DE2109735A1

DE2109735A1 - Vorrichtung zum Messen der Lichtabsorption

Info

Publication number: DE2109735A1
Application number: DE19712109735
Authority: DE
Inventors: Robert W. Lincoln Nebr. Allington (V.StA.). P G03b 23-12
Original assignee: Instrumentation Specialties Co
Current assignee: Instrumentation Specialties Co
Priority date: 1970-07-24
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1972-01-27
Also published as: DE2109735C3; US3676686A; GB1323182A; DE2109735B2; FR2089537A5

Description

Paienianwälte

Br.-lng. Wilhelm fieichel ■

6 Frankfurt a. M. 1

Parkslraße 13 6540

INSTRUMENTATION SPECIALTIES COMPANY, Lincoln, USA

Vorrichtung zum Messen der Lichtabsorption

Die Erfindung bezieht sich auf eine Korrichtung zum Messen der Lichtabsorption.

Wenn eine Lichtmessung mit Hilfe von Fotowidersfemdszellen zur Messung sehr kleiner Lichtabsorptionen oder sehr kleiner Lichtabsorptionsunterschiede vorgenommen wird, dann ergeben sich· die Hauptschwierigkeiten, durch die die Meßempfindlich- " keit begrenzt ist, wegen des elektrischen Rauschpegels und der Stabilität der Fotowiderstandszellen. Fotowiderstandszellen werden gewöhnlich in irgendeiner Brückenschaltung verwendet. Nach der Theorie des elektrischen Rauschens erhält man den geringsten Rauschpegel in elektrischen Brückenschaltungen dann, wenn man die Impedanz der Widerstandsmeßelemente der Brücke an die Impedanz der damit in Reihe geschalteten Elemente anpaßt. Wenn diese beiden Impedanzen angepaßt sind, d.h. wenn sie etwa gleich sind, dann ergibt sich aus der Theorie der Rauschvorgänge, daß der Rauschpegel ■·. · minimal sein sollte und daß die größtmögliche Empfind-

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lichkeit für eine Messung vorliegt. Ein Beispiel für eine Schaltung, in der diese Impedanzen teilweise angepaßt sind, ist in der US-Patentschrift 3,463,92? dargestellt.

Demgegenüber ist as jedoch überraschend, daß die meisten Fotowiderstandszellen nicht ein optimales Rausch- und Stabilitätsverhalten aufweisen, wenn sie in einer Schaltung verwendet werden, bei der die Reihenlastwiderstände etwa vergleichbar sind. Der Grund dafür besteht darin, daß die meisten Fotowiderstandszellen einen zeitabhängigen Spannungskoeffizienten (Änderung des elektrischen V/iderstands mit der zugeführten Spannung) aufweisen, und zwar neben ihrem bekannten zeitabhängigen Lichtintensitätskoeffizienten (Änderung des Widerstands mit dem auftreffenden Licht). Wenn solch eine Fotowiderstandszelle mit einem verhältnismäßig großen Widerstand in Reihe geschaltet wird, dann verursachen Änderungen des Foto^zellenwiderstands durch Änderungen'der Lichtintensität, daß sich die Spannung an der Fotowiderstandszelle beträchtlich ändert, wodurch sich wiederum der Widerstand der Fotowiderstandszelle wegen seines eigenen Spannungskoeffizienten beträchtlich ändert. Diese sekundäre Änderung des Widerstands ändert auch die an die Fotozelle angelegte Spannung und führte zu einer Abnahme der elektrischen Stabilität und einer Erhöhung des elektrischen Rauschpegels bei einer •derartigen Schaltung.

Die Zeitabhängigkeit des Lichtintensitätskoeffizienten des Widerstands hat auch eine andere unerwünschte Eigenschaft, wenn man eine Schaltung verwendet, bei der der Widerstand der Lastimpedanz der Fotowiderstandszelle etwa mit dem Widerstaiid der Fotowiderstandszelle selbst vergleichbar ist. Die Ansprechgeschwindigkeit einer Schaltungsanordnung auf Lichtintensitätsänderungen ist häufig geringer, wenn die Widerstandswerte etwa vergleichbar sind als wenn der Lastwider-

