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Photometer Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Vorrichtung
zur Modulation von Strahlung, insbesondere für Photometer, mit einem Blendenaussparungen
aufweisenden und von der Strahlung beaufschlagten Rotationskörper, der von einem
Elektromotor angetrieben ist.
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Beispeilsweise arbeiten Photometer mit einer modulierten l,ichtstrahlung.
Mittels einer Modulationsvorrichtung wird die auf den Empfänger (z.B. Photoelement)
auftreffende Strahlungsintensität periodischen Schwankungen unterworfen. Diese Geräte
sind entweder als Einstrahl- oder Zweistrahlgeräte ausgefMrt, wobei Zweistrahlgeräte
immer im Wechsellichtverfahren betrieben werden. Ein mit Wechsellicht arbeitendes
Einstrahlphotometer hat gegenüber einem Gleichlichtphotometer folgende Vorteile:
a) die bei Gleichspannungsverstärkern auftretende Nullpunktdrift wird vermieden;
b) der Empfänger kann selektiv zur Modulationsfrequenz arbeiten, wodurch sich die
Bandbreite begrenzen läßt und damit das Rauschen verringert wird; c) durch Streustrahlung
bedingte Störungen werden unterdrückt, da nur modulierte Strahlung registriert wird.
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Das Wechs ellicht wird mit einer Modulationsvorrichtung erzeugt, die
der Strahlung den Weg abwechselnd durch den Neß- bzw. Referenzzweig freigibt. Mit
diesen Zweistrahlgeräten sind wesentlich genauere Messungen als mit Einstrahlgeräten
möglich, da sich mit ihnen auch diejenigen Meßfehler weitgehend unterdrücken lassen,
die von Schwankungen der Lampenintensität und Änderungen der Detektorempfindlichkeit
herrXlren.
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Diese Strahlungsmodulation wird bei den heute bekannten Geräten durch
eine Lochscheibe oder scheibenförmige Blende bewirkt, die von einem Synchron- oder
geregelten Gleichstrommotor angetrieben wird. (Lit. 4 bis 7) Bei diesen rotierenden
Scheibenblenden treten infolge unterschiedlicher Schwingungszustände mechanische
Instabilitäten auf, die Störungen in der auf den Empfänger gelangenden Strahlungsintensität
verursachen (Lit. 3). Diese Instabilitäten sind in erster Näherung dem Quadrat des
Scheibendurchmessers proportional. Diese bekannten Strahlungsmodulatoren (Lit. 4
bis 7) weisen Scheibendurchmesser zwischen 10 und 25 cm auf. Die durch mechanische
Instabilitäten verursachten Intensitätsschwankungen werden mit 0,1 bis 0,2 % angegeben.
Es sind ferner oszyllierende Blenden zur Strahlungsmodulation bekannt. (Lit. 8;
9). Diese bekannten "Schwingchopper" sind mechanisch aber noch instabiler als die
erstgenannten Blendenscheiben. iben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
bezeichneten Gattung mit einfachen Mitteln und in einer solchen kompakten Bauweise
zu schaffen, daß damit die nachteiligen Instabilitäten der bekannten Geräte und
somit die Fehlerquellen nahezu beseitigt und dadurch die Nachweisempfindlichkeit
und Neßgenauigkeit dieser Geräte wesentlich verbessert sind.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als Rotationskörper
mindestens eine Welle vorgesehen ist, die eine oder mehrere quer zur Wellenachse
verlaufende Blendenaussparungen aufweist, und daß die Strahlung quer zur-Wellenachse
verläuft.
