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Vorrichtung zur Durchsichtigkeits- oder Undurchsichtigkeitsmessung,
insbesondere im infraroten Licht, mit Spektrophotometer
Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur DurchsichtigLeits- oder Undurchsichtigkeitsmessung, insbesondere
im infraroten Licht, mit Spektrophotometer.
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Vorrichtungen dieser Art sind an sich bekannt.
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Man hat auch schon vorgeschlagen, bei solchen Vorrichtungen das lichtempfindliche
Element des Spektrophotometers einer periodisch wechselnden Belichtung auszusetzen,
so daß dieses Element einmal durch eine Vergleichsstrahlung belichtet wurde, d.
h. eine Strahlung, die nicht durch den Durchgang durch die zu messende Substanz
geschwächt worden ist, und ein andermal durch eine Strahlung belichtet wurde, die
vorher durch die Substanz hindurchgegangen war, deren Transparenz oder Undurchsichtigkeit
bestimmt werden sollte. Bei den bekannten Vorrichtungen hat man auch schon durch
die derart erhaltenen Impulse Kondensatoren aufgeladen. Diese Kondensatoren hatten
die Aufgabe, die Elementarimpulse zu integrieren und dann bei ihrer Entladung ein
Strommeßinstrument zu steuern. Der so gemessene Strom war ein Mittelwert, der der
Differenz zwischen der Meßstrahlung und der Vergleichsstrahluug entsprach.
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Derartige Meßvorrichtungen sind nur geeignet, wenn es sich um das
Messen von sichtbaren Strahlungen mittels Photozellen handelt. Dagegen sind derartige
Meßvorrichtungen unbrauchbar, wenn es sich um die Messung der Durchsichtigkeit oder
Undurchsichtigkeit für infrarote Lichtstrahlen handelt, bei denen das strahlenempfindliche
Element im allgemeinen ein wärmeempfindliches Element ist. Bei solchen Messungen
spielt die Trägheit des strahlen empfindlichen Elements eine erhebliche Rolle. Wenn
man die bekannten Einrichtungen auf die Messung im infraroten
Licht
anwenden wollte, würde es notwendig sein, den aufeinanderfolgenden Beleuchtungs-
und Verdunklungsperioden eine Dauer zu geben, die länger ist als die Dauer der durch
die Trägheit des Strahlenempfängers bedingten Verzögerungsperiode. Man würde dann
zu so niedrigen Modulationsfrequenzen kommen, daß sich sehr große Schwierigkeiten
für die Verstärkung dieser Frequenzen ergeben würden. Um die genannten Nachteile
zu beheben, werden erfindungsgemäß nur die Scheitelspannungen der den Vergleichs-
und Meßstrahlungen entsprechenden Impulse zur Aufladung der Kondensatoren benutzt.
Es hat sich herausgestellt, daß hiermit Messungen im infraroten Licht absolut einwandfrei
durchführbar sind.
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Die Erfindung ist in der Beschreibung in den Zeichnungen an Hand
von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. I zeigt schematisch einen der Erfindung entsprechend eingerichteten
Spektrophotometer; Fig. 2 zeigt das als drehbare Scheibe ausgebildete Steuerglied
für die periodische Belichtung des Spektrophotometers; Fig. 3 und 4 sind zwei Schaubilder
zur Erläuterung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes; Fig. 5 zeigt im vergrößerten
Maßstabe die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Zerlegung der modulierten,
von dem Spektrophotometer gelieferten Spannung zur Zerlegung dieser Spannung und
zur Verstärkung und Ausnutzung der durch die Zerlegung gewonnenen Impulse.
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Wie die Fig. I und 2 zeigen, werden die von einer infraroten Lichtquelle
I ausgesandten - Strahlen, die in zwei verschiedene Richtungen gehen (Pfeile 2 und
3), von zwei Spiegeln 4 und 5 reflektiert, um sich unter einem Winkel von go" in
einem Punkt 6 zu treffen.
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Die Meßstrahlen in Richtung 2, die vom Spiegel 4 reflektiert werden,
gehen vor Ankunft im Schnittpunkt 6 durch die Substanz S, deren Undurchsichtigkeit
bestimmt werden soll, und werden daher zum Teil absorbiert, während die Vergleichsstrahlen
in Richtung 3, die vom Spiegel 5 reflektiert werden,~ ungeschwächt am Schnittpunkt
6 ankommen.
