DE2036214C3 - Infrarotspektrometer - Google Patents

Description

nicht ausgleichen.

20 Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines

Infrarotspektrometers, bei dem einerseits die Gesamtmeßzeiten stark verkürzt sind und bei dem andererseits die Verwendung eines einstellbaren Schwä-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Infrarotspektro- chungsglieds vermieden wird und dennoch der Vormeter mit zwei Strahlengängen, deren einer die zu 25 teil einer automatischen Registrierung des Spektrums untersuchende Probe aufnimmt und deren anderer erhalten bleibt.

als Bezugs-Strahlengang dient, einem die Strahlung Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, der beiden Strahlengänge empfangenden Empfänger, daß die an den Ausgang des Empfängers angeschloswelcher ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von sene Schaltung so ausgeführt ist, daß sie bei Beleuchder empfangenen Strahlungsintensität abgibt, einem 30 tung des ersten Strahlengangs das Ausgangssignal des Wellenlängenwähler, einer optischen Umschaltein- Empfängers über eine Zeitdauer integriert, in deren richtung zum abwechselnden Beleuchten der beiden Verlauf das integrierte Signal einen Wert erreicht, Strahlengänge und mit einem Registriergerät, welches wobei eine dieser beiden Größen im voraus festan einem Eingang ein von der Stellung des Wellen- gelegt ist, daß sie bei Beleuchtung des zweiten Strahlängenwählers abhängiges Signal und an einem zwei- 35 lengangs das Ausgangssignal des Empfängers über ten Eingang ein von einer an den Ausgang des Emp- eine veränderliche Zeitdauer integriert, in welcher fängers angeschlossenen Schaltung erzeugtes Signal das integrierte Signal den gleichen Wert erreicht, und empfängt. daß das von ihr zum zweiten Eingang des Registrier-Bei derartigen Doppelstrahlgeräten, die beispiels- geräts gelieferte Signal von dem veränderlichen Verweise aus der Zeitschrift »The Review of Scientific 40 hältnis (/ = T₁IT₀) der beiden Integrationszeiten Instruments«, 37 (1966), S. 1316 und 1317, und aus (T₀, T₁) abhängt.

dem Buch »Einführung in die Ultrarotspektroskopie« Die mit dem erfindungsgemäßen Infrarotspektro-

von W. Brügel, Dr. Dietrich Steinkopf Verlag, meter erzielte Wirkung beruht auf der Erkenntnis,

Darmstadt, 1962, S. 153 bis 161, bekannt sind, wird daß die Gesamtdauer einer Messung bei gleicher

bisher die optische Umschalteinrichtung mit fester 45 Genauigkeit allgemein dadurch verbessert werden

Frequenz gesteuert, so daß die beiden Strahlengänge kann, daß für jeden Meßzyklus das Verhältnis der

abwechselnd jeweils für die gleiche Zeitdauer ein- Meßzeiten für die beiden Strahlengänge gleich dem

geschaltet werden. Die Umschaltung erfolgt aus- umgekehrten Verhältnis der Transmissionskoeffizien-

reichend rasch, so daß die an den Empfänger an- ten der beiden Kanäle gemacht wird. Dies wird mit

geschlossene Schaltung ein Signal liefern kann, das 50 technisch einfachen Mitteln dadurch verwirklicht,

der Differenz der über die beiden Strahlengänge daß das für jeden Strahlengang erhaltene Signal

übertragenen Strahlungsintensitäten proportional ist. während einer Zeit T₀ bzw. T₁ integriert wird, wobei

Dieses Signal dient zur Steuerung eines im Bezugs- diese beiden Integrationszeiten so bemessen sind,

Strahlengang angeordneten optischen Schwächungs- daß an deren Ende der Wert des integrierten Signals

gliedes, beispielsweise einer Abgleichblende, in der 55 in den beiden Fällen gleich, nämlich gleich dem

Weise, daß die Differenz verschwindet. Bei Erreichen Wert E ist.

des Nullabgleich^ ist dann die Stellung des Schwä- Man erhält daher: chungsgliedes ein Maß für die Absorption der im

Meß-Strahlengang angeordneten Probe. χ y

Infolge bekannter Schwierigkeiten (geringe Lei- 60 K= —- = —-,

stung der verfügbaren Strahlungsquellen im fernen -^i ·*° Infrarot, thermische Störlichtströme, welche sich dem

Nutzsignal überlagern) erfordert eine genaue Auf- wenn mit K₀ und K₁ die Transmissionskoeffizienten zeichnung des Spektrums im fernen Infrarot eine des Meß-Strahlengangs bzw. des Bezugs-Strahlenbeträchtliche Zeit. 65 gangs bezeichnet werden.

Andererseits ist die Herstellung eines einstellbaren Das den Wert K ausdrückende Signal ist ein Maß

optischen Schwächungsgliedes für das ferne Infrarot für die Absorption im Meß-Strahlengang bezüglich

schwierig. Es ist keine Substanz bekannt, welche als des Bezupsstrahlpnoano« und p.rmnaKrht Hip. nnmit-

5 6

telbare Aufzeichnung des gewünschten Spektrums im vorher in den Integrator gespeicherten Wert erreicht, Registriergerät. Dieses Signal wird mit guter Genauig- in die Meßstellung und anschließend in die Speicher-

keit in einer kurzen Meßzeit unter Verwendung von stellung bringt, und daß das dem zweiten Eingang des

einfachen technischen Mitteln erhalten. Registriergeräts zugeführte Signal in vorbestimmter

Es ist möglich, den Wert E des integrierten Signals 5 Weise vom Ausgangssignal der Zeitmeßanordnung

von vornherein festzulegen und die Integrations- abhängt.

zeiten T₀, T₁ für die beiden Strahlengänge so zu be- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

messen, daß jeweils dieser Wert E erreicht wird. In Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

diesem Fall besteht eine Ausführungsform der Erfin- Fi g. 1 schematisch den allgemeinen Aufbau eines

dung darin, daß die an den Ausgang des Empfängers io Infrarotspektrometers nach der Erfindung,

angeschlossene Schaltung einen mit dem Ausgang des F i g. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsform

Empfängers verbundenen Integrator mit zwei Stel- der elektrischen Schaltungen des in F i g. 1 gezeigten

lungen (Meßstellung und Speicherstellung) und zwei Infrarotspektrometers,

jeweils einem der beiden Strahlengänge des Spektro- F i g. 3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirmeters zugeordnete Zeitmeßanordnungen mit zwei 15 kungsweise der Anordnung von F i g. 2 und
Stellungen (Meßstellung und Speicherstellung) ent- F i g. 4 das Blockschaltbild einer anderen Ausfühhält, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die bei Be- rungsform der elektrischen Schaltungen des in F i g. 1 leuchtung des ersten Strahlengangs den Integrator und gezeigten Spektrometers.

die dem ersten Strahlengang zugeordnete Zeitmeß- Gemäß F i g. 1 wird der von einer Strahlungsanordnung gleichzeitig in die Meßstellung bringt und 20 quelle 1 ausgehende Lichtstrom zu einer Vorrichdiese Meßanordnung in die Speicherstellung bringt, tung 2 geleitet, welche in an sich bekannter Weise in wenn das Ausgangssignal des Integrators einen vor- beliebiger Reihenfolge einerseits ein Tiefpaß-Vorbestimmten Wert erreicht hat, und daß eine Einrich- filter für das einfallende Bündel, andererseits einen tung vorgesehen ist, die bei Beleuchtung des zweiten Ja-Nein-Modulator für diesen Lichtstrom, beispiels-Strahlengangs den zuvor auf Null zurückgestellten 25 weise eine Schlitzscheibe, sowie die Schaltungen zur Integrator und die diesem zweiten Strahlengang zu- Erzeugung eines mit der Drehbewegung des Modugeordnete Zeitmeßanordnung gleichzeitig in die Meß- lators synchronisierten elektrischen Bezugssignals aufstellung bringt und diese Meßanordnung in die Spei- weist. Dieses Signal wird am elektrischen Ausgang darstellung bringt, wenn das Ausgangssignal des In- 12 der Vorrichtung 2 abgegeben,
tegrators den vorbestimmten Wert erreicht hat. 30 Der vorfiltrierte und modulierte, am optischen Aus-

Der verwendete »Integrator mit zwei Stellungen« gang der Vorrichtung 2 abgegebene Lichtstrom wird hat eine Meßstellung, in welcher er das auf seinen auf einen Monochromator 3 gegeben, von welchem Signaleingang gegebene Signal integriert, und eine das Beugungsgitter 13 dargestellt ist, das um eine Achse Speicherstellung, in welcher er bis zur Nullrückstel- parallel zu den Gitterstrichen beweglich ist und mitlung den letzten Wert des integrierten Signals, den er 35 tels einer elektromechanischen Einrichtung 23 angein der Meßstellung erreicht hat, speichert. trieben wird, wobei diese Einrichtung beispielsweise

Die verwendete »Zeitmeßanordnung mit zwei Stel- aus einem Synchronmotor und einem nachgeschallungen« hat eine Meßstellung, in der sie ein elektri- teten Untersetzungsgetriebe besteht und der Motor sches Signal abgibt, das von der Zeit abhängt, die seit durch ein auf den elektrischen Eingang 33 des Monoihrer Einstellung in die Meßstellung verstrichen ist, 40 chromators gegebenes Signal gesteuert wird. Ein mit sowie eine Speicherstellung, in welcher sie bis zur der Einrichtung 23 fest verbundenes Wiedergabe-Nullrückstellung das letzte elektrische Zeitsignal spei- potentiometer 40 liefert ein elektrisches Signal X in chert, das sie in der Meßstellung abgegeben hat. Eine Abhängigkeit von der Winkelstellung des Gitters,
solche Zeitmeßanordung kann insbesondere aus Die aus dem Monochromator 3 austretende monoeinem mit einer konstanten Spannung gespeisten In- 45 chromatische Strahlung wird auf eine optische Umtegrator oder auch aus einem mit Impulsen konstanter schalteinrichtung 4 gegeben, welche ermöglicht, die Frequenz gespeisten Zähler bestehen. Strahlung abwechselnd in den ersten und zweiten

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die In- Meßkanal 10 bzw. 11 zu leiten, wobei in einem der-

tegrationszeit für einen der beiden Strahlengänge von selben die Probe angeordnet wird und der andere als

vornherein festgelegt wird und daß die Integrations- 50 Bezugskanal dient.

zeit für den anderen Strahlengang so bemessen wird, Es werde angenommen, daß das bewegliche EIedaß der gleiche Wert des integrierten Signals wie am ment der Umschalteinrichtung ein Spiegel 24 mit zwei Ende der festgelegten Integrationszeit erreicht wird. Einstellungen ist, welcher im Inneren des Blocks 4 In diesem Fall besteht eine Ausfuhrungsform der Er- in ausgezogenen Linien in einer seiner Ruhestellungen findung darin, daß die an den Ausgang des Empfän- 55 und in gestrichelten Linien in seiner weiten Ruhegers angeschlossene Schaltung wenigstens einen mit stellung dargestellt ist, wobei diese Stellungen jeweils dem Ausgang des Empfängers verbundenen Integra- der Belichtung der Kanäle 10 bzw. 11 entsprechen, tor mit zwei Stellungen (Meßstellung und Speicher- Die Einstellung des Spiegels 24 wird durch eine stellung) und eine Zeitmeßanordnung mit zwei Stel- elektromechanische Einrichtung 34 unter Verwenlungen (Meßstellung und Speicherstellung) enthält, 60 dung einer Anordnung von in der Figur nicht dardaß eine Einrichtung vorgesehen ist, die während der gestellten Anschlägen gesteuert. Die Einrichtung 34 Beleuchtung des ersten Strahlengangs den Integrator wird ihrerseits durch ein auf den elektrischen Eingang für eine feste Zeitdauer in die Meßstellung und an- 14 der Einrichtung 4 gegebenes elektrisches Signal schließend in die Speicherstellung bringt, daß eine gesteuert.

