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Beschreibung
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Spektralphotometer zur Aufzeichnung eines direkten Verhältnisses
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Doppelstrahlspekralphotometer zur Aufzeichnung
eines direkten Verhältnisses und insbesondere eine photometrische Einrichtung eines
Infrarotspektralphotometers dieser Art.
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Das herkömmliche Spektralphotometer zur Aufzeichnung eines direkten
Verhältnisses führt eine kontinuierliche Wellenlängenabtastung für ein Spektrometer
durch, unabhängig von der Drehung eines Sektorendrehspiegels. Dieses System ist
jedoch nachteilig, da in dem Wellenlängenbereich, in welchem sich die durch Luft
oder ein Lösungsmittel verursachte Absorption plötzlich verändert, eine Aufzeichnung
erfolgt ähnlich einem Differentations- bzw. Differenz spektrum in Überlagerung mit
einem gemessenen Spektrum.
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In Fig.1 ist schematisch der Betrieb eines herkömmlichen Spektralphotometers
für ein direktes Verhältnis illustriert.
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Das von einer Lichtquelle 1 kommende Licht wird in ein Bezugslicht,
welches eine Bezugsseite durchläuft, und in ein Probenlicht 2, welches eine Probe
4 durchläuft, aufgeteilt und durch einen Sektorendrehspiegel 5 zusammengefügt, d.h.
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das Probenlicht 2 und das Bezugslicht werden hierdurch abwechselnd
ausgewählt, um auf dem gleichen optischen Weg in einen Monochromator 7 einzutreten.
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In Fig.2 ist eine Draufsicht auf den Sektorendrehspiegel 5 gezeigt,
wobei der Sektor a ein reflektierender Spiegelsektor ist, der Sektor b ein herausgeschnittener
Sektor und der Sektor c ein lichtundurchlässiger Sektor ist. Während einer Drehung
des Sektorendrehspiegels S Z d das Proben licht 2 reflektiert, wenn der reflektierende
Spiegelsektor a in dessen optischen Weg kommt. Das Bezugslicht 3 wird dem Monochromator
7 zugeführt, wenn der ausgeschnittene Sektor b in dessen optische Bahn kommt. Das
Licht wird unterbrochen, wenn der lichtundurchlässige Sektor c in die optische Bahn
tritt.
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Der ausgeschnittene Sektor und auch der reflektierende Spiegelsektor
a bilden jeweils 90°-Sektoren.
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Das in den Monochromator eintretende Licht wird in Bezug auf die Wellenlänge
ausgewählt durch eine Dispersionseinrichtung, welche duch einen Impulsmotor 8 zur
Wellenlängenabtastung gedreht wird, um daraus hervorzutreten. Dieses monochromatische
Licht wird durch einen photoelektrischen Detektor 9 erfaß, um in ein elektrisches
Signal umgewandelt zu werden. Anschließend wird das Signal in ein photometrisches
Signal R entsprechend dem Bezugslicht 3 und in ein photometrisches Signal S entsprechend
dem Probenlicht 2 durch eine R-S-Trenneinheit 10 getrennt. Das Verhältnis des Probenlichtsignals
S zum Bezugslichtsignal R, d.h. also die Durchlässigkeit der Probe 4 wird durch
eine arithmetische Verhältniseinheit 11 erzielt Da der Monochromator 7 andererseits
einer Wellenlängenabtastung unterworfen ist, zeigt eine Anzeigeeinrichtung 12 ein
Absorptionsspektrum der Probe a in Zeit folge an. Darüber hinaus wird ie Durchlässigkeit
der Probe, welche durch die arithmetische Verhältniseinheit 11 erhalten wird, einer
logarithmischen Transformation unterworfen, um eine Absorption darzustellen, so
daß im gegebenen Falle der Dichte der Probe prroportionale Daten erhalten werden
können.
