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Photometer zur Auswertung von Spektren
Bei der quantitativ,en spektrochemischen
Analyse besteht ein wesentlicher Teil der analytischen Aufgalle darin, in dem oft
sehr linienreichen Probenspektrum bestimmte Linien bzw. Liniengruppen aufzusuchen
und sie zwecks genauer Gehaltsbestimmung zu photometrieren. Das Aufsuchen ist zeitraubend.
und ein Irrtum bedingt schu-ere, später nur schlecht auffindhare Fehler der spektrochemischein
analyse.
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Zur Erleichterung des Auffindens bestimmter Liniengruppen lei der
photometrischen Niessung das wegen des kleinen Bildfeldes der üblichen Photometerkonstruktionen
recht schwierig ist, hat man die auszuwertenden Spektren zunächst mittels eines
Projektors projiziert, die auszumessenden Linien mit Hilfe von Vergleichsspektren
oder Lehren aufgesucht und mit einer Ntarkiernadel angerissen. Die so gekennzeichneten
Linien werden dann mit Hilfe eines Photometers ausgemessen. In letzter Zeit hat
man schließlich auch versucht, das Photometer mit einem Hilfsprojektionssystem zu
versehen und oberhalb des Meßspalts ein zum
lProbespektrum ausgerichtetea
Testspektrum mit markierten Analysenlinien, in gleichem Maßstab vergrcsß'ert wie
das Probespektrum, zu projizieren.
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Die Nachteile vorstehender -Arbeitsweisen sind folgende: I. Die Markierung
mit Hilfe von Reißnadseln ist sehr zeitraubend, da der Photometrierung das Anreißen
aller zu messenden Linien, d. h. die Durch musterung aller Spektren einer Platte
unter Zuhilfenahme von Projektor und Lehren bzw. Vergl eichsspektren vorausgehen
mlrß. B,edenklicll ist weiterhin, daߢ die Linien beim Anreißen leicht verletzt
werden und gelegentlich ihre Iennzeichnung nicht so eindeutig gelingt, daß Irrtümer
ausgeschlossen sind.
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2. Die Vergleichsproj ektion eines Testspektrums mit markierten Analysenlinien
mit Hilfe eines entsprechend konstruierten Photometers ist günstiger; sie zwingt
aber noch immer ~ zu einer genauen Durchmusterung des gesamten Testspektrums, da
die Lage der Analysenlinien bei selten vorkommenden analytischen Aufgaben dem Analytiker
nicht immer geläufig ist.
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Es wurde nun gefunden, daß man die genannten Schwierigkeiten leicht
überwinden und zu einer nahezu vollautomatischen Ausmessung kommen kann, wenn man
außer dem Mleßspalt am Photometer einen weiteren Spalt, den Steuerspalt, sowie eine
zweite Photoz,elle, die Steuerzelle, vorzieht und dafür sorgt, daß die Steuerzelle
immer dann eine Beleuchtungsänderung, insbesondere Verdunklung, erfährt, wenn sich
das Projektionsbild einer Analysenlinie über den Meßspalt bewegt. Dler steuernde
Lichtimpuls wird von einer besonderen Steuereinrichtung gegeben, die je nach den
vorliegenden analytischen Aufgaben einstellbar und damit allgemein brauchbar gestaltet
werden kann oder in Form unveränderlicher, auswechselbarer Lehren auf die Fälle
beschränkt bleibt, für welche Lehren lohnend sind, d. h. für Sefienarbeiten. Die
neue Steuereinrichtung besteht.z. B. darin, daß auf einer gemeinsam mit dem Plattenschlitben
oder doch von diesem abhängig bewegten Platte, Kreisscheibe oder auch einer Walze
oder Biändern aus lichtdurchlässigem Stoff lichtundurchlässige Marken angebracht
sind; diese werden vergrdßert auf den Steuerspalt projiziert und sind in ihrem Abstand
so eingestellt bzw. die festen Lehren sind so hergestellt worden, daß sie den Steuerspalt
immer dann z. Bl. verdunkeln, wenn sich über den Mßspalt das Projektionsbild einer
Analysenlin6e bewegt.