Einrichtung vorgesehen ist, die während der Beleuch- 65 Schließlich werden die Ausgangslichtströme der

tung des zweiten Strahlengangs die Zeitmeßanoid- beiden Kanäle beide auf den optischen Eingang eines

nung für die Zeitdauer, in deren Verlauf der inte- Empfängers ö über eine optische Anordnung 5 ge-

grierteWert des Ausgangssignals des Empfängers den geben. Der Empfänger 6 enthält einen optisch-elek-

7 8

irischen Detektor und einen Synchron detektor, der Integratoren 71 bis 75 und den Eingang R der

welcher am elektrischen Eingang 16 dieses Empfän- Additionsglieder 81 und 82 über eine Mehrzahl von

gers das vom elektrischen Ausgang 12 der Einrich- Ausgängen 63.

tung 2 abgegebene Bezugssignal empfängt. Die Gesamtheit dieser letzteren Ausgänge ist durch

Alle den bisher beschriebenen Teil des Spektro- 5 zwei Pfeile in ausgezogenen Linien und einen

meters beschriebenen Elemente sind an sich bekannt gestrichelten Pfeil symbolisiert. Um das Lesen der

und müssen nicht weiter beschrieben werden. Figur zu erleichtern, sind die entsprechenden Verbin-

Der Empfänger 6 speist eine Schaltung 8, welche düngen nicht dargestellt.

wenigstens einen Integrator mit zwei Einstellungen Die insbesondere die oben geschilderten Elemente

aufweist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Emp- io enthaltende Schaltung 8 ist folgendermaßen aufge-

fängers 6 gekoppelt ist. Die Schaltung 8 steuert die baut:

Stellung des Spiegels 24 (über den Eingang 14 der Der Ausgang des Integrators 71 speist den ersten Einrichtung 4) und diejenige des Gitters 13 (über den Eingang des Additionsgliedes 81, dessen zweiter EinEingang 33 der Einrichtung 3). Sie gibt andererseits gang die feste Spannung — E empfängt und dessen auf den zweiten Eingang 29 eines Registriergeräts 9 15 dritter Eingang die Spannung +E empfängt,
ein Signal, welches vom Verhältnis der Durchlässig- Der Ausgang des Additionsgliedes 81 speist den keilskoeffizienten der beiden Kanäle für jede Stellung Steuereingang einer Kippschaltung 91, deren Ausdcs Gitters abhängt. gang mit dem Eingang 31 des Programmiergeräts 30

Das Registriergerät 9 empfängt andererseits an verbunden ist. Eine Spannungsquelle mit der festen seinem Eingang 19 das von der Stellung des Gitters 20 Spannung V ist mit dem Integrationseingang des

abhängige Signal X, welches vom Wiedergabepoten- Integrators 72 verbunden, dessen Ausgang mit dem

tiometer 40 geliefert wird. Integrationseingang des Integrators 73 verbunden ist.

Fi g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Schaltun- Der Ausgang desselben speist den ersten Eingang des gen 8 für den Fall, daß E wenigstens für die ganze Additionsgliedes 82, welches an seinem zweiten EinDauer einer Aufzeichnung konstant ist. In dieser 25 gang die feste Spannung — E und an seinem dritten Figur ist durch den Block 100 die Gesamtheit der in E'ngans die Spannung +E empfängt. Der Ausgang Fig. 1 von der Strahlungsquelle 1 bis zum Emp- des Additionsgliedes 82 speist den Steuereingang fänger 6 angeordneten Elemente mit ihren Steuerein- einer Kippschaltung 92, deren Ausgang mit dem Eingängen 33 und 14 dargestellt, wobei dieser Block gang 32 des Programmiergeräts 30 verbunden ist.
andererseits einen Integrator 71 mit zwei Einstel- 30 Jedes der Additionsglieder 81 und 82 weist einen lungen durch den elektrischen Ausgang und das Steuereingang R auf, welcher ermöglicht, die Kopp-Wiedergabepotentiometer 40 durch seinen mechani- lung seines Ausgangs mit seinem dritten Eingang sehen Ausgang speist. bestehen zu lassen oder zu unterbrechen, wobei das

Die Schaltung 8 weist vier weitere Integratoren 72 Additionsglied im ersten Fall als in der Stellung »1«

bis 75 mit zwei Einstellungen sowie zwei Additions- 35 und im zweiten Fall in der Stellung »0« befindlich

glieder 81 und 82 mit unterschiedlichem Aufbau auf, bezeichnet wird. In der Stellung »0« führt das Addi-

deren jeder einen Steuereingang R besitzt. tionsglied die Operation

Jeder der fünf Integratoren weist einen Steuerein- _ __

gang Z auf, welcher seine Null rückstellung gestattet, * + ( — &) ₌ x — t,

indem eine Verbindung zur Entladung seines Inte- 40 2 2
grationskondensators hergestellt wird. Der Integrator

wird »in Nullrückstellung« genannt, wenn diese Ver- durch, wobei χ die an seinen ersten Eingang ange-

bindung hergestellt ist, unabhängig davon, ob er be- legte Spannung ist. In der Stellung »1« führt es die

rcits auf Null zurückgestellt ist oder nicht. Er weist Operation

weiter einen Steueremgang M auf, welcher ermög- 45 /ρ\ . 9 /·_ι_ελ α. π

licht, daß derselbe in Meßstellung oder in Speicher- ^x + <- ^) +j^ + ^J ₌ x + t.

stellung gebracht wird, indem die Verbindung seines 4 4
Signaleingangs oder »Integrationseingangs« mit den

anderen Teilen des Integrators bestehen bleibt oder durch und gibt infolgedessen ein positives Signal ab,

unterbrochen wird. ⁵° ^{wcnn x nur} P^os'tiv oder Null sein kann, wie es hier

Bei der Meßstellung und bei der Speicherstellung der Fall ist.

wird offensichtlich angenommen, daß der Konden- Jede der Kippschaltungen 91 und 92 wird durch

sator sich nicht in Nullrückstellung befindet. Anderer- ein auf ihren Steuereingang gegebenes negatives Signal

seits findet die Nullrückstellung hier stets an einem mit ausreichender Signalhöhe in seinen Zustand »1«

