ungleieher Lichtintensität entstehende pulsierende Strom dadurch zur Abgleichung der beiden Lichtintensitäten und Registrierung dieser Abgleichung dient, daß er einen Motor steuert, welcher die Abgleichvorrichtung, ζ. Β. eine veränderliche Blende, und den Schreibstift der Registriervorrichtung antreibt und der bei Aufhören der Pulsationen zufolge der erzielten Abgleichung stillsteht, und einen zweiten Motor, der mit dem ersten zusammenwirkt und Mittel antreibt, durch welche die Zelle einem neuen Spektralbereich ausgesetzt und auch die Registriertrommel gedreht wird, so daß durch die erneute Störung der Abgleichung der erste Motor durch den erneut pulsierenden Zellenstrom wieder in Gang gesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine weitere Verbesserung der Antriebsvorrichtung des Spektralphotometers. Erfindungsgemäß besteht die Antriebsvorrichtung aus einem umsteuerbaren Elektromotor, dessen eine Wicklung (z. B. Stator) durch einen Wechselstrom erregt wird, dessen Periode gleich der Frequenz der abwechselnden Lichtblitze ist und dessen andere Wicklung (z. B. Rotor) durch den verstärkten Lichtzellenstrom erregt wird. Durch diese Anordnung werden die elektromagnetischen Steuerrela-is völlig entbehrlich, so daß eine einfachere und billigere Anordnung sowie eine größere Sicherheit und Arbeitsgeschwindigkeit erreicht wird. In der Zeichnung ist die Anordnung gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Auf dem Grundbrett 1 befindet sich die Lichtquelle 2, vorzugsweise eine Glühlampe mit einem breiten Faden 3, dessen Ebene so liegt, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Auf der einen Seite der Lampe ist eine Tragvorrichtung 4 vorgesehen zur Aufnahme der Meßprobe oder der Vergleichsprobe. In der Zeichnung ist der letztere Fall dargestellt. Die Tragvorrichtung besitzt einen Schirm 5 mit

einer Öffnung, durch die die im wesentlichen vertikale Oberfläche 6 der Normalprobe 7 dem Licht der- Lampe ausgesetzt wird.

Auf der entgegengesetzten Seite der Lampe?· in dem gleichen Abstand von der Lampe wie^ die Tragvorrichtung 4 ist eine zweite Tra$£"| vorrichtung 8 vorgesehen, die ebenfalls einen! Schirm 9 besitzt. Dieser Schirm ist mit einem Schlitz oder einer Blende versehen, durch die die zu messende Probe 11 dem Licht der Lampe ausgesetzt wird.

Sowohl zwischen Lampe und Tragvorrichtung 4 als auch zwischen Lampe und Tragvorrichtung 8 befinden sich Kondensorlinsen 12 und 13. Um eine Überhitzung der Proben zu vermeiden, sind an geeigneten Stellen zwischen Lampe und Tragvorrichtung Kühltröge 14 und ι S vorgesehen. Außerdem befinden sich zwischen Lampe und den Tragvorrichtungen 4 und 8 ein Paar Verschlüsse oder Blenden 16 und 17, die mehr oder weniger Licht von der Lampe her durchlassen und so den relativen Betrag an Licht bestimmen, . das von den Oberflächen der Normal- und Meßprobe reflektiert wird.

Auf dem Grundbrett ist weiterhin eine Achse 29 gelagert, die ebenfalls parallel mit den optischen Achsen der Linsen 12 und 13 verläuft, d. h. also im wesentlichen senkrecht zu den dem Licht ausgesetzten Oberflächen 6 und 10 der Proben. Die Achse 29 besitzt ein Zahnrad 30, das mit einem Zahnrad auf der Achse eines Synchronmotors 31 in Eingriff steht. Dieser Motor ist an die Leiter 32 und ³S 33 angeschlossen, die Wechselstrom bestimmter, gleichbleibender Frequenz (ζ. B. 6o Perioden pro Sekunde) liefern. Die Achse 29 trägt eine Einrichtung 34 zur Erzeugung von abwechselnden Lichtblitzen. Sie besteht zweckmäßigerweise aus einer Glasscheibe, die aus abwechselnd durchsichtigen und reflektierenden" Sektoren besteht. Die reflektierenden Flächen der Sektoren sind dem von der Probe 11 her reflektierten Licht zugewandt. Die Ebene der Scheibe ist dabei so angeordnet, daß sie mit den Lichtstrahlen B¹ und B², die von den Proben 7 und 11 herrühren, gleiche Winkel bildet. Um die Richtung dieser Lichtstrahlen zu justieren, sind die Linsen 37 und 38 vorgesehen. Hat ein durchsichtiger Sektor der Scheibe 34 die richtige Stellung, so geht der Lichtstrahl B¹ von der Normalprobe 7 durch die Linse 37, den durchsichtigen Sektor und dann durch einen in dem Schirm 40 befindlichen senkrechten Schlitz 39 und verläuft dann weiter in Richtung L. Während der Strahl B¹ von der Normalprobe her durch die Scheibe tritt, tritt auch der Strahl B² von der Meßprobe durch die Scheibe, aber in entgegengesetzter Richtung, und gelangt damit nicht zur Wirkung. Dreht sich nun die' Scheibe, so

