DE1099215B - Vorrichtung zum Messen von Strahlungsdifferenzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Strahlungsdifferenzen nach Art der sogenannten Thermogalvanometer mit Anzeigevorrichtung, insbesondere mit Spiegelablesung mit einer in einem Magnetfeld drehbar angeordneten Thermoschleife.

Strahlungsdifferenzmesser dieser Art sind insbesondere zur Bestimmung der Infrarotabsorption von aus mehreren Komponenten zusammengesetzten Flüssigkeiten oder Gasen geeignet.

Es sind zahlreiche Vorrichtungen zur Infrarotabsorptionsanalyse von Gasmischungen bekannt, die auf folgendem Grundsatz beruhen: Wird ein Bündel von Infrarotstrahlen durch eine Mischung von Gasen geschickt, so ist, wenn eine Komponente des Gases ein Absorptionsband im Infraroten hat, die absorbierte Energie eine Funktion der vorhandenen Molekülzahl der absorbierenden Komponente. Werden demgemäß Bündel von Infrarotstrahlen durch zwei Gaskammern geleitet, deren eine das zu analysierende Gasgemisch und deren andere ein von der absorbierenden Verbindung freies Bezugsgas enthält, so ist der Energiegehalt der austretenden Strahlenbündel verschieden, und die Energiedifferenz ergibt ein Maß für die absorbierende Komponente der Gasmischung.

Zur Bestimmung von Strahlungsintensitäten sind Thermogalvanometer bekannt. Bei diesen Galvanometern ist ein Thermoelement unterhalb der Pole eines Magneten aufgehängt. Die obere Lötstelle des Thermoelementes ist in zwei Lötstellen aufgespalten, die durch einen das Magnetfeld zwischen den Magnetpolen durchsetzenden Kupferbügel überbrückt werden. Wird durch Strahlung die einfache Lötstelle des Thermoelementes gegenüber der aufgespaltenen Lötstelle erwärmt, so fließt ein Strom durch die Thermoelemente Vorrichtung zum Messen
von Strahlungsdifferenzen

Anmelder:

The Distillers Company Limited,
Edinburgh (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. A. von Kreisler, Patentanwalt,
Kölnl, Deichmannhaus

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Januar 1953

Charles Walter Munday, Epsom, Surrey

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

so dimensioniert sein, daß bei gleicher Füllung der beiden Zellen alle drei Strahlen gleiche Intensität haben. Folglich ist die Strahlungsmessung an einem Ultrarotanalysator mit diesem bekannten Thermogalvanometer nicht ohne weiteres durchführbar.

Es ist auch bereits ein Strahlungsdifferenzmesser (Differenz-Radiomikrometer) bekannt, bei welchem eine in einem Magnetfeld drehbar angeordneteThermoschleife mit zwei Lötstellen, auf denen geschwärzte Kupferplättchen angebracht sind, verwendet wird. Auf

und den überbrückenden Kupferbügel, der sich infolge 35 das eine Plättchen kann die zu messende, auf das des Einflusses des Magnetfeldes in diesem dreht. Die Größe der Drehung ist ein Maß für die zu messende Strahlungsintensität. Der überbrückende Kupferbügel ist erforderlich, weil die sich im Magnetfeld befindenden Teile des Thermoelementes nicht von den Polen 40 des Magneten angezogen werden dürfen. Infolge der Aufspaltung der einen Lötstelle in zwei Lötstellen ergeben sich, abgesehen von fabrikationstechnischen Nachteilen, viele Fehlerquellen, die die Meßcharakteristik des Gerätes in unübersichtlicher Weise beein- 45 flüssen. Außerdem wird hierdurch das bekannte Thermogalvanometer für das Anwendungsgebiet der Messung der Strahlung von Ultrarotanalysatoren, bei denen jeweils ein Strahl durch die Analysatorzelle

andere Plättchen eine Vergleichsstrahlung gegeben werden. Die Drehung des an der Schleifenaufhängung angebrachten Spiegels ist proportional der Differenz der Wirkung beider Strahlen.