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Die von den Marken bewirkte Änderung der Belichtung und damit des
Photostroms der Steuerzelle löst dann, gegebenenfalls nach geeigneter XFèrstärkung,
ein optisches oder akustisches Signal aus und öffnet einen vor der Meßzelle angebrachten
elektrischen Verschluß, Versieht man den Platten schlitten des Photometers mit einem
Antriebsmotor, so ist es leicht möglich, zusätzlich zur Signalgabe und Freigabe
der Meßzelle mit Hilfe der Steuerzelle den Plattenschlitten zu stoppen, wenn sich
das Projektionsbild einer Analysenlinie auf dem Meßspalt befindet, oder den Motor
von Schnellgang auf Langsamgang umzuschalten bzw. ein entsprechendes Getriebe einzulegen,
so daß' das Schwärzungsmaximum der Analysenlinien beim langsamen Durchlauf des Plattenschlittens
abgelesen werden kann.
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Verstärkt man auch den Photostrom der Meßzelle z. B. mit Hilfe eines
lichtelektrischen Verstärkers, so kann man die Schwärzung der Analysenlinien mit
einem Zeigerinstrument messen bzw. sogar mittels eines schreibenden Strommessers
vollautomatisch aufzeichnen. Der Antriebsmotor der Schreibwalze des Strommessers
wird hierbei zweckmäßig auch von der Steuerzelle geschaltet.
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Ein Ausführungsbeispiel einer zur Auswertung von Spektren nach vorstehend
beschriebenem Verfahren mit unveränderlichen, auswechselbaren Lehren geeigneten
Vorrichtung zeigt Abb. I. Das Licht einer Lichtquelle I fällt über ein Prisma 2
und den Kondensor 3 durch eine Aussparung des Plattentisches 4. Dieser ist senkrecht
zur Zeichenebene, also in der Diispersionsrichtung der zu projizierenden Probenspektren
auf den Gleitschienen 5 verschiebbar. Auf dem Plattentisch 4 befindet sich der rahmenartige
Plattenträger 6. Derselbe trägt die Probenplatte7 und ermöglicht ihre Verschiebung
senkrecht zur D'ispersionsrichtung, so daß jedes einzelne Spektrum der Probeuplatte
projiziert werden kann. Das Io- bis 3ofach vergrößerte Proektionsbild des ausgeleuchteten
Spektrenausschnitts wird mit Hilfe des Objektivs 8 und des Prismas g auf dem Blildschirm
10 entworfen. In diesen ist der verstellbare Meßspalt IeI eingelassen, hinter dem
sich, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Optik, die Meßzelle I2 befindet.
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Je nach der Schwärzung der Spektrallinie, deren vergrößertes Bild
auf dem Meßspalt entworfen wird, erhält man einen größeren oder kleineren Photostrom
der unmittelbar oder nach Verstärkung gemessen bzw. registriert wird. Ein Teil des
Lichts von Lichtquelle I fällt über das Prisma 2' und den Kondensor 3' durch eine
zweite Aussparung des Plattentisches 4, in welche die Steuerplatte I3 eingelegt
wird. Auf der Steuerplatte I3 befindet sich als Lehre, welche die Signalgabe bzw.
Steuerung auslöst, ein Positiv des Spektrums der zu untersuchenden Stoffart, z.
B. einer AIuminiumlegierung, in welchem nur die auszumessenden Linienpaare und gegebenenfalls
Kennzeichnungen derselben hell auf dunklem Grund erscheinen, während alle bei der
Auswertung nicht interessierenden Linien mittels Abdeckfarbe abgedeckt bzw. auf
phototechnischem Wege entfernt worden sind. Über dem steuernden Positiv, unmittelbar
an dieses angr.nzend und zu ihm in der Dispersionsrichtung ausgerichtet, befindet
sich auf der Steuerplatte das Negativ eines Spektrums des Grundelements der zu untersuchenden
Stoffart. Dlas Grundelementspektrum, das gemeinsam mit dem Lehrenspektrum projiziert
wird, ermöglicht die Ausrichtung der in gleichem MIQ13stab vergrößerten Probenspektren
zum Lehrenspektrum. Das Objektiv 8' und das Prisma g' entwerfen nun auf, dem Bildschirm
10 einen dem Bildausscbnitt des Probenspektrums ent-
sprechenden,
gleich star!: vergrößerten Ausschnitt der Steuerplatte, derart, daS das Bild des
zur Ausrichtung dienenden Grundelementspektrums unmittelbar unter dem Nießspalt,
das Bild des Steuerspektrums aber in Hibe des Steuerspalts entsteht.