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Der Punkt 6 befindet sich in der Ebene einer rotierenden Kreisscheibe
7, die den genannten Winkel von go" in zwei gleiche Teile schneidet und beispielsweise
durch einen Elektromotor 8 mittels einer nicht dargestellten Untersetzung angetrieben
wird. Diese Scheibe besitzt vier Sektoren von je goo. Zwei dieser Sektoren werden
von Spiegeln a- gebildet, die die Vergleichsstrahlen um go" reflektieren. Ein dritter
Sektor c ist geschwärzt, während der vierte Sektor d einen Ausschnitt darstellt
oder auch aus einem durchsichtigen Stoff besteht, der die Meßstrahlen 2 frei passieren
läßt.
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Die Vergleichsstrahlen und Meßstrahlen fallen auf die Eingangsspalte
g eines Monochrometers 10 von bekannter Bauart, z. B. eines Littrow-Monochrometers,
der ein Photo- oder Thermoelement II enthält, beispielsweise eine thermoelektrische
Zelle, die nacheinander von den in verschiedener Wellenlänge auf die Eingangsspalte
g fallenden Strahlen erregt wird.
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Man sieht, daß die in Fig. 2 dargestellte Scheibe 7 von vorerwähntei
Bauart folgenden Belichtungszyklus steuert: Einwirkung der Vergleichsstrahlen, Dunkelheit,
Einwirkung der Vergleichsstrahlen, Einw wirkung der Meßstrahlen; dieser wird verwendet,
wenn man die Undurchsichtigkeit der Prüfsubstanz messen will.
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Die Modulation der aus Erregung des Elements II gewonnenen Spannung
ist in der Kurve Fig. 3 dargestellt, in der die vier aufeinanderfolgenden Perioden
durch die Ziffern I, II, III, IV bezeichnet sind.
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Wenn es sich um eine Messung der Durchsichtigkeit eines Prüfkörpers
handelt, ist es zweckmäßig, den folgenden Zyklus anzuwenden: Einwirkung der Vergleichsstrahlen,
Dunkelheit, Einwirkung der Meßstrahlen, Dunkelheit.
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Man erhält dann die Kurve Fig. 4, in welcher die vier Perioden durch
die Ziffern 1', II', III', IV' bezeichnet sind.
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Die so modulierte Spannung wird in der durch Fig. I dargestellten
Anordnung zunächst durch den Verstärker 12 verstärkt und dann in zwei Teilspannungsmodulationen
M1 und M2 zerlegt. Die Modulation M1 ist die Modulation des Vergleichsimpulses,
während die Modulation M2 dem Meßimpuls entspricht.
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Die aus der Zerlegung gewonnenen Teilspannungen werden gleichgerichtet,
und die Scheitelspannungen der gleichgerichteten Impulse dienen zur Aufladung von
zwei Kondensatoren.
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Hierzu bedient man sich am besten eines Stromwenders I3, den man
durch die rotierende Scheibe 7 in geeigneter Form steuern kann, z. B. durch eine
photoelektrische Zelle oder am besten durch eine mechanische Vorrichtung.
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Die mit der Scheibe 7 verbundene Stromwendereinrichtung kann die
in Fig. 5 dargestellte Form haben. Danach wird sie von einer Trommel 14 gebildet,
auf deren zylindrischer Oberfläche ein Festkontaktring I5 angebracht ist, der sich
parallel zur Trommelachse in einer Längszunge 16 von schwachperipherischer Ausdehnung
fortsetzt.
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Eine Bürste I7 ist mit einer der Ausgangsklemmen des Verstärkers
12 verbunden und in dauerndem Kontakt mit dem Ring 15, während zwei Bürsten 18 und
I9, die die Trommel auf- diametral entgegengesetzten Linien berühren, mit der Zunge
I6 für einen kurzen Augenblick wechselnden Kontakt haben, wenn sich die Trommel
14 mit der Scheibe 7 dreht. Die Bürste I8 ist mit einer der Elektroden eines Kondensators
20 verbunden, die andere Bürste 19 mit einer der Elektroden eines zweiten Kondensators
2I, während die übrigen Elektroden dieser beiden Kondensatoren mit der anderen Ausgangsklemme
des Verstärkers I2 verbunden sind.