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stand,verglichen mit dem Widerstand der Fotowiderstandszelle, sehr gering ist. Diese geringere Ansprechgeschwindigkeit ist die Folge der Spannungsänderung an der Fotowiderstandszelle, wenn sich die Lichtintensität ändert, da eine Änderung der Lichtintensität eine Änderung des Fotozellenwiderstands verursacht. Diese Widerstandsänderung erfolgt nicht augenblicklich, sondern erfolgt häufig erst nach einer beträchtlichen Zeit. Wenn sich Jedoch die Spannung an der Fotowiderstandszelle ändert, wenn sich der Widerstand der Fotowiderstandszelle bei einer Änderung des Lichtintensitätswerts verändert, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn " die Fotowiderstandszelle in Reihe mit einem genügend großen Lastwiderstand geschaltet ist, dann würde diese Spannungsänderung eine zusätzliche Widerstandsänderung in der Fotowiderstandszelle durch den Spannungskoeffizienten des Widerstands der Fotowiderstandszelle hervorrufen. Diese zweite Änderung erfolgt auch nicht augenblicklich, sondern sie kann eine beträchtliche Zeit benötigen. Die Schaltung erreicht erst nach einiger Zeit einen Gleichgewichtszustand, weil die zweite Änderung des Widerstands aufgrund des Spannungskoeffizienten des Widerstands eine weitere Änderung der Spannung der Fotowiderstandszelle hervorruft, die wiederum eine weitere Änderung des Widerstands wegen des Spannungskoeffizien- ä ten hervorruft usw.

Gemäß der Erfindung ist eine Last mit geringer Impedanz mit einer Fotowiderstandszelle in Reihe geschaltet, damit man eine im.wesentliehen konstante Spannung an der Fotowiderstandszelle erhält, wodurch man die nachteiligen erhöhten Rauschpegel und / oder langsamaiAnsprecheigenschaften bekannter derartiger Schaltungen vermeidet. Eine derartige Anordnung eignet sich insbesondere zur Anzeige der Lichtabsorption in einer optischen Zelle, zur Anzeige der Differenz von Lichtabsorptiönen zwischen zwei optischen Zellen und zur An-

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zeige des Verhältnisses von Lichtdurchlässigkeiten zwischen zwei optischen Zellen. Im letzteren Fall ist die Messung des Verhältnisses der prozentualen Durchlässigkeiten besonders vorteilhaft, wenn weite Bereiche von Lichtabsorptionen vorliegen und wenn es nicht notwendig ist , eine Anzeige direkt proportional zur Konzentration des Stoffes, der das Licht absorbiert, zu erhalten. Bei dieser Anordnung wird die zu messende Größe das Ablenkteil der Anzeige- oder Aufzeicheneinrichtung nicht bis auf einen Wert außerhalb der Skala auslenken, da unendliche Absorption gleich einer Lichtdurchläs- W sigkeit von Null ist, wobei es sich sodann um einen endlichen Wert der Durchlässigkeit handelt.

Von einer optischen Zelle abgegebenes Licht trifft auf eine Fotowiderstandszelle auf, die in Reihe mit einer Diode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und es wird dann der Spannungsabfall an der Diode mit Hilfe einer Schaltung sehr hoher Impedanz gemessen. Der Spannungsabfall an der Diode ist proportional zu dem Logarithmus der Intensität des Lichts, welches auf die Fotowiderstandszelle auftrifft, wobei sich die gemessene Spannung entsprechend d^r Absorption des Lichts in der optischen Zelle und anstatt mit der Durchlässigkeit ^ des Lichts durch diese Zelle ändert. Zur Messung des Absorptionsunterschieds zwischen den beiden optischen Zellen werden zwei Fotowiderstandszellen parallel zu der Gleichspannungs ouelle geschaltet, wobei zu jeder Fotowiderstandszelle eine oder mehrere Dioden in Reihe geschaltet sind, damit Bezugsund Meßzweige einer Brückenschaltung entstehen. Von den Bezugs- und Meßzweigen wird das Eingangssignal für einen Operationsverstärker abgenommen ,^ wobei dieser Operationsverstärker eine Gegenkopplung zwischen seinem Ausgang und dem Meßkanal aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte

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Vorrichtung zur Messung sehr kleiner Änderungen der Absorption von Licht in einer optischen Zelle zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Fotowiderstandszelle von einer Lichtabsorptionsvorrichtung abgegebenes Licht aufnimmt, daß mit der Fotowiderstandszelle eine Diode in Reihe geschaltet ist, deren wirksamer Widerstand wesentlich geringer ist als der Widerstand der Fotowiderstandszelle, daß eine Gleichspannungsquelle an die Reihenschaltung aus Fotowiderstandszelle und Diode angeschlossen ist, daß die Spannung der Spannungsquelle wesentlich größer ist als der Spannungsabfall an der Diode und daß eine auf den Spannungsabfall an der Diode ansprechende Einrichtung vorgesehen ist, die einen wesentlich größeren elektrischen Widerstand als die Diode hat, die eine lichtabsorptionsabhängige Ausgangsspannung abgibt.