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Zur Ausrichtung von Probenspektren und Lehrenspektrum zueinander finden
die üblichen Mittel (Drehtisch, Kreuztisch) Anwendung. Dlie hinter dem Steuerspalt
14 befindliche Steuerzelle Itj schaltet über Reinrelais oder Verstärker den Antriebsmotor
I6, der den Plattenschlitten 4 mittels der Spindel I7 bewegt, aus oder um und löst
zugleich ein optisches oder akustisches Signal aus und c.ffnet einen vor der Meßzelle
angebrachten elektrischen X erschluß.
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Um der mechanischen Trägheit der Fördereinrichtung Rechnung zu tragen,
empfiehlt es sich vielfach, das Abstoppen oder Umschalten des Motors durch gleichzeitig
gesteuerte Einschaltung elektrischer Bremsen zu unterstützen. Ferner wählt man die
Linien im Lehrenspektrum etwas breiter als im Probenspektrum und bzw. oder verschiebt
den Steuerspalt in der Dispersionsrichtung etwas gegen den Meßspalt, so daß der
Steuervorgang um die Ansprechzeit verfrüht ausgelöst wird.
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Einrichtungen vorstehend beschriebener Art können in verschiedener
Weise ausgestaltet werden; beispielsweise könllen die die Lehren tragenden Platten
oder Filme nach dem Patent 745 889 auf einem endlosen Band oder einer Walze angeordnet
werden und diese so ins Auswertegerät eingebaut werden, daß jedes der Steuerspektren
in die für Projektion und Steuerung notwendige Stellung gebracht werden kann. Man
hat so den Vorteil, alle oder doch sehr vilele Lehrenplatten fest ins .Ruswertegerät
einbauen zu können.
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Für eine allgemein brauchbare Auswerteeinrichtung sind statt fester
Lehren Einrichtungen erforderlich, die es ennöglichen, nach Ausrichtung des Probenspektrums
auf der Steuerplatte bei jeder gewünschten Wellenlänge eine Niarke anzubringen,
die deren Lichtdurchlässigkeit ändert und so den Steuervorgang auslöst. Da es bei
linienreichen Spektren schwierig ist, die Marken auf einer nur 24 cm langen Steuerplatte,
die den Bgereich- von 2000 bis jooo AE umfaßt, mechanisch, z. B. mittels Reißnadel
oder Tuschefeder, rasch und doch ansreichend genau anzubringen, muß durch besondere
Maßahmen eine starke Vergrößerung der Steuerplatte erreicht werden: Die A.ntriebsspindd
-. des Plattentisches betreibt über ein Präzisionsschneckengetriebe eine Trommel
aus lichtdurchlässigem Stoff, auf welcher ein Filmband bzw. ein Band aus stark durchscheinendem
Papier befestigt wird. Hat die Trommel einen Umfang von etwa 220cm und macht sie
bei vollem Durchgang des Plattenschlittens mit der Probeplatte eine Umdrehung, so
sind die Abstände der Steuermarken auf der Steuerplatte, die hier zum Steuerband
wird, etwa Iomal so groß wie die Abstände der entsprechenden Linien der Probeuplatte.
Noch wesentlich höhere Vergrößerung kann man erreichen, wenn man von der Steuertrommel
zum steuernden Filmband.übergeht: Auf der Antriebsspindel des Plattenschlittens
sitzen zwei Zahnräder, die ein perforiertes Filmband von einer \~orratsspule abwickeln;
eine kräftige Feder oder ein Zuggewicht sorgt dafür, daß. das Filmband stets gestrafft
ist und heim Rückspulen wieder auf der Vorratsspule aufgewickelt wird.
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Besonders rasch und leicht anzubringende Steuermarken sind feine
Tusche- oder Farbstoffstriche; zweckmäßig verwendet man hierzu das Meßwerk und die
Schreibfeder eines schreibenden Strommessers. Wird bei der gewünschten Wellenlänge
ein Stromstoß durch das Meßv.«erk geschickt, so zeichnet die Schreibfeder auf dem
Film- oder Papierband eine Marke senkrecht zur .Bewegungsrichtung von Trommel oder
Filmband.
