Kompensations-Strahlungsmesser
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kompensations-Strahlungsmesser, bei welchem ein Messstrah lenbündel eine absorbierende Probe durchsetzt und mit einem nicht durch die Probe geleiteten Kompensationsstrahlenbündel verglichen wird. Damit Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle keinen Einfluss auf die Messung ausüben, gehen beide Strahlenbündel zweckmässigerweise von ein und derselben Lichtquelle aus. Das Kompensationsstrahlenbündel wird durch einen veränderbaren Abschwächer, z. B. eine Blendenanordnung, in messbarer Weise geschwächt. Solche Anordnungen benutzt man z. B. zur Absorptionsmessung mit infraroten Strahlen in sog. Gasanalysatoren.
Durch die Absorption in der Probe wird das Messstrahlenbündel meist nur sehr wenig geschwächt.
Die z. B. bei einem Gasanalysator zu messenden Konzentrationsschwankungen äussern sich nun als Änderungen dieser schon sehr geringen Absorption.
Mit den bisher bekannten Apparaten sind diese kleinen Änderungen nur sehr schwer genau zu messen.
Die Schwierigkeit liegt vor allem darin, dass es viel Mühe macht, mit der nötigen Genauigkeit eine Blende herzustellen, die das Lichtstrahlenbündel um so geringe Beträge schwächt, es also z. B. um maximal 1% abblendet. Dabei werden extreme Anforderungen an die Genauigkeit der Bearbeitung und Eichung gestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bei den bisher bekannten Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Anordnung zu schaffen, bei welcher auch die kleinen Intensitätsänderungen mit grosser Genauigkeit gemessen werden können.
Erfindungsgemäss wird die Anordnung so getroffen, dass das Kompensationsstrahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten ist, von denen eines, das den grösseren Teil der Gesamtintensität ausmacht, konstant gehalten wird, während das schwächere zweite auf die Abschwächeranordnung geleitet wird.
Dann wird die Kompensation des Messstrahlenbündels vorzugsweise durch dasjenige der beiden Kompensationsstrahlenbündel bewirkt, dessen Intensität konstant gehalten wird und die diejenige des anderen überwiegt. Der genaue Abgleich der Strahlenbündel erfolgt dagegen durch eine Abschwächeranordnung, die nur auf das zweite, wesentlich schwächere Kompensationsstrahlenbündel einwirkt. Es ist einleuchtend, dass selbst eine ziemlich starke Abblendung dieses zweiten Kompensationsstrahlenbündes immer nur eine relativ geringe änderung der Ges amtintensität der beiden Kompensationsstrahlenbündel bewirkt und dass man dadurch den Abgleich der Strahlenbündel wesentlich feinfühliger vornehmen kann als mit den oben geschilderten bekannten Anordnungen.
Wenn man beispielsweise mit einem Apparat der bekannten Art Absorptionsänderungen in der Grössenordnung von weniger als 1% genau messen wollte, dann müsste man die - variable - Blendenöffnung mit der geforderten Genauigkeit um diesen Betrag verkleinern und die Verkleinerung dann auch genau ablesen. Das ist praktisch nicht möglich. Dagegen macht es gar keine Schwierigkeiten, ein Lichtstrahlenbündel um 10% abzublenden und die Grösse des abgeblendeten Anteils mit der entsprechenden Genauigkelit abzulesen oder sonstwie abzutasten. Wenn man nun zwei Kompensationsstrahlenbündel vorsieht, von denen das eine nur 10% von der Intensität des anderen hat, dann kann man dieses schwächere Strahlenbündel natürlich auch ohne Schwierigkeiten wieder um 10% abblenden.
Diese 10% des schwächeren Strahlenbündels entsprechen aber 1% der Gesamtintensität, welche die beiden Kompensationsstrahlenbündel zusammen besitzen.