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Die mit diesem Gerät in kompakter Zweistrahlanordnung angestel1-T
ten Laborversuche haben eine hohe Stabilität gezeigt. Es wurde dabei festgestellt,
daß bei sorgfältiger Justierung die durch mechanische Instabilitäten verursachten
Strahlungsintensitätsschwankungen je Woche kleiner als 1 . 10 5s d.h. um etwa zwei
Größenordnungen niedriger sind als die der bekannten Strahlungsmodulatoren. i In
vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, daß
die Blendenwelle mit zwei in Richtung der Wellenachse im Abstand nebeneinander angeordneten
Blendenaussparungen versehen ist, die um einen bestimmten Winkel (z.B. 900) gegeneinander
versetzt sind, daß die Blenddnalelle mit mindestens einer Blendenaussparung versehen
ist, und daß im Abstand davon in Richtung der Wellen achse eine oder mehrere, am
Umfang verteilte Blendenaussparutlgen angeordnet sind, daß zwei voneinander getrennt
angetriebene, in einem festen Frequenzverhältnis zueinander stehende Blendenwellen
vorgesehen sind, deren Motoren elektronisch miteinander gekoppelt sind, und daß
die erste Welle mit mindestens einer Blendenaussparung und die zweite Welle mit
einer oder mehreren am Umfang verteilten und in einem Winkel (z.B. 450) gegeneinander
versetzten Blendenaussparungen versehen ist,
daß alle oder einige
der Blendenaussparungen diametral oder exzentrisch angeordnet sind, daß die Blendenaussparungen
von runden oder schlitzförmigen Durchbrüchen gebildet sind, daß die Blendenaussparungen
an der Stirnseite der Blendenwelle angeordnet sind.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand
beiliegender Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 den Strahlungsmodulator
für Einstrahlverfahren, Fig. 2 den Strahlungsmodulator für Zweistrahlverfahren,
Fig. 3 den Strahlungsmodulator für ein Zweistrahlverfahren mit zJe i zwei unterschiedlichen
Modulationsfrequenzen, Fig. 4 den Modulator gemäß Fig. 3 in geteilter Bauweise,
Fig. 5a den Modulator mit anders angeordneten Blendenausbis 5c sparungen und Fig.
6 die Anwendung des erfindungsgemäßen Wellenmodulators in Zweistrahlbauweise in
einem Photometer.
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Der in Figur 1 dargestellte Modulator besteht in seiner einfachsten
Form im wesentlichen aus einem Wellenstumpf 1, der von einem Motor 2 angetrieben
wird; als Antriebsmotoren der Wellenblende kommen Synchron-, geregelte Gleichstrom-
oder Schrittmotoren in Frage. Der zu modulierende Strahl 3 kann durch eine schlitzförmige
Öffnung 4 hindurchtreten. Dieser Modulator ist daher für Einstrahlverfahren geeignet.
Für ein Zweistrahlverfahren hingegen ist die Einrichtung nach Fig. 2 vorgesehen.
Die Wellenblende 5 weist zwei in Richtung der Wellenachse nebeneinander angeordnete,
ebenfalls schlitzförmige Öffnungen 6, 7 auf, die jedoch um 900 gegeneinander versetzt
angeordnet
sind. Diese Blende läßt abwechselnd die Strahlen 9, 8 durch den Proben- und Referenzzweig
hindurch. Durch die längliche Form der Öffnungen 6, 7 werden die vom Axialspiel
der Wellenblende verursachten Meßfehler vermieden.
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In Fig. 3 -ist eine Wellenblende für ein Zweistrahlverfahren mit zwei
Modulationsfrequenzen gezeigt. Diese Ausführung ist geeignet, wenn die Strahlungsbündel
10, 11 eine kleine QuerschnittSfläche (wie beim Laser-Strahl) aufweisen. Neben der
Öffnung 12 sind mehrere (z.B. vier um 45 gegeneinander versetzte) Öffnungen 13 angeordnet,
deren Anzahl dem gewünschten Frequenzverhältnis entspricht.
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Die in Figw 4 gezeigte Ausführungsform ist mit derjenigen der Fig.
3 gleichwertig. Hier können jedoch zwei voneinander getrennte Wellenmodulatoren
16, 17 vorgesehen werden, deren Motoren 18, 19 elektronisch miteinander so gekoppelt
sind, daß wischen ihnen ein festes Frequenzverhältnis besteht (elektronische Welle).
Eine derartige Anordnung läßt sich sehr gut mittels zweier Schrittmotoren verwirklichen,
die vom gleichen Generator über einen Frequenzteiler angesteuert werden. Die Anordnung
der Blendenöffnungen 12a, 13a ist ähnlich wie bei der in Figur 3.
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Die in den Figuren 5a bis 5c gezeigten Ausführungsformen der Wellenstümpfe
sind mit denjenigen der Figuren 1 bis 4 gleichwertig. Anstatt runde oder schlitzförmige
Blendenöffnungen in den Wellenstümpfen anzubringen, kann man deren Enden auch 20,
21 schlitz- oder stegtörmig gestalten. Entsprechend Fig. 4 und 3 kann zur Erzielung
einer hohen Modulationsfrequenz auch mit einem Wellenstumpf gearbeitet werden, der
mehrere Schlitze bzw. Stege 22, 23 enthält.