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Die Einstellung der gewünschten Wellenlängen erfolgt mit Hilfe einer
Präzisionswellenlängenteilung des verwendeten Spektrographen, die am Plattenschlitten
befestigt ist. Beim Bewegen des Plattenschlittens wandert ein sehr stark vergrößertes
E:ild der Teilung an einem mit Marke versehenen Bildfenster vorbei; bei entsprechender
Einrichtung der Probenplatte kann man die Wellenlänge der Linie, deren Projektionsbild
auf den WIeESspalt oder eine Justiermarke fällt, in diesem Bildfenster ablesen.
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Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Auswertung von Spektren
mit Hilfe von allgemein anwendbaren Steuereinrichtungen zeigen die Abb. 2, 2a und
3.
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Abb. 2 entspricht hinsichtlich des Meßteiles der Abb. I, wobei der
vor der Meßzelle angebrachte Ä-erschlüß: I18 eingezeichnet ist. Neben dem MePr spalt
11 und zu ihm parallel befindet sich hier eine Justiermarke. Über der Aussparung
2!2 des Plattentisches befindet sich eine Glasplatte 19 mit einer nach der Dispersionskurve
des Aufnahmegeräts, z.B. eines Quarzspektrographen Qu 24, geteilten Ätellenlängenskala
höchster Präzision. Die Linse 8' und die Prismen g' und 20 entwerfen ein sehr stark
vergrößertes Bild eines kleinen Teiles der Skala auf dem mit Einstellmarke versehenen
Blildfenster 21. Die Probienplatte wird mit Feinbewegung so weit in der Dispersionsrichtung
verschoben, bis das Bild einer bekannten Linie des Probenspektrums, deren genaue
Wellenlänge auf die Einstellmarke des Bildfensters 2'I eingestellt wurde, genau
auf der neben dem Meßspalt angebrachten Justiermarke entworfen wird.
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Die Steuereinrichtung zeigt Abb. 2 a. D!as mit der Antriebsspindel
17 des Plattentisches 4 gekuppelte Schneckengetriebe 23 dreht die Steuertrommel
24 aus lichtdurchlässigem Stoff. Die Untersetzung ist hierbei so bemessen, daß die
Trommel beim Durchlauf des gesamten Probenspektrums etwa eine- Umdrehung macht.
Als Trommeldurchmesser wählt man z. B. 60 bis s!0 cm. Neben der Trommel befindet
sich das Meßwerk Z5 eines schreibenden Strommessers mit der Schreibfeder 26, die
auf dem auf der Steuertrommel befestigten Film- oder Papierstreifen aufliegt. Schickt
man durch das Meßwerk 215 einen Strom, so bewegt sich die Schreibfeder 26 und erzeugt
eine lichtundurchlässige,
zur Dlrehachse der Trommel 24 parallele
Marke 27, eine -5-teuermarke, auf dem Streifen. Innerhalb der Steuertrommel befindet
sich eine Lichtquelle 2s, deren Licht. über den Kondensor 29 durch Trommel und Streifen
fällt und mittels der Linse 30 ein vergrölelertes Bild der Marken auf den Steuerspalt
14 entwirft. Hinter diesem befindet sich die Steuerzelle I'5, die Signalgabe und
Steuerung veranlaßlt.
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D(urchbentsprechende Anbringung der Justiermarke und der Schreibfeder
26 wird dafür gesorgt, daß auch das B:ild der Marke 27t auf den Steuerspalt Iq fällt,
wenn das Blild der zugehöirigen Linie von der Justiermarke bis zum Meßspalt gelangt
ist. Z;ur Erzeugung der Steuermarken 27 braucht man daher nach Ausrichtung des Probenspektrums
nur die gewünschten Wellenlängen, z. B. n = 3248 AE auf der Einstellmarke des Bildfensters
21 einzustellen und durch kurze Kontaktgabe das Meßwerk ag mit der Schreibfeder
26 zu betätigen.
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Eine Ausführung mit fortlaufendem Filmband zeigt Abb. 3. Plattenschlitten,
Meßoptik und Wellenlängeneinstellung entspricht der Abb. 3. Die Welle 3I, welche
starr mit der Transportspindel für den Plattenschlitten verbunden ist, trägt eine
kleine Rolle 32 mit den Zahnkränzen 33. Diese greifen in die Perforation eines Filmstreifens
34, der noch zusätzlich durch eine kleine Federplatte gegen die Rolle gedrückt wird.
