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Photometer zur digitalen Anzeige der Lichtabsorption einer Messprobe
in einer Küvette Die Erfindung bezieht sich auf ein Photometer zur digitalen Anzeige
der Lichtabsorption einer Messprobe in einer Küvette mit einer Lichtquelle und einem
photoelektrischen Empfänger, welchem die auf die Messprobe geführten Lichtstrahlen
der Lichtquelle nach Absorption von der Messprobe zugeführt werden.
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Bei bekannten Photometern geht das Licht von einer Lichtquelle aus
durch die Messprobe, welche sich in einer Glasküvette befindet, zu einem photoelektrischen
Empfänger. Je nach der Lichtabsorption innerhalb der
Messprobe gelangt
mehr oder weniger Licht auf den photoelektrischen Empfänger, so dass sich an diesem
eine der Absorption proportionale Spannung ergibt, welche zur Anzeige benützt wird.
Als Kriterium für die Lichtdurchlässigkeit der Messprobe wird also das auf den photo
elektrischen Empfänger auffallende Licht benützt. Bei dieser bekannten Methode geht
aber deswegen die Helligkeit der Lichtquelle in das Resultat mit ein. Mit einem
Nullabgleich welcher durchgeführt wird kann man nur eine momentane Helligkeitsschwankung
kompensieren so dass die ser Abgleich nur kurzzeitig gültig ist. Nach erfolgtem
Abgleich bewirkt nämlich jede Änderung der Lampenhelligkeit eine Abwanderung der
AnZ zeige von Null. Da die Strahlungsintensität der Spektrallampen auch bei stabilisierter
Spannung relativ stark schwankt, ist eine genaue Messung ohne ständige Überwachung
und Nachjustierung des Nullpunktes bei diesen Geräten nicht möglich.
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Weiterhin sind Photometer bekannt, welche als Zweistrahl-Photometer
arbeiten, wodurch durch eine Umlenkvorrichtung vor der Messprobe ein Vergleichsstrahl
abgezweigt wird. Dieser Vergleichsstrahl wird aber nur dazu benützt um einen von
der Messprobe unabhängigen moment tanen Festpunkt auf der Anzeigeskala des Gerätes
zu erhalten, z. B.
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den Nullpunkt, welcher aber wieder abhängig ist von Schwankungen der
Lichthelligkeit. Bei dem Zweistrahlmessverfahren zur Ermittlung
der
Absorption der Messprobe geht in das Messergebnis dann ebenfalls der Fehler mit
ein, der aufgrund von Schwankungen der LichthelligZ keit der Lampe herrührt. Bei
bekannten Vorrichtungen treten diese Fehler auf, weil das Problem eines konstanten
Nullpunktes und das Problem einer genauen Anzeige des Messergebnisses getrennt behandelt,
bzw. gelöst wird, wobei Helligkeitsschwankungen der Lampe nicht kontinuierlich berücksichtigt
werden. So ist ein genaues Messen ohne Nachregelung nur für eine kurze Zeitspanne
möglich, da das Messers gebnis eine Funktion des Nullpunktes ist welcher aber nur
für kurze Zeitspannen, aufgrund der Helligkeitsschwankungen der Lampe gültig ist.
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Bei den bekannten Vorrichtungen sind deshalb verhältnismässig lange
Zeiten nötig, ca. eine halbe Stunde, bis die Einbrennzeit der HGLampe erreicht ist
und rnit den Messungen begonnen werden kann.
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Bei den anfänglich beschriebenen bekannten Vorrichtungen ist eine
Spannung am photoelektrischen Empfänger das Mass für die Grösse der Lichtabsorption
der Messprobe. Für digitale Anzeigen des Messe ergebnisses eignet sich diese gewonnene
Spannung nicht, sie muss vielmehr erst in einem Digital~AnalogWandler in eine Zeit
oder in eine Frequenz umgewandelt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es bei den anfangs beschxiebenen Photo metern
mit geringstem Schaltungsaufwand eine kontinuierliche Kompen sation von Helligkeitsschwankungen
der Beleuchtungsquelle zu schaffen und aufgrund dieser Kompensation eine von Helligkeitsschwankungen
unabhängige Grösse in Form einer Zeit zu erreichen, zur Ansteuerung einer digitalen
Anzeige, wobei diese Zeit dire kt proportional zum Messergebnis ist.
