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Verfahren und Vorrichtung zur lichtelektrischen Differenzmessung Unter
den lichtelektrischen Meßverfahren nimmt die Differenzmethode einen breiten Raum
ein, weil sie eine verhältnismäßig große Meßgenauigkeit zuläßt. Der einzige Nachteil,
den sie mit sich bringt, ist der verhältnismäßig große Aufwand an technischen und
optischen Mitteln, der zu verhältnismäßig umfangreichen Geräten führt.
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Bei der lichtelektrischen Differenzmessung wird im allgemeinen so
vorgegangen, daß die von einer Probe bzw, einem Normal herkommenden Lichtströme
durch einen optischmechanischen Strahlenzerleger abwechselnd auf die Photozelle
gegeben werden. Dieser optisch-mechanische Zerleger hat dabei häufig die Gestalt
einer rotierenden Glasscheibe mit spiegelnden Sektoren oder einer rotierenden Blendenscheibe.
Zur Erzielung einer möglichst großen Meßgenauigkeit ist es erforderlich, daß bei
optischer Gleichwertigkeit von Probe und Normal der optisch-mechnaische Zerleger
die Lichtströme von Probe bzw, Normal abwechselnd so auf die Photozelle richtet,
daß diese einen unter allen Umständen konstanten Lichtstrom erhält.
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Zur Erfüllung dieser Bedingung ist es erforderlich, daß die Spiegelscheibe
vollkommen eben ist. Nun ist es zwar möglich, eine solche Scheibe herzustellen,
aber es hat sich in der Praxis immer wieder gezeigt, daß auch die beste Spiegelscheibe
sich nach einiger Betriebsdauer in so starkem Maße verzicht, daß auch bei optischer
Gleichheit von Probe und Normal eine Wechscllichtkomponente auf die Photozelle gelangt
und damit die Messung tj<lscht bei einer rotierenden Blendenscheibe sind die
Verhältnisse noch schwieriger, weil eine hohe Genauigkeit bei Blendenscheiben nur
mit unverhältnismäßig großem Kostenaufwand zu erzielen ist. Außerden@ muß man
hierbei
mit Strahlenbündeln arbeiten, die in der Ebene der Scheibe über den gesamten Querschnitt
des Bündels völlig gleiche Intensität besitzen.
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Es ist bereits eine Einrichtung zur lichtelektrischen Differenzmessung
bekannt, bei welcher die miteinander zu vergleichenden Lichtströme über einen Taumelspiegel
abn-cchsclntl auf die lichtelektrische Zelle geworfen werden. Leider ist es nicht
möglich, mit einem solchen Gerät eine den heutigen Erfordernissen der Meßtechnik
genögende Genauigkeit zu erreichen und ein Gerät zu schaffen, das nicht all zu umfangreich
ausfällt.
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Außerdem ist eine nachfolgende Verstärkung bei dem bekannten Verfahren
zum Zwecke der Genauigkeitssteigerung ausgeschlossen.
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Die Erfindung geht von dieser bekannten Einrichtung zur lichtelektrischen
Differenzmessung aus und besteht darin, daß der Lichtwechsel durch einen Taumelspiegel
bewirkt wird, der ein und denselben Lichtstrahl gegebenenfalls über ein optisches
Ablenkungsmittel abwechselnd auf Probe bzw. Normal wirft, derart, daß die von dem
Taumelspiegel kommenden Lichtstrahlenbündel in Form von gestreutem oder gerichtetem
Licht. auf die Photozelle gelangen.
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Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß Probe und Normal
gleichzeitig von einer Lichtquelle angeleuchter werden und das von beiden durchgelassene
gestreute oder gerichtete (reflektierte) Licht über den Taumelspiegel auf die Photozelle
gegeben wird. Hier ist also die Anordnung so getroffen, daß die von einer gemeinsamen
Lichtquelle über das Normal bzw. die Probe gesteuerten Lichtstrablen in pausenloser
Folge auf die Photozelle gelangen, derart, daß bei Gleichheit beider die Photozelle
einer zeitlich unveränderlichen Belichtung ausgesetzt ist.