Ziel der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Messung des Absorptionsunterschieds zwischen zwei optischen Zellen.

Ziel der Erfindung ist es ferner, eine Schaltung vorzusehen, die ein Ausgangssignal direkt proportional zum Logarithmus des Stromes, der durch die Schaltung fließt, abgibt, wobei diese Schaltung eine Fotowiderstandszelle enthält, die in Reihe mit einer Diode an eine Gleichspannungs<j*lle angeschlos sen ist und wobei eine Meßschaltung hoher Impedanz den Spannungsabfall an"der Diode mißt.

Gemäß der Erfindung ist eine verbesserte Anordnung zur Messung sehr kleiner Änderungen* der Licht ab sorption in einer op-. tischen Zelle vorgesehen oder zur Messung sehr kleiner Lichtabsorptionsunterschiede in zwei optischen Zellen mit Hilfe einer Fotowiderstandszelle, wobei die erfindungsgemäße Anordnung durch den elektrischen Rauschpegel und die Stabilität

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der Fotozellen nicht stark "beeinflußt wird und eine sehr empfindliche Messung ermöglicht.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. In den Zeichnungen sind in den verschiedenen Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung zur Messung der Lichtabsorption in einer optischen Zelle,

Fig. 2 und 3 abgewandelte Ausführungsformen der Schaltung zum Messen der Lichtabsorption in einer optischen Zelle,

Figur 4- ein Schaltbild einer anderen Ausführungßform der Erfindung zur Messung der Differenz der Lichtabsorption in zwei optischen Zellen und

Figur 5 ein Schaltbild einer Schaltung, die mit der Schaltung nach Figur 4 zur Messung des Verhältnisses der . Lichtdurchlässigkeiten verbunden werden kann.

In Figur 1 ist eine optische Durchflußzelle 10 dargestellt, durch die eine Flüssigkeit fließt, deren Lichtabsorption gemessen werden soll. Die optische Durchflußzelle befindet sich in dem Weg eines Lichtstrahls, der von einer Lichtquelle 11 ausgeht, beispielsweise von einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe, und dieser Lichtstrahl geht ferner durch einen Filter 12 hindurch und trifft dann auf eine Fotowiderstandszelle 13 auf. Die Fotowiderstandszelle ist mit einer Diode 14· in Reihe geschaltet. Es wird eine Gleichspannung Anschlußklemmen 15 unä 16 zugeführt und es wird ein elektrisches Aus-

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gangssignal von der Anschlußklemme 16 und einer Anschlußklemme 17 abgenommen. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, ist die Spannung, die den Anschlußklemmen 15 und 16 zugeführt wird, mindestens zehnmal so groß wie der Spannungsabfall an der Diode. Aus diesem Grund ändert sich der Spannungsabfall an der Fotowiderstandszelle nicht beträchtlich, wenn sich ihr Widerstand bei Änderungen der Intensität des auftreffenden Lichts ändert. Der Widerstand der Fotowiderstandszelle ist etwa umgekehrt proportional zur Intensität des auf ihn auftreffenden Lichts und deshalb ist der Strom, der durch die Fotowiderstandszelle und die Diode fließt, etwa direkt ä proportional zur Intensität des auftreffenden Lichts. Der Spannungsabfall an der Diode ist nahezu direkt proportional zu dem Logarithmus der Intensität des auf die Fotowiderstandszelle auftreffenden Lichts.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Schaltungen \ bilden auch einen Lastwiderstand für die Fotowidcrstandszelle,der sehr klein, verglichen mit dem Widerstand der Fotowiderstandßzelle, ist, wodurch der Rauschpegel kleiner, die Stabilität größer und die Ansprechgeschwindigkeit ebenfalls größer wird. In Figur 2 ist der Invertiereingang eines Operationsverstärkers 19 mit einem Ende der Fotowiderstandszelle 13 verbunden, und das andere Ende der Fotowiderstandszelle ist mit der ne- | gativen Anschlußklemme 15 verbunden. Ein Widerstand 20 ist zwischen den Eingang und-den Ausgang des Verstärkers geschaltet. Wegen der durch die Kombination aus dem Operationsverstärker /I9 und dem Widerstand 20 gegebenen Gegenkopplung ist die elektrische Impedanz für die Fotowiderstandszelle sehr klein und die Eingangsspannung des Verstärkers ist immer nahezu Null. Der Operationsverstärker hat entsprechend der Definition genügend innere Verstärkung, so daß die ihm zugeführte Eingangsspannung nahezu Null sein muß, damit seine Ausgangsspannung innerhalb annehmbarer Grenzwerte bleibt. Die