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Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren
für ein Photometer zur digitalen Anzeige der Lichtabsorption einer Messprobe in
einer Küvette wobei das Mass für die Lichtabsorption die Entladezeit eines Kondensators
ist, welcher von einer Spannung aufgeladen wird, die ein Vergleichs strahl entsprechend
der Licht tensität vor einer Küvette auf einer VergleicherzeUe erzeugt, und die
Dauer der Entladezeit des Kondensators abhängig ist von dem aus der Küvette austretenden
Messtrahl, bzw. der Amplitude der Spannung einer nachgeschalteten Messzelle.
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Als Kriterium für die Lichtdurchlässigkeit des Messgutes wird also
das Verhältnis von der in das Messgut einfallenden Lichtmenge zur austretenden Lichtmenge
benützt. Für diesen Zweck wird ein Ver gleichsstrahl erzeugt, welcher der Intensität
des Lichtstrahles vor der Küvette proportional ist. Zur Erzeugung des Vergleichsstrahles
braucht
man nur einen kleinen Teil der Lichtmenge vor der Küvette abzuzweigen, um die Nutzintensität
des Lichtstrahles für das Messe gut nicht zu vermindern, welche dann über Verstärker
der Lichtintensi tät vor der Küvette entsprechend, genügend hoch verstärkt wird.
Der eigentliche Messempfänger bzw. photoelektrische Empfänger behält das durch das
Messgut durchgehende Licht. Auf elektronischem Weg, mit Hilfe der Aufladung eines
Kondensators wird dann der Quotient beider Werte, die Werte aufgrund des Messtrahles
und des Vergleicht strahles, zur Resultatbildung ausgenützt. Da das Resultat dann
abn hängig ist vom Quotient der Werte von Mess- und Vergleichsstrahlen ist dieses
Resultat dann unabhängig von der Helligkeit der Lichtquelle wobei sich nicht nur
eine extrem gute Langzeitstabiltät ergibt, sondern auch Anreiz~ bzw. Einbrennzeit
der Lampe ist wesentlich kürzer als bei konventionellen Geräten.
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Durch die Entladung eines Kondensators mit seiner exponentiellen Entladungskurve
ergibt sich eine Zeit t als Funktion der Entladedauer wobei diese Entladedauer ein
logarithmisches Verhältnis der Werte von Messe und Vergleichsstrahl ist und somit
gleich zur Aussteuerung eines digitalen Zählers verwendet werden kann. In der Anzeige
des Zählers steht dann die Extinktion EA, wegen des logarithmischen Verhältnisses
der Zeit sofort zur Verfügung.
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Von Vorteil ist, dass parallel zu dem Kondensator, der durch die dem
Vergleichsstrahl proportionale Spannung aufgeladen wird, ein mit Hilfe eines Stufenschalters
umschaltbar er Widerstand vorgesehen ist. Daw durch kann man die Neigung der Entladekurve
bzw. die Zeitkonstante der Entladedauer beeinflussen. Damit kann dann ein konstanter
Faktor F eingestellt werden, der dazu dient die Konzentration bzw. die direkte Anzeige
der Konzentration zu bestimmen.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass erfindungsgemäss der Kondensator um
ca. 10 % überladen wird bzw. der Nullpunkt to der Zeit t, welche der Entladedauer
entspricht, in Richtung zu positiven Zeiten t vorverlegt wird. Die Vorverlegung
des Nullpunktes dient dazu um für das Ein-, bzw. Ausschalten auf der Entladekurve
des Kondensators annähernd gleiche Verhältnisse zu erhalten. Weiterhin wird es durch
diese AnZ ordnung möglich Messungen von negativen Werten in einem kleinen Bereich
vorzunehmen, welche für eine nochmalige Nullpunktkontrolle von Vorteil sind.