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Bei Gleichheit von Probe und Normal spricht der angekoppelte Wechselstromverstärker
überhaupt nicht an; er kann auch infolge von Schwankungen der Speisespannung und
der damit verbundenen Änderungen des Verstärkungsfaktors keinen Ausschlag und damit
keine Fehlanzeige am Anzeigeinstrument hervorru fen.
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Bei einer Ungleichheit von Probe und Normal macht sich diese als
eine einer Gleichbelichtung überlagerte Wechselbelichtung an der Photozelle bemerkbar.
Die entstehende Wechsellichtkomponente kann in einem angeschlossenen Wechselstromverstärker
bis zu der durch den Bereich der maximalen Aussteuerung bedingten Spanne verstärkt
und einem Anzeigeinstrument zugeführt werden.
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Die neue Einrichtung zeichnet sich nicht nur durch höchste Genauigkeit
und höchste Empfindlichkeit bei völliger Unabhängigkeit von den Lichtstromschwankungen
der Lichtquelle und Unabhängigkeit von Änderungen des Verstärkungsfaktors des angeschlossenen
Verstärkers aus, sondern auch durch größte Einfachheit des Gesamtaufbaues. Der Taumelspiegel
besitzt nämlich keine durchlässigen bzw, undurchlässigen Sektoren, sondern stellt
nur ein einfaches Stück Spiegel dar. Hieraus ergeben sich in Verbindung mit der
gewählten Anordnung von Probe und Normal sowie der optischen Elemente sehr einfache
Bedingungen für den räumlichen Zusammenbau. Die auf dem Taumelspiegel auftreffenden
Lichtströme werden zur Photozelle reflektiert, ohne daß ein besonderer Lichtweg
vorgesehen werden müßte, den ein Lichtstrom nehmen müßte, wenn etwa ein Taumelspiegel
mit durchlässigen Sektoren verwendet würde.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungen der neuen Einrichtung beispiclsweise
dargestellt.
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Nach Fig. I gelangt ein Strahlenbündel der Lichtquelle 4 über eine
geeignete Optik 3 auf einen Spiegel 2, der auf der Achse des Motors 1 so angeordnet
ist, daß seine Ebene nicht senkrecht zur Motorachse steht, sondern eine bestimmte
Neigung dazu aufweist. Jeder von dem Taumelspiegel 2 reflektierte Lichtstrahl, der
auf die Fläche 5 gelangt, beschreibt auf dieser einen Kreis. Non der zu untersuchenden
Fläche 5 gelangt das Licht auf die Photozelle 6. Die zu untersuchende Fläche 5 wird
abgetastet. Hat diese Fläche nicht überall gleiches Reflexionsvermögen, so gelangt
auf die Zelle 6 ein Wechsellicht, das in einem Verstärker zur Anzeige gebracht werden
kann.
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Wird die reflektierende Fläche 5 z.B. durch einen Papierstreifen
gebildet, der zur Hälfte chemisch präpariert ist. derart, daß bei Anwesenheit irgendeines
nachzuweisenden Stoffes diese präparierte Hälfte einen Farbumschlag ergibt, so würde
auf die Photozelle eine Wechsellichtkomponente gelangen, die der Verfärbung und
damit der Konzentration des nachzuweisenden Stoffes verhältnisgleich ist. Die Wechsellichtkomponente
auf der l<hotozelle 6 löst in dem atif die Photozelle folgenden Verstärkerkreis
dann eine Wechselspannung aus, die zur Messung. Anzeige oder Registricrung des zu
untersuchenden Stoffes dient. Wird in einem anderen Falle die Fläche 5 z. B. aus
zwei verschiedenen Papierstreifen gebildet, von denen der eine als Normal dient
und der andere untersucht werden soll, so trifft ebenfalls auf die Kathode der Photozelle
eine Wechsellichtkomponente, wenn der zu untersuchende Streifen vom Normal abweicht.
