DE826644C - Photoelektrisches Kolorimeter - Google Patents

Description

(WlGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 3. JANUAR 1952

ρ 28453 IXa/42 h D

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf photoelektrische Kolorimeter mit einer Lichtquellle, einem Filter, einem Behälter, der ein das von dieser Quelle kommende Licht absorbierendes Mittel enthält, und einem Mikroamperemeter zur quantitativen Feststellung der Wirkung des von dieser Quelle ausgehenden Lichtbündels auf eine P'hotozelle.

Die Erfindung hat insbesondere zum Zweck, diese Apparate so auszubilden, daß sie besser als bisher den Erfordernissen der Praxis entsprechen. Zu diesem Zweck ist in dem erfindungsgemäßen Kolorimeter die Photozelle auf einer zu der Achse des Lichtbündels senkrechten Achse angebracht, wobei die Achse der Zelle in der geometrischen Ebene ihrer lichtempfindlichen Oberfläche liegt und durch handbetätigte Mittel verdreht werden kann. Weitere Verbesserungen und Ausgestaltungen dieser Erfindung bilden den Inhalt der Ansprüche 2 bis 4.

Die Zeichnungen zeigen als Beispiel eine Ausfü'hrungsform der Erfindung.

Fig. ι zeigt schaubildlich (unter Wegbrechung einiger Teile) ein photoelektrisches Kolorimeter, auf welches der Erfindungsgegenstand angewandt ist;

Fig. 2 zeigt in ähnlicher Weise eine Abwandlung der Zelle und des Rdgelmechariismus dieses Kolorimeter s ;

Fig. 3 zeigt ein Schaubild, in welchem die Drehwinkel der Zelle in Grad auf der Abszissenachse angegeben sind, während die relativen Stromänderungen als Ordinaten aufgetragen sind, wobei die in diesem Schaubild gezeigten Kurven A und B die Ergebnisse zeigen, die erhalten wurden, wenn dlie Dreihachse in der Mitte der Zelle bzw. an einem Rand der empfindlichen Oberfläche der Zelle lag; Fig. 4 ist ein Schaubild der Bedingungen, die

vorliegen, wenn sich die ZeMe um eine zentrale Achse dreht;

Fig. 5 zeigt ein Schaubild der Bedingungen, die in dem gleichen Fall auftreten, wenn man ein divergierendes Lichtbündel verwendet;

Fig. 6 zeigt ein Schaubild der Bedingungen, die herrschen, wenn die Zelle sich um eine an einem ihrer Ränder der empfindlichen Oberfläche angeordnete Achse dreht.

ίο Ein photoelektrisc'hes Kolorimeter enthält im allgemeinen ein Miikroamperemeter mit beschränktem Meßbereich, woraus sich ergibt, daß, wenn man mehrere Filter für verschiedene, in geeignetem Lösungsmittel gelöste Farbstoffe verwendet, die relativen Lichtabsorptionen sich so stark bei einem bestimmten Stoff bei der Konzentration NuM und wegen des besonderen benutzten Filters ändern können, daß d'ie Lichtabsorption so klein wird, daß die so durch das einfallende Licht erregte Zelle einen Strom gibt, der den Meßbereich des Mikroamperemeters übersteigt.

Man muß daher Mittel anwenden, um zu erreichen, daß selbst für die Konzentration Null einer beliebigen besonderen Salzlösung die Angabe des Mrkroamperemeters nicht seinen Meßbereich überschreitet. Außerdem muß die Vorrichtung der Bedienungsperson gestatten, eine solche Regelung vorzunehmen, daß für eine beliebige gegebene Farbsubstanz der Konzentration Null, welche in einem beliebigen geeigneten Lösungsmittel aufgelöst ist, eine Maximalablesung auf dem Mikroamperemeter erhalten werden kann.

Fig. ι zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung, mit der man eine solche Regelung erhalten kann, daß man trotz der Veränderungen der Lichtstärke auf die elektrischen Veränderungen der Zelle so einwirken kann, daß man bei einem absorbierenden Mittel der Konzentration Null nicht den Meßbereich des Mikroamperemeters überschreitet, dabei aber gleichzeitig eine Maximalablesung in der Zone der Angaben oder der Teilung des Instruments erhalten kann.

Das schematisch auf Fig. 1 gezeigte Kolorimeter enthält eine Lichtquelle 1, einen Filterhalter 2, an welchem mehrere verschieden gefärbte Filter 3, 4 und 5 angebracht sind, einen Behälter 6 zur Aufnahme eines das Licht absorbierenden Mittels, eine Photozelle 7 und ein Mikroamperemeter 8. Das Licht der Quelle 1 durchdringt nach Durchquerung eines Filters 3, 4 oder 5 das in dem Behälter 6 enthaltene absorbierende Mittel und trifft auf die Photozelle 7, wodurch ein auf, dem Mikroamperemeter 8 abgelesener elektrischer Strom entsteht. Das Filter könnte auch zwischen der Zelle 7 und dem absorbierenden Mittel 6 angebracht werden.

