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Verfahren und Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen einer Photozelle
auf den Höchst- oder Tiefstwert eines Strahlungsfeldes
Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen einer Photozelle
auf den Hochhst- oder Tiefstwert eines Strahlungsfeldles von wechselndem Gradienten.
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Sie kann ebenso auf ein Verfahren zum selbsttätigen Nachführen einer
Photozelle nach einer bewegten Strahlungsquelle Anwendung finden. Die Erfindung
ist von besonderer Bedeutung in der Spektralphotometrie, wo es sich bei der Ausmessung
von Spektrallinien darum handelt, das Photometer stets auf das Maximum der meist
relativ breiten und nach dem Rande mehr oder weniger stark abfallenden Linie einzustellen.
Weiter kann die Erfindung von Bedeutung sein z. B. zur selbsttätigen Nachführung
von Fernrohren nach Gestirnen oder zur Nachführung von Coelostaten nach der Sonne.
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Gemäß der Erfindung wird die Einstellung der mit einem Spalt zum
Abtasten des Strahlungsfeldes in Richtung der Feldänderung ausgerüsteten Photozelle
auf den Htöchst- oder Tiefstwert des Feldes einer festen oder wandernden Strahlungsquelle
dadurch vorgenommen, daß Strahlungsfeld und Abtastspalt in Abtastrichtung gegeneinaider
in Schwingung versetzt werden und die in der Photozelle erzeugte Wechselspannung
zur Steuerung eines Verstellmotors für die Photozelle dient. Die von der Photozelle
erzeugte Wechselspannung ist davon abhängig, in welchem Teil des Feldes der Spalt
gerade
schwingt; sie ist um r800 verschoben, jle nachdem ob sich der Spalt in einem Feldteil
mit positivem Gradienten oder mit negativem Gradienten befindet. An der Stelle des
Strahlungsfeldes mit dem Gradienten Null erzeugt die Photozelle überhaupt keine
Wechselspannung.
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Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
kann entweder der Spalt oder das Strahlungsfeld in Schwingung versetzt sverden.
Die erzielte Wirkung, nämlich die Erzeugung einer Wechselspannung in der Photozelle,
ist in beiden Fällen grundsätzlich die gleiche.
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Bei der Ausbildung des Spaltes als Schwingspalt kann zu dessen Erzeugung
beispielsweise teine Stimmgabel dienen, die ihrerseits von einer Wechselspannung,
etwa der Netzspannung von 50 Hertz, in Bewegung gesetzt wird. Soll dagegen das Strahlungsfeld
schwingen, so wird zweckmäßig in den Strahlengang, der das Bild der Strahlungsquelle
auf dem Spalt entwirft, leine z. B. ebenfalls durch eine Stimmgabel in Schwingung
versetzte Schiebelinse oder lein dauernd rotierender Keil od. dgl. eingeschaltet,
wodurch geringere Auslenkungen des Bildes in der Spaltebene erzeugt werden.
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Die Schwingamplitude des Spaltes bznv. des Bildes muß relativ klein
zur Ausdehnung des Strahlungsfeldes sein. Sie beträgt vorzugsweise etwa das Zweibis
Vierfache der Spaltbreite, die ihrerseits wieder nur ein Bruchteil der Gesamtbreite
des abzutastenden Strahlungsfeldes sein darf.
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Die Steuerung des Nachführmotors für diePhotozelle wird gemäß einem
weiteren Erfindung gedanken in der Weise vorgenommen, daß die von der Photozelle
erzeugte Wechselspannung über einen Verstärker unmittelbar beispielsweise an das
Feld des Motors gelegt wird, dessen Anker dann seinerseits an eine bestimmte Wechselspannung,
z. B. das Netz, angeschlossen wird. Der Drehsinn des Motors richtet sich dann jeweils
danach, welche Phasenlage die erzeugte Wechselspannung besitzt, d. h. in welchem
Teil des Strahlungsfeldes der Spalt gerade schwingt. Befindet sich der Spalt in
einem Teil des Strahlungsfeldes, wo der Gradient Null ist, dann kommt auch der Motor
zum Stillstand.
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Wile schon erwähnt, ist die Erfindung von besonderer Bedeutung für
die Spektralphotometrie, wo es sich darum handelt, den Photometerspalt auf das Maximum
der auszumessenden Spektrallinie einzustellen. Bei Verwendung eines Schwingspaltes
wird erfindungsgemäß in diesem Fall der Meßspalt des Photometers unmittelbar als
der Schwingspalt ausgebildet. Natürlich ist es auch hier möglich und häufig besonders
vorteilhaft, nicht den Spalt, sondern das Bild der Spektrallinie durch die obenerwähnten
Mittel (schwingende Schiebelinse od. dgl.) schwingen zu lassen.