Bei diesem Gerät ist das Thermoelement lediglich an einem einzigen Quarzfaden aufgehängt, so daß dieses Gerät vor Inbetriebnahme zunächst sehr genau nivelliert werden muß und ferner irgendwelche leichten Stöße oder Vibrationen die Genauigkeit des Gerätes ganz merklich herabsetzen.

Außerdem müssen die beiden Thermoelementverbindungen durch feinen Kupferdraht getrennt sein, damit die Thermoelemente selbst außerhalb des Magnetfeldes liegen. Andernfalls würde ein geringer Dia-

und ein anderer durch eine Vergleichszelle geht, un- 50 magnetismus bewirken, daß sie aus dem Magnetfeld geeignet. Der eine der beiden Strahlen müßte im Fall herausgelenkt werden. Es ist aber die Verwendung der bekannten Thermogalvanometer in zwei Strahlen, zweier räumlich weit getrennt liegender Thermovon denen je einer auf je einen Teil der aufgespal- elemente äußerst nachteilig, da hierdurch das Gerät tenen Lötstelle fällt, aufgeteilt sein. Die Zellen müßten gegenüber Änderungen in der Umgebungstemperatur

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äußerst empfindlich wird. Da nämlich irgendein Temperaturgefälle zwischen den beiden wärmeabsorbierenden Plättchen Ungenauigkeiten hervorruft, ist es äußerst wichtig, daß die beiden Plättchen so nahe wie möglich beieinander liegen. Bei dem bekannten Gerät liegen die Plättchen ziemlich weit auseinander, so daß schon geringe Temperaturänderungen die Genauigkeit des Gerätes beeinflussen werden. Dieser Mangel konnte zwar in gewissem Maße dadurch beseitigt werden, daß das Instrument mit einem Kühlwassermantel umgeben wurde. Es hat sich jedoch als vorteilhafter erwiesen, kein Wasser in dem Mantel umlaufen zu lassen, da eben hierdurch infolge Änderung der Umgebungstemperatur an den beiden Plättchen zusätzlich Ungenauigkeiten anderer Art hervorgerufen werden. Ein weiterer Nachteil des bekannten Instrumentes besteht darin, daß die Einfügung zweier Kupferdrähte zwischen die beiden Thermoelementschleifen insgesamt sechs Thermoelementverbindungen zur Folge hat; da aber jede solche Verbindung eine elektromotorische Kraft erzeugt, wird das Instrument instabil und darüber hinaus besonders empfindlich gegenüber Umgebungstemperaturänderungen. Die Konstanthaltung der Temperatur um die beweglichen Teile des Instrumentes herum ist in jedem Fall äußerst schwierig.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, ein Laboratoriumsinstrument nach Art dieses sogenannten »Wilsonschen« Strahlungsmessers durch konstruktive Maßnahmen dahingehend zu verbessern, daß ein robustes, leicht einstellbares und gegenüber Nivellierungsschwankungen unempfindliches Betriebsinstrument geschaffen wird, das gleichzeitig weitgehend unempfindlich ist gegenüber Temperaturschwankungen innerhalb und außerhalb des Gerätes und das darüber hinaus eine dem »Wilsonschen« Gerät vergleichbare Meßempfindlichkeit gewährleistet.

Dieser Aufgabenstellung wird das Gerät dadurch gerecht, daß erfindungsgemäß die Schleife von einem im Magnetfeld zwischen den Polen eines Magneten zwischen Spannelementen drehbar gelagerten Rahmen aus schwach diamagnetischem Material getragen ist und lediglich aus zwei kurzen, in ihrer ganzen Erstreckung innerhalb des Magnetfeldes liegenden Drähten aus verschiedenartigen, nichtferromagnetischen Metallen oder Legierungen besteht, die jeweils zur Bildung eines Thermoelementes an ihren Enden zusammengelötet und in an sich bekannter Weise an jeder der beiden Lötstellen mit einem Plättchen aus einem Strahlungsabsorbierenden Material thermisch leitend verbunden sind, in einer solchen Ausbildung, daß das Gewicht des aus dem Rahmen, der Schleife und den Plättchen bestehenden drehbaren Systems höchstens 10 mg beträgt.

