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Interferometer Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer
zu Meßzwecken, bei dem die Auswanderung der Interferenzstreifen zur Ermittlung der
Anderung einer Meßgröße, beispielsweise der Konzentration eines Gases, dient. Dabei
werden die Interferenzstreifen Jdurch einen Kompensator wieder in die Null-Stellung
geschaben, wobei die Verschiebungsgröße den Meßwert ergiibt. Insbesondere soll die
Streifenauswanderung über Hchtelektriseh betätigte Elemente kompensiert und die
der Kompensation entsprechende Meßgröße direkt registriert werden.
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Es ist ein Interferometer bekannt, bei welchem zur Messung die Streifenauswanderung
durch über lichtelektrische Mittel betätigte optische Elemente kompensiert wird
und bei welchem die Anderung einer Meßlgröße direkt abgelesen bzw. registriert wenden
kann. Solange die Änderung der Meßgröße so klein bleibt, daß die Auswanderung der
Interferenzstreifen kleiner ist als ein halber Streifenabstand, arbeitet das bekannte
Interferometer ohne Fehler. Ändert sich jedoch die Meßgröße stärker, d. h. tritt
eine Auswanderung von mehreren Streifenbreiten auf, so können Fehler dadurch entstehen,
daß bei einer plötzlichen Anderung der Meßgröße die Einrichtung außer Takt kommt,
d. h., daß ein falscher Streifen zur Einstellung benutzt wird. Dieser Fehler kann
auch dann auftreten, wenn die Interferenzstreifen mit weißem Licht erzeugt werden,
so daß farbige Streifen entstehen.
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Das Interferometer gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet diesen
Nachteil, d. h. also, es erlaubt eine exakte Messung auch bei einer großen oder
plötzlichen Änderung der Meßgröße. Dies vvird erfindungsgemäß dadurch erreicht,'daß
zusätzlich zum Meßkammerpaar mindestens ein Hilfskammerpaar vorgesehen ist, das
bei der Messung in dem zugehörigen interferenstriefensystem eine geringere Streifena.
uswanderung erzeugt als das MeBkammerpaar, und daß den HiJfskammernüberHchteleiktrischeMittelbetätigte,
mit den dem Meßkammerpaar zugeordneten Kompensationselementen gekoppelte optische
Kompensationselemente zugeordnet sind. Es ist vorteilhaft, das Hilfskammerpaar so
auszubilden, daß an dem zugehörigen Interferenzstreifensystem eine Streifenauswanderung
von stets weniger als einer halben Streifenbreite erzeugt wird.
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Dadurch, daß das vom Hilfskammerpaar erzeugte Streifensystem bei
der Messung vorzugsweise um weniger als eine halbe Streifenbreite auswandert, wird
erreicht, daß die dem Hilfskoammerpaar zugeordnete Nachführeinrichtung zur Einstellung
stets den richtigen Streifen benutzt. Durhc die Kopplung der dem Meßkammer-und dem
Hilfskammerpaar zugeordneten Kompensationselemente wird erreicht, daß durch die
Kompensation im Hilfszweig zugleich eine Grob-
verschiebung der Streifen im Meßzweig
vorgenommen wird. Sorgt man durch entsprechende Ausbildung der Nachführeinrichtung
dafiir, daB nach erfolgter Kompensation im Hilfszweig die verbleibende Streifenauswanderung
im Meßzweig kleiner ist als eine halbe Streifenbreite, so wind auch die dem Meßkammerpaar
zugeordnete nachführeinrichtung stets den richtigen Streifen zur Einstellung benutzen.
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Es ist zur Erreichung dieses Zieles lediglich erforderlich, die Nachführeinrichtungen
geniigend empfindlich auszubilden und für eine solche Kopplung der den einzelnen
Kammerpaaren zugeordneten Kompensationselemente zu sorgen, daß diese entsprechend
dem Verhältnis der Streifenauswanderung zur Wirkung kommen.
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E, ist zweckmäßig, die Hilfskammern kürzer zu wählen als die Meßkammern
und eine direkte Verbindung zwischen einander zugeordneten Kammern herzustellen.
Dadurch wird automatisch erreicht, daß die Streifenauswanderung in dem vom Hilfakammerpaar
erzeugten Interferenzstreifensystem nur einen Bruchteil der Streifenauswanderung
des vom Meßkammerpaar erzeugten Interferenzstreifensystems beträgt.