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Bei Photometern zur automatischen Auswertung photographisch aufgenommener
Spektren, bei welchen die Einstellung des Meßspaltes auf das Schwärzungsmaximum
der aus zumessenden Linie üblicherweise durch Verstellen eines die photographische
Platte tragenden Tisches erfolgt, wird die Tischverschiebung bei fest angeordnetem,
d. h. nicht verschiebbarem, aber gegebenenfalls schwingendem Spalt zweckmäßig durch
den Verstellmotor vorgenlommen, der dann den Tisch so lange verschiebt, bis sich
das Schwärzungsmaximum vor dem Meßspalt befindet. Damit die Verstelleintichtung
ansprechen kann, ist es jedoch erforderlich, die Platte durch eine andere Kraftquelle
zunächst so weit zu verschieben, bis sich zumindest der Fuß der Spektrallinle vor
dem Schwingspalt befindet, da erst dann eine Wechselspannung in der Pholtozelle
erzeugt wird. Bei einer halb- oder vollselbsttätigen Auswertung der Spektren muß
daher mit der Feinverstellung gemäß der Erfindung noch eine Grobverstelhmg des Plattentisches
z. B. von Hand oder aber mit Hilfe elektrischer Kontakte, die einen Verstellmot'or
steuern und die auf die Wellenlängen der auszumessenden Spektrallinien abgestimmt
sind, vorgenommen werden. Derartige Verstelleinrichtungen sind an sich bekannt.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung
auf ein Photometer zur quantitativen Auswertung von Spektralaufnahmen durch Schwärzungsmessungen
dar.
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Abb. I zeigt zunächst zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung
die lntensitätsverteilung einer Spektrallinie; Abb. 2 veranschaulicht ein erfindungsgemäß
ausgebildetes Photometer in Draufsicht, zum Teil im Schnitt, und Abb. 3 stellt das
entsprechende elektrische Schaltbild dar.
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Die Spektrallinie nach Abb. I hat bei b ihr Intensitätsmaximum und
zeigt bei a und c starken Randabfall. Wird bei a ein Abtastspalt mit dahinter angeordneter
Photozelle vorgesehen und schwingt dileser Spalt in Richtung der Abszissenachse
mit einer Amplitude, die etwa der Länge des eingezeichneten Pfeils entsprechen möge,
so entsteht infolge des Gradienten des Strahlungsfeldes in der Photozelle eine Wechselspannung
bestimmter Phasenlage, die sich bei Verschieben des Schwingspaltes nach c um 1800
ändert. Am Ort b, d. h. an der Stelle der Spektrallinie, an der das Strahlungsfeld
den Gradienten Null besitzt, sowie außerhalb der Linie wird in der Photozelle überhaupt
keine Wechselspannung erzeugt. Wird nunl die Zelle z. B. über einen Verstärker zur
Steuerung eines Motors benutzt, letwa indem die Feldwicklung eines Wechselstro,mmlotlors
unmittelbar von der von der Photozelle über den Verstärker gelieferten Wechselspannung
gespeist wird, und verstellt dieser Motor die Photozell, dann wird sich die Zelle
immer selbsttätig auf den Ort b, d. h. auf das Maximum der Spektrallinie, einstellen.
Voraussetzung ist dabei allerdings, daß der Abtastspalt zunächst einmal überhaupt
den Fuß der Spektrallinie anschneidet.
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Das in Abb. 2 dargestellte erfindungsgemäß ausgebildete Photometer
besteht im wesentlichen aus einem Beleuchtungssystem 1, 2 mit einer Lichtquelle
3, einem Abbildungssystem 4, 5, einem Abtastspalt 6 mit einer Photozelle 7 sowile
einem verschiebbaren Tisch 8 zur Aufnahme einer das photographierte Spektrum tragenden
Platte g.
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Durch Verschieben des Tisches in der Zeichenebene senkrecht zur Achse
der optischen Systeme 1, 2 und 4, 5 wird die jeweils auszumessende Spektrallinie
an der durch das System I, 2 und 3 ausgeleuchteten Ort 10 gebracht und von dort
mittels der Sammellinse 4 auf den Spalt 6 abgebildet.
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Liegt nun die Aufgabe vor, in den verschiedenen auf der Platte gewöhnlich
untereinander aufgenommenen Spektren eine Anzahl von Linien schnell hintereinander
auszumessen, dann muß der Tisch 8 entsprechend dem vorgegebenen Arbeitsprogramm
rasch von Linie zu Linie verschoben werden. Zu diesem Zweck ist eine Gro;bverstleLlung
des Tisches mit Hilfe eines Motors 11 sowie eine zusätzliche Feinverstellung zur
genauen Einstellung des Intensitätsmaximums jeder Linie auf den Abtastspalt mit
Hilfe eines Motors I2 vorgesehen.
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Der Motor 11 zur Grobverstellung treibt über eine Schnecke 13, ein
Schneckenrad 14, eine ausrückbare Kupplung 15, 16 und ein Zahnräderpaar 17 und 18
eine Spindel 19 zur Verschiebung des Tisches 8 an. Von den beiden Kupplungsteilen
15 und I6 ist der Teil 15 verschiebbar gelagert und kann durch einen Doppelhebel
20, der durch einen Elektromagneten 21 um eine Drehachse 22 geschwenkt werden kann,
eingerückt werden. Eine Feder 23 ist bestrebt, den Doppelhebel stets in der Ausrückstellung
der Kupplung 15, 16 festzuhalten. Beim Einschalten des Magneten 21 wird die Kupplung
eingerückt und der Tisch 8 so lange verschoben, als der Magnet 21 unter Strom steht.
Die Ausschaltung des Magneten wird durch ein in seinem Stromkreis liegendes elektrisches
Kontaktsystem vorgenommen, das aus einer an der Tischführung befestigten Kontaktleiste
24 und einem mit dem Tisch verschiebbaren Kontakt 25 besteht. Die Kontaktleiste
besitzt in Abständen die den Wellenlängen der zu untersuchenden Spektrallinien entsprechenden
Nuten 26, durch die beim Verschieben des Kontaktes 25 der Strom jeweils unterbrochen
und damit der Tisch an diesen Stellen stillgesetzt wird. Parallel diesem Kontaktsystem
24, 25 ist ferner ein Druckknopfschalter 27 (vgl. Abb. 3) gelegt, durch den der
Elektromagnet 21 nach erfolgtem Stillsetzen des Tisches wieder eingeschaltet werden
kann.
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Der Motor 12 zur Feineinstellung wirkt über eine Schnecke 28, ein
Schneckenrad 29, eine Klauenkupplung 30, 31, ein Zahnrad32 ebenfalls auf das Zahnrad
18 und die Spindel 19. Die Kupplung 30, 31 wird durch den gleichen Doppelhebel 20
betätigt wie die Kupplung 15, 16, und zwar in der Weise, daß bei ausgeschalteter
Kupplung 15, I6 die Kupplung 30, 31 eingeschaltet ist, und umgekehrt.
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Die Steuerung des Motors 12 erfolgt nun erfindungsgemäß über die
Photozelle 7 in Abhängigkeit von der Einstellung der Spektrallinie selbst. Dazu
dient die folgende Einrichtung.
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In dem Abbildungssystem 4, 5 ist ein um die Achse 33 eines Zahnrades
34 rotierender Keil 35 angeordnet, der bei seiner Rotation eine geringe periodische
Auslenkung des Linienbildes auf den Spalt 6 bewirkt. In der Zeichnung ist der Keil
der D'entlichkeit wegen übertrieben stark dargestellt. In Wirklichkeit darf die
Keilwirkung nur so gering sein, daß die Auslenkung des Bildes in der Spaltebene
nur etwa das Dreifache der Spaltbreite beträgt. Da der Keil rotiert, erfolgt allerdings
nicht nur die beabsichtigte Auslenkung quer zum Spalt, sondern auch eine solche
in der Längsrichtung des Spaltes. Das ist im vorliegenden Fall ohne Einwirkung auf
die Photozelle, da ja die Intensität der Linie in Richtung ihrer Längsachse konstant
ist.
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Unter Umständen kann sogar die Bewegung vorteilhaft sein, da sie den
Einfluß des Plattenkorns auf die von der Photozellle vorgenommene Schwärzungsmessung
herabsetzt. Der Keil selbst wird durch einen Synchronmotor 36 (Abb. 3), der zweckmäßig
unmittelbar vom Netz gespeist wird, über das Zahnradpaar 37, 34 angetrieben.
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An Stelle des Keils kann auch ieine z. B. durch eine Stimmgabel erregte
Schiebelinse im Abbildungssystem 4, 5 verwendet werden, oder aber der Spalt 6 wird
unmittelbar in entsprechender Weise in Schwingung versetzt.
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Der blei der Belichtung der Photozelle 7 in dieser erzeugte Strom
setzt sich nun aus einer von der Schwärzung der Spektrallinie abhängigen Gleichstromkomponente
und einer durch die Schwingung des Linienbildes hervorgerufenen Wechselstromkomponente
zusammen. Die Gleichstromkomponente wird durch ein im Photozellenstromkreis liegendes
Galvanometer 38 (Abb. 3) gemessen, während die Wechselspannung in ,einem Widerstand
39 abgegriffen und über einen Verstärker 40 der Feldwicklung 41 des Motors 12 zugeführt
wird. Die PhEotozelle ist in diesem Fall vorzugsweise als solche mit äußerem lichtelektrischem
Effekt ausgebildet. Die erforderliche Spannung wird durch eine Batterie 42 geliefert.