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In dem konventionellen, so aufgebauten Spektralphotomater zur Aufzeichnung
eines direkten Verhältnisses, bei welchem im gegebenen Falle das Probenlicht 4 und
das Bezugslicht 3 abwechselnd in den etektor 9 eintreten, sind die vom Detek-
tor
9 erfaßten Lichtsignale keine gleichzeitigen Lichtsignale.
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Anders ausgedrückt, der reflektierende Speigelsektor a und der ausgeschnittene
Sektor b des Sektorendrehspiegels sind 900 außer Phase, so daß eine Zeitdifferenz
von einem Viertel eines Drehzyklus zwischen ihnen besteht. Da eine kontinuierliche
Wellenlängenabtastung während dieser Zeit erfolgt,unterscheiden sich die jeweiligen
Wellenlängen des Probenlichtes 2 und des Bezugslichtes 3 geringfügig. Die Lichtquelle
eines infraroten Spektralphotometers kann als konstant in Bezug auf die Intensität
innerhalb eines kurzen Zeitraumes während der Wellenlängenabtastung angesehen werden.
Die Absorption des Lichtes ändert sich jedoch in Beträgen von H20 und C02 in Luft
in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge, so daß, wie in Fig.3a gezeigt ist, das
Flächenverhältnis des Probensignals S zum Bezugssignal R in Abhängigkeit von den
Wellenlängenbereichen (1) und (2) unterschiedlich ist.
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Die Durchlässigkeit geht in diesem Falle hoch und runter, wobei die
100 Prozent-Linie überschritten wird, so daß die Durchlässigkeitskurve der Probe
4, welche zu dieser Zeit erhalten wird unrichtig ist.
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Eine weitere Erläuterung der oben angeführten Tatsache erfolgt normalerweise
durch eine Gleichung. Unter der Voraussetzung, da3 das Probenlicht 2 bei der Wellenlänge
A gleich 5g) und das Bezugslicht 3 bei dieser Wellenlänge R (#) ist, wird die Durchlässigkeit
T()), wenn zwei durch den Drehspiegel 5 verursachte Lichtsignale abwechselnd in
den photoelektrischen Detektor mit einer Wellenlängendifferenz von ## eintreten,
durch die nachfolgende Gleichung dargestellt:
wobei 1, d.h. der erste Ausdruck in der Klammer
eine wahre Durchlässigkeit darstellt und der zweite Ausdruck eine variable Komponente
ähnlich einem Differenz spektrum darstellt
Wie oben beschrieben,
ergibt die kontinuierliche Wellenlängenabtastung, welche von der Drehung des Sektorendrehspiegels
5 unabhängig ist, unvermeidlich die Überlagerung der variablen Komponente, ähnlich
dem Differenzspektrum, auf die Absorption, so daß ein korrekter analytischer Wert
der Probenkomponente nicht erhalten werden kann Die vorliegende Erfindung ist darauf
gerichtet die Unzulänglichkeiten des bekannten Spektralphotometers zu vermeiden
und ein Spektralphotometer zur Aufzeichnung eines direkten Verhältnisses zu schaffen,
das eine korrekte Aufzeichnung einer gemessenen Absorption selbst in einem Wellenlängenbereich,
in welchem sich die Absorption in Luft oder einem Lösungsmittel stark verändert0
ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß duch ein Spektralphotometer gemäß Anspruch
1 erreicht Erfindunsgemäß ist ein Sektorendrehspiegel vorgesehen, welcher den alterrnativen
Eintritt eines Bezugs lichtes und eines Probenlichtes in einen photoelektrischen
Detektor veranlaßt; weiterhin eine Erzeugerschaltung eines Synchronimpulssignales
zur erzeugung eines Signals, welches mit dem Drehwinkel des Sektorendrehspiegels
synchron ist und eine Einrichtung zur Steuerung der Wellenlängenabtastung für einen
Monochromator, unter Verwendung des Ausgangssignals der Erzeugerschaltung des Synchronimpulssignals
sowie zur Aufrechterhaltung der Wellanlängen des Bezugs lichtes und des Probenlichtes
bei der gleichen Wellenlänge während eines Drehzyklus des Sektorendrehspiegels.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
in Vebindung mit der Zeichnung. Darin zeigen: Fig.1 eine schematische Darstellung
eines herkömmlichen Spektralphotometers zur Aufzeichnung eines direkten Verhältnisses,
Fig.2
eine Draufsicht auf einen Sektorendrehspiegel gemäß Fig.1, Fig.3 eine graphische
Darstellung der Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Lichtintensität, welche
in einen photoelektrischen Detektor eintritt, wenn keine Probe vorhanden ist, Fig.4
eine schematische Darstellung eines Spektralphotometers zur Aufzeichnung eines direkten
Verhältnisses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig.5 eine
Draufsicht auf eine Drehscheibe eines Rotationscodierers, Fig.6 ein Blockdiagramm
eines Teils der wesentlichen Teile des Spektralphotometers gemäß der vorliegenden
Erfindung, und Fig.7 eine Zeitdiagramm der Wellenformen der wesentlichen Teile der
Fig.6.
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In Fig.4 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Spektralphotometers zur Aufzeichnung eines direkten Verhältnisses gezeigt, bei dem
gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente wie in Fig.1 kennzeichnen. Der Fluß
oder die Befehlsverarbeitung eines photometrischen Signals von einer Lichtquelle
1 zu einer Aufzelchnungseinheit 12 ist bei der vorliegenden Erfindung die gleiche
wie bei der konventionellen Technik, gezeigt in Fig.1. Bei der bekannten Technik
wird jedoch eine kontinuierliche Wellenlängenabtastung für den Monochromator 7 durchgeführt,
unabhängig von der Drehung des Sektorendrehspiegels 5, wodurch ein Problem der aber
lagerung einer ungewünschten Aufzeichnung, ähnlich einem Differenz spektrum in dem
Wellenlängenbereich verursacht wird , in welchem sich eine Absorption in Luft oder
einem
Lösungsmittel stark veändert, über ein beobachtetes Spektrum.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem.
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Wie in Fig.4 gezeigt ist ist eine Drehscheibe 21, wie in Fig.5 gezeigt,
direkt mit einer Drehachse 20 des Sektorendrehspiegels 5 verbunden. Nahe des Umfangs
der Drehscheibe 21 sind eine Anzahl von Öffnungen 22, die in regelmäßigen Abständen
voneinander angeordnet sind, vorgesehen und eine andere Öffnung 23 für eine Drehsynchronisation
innerhalb der Öffnungen 22. Zwei lichtgekoppelte Einrichtungen, gestaltet durch
diese Öffnungen der Drehscheibe 21 , werden von einem Gabelelement 24 gehalten.
Ein Rotationscodierer 2 der Photounterbrecherbauart wird durch die Drehscheibe 21
und diese lichtgekoppelten Einrichtungen gestaltet. Die Öffnung 23 ist derart angeordnet,
daß die der bffnung 23 entsprechende lichtgekoppelte Einrichtung lichtverbunden
wird, wenn die Grenze zwischen dem ausgeschnittenen Sektor b und dem licht undurchlässigen
Sektor e des Sektorendrehspiegels 5 in den optischen Weg bzw. den Strahlengang sowohl
des Probenlichtes wie auch des Bezugslichtes tritt. Es wird daher ein Synchronimpuls,
der Öffnung 23 sugeordnet, erzeugt, wenn die anfangskante des lichtundurchlässigen
Sektors c in den Strahlengang während der drehung des Sektorendrehspiegels 5 tritt.
Der Rotationscodierer 25 liefert eine von den Öffnungen 22 erzeugte Impulsfolge
und den von der Öffnung 23 erzeuten Synchronimpuls zu einer Wellenlängenabtaststeuerschaltung
26. Der Synchronimpuls und die Impulsfolge sind in Fig.7 jeweils mit den Wellenformen
A und B illustriert.