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Dasselbe Ziel läßt sich auch dadurch erreichen, daß man die Hilfskammern
und die Meßkammern gleich lang ausbit1det und an sich bekannte Vorrichtungen vorsieht,
welche'in den Hilfskammern eine geringere Konzentrabionlder Meßsulbstanz aufrechterhalten
als in den Meßkammern.
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Soll der Meßbereich des Interferometers. sehr groß sein, so ist es
vorteilhaft, mehrere Hilfskammerpaare vorzusehen, die, eine untereinander verschiedene
Streifenauswanderung erzeugen. In diesem Fall wird die Grobverschiebung in verschiedenen
Schritten vorgenommen, wobei jeweils dafür gesorgt ist, daß die Auswanderung der
Interferenzstreifen des durch ein bestimmtes Kammerpaar erzeugten Interferenzstreifensystems
durch die vorausgehende Grobverschiebung
bis auf mindestens eine
halbe Streifenbreite kompensiert wird.
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Um das Interferometer an verschiedene Meßbedingungen angleichen zu
können, kann es zweokmäßig sein, ein Hilfskammerpa. ar variabler Länge vorzusehen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Han der Ausführungsbeispiele darstellenden
Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein gemäB der Erfindung aufgebautes
Interferometer in schematischer Darstellung, Fig. 2 a die durch das Interferometer
nach Fig. 1 erzeugten Interferenzstreifensysteme in der Null-Stellung, Fig. 2b die
durch das Interferomete nach Fig. 1 erzeugten Interferenzstreifensysttemem bei einer
Änderung der Meßgröße, Fig. 3 die Helligkeitsverteilung im Interferenzbild sowie
die Anordnung der zur liehtelektrischen Nachführeinrichtung gehörenden beiden Spalte,
Fig. 4a ein Ausführungsbeispiel der Hchteleiktrischen Nachführeinrichtung, Fig.
4b ein anderes Ausführungsbeispiel der lichtelektrischen Nachführeinrichtung, Fig.
5 die dem Elektromotor der Nachführeinrichtung zugeführte Steuerspannung, Fig. 6
ein weiteres Ausführungsbeispiel der lichtelektrischen Nachführeinrichtung, Fig.
7 ein Interferometer mit mehreren Hilfskammerpaaren, Fig. 8 ein Interferometer mit
einem Hilfskammerpaar, dessen Länge gleich ist der Länge des Meßkammerpaares.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Lichtquelle, mit 2 eine Linse, mit 3 ein
Doppelspalt, mit 4 eine Lochblende und mit 5 eine weitere Linse bezeichnet. Von
dem aus diesen Elementen aufgebauten optischen System werden zwei Paralllelstrahl
: bündel 6 und 7 erzeugt. Diese beiden Lichtbündel treten in ein aus den beiden
Teilen8 8 und 9 zusammengesetztes Prisma, dessen mit 19 bezeichnete Teilungsfläche
halbdurchlässig verspiegelt ist. An dieser Teilungsfläche werden die beiden Lichtbündel
6 und 7 in jeweils zwei kohärente Teillichtbündel 6a, 6b und 7a, 7b aufgespalten.
Die Teillichtbiindel 7a und 7 b treten durch das Meßkammerpaar 10, 11, wobei der
Doppelspalt 3 durch die Linse 5 in die Ebene der beiden Planspiegel 14. und 15 abgebildet
wird. Dasselbe gilt hinsichtlich des Lichtbündels 6, das an der Teilungsfläche 19
in die beiden Teillichtbündel 6 a und 6b aufgespalten wird, von denen das eine (60)
durch die eine Hilfskammer 13 und das andere (6 b) durch ßdie andere Hilfiskammer
12, geführt wird. Mittels einer weiteren Linse 16 werden die Spiegelflächenl4 umd
15 auf demDoppelspalt21/22abgebildet, so Idaß n'ach Überlagerung der TeBlstrahlenpaare
6a, 6b bzw. 7a, 7b an der halbdurchlässigen Schicht 19 bei einer geringen Neigung
der Spiegel 14 und 15 gegeneinander entstehende Interferenzerscheinung am Ort dieser
Planspiegel lokalisiert ist, deren Bilder als Interferenzstreifensysteme in der
Ebene des Doppelspaltes 21/22 entstehen. In der Ebene 17 entsteht dabei ein Bild
der Blende4das nach Vereinigung der Teillichtbiindel7a und 7b auf der Teilungsflache
19 von den Lichtbündeln 6 und 7 gebildet wird.