daß ein reflektierender Sektor in den Weg des Lichtstrahles B² tritt, so wird dieser reflektiert und verläuft in der gleichen Richtung L 'φ§ρ vorher der Lichtstrahl B¹. Während dieisJ£r.Zeit ist aber der Lichtstrahl B¹ durch den durchsichtigen reflektierenden Sektor abgedet, so daß nur Licht von der Probe 11 in Richtung L gelangt. _φ Bei Drehung der Achse 29 gelangen also abwechselnd Lichtblitze von der Normalprobe 7 und der Meßprobe 11 durch den Schlitz 39 in Richtung L.

Die Geschwindigkeit des Motors 31 und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes für die Achse 29 ist so gewählt, daß die Wechsel der Lichtblitze in der gleichen Periode erfol-■ gen, die der Wechselstrom der Leitungen 32 und 33 besitzt. Hat also der Wechselstrom eine Periode von 60 pro Sekunde, so liefert die Scheibe 34 ebenfalls 60 Lichtblitze in der Sekunde.

Die Lichtblitze gelangen durch die Linse 41 auf das Prisma 42, das sie in ein Spektrum 6" auflöst. Hinter das Prisma ist noch eine Linse 43 geschaltet. Das rote Ende des Spektrums liegt bei R, das violette bei V.

Das Prisma befindet sich auf einer drehbaren Unterlage 44, die durch eine Verbindung 45 leicht kontinuierlich oder stufenweise in seiner Stellung verändert werden kann. Die Verbindung 45 wird durch eine Kurvenscheibe 46, die auf der Achse 28 sitzt, angetrieben. Diese Drehung der Unterlage 44 mit dem Prisma hat die Wirkung, daß die Lage des Spektralbandes S in seitlicher Richtung verschoben wird.

Weiterhin ist ein Schirm 47 mit einer schmalen Öffnung 48 vorgesehen, durch die ein schmaler Wellenlängenbereich des Spektrums hindurchtritt und auf das Fenster 49 einer photoelektrischen Zelle fällt.

Bei Drehung der Achse 28 mit ihrer Kurvenscheibe 46 schwingt die Unterlage 44 hin und her und verschiebt so auch das Spektrum 6" hin und her. Infolgedessen wird die Zelle 50 nacheinander Licht von verschiedener Wellenlänge ausgesetzt. Ist bei bestimmter Wellenlänge die Lichtenergie, die die Zelle von der Normalprobe erhält, größer als die von der Meßprobe oder umgekehrt, so wird in der Lichtzelle ein pulsierender Strom erzeugt, wobei die Periode dieser Schwankungen mit der Periode der Lichtblitze übereinstimmt. Diese Schwankungen halten so lange an, als ein Unterschied in der Lichtintensität aufeinanderfolgender Lichtblitze besteht. Ist die Stärke der Lichtblitze gleich, so hören die Pulsationen in der Zelle auf. Der Strom der Photozelle kann nun dazu benutzt werden, um die Unterschiede oder die Gleichheit der Lichtintensität von der Normal- und Meßprobe anzuzeigen. Da aber die photoelektri-

sehen Ströme in der Größenordnung von io~¹⁰ Ampere Iiegen_; können diese Ströme nicht direkt beobachtet werden und auch nicht direkt zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung benutzt werden, sondern müssen zunächst' verstärkt werden. Dies geschieht mit Hilfe , eines üblichen Röhrenverstärkers. Wie ersichtlich, wird der vom Verstärker kommende Strom dem Rotor des umsteuerbaren Motors

ίο 54 zugeführt, während das Feld des Motors mit Wechselstrom von den Leitungen 32 und 33 her gespeist wird.

Die Achse des Motors 54 trägt ein Getriebe 55, das in das Antriebsrad 56 der Achse 57 eingreift. Diese Achse treibt das bewegliche Element der Blende 16 an, so daß also, je nachdem in welcher Richtung der Motor läuft, die Blende geöffnet oder geschlossen wird.