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Spannung an der Fotowiderstandszelle wird sich deshalb nicht mit Änderungen des Widerstands der Fotowiderstandszelle beträchtlich ändern. Ein· Widerstand 21 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers mit einer Diode 16 und mit einer Ausgangsanschlußklemme, wobei der Widerstand des Widerstands 21 viel größer ist als der wirksame Widerstand der Diode, so daß der durch die Diode fließende Strom nahezu proportional zur Ausgangsspannung des Verstärkers ist. In Figur 3 ist eine ähnliche Schaltung dargestellt, bei der die für die Fotowiderstandszelle erscheinende Impedanz durch die Gegenkopplungswirkung eines Operationsverstärkers 22 mit Hilfe eines Gegenkopplungswiderstands 23 sehr gering ist, wobei die Spannung, die dazu verwendet wird, die Gegenkopplung über den Widerstand 23 zu bilden,gleich dem Spannungsabfall an einem Widerstand 24 ist, der als Folge eines durch eine Diode 14 fließenden Stroms entsteht. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 24 ist direkt proportional zu dem Strom, der durch die Fotowiderstandszelle fließt. Der durch die Diode fließende Strom ist etwa proportional zur Intensität des auf die Fotowiderstandszelle auftreffenden Lichts und deshalb ist die Spannung an den Ausgangsanschlußklemmen 17 und 25 etwa proportional zu dem Logarithmus der Intensität des Lichts, das auf die Fotowiderstandszelle auftrifft.

In den Schaltungen nach den Figuren 1 bis 3 beträgt die Spannungsänderung an der Diode, die für den logarithmischen Umsetzungsvorgang verwendet wird, für eine, zehn-zu-eins Änderung des Stromes, der durch die Diode fließt, etwa 70 Millivolt. Die Spannungsänderungsempfindlichkeit erhöht sich mit. steigender Temperatur der Diode. Es ist Jedoch noch nachteiliger, daß sich die Spannung an der Diode bei konstantem Strom durch die Diode beträchtlich mit der Temperatur ändert. Die Änderung ist eine Abnahme von etwa 2 Millivolt bei einem Anstieg der Temperatur um 1 Grad Celsius. Folglich muß bei

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einer brauchbaren Ausführungsform eine Temperaturkompensation vorgesehen sein, damit eine genaue Messung vorgenommen werden kann. Wenn keine !Temperaturkompensation vorhanden ist, dann addieren sich die Temperaturschwankungen zu dem vorhandenen Rauschpegel und der Instabilität der Schaltung.

Bei der Schaltung nach Figur 4· ist die Schaltung nach Figur 1 so verwendet, daß sie für Temperaturänderungen kompensiert ist. Fotowiderstandszellen 27 und 28 sind mit einer negativen Anschlußklemme 15 über eine Abweich- oder Null-Einstell-Schaltung verbunden, die Widerstände 21, 26 und 29 aufweist. Mit der Fotowiderstandszelle 27 sind Dioden 30 und y\ und mit der Fotowiderstandszelle 28 Dioden 32 und 33 verbunden. Diese Dioden bilden eine sehr genaue elektrische Anpassung an die beiden oben erwähnten Temperatureffekte und sie bilden auch eine genaue Anpassung für die Empfindlichkeit bei der logarithmischen Umwandlung von Strom in Spannung. Es können zwei oder mehr Dioden in Reihe mit Jeder der Fotowiderstandszellen geschaltet sein, damit die Empfindlichkeit bei der logarithmischen Umwandlung erhöht wird. Wenn beispielsweise eine Diode eine Spannungsänderung von 70 Millivolt bei einer zehn-zu-eins-Änderung des durchfließenden Stroms erzeugt, dann werden durch zwei in Reihe geschaltete Dioden bei einer zehn-zu-eins-Änderung des Stroms 14-0 Millivolt als Spannungsänderung erzeugt. Zweckmäßigerweise wird eine integrierte Diodenanordnung für die'dargestellten Dioden verwendet, da integrierte Dioden gute Anpassungseigenschaften aufweisen. Der Invertiereingang eines Operationsverstärkers 34 ist mit der Verbindung zwischen der Fotowiderstandszelle 28 und der Diode 32 verbunden und der Mcht-Invertiereingang des Operationsverstärkers 34 ist mit der Verbindungsstelle zwischen der Fotowiderstandszelle 27 und der Diode 30 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers ist mit einer Ausgangsanschlußklemme und auch mit "einer einstellbaren Rückkopplungsschaltung ver-