Man kann also - bezogen auf die Gesamtintensität der Kompensationsstrahlenbündel - eine Abschwächung um 1% mit der gleichen Genauigkeit einstellen und bequem ablesen, wie man bei den bisherigen Anordnungen eine 10%-Abschwächung einstellen und ablesen kann.
Zweckmässigerweise wird die Abschwächeranordnung in Abhängigkeit vom Ausgangsmesswert der Strahlungsempfänger-Anordnung automatisch nachgestellt.
Man kann die Empfindlichkeit der Anordnung einstellbar machen, wenn man die Anfangsintensitäten der Kompensationsstrahlenbündel durch zusätzliche fest einstellbare Abschwächer veränderbar macht, wobei zweckmässigerweise die zusätzlichen Abschwächer miteinander gekoppelt sind, so dass die Summe der Anfangsintensitäten der beiden Kompensationsstrahlenbündel konstant gehalten wird. Das geschieht z. B. in der Weise, dass die zusätzlichen Abschwächer von zwei starr miteinander verbundenen parallelen Schneiden gebildet werden, von denen eine von rechts in ein Kompensationsstrahlenbündel hineinragt und die zweite von links in das andere Strahlenbündel.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in den Abbildnugen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch einen Gasanalysator.
Fig. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Blenden der dabei verwendeten Art.
Fig. 5 zeigt eine Frontansicht eines Gasanalysators entsprechend der schematischen Fig. 1.
Mit S ist in Fig. 1 eine Lichtquelle bezeichnet.
Von der Lichtquelle S werden drei Strahlenbündel 10, 11, 12 von ursprünglich gleicher Intensität ausgeblendet. Eines der Strahlenbündel, das Messstrahlenbündel 10, wird durch eine absorbierende Probe 13 geleitet. Die Probe 13 wird hier von einer mit zwei Anschlussstutzen vesehenen Kammer gebildet, durch welche ein zu untersuchendes Medium, z. B. ein Gas, geleitet wird. Die anderen beiden Strahlenbündel 11 und 12 sind die beiden Kompensationsstrahlenbündel.
Alle drei Strahlenbündel 10, 11, 12 werden auf einen gemeinsamen Strahlungsempfänger 16 geleitet.
Ein Motor 15 treibt eine Unterbrecherscheibe 14, die aus zwei einander gegenüberliegenden kreissektorförmigen Flügeln besteht. Diese Unterbrecherscheibe 14 deckt die Lichtstrahlenbündel 10, 11 und 12 periodisch ab, und zwar ist die Anordnung so getroffen, dass die beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 jeweils gleichzeitig unterbrochen werden, während die Unterbrechung der Messstrahlenbündel mit Phasenverschiebung dazu erfolgt.
Der Ausgangsmesswert des Strahlungsempfängers 16 wird über einen Vorverstärker 17 und einen weiteren Verstärker 18 einem phasenempfindlichen Demodulator 19 zugeführt. Der phasenempfindliche Demodulator 19 wird von einem Hilfsspannungsgenerator 20 gesteuert, der synchron mit dem Unterbrechermotor 15 umläuft. Der Demodulator 19 erzeugt ein gleichgerichtetes Signal, welches proportional zu dem Unterschied zwischen der Strahlungsenergie des Messstrahlenbündels 10 und derjenigen Strahlungsenergie ist, welche die beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 zusammen besitzen.
Der Ausgangsmesswert des Demodulators 19, wird in einem Siebglied 21 gefiltert und steuert einen Regelverstärker 22, der einen Stellmotor 23 antreibt. Der Stellmotor 23 verstellt eine veränderbare Blende 24, welche im Strahlengang des einen Kompensationsstrahlenbündels 11 angeordnet ist.