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Alle oder einige der Blendenaussparungen bzw. Blendenöffnungen können
diametral oder exzentrisch in den Blendenwellen oder auch auf beide Arten in Kombination
je nach Bedarf angeordnet sein. Sie können ferner schlitzförmig, wie gezeigt, oder
kreisrund oder in sonstiger Gestalt ausgebildet sein.
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Figur 6 zeigt ein Funktionsschema eines Zweistrahl-Photometers mit
einer der erfindungsgemäßen Wellenblenden, bei dem die Methode der abgeschwächten
Totalreflexion (= ATR) angewandt wird. Die Technik der abgeschwächten Totalreflexion
ist von der Spektroskopie her bekannt: Die in einem Kristall an einer Grenzfläche
total reflektierte Strahlung erleidet bei jeder Totalreflexion einen Energieverlust,
der auf dem Weg durch etwa das angrenzende Medium austritt. dieser Weg entspricht/einer
Wellenlänge. Arbeitet man beispielsweise bei einer Wellenlänge von 5 ym und treten
an der Grenzfläche Kristall / absorbieren des Medium 10 Totalreflexionen auf, so
ist die Wegstrecke der Infrarotstrahlung in der Meßflüssigkeit etwa 50 um lang.
Mit Hilfe der Technik der abgeschwächten Totalreflelion lassen sich also geringe
Schichtdicken verwirklichen, so daß in stark absorbierenden Flüssigkeiten die Konzentration
einer Flüssigkeitskomponente bestimmt werden kann. Ein besonderer Vorteil dieser
Methode besteht darin, daß der ATR-Kristall in der Wand einer Durchflußmeßzelle
großen Querschnitts sitzt; eine Verstopfungsgefahr wie bei Transmissionsküvetten
(mit Schicht-1 dicken von 10 bis 100 Ilm) besteht nicht.
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Bei dem in Figur 6 gezeigten Zweistrahiphotometer ,wird das von einer
Strahlungsquelle 30 kommende Strahlungsbündel an einem -Spiegel 31 umgelenkt und
trifft auf einen Riffelspiegel 32, der das Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel
33; 34 aufteilt, die den Meß- bzw. Referenzzweig darstellen. Diese werden von zwei
Umlenkspiegeln 35; 36 umgelenkt und gelangen
durch die um 900 gegeneinander
versetzten Blendenöffnungen 37; 38 der Blendenwelle 39 auf zwei Interferenz-Filter
40, 41, die an einem ATR-Kristall 42 angeordnet sind. Dieser Kristall 42 ist bündig
in der Wand eines Rohres oder Behälters eingesetzt, in dem bzw. in der sich das
zu untersuchende Medium (Flüssigkeit oder Gas) befindet. Durch die Öffnungen 37;
38 der Wellenblende 39 wird den Strahlenbündeln 33; 34 abvechselnd der Weg durch
den Meßzweig 43 oder den Referenzzweig 44 frei gegeben. Über einen Lichtleiter 45
gelangen diese beiden Strahlenzweige auf einen Detektor 46.
Literaturverzeichnis
1. W. Schäfer: IR-Analysatoren; VDI-Berichte Nr. 199, 1974, Seite 41 bis 47.
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2. K. Weibezahn: Betriebsphotometer; VDI-Berichte Nr. 199, 1974, Seite
49 bis 54.
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3. F. T. Wenthen, L. R. Snowman: High Speed Light Choppers; Applied
Optics 12 (1973), Seite 822 bis 824.
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4. Princeton Applied Research Corp., Datenblatt des Lichtchoppers
Modell 191.
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5. Ithaco Inc., Datenblatt des Lichtchoppers Modell 383.
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6. Brookdeal Electronics Ltd., Datenblatt des Lichtchoppers Typ 479.
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7. Laser Precision Corp., Datenblatt des Lichtchoppers Typ CTX-53.
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8. Bulova American Time Products, Datenblatt Light Choppers/ Scanner.
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9. Brockdeal Electronics Ltd., Datenblatt des Lichtchoppers Typ 9478.
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10. G. G. Mönch: Lichtmodulation durch Öffnungen; Optik 10 (1953),
Seite 350 bis 361, 365 bis 374, 567 bis 577.
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L e e r s e i t e