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Spektralapparat Die Erfindung bezieht sich auf einen Spektralapparat,
bei welchem durch eine Spaltanordnung in ununterbrochener Folge nacheinander verschiedene
Teile eines Spektrums ausgeblendet und auf einen Strahlungsempfänger geleitet werden.
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Derartige Spektralapparate dienen vor allem dazu, aus einem Absorptionsspektrum
einen Meßwert für ein Konzentrationsverhältnis zu erhalten. Zu diesem Zweck wird
die Apparatur so einjustiert, daß abwechselnd eine charakteristischeAbsorptionsbande
der einen Komponente und eine charakteristische Absorptionsbande der anderen Komponente
eines Gemisches abgetastet wird.
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Bei einer bekannten Anordnung dieser Art wird in üblicher Weise von
einem Eintrittsspalt über ein Dispersionsprisma vor einem Austrittsspalt ein Spektrum
erzeugt, so daß durch den Austrittsspalt, hinter welchem ein Strahlungsempfänger
angeordnet ist, nur ein enger Bereich des Spektrums ausgeblendet wird. In den Strahlengang
ragen eine schräg zur optischen Achse angeordnete planparallele Glasplatte oder
sonstigeAblenkmittel teilweise hinein. Diejenigen Strahlen, welche die Glasplatte
durchsetzen, erzeugen vor dem Spalt ein Spektrum, welches um einen bestimmten Betrag
gegenüber dem von den übrigen Strahlen erzeugten versetzt ist. Vor den Ablenkmitteln
oder ihrem reellen Bild rotiert eine Unterbrecherscheibe, welche abwechselnd das
abgelenkte und das nicht abgelenkte Teilstrahlenbündel abdeckt. Auf den Spalt und
den hinter diesem angeordneten Strahlungsempfänger fällt somit abwechselnd ein Bereich
des einen und ein Bereich des anderen verschobenen Spektrums. Durch geeignete Einstellung
kann man dann z. B. erreichen, daß diese Bereiche von je einer charakteristischenAbsorpionsbande
der zu untersuchenden Mischungskomponenten gebildet werden. Es ist in Abwandlung
dieser Anordnung auch bereits bekannt, den Trittrow-Spiegel aus zwei zueinander
geneigten Teilen zusammenzusetzen, womit im wesentlichen die gleiche Wirkung erreichbar
ist.
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Wesentlich ist dabei, daß die beiden Spektralbereiche nacheinander
in vollständig gleicher Weise auf ein und denselben Strahlungsempfänger fallen,
so daß sich Empfindlichkeitsunterschiede, wie sie z. B. auch schon zwischen den
verschiedenen Zonen einer Photozelle bestehen, nicht auswirken können. Bei der bekannten
Anordnung können jedoch nur zwei einzelne Absorptionsbanden miteinander verglichen
werden. Das führt manchmal zu Schwierigkeiten, wenn beispielsweise in einem Gemisch
noch andere Komponenten vorhanden sind, die in ähnlichen Spektralbereichen absorbieren.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung
dieser Art gleichzeitig verschiedene Bereiche des Spektrums, vornehmlich verschiedene
Abwptionsbanden zur Bildung des Meßwertes heranzuziehen, um dadurch die Messung
unempfindlicher gegen
die Einflüsse störender Komponenten zu machen und die Intensität
der ausgenutzten Strahlung und die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels
an sich bekannter dispergierender und fokussierender Mittel ein Eingangsspalt spektral
auseinandergefächert nacheinander auf mindestens zwei Masken reell abgebildet wird,
welche mit Spalten versehen sind, durch die jeweils einzelne Teile des Spektrums
gruppenweise herausgeblendet werden, und daß die durch die Spalte hindurchtretenden
Strahlen derart parallel zu sich zurückreflektiert werden, daß sie durch die dispergierenden
und fokussierenden Mittel auf einem einzigen Ausgangsspalt wieder vereinigt werden.
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Es ist bereits bekannt, mehr als zwei Spektralbereiche nacheinander
in gleicher Weise auf ein und denselben Strahlungsempfänger zu leiten. Nach dieser
Anordnung wird ein das Spektrum als reelles Spaltbild erzeugendes Strahlenbündel
über einen geteilten Spiegel geleitet, so daß von den einzelnen Teilen des Strahlenbündels
aufeinander mehrere gegeneinander in der Dispersionsrichtung verschobene Spektren
entstehen. Von diesen fallen durch einen einzigen Spalt verschiedene Wellenlängen
auf einen hinter diesem angeordneten Empfänger. Durch eine Unterbrecherscheibe,
die vor dem geteilten Spiegel oder dessen reellem Bild angeordnet ist, werden abwechselnd
alle bis auf eines der Strahlenbündelteile abgedeckt, so daß nacheinander die verschiedenen
Wellenlängen in genau gleicher Weise auf den Strahlungsempfänger fallen.