Dadurch, daß die Rahmeneinheit an beiden Enden straff aufgehängt ist, ist das Instrument gegenüber Stoßen höchst unempfindlich und braucht für den Betrieb nicht genau nivelliert zu werden. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion gemäß der Erfindung besteht darin, daß es nichts ausmacht, wenn die den Rahmen und die Thermoelementenschleife umfassende Rahmeneinheit leicht para- oder diamagnetisch ist, da ja die Aufhängung des Rahmens an beiden Enden den Rahmen im Magnetfeld fest in Lage hält. Da ferner beim Gerät gemäß der Erfindung die beiden Plättchen ziemlich eng beieinander liegen, ist ein Kühlwassermantel nicht notwendig. Die Plättchen können noch enger beeinander liegend angeordnet werden, wenn der Rahmen innerhalb einer Zelle aufgehängt wird, die zwischen den Polen des Magneten angeordnet ist. Auf diese Weise ist es auch möglich, innerhalb der Zelle ein Vakuum zu erzeugen. Schließlich ist auch noch auf den Vorteil hinzuweisen, daß die Verwendung eines Rahmens eine genaue Einstellung des Schwerpunktes des drehbaren Systems ermöglicht, so daß dieser in der Rotationsachse liegt. Diese Einstellung erfolgt durch Zufügung ganz kleiner Gewichte auf die Ecken des Rahmens, was sich praktisch ohne Mühe durchführen läßt. Ist das System auf diese Weise ins Gleichgewicht gebracht, so ist das Gerät noch weniger empfindlich gegenüber Unebenheiten der Aufstellfläche und gegenüber Stoßen.

Der Rahmen besteht vorzugsweise aus Quarz (auch andere Werkstoffe, wie Gold, Silber, Glas, Celluoid u. dgl., können verwendet werden), also aus einem Werkstoff, der eine schwache spezifische diamagnetische Suszeptibilität in der Größenordnung von — 0,1 · ΙΟ-⁶ ... — 2 · ΙΟ"⁶ elektromagnetische cgs-Einheiten aufweist. Der Rahmen sollte so leicht wie möglich sein. Wärmeverluste an den Thermoelementen müssen vermieden werden. Demzufolge ist der Rahmen vorzugsweise offen, und die endlose Schleife wird von Fäden zwischen den Rahmenschenkeln getragen, so daß der Rahmen nicht mit den Thermoelementen in thermischer Berührung steht. Die den Anzeiger enthaltende Kammer ist zweckmäßig evakuiert, so daß auch hierdurch Wärmeverluste vermieden werden. Die Drahtschleife soll symmetrisch sein, zwei parallele Seiten haben, also beispielsweise ein Quadrat, Rechteck oder Rhombus sein. Mit einer rechteckigen Schleife werden beste Ergebnisse erhalten. Die Drahtschleife besteht aus zwei Drahtstücken mit möglichst hoher Thermokraft und vorzugsweise einer geringen paramagnetischen Suszeptibilität solcher Größe, daß die diamagnetische Suszeptibilität des Rahmens kompensiert wird. Zweckmäßig werden ein offener Ouarzrahmen und eine Schleife, bestehend aus gleich langen Drähten einer Palladium-Gold-Legierung und einer Platin-Iridium-Legierung, verwendet. Die endlose Schleife wird vorzugsweise von zwischen den Schenkeln des Quarzrahmens ausgespannten Ouarzf äden getragen.