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Die getrennte Anordnung der Spiegel 14 und 15 ist im übrigen auch
zwecks Justierung der eingestellten Lage der Interferenzstreifen vorteilhaft.
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Die Vergleichskammer 10 des Meßkammerpaares ist mit der Hilfskammer
12 und die eigentliche Meßkammer 11 ist mit der Hilfskammer 13 verbunden.
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Dadurch ist gewährleilstet, daß in verbundenen Kammern jeweils derseLbe
Druck herrscht und daß in ihnen stets dieselbe Susbstanz enthalten ist. Die Kammern
11 und 13 enthalten die Meßsubstanz, beispielsweise ein Gas, während die Kammern
10 und 12 die Vergleichssubstanz, beispielsweise ein Vergleiohsgas enthalten.
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Vor der Kammer 10 ist eine planparallele platte 91 und vor der Kam-merl2
eine planparallele Platte 92 angeordnet. Die Dicke der Platten91 und 92 verhält
sich wie die Länge der Kammern 10 und 12. Die Platten 91 und 92 sind miteinander
verbunden und um eine'gemeinsame Achse 93 drehbar. Um diese Achse werden die Platten
91 und 92 bei der Justierung des Interferometers verldreht.
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Vor der Kammer 11 ist eine planparallele Platte 94 und vor der Kammer
13 eine planparallele Platt 95 angeordnet. Diese beiden Platten sind genauso aufgebaut
wie die Platten 91, 92, und sie sind um eine gemeinsame Achse96 drehbar.
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An Stelle der hier gezeichneten Kompensationselemente91, 92und 94,
95 können auch verschiebbare Doppelkeile mit den Längen der Kammern entsprechenden
Dicken, Druckkompensatoren oder andere bekannte Kompensationselemente verwendet
werden.
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Die Fig. 2 a und 2b zeigen eine Draufsicht auf die Doppelspalte 21
und 22. Mit 26 ist das vom Hilfskammerpaarl2, 13 erzeugte Streifensystem und mit
27 das vom Meßkammerpaar 10, 11 erzeugte Streifensystem bezeichnet. Fig. 2a zeigt
die beiden Streifensysteme in der Null- Stellung, wobei lediglich zum Zweck der
Veranschaulichung die beiden Null-Streifen mit einem Kreuz bezichnet sind. Fig.
2ib zeigt die beiden Streifensystem bei der Messung. Das Streifensystem27 tist dazbei
beilspielsweise um genau zehn Streifenbreiten ausgewandert. Eine Kompensationsvornichtung
allein würde also zur Einstellung einen falschen Streifen verwenden. Es ist jedoch
das Interferenzstreifensystem26 um weniger als eine halbe Streifenbreite ausgewandert,
so daß sich für die nachgeschaltete Nachführeinrichtung eindeutige Verhältnisse
ergaben.
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Jedem der Streifensysteme26 und 27 ist eine lichtelektrische Nachführeinrichtung
nachgeschaltet. Jede dieser Einrichtungen besteht aus einem Doppelspalt, einer Wechsellichtblende,
einer Photozelle und einem dieser nacbgeschalteten Verstärker. Die dem Interferenzstreifensystem
26 zugeordnete Nachlaufeinrichtun, ist mit 21a, 21b, 23, 25, 29 bezeichnet, während
die dem Interferenzstreifensystem 27 zugeordnete Nachlaufeinrichtung mit 22 a, 22b,
24, 28, 30 bezeichnet ist. Fig. 4a zeigt die dem Streifensystem26 zugeordnete Nachlaufeinrichtung
in der Ansicht von der Seite.
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In Fig. 3 ist mit 31 die Intensitätslourve des Interferenzstreifensystems
26 bezeichnet. Die, auch in den Fig. 2a und 2b sichtbaren Spalte 21a und 21b des
Doppelspaltes 21 sind in gleichem Abstand von einem Minimum der Kurve 31 angeordnet.
In der Null-Stellung wird also die linke und rechte Flanke dieses Minimums auf je
einen der beiden Spalte 21a, 21b afbgebildet. Dadurch ergibt sich bei seitlicher
Verschiebung der Interferenzstreifen die größte Helligkeitsänderung auf den Spalten.
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Das von den beilden Spalten 21 a unid 21 b ausgehende Licht wird
mittels der Wechsellichtblende 23 abwechselnd unterbrochen und fällt auf die Photozelle25,
welcher der Verstärker29 nachgeordnet ist.
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Der Verstärker29 liefert also eine Spannung, welche dem Helligkeitsunterschied
des durch die Spalte 21a,
21 b tretenden Lichtes proportional ist.
Die Polarität dieser Spannung ist abhängig. davon, durch welchen der beiden Spalte
mehr Lidht fällt. Infolgedessen ist die vom Verstärker 29 gelieferte Spannung nach
Phase und Amplitude von der Stellung des Interferenzstreifensystems abhängig und
kann demzufolge als nachführspannung verwendet werden.
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Die vom Verstarker29 29 gelieferte Spannung ist in Fig. 5 mit 32
bezeichnet. Dabei ist angenommen, Idaß das Interferenzstreifensystem um eine halbe
Streifenbreite auswandert. Zugleich wandere das Interferenzstrifensystem 27 um zehn
volle Streifembreiten aus.
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Die entsprechende, vom Verstärker 30 gelieferte Steuerspannung ist
in Fig. 5 mit 33 bezeichnet. Die Verstärkung des Verstärkers 29 sei dabei fünfmal
so groß gewähl wie die Verstärkung des Verstäkers 30.
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Die beiden Spannungen 32 und 33 werden gemeinsam einem Elektromotor
34 zugeführt, so. daß sich eine resultierende Steuerspannung 35 ergibt. Wie aus
Fig. 5 hervorgeht, wird, sobald mit Hilfe der Grobverschiebungsspannung 32 das Interferenzstreifensystem
27 bis auf weniger als eine halbe Streifenbriete nachgestellt ist, die engülltige
Feinverschiebung vom Streifensystem27 gesteuert.
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Mit dem Motor 34 ist ein Schneckenrad 36 verbunden, welches in ein
Zahnsegment 37 eingreift. Bei einer Erregung des Motors 34 werden.demzufolgedie
planparallelen Platten 94, 95 so lange um Sdie Achse 96 verdreht. bis der endgültige
Abgleich erreicht ist.
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Mit dem Motor 34 ist weiterhin ein Schreibstift 38 verbunden, welcher
bei einer Drehung des Motors in seitlicher Richtung verschoben wird. Dieser Schreibstift
38 zeichnet auf einer bewegten Unterlage 39 direkt die Meßlkurve40 auf.
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In Fig. 4b ist aine andere Ausgestaltun, der Nachlaufeinrichtung
dargestellt. Der Doppelspalt 21 der Fig. 4a ist hier durch einen Einfachspalt 41
mit nachgeschaltetem Prisma 46 ersetzt. Spiegel 42, 43, 44, 45 sowie ein Prisma
47 dienen zur Vereinigung der durch das Prisma46 erzeugten Teillichtbündel auf der
Photakathode der Photozelle 25. Eine Wechsellichtblende 48 unterbricht dabei die
beiden Teillichtbündel abwechselnd.
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Das in Fig. 1 dargestellte Interferometer dient zur kontinuierlichen
Messung. Soll ein solches Interferometer. jedoch zur diskontinuierlichen Messung
verwendet werden, so ist es zweckmäßig, die in Fig. 6 dargestellte Nachlaufeinrichtung
zu verwenden, bei welcher die von den Verstärkern 29 und 30 gelieferten Spannungen
einem Relais 50 zugeführt werden.
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Dieses Relais führt, sobald die Grobverschiebungsspannung einen bestimmten
einstellbaren Wert iiberschreitet, die vom Verstärker 29 gelieferte Spannung dem
Elektromotor 51 zu. Gleichzeitig schaltet das Relais 50 zwischen dem Elektromotor
51 und dem Schneckenrad 36 das Getriebe 52 ein. Durch. dieses Getriebe wird eine
Übersetzung der Drehzahl des Motors 51 bewirkt, so daß das Segment37 sehr schnell
verschwenkt wird. Sobald die Grobverschiebungsspannung den eingestellten Wert unterschreitet,
verbindet das Relais 50 den Verstärker 30 mit dem Motor51 und schaltet zugleich
das Getriebe 52 aus und das Getriebe 53 ein. Das Getriebe 53 bewirkt eine Untersetzung
der Drehzahl des Motors 51, so daß also zur Feinversch. iebungdas Segment 37 sehr
langsam gedreht wird.
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In Fig. 7 ist ein Interferometer dargestellt, welches aus dem Meßkammerpaar
55, 56 und den Hilfskammerpaaren 57, 58 sowie 59, 60 und 61, 62 besteht.
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Die Länge der Hilfskammern ist dabei so gewählt,
daß, wenn der volle
Meßbereich des Meßkammerpaares 55, 56 ausgenutzt wird, das vom HU. fskammerpaar
61, 62 gelieferte Interferenzstreifensystem sich um weniger als eine halbe Streifenbreite
verschiebt.
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Bei der nun folgenden Grobverschiebung wird zunächst das dem Hilfskammerpaar
59, 60 zugeordnete Interferenzstreifensystem so lange verschoben, bis seine Streifenauswanderung
weniger als eine halbe Streifenbreite beträgt. Sodann übernimmt das dem Hilfskammerpaar
59, 60 zugehörende System die Verschiebung des Interferenzstreifensystems des Hilfskammerpaares
57, 58, welches sodann die Feinverschiebung des dem MeBkammerpaar55, 56 zugeordneten
Interferenzstreifensystems bewirkt. Das als Kompensationselement dienende System
planparalleler Platten besteht aus den Teilen 63, 64, 65, 66, deren Dicken den Längen
der zugeordneten Kammern entsprechen.
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Bei dem hier dargestellten Interferometer kann der Meßbereich sehr
groß gewählt werden, ohne daß an die einzelnen Nachführeinrichtungen hohe Anforderungen
zu stellen sind.
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Fig. 8 zeigt ein Interferometer, bei welchem das Hilfskammerpaar
72, 73 dieselbe Länge aufweist wie das Meßkammerpaar70, 71. Die Kammern 70 und 72
enthalten das Vergleichsgas und stehen über ein längeres Rohr 75 mit der Außenluft
in Verbindung. Mit 74 ist der Einlaßstutzen bezeichnet.
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Die Kammern 71 und 73 enthalten das zu messende Gas. Dabei ist mit
76 die GasauslaßöfFnung bezeichnet, an welche im Betrieb eine Saugvorrichtung angeschlossen
wird. 77 bezeichnet das Gaseinlaßrohr für die Meßkammer 71. Das zur Hilfskammer
73 führende Rohr 78 steht mit einem Mischbehälter 79 in Verbindung, welcher seinerseits
über ein Rohr 80 mit dem Meßgas und uber ein Rohr 81 mit einem das Vergleichsgas
enthaltenden Behälter 82 in Verbindung steht. Wird bei 76 eine Saugvorrichtung angeschlossen,
so strömt das zu messende Gas direkt in die Meßkammer 71 ein. In die Hilfskammer
73 strömt zugleich ein Gasgemisch, welches beispielsweise 90 ouzo Vergleichsgas
und 10% Meßgas Enthßt, Das entsprechende Verhältnis wind durch den Mischungsregler
79 bestimmt.
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Das hier dargestellte Interferometer weist ebenfalls den Vorteil
auf, daß die Auswanderung des dem Hilfskammerpaar 72, 73 zugeordneten Streifensvstems
nur einen Bruchteil der Auswanderung des dem Meßkammerpaar 70, 71 zugeordneten Interferenzstreifensystems
beträgt. Dies wird durch die Herabsetzung g der Konzentration des Meßgases in der
Hi, lfskammer73 erreicht. Als Kompensationselement findet auch hier beispielsweise
eine Platte Verwendung, welche aus den beiden planparallelen Teilen 83 und 84 besteht.
Die Dicke dieser beiden Teile entspricht dabei dem Verhältnis der Konzentration
des Meßgases in den Kammern 71 und 73.