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Bei dieser Anordnung ist die Anzahl der verwendbaren Spektralbereiche
jedoch begrenzt. Man kann schlecht den obengenannten Spiegel in z. B. zehn Teile
unterteilen. Außerdem liegt die Anzahl der verwendeten Spektralbereiche fest. Nach
jeder Messung muß der Spiegel neu ausgerichtet und justiert werden, wenn man zu
einer anderen Meßsubstanz übergeht.
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Demgegenüber kann man beim Erfindungsgegenstand für jede Meßsubstanz
ein Paar von Masken vorsehen, die einfach in das Gerät eingesetzt werden. Beim Übergang
zu einer anderen Meßsubstanz kann man diese Masken dann einfach ohne zusätzliche
Justierarbeit durch ein anderes Maskenpaar austauschen.
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Darauf ist aber der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt
noch keineswegs beschränkt. Wesentlich ist, daß es die Erfindung gestattet, eine
beliebige Gruppe von Spektralbereichen mit einer beliebigen anderen Gruppe von Spektralbereichen
zu vergleichen.
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Es fallen also während der einen Halbperiode z. B. fünf Spektralbereiche
gleichzeitig und in gleicher Weise auf den einzigen Strahlungsempfänger, und in
der anderen Halbperiode fallen andere, z. B. sechs Spektralbereiche auf den Empfänger.
Durch geeignete Ausbildung der Masken können die für jede Substanz besonders geeigneten
Gruppen ausgewählt werden, und es läßt sich dadurch die Meßgenauigkeit gegenüber
den bekannten Anordnungen erheblich steigern. Es kommt also nicht nur darauf an,
mit mehr als zwei Spektrallinien zu arbeiten, sondern die Erfindung schafft die
Möglichkeit, diese gruppenweise zusammenzufassen und dadurch auch Substanzkomponenten
zu erfassen und meßtechnisch zu trennen, die in nahe benachbarten Wellenlängenbereichen
absorbieren.
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Bei weiteren bekannten Anordnungen fallen entweder verschiedene Wellenlängen
auf verschiedene Empfänger, was wegen der unvermeidlichen unterschiedlichen Empfindlichkeiten
ersichtlich nachteilig ist, oder es wird ein dispergierendes Element (Gitter) schrittweise
verstellt, was erhebliche mechanische Schwierigkeiten bietet. Es wird außerdem keine
gruppenweise Zusammenfassung von Wellenlängen ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Anordnung gibt die Möglichkeit, daß jede der
Masken mit einer Mehrzahl von Spalten versehen ist, deren Weiten und Abstände der
Breite und Lage von Absorptionsbanden im Spektrum eines zu untersuchenden Stoffes
entsprechen. Dabei werden mehrere Wellenlängen ausgenutzt, und es bleibt trotzdem
der Vorteil bestehen, daß die Strahlung durch einen gemeinsamen Austrittsspalt tritt.
Wenn die dispergierenden Mittel in an sich bekannter Weise von einem Dispersionsprisma
in Verbindung mit einem Littrow-Spiegel gebildet werden, dann kann die Verschiebung
des Spektrums in der Weise bewirkt werden, daß entweder der Littrow-Spiegel um eine
zur brechenden Kante des Prismas gekreuzte Achse schwingt oder daß die Maske in
einer horizontalen Ebene in der Längsrichtung der spaltförmigen Ausschnitte schwingt.
Dabei wird zweckmäßig die Schwingungsfrequenz des Spiegels bzw. der Maske der Zeitkonstante
des Strahlungsempfängers angepaßt. Zweckmäßigerweise liegt das Spektrum in der Mittelebene
eines Winkelspiegels, dessen Kante parallel zur Dispersionsebene liegt. Das ein
Spektrum bildende reelle Bild eines Eintrittsspaltes wird dann über den einen Spiegel
des Winkelspiegels erzeugt, und die durch die Masken hindurchtretenden Strahlen
werden durch den zweiten Spiegel parallel zu den einfallenden Strahlen zurückgeworfen.
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Im folgenden ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Spektralapparat
der vorliegenden Art für infrarote Strahlung beschrieben. In der schematischen Zeichnung
zeigt Fig. 1 den Verlauf der Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge für
zwei Stoffe A und B, Fig. 2 einen Grundriß der Anordnung, Fig. 3 den Winkelspiegel
in vergrößertem Maßstab, Fig. 4 die Masken für die Untersuchung der vorerwähnten
Stoffe A und B.
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In Fig. 1 ist der Verlauf des Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit
von der Wellenlänge für zwei angenommene Stoffe A und B dargestellt. Stoff A hat
ausgeprägte Absorptionsbanden im Infrarot bei A1, A2 und A3, Stoff B hat Absorptionsbanden
bei A,', A2' und A3'. Bei den bekannten Anordnungen hat man zur Messung nur stets
je eine Bande jedes Stoffes herangezogen, beispielsweise A und Ä1,. Nach der Erfindung
wird demgegenüber die Intensität der Strahlung bei A1, A2 und A3 zusammengenommen
und mit der Intensität der Strahlung bei A1', A2' und A3' verglichen.
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Zu diesem Zweck wird die infrarote Strahlung einer nicht dargestellten
Strahlungsquelle von einem Spalt 1 auf einen Hohlspiegel 2 geleitet, durch den sie
parallel gerichtet und auf ein Prisma 3 geworfen wird. Durch das Prisma 3 erfolgt
eine Dispersion, die Strablung wird von einem Littrow-Spiegel 4 auf das Prisma 3
zurückgeworfen, weiter spektral zerlegt und fällt wieder auf den Spiegel 2. Durch
den Spiegel 2 wird ein reelles Bild des Spaltes 1 erzeugt, das wegen der spektralen
Zerlegung zu einem Spektrum auseinandergefächert ist. Dieses Spektrum wird durch
den oberen SpiegelSa eines Winkelspiegels 5, dessen Kante 6 gekreuzt zur brechenden
Kante7 des Prismas 3 liegt, in eine horizontale Ebene umgelegt (Fig. 3). Die Anordnung
ist dabei so getroffen, daß das Spektrum in der Mittelebene des Winkelspiegels liegt.
In dieser Ebene sind zwei oder mehrere Masken 8A und 8B angeordnet, die, wie in
Fig. 4 dargestellt ist, Spalte aufweisen, die jeweils gerade der Lage der Absorptionsbanden
A1, A2, A3 bzw. in,', A2, A3' im Spektrum entsprechen.
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Die Masken 8A, 8B sind auswechselbar und können durch Masken mit anderer
Anordnung der Spalte ersetzt werden.
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Die durch die Spalte hindurchtretende Strahlung wird durch den unteren
TeilSb des Winkelspiegels 5 parallel zu den ankommenden Strahlen wieder auf den
Spiegel 2 gelenkt und durchläuft nun die gesamte Apparatur in genau umgekehrter
Richtung. Infolgedessen wird die dispergierte Strahlung durch das Prisma 3 wieder
vereinigt und mit dem Spiegel 2 wieder auf einen Ausgangsspalt in der Nähe des Eingangsspaltes
1 fokussiert.
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Der Littrow-Spiegel schwingt um eine zur brechenden Kante 7 des Prismas
3 gekreuzt liegende Achse 9.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Wenn
der Spiegel 4 um die Achse 9 schwingt, dann wandert das Spektrum in zyklischer Folge
zwischen der Maske 8A und 8B hin und her. Die auf dem Ausgangsspalt vereinigte und
auf einen Strahlungsempfänger, z. B. ein Thermoelement, fallende Strahlung enthält
dann abwechselnd nur die Wellenlängen A1, A2 und A3 oder nur A2' und A3'. Das Verhältnis
der Intensitäten dieser Strahlung, das in bekannter Weise auf elektrischem Wege
aus dem Ausgangsmeßwert des Strahlungsempfängers erhalten werden kann, gibt ebenso
wie bei der bekannten Anordnung einen Meßwert für das Konzentrationsverhältnis.
Die Intensitäten sind jedoch größer und setzen sich aus Strahlung von verschiedenen
Wellenlängen zusammen, so daß etwaige Störungen weniger ins Gewicht fallen. Wird
an Stelle des Littrow-Spiegels die Spaltplatte bewegt, so ist die Wirkungsweise
der Anordnung ganz entsprechend.
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Statt eines Prismas kann naturgemäß auch ein Gitter verwendet werden.
Statt des Littrow-Spiegels können geeignete andere Teile oszilliert werden, oder
es kann eine im Sinne der Erfindung abgewandelte Form der eingangs erwähnten bekannten
Anordnung vorgesehen werden. Die Erfindung ist in leicht ersichtlicher Weise auch
auf die Aussonderung und Zusammenfassung von Gruppen von Emissionslinien übertragbar.