Die Achse 28 trägt eine Registriertrommel 58, die als Oberfläche einen Wachszylinder oder ein Blatt Papier oder irgendeine andere Oberfläche besitzt, auf der Aufzeichnungen gemacht werden können. Außerdem trägt die Achse 28, wie erwähnt, Kurvenscheiben 27 und 46 zur Betätigung der Blende 17 und zur Bewegung des Prismas 42, wodurch die Photozelle nacheinander verschiedenen Teilen des Spektrums ausgesetzt wird.

Ein Getriebe 59 auf der Achse 28 greift in ein Schraubengewinde auf der Achse 60. Die Achse 60 wird durch das Zahnradgetriebe 61 und 62 von dem Motor 63 angetrieben. Dieser Motor erhält Wechselstrom von den Leitungen 32 und 33. Ein Teil der Achse 57 besteht aus einer Schraubenspindel 64, auf der eine Wandermutter 65 sitzt, die wiederum einen Teil eines hin und her gehenden Laufwagens (16 bildet. Dieser Wagen besitzt einen Hebel 67, der die Oberfläche der Trommel mittels eines Stiftes 68 beschreibt.

Der Laufwagen besitzt einen nach hinten und unten verlaufenden Halteteil, der mit einem Schlitz zur Aufnahme einer Führungsschiene 70 aus Metall versehen ist. Diese Schiene ist mittels isolierter Stützen auf dem Grundbrett 1 fest gelagert. Sie trägt zwei

• Stromunterbrecher 71 und 72, die nach den beiden Enden der Trommel 58 liegen. Die Unterbrecher liegen im Stromkreis des Motors 54. Jeder Stromunterbrecher besitzt normalerweise geschlossene Kontakte, von denen der eine beweglich ist und in der Bahn des Stiftes 73 liegt, der an dem Laufwagen befestigt ist. Nähert sich nun der Laufwagen dem Ende der Trommel, so betätigt der Stift den betreffenden Stromunterbrecher und verhindert so, daß der Wagen zu weit läuft.

Soll das Gerät in Betrieb genommen werden, so wird die Normalprobe, die zweckmäßigerweise aus einem Stück Magnesiumcarbonat (MgCO₃) mit glatter Oberfläche besteht, auf dem Träger 4 und die Meßprobe 11 auf dem Träger 8 befestigt, so daß ihre Oberfläche 10 durch den Schlitz des Schirmes 9 dem Licht ausgesetzt ist. Die Lampe 2 wird nun in Betrieb gesetzt und sendet ihr Licht durch die Linsen 12 und 13 und beleuchtet ' die Proben 7 und 11. Das von den Flächen 6 und 10 zurückgeworfene Licht geht durch die Linsen und wird durch die sich drehende Flimmerscheibe 34 in abwechselnde Lichtblitze aufgelöst, die längs der Bahn L durch die Linse 41 zum Prisma 42 gelangen. Nach der Zerlegung im Prisma gelangt das Licht durch die Linse 43 und bildet bei 6" ein Spektrum, das aus abwechselnden, von den Lichtblitzen der Normal- und Meßprobe herrührenden Spektren besteht. In der Zeichnung ist die Unterlage 44 gerade so eingestellt, daß das violette Ende des Spektrums dem Spalt 48 gegenüberliegt, so daß also die Photozelle nur der violetten Komponente des von der Normal- und Meßprobe reflektierten Lichtes ausgesetzt ist.

Angenommen nun, die Lichtquelle sei dem roten Ende des Spektrums ausgesetzt und die Blenden 16 und 17 so eingestellt, daß von der Normalprobe ein größerer Betrag an rotem Licht reflektiert wird als von der Meßprobe. Es werden dann im roten Teil des Spektrums die von der Normalprobe herrührenden Lichtblitze einen größeren Energiebetrag aufweisen als die von der Meßprobe herrührenden Blitze. In der Photozelle entsteht dann ein pulsierender Strom, dessen Periode mit der Periode des Wechselstroms der Leitungen 32 und 33 übereinstimmt, da die Flimmerscheibe 34 durch den Motor 31 mit dem passenden Übersetzungsverhältnis angetrieben wird. Der pulsierende Strom der Zelle 50 wird nun verstärkt und in Form eines Wechselstroms dem Rotor des Motors 54 zugeführt. Hat dieser Wechselstrom im Rotor die gleiche Phase wie der Wechselstrom im Feld des Motors, so wird die Motorachse in einer bestimmten Richtung gedreht, und zwar, wenn, wie angenommen, die rote Komponente der Normalprobe stärker ist als die der Meßprobe, dreht der Motor 54 die Wellen 74 und 75 in solcher Richtung, daß sich die Blende 16 nach und nach schließt und so einen Teil des Lichtes von der Normalprobe abfängt. Gleichzeitig wird durch den Motor der Laufwagen 66 längs der rotierenden Trommel 58 bewegt, wodurch der Stift 68 eine Markierung auf der Trommel aufzeichnet. Die Bewegung des Motors 54 und damit der Wellen sowie des Stiftes und der Blende 16 hält so lange an, bis in dem gerade der Beobachtung unterliegenden Teil des Spektrums die Photozelle von der Normalprobe und der Meßprobe Licht gleicher Stärke erhält. Sobald der Gleich-