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bunden, die feste Widerstände 36 und 37, einen temperatura"bhängigen Widerstand 38 mit negativen Temperaturkoeffizienten, einen einstellbaren Eichwiderstand 39, feste Widerstände 40 und 41 und einen Bereichsumschalter 42 aufweist. Die beiden Fotowiderstandszellen und die beiden Diodenpaare sind so geschaltet, daß sie eine Brückenschaltung bilden. Wenn man einmal annimmt, daß die Fotowiderstandszellen 27 und 28 die Bezugs- und Meßzweige der Brücke bilden, dann hängt der Grad der Gegenkopplung,der durch den Meßzweig der Brücke gegeben ist, von der Einstellung des Bereichsumschalters 42 und von der Einstellung des Eichwiderstands 39 ab. Der Widerstand, der in die Meßschaltung durch den Bereichsumschalter 42 eingeschaltet wird, ist klein im Vergleich zu dem wirksamen Widerstand der Dioden 32 und 33· Wie man sieht, weisen die festen Kontakte des Bereichsumschalters 42 Markierungen auf, die der Lichtabsorption in einem vollen Bereich oder einem optischen dichten Bereich und eine Absorption von 0,02 bis zu einer Absorption von 2,00 für eine Ausgangsspannung bei vollem Skalenausschlag an den Ausgangsanschlußklemmen 16 und 35 entsprechen. Die Gegenkopplung in dem Meßzweig der Brücken-' schaltung ist hundertmal so groß, wenn der Schalter 42 auf die Stellung 2,00 eingestellt ist, als wenn er sich in der " Stellung 0,02 befindet. Deshalb ist eine hundertmal so große Änderung bei dem Logarithmus des Widerstandsverhältnisses der beiden Fotowiderstandszellen notwendig, um eine Ausgangsspannung von vollem Skalenausschlag zu erzeugen, wenn der Schalter von der Stellung 0,02 in die Stellung 2,00 umgeschaltet wird. Der einstellbare Eichwiderstand oder ein Einstellwiderstand 39 wird von Hand eingestellt, um die Schaltung zu eichen, so daß eine Ausgangsspannung -für vollen Skalenausschlag zwischen den Anschlußklemmen 16 und 35 erscheint, die genau dem · gewünschten vollen Skalenbereich der Lichtabsorption entspricht Es werden vorzugsweise Präzisionswiderstände verwendet, so daß die Eichung für Absorption bei genau einer vollen Skala in

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einem Bereich, der mit Hilfe des Schalters 4-2 ausgewählt ist, auch für die übrigen Bereiche automatisch und gleichzeitig eine Eichung darstellt; Die Spannung an den Ausgangsanschlußklemmen 16 und 35 wird nicht durch den sich vermindernden Wert der Spannung von 2 Millivolt bei einer Temperaturänderung von einem Grad Celsius beeinflußt, weil die Temperaturänderungen an den Dioden 30 und 31 beinahe die gleichen Spannungsänderungen wie die Dioden 32 und 33 hervorrufen. Diese beiden Änderungen werden durch den Verstärker 34- voneinander abgezogen, wodurch eine Differenz von beinahe Null verbleibt. Da die Empfindlichkeit der logarithmischen Umkehrung, die von λ den Dioden hervorgerufen wird, sich mit der Temperatur ändert, mindert der temperaturabhängige Widerstand 38, der beispielsweise ein Thermistor sein kann, die Verstärkung der gegengekoppelten Verstärkerschaltung bei höheren Temperaturen derart, daß die gesamte Lichtabsorptionsempfindlichkeit der Schaltung bei Temperaturänderungen konstant ist. Die ^ezugs-Fotowiderstandszelle 27 ist am Ende eines Bezugslidtpfades angeordnet, der durch eine Licht absorbierende optische Bezugszelle hindurchgeht, wohingegen die Meßfotowiderstandszelle 28 sich am Ende eines zu messenden Lichtpfades befindet, der durch eine optische Durchflußzelle hindurchgeht, die die zu messende Flüssigkeit führt. Die beiden Fotowiderstandszellen sind vorzugsweise hinsichtlich ihrer Lichtempfindlichkeit+ der Färb- ^j ansprechempfindlichkeit, dem Temperaturkoeffizienten des Widerstands aneinander angepaßt, damit die beste Schaltungsarbeitsweise in Bezug auf Genauigkeit, Stabilität und Rauschpegel er-reicht wird. Die Fotowiderstandszelle 27 kann auch durch einen festen Widerstand ersetzt sein, wobei dann die Fotowiderstandszelie 28 nur dazu verwendet wird, die absolute Lichtabsorption anstelle der Differenzabsorption zu messen.