Integrator statt, welcher von dem Element, das den- 55 gebracht, wenn sie sich nicht bereits in demselben

selben in der Meßstellung speist, abgetrennt ist, so befindet. Sie kippt in ihren Zustand »0«, sobald das

daß jeder dieser drei Ausdrücke »Meßstellung«, auf ihren Steuereingang gegebene Signal aufhört,

»Speicherstellung« und »Nullrückstellung« vollstän- negativ zu sein.

d\° den Zustand eines Integrators definiert, was die Die Spannungsquelle U speist andererseits den durch seine Eingänge M und Z gesteuerten Verbin- 60 Integrationsein^ang des Integrators 74, dessen Ausdungen betrifft. Diese Integratoren können Miller- gang mit dem Integrationseingang des Integrators 75 Intecratoren sein. ^und andererseits mit einem linearen Anpassungsglied

Dk: Schaltung 8 enthält ein Programmiergerät 30, 21 verbunden ist.

welches an seinen Eingängen 31 und 32 zwei von der Der Ausgang des Integrators 75 speist ein lineares

übrigen Schaltung kommenden Informationen emp- 65 Anpassungsglied 22 und ein logarithmisches Anpas-

fä_ngt sungsglied 20. Die Ausgänge der Schaltungen 20, 21

Das Programmiergerät 30 speist die Eingänge 33 und 22 sind jeweils mit den Eingängen 60, 61 und 29

und 14 des°Blocks 100, die Steuereingänge M und Z des Registriergeräts 9 verbunden, welches anderer-

seits an seinem Eingang 19 das Signal des Wiedergabepotentiometers 40 empfängt.

Es wird zunächst die Arbeitsweise des Spektrometers zur Aufzeichnung eines Spektralpunktcs beschrieben, indem die Automatisierung der verschiedenen Vorgänge, welche im übrigen auf verschiedene Arten verwirklicht werden kann, sowie die Vorgänge der Null rückstellung beiseitegelassen werden.

Die Zeitkonstanten der Integratoren werden so gewählt, daß diese nur in ihrem linearen Teil arbeiten (mit anderen Worten, daß man setzen kann e~"^RC = 1 — tiRC), und zur Vereinfachung der Schreibweise bezeichnet man jeweils mit l/m,, 1/ot₂ ... 1/ot₅ die Zeitkonstanten der Integratoren 71 bis 75.

Alle Integratoren werden stets auf Null zurückgestellt, bevor sie in die Meßstellung gebracht werden.

Es werde hier angenommen, daß der Kanal 10, der erste Meßkanal, die Probe enthält.

Wenn daher das Beugungsgitter 13 eine neue Orientierung erhalten hat und der Spiegel 14 den Kanal 10 belichtet, wird die Integration des Ausgangssignals desselben mittels des in die Meßstellung gebrachten Integrators 71 durchgeführt, wobei dieser das in der Stellung »0« befindliche Additionsglied 81 speist und dieses letztere den Eingang der Kippschaltung 91 speist, welche am Beginn der Integration sich in ihrem Zustand »1« befindet. Der mit der konstanten Spannung U gespeiste Integrator 72 bildet die mit dem Kanal 10 verbundene Zeitmeßeinrichtung und wird gleichzeitig mit dem Integrator 71 in Meßstellung gebracht. Das Ausgangssignal ν des Integrators

71 wird im Additionsglied 81 zur Spannung — E addiert. Wenn das Ausgangssignal (ν — E)Il des Additionsgliedes den Wert 0 überschreitet, kippt die Kippschaltung 91 in den Zustand »0«, was den Integrator

72 in die Speicherstellung bringt. Das von diesem gespeicherte Signal ist 17I₂VJ₀.

Die Integratoren 73 und 74 werden sodann gleichzeitig in Meßstellung gebracht. Das Ausgangssignal des ersten wird i·"" Additionsglied 82, das sich dann im Zustand »0« befindet, zu der Spannung — E addiert, wobei sich die Kippschaltung 92 im Zustand »1« befindet. Wenn das Ausgangssignal diese? Additionsgliedes am Ende einer Zeit T₂, die durch das Kippen der Kippschaltung 92 beendet wird, den Wert 0 überschreitet, erhält man:

daraus folgt

η_Ά Ot₂ U T_n T₂ = E
E

T =

m_s Ot₂ U T₀

Das Ausgangssignal des Integrators 74 ist sodann:

OT₄ E

OT₀

Der Integrator 74 wird sodann in Speicherstellung gebracht, und der Spiegel 24 wird auf den Kanal 11 eingestellt.

Die Integration des Ausgangssignals des Kanals 11 läuft in der gleichen Weise wie diejenige des Ausgangssignals des Kanals 10 ab, bis auf die Tatsache, daß jetzt der Integrator 75 gleichzeitig mit dem Integrator 71 in Meßstellung gebracht wird. Der Integrator 75, welcher durch die vom Integrator 74 gespeicherte Spannung gespeist wird, bildet tatsächlich die dem Kanal 11 zugeordnete Zeitmeßanordnung.

Am Ende der Zeit T₁, an welchem das vom Integrator 71 integrierte Signal den Wert E erreicht, kippt die Kippschaltung 91 vom Zustand »1« in den Zustand »0«. »
Das Ausgangssignal des Integrators 75 ist sodann: Ot₅ W₄ E TJm₃ W₂ T₀ = E₀- TJT₀, wobei E₀ eine Konstante ist.

Man sieht, daß durch Speisung des Integrators 75 durch das im Integrator 74 gespeicherte Signal der ίο Integrator 75 am Ende der Zeit T₁ ein Signal abgibt, welches gleichzeitig direkt proportional zu T₁ und umgekehrt proportional zu T₀ ist.