Der Verstärker gibt dann ebenfalls eine Wechselspannung zur Anzeige, Registrierung
oder Messung ab, die der Abweichung
des Probepapierstreifens vom
Sollwert proportional ist.
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Nach Fig. 2 werden zwei Körper 11 und 12, von denen der eine, z.B.
11, als Normal dient, während 12 die Probe bezeichnet, von der Lichtquelle to über
eine geeignete Optik 9 angeleuchtet. Die Körper 11 und as liegen unmittelbar nebeneinander,
derart, daß sie eine gemeinsame Fläche bilden. Das durch die aus 11 und 12 gebildete
Fläche hindurchtretende Licht gelangt auf den auf der Achse des Motors 7 sitzenden
Taumelspiegel 8, der das durch 11 und 12 hindurchtretende Licht auf die Photozelle
13 reflektiert. Bei der Rotation des Spiegels 8 wird in einem Zeitpunkt das vom
Normal 11 durchgelassene Licht auf die Photozelle 13 gelangen, zu einem anderen
Zeitpunkt, wenn der Spiegel sich um 180° gedreht hat, wird dagegen das von der Probe
12 durchgelassene Licht auf die Photozelle treffen. Wenn Probe und Normal verschieden
sind, erhält also die Photozelle eine Wechsellichtkomponente aufgeprägt, die im
Verstärker wieder zur Anzeige, Registrierung oder Messung dienen kann.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird ein von der Lichtquelle
17 ausgehendes Strahlenböndel über eine geeignete Optik 16 auf den Taumelspiegel
15 geworfen, der auf der Achse des Motors 14 sitzt. Von diesem rotierenden Spiegel
15 gelangt das Licht auf zwei zueinander senkrecht stehende Spiegelflächen, z.B.
gebildet aus den oberflächenverspiegelten Kathetenflächen eines rechtwinkligen,
scharfkantigen Prismas 18. Dort wird das Lichtbündel rechtwinklig nach zwei Seiten
abgelenkt und gelangt zum Teil bzw, über das Normal 19 und die Probe 20 auf die
Photozelle 21. Bei der Rotation des Spiegels 15 wird das Licht abwechselnd mehr
auf die eine oder anderc Seite des Spiegelfeldes 18 verteilt und damit aucll abwechselnd
auf Probe 20 und Normal 19 geworfen. Sind Probe und Normal verschieden, so crhält
die Photozelle 21 eine Wechsellichtkomponente, die wieder zur Anzeige, Messung oder
Registrierung verwendet wird.
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Nach Fig. 4 wird von der Lichtquelle 27 über eine geeignete Optik
die Probe 25 und das Normal 26 gleichzeitig angeleuchtet. Die von Probe und Normal
kommenden Lichtstrahlen gelangen auf zwei zueinander senkrecht stehende Spiegelflächen,
z.B. gebildet aus den oberflächenverspiegelten Kathetenflächen eines rechtwinkligen
Scharfkantprismas und von dort über den Taumelspiegel 23, der auf der Achse des
Motors 22 sitzt, auf die Photozelle 28. Bei der Rotation dieses Spiegels 23 gelangt
einmal mehr, einmal weniger das von Probe 25 bzw. Normal 26 berkommende Licht auf
die Photozelle. Wenn Probe und Normal verschieden sind, wird dabei an der Photozelle
eine Wechsellichtkomponente erzeug@, die über einen Verstärker zur Messung. Anzeige
oder Registrierung gelangt.
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Die Fig. 5a und 5b stellen eine besondere Bauform des Taumelspiegels
dar. Zwei kreisförmige Glasplatten gleichen Durchmessers 29 und 31 sind keilförmig
angeschliffen, wobei die eine auf der geneigten Fläche eine Spiegelschicht 30 trägt.
Die beiden Glasplatten bilden verkittet eine kreisrunde, planparallele Glasplatte,
die ini Innern eine geneigte Spiegelschicht 30 enthält. Bei dem so aufgebauten,
zur Achse des Motors 32 geneigten Spiegel 30 treten l>ei tler Rotation keine
storenden Kratte auf.