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Die Anwendung von Komperatoren ist weiterhin vorteilhaft im Sinne
der Erfindung. Diese Komperatoren vergleichen die Spannung der Mess-, bzw. Vergleichs
zelle und geben ein der Spannung proportionales Signal ab, welches zur Formung eines
Zeitimpulses t verwendet wird.
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Es ergibt sich dadurch ein verhältnismässig leicht überschaubarer
elektrischer Aufbau des Gerätes.
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Der halbdurchlässige Spiegel der bei dem erfindungsgemässen Photo"
meter verwendet wird, ist weiterhin für die Erfindung in Verbindung mit einem Analogverstärker
von Bedeutung und von Vorteil. So braucht vom Spiegel aus nur ein Signal verhältnismässig
kleiner Intensität abgezweigt werden welches dann mit dem Analogverstärker so weit
verstärkt wird, dass es der Intensität des Lichtstrahles vor der Küvette entspricht.
Zur Durchleuchtung der eigentlichen Messprobe steht dann ein fast ungeschwächtes
Lichtbündel zur Verfügung.
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Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen
dargestellten Fig. 1 bis 3 näher erläutert, es zeigt:' Fig. 1 eine vereinfachte
schematische Darstellung des Verlaufs der Lichtstrahlen mit den Analogverstärkern
und der nachgeschalteten Auswertung, Fig. 2a die Entladungskennlinie des Kondensators
mit den Spannung grössen aus Vergleichsz und Messtrahlen, Fig. 2b die Anordnung
nach Fig. 2a jedoch mit einem um bverschobenen
Nullpunkt, Fig. 3
in stark vereinfachter schematischer Darstellung die Ausw wertung der beiden Lichtstrahlen
mit der Quotientenbildung, sowie die Gewinnung eines Spannungsimpulses zur Aussteuerung
eines digitalen Zählers.
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In Fig. 1 geht von einer Lichtquelle 1, z. B. einer HG"Lampe, ein
Lichtbündel aus, passiert das Filter 2 und trifft auf den halbdurch lässigen Spiegel
auf. Ein Grossteil des Lichtbündels geht durch den Spiegel 7 hindurch und trifft
auf die in der Küvette 3 befindliche Messe probe wo das Licht teilweise absorbiert
wird. Beim Austreten aus der Küvette gelangt das verbleibende Lichtbündel auf die
photoelektri sche Messzelle 4 von wo es einem Messverstärker 5, vorzugsweise einem
Analogverstärker zugeführt wird. Das Ausgangssignal 6 welches hier mit Signal A
bezeichnet wird, wird dann der elektronischen Auswertung 8 zugeführt.
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Vom Spiegel 7 wird nun ein Signal geringer Intensität abgezweigt welches
als Vergleichssignal dient. Der Vergleichs strahl 8 gelangt auf die Vergleichszelle
9 und von dort in einen Vergleichsverstärker 10 welcher ebenfalls ein Analogverstärker
ist. In diesem Verstärker wird das Vergleichssignal
so weit verstärkt,
dass es eine der Intensität des Licht strahles vor der Küvette entsprechende Grösse
annimmt. Am Ausgang des Vergleichsverstärkers gewinnt man ein Signal 11, welches
hier Signal B genannt wird. Beide Signale B und A werden der elektronischen Auswertung
12 zugeführt wo eine Zeit t gebildet wird, die dem Logarithmus aus den beiden Signalen
B und A entspricht (t o Log. B ( A).
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Der Spiegel 7, welcher mit einer dünnen reflektierenden Schicht versehen
ist, die einen kleinen Teil des Lichtbündels als Vergleichs strahl 8 abzweigt ist
in Verbindung mit dem nachgeschalteten Verstärker 10 besonders vorteilhaft. Das
Hauptlichtbündel steht nämlich so weiter~ hin- zur Durchleuchtung der Küvette 3
zur Verfügung, weil der Vergleichs strahl 8 zur Gewinnung des Signales B, welches
der Intensität des Lichtbündels vor der Küvette entspricht, im Verstärker 10 genügend
hoch verstärkt werden kann.