Wenn der Behälter 6 eine Lösung der Konzentration Null enthält, trifft die maximale, von der Quelle 1 gelieferte Lichtstärke die Zelle 7 und erzeugt in dieser die maximale Stromänderung, <Jie einen bedeutenden Ausschlag des Zeigers des Mikroamperemeters 8 hervorruft. Der Ausschlag dieses Zeigers kann so groß werden, daß er über die Teilung des Instruments hinausgeht.

Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung des Wertes der elektrischen Änderung in der Zelle 7 dadurch, daß die Zelle 7 auf einem Drehzapfen 9 angebracht wird, um den sie verdreht werden kann. Dieser Drehzapfen 9 befindet sich in der geometrischen Ebene der empfindlichen Oberfläche 10 der Zelle. Der Drehzapfen 9 trägt ein Zahnrad 11, welches mit einer Schnecke 12 im Eingriff steht, die an einer Stange 13 befestigt ist, welche in Lagern 14 und 15 gelagert wird und einen gerändelten Knopf 16 trägt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel liegt d'ie Achse des Drehzapfens 9 nicht nur in der geometrischen Ebene der Oberfläche 10, sondern fällt auch mit der Mittellinie dieser Oberfläche zusammen.

Das geometrische Zentrum der Oberfläche 10 liegt auf der Achse des von der Lichtquelle 1 ausgehenden Lichtbündels.

Auf diese Weise kann man die empfindliche Oberfläche 10 so einstellen, daß sie genau einen rechten Winkel mit der Achse dieses Bündels bildet. Für diese Stellung erhält man eine maximale elektrische Änderung in der Zelle 7. Wenn diese Änderung zu groß ist, betätigt man den Knopf 16, um die Zelle 7 mehr oder weniger zu drehen, bis sich die Anzeige des Mikroamperemeters am Ende des Maximalwertes der Teilung befindet, wenn das absorbierende Mittel in dem Behälter 6 die Konzentration Null besitzt. Auf diese Weise regelt man die Lichtstärke nicht nur so, daß die von ihr verursachten elektrischen Änderungen in dem Meßbereich des verwendeten Mikroamperemeters liegen, sondern man erhält eine Maximalablesung für ein absorbierendes Mittel der Konzentration Null.

Es ist notwendig, daß das geometrische Zentrum der empfindlichen Oberfläche sich stets auf der Achse des von der Quelle 1 ausgehenden Lichtbündeis befindet, wenn die empfindliche Oberfläche einen rechten Winkel mit der Achse dieses Bündels bildet, es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Achse des Drehzapfens durch das geometrische Zentrum der empfindlichen Oberfläche geht. Man kann diese Achse außerhalb des Zentrums anbringen, und zwar selbst am äußersten linken oder rechten Rand dieser Oberfläche.

In Fig. 2 ist eine Abwandlung gezeigt, bei welcher die Achse des Drehzapfens 17 an eine beliebige Stelle der ganzen Breite der empfindlichen Oberfläche 10 gebracht werden kann.

Man kann jedes geeignete Mittel benutzen, um die Zelle so zu halten, daß sie um eine zwischen den beiden äußeren Rändern der empfindlichen Oberfläche gelegene Achse verdreht werden kann, insbesondere die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung. In diesem Fall weist die Rückseite der Zelle 18 Gleitschienen 19 auf, die zwischen den waagerechten Führungen 2CJ und 21 gleiten können, die an einem Halter 23 angebracht sind, so daß die Zelle 18 in der Richtung des Pfeiles 22 oder in entgegengesetzter Richtung verstellt werden kann. Der Halter 23 wird auf einem Drehzapfen 17 befestigt, der in einem Sockel 24 gelagert ist, der mit der Zelle 18 in der einen oder der anderen Richtung

zwischen Führungen 25 und 26 verschoben werden kann. Wenn sich der Rand 27 des Sockels gegenüber dem Nullstrich der auf der Führung 26 angebrachten Teilung 28 befindet, und wenn die Marke 29 der Zelle 18 dem Nullstrich der auf der Führung 20 angebrachten Teilung 30 gegenüberliegt, so Hegt das geometrische Zentrum der empfindlichen Oberfläche 10 auf der Achse des Lichtbündels.

Unter diesen Bedingungen kann die Zelle 18 um den Drehzapfen 17 verdreht werden, und ihre Achse geht unmittelbar durch das geometrische Zentrum der empfindlichen Schicht 10 und liegt in der Ebene dieser Schicht.

Wenn man die Zelle 18 um eine Achse zu verdrehen wünscht, die nicht durch das geometrische Zentrum der Zelle geht, so verstellt man den Sockel 24 in der gewünschten Richtung und verschiebt hierauf die Zelle 18 in den Gleitschienen 20 und 21, wobei die Amplitude und der Sinn dieser Verstellung der Verstellung des Sockels entgegengesetzt sind, so daß das geometrische Zentrum der empfindlichen Schicht wieder auf die Achse des Lichtbündels zurückgeführt wird. Man wünscht im allgemeinen die Achse des Drehzapfens 17 an den Außenrand der empfindlichen Schicht 10 zu verlegen, z. B. an den Rand 31.