In den Strahlengängen der drei Strahlenbündel 10, 11, 12 sind zusätzliche Abblendvorrichtungen 30, 31, 32 angeordnet, durch welche bestimmte feste Verhältnisse der Anfangsintensitäten der drei Strahlenbündel einstellbar sind. Die konstante Intensität des Kompensationsstrahlenbündels 12 wird wesentlich grösser eingestellt als die Anfangsintensität des regelbaren Kompensationsstrahlenbündels 11. Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung ist folgende:
Zunächst werden die Blenden 30, 31 und 32 so eingestellt, dass die Anfangsintensitäten der beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 zusammen gerade der Anfangsintensität des Messstrahlenbündels 10 entsprechen. Dann trifft auf den Strahlungsempfänger 16 eine praktisch konstante Strahlung, da ja die Strahlenbündel 10, 11 und 12 abwechselnd auf den Empfänger 16 geleitet werden.
Auf diese konstante Spannung spricht die Regelanordnung nicht an. Es wird dabei beispielsweise die Anfangsintensität des Kompensationsstrahlenbündels 11 so gewählt, dass sie etwa 1l1o der Gesamtintensität der beiden Kompensationsstrahlenbündel ausmacht.
Es wird nun in die Messkammer 13 ein zu untersuchendes absorbierendes Medium z. B. ein Gas eingeleitet. Das Gas absorbiere 1% der durchtretenden Strahlung, also des Messstrahlenbündels. Das bewirkt, dass die Intensität der auf dem Empfänger 16 auftreffenden Strahlung schwankt, je nachdem, ob die ungeschwächten Kompensationsstrahlenbündel oder das durch die Absorption geschwächte Messstrahlenbündel auf ihn auftrifft. Der Vorverstärker 17 erhält ein Wechselstromsignal, welches verstärkt dem pha senempfindlichen Demodulator 19 zugeführt wird.
Der phasenempfindliche Demodulator 19 unterscheidet nun, ob die Intensität des Messstrahlenbündels oder die der Kompensationsstrahlenbündel die grössere ist und steuert dementsprechend den Stellmotor 23 nach der einen oder nach der anderen Richtung.
Der Stellmotor 23 verändert nun die Stellung der Blende 24.
In dem geschilderten Beispiel, wo aus dem Messstrahlenbündel 1 % der Energie absorbiert wird, würde also der Stellmotor 23 die Blende 24 so lange verstellen, bis die Gesamtintensität der beiden Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 wieder der Intensität des Messstrahlenbündels 10 entspricht. Das bedeutet also, dass die Gesamtintensität der Kompensationsstrahlenbündel um 1 % geschwächt wird. Da aber die Blende 24 nur auf das Strahlenbündel 11 wirkt, welches ins gesamt nur 10% der Gesamtintensität ausmacht, muss die Blende 24 dieses Strahlenbündel um 10% schwächen.
Wie oben schon dargelegt wurde, ist eine solche 10%-Abschwächung viel leichter genau zu bewerkstelligen und abzulesen als das bei einer 1 %-Ab- schwächung möglich wäre. Die Stellung der Blende 24 wird durch ein Potentiometer 27 abgetastet, dessen Schleifer 26 durch eine Welle 25 mit der Blende 24 gekoppelt ist. Die an dem Potentiometer 27 abgegriffene Spannung steuert über ein Filter 29 eine Registriervorrichtung 28. Fig. 5 zeigt eine besonders zweckmässige Anordnung zur Einstellung des Intensitätsverhältnisses der beiden Kompensationsstrahlen- bündel. Es ist zu diesem Zweck ein strahlungsundurchlässiger Schirm 33 vorgesehen, der mit zwei Öffnungen 34 und 35 versehen ist.
Durch die Öffnungen 34, 35 werden die Lichtstrahlenbündel 11, 12 geleitet, wobei das Strahlenbündel 11 vom linken Rand der Öffnung 34, das Strahlenbündel 12 vom rechten Rand der Öffnung 35 teilweise abgedeckt wird.
Bei einer Verschiebung des Schirmes 33 mit Hilfe der Stellschraube 36 wird das eine Strahlenbündel in dem gleichen Masse aufgeblendet, wie das andere abgeblendet wird. Damit wird also das Verhältnis der Intensitäten geändert, jedoch bleibt die Gesamtintensität der Kompensationsstrahlenbündel 11, 12 konstant, und es macht keine Schwierigkeiten, diese gleich der Anfangs intensität des Messstrahlenbündels 10 zu machen.