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In Fig. 2a ist die Bildung des Wertes t ^ Log. B i A aufgrund der
Entladungskennlinie eines Kondensators beschrieben.
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Ein in Fig. 3 gezeigter Kondensator 13, welcher auch zur Erhöhung
der Genauigkeit aus mehreren kleinen parallelen Kondensatoren bestehen kann, wird
dabei über einen Transistor 14 durch das Signal 11 bzw. Signal B des Vergleichstrahles
8 mit einer Spannung UB aufgeo
laden (Fig. 2b) welche proportional
der Intensität des Lichtstrahles vor der Küvette ist. Da parallel zum Kondensator
13 ein veränderlicher Widerstand liegt entlädt sich der Kondensator nach jeder Aufladung
mit einer bekannten exponentiellen Entladungskurve.
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Die Entladezeit t wird gestoppt, bzw. registriert wenn auf der abfallen
den Entladekurve 23 der Stoppunkt 16 erreicht ist welcher einer Spannung UA entspricht,
die aber proportional ist zu der Intensität des Messtrahles welcher durch die Küvette
3 bzw. durch die Messe probe hindurchtritt. Die Zeit t ist dann diejenige Zeit die
verstreicht bis die Spannung am Kondensator von der Ladespannung UB auf die Spannung
UA a:bgesunken ist. Durch die exponentielle EntladungsZ kurve ergibt sich aber t
Log. B i A proportional EA wobei EA direkt die Extinktion der Analyse ist.
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Durch den parallel zum Kondensator 13 liegenden veränderlichen Widerstand
15 kann über einen Stufenschalter 28 die Steilheit der exponentiellen Entladekurve
bzw. die Zeitkonstante der Entladung beeinflusst werden. Man kann damit einen Faktor
F einstellen, der dazu dient die Konzentration der Analyse zu bestimmen, bzw. der
es ermöglicht direkt diese Konzentration anzuzeigen. Ist dieser Faktor 1 so ist
die sich ergebende Entladungszeit t proportional zur Extinktion EA. Wird ein Faktor
gewählt so ist die Entladezeit
t proportional zur Konzentration
C = EA x F = F x Log. B = A.
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Bei bekannten Photometern war die direkte Anzeige der Konzentration
aufgrund einer Zeit t welche einen Digitalzähler ansteuert nicht möglich. Man musste
vielmehr die Extinktion EA mit Hilfe eines Rechenschiebers mit dem Faktor F multiplizieren
um die Konzentration der Analyse zu erhalten. Durch die Schaltung ergibt sich als
besonderes Erfindungsmerkmal diese grosse Vereinfachung in der Bedienung.
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Die Schaltung ist auch besonders für die digitale Anzeige günstig,
weil das Resultat proportional einer Zeit ist und nicht in Form einer Spannung erscheint.
Die Zeit t lässt sich aber besonders gut digital anzeigen. So werden z. B. in Fig.
3 bei einer digitalen Anzeige 27 deren Zählelemente 26 von einem Generator 20 mit
konstanter Frequenz über ein Tor 19 angesteuert. Das Tor 19 wird durch die Anfangsflanke
29 des Zeitimpulses t geöffnet und durch die Endflanke 30 des Zeitimpulses t wird
das Tor 19 wieder geschlossen. Während der Zeit t läuft der Zähler und zeigt direkt
die Extinktion EA, bzw. bei einem Faktor F die Konzentration C an.
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In Fig. 2b ist das Schema der Quotientenbildung wie in Fig. 2a darm.
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gestellt, jedoch mit einem um to verschobenen Nullpunkt. Der Zählt
vorgang beginnt jetzt erst zu der Zeit to, wobei der Kondensator ca. 10 %
überladen
wird. Dadurch gewinnt man klar definierte Start- und Stopo punkte 22,16 auf der
Entladekurve 23 des Kondensators 13. Ausserdem ist es jetzt möglich Messungen in
einem kleinen negativen Zeitbereich zwischen 0 und to vorzunehmen was erforderlich
sein kann um die Konstanz des Nullpunktes to zu kontrollieren.
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Mit dieser Methode der Quotientenbildung auf einer exponentiellen
Entladungskurve gewinnt man sowohl ein Ergebnis in Form einer Zeit t welches direkt
proportional zum anzuzeigenden Resultat ist als auch den grossen Vorteil, dass das
Ergebnis jetzt unabhängig von der Helligkeit der Lampe 1 bzw. von Helligkeitsschwankungen
ist, da sich durch die Quotientenbildung diese Fehler gegenseitig kompensieren.
Dadurch ist die Bedienung einfacher, die Einbrennzeit der Lampe ist kürzer, weil
ja die Schwankung der Lichtintensität (flackern) bzw. Beleuchtungsstärke der Lampe
nicht in das Ergebnis miteingeht.
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Der Messvorgang kann schon nach ca. 5 Min. begonnen werden, da man
ja nicht nur unabhängig von Schwankungen in der Lichtintensität ist, sondern sogar
unabhängig von der Gesamthelligkeit der Lampe ist.
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In Fig. 3 ist das Schema der Auswertung stark vereinfacht gezeigt.
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Die Spannung 11 bzw. das Signal B (aus Fig. 1) dem Vergleichsstrahl
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entsprechend gelangt über den Schalttransistor 14 auf den Eingang
24 des Auswerters 12 und lädt den Kondensator 1-3 auf. Mit Hilfe des veränderlichen
Widerstandes 15 mittels des Stufenschalters 28, kann wie schon beschrieben ein Faktor
eingestellt werden damit das Ergebnis in Form einer Konzentration C der Analyse
aufgezeigt wird.
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Gleichzeitig gelangt die Spannung 6 bzw. das Signal A aus Fig. 1 der
Intensität des Messtrahles nach der Küvette entsprechend, auf den anderen Eingang
25 des Auswerters 12. Den Vergleich der beiden Signale nimmt ein Komperator 17 vor,
welcher auch den Zähivorgang über das Tor 18 und 19 startet, wobei die Frequenz
des Generators 20 auf die Zählelemente 26 gelangen kann. Der Zählvorgang beginnt
also in Fig. 2b bei der Zeit to d. h. sobald der Kondensator die Spannung erreicht
und ca. 10 % überladen ist. Anschliessend beginnt über derllverändertichen Widerstand
15 die Entladung des Kondensators.
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Erreicht die Entladekurve 23 die Spannung UA bzw. die Zeit tl in Fig.
2b so schliesst der Komperator 21, welcher kontinuierlich die Spannungen UA und
U3 vergleicht das Tor 18 und 19 und der Zählvor~ gang stoppt. Im Anzeigezähler steht
jetzt direkt das Ergebnis in Form einer Konzentration C= EA x F proportional t x
tl to.
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Durch Vergleich der Intensität des Vergleichsstrahles, bzw. der Spannung
U3 welcher der Intensität vor der Küvette entspricht und
der Intensität
des Reststrahles bzw. der Spannung UA beim Austritt an der Küvette wird ein Zeitimpuls
t gebildet welcher durch die Quotientenbildung unabhängig von HelligkeitsschwalYukung
der Lampe aber dennoch proportional zum anzuzeigenden Resultat ist Durch den Aufbau
des Gerätes mit integrierten Schaltungen und einer fünfstelligen Leuchtzifferanzeige
wird die Exaktheit des Messergebnisses höchsten Ansprüchen gerecht. Durch die Leuchtzifferanzeige
lassen sich auch Ablesefehler bei hoher Stellengenauigkeit vollkommen ausschliessen.
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Die Erstellung jeglicher Eichkurven, sowie das Errechnen des Endergebnisses
aufgrund der ermittelten Extinktionswerte kann vollkommen entfallen.
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Trotz Verwendung einer HGI.ampe ist das Gerät bereits nach 5 Minuten
absolut konstant. Dies wurde möglich, weil das HG-Licht in einen Mess- und einen
Vergleichsstrahl getrennt und auf zwei verschiedene Photozellen gelenkt wird. Die
Unkonstanz der HG-Lampe (flackern) wird durch diese technische Anordnung kompensiert.
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Patentansprüche