gewichtszustand erreicht ist, hört der Zellenstrom auf zu pulsieren; dadurch hört die Verstärkung auf, und es wird in der Sekundärwicklung des Transformators kein Strom mehr hervorgerufen. Der Rotor des Motors 54 erhält damit keinen Strom und bleibt stehen.

Wenn der Motor 54 steht, dreht aber der Motor 63 die Trommel 58 und die Welle 28 to und damit die Kurvenscheibe 46 weiter und bringt dadurch die Unterlage 44 in eine neue Stellung. Nach dem Stehenbleiben des Motors 54 verschiebt sich also die Lage des Spektrums ^ derartig, daß ein neuer Teil des Spektrums auf die Lichtzelle fällt. Ist in dieser neuen Stellung die Lichtstärke der Normal- und Meßprobe wieder voneinander verschieden, so wiederholen sich die gleichen Vorgänge, wie bereits angegeben, und zwar dreht sich der Motor, wenn das Licht der Normalprobe wieder stärker ist als das der Meßprobe, in der gleichen Richtung und schließt damit die Blende 16 noch weiter.

Angenommen dagegen, das Licht von der »5 Meßprobe sei stärker als das der Normalprobe, so entsteht in der Lichtzelle wieder ein Strom. Da jedoch das Licht der Meßpxobe von denjenigen Flächen der Scheibe 34 reflektiert wird, die um 90° von denjenigen Sektoren entfernt stehen, die das Licht der Normalprobe durchlassen, so ist die Phase der Stromschwankungen in der Lichtzelle verschoben. Diese Phasenverschiebung entspricht einer Phasenverschiebung des Rotor stromes. Da die Phase des Stromes im Feld des Motors 54 nicht geändert wird, ergibt sich eine entgegengesetzte Drehung des Motors. Infolgedessen wird die Achse 57 in entgegengesetzter Richtung gedreht wie vorher. Dadurch bewegt sich auch der Wagen 66 in entgegengesetzter Richtung längs der Trommel, und gleichzeitig öffnet sich nach und nach die Blende 16. Dieser Vorgang hält so lange an, bis das von der Normalprobe herrührende Licht die gleiche Stärke wie das der Meßprobe besitzt, so daß dann der Zellenstrom wieder aufhört zu pulsieren.

Diese Vorgänge wiederholen sich mit großer Schnelligkeit, während die Photozelle Schritt für Schritt den verschiedenen Teilen des Spektrums ausgesetzt wird. Obgleich diese Vorgänge sich sehr viele Male, z. B. einige hundert Male, beim vollständigen Durchlaufen des Spektrums, wiederholen, so ist doch der ganze Vorgang etwa innerhalb einer Minute beendet. Die kombinierte Bewegung der Trommel 58 und des Stiftes 68 zeichnet auf der Trommel dabei die gewünschte Kurve auf.

Da das Reflexionsvermögen der versilberten Oberflächen der Scheibe 34 etwas mit der Wellenlänge variiert, ist eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen, die aus der Blende 17 und der Kurvenscheibe 27 besteht, die diese Blende über die Führungsstange 26 und Schnurzug 25 gegen die Spannung der Zugfeder 24 antreibt. Die Kurvenscheibe besitzt eine solche Form, daß sie in den verschiedenen Teilen des Spektrums die Änderungen des Reflexionsvermögens durch entsprechende Veränderung der Blendenöffnung geradeausgleicht.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Registrierendes Spektralphotometer gemäß Hauptpatent 618526, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung aus einem umsteuerbaren Elektromotor (54) besteht, dessen eine Wicklung (z. B. Stator) durch einen Wechselstrom erregt wird," dessen Periode gleich der Frequenz der abwechselnden Lichtblitze ist, und dessen andere Wicklung (z. B.. Rotor) durch den verstärkten Lichtzellenstrom erregt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen