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Einrichtung zum Vergleichen von Helligkeitswerten mit Hilfe von zwei
Photozellen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vergleichen von Helligkeitswerten,
die für photometrische und kolorimetrische Messungen angewendet werden kann. Die
hier in Betracht kommende Einrichtung gehört zu den bekannten Anordnungen, bei denen
man zur Vermeidung verschiedener Schwierigkeiten zwei Photozellen benutzt. Die eine
als Vergleichszelle bezeichnete Photozelle wird mit einer konstanten bzw. sich proportional
der zu messenden Lichtintensität ändernden Lichtquelle beleuchtet. Die zweite als
Meß zelle bezeichnete Photozelle wird von dem zu messenden Licht bestrahlt, wobei
dessen Intensität in gemessener Weise geschwächt wird, z. B. durch eine geeichte
Blende oder einen Graukeil. Bei Anwendung der normalen Kompensationsschaltung, die
die Dil°rerenz der EMK der beiden Photozellen zu bestimmen gestattet, wirken sich
die Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle, die wegen der sehr steilen Helligkeitscharakteristik
der modernen hochgeheizten Glühbirnen schon bei ganz geringen Schwankungen der Betriebsspannungen
entstehen, nunmehr auf die Differenz der EMK der Zellen aus, aus deren Größe das
Meßresultat sich unmittelbar ergibt. Abgesehen von diesem Fehler treten bei diesen
Schaltungen noch die Schwierigkeiten auf, daß die elektromotorische Kraft (EMK)
der Sperrschichtzellen der auffallenden Lichtmenge nicht proportional ist und die
EMK bei wechselnder Belastung nicht reproduzierbar ist.
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Die bisher üblichen Kompenisationsschaltungen ergeben nun weitere
Schwierigkeiten für die Messung. Einmal wird bei Nichtkompensierung die jeweils
überkompensierte Zelle durch einen die Sperrschicht in verkehrter Richtung durchlaufenden
Strom geschädigt.
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Sodann haben die zur Messung verwendeten Sperrschichtzellen die Eigenschaft,
daß die EMK einer Zelle, die keine Arbeit über einen Widerstand leistet, nicht linear
proportional der Intensität des auf sie auffallenden Lichtes ist. Die Sperrschichtzellen,
die in der Technik auch als Gleichrichter Verwendung finden, haben in einer Richtung
einen sehr großen, in der anderen Richtung einen kleinen Widerstand. Durchtritt
eine belichtete Sperrschichtzelle ein der durch die Belichtung erzeugten EMK entgegengesetzter
Strom, so tritt eine Aufhebung des die EMK erzeugenden Vorganges, eine Polarisation
der Zelle ein, die bewirkt, daß nach der Polarisation die Photozelle bei der gleichen
Belichtung nicht mehr dieselbe EMK erzeugt wie vorher.
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Zur Vermeidung dieser Mängel ist eine Aleßanordnung bekannt bei der
jede Photozelle für sich mittels eines Widerstandes in einen geschlossenen Stromkreis
geschaltet ist und diese beiden Vergleichsstromkreise symmetrisch hintereinander
über ein Nullinstrument verbunden sind. Hierbei wird die Lichtquelle, die zwischen
der Vergleichszelle und der Meßzelle mit dem Untersuchungskörper angeordnet ist,
so lange verschoben, bis die auf beide Zellen fallenden Lichtmengen einander gleich
sind. Die auf beide Zellen fallende Lichtmenge ist hierbei jedoch je nach der Durchlässigkeit
des Untersuchungskörpers verschieden.
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Die angewendete Schaltung hat die Wirkung, daß die Photozellen auch
bei Kompew sation im Meßkreis dauernd Strom über die angegebenen Widerstände abgeben.
Damit ist eine Gleichheit in ihrem Zustand gewährleistet. Außerdem sind die Photozellen
gegen Strom verkehrter Richtung geschützt.
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Es ist bekannt, daß die Photozellen bei einem ihnen angepaßten äußeren
Widerstand maximale Leistungen erzeugen. Dieser Widerstand hängt von der Helligkeit
des auf die Zelle fallenden Lichtstromes ab. Um aber bei der bekannten Schaltung
maximale Leistung durch Anpassung des äußeren Widerstandes an die Photozelle zu
erzeugen, ist notwendig, daß auf die Zelle immer die gleiche Lichtmenge fällt.
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Deshalb wird die bekannte Schaltung gemäß der Erfindung dadurch verbessert,
daß derwenige äußere Widerstand zu der Photozelle gewählt ist, bei dem sie die optimale
Leistung erzeugt, und daß bei gleichbleibender Helligkeit der Lichtquelle jede Zelle
bei jeder Abgleichung unabhängig von der Größe der zu messenden Helligkeit die gleiche
Lichtmenge erhält. Die Intensität des zu messenden Lichtstromes wird durch ein optisches
Regelungsmittel auf einen bestimmten Wert geschwächt, was daran erliannt wird, daß
das eingeschaltete Nullinstrument wie bei der bekannten .\unordnung keinen Ausschlag
gibt. Die Helligkeit der auf die Zellen fallenden Lichtströme wird nur dann geändert,
wenn sich die Helliglieit der Lichtquelle ändert oder wenn z. B. eine andere Lampe
verwendet wird. Dieser definierte Helligkeitsweit ermöglicht außer der Anwendung
ideal angepaßter Widerstandswerte für die Ableitnriderstände der Photozellen auch
die Durchführung der BsIessung, ohne daß Störungen durch Änderungen der Photozellencharakteristilc
entstehen können.
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Es sind schon lichtelektrische Photometer mit zwei Photozellen bekannt,
bei welchen die auf beide Zellen gelangenden Lichtströme gleichgemacht werden, doch
handelt es sich bei ihnen um solche Photometer mit anderer Schaltung oder um solche,
bei welchen die einander angeglichenen Lichtströme abhängig von der zu messenden
Helligkeit sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind
beide Stromkreise durch Wahl der Photozellen hinsichtlich ihrer Spannung gleich-
oder nahezu gleichgemacht.
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Auf der Zeichnung ist die NIeßeinrichtung in einer beispielsweisen
Schaltungsanordnung dargestellt. Im Zusammenhang mit der Erläuterung dieser Schaltung
sollen Nbänderungen, soweit sie durch die Ansprüche gedeckt sind, behandelt werden.
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In dem angegebenen Schema sind mit Z und Z die beiden Photozellen
bezeichnet. Jede Photozelle ist über einen Widerstand R1 bzw.
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22 zu einem selbständigen Stromkreis geschlossen. Diese beiden Stromkreise
sind symmetrisch, d. h. gleichliegend mit der Polarität ihrer Photozelle gegeneinander,
zum vollständigen Meßstromkreis geschaltet, also Anschlußpunkt a1 mit a2 und bi
mit b2, wobei beispielsweise ein Nullinstrument G als A zeigegerät Verwendung gefunden
hat. Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende.
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Jede der beiden Photozellen leistet über den ihr zugeordneten, ihrem
inneren Widerstand angepaßten äußeren Widerstand R1 bzw. R2 einen bestimmten Strom.
Die auf die Vergleichsphotozelle fallende Lichtmenge ist konstant, die auf die Meßzelle
fallende Lichtmenge wird, z. B. in der Anwendung als Rolorimeter, durch gemessene
Änderung der Schichtdicke der absorbierenden Schicht oder durch eine andere irgendwie
geartete meßbare Änderung der die absorbierende Schicht durchtretenden Lichtmenge
in ein bestimmtes Verhältnis zu der auf die Vergleichszelle fallenden Lichtmenge
gebracht. Dieses Vechältnis wird in der Regel bei der Verwendung von gleichen Photozellen
und gleichen Widerständen in beiden Kreisen bei I liegen und wird durch die Nullstellung
des Instruments G angezeigt. Vor Erreichung dieses Helligkeitsverhältnisses kann
kein Strom aus der stärker beleuchteten Zelle in verkehrter Richtung durch die schwächer
beleuchtete fließen, sondern dieser fließt infolge der X=entilwirkung der Zelle
des anderen Kreises durch deren parallelen Außenwiderstand ab.
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Durch diese bekannte Schaltung wird erreicht, daß nicht die schlecht
reproduzierbaren EIK der Zellen verglichen werden, sondern die der Belichtung linear
proportionalen Stromstärken in den beiden durch die verwendeten Widerstände Rt und
R2 gebildeten Stromkreisen. Der durch das Nullinstrument G bei Nichtkoinpensation
fließende Strom fließt also durch den nebengeschlossenen Außcnwiderstand
der
jeweils überkompensierten Zelle und nicht durch diese Zelle selbst ab.
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Es ist auch schon bekannt, Photozellen, die bei Belichtung einen
Strom abgeben, in der Wheatstone-Brückenschaltung zu verwenden, wobei aber zu beachten
ist, daß die Stromrichtung der Photozellen in ihren Brückenzweigen mit der Stromrichtung
der Stromquelle für die Brückenspeisung übereinstimmt. Der Nachteil dieser Schaltungtliegt
darin, daß man die Photozellen mit Fremdstrom beschickt. Es wurde eben erörtert,
welche Nachteile damit verbunden sind, und die Erfindung lehrt, daß man bei Verwendung
von Photozellen mit eigener durch die Belichtung verursachter Stromabgabe überhaupt
keiner fremden Stromquelle zum Erzeugen des Meßstromes bedarf.
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Die zugeschalteten Widerstände Rl bzw. R2 jedes Stromkreises werden
vorteilhaft der Eigenschaft der zugehorigen Photozelle nach EMK und innerem Widerstand
angepaßt.
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Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, daß die beiden Zellen,
die von ungleicher EMK sind, Stromkreise mit gleichen Leistungen ergeben, um die
Zellen in bestimmter Höhe zu belasten.
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Bei dieser Anpassung der Widerstandswerte muß, wie schon oben gesagt,
der für die Messung gewählten Lichtintensität Rechnung getragen werden. Werden Messungen
mit Hilfe verschieden intensiver Lichtquellen ausgeführt, so ist es zweckmäßig,
den Ableitwiderstand gegen einen anderen zu vertauschen, der den neuen Lichtverhältnissen
optimal angepaßt ist.
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Der eine Stromkreis kann-auch ein Stromregelungsmittel erhalten,
z. B. dadurch, daß sein Widerstand regelbar ist. Man kann auch den Widerstand der
beiden Stromkreise regelbar machten, wodurch man bei der Auswechs lung der Photozellen
von ihren Eigenschaften, ihrem inneren Widerstand und ihrer EMK unabhängig ist.
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Man kann auch für einen Sonderfall beide Stromkreise durch bestimmte
Auswahl der Photozellen mit festen Widerständen vollständig oder nahezu vollständig
gleichmachen, um für die Werkstatt eine Meßeinrichtung zu schaffen, an der nach
der Abgleichung für den Verwendungszweck keine unbefugten Änderungen vorgenommen
werden können.
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Mit der neuen Meßanordnung, deren Empfindlichkeit und ~ Genauigkeit
nur von der Lichtempfindlichkeit der Photozellen und von der Empfindlichkeit des
Nullinstruments abhängt, lassen sich erfahrungsgemäß Resultate erreichen, deren
Fehlergrenze nur etwa den zehnten Teil der bisher üblichen exakten Methoden beträgt.