Bei Drehung der Transportspindel wird der Film durch die Zahnkränze 33 transportiert
und von der drehbar angeordneten Vorratstrommel 35 abgewiclçelt. Eine Spiralfeder
36 strafft sich beim Abwickeln des Filmbandes und spannt dasselbe zwischen 35 und
32. Dlie Mafiderung bewirkt man mit dem schreibenden Meßwerk 2i5., die Steuerung
erfolgt von Lichtquelle 28s über Kondensor 29, Steuermarke 27, Abbildungslinse 30
und Steuerspalt I48 durch die Steuerzelle 15.
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Mit vorstehenden Beispielen sind die möglichen Ausführungs formen
keineswegs erschs,pft. Vielmehr kann man durch an sich bekannte Mittel weitere Vereinfachungen
der Bedienung und Verbesserungen erreichen. Erwähnt seien die Anbringung mechanisch
oder lichtelektrisch ausgelöster Endaus-bzw. Emdumschalter für den Steuermotor,
die nach Art eines Setztabulato-rs längs einer technischen Wellenlängenteilung verschiebbar
sind und die Durchmessung der Platte auf den notwendigen Bereich beschränken, die
Anwendung von zwei Synchronmotoren verschiedener Drehzahl zur Erreichung definierter
Transportgeschwindigkeit und der Einsatz der Streulicht verminderndenv'orspalte
auch für das steuernde Projektionssystem.
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Weitere Vorteile bieten sich, wenn man einen zweiten Steuerspalt
mit einer zweiten Steuerzelle und auf den Steuerpiatten unterm Steuerspektrum bzw.
auf Steuerfilm oder Streifen neben der beschriebenen eine weitere Reihe Steuermarken
anbringt. Man kann dann z. B. in mit vorgeschaltetem Stufenfilter aufgenommenen
Probespektren einzelne Analysenlinien in der geschwächten, andere in der ungeschwächten
Stufe ausmessen: die zweite Reihe Steuermarken veranlaXt Lichtimpulse auf die zweite
Steuerzelle kurz bevor die in der geschwächten Stufe auszumessende Linse über den
Meßspalt geführt wird und unterbricht ihn kurz vor der nächsten ungeschwächt auszumessenden
Linie. Der hierdurch ausgelöste Photostrom der zweiten Steuerzelle bewirkt entweder
eine Bewegung des die Probenplatte tragenden Plattenrähmchens senkrecht zur Dispersionsrichtung
oder eine geringe Kippung des Umlenkprismas g (Abb. 2). Man kann z. B. auf einem
Plattentisch einen Rahmen auf Schienen mittels Zahnstange und Trieb verschieb,bar-anordnen.
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Der Rahmen trägt auf Schienen einen Plattenrahmen und einen kleinen
Spezialelektromotor mit Doppel-T-Anker und Schleifringen. Eine Feder 7 drückt diesen
Rahmen gegen einen auf der Welle des Elektromotors sitzenden Nocken. Wird die Wicklung
des Motors von Gleichstrom durchflossen, so erstrebt der Anker eine bestimmte Stellung
im Magnetfeld; der Nocken dreht sich und der Rahmen wird verschoben. Die Drehung
des Ankers und die Verschiebung wird durch verstellbare Anschläge begrenzt.
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Blei Anwendung eines kippbaren Umlenkprismas trägt dieses einen Hebel
aus ferromagnetischem Material. Letzterer wird zwischen zwei einstellbaren Elektromagneten',
die von der Steuerzelle ein- bzw. ausgeschaltet werden, hin und her gezogen.
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Es ist schließlich auch möglich, mit einem Steuerspalt mehrere Steuervorgänge
auszulösen, wenn man durch verschiedenfarbige Steuermarken Impulse mit verschiedenfarbigem
z. B. blauem und rotem Licht gibt und das durch den Steuerspalt gefallene Licht
nach Teilung auf eine blauempfindliche Zelle mit Blaufilter und eine rotempfindliche
Zelle mit Rotfllter einwirken läl3,t. Die eine Zelle steuert dann z. B'. Signalgabe
und Antrieb des Plattentisches, die andere die Bewegung des Plattenrahmens.