Compensating radiation meter
The invention relates to a compensation radiation meter, in which a Messstrah lenbündel penetrates an absorbing sample and is compared with a compensation beam not guided through the sample. So that fluctuations in the brightness of the light source do not have any influence on the measurement, both beams expediently originate from one and the same light source. The compensation beam is through a variable attenuator, z. B. a diaphragm arrangement, weakened in a measurable manner. Such arrangements are used z. B. for absorption measurement with infrared rays in so-called gas analyzers.
As a result of the absorption in the sample, the measuring beam is usually only slightly weakened.
The z. B. concentration fluctuations to be measured in a gas analyzer are now expressed as changes in this already very low absorption.
With the previously known apparatus, these small changes are very difficult to measure precisely.
The main difficulty lies in the fact that it takes a lot of effort to produce a diaphragm with the necessary accuracy that weakens the light beam by such small amounts. B. dips by a maximum of 1%. Extreme demands are placed on the accuracy of processing and calibration.
The invention is based on the object of avoiding these difficulties occurring with the previously known arrangements and of creating an arrangement in which even the small changes in intensity can be measured with great accuracy.
According to the invention, the arrangement is made such that the compensation beam is split into two partial beams, one of which, which makes up the greater part of the total intensity, is kept constant, while the weaker second is directed to the attenuator arrangement.
Then the compensation of the measuring beam is preferably effected by that of the two compensation beams, the intensity of which is kept constant and which predominates that of the other. On the other hand, the exact balancing of the bundles of rays takes place by means of an attenuator arrangement which only acts on the second, much weaker compensation bundle of rays. It is evident that even a fairly strong dimming of this second compensation beam only causes a relatively small change in the total intensity of the two compensation beams and that this allows the beam to be adjusted much more sensitively than with the known arrangements described above.
If, for example, one wanted to measure absorption changes in the order of magnitude of less than 1% with an apparatus of the known type, then one would have to reduce the - variable - aperture with the required accuracy by this amount and then read the reduction precisely. This is practically impossible. On the other hand, it is not difficult at all to block out a light beam by 10% and to read off the size of the blocked portion with the corresponding accuracy or to scan it in some other way. If you now provide two compensation beams, one of which has only 10% of the intensity of the other, then you can of course stop this weaker beam again by 10% without any difficulty.
However, this 10% of the weaker beam corresponds to 1% of the total intensity which the two compensation beams together have.
So you can - based on the total intensity of the compensation beam - set an attenuation of 1% with the same accuracy and read off easily, as you can set and read a 10% attenuation with the previous arrangements.
The attenuator arrangement is expediently automatically readjusted as a function of the output measured value of the radiation receiver arrangement.
The sensitivity of the arrangement can be made adjustable if the initial intensities of the compensation beams can be changed by additional, permanently adjustable attenuators, the additional attenuators being advantageously coupled to one another so that the sum of the initial intensities of the two compensation beams is kept constant. This happens z. B. in such a way that the additional attenuators are formed by two rigidly connected parallel cutting edges, one of which protrudes from the right into a compensation beam and the second from the left into the other beam.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the illustrations:
Fig. 1 shows schematically a gas analyzer.
Figs. 2, 3 and 4 show different apertures of the type used.
FIG. 5 shows a front view of a gas analyzer corresponding to the schematic FIG. 1.
A light source is designated by S in FIG.
From the light source S three bundles of rays 10, 11, 12 of originally the same intensity are masked out. One of the bundles of rays, the measuring bundle of rays 10, is passed through an absorbing sample 13. The sample 13 is formed here by a chamber provided with two connecting pieces through which a medium to be examined, e.g. B. a gas is passed. The other two beams 11 and 12 are the two compensation beams.
All three beams 10, 11, 12 are directed to a common radiation receiver 16.