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Die Zunge I6 und die Bürsten r8 und 19 müssen zur Scheibe 7 so eingestellt
sein, daß die Kondensatoren mit dem Ausgang des Verstärkers gerade in dem Augenblick
verbunden werden, wo die Meß- und Vergleichsimpulse ihre Maximalwerte erreichen.
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Durch die Stromwendereinrichtung erreicht man zu gleicher Zeit die
gewünschte Zerlegung in einen der Teilspannungsmodulation 1112 entsprechenden Meß-
impuls
und in einen der Teilspannungsmodulation M1 entsprechenden Vergleichsimpuls (s.
Fig. 4), die Gleichrichtung dieser Impulse und die Aufladung der beiden Kondensatoren
20, 21 zu der in Fig. 3 bzw. durch die Pfeile tl und t2 dargestellten Scheitelspannung.
Die Aufladung und Entladung der Kondensatoren 20 und 21 muß natürlich in solchen
Zeitspannen verlaufen, daß ihr Wert der Scheitelspannung der betrachteten Impulse
entspricht. Und die Ladung der Kondensatoren muß, wenigstens annähernd, zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Ladeimpulsen konstant gehalten werden.
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Wenn die Anfangsmodulation so verläuft, wie es in Fig. 3 dargestellt
ist, so entspricht die Ladung eines der Kondensatoren der Differenz zwischen Meß-
und Vergleichsimpulsen, während die Ladung des anderen Kondensators dem absoluten
Wert des Vergleichsimpulses entspricht.
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Um die Beziehungen zwischen diesen beiden Ladungen kenntlich zu machen,
kann man verschieden vorgehen. Nach einer vorteilhaften, in Fig. I schematisch dargestellten
Durchführungsart benutzt man die Vergleichsspannung, die zur Ladung eines der Kondensatoren
20 und 21 gedient hat, nach Verstärkung in einem Verstärker 22 für die Regulierung
des Verstärkers 12. Diese Regulierung entspricht dem sog.
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Fading und wird so ausgeführt, daß die Vergleichsspannung am Ausgang
des Verstärkers I2 konstant bleibt, ganz gleich, wie groß der Vergleichsimpuls ist,
der auf das Photo- oder Thermoelement- einwirkt und im allgemeinen sehr veränderlich
ist, je nach der Wellenlänge des Lichtes, welches im Monochrometer das Element II
erregt.
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Die Meßspannung, die den anderen Kondensator geladen hat, bestimmt
man übrigens auf die gleiche Weise mit einem Meßinstrument 23, nachdem man sie durch
einen Verstärker 24 verstärkt hat. Verglichen mit der Regulierung des Verstärkers
12 durch die Vergleichsspannung zeigt das Meßinstrument 23 unmittelbar die Beziehung
zwischen den beiden Spannungen an und ist daher ein Maß für die Undurchsichtigkeit
der Prüfsubstanz S.
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Nach einer anderen vorteilhaften Durchführungsweise leitet man die
Ladungen der beiden Kondensatoren 20 und 21 nach Verstärkung auf ein Instrument
zur Beziehungsmessung, das beispielsweise zwei Kreuzspulen 25 und 26 (Fig. 5) besitzt
und den Instrumenten zur Temperaturmessung entspricht.
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In diesem Fall kann es ebenfalls interessant sein, gleichzeitig noch
den Verstärker 12 durch die Vergleichsspannung zu regeln (s. Leiter 27 der Fig.
5), und das besonders, wenn die Vergleichsimpulse in weiten Grenzen schwanken.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung der letzten Art, außerdem gewisse Einzelschaltungen
zwischen den Kondensatoren 20, 21 und den Verstärkern 22, 24, die man zweckmäßigerweise
auch dann verwendet, wenn die Beziehung zwischen den beiden Vergleichs- und Meßspannungen
durch Regulierung des Verstärkers 12 allein angezeigt wird, wie das in Fig. I dargestellt
ist.