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Je nach der Phasenlage und nach der Amplitude der in der Photozelle
erzeugten Wechselspannung dreht sich der Motor 12 in dem einen oder dem anderen
Sinne und verstellt über die Kupplung 30 und 31 den Plattentisch 8 so lange, bis
die durch die Grobverschiebung bereits unter den Spalt geführte Spektrallinie mit
ihrem Maximum genau auf dem Spalt 6 liegt.
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Im einzelnen ist die Wirkungsweise der beschriebeinen Einrichtung
folgende. Es sei angenommen, daß die Motoren 11, 12, 36 eingeschaltet sind und bereits
eine bestimmte Linie des Spektrums vermessen ist. Zum Übergang auf die nächste Linie
wird der Druckknopfschalter 27 kurzzeitig betätigt, wodurch der Magnet 21 den Grobverstellungsmotor
11 ankuppelt, der seinerseits wieder den Tisch 8 so lange verschiebt, bis der jetzt
stromführende Kontakt 25 in die der nächsten Spektrallinie entsprechende Nut 26
der Leiste 24 einfällt. In diesem Augenblick wird der Magnet 2I infolge Unterbrechung
des Stromkreises außer Tätigkeit gesetzt, und die Feder 23 kuppelt den Motor 11
aus und gleichzeitig den Feinverstellungsmotor 12 ein, so daß die Verschiebung des
Tisches 8 nunmehr durch diesen erfolgt, und zwar so lange, wie sich der Spalt auf
dem Flanken dies Linienbildes befindet (vgl.
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Abb. I, a, c) bzw. bis die Linie mit ihrem Maximum auf dem Spalt liegt.
Dann entsteht in der Photozelle keine verstärkbare Wechselspannung mehr, so daß
auch das Feld des Motors 12 nicht mehr erregt wird. Nunmehr kann im Galvanometer
38 der dem Schwärzungswert der Spektrallinie entsprechende Ausschlag abgelesen werden.
Zur Weiterschaltung auf die nächste Linie brauaht lediglich wieder der Knopf 27
kurzzeitig gedrückt zu werden, wodurch sich das Spiel von neuem wiederholt.
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Die Nutenleiste 24 wird vorteilhaft auswechselbar eingerichtet, da
in jedem Meßprogramm andere Linien untersucht werden iind entsprechend auch andere
Nutenabstände notwendig sind. Die Grobverstellung von Linie zu Linie kann selbstverständlich
auch von Hand vorgenommen werden, so daß dann die Grobverstellungseinrichtung und
damit die Nutenleiste 24 nicht erforderlich sind. Nur die etwas langwierige Feineinstellung
würde dann noch automatisch durch den Motor 12 erfelgen.
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Die Erfindung ist, wie schon erwähnt, in ihrer Anwendung nicht auf
Spektralphotometer beschränkt. Sie besitzt überall da Bedeutung, wo irgendein Gerät
auf das Maximum oder Minimum einer Strahlungsquelle ungleicher Intensität selbsttätig
eingestellt oder ,ein Gerät einer wandernden Strahlungsquelle nachgeführt werden
soll. Bei der selbsttätigen Nachführung eines Coelostaten nach der Sonne z. B. kann
so vorgegangen werden, daß mit dem Gerät ein Abtastspalt mit Photozelle verbunden
wird, auf den die Sonne, gegebenenfalls durch ein besonderes optisches System, abgebildet
wird. Bild und Abtastspalt werden in entsprechender Weise, wie oben beim Photometer
beschrieben, gegeneinander in Schwingung versetzt, und die von der Photozelle erzeugte
Wechselspannung kann dann wieder unmittelbar den Motor zur Nachführung des Coelostaten
steuern.
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Die Erfindung ist ferner auch nicht auf die Anwendung einer Photozelle
als Strahlungsempfänger beschränkt, wenngleich diese wohl in erster Linie in Frage
kommen wird. Ganz allgemein richtet sich die Art des Strahlungsempfängers naturgemäß
nach der Art der aufzunehmenden Strahlen. Bei Geräten mit kurzen elektrischen Wellen
z. B. kann als Strahlungs empfänger lein gerichtetes Antennensystem od. dgl. dienen,
das dann an einen entsprechenden Empfänger angeschlossen wird. Die vom Empfänger
gelieferten elektrischen Ströme können dann wieder in bekannter Weise zur Steuerung
irgendwelcher Motoren und sonstiger Vorrichtungen dienen.