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Die Wellenlängenabtaststeuerschaltung 26 steuert den Impulsmotor 8
synchron mit dem Sychronimpuls A0 um durch einen Schritt bzw eine Stufe die Wellenlänge
in dem Nonochromator 7 abzutasten, un stellt den Betrieb dann ein bzw.
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schiebt diesen auf. Diese einstufige Abtastung endet wätrend der Periode,
während welcher der lichtundurchlässige Sektor c des Sektorendrehspiegels den Strahlengang
durchläuft. Das Probenlicht 2 und das Bezugslicht 3 treten in den Monochromator
7 während der Periode ein während der
die Wellenlängenabtastung
suspendiert ist, so daß das Probenlichtsignal S und das Bezugslichtsignal R, welche
vom photoelektrischen Detektor 9 geliefert werden, die gleiche Wellenlänge aufweisen.
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Unter der Voraussetzung, daß der Zyklus des Sektorendrehspiegels gleich
T0 und der Zeitabschnitt, während ein Paar von Probenlicht 2 und Bezugslicht 3 eintritt
und endet, gleich T1 ist, wobei eine vorbestimmte Wellenlänge innerhalb des Zeitabschnittes
T0-T1 geliefert werden kann, wird die Nellenlängenabtastung während des Zeitabschnittes
außerhalb von T1 durchgeführt. Wenn andererseits innerhalb des Zeitabschnittes T0-T1
aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Synchronmotors 6 eine vorbestimmte Wellenlänge
nicht geliefert werden kann, wird während eines Zyklus des Sektorendrehspiegels
5 nur die Wellenlängenabtastung bewirkt, wobei während des nächsten Zyklus nur die
Lichtmessung erfolgt.
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Dieser Betrieb wird abwechselnd durchgeführt. In diesem Falle ist
ein Schaltkreis 28 vorgesehen, damit die aufgrund des Probenlichtsignals S und des
Bezugslichtsignals R vom Detektor 9 während der Wellenlängenabtastung gemessenen
Betriebswerte nicht zur Aufzeichnungseinheit 12 während der Abtastung geliefert
werden, und dorthin nur während der Periode geliefert werden, während welcher die
Wellenlängentastung suspendiert ist.
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In Fig.6 sind Einzelheiten der Wellenlängenabtaststeuerschaltung 26
gezeigt. Wie in den Fig.6 und 7 gezeigt ist, wird die Impulsfolge B von der lichtgekoppelten
Einrichtung 25b entsprechend den Öffnungen 22 durch einen Teiler 30 mit einem Teilungsverhältnis
von 1/N dividiert, um einen Impuls C gemäß Fig.7 des Zyklus zu erhalten, geeignet
zum Antrieb des Dapulsmotors 8. Der geteilte Impuls wird einem Tor 31 zugeführt.
Das Teilungsverhältnis des Teilers 30 kann manuell durch eine Einstellrichtung 32
fahr die Abtastgeschwindigkeit verändert werden.
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Durch den Synchronimpuls A von der Llchtgekoppelten Ein-
richtung
25A entsprechend der Öffnung 23 wird ein Zähler 33 zurückgestellt und beginnt unmittelbar
danach die Impuls folge B zu zählen, d.h. beginnt zu zählen von dem Zeitpunkt an,
in welchem die Anfangskante des lichtundurchlässigen Sektors c des Sektorendrehspiegels
5 in den Strahlengang eintritt.