Dieses (zu KJK₁ proportionale) Signal wird auf den Eingang 29 des Registriergeräts 9 über das lineare Anpassungsglied 22 für die Aufzeichnung des Transmissionsspektrums des Kanals 10 bezüglich des Kanals 11 gegeben. Es wird andererseits auf den Eingang 60 dieses Geräts über das logarithmische Anpassungsglied 20 zur Aufzeichnung nicht mehr des so Transmissionsspektrums, sondern des optischen Dichtespektrums des Kanals 11 bezüglich des Kanals 10 gegeben. (Um das optische Dichtespektrum der Probe zu erhalten, genügt es, diese im Kanal 11 anzuordnen und den Kanal 10 als Bezugskanal zu verwenden). Schließlich kann das Ausgangssignal des Integrators 74 auf den Eingang 61 des Registriergeräts 9 über das lineare Adaptionsglied 21 gegeben werden, um das »einstrahlige« Transmissionsspektrum des Kanals 10 zu erhalten.

F i g. 3 ist ein Zeitdiagramm, welches die auf das Programmierglied 30 und die von demselben im Verlauf einer Periode abgegebenen Steuersignale darstellt. Die Automatisierungseinrichtung bringt Signale mit zwei Signalhöhen »0« und »1« ins Spiel, welche unabhängig von ihrer Dauer 0 oder 1 genannt werden. Em Integrator befindet sich in der Meßstellung oder in der Speicherstellung, je nachdem, ob sein Eingang M ein Signal 1 oder ein Signal 0 empfängt, wenn außerdem sein Eingang Z ein Signal 0 empfangt. Er wird auf Null zurückgestellt, wenn sein Eingang Z ein Signal 1 und sein Eingang M ein Signa] 0 empfangt, wobei er tatsächlich mit einer vernachlässigbaren »Nullrückstelk-Zeitverzögerung auf Null zurückgestellt wird.

Die Additionsglieder 81 und 82 befinden sich in der Stellung »0« oder »1«, je nachdem, ob das auf ihren Eingang gegebene Signal den Wert 0 oder 1 hat. Der Spiegel 24 ist auf den Kanal 10 oder auf den Kanal 11 eingestellt, je nachdem, ob das auf seinen so Eingang 14 gegebene Signal den Wert 0 oder 1 hat. Das Beugungsgitter 13 verschwenkt sich um einen bchntt bei einem auf seinen Eingang gegebenen Impuls nut der Höhe 1 von vorbestimmter Dauer

Die Eingänge M, Z und R werden mit diesen Buchstaben, gefolgt von der Zahl bezeichnet, welche dem Element entspricht, zu dem sie gehören, und die aut diese Eingänge gegebenen Steuersignale werden durch die gleichen Symbole bezeichnet wie die Eingange, auf welche sie gegeben werden, jedoch in Klammern. Diese Signale sind in Fig. 3 dargestellt. Sie werden vom Programmierglied 30 mittels bekannter Schaltungen erzeugt, welche die Ausgangssignale D und d der Kippschaltungen 91 und 92 empfangen, die ebenfalls in Fig. 3 gezeigt sind,
fs Es werde nun angenommen, daß man sich im Anfangszeitpunkt t₀ einer Periode befindet

Unmittelbar nach dem Zeitpunkt t₀ ist die Situation die folgende: °

Der Spiegel 24 isi auf den Kanal 10 eingestellt.

Das Beugungsgitter 33 nimmt noch die Winkelstellung ein, die es bei der Aufzeichnung des vorhergehenden Spcktralpunktes innehatte.

Die Integratoren 71 und 74 sind auf Null zurückgestellt.

Der Integrator 72 befindet sich auf Null in der Speicherstellung.

Die Integratoren 73 und 75 befinden sich in Speicherstellung und bewahren die Ladung, die sie am Ende der Meßstellung besaßen.

Die Additionsgüeder 81 und 82 befinden sich in der Stellung »1« und die Kippschallungen 91 und 92 befinden sich in ihrem Zustand »0«.

Wenn ß, b und c konstante Zeitdauern sind, wobei gilt, daß c>ö + b ist, so laufen die folgenden Vorgänge ab:

Zwischen den Zeitpunkten I₁=I₀ + α und ί, = ί, + 6 wird ein Impuls mit der Höhe 1 auf den Eingang 33 gegeben, um die Winkelstellung des Beugungsgitters 13 um einen Schritt zu verschwenken, wobei dieser Eingang 33 während aller anderen Abschnitte einer Periode ein Signal mit der Höhe 0 empfängt. Im Zeitpunkt I_x = t₀ + c werden die Integratoren 71 und

72 in Meßstellung und das Additionsglied 81 in die Stellung »0« gebracht, wobei die Kippschaltung 91 in ihren Zustand »1« übergeht und der Integrator 73 auf Null zurückgestellt wird, während die Kippschaltung 92 im Zustand »0« verbleibt, da das Additionsglied 82 sich noch im Zustand »1« befindet.

Im Zeitpunkt t₄ = t._t + T₀, welcher sich durch das Kippen der Kippschaltung 91 in ihren Zustand »0« und einen entsprechenden Umschlag des Signals D auszeichnet, nimmt das Signal (14) wieder den Wert 1 an, und infolgedessen wird der Spiegel 24 auf den Kanal 11 eingestellt, der Integrator 72 wird in Speicherstellung gebracht, die Integratoren 71 und 75 werden auf Null zurückgestellt und das Additionsglied 81 in die Stellung 1 gebracht, wobei durch diesen letzteren Vorgang die Kippschaltung 91 in ihrem Zustand »0« gehalten wird.

Im Zeitpunkt /- = f₄ 4- α werden die Integratoren

73 und 74 in Meßstellung und das Additionsglied 82 in die Stellung »0« gebracht, was das Kippen der Kippschaltung 92 in ihren Zustand »1« mit sich bringt.

Der Zeitpunkt t_B = t. + T₂ ist durch das Kippen der Kippschaltung 92 in den Zustand »0« und einen entsprechenden Umschlag des Signals d definiert. Die Integratoren 73 und 74 werden in Speicherstellung gebracht, wobei der Integrator 73 dabei die Kippschaltung 92 in diesem Zustand »0« hält.

Der Zeitpunkt t₇ fällt mit t₆ zusammen, wenn 's '■' T_s~>t_t + c ist, und er fällt mit (₄ + c im entgegengesetzten Fall zusammen (der in der Figur dargestellte Fall).