Bei der Schaltung nach Figur 4 können die Schaltungen nach Figur 2 oder Figur 3 verwendet werden. Um die Wirkungsweise

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der Schaltung nach Figur 4 zu erreichen, muß jedoch mehr als ein Operationsverstärker verwendet werden, Jedoch ist eine solche Anordnung in bestimmten Fällen sogar erwünscht. Beispielsweise kann di& gesamte in Figur 2 dargestellte Schaltung anstelle der Bezugs-Fotowiderstandszelle 27 und der Dioden 30 und 31 iii Figur 4 gesetzt werden, wobei dann der Nicht-Invertiereirigang des Verstärkers 34- nach Figur 4 mit der Ausgangsanschlußklenime 17 nach Figur 2 verbunden wird. Eine zweite Schaltung, die der Schaltung nach Figur 2 entspricht, wird anstelle der Meßfotowiderstandszelle 28 und der Dioden 32 und 33 in Figiar 4 vorgesehen, wobei dann der Invertierein— gang des Operationsverstärkers 34- mit der entsprechenden, Ausgangsanschlußklemme 17 der zweiten Schaltung und wobei dann die Anschlußklemme 16 der zweiten Schaltung mit der Anschlußklemme des Bereichsumschalters 42 verbunden wird.

Alle in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Schaltungen können zur Anzeige und / oder zum Aufzeichnen der absoluten. Lichtabsorption in einer optischen Zelle verwendet werden. Bei den Schaltungen nach den Figuren 1 und 2 wird ein elektrischer Spannungsmesser und / oder ein Spannungsaufzeichengerät an die Ausgangsanschlußklemmen 16 und I7 der Schaltung angeschlossen und dieses Anzeige- und / oder Aufzeichengerät ist in Figur 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Bei der Schaltung nach Figur 3 würde das Anzeige- und / oder Aufzeichengerät an,'die Ausgangsanschlußklemmen 17 und 26 angeschlossen werden. Bei all diesen Anordnungen ist es nur erforderlich, daß die Impedanz des Meßgeräts, welches zu der Diode parallel geschaltet ist, verglichen mit dem wirksamen Widerstand der Diode, sehr groß ist.

Die Schaltung nach Figur 4 wird zusammen mit einer Anzeige- und / oder Aufzeichenvorrichtung, die an die Ausgangsanschluß- klemmen 16 und 35 angeschlossen ist, dazu verwendet, die Dif-

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ferenz der Lientabsorption in zwei optischen Zellen zu messen.