A motor 15 drives a breaker disk 14, which consists of two opposing circular sector-shaped blades. This interrupter plate 14 periodically covers the light beams 10, 11 and 12, and the arrangement is such that the two compensation beams 11, 12 are interrupted simultaneously, while the measurement beam is interrupted with a phase shift.
The output measured value of the radiation receiver 16 is fed to a phase-sensitive demodulator 19 via a preamplifier 17 and a further amplifier 18. The phase-sensitive demodulator 19 is controlled by an auxiliary voltage generator 20 which rotates synchronously with the interrupter motor 15. The demodulator 19 generates a rectified signal which is proportional to the difference between the radiation energy of the measuring beam 10 and that radiation energy which the two compensation beams 11, 12 have together.
The output measured value of the demodulator 19 is filtered in a filter element 21 and controls a control amplifier 22 which drives a servomotor 23. The servomotor 23 adjusts a variable diaphragm 24 which is arranged in the beam path of the one compensation beam 11.
Additional dimming devices 30, 31, 32 are arranged in the beam paths of the three beam bundles 10, 11, 12, by means of which certain fixed ratios of the initial intensities of the three beam bundles can be set. The constant intensity of the compensation beam 12 is set to be significantly greater than the initial intensity of the controllable compensation beam 11. The mode of operation of the described arrangement is as follows:
First, the diaphragms 30, 31 and 32 are set in such a way that the initial intensities of the two compensation beam bundles 11, 12 together just correspond to the initial intensity of the measuring beam bundle 10. A practically constant radiation then strikes the radiation receiver 16, since the beam bundles 10, 11 and 12 are directed alternately to the receiver 16.
The control arrangement does not respond to this constant voltage. For example, the initial intensity of the compensation beam 11 is selected in such a way that it makes up about 11o of the total intensity of the two compensation beams.
It is now in the measuring chamber 13 to be examined absorbent medium z. B. initiated a gas. The gas absorbs 1% of the radiation that passes through, i.e. of the measuring beam. This has the effect that the intensity of the radiation impinging on the receiver 16 fluctuates depending on whether the non-weakened compensation beam or the measuring beam weakened by the absorption strikes it. The preamplifier 17 receives an AC signal which is amplified to the phase sensitive demodulator 19 is fed.
The phase-sensitive demodulator 19 now differentiates whether the intensity of the measuring beam or that of the compensation beam is the greater and accordingly controls the servomotor 23 in one direction or in the other.
The servomotor 23 now changes the position of the diaphragm 24.
In the example shown, where 1% of the energy is absorbed from the measuring beam, the servomotor 23 would adjust the aperture 24 until the total intensity of the two compensation beams 11, 12 again corresponds to the intensity of the measuring beam 10. This means that the total intensity of the compensation beam is weakened by 1%. However, since the diaphragm 24 only acts on the beam 11, which in total only makes up 10% of the total intensity, the diaphragm 24 must weaken this beam by 10%.
As already explained above, such a 10% weakening is much easier to achieve and read off precisely than would be possible with a 1% weakening. The position of the diaphragm 24 is scanned by a potentiometer 27, the wiper 26 of which is coupled to the diaphragm 24 by a shaft 25. The voltage tapped off at the potentiometer 27 controls a registration device 28 via a filter 29. FIG. 5 shows a particularly expedient arrangement for setting the intensity ratio of the two compensation beams. For this purpose, a radiopaque screen 33 is provided which is provided with two openings 34 and 35.
The light beams 11, 12 are guided through the openings 34, 35, the beam 11 being partially covered by the left edge of the opening 34 and the beam 12 being partially covered by the right edge of the opening 35.
When the screen 33 is displaced with the aid of the adjusting screw 36, one beam of rays is faded in to the same extent as the other is faded out. Thus, the ratio of the intensities is changed, but the total intensity of the compensation beam 11, 12 remains constant, and it is not difficult to make this equal to the initial intensity of the measuring beam 10.