In diesem Zeitpunkt t. werden die Integratoren 71 und 75 in Meßstellung und das Additionsglied 81 in die Stellung Null gebracht, was das Kippen der Kippschaltung 91 in ihren Zustand »1« mit sich bringt, und der Integrator 72 wird auf Null zurückgestellt.

Der Zeitpunkt /_s = /. + 7, ist durch ein Kippen der Kippschaltung 91 und einen weiteren Umschlag des Signals D von 1 auf 0 gekennzeichnet. Das Signa (14) fällt auf 0 zurück, wodurch der Spiegel 24 au den Kanal 10 eingestellt wird. Der Integrator 71 wire auf Null zurückgestellt, während das Additionsgliec 81 in die Stellung »1« gebracht wird, wodurch dk Kippschaltung 91 in ihrem Zustand »0« gehalter wird.

Der Integrator 75 wird in die Speicherstellung zur Aufzeichnung der Spektralpunkte im Doppelsirahlverfahren entsprechend der gerade beendeten Periode gebracht, während der Integrator 74 auf Null zurückgestellt wird und der vorher entladene Integrator 72 in die Speicherslellung gebracht wird. Das Additionsglied 82 wird in die Stellung »1« gebracht.

Am Beginn einer neuen Periode findet man die oben angegebenen Zustände wieder vor.

Bei diesem Ausführungsbeispiel fallen die drei im Registriergerät 9 vorgenommenen Aufzeichnungen mit ihren Eingangssignalen auf Null zurück.

Die erforderlichen Steuersignale werden leicht in der abgeschlossenen Periode vom Programmiergerät 30 mittels der Ausgangssignale D und d der Kippschaltungen 91 und 92 erzeugt.
Am Beginn einer Periode von Z₀ bis Z₃ einschließlieh werden die Vorgänge genau vorherbestimmt, wobei die Zeitpunkte Z₁, t„ und Z₃ definiert sind durch:

't = Ό + ^a

Unter dieser Voraussetzung ist der Zeitpunkt /₄ durch den ersten Umschlag des Ausgangssignals D der Kippschaltung 91 von 1 auf 0 bestimmt, t- ist sodann definiert durch <_ä = i₄ + a.

t_ß ist definiert durch einen Umschlag des Ausgangs-4" signals d der Kippschaltung 92 von 1 auf 0.

t. ist definiert durch t₇ = t₆, wenn /₄ + c<C/₆ ist, und durch t_i + c im entgegengesetzten Fall (dem in F i g. 3 dargestellten Fall).

/₈ ist definiert durch den zweiten Umschlag des Signals D von 1 auf 0, wobei der Zeitpunkt t₀ der folgenden Periode mit dem Zeitpunkt t_s der vorhergehenden Periode zusammenfällt.

Es ist festzustellen, daß das Signal D gleich dem Signal (M-Tl) und das Signal d gleich den Signalen (M-73) und (M-74) ist.

Weiter ist festzustellen, daß das Zeitintervall »α« zwischen /₀ und /, die Höhe des Signals (14) erkennen läßt, wenn man das Signal (33) auf Grund des Signals (14) büden will, und daß das Zeitintervall c zwischen i„ und Z₃ und das minimale Zeitintervall zwischen t₄ und t₇ einer für die optische Umschaltung und außerdem im ersten Fall für die Drehung des Beugungsgitters erforderlichen Verzögerung entspricht.

F i g. 4 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des Spektrometers. Man erteilt T₀ einen konstanten Wert, wodurch E variabel wird.

Der Block 100 sowie seine Eingänge und Ausgänge haben die gleiche Bedeutung wie oben und desgleichen der Block 40.

Die Schaltung enthält drei Integratoren 76, 77 und 78 von gleicher Bauart wie die Integratoren 71 bis 75 in Fig. 2.

Ein Umschalter 110 mit einem Steuereingang / er-

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möglicht entweder duich seine Stellung »0« eine Ankopplung des Integrationseingangs des Integrators 77 oder durch seine Stellung »1« die Ankopplung des Integrationseingangs des Integrators 76 jeweils an den Ausgang der Anordnung 100.

Der Ausgang des Integrators 77 ist mit dem Eingang eines Polaritätsumschalters 101 verbunden.

Ein zweiter Umschalter 111, welcher mit einem Steuereingang 7 versehen ist, koppelt den zweiten Eingang eines Additionsglieds 83 entweder bei seiner Stellung »0« mit dem Ausgang des Polaritätsumwandlers 101 oder bei seiner Stellung »1« mit einem auf konstantem positivem Potential W befindlichen Punkt.

Das Additionsglied 83 empfängt an seinem ersten Eingang das Ausgangssignal des Integrators 76.

Der Ausgang des Additionsgliedes 83 ist mit dem Steuereingang einer bistabilen Kippschaltung 93 verbunden, welche bei einer ausreichend negativen Schwellenspannung in ihren Zustand »1« kippt, wenn sie sich nicht bereits in diesem befand, und welche in ihren Zustand »0« bei einer Nullspannung oder einer positiven Spannung kippt.

Eine feste Spannung U speist den Integrationseingang des Integrators 78, dessen Ausgang über ein logarithmisches Anpassungsglied 120 mit dem Eingang 129 eines Registriergeräts 109 verbunden ist.

Der Eingang 119 desselben ist mit dem Ausgang des Wiedergabepotentiometers 40 verbunden.

Der Ausgang der Kippschaltung 93 speist den Eingang 131 eines Programmiergliedes 130, welches an seinen Ausgängen 163 die Steuersignale auf die Eingänge 14, 33 M und Z der Integratoren und die Eingänge 7 der Umschalter gibt.

Eine der Aufzeichnung eines Punktes des Transmissionsspektrums entsprechende Periode läuft in der folgenden Weise ab, wobei festzustellen ist, daß alle Integratoren vor dem Umschalten in die Meßstellung auf Null zurückgestellt wurden.

Der Spiegel 24 wird auf den Kanal 10 eingestellt, welcher der erste Meßkanal ist und jetzt als Bezugskanal dient. Die Winkelstellung des Beugungsgitters 13 wird um einen Schritt vorgerückt, der Umschalter 110 koppelt den Integrator 77 mit dem Ausgang der Anordnung 100, und dieser Integrator 77 wird in die Meßstellung für die feste Zeitdauer T₀ gebracht, an deren Ende das integrierte Signal einen veränderlichen Wert E annimmt. Im Verlauf dieser Messung befindet sich der Umschalter 111 in der Stellung »1«, so daß die Kippschaltung 93 in ihrem Zustand »0« gehalten wird.