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Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist jeder der Kondensatoren 20 und 2I
mit dem Eingang seines entsprechenden Verstärkers durch Kondensatoren 28, 29 mit
periodisch veränderlicher Kapazität, Ladungswiderstände 30 und 3I und Ausgleichswiderstände
32 und 33 verbunden. Die Kondensatoren 28, 29 dienen der Umwandlung der Gleichspannung
der Kondensatoren 20 und 21 in eine modulierte Wechselspannung die von den Verstärkern
22 und 24 verstärkt wird.
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Daher muß die Hilfsfrequenz der variablen Kapazität der Kondensatoren
28, 29 sehr viel größer sein als die Modulationsfrequenz aus der Drehung der Scheibe
7, die dem Doppel der Umdrehungszahlen dieser Scheibe entspricht. Wenn z. B. diese
Umdrehungszahl sechs und folglich die Modulationsfrequenz zwölf ist, so muß die
Nebenfrequenz, mit der die Kapazität der Kondensatoren 28 und 29 periodisch verändert
werden soll, etwa I000 betragen.
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Um die Kapazitätsänderung der Kondensatoren 28, 29 zu erreichen,
kann man z. B. einer der Elektroden dieser Kondensatoren die Form einer Membran
geben und diese zwei Membranen beider Kondensatoren mit Hilfe einer dritten gemeinsamen
Membran periodischen Druckschwankungen unterwerfen. Um zu verhindern, daß die Kondensatoren
28 und 29 nicht auf die Ladung der Kondensatoren 20, 21 reagieren, müssen sie eine
weit geringere Kapazität als diese besitzen.
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Wenn der Kondensator 21 mit einer Scheitelspannung gemäß dem Meßimpuls
geladen ist, so ist der Kondensator 29 gleichfalls in dieser Höhe durch die Widerstände
3I und 33 geladen. Wenn der Widerstand 3I größer ist als der Widerstand des Kondensators
29 gegen Wechselstrom mit der vorgesehenen Nebenfrequenz, so bekommt man an den
Enden des Widerstandes 31 infolge der periodischen Wechselkapazität eine Wechselspannung
mit der Amplitude d V = C V (V = Ladungsspannung).
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Diese Wechselspannung wird mit Hilfe des Verstärkers 24 verstärkt,
gleichgerichtet und filtriert. Der gleichgerichtete Strom geht durch den Widerstand
oder die Spule 25 des Meßinstrumentes und durch den Ausgleichswiderstand 33. Der
Spannungsabfall im Widerstand 33 wird so gesteuert, daß er gegen die Ladung des
Kondensators 21 wirkt. Wenn die Verstärkung 24 groß genug ist, erhält man einen
vollkommenen Ausgleich, d. h. der Spannungsabfall im Widerstand 25 entspricht völlig
der Ladung des Kondensators 21, d. h. dem Meßimpuls.
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Die gleichen Überlegungen gelten für den Spannungsabfall in dem zweiten
Widerstand oder der zweiten Spule 26 des Beziehungsmeßinstrumentes. Dieser Spannungsabfall
entspricht der Ladung des Kondensators 20 oder dem Vergleichsimpuls.
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Da die der vorliegenden Erfindung gemäße Methode keine Nullmethode
ist, umfaßt der gesuchte Absorptions- oder Transparenzkoeffizient wegen des Verstärkers
12 nicht lineare Glieder. Die der Erfindung gemäße Methode bietet jedoch den großen
Vorteil, keine Vorrichtung zur Lichtabschwächung zu benötigen, die bei den auf optischem
Ausgleich der beiden Lichtbündel beruhenden Nullmethoden unerläßlich ist.
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Da eine mit polarisiertem Licht exakt bestimmte Lichtabschwächung
im infraroten Bereich wegen der Absorption der benutzten Substanz unmöglich ist,
wäre
es unerläßlich, Filter zu verwenden, deren Linearität sehr schwer herzustellen ist.
Außerdem würde die Verwendung von beweglichen Filtern die Schnelligkeit der Messungen
unangenehm beeinträchtigen.
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Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung sich keineswegs auf
die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, ebensowenig auf die Verwendung
der benutzten Teile. Sie umfaßt im Gegenteil alle im Rahmen des Erfindungsgedankens
liegenden Möglichkeiten.