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Eine Erzeugerschaqtung 34 für einen Bezugswert hält die Zahl des Zählers
33 bei der vorbestiinmten Position als Bezugswert fest, bevor die Endkante des lichtundurchlässigen
Sektors c in den Strahlengang eintritt. Ein Vergleicher 35 erzeugt einen Rückstellimpuls,
wenn die Zahl des Zählers 33 den Bezugswert erreicht, d.h. bevor die Endkante des
lichtundurchlässigen Sektors c in den Strahlengang eintritt. Ein Flip-Flop 36 wird
durch den Synchronimpuls gesetzt und durch den vom Vergleicher 35 gelieferten Rückstellimpuls
zurückgesetzt, um ein Torsignal D gemäß Fig.7 zu erzeugen. Dieses Torsignal D wird
einem Tor 31 über einen Schalter 37 zugeführt, um dieses zu öffnen. Das Tor 31 erlaubt
ein Passieren der Teilerimpulse C nur während der Periode, während welcher der lichtundurchlästige
Sektor c des Sektorendrehspiegels 5 den Strahlengang passiert. Der so durchgelassene
Impuls wird dem Impulsmotor 8 als Steuerimpuls E zugeführt. Die Größe der einstufigen
Wellenlängenabtastung für den Monochromator 7 kann in geeigneter Weise durch die
Abtastgeschwindigkeit der Einstellvorrichtung 32 zur Einstellung der Geschwindigkeit
der Wellenlängenabtastung und die Bezugswerterzeugerschaltung 34 ausgewählt werden.
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Wenn eine erforderliche Wellenlängenabtastung mit einem Schritt bzw.
einer Stufe nicht innerhalb der Periode, während welcher der lichtundurchlässige
Sektor c des Sektorendrehspiegels 5 den Strahlengang passiert, durchgeführt werden
kann, wird der Schalter 37 auf einen Binärzähler 40 umgeschaltet. Der Binärzähler
40 zählt den Synchronimpuls A, so daß an seinem Ausgang ein Tcrimpuls D' gemäß Fig.7
ansteht, der während eines Zyklus des Sektorendrehspiegels 5 auf hohem Niveau, aber
während des nächsten Zyklus auf einem niedrigeren Niveau synchron mit dem Synchronimpuls
A ist. Das Tor 31 läßt daher alle Teilerimpulse während eines bestimmten ersten
Zyklus
durch, schaltet diese Impulse aber alle während des nächsten Zyklus ab, um den Impuismotor
8 mit dem Steuerimpuls E8, wie in Fig.7 gezeigt, zu versorgen. Das Torsignal D'
wird dem Schaltkreis 28, gezeigt in Fig.4, derart zugeführt, daß das während der
Periode der Wellenlängenabtastung gemessene Signal nicht als spektroskopisches Spektrum
angezeigt wird, in dem das von der Verhältniseinheit 11 zur Aufzeichnungseinheit
12 während der Periode, während welcher das Torsignal auf hohem Niveau ist, gelieferte
Signal ausgeschaltet bzw.
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gelöscht wird.
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In einem infraroten Bereich besteht normalerweise ein scharfes Absorptionsband
aufgrund der Existenz von C02 und H20 in Luft Gemäß der vorliegenden Erfindung kann
aber auch in einem solchen Bereich ein Absorptionsspektrum aufgezeichnet werden.
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Das Spektralphotometer zum Aufzeichnen eines direkten Verhältnisses
gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, da ein korrektes Absorptionsspektrum
aufgezeichnet werden kann selbst beim Abtasten des Wellenlängenbereiches, in welchem
sich die Absorption;plötzlich aufgrund von Luft oder Lösungsmittel verändert, derart,
daß ein Rotationscodierer mit der Drehachse eines Sektorendrehspiegels verbunden
wird und das Ausgangssignal des Rotationscodierers einer Wellenlängenabtaststeuereinrichtung
zugeführt wird, um die Wellenlängenabtastung des Spektralphotometers zu steuern.
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Mit dem vorliegenden Spektralphotometer zum Aufzeichnen eines direkten
Verhältnisses kann eine Aufzeichnung einer Absorptionsmessung hoher Genauigkeit
in allen Bereichen einschließlich des Wellenlängenbereiches erreicht werden, in
welchem sich die Absorption in Luft oder Lösungsmittel anders als in einer Probenkomponente
stark verändert.
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L e e r s e i t e