Am Ende der Zeitdauer T₀ whd der Integrator 77 in die Speicherstellung gebracht.

Der Spiegel 24 wird sodann auf den Kanal 11 eingestellt, und die Integratoren 76 und 78 werden gleichzeitig in Meßstellung und der Umschalter 111 in die Stellung »0« gebracht, wodurch die Kippschaltung 93 in ihren Zustand »1« kippt. Der durch die konstante Spannung U gespeiste Integrator 78 bildet die Zeitmeßanordnung der Schaltung.

Am Ende einer Zeit T₁, an welchem das vom Integrator 76 integrierte Signal den im Integrator 77 gespeicherten Wert E erreicht hat, kippt die Kippschaltuno 93 in ihren Zustand 0. Dadurch wird der Integrator 78 in die Speicherstellung gebracht.

Das vom Integrator 78 gespeicherte Signal ist Um₈T₁, wenn man seine Zeitkonslante mit l/m₈ bezeichnet.

Das logarithmische Anpassungsglied 120 ermöglicht, auf das Registriergerät 109 ein der optischen Dichte der Probe entsprechendes Signal zu geben.

Die Stellung »1« des Umschalters 111 ermöglicht, die Kippschaltung 93 außerhalb der Zeitintervalle T₉ stets in ihrem Zustand 0 zu halten.

Infolgedessen kippt die Kippschaltung 93 nur dann aus ihrem Zustand »1« in ihren Zustand »0«, wenn das vom Integrator 76 integrierte Signal den Wert E erreicht.

Wenn man mit f,- den Zeitpunkt bezeichnet, in welchem die Integratoren 76 und 78 in die Meßstellung gebracht werden und mit X₁ <_ _x den Zeitpunkt, in welchem die Kippschaltung 93 von 1 auf 0 kippt, wodurch das Ende einer Periode gekennzeichnet wird, so können die zwischen r₀ und I₁ einschließlich ablaufenden Vorgänge nach einem Programm durchgeführt werden, dessen kennzeichnende Zeitpunkte von i_a durch vorbestimmte Zeitdauern getrennt sind, wobei der Zeitpunkt r₀ einer Periode im übrigen mit dem Zeitpunkt f_{; + 1} der vorangehenden Periode zusammenfällt.

Die einzige für das Programmierglied 30 erforderliche Information ist daher diejenige, welche auf dasselbe vom Ausgang der Kippschaltung 93 gegeben wird. Daher sind vorsorgliche Verzögerungen, welche gleich denjenigen sind, die oben für das Spektrometer gemäß F i g. 2 angegeben wurden, auch hier zu berücksichtigen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Man kann beispielsweise als Zeitmeßanordnung mit zwei Einstellungen einen von einem Taktgeber gespeisten Zähler verwenden, wobei der Taktgeber für zwei Zeitmeßanordnungen gemeinsam sein kann. Beispielsweise in dem Fall, das E = constans ist, liefern diese beiden Anordungen zwei Zahlen N₁ und N₀, welche jeweils proportional zu T₁ und T₀ sind, und es ist leicht, die eine durch die andere mittels eines Rechengliedes zu teilen und den Quotienten mittels eines Digital-Analog-Wandlers in ein analoges Signal umzuwandeln.

Andererseits kann man bei der in F i g. 4 gezeigten Anordnung einen einzigen Integrator statt der Integratoren 76 und 77 verwenden, wobei der Bezugskanal den Integrator auflädt und der Probekanal denselben entlädt, wenn durch einen Umschalter ermöglicht wird, daß der Ausgang der Anordnung IOC abwechselnd direkt oder über einen Polaritätsumschalter mit dem Eingang dieses Integrators verbunden wird.

Statt die Polarität vor diesem Integrator umzuschalten, kann man das gleiche Ergebnis erzielen indem man die Polarität des auf den Synchron detektor des Spektrometers gegebenen Bezugssignal umschaltet, je nachdem, ob der eine oder ande^ri Kanal den optisch-elektrischen Detektor speist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Infrarotspektrometer mit zwei Strahlengängen, deren einer die zu untersuchende Probe aufnimmt und deren anderer als Bezugs-Strahlengang dient, einem die Strahlung der beiden Strahlengänge empfangenden Empfänger, welcher ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der empfangenen Strahlungsintensität abgibt, einem Wellenlängenwähler, einer optischen Umschalteinrichtung zum abwechselnden Beleuchten der beiden Strahlengänge und mit einem Registriergerät, welches an einem Eingang ein von der Stellung des Wellenlängenwählers abhängiges Signal und an einem zweiten Eingang ein von einer an den Ausgang des Empfängers angeschlossenen Schaltung erzeugtes Signal empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgang des Empfängers (6) angeschlossene Schaltung (8) so ausgeführt ist, daß sie bei Beleuchtung des ao ersten Strahlengangs das Ausgangssignal des Empfängers über eine Zeitdauer (T₀) integriert, in deren Verlauf das integrierte Signal einen Wert (E) erreicht, wobei eine dieser beiden Größen im voraus festgelegt ist, daß sie bei Beleuchtung des zweiten Strahlengangs das Ausgangssignal des Empfängers über eine veränderliche Zeitdauer (T₁) integriert, in welcher das integrierte Signal den gleichen Wert (E) erreicht, und daß das von ihr zum zweiten Eingang des Registriergeräts (9) gelieferte Signal von dem veränderlichen Verhältnis (/ = Γ,/Γ_ο) der beiden Integrationszeiten (T₀, T₁) abhängt.

2. Infrarotspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgang des Empfängers (6) angeschlossene Schaltung (8) einen mit dem Ausgang des Empfängers verbundenen Integrator (71) mit zwei Stellungen (Meßstellung und Speicherstellung) und zwei jeweils einem der beiden Strahlengänge des Spektrometer zugeordnete Zeitmeßanordnungen (72, 75) mit zwei Stellungen (Meßstellung und Speicherstellung) enthält, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die bei Beleuchtung des ersten Strahlengangs den Integrator (71) und die dem ersten Strahlengang zugeordnete Zeitmeßanordnung (72) gleichzeitig in die Meßstellung bringt und diese Meßanordnung in die Speicherstellung bringt, wenn das Ausgangssignal des Integrators (71) einen vorbestimmten Wert (E) erreicht hat, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die bei Beleuchtung des zweiten Strahlengangs den zuvor auf Null zurückgestellten Integrator (71) und die diesem zweiten Strahlengang zugeordnete Zeitmeßanordnung (75) gleichzeitig in die Meßstellung bringt und diese Meßanordnung in die Speicherstellung bringt, wenn das Ausgangssignal des Integrators (71) den vorbestimmten Wert (E) erreicht hat.

3. Infrarotspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Zeitmeßanordnungen einen Integrator (72, 75) mit zwei Stellungen (Meßstellung und Speicherstellung) enthält und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Spannung mit konstantem Wert an den Signaleingang des Integrators (72, 75) anlegt, während sich dieser in der Meßstellung befindet.

4. Infrarotspektrometer nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß fünf Integratoren (71 72, 73, 74, 75) mit zwei Stellungen vorgesehei sind, von denen der erste Integrator (71) der mi dem Ausgang des Empfängers (6) verbundene Integrator ist, der zweite Integrator (72) zu de: dem ersten Strahlengang zugeordneten Zeitmeßanordnung gehört und der fünfte Integrator (75; zu der dem zweiten Strahlengang zugeordneter Zeitmeßanordnung gehört, daß der Signaleinganc des zweiten Integrators (72) mit einer Konstantspannungsquelle (U) verbunden ist, daß dei Signaleingang des dritten Integrators (73) mil dem Ausgang des zweiten Integrators (72) verbunden ist, daß der Signaleingang des vierten Integrators (74) mit der Konstantsspannungsquelle (U) verbunden ist, daß der Signaleingang des fünften Integrators (75) mit dem Ausgang des vierten Integrators (74) verbunden ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche im Verlauf jedes der Auswahl einer Wellenlänge entsprechenden Meßzyklus, nachdem der erste Integrator (71) und der zweite Integrator (72) gleichzeitig in die Meßstellung und der zweite Integrator (72) in die Speicherstellung gebracht worden sind und bevor der erste Integrator (71) und der fünfte Integrator (75) gleichzeitig in die Meßstellung gebracht werden, gleichzeitig den dritten Integrator (73) und den vierten Integrator

(74) in die Meßstellung und sodann den vierten Integrator (74) in die Speicherstellung bringen, wenn das vom dritten Integrator (73) integrierte Signal einen vorbestimmten Wert erreicht hat, und daß der Ausgang des fünften Integrators

(75) über wenigstens eine Verbindung mit dem zweiten Eingang des Registriergeräts (9) verbunden ist.

5. Infrarotspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des fünften Integrators (75) mit dem zweiten Eingang des Registriergeräts (9) einerseits über ein lineares Anpassungsglied (22) und andererseits über ein logarithmisches Anpassungsglied (20) verbunden ist.

6. Infrarotspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zeitmeßanordnung einen Zähler enthält, an dessen Signaleingang Impulse mit konstanter Folgefrequenz angelegt werden, während sich die Zeitmeßanordnung in der Meßstellung befindet.

7. Infrarotspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgang des Empfängers (6) angeschlossene Schaltung (8) wenigstens einen mit dem Ausgang des Empfängers verbundenen Integrator (77) mit zwei Stellungen (Meßstellung und Speicherstellung) und eine Zeitmeßanordnung (78) mit zwei Stellungen (Meßstellung und Speicherstellung) enthält, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die während der Beleuchtung des ersten Strahlengangs den Integrator (77) für eine feste Zeitdauer (T₀) in die Meßstellung und anschließend in die Speicherstellung bringt, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die während der Beleuchtung des zweiten Strahlengangs die Zeitmeßanordnung (78) für die Zeitdauer (T₁), in deren Verlauf der integrierte Wert des Ausgangssignals des Empfängers den vorher in den Inteerator (77Ϊ se-

speicherten Wert (E) erreicht, in die Meßstellung Schwächungsglied mit veränderlicher Dichte in einen]

und anschließend in die Speicherstellung bringt, großen Wellenlängenbereich verwendbar ist. Schwä

und daß das dem zweiten Eingang des Registrier- chungsglieder nach Art von Kammblenden verf

geräts (109) zugeführte Signal in vorbestimmter Ursachen bei den gegebenen großen Wellenlänge: Weise vom Ausgangssignal der Zeitmeßanord- 5 der verwendeten Strahlungen störende Beugungs

nung (78) abhängt. erscheinungen, welche mit der Wellenlänge veränder

8. Infrarotspektrometer nach Anspruch 7, da- Hch sind. Schließlich wird der Signal-Rauschabstand durch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßanordnung durch den Strahlengang bedingt, dessen Absorptioij einen Integrator (78) mit zwei Stellungen enthält, größer ist.

an dessen Signaleingang eine Spannung (U) mit io Wenn man ein elektrisches Schwächungsglied stat

konsvantem Wert angelegt wird, während er sich eines optischen Schwächungsgliedes verwendet, be

in der Meßstellung befindet. seitigt man die beiden ersten obengenannten Nach

9. Infrarotspektrometer nach Anspruch 7, da- teile, jedoch nicht den dritten. Dagegen entsteht eir durch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßanord- anderer Nachteil, nämlich, daß man am Ausgang des nung einen Zähler enthält, an dessen Signal- 15 Empfängers zwei getrennte Verstärkerschaltungen eingang Impulse mit konstanter Folgefrequenz hat. Dadurch werden die Ergebnisse bei Abwandeangelegt werden, während sich die Zeitmeß- rungen dieser beiden Verstärkerschaltungen veranordnung in d-r Meßstellung befindet. fälscht, da sich im allgemeinen diese Abwanderungen