Infolge der Einspannung der während der Messungen stromführenden Schleife in einen Rahmen bleibt eine eventuell noch vorhandene schwache resultierende paramagnetische Suszeptibilität wirkungslos, so daß keine Auslenkung der Schleife oder gar einer hierdurch bedingte Berührung der Polteile erfolgt, die jede Messung entweder erheblich verfälschen oder sogar unmöglich machen würde.

Die im Betrieb auf die Plättchen fallende Strahlungsenergie wird in Wärme umgewandelt, die ihrerseits zur Lötstelle des Thermoelementes geleitet wird und so einen Strom in der Schleife erzeugt. Die starr an ihrem Träger befestigte Schleife hängt in einem Magnetfeld, so daß der erzeugte Strom eine Winkeldrehung der Schleife, entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Plättchen, bewirkt. Die Drehung der Schleife kann nach allgemein bekannten Methoden beobachtet, gemessen und/oder aufgezeichnet werden.

Das Gerät gemäß der Erfindung kann insbesondere zur Strahlungsmessung bei der Infrarotanalyse von Gasen und Flüssigkeiten verwendet werden. Es werden zwei Strahlenbündel verwendet, die — wie bereits oben beschrieben — auf die beiden Lötstellen des Strahlungsmessers konzentriert sind.

Als Anzeigeinstrument kann entweder ein Anschlaginstrument oder ein Nullinstrument verwendet werden. Im ersten Fall wird die Drehung des Anzeigers direkt zu einer mechanischen oder elektrischen An-

zeige benutzt, im zweiten Fall erzeugt sie eine Spannung, die über einen Hilfsmechanismus dazu verwendet werden kann, den Anzeiger in die Nullstellung zurückzudrehen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden Mittel vorgesehen, um die Bewegung des Strahlungsanzeigers zu regeln, die Vorrichtung selbsttätig auszubalancieren und die Lage des Strahlungsanzeigers praktisch, konstant zu halten. Dazu wird eine Drahtspule mit wenigstens einer Windung fest mit dem Strahlungsanzeiger verbunden, und zwar so, daß die Spulenwindung praktisch in der gleichen Ebene wie die Thermoschleife des Detektors liegt. Die Enden der Windung führen zu voneinander getrennten elektrischen Anschlüssen. Die Spule soll naturgemäß in keiner Lage kurzgeschlossen sein und muß daher vom Rahmen isoliert sein, wenn dieser aus leitendem Material ist. Die Enden der Spule können grundsätzlich von jeder Stelle des Rahmens herausgeführt werden, zweckmäßig wird aber ein Ende der Spule oben und das andere unten am Rahmen herausgeführt. Die elektrischen Zuleitungen können auch an den Aufhängemitteln angeordnet sein, wenn diese aus vom Rahmen isolierten metallischen Streifen bestehen. Die Bewegung des Strahlungsanzeigers läßt sich dadurch steuern, daß ein Strom geeigneter Stärke durch diese Spule geschickt wird.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Vorrichtung auch als Nullinstrument gebaut. An die Spule wird der Ausgang eines mit dem Strahlungsanzeiger verbundenen Verstärkers gelegt. Der Rahmen des Strahlungsanzeigers ist hierbei mit einer Spule verbunden, die im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Thermodrahtschleife liegt und deren Enden zu getrennten elektrischen Anschlüssen führen. Der Rahmen oder die Aufhängevorrichtung trägt einen Spiegel, welcher einen Lichtstrahl auf eine Photozelle reflektiert. Der in der Photozelle entstehende Strom wird verstärkt, so daß er anzeigende oder aufzeichnende Mittel betreiben kann, und wird gleichzeitig zu den elektrischen Anschlüssen an den beiden Enden der Spule geleitet. Durch die Bewegung des Rahmens und des daran befestigten Spiegels und demgemäß durch die Bewegung des Lichtstrahles wird infolgedessen in der Drahtwindung um den Quarzrahmen Strom erzeugt, so daß ein Drehmoment auf den Rahmen ausgeübt wird, das entgegengesetzt dem von der Thermoschleife erzeugten Drehmoment ist. Auf diese Weise kann der Anzeiger in der Nullstellung oszillierend gehalten werden. Der der äußeren Drahtwindung zügeführte Strom kann zur Betätigung geeigneter Anzeigemittel verwendet werden.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 den Strahlungsanzeiger in Verwendungslage,

Fig. 2 den Strahlungsanzeiger mit dem damit verbundenen Hilfsmechanismus.