Wenn man das Verhältnis der Lichtdurchlässigkeit anstelle der Differenz der Lichtabsorption messen will, dann wird die in Figur 5 dargestellte Meßschaltung zu der in Figur 4 dargestellten Schaltung hinzugefügt. Eine Anschlußklemme 45 (Figur 5) ist mit der Anschlußklemme 35 (Figur 4) verbunden und es wird ein zu messender Wert mit Hilfe eines elektrischen Spannungsmessers oder eines SpannungsaufZeichengeräts, das mit dem Bezugszeichen 46 versehen ist, angezeigt oder " gemessen. Spannungsteilerwiderstände 47 und 48 dienen dazu, die Spannung, die an der Anschlußklemme 45 anliegt, zu vermindern miundiese verminderte Spannung der integrierten Schaltung zuzuführen, v/erden duale Dioden 49 und 50 verwendet. Um die Eingänge des Operationsverstärkers 51 abgeglichen zu halten, muß die Ausgangsspannung dieses Operationsverstärkers so groß sein, daß der Strom, der durch den Rückkopplungswiderstand 52 fließt, irgendwelche Stromänderungen in der Diode 49 durch Spannungsänderungen, die' an dieser Diode auftreten, und zwar in Abhängigkeit von der Spannung, die an der Verbindungsstelle der Spannungsteilerwiderstände 47 und 48 vorliegen, abgeglichen werden. Der Strom, der durch den Rückkopplungswider- ή stand 52 fließt, muß auch durch die Diode 49 fließen. Der durch den Widerstand 52 fließende Strom ist proportional zur Ausgangsspannung des Verstärkers 51» die an der Ausgangsleitung 53 erscheint. Da die Spannung an der Diode 49 proportional zum Logarithmus des Stroms ist, der durch -die Diode fließt,, muß der Strom, der durch diese Diode fließt, proportional zu dem Numerus der Spannung an der Verbindungsstelle der Spannungsteilerwiderstände 47 und 48 sein. Deshalb muß die Spannung, die an der Ausgangsleitung 53 erscheint, proportional zu dem Numerus der Spannung an der Anschlußklemme 45 sein und dementsprechend muß die Spannung an der Anschluß-

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klemme 53 proportional zu dem prozentualen Durchlässigkeitsverhältnis sein, welches durch die Potowiderstandszellen 27 und 28 in Figur 4 festgestellt wird. Dies ist dadurch bedingt, weil die Spannung auf der Ausgangsleitung 53 der Numerus der Differenz des Logarithmus des durch diese Fotowiderstandszelle fließenden Stroms ist. Die Spannungsteilerschaltung, die die Widerstände 54 bis 56 enthält, setzt die richtigen Vorspannungswerte für eine genaue Wirkungsweise bei der Numerusumwandlung der Diode 49 fest. Durch geeignete Auswahl dieser Widerstandswerte kann man das Verhältnis der prozentualen Durchlässigkeit mit Hilfe der an der Ausgangsleitung 53 anliegenden Spannung über den Widerstand 57 genau messen, wenn sich der Bereichsumschalter 42 (Figur 4) in dem höchsten Absorptionsbereich, nämlich bei 2,0 befindet. Der durch den Widerstand 58 aufgrund der negativen Vorspannung an der Anschlußklemme 59 fließende Vorstrom bewirkt einen Spannungsabfall an der Diode 50, wobei sich dieser Spannungsabfall mit der Temperatur ändert, und zv/ar entsprechend wie die durch Veränderung der Temperatur bewirkte Änderung der Spannung an der Diode 49. Die Subtraktionswirkung für die beiden an dem Operationsverstärker 51 anliegenden Eingangssignale bewirkt, daß diese geringfügigen, durch die Temperaturänderungen auftretenden Spannungen voneinander abgezogen werden, so daß der größte Teil des durch Temperaturschwankungen bedingten Fehlers vermieden wird.

Fotowiderstandszellen sind natürlich gut bekannt. Die logarithmische Spannungs-Strom-Kennlinie von Silizium-Halbleiterdioden ist auch gut bekannt. Wenn jedoch diese Bauelemente wie in den verschiedenen Ausführungsformen nach der Erfindung verbunden und betrieben werden, dann ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Diese Verbesserung dos Signal-Rausch-Verhältnisses wird nicht durch die bekannte Theorie vorausgesagt. Die Verbesserung der

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Ansprechgeschwindigkeit läßt sich auch nicht durch die vorhandene Theorie voraussagen.

Es können natürlich auch andere bekannte Bauelemente als Dioden verwendet werden, durch die logarithmisch umgesetzte
Signale von den Fotozellen abgeleitet werden, wie beispielsweise die gut bekannte logarithmische Umsetzerschaltung, bei der ein Transistor in dem Rückkopplungsweg eines Operationsverstärkers verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Messen der Lichtabsorption, dadurch gekennzeichnet , daß eine Fotowiderstandszelle (13) von einer Lichtabsorptionsvorrichtung (10) abgegebenes Licht aufnimmt, daß mit der Fotowiderstandszelle (13) eine Diode (14) in Reihe geschaltet ist, deren wirksamer Widerstand wesentlich geringer ist als der Widerstand der Fotowiderstandszelle (13), daß eine Gleichspannungsquelle (15*16) an die Reihenschaltung aus Fotowiderstandszelle (13) und Diode (14) angeschlossen ist, wobei die Spannung der Spannungsquelle wesentlich größer ist als der Spannungsabfall an der Diode (14) und daß eine auf den Spannungsabfall an der Diode ansprechende Einrichtung (18) vorgesehen ist, die einen wesentlich größeren elektrischen Widerstand als die Diode hat und die eine lichtabsorptionsabhängige Ausgangsspannung anzeigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Widerstand und eine zweite Diode in Reihe parallel zu der Spannungsquelle geschaltet sind, und daß die Einrichtung (18) auf den Spannungsunterschied an den Dioden anspricht.
3· Vorrichtung zum Messen der Lichtabsorption, dadurch gekennzeichnet , daß eine Fotowiderstandszelle (13) von einer Lichtabsorptionsvorrichtung (10) abgegebenes Licht aufnimmt, daß ein logarithmisch wirkender Gleichstrominverter (14) vorgesehen ist·*, dessen Eingangswiderstand wesentlich geringer ist als der Widerstand der Fotowiderstandszelle (13)ι daß Schaltungselemente die Fotowidorstandszelle (13) mit dem Eingang des Inverters (14) in Reihe zu der Gleichstromquelle parallel schalten und daß eine Einrichtung (18) eine vom absorbierten Licht abhängige Ausgangsspannung von dem inverter zugeführt wird. · ^₇

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Widerstand (48) mit einer Diode (49) in Reihe geschaltet ist, daß der Widerstand und die Diode ebenfalls in Reihe zu der Spannungsquelle parallel geschaltet sind, daß der Inverter eine zweite Diode (50) ist und daß die lichtabsorptionsabhängige Ausgangsspannung durch einen Gleichstrom-Differenzverstärker (51) verstärkt wird, der eine Gegenkopplungsschaltung aufweist, die zwischen seinen Ausgang und eine d^r beiden Dioden geschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch 'gekennzeichnet , daß die Gegenkopplungsschaltung Einrichtungen zur Temperaturkompensation der logarithmischen Inverterempfindlichkeit der Dioden enthält,
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadur.ch gekennzeichnet , daß die Gegenkopplungsschaltung (52) Vorrichtungen zur Kompensation der logarithmischen Inverterempfindlichkeit der Dioden gegenüber der Temperatur aufweist und daß eine Einstelleinrichtung zur. wahlweisen Dämpfung der rückgekoppelten Spannung, die der einen Diode zugeführt wird, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand eine Fotowiderstandszelle ist, die von einer zweiten Lichtabsorptionsvorrichtung abgegebenes Licht aufnimmt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» da durch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (49) vorgesehen ist, die den Numerus der von der Lichtabsorption abhängigen Ausgangsspannung bildet und die eine Ausgangsspannung abgibt, die sich entsprechend dem Verhältnis der prozentualen Durchlässigkeiten zu dem Licht, das auf die Fotowiderstandszellen fällt, ändert.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß eine weitere Fotowiderstandszelle (28) von einer weiteren Liphtabsorptionsvorrichtuhg abgegebenes Licht aufnimmt, daß ein weiterer logarithmischer Gleichstrominverter (32) vorgesehen ist, dessen Eingangswiderstand wesentlich geringer ist als der Widerstand der weiteren Fotowiderstandszelle, daß Schaltungselemente die weitere Fotowiderstands.zelle (28) und den weiteren Inverter in Reihe parallel zu der Spannungsquelle schalten und daß ein Gleichspannungsdifferenzverstärker (34) die von der Lichtabsorption abhängige Ausgangsspannung verstärkt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet , daß der Verstärker (34) eine Gegenkopplungsschaltung aufweist, die zwischen seine Ausgangsklemme und einen der Inverter geschaltet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Gegenkopplungsschaltung Schaltungselemente aur Kompensation der Umsetzempfindlichkeit des Inverters gegenüber der Temperatur enthält und daß Einstellvorrichtungen zur wahlweisen Dämpfung der Gegenkopplungsspannung, die einem der Inverter zugeführt wird, vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet-, daß eine Einrichtung (49) vorgesehen ist, die den Numerus der von der Lichtabsorption abhängigen Ausgangsspannung bildet und die eine Ausgangsspannung abgibt, die sich entsprechend dem Verhältnis der prozentualen Durchlässigkeiten zu dem Licht,' das auf die Fotowiderstandsζeilen auffällt, ändert.

Rei/ma

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