Nachdem die Stellung der Zelle so geregelt wurde, daß ihr geometrisches Zentrum auf die Achse des Lrchtbündels fällt, kann man die Zelle auf den gewünschten Wert einstellen, indem man das Rädchen 32 betätigt, welches über eine Stange 33 und ein Universalgelenk 34 mit einer Schnecke 35 verbunden ist, welche mit einem auf dem Drehzapfen 17 befestigten Schneckenrad 36 im Eingriff steht.

Dieser Drehzapfen kann auch statt lotrecht waagerecht sein.

Das zur Veränderung des Wertes des durch die Zelle verursachten elektrischen Stromes verwendete Verfahren ergibt in dem Fall eines Lichtbündels mit parallelen Strahlen keinerlei Verwicklung oder Ungenauigkeit, da die die Zelle treffende Lichtstärke unmittelbar mit dem Kosinus des Drehwinkels veränderlich ist, wenn die Drehachse durch das geometrische Zentrum der empfindlichen Schicht geht.

Wenn man sich eines divergenten oder konvergenten Lichtbündels bedient, folgt der gesamte Ausgangsstrom ebenfalls im wesentlichen einem Kosinusgesetz, aber man erhält Abweichungen, deren Einfluß in Fig. 3 gezeigt ist.

Wenn man eine konstante Lichtquelle mit einem divergenten oder konvergenten Bündel benutzt, und wenn sich die Zelle um eine durch ihr geometrisches Zentrum gehende Achse dreht, so erhält man die Kurve A der Fig. 3, welche einer Verstellung der Zelle in Abhängigkeit der relativen Stromänderungen entspricht. Es ist zu bemerken, daß diese Abhängigkeit für jede Drehung der Zelle zwischen 45 und 90⁰ linear ist.

Wenn sich die Drehachse am Rand der empfindlichen Oberfläche befindet, erhält man die Kurve B, welche zeigt, daß die Abhängigkeit für eine Drehung zwischen Null und 70⁰ annähernd linear ist.

In dem Schaubild der Fig. 3 bezeichnen die Ordinaten die relative Energieübertragung des Filters. Man sieht, daß es für Filter, deren Energieübertragung etwa zwischen 100 °/o und 30 %> schwankt, besser ist, die Zelle um einen im Zentrum angeordneten Drehzapfen zu verdrehen, daß es aber in dem Fall, wo das Filter so ausgebildet ist, daß die Übertragung zwischen etwa Null und 60% schwankt, vorteilhafter ist, einen außerhalb des Zentrums, insbesondere am Rand der empfindlichen Oberfläche angeordneten Drehzapfen zu verwenden.

Wenn man ein divergierendes oder konvergierendes Bündel benutzt, und wenn die Veränderung nicht einen gegebenen Wert übersteigt, ist sie vernachlässigbar. Um festzustellen, ob bei einem divergierenden oder konvergierenden Bündel in einem beliebigen Sonderfall die Veränderung in den zulässigen Grenzen bleibt, muß man zu mathematischen Betrachtungen greifen.

Wenn ein Lichtbündel mit parallelen Strahlen auf die Oberfläche AB einer Zelle fällt, die sich um eine zu der Achse OL dieses Bündels senkrechte Achse dreht (Fig. 4), so kann man annehmen, daß die Beleuchtung dieser Oberfläche AB eine Dichte σ je Flächeneinheit hat. Wenn nun S der Gesamtflächen und W dem Gesamtfluß der auf die Zelle wirkenden Lichtenergie entspricht, so kann man schreiben: S · σ = W.

Wenn die Oberflächen AB um einen Winkel α auf einer zu der Achse OL des Lichtbündels senkrechten Achse verdreht wird, so erhält man eine neue Dichte O₁, und die Beziehung zwischen σ und O₁ kann durch O₁= σ cos α ausgedrückt werden.

Da ο zwischen Null und 90⁰ veränderlich ist, schwankt der Kosinus zwischen 1 und Null, die auf die Flächet" fallende Gesamtenergie ist daher:

W₁ = f σ cos α dS .
Ό

Da die Oberfläche AB konstant und gleich S bleibt, erhält man W = a S cos a.

Die obige Gleichung stellt die auf eine Oberfläche S fallende Lichtenergie in Abhängigkeit von dieser Oberfläche und dem Kosinus des Drehwinkels dar.

Die obige mathematische Betrachtung zeigt, daß bei Benutzung eines parallelen Lichtbündels zur Photokolorimetrie die auf eine Zelle fallende Lichtenergie in geeigneter Weise in der gesamten Zone zwischen der größten Stärke und Null durch eine Drehung der Zelle um eine zu der Achse des Lichtbündeis Senkrechte geregelt werden kann.

Wenn man ein divergentes oder konvergentes Lichtbündel an Stelle eines parallelen Bündels benutzt, folgt der gesamte Ausgangsstrom ebenfalls dem Kosinusgesetz. iao

In dem Fall eines divergenten Lichtbündels (Fig. 6), welches von der in einer Entfernung D von dem Zentrum O einer Photozelle angebrachten Quelle S ausgeht