In Fig. 1 ist die vorzugsweise aus Messing hergestellte Kammer 1 zwischen den Magnetpolen 2 und 3 angeordnet. Die Kammer 1 enthält den Quarzrahmen4 mit dem Spiegel 5, der von den Quarzflächen 6 und 7 gehalten wird. Der Aufhängefaden 6 ist mit der Feder 8 verbunden, die an der Wandung der Kammer 1 befestigt ist. Der Aufhängefaden 7 ist mit dem Lager 9 verbunden, das auf der entgegengesetzten Seite der Kammer 1 angeordnet ist. De? Aufhängefaden ist zweckfäßig ein Metallfaden — beispielsweise ein Goldband — oder ein Quarzfaden. Der Quarzrahmen 4 ist mit der Drahtschleife 10 durch starre Quarzfäden 11 verbunden, die an den Schenkeln des Rahmens 4 angekittet sind, so daß die Drahtschleife 10 starr mit dem Rahmen 4 \'erbunden ist. Die Drahtschleife besteht aus dem Draht 12 aus einem Metall oder einer Legierung und dem Draht 13 aus einem anderen Metall oder einer anderen Legierung. Die beiden Metalle oder vorzugsweise Legierungen sind so gewählt, daß bei ihrer Verlötung ein Thermoelement entsteht. Die eineLegierung ist beispielsweise einePalladium-Gold-Legierung und die andere eine Platin-Iridium-Legierung. Mit den Lötstellen 15 und 16 der beiden Legierungen sind Plättchen 17 und 18 aus einem strahlenabsorbierenden Material, wie beispielsweise geschwärzte Goldfolien, thermisch verbunden. Zum Erzielen maximaler Wirkung sind die langen parallelen Seiten der Drähte 12 und 13 senkrecht zu den Kraftlinien des Magnetfeldes angeordnet.

Bei der Messung wird eines der Strahlenbündel auf das Plättchen 17 und das andere Strahlenbündel auf das Plättchen 18 konzentriert. Sind die Energiebeträge der beiden Strahlenbündel gleich, so werden die beiden Plättchen auf die gleiche Temperatur erhitzt, und es fließt in der Schleife dementsprechend kein Strom. Sind die Energiebeträge der beiden Bündel aber verschieden, so werden die beiden Plättchen auf verschiedene Temperaturen erhitzt, und es fließt in der Schleife ein Strom, dessen Größe von der Temperaturdifferenz der beiden Plättchen abhängt. Durch den erzeugten Strom wird die Drahtschleife im Magnetfeld senkrecht zu den Kraftlinien bewegt, und zwar in Abhängigkeit von dem erzeugten Strom, d. h. in Abhängigkeit von dem Energieunterschied der beiden Strahlenbündel. Entweder kann die Bewegung der Schleife und des Quarzrahmens beobachtet werden, oder es wird die Bewegung eines von dem Spiegel 5 reflektierten Lichtstrahles aufgezeichnet.

Die Kammer wird zweckmäßig evakuiert, um Konvektionsströme in der Kammer zu vermeiden. Die Anzeigeeinheit muß gegen alle Strahlen außer der zu messenden abgeschirmt werden.

Die Fig. 2 stellt den Strahlungsanzeiger und den damit verbundenen Hilfsmechanismus schematisch dar. Der Strahlungsanzeiger 26 ist ähnlich wie der in Fig. 1 dargestellte aufgebaut, mit dem Unterschied, daß der Rahmen 4 von der Drahtspule 19 umgeben ist, deren Enden zu den Kontakten 20 und 21 führen. Die Drahtspule 19 ist durch geeignete Mittel so mit dem Rahmen verbunden, daß keine Teile des Drahtes in elektrischem Kontakt mit dem Rahmen stehen. Der Spiegel 5 ist, wie bereits oben dargelegt, mit dem Rahmen verkittet.

Eine Lichtquelle 22 wirft einen Strahl auf den Spiegel 5, der von demselben zur Photozelle 23 reflektiert wird. Durch eine Drehung des Rahmens und des Spiegels wird in der Photozelle ein Strom erzeugt, der durch Mittel 24 modifiziert und verstärkt und so zu den Enden der Spule 19 geleitet wird, daß er bestrebt ist, die Spule in ihre Nullage zurückzudrehen. Die von der Zelle abgegebene Leistung wird durch geeignete Mittel 25 gemessen oder aufgezeichnet.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von Strahlungsdifferenzen nach Art der sogenannten Thermogalvanometer mit Anzeigevorrichtung, insbesondere mit Spiegelablesung, mit einer in einem Magnetfeld drehbar angeordneten Thermoschleife, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife von einem im Magnetfeld zwischen den Polen eines Magneten zwischen Spannelementen drehbar gelagerten Rah-

men aus schwach diamagnetischem Material getragen ist und lediglich aus zwei kurzen, in ihrer ganzen Erstreckung innerhalb des Magnetfeldes liegenden Drähten aus verschiedenartigen, nichtferromagnetischen Metallen oder Legierungen besteht, die jeweils zur Bildung eines Thermoelementes an ihren Enden zusammengelötet und in an sich bekannter Weise an jeder der beiden Lötstellen mit einem Plättchen aus einem strahlungsabsorbierenden Material thermisch leitend verbunden sind, in einer solchen Ausbildung, daß das Gewicht des aus dem Rahmen, der Schleife und den Plättchen bestehenden drehbaren Systems höchstens 10 mg beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife aus Metallen bzw. Legierungen mit einer solchen resultierenden magnetischen Suszeptibilität besteht, daß praktisch eine Kompensierung der entgegengesetzt wirkenden Suszeptibilität des Rahmens stattfindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen offen ist und daß die Thermoschleife an Fäden befestigt ist, die mit den Schenkeln des Rahmens verbunden sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische diamagnetische Suszeptibilität des Rahmenmaterials bei Zimmertemperatur zwischen — 0,1 · 10~⁶ und — 2· 10 ~⁶ elektromagnetische cgs-Einheiten liegt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der starre Rahmen aus Quarz besteht und die Thermoschleife auf Quarzfäden befestigt ist, die starr mit den Schenkeln des Rahmens verbunden sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoschleife mit den Kontaktstellen symmetrisch ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoschleife zwei parallele Seiten aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife rechteckig ausgebildet ist und daß die Kontaktstellen jeweils in der Mitte der kürzeren Seiten des Rechtecks liegen.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife aus gleich langen Drähten aus Palladium-Gold-Legierung und Platin-Iridium-Legierung besteht.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Rahmen eine stromdurchflossene Spule derart angeordnet ist, daß die Stellung des Rahmens in Abhängigkeit vom Spulenstrom steuerbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Rahmen umfassende Drahtspule mit wenigstens einer Windung, welche in der gleichen Ebene wie die Thermoschleife liegt, mit dem Rahmen starr verbunden ist und daß die Enden der Drahtspule jeweils mit elektrischen Kontakten verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
E. Meyer und C. Moerder, »Spiegelgalvanometer und Lichtzeigerinstrumente«, Akad. Verl. Gesellschaft, Leipzig, 1952, S. XLII, Abschn. 1, und S. XLIV ff., Abb. 1/32 und 1/33;

»Transactions Plulos. of the Royal Soc. of London«, Vol. 185 (1894), Bd. 1, Ausg. A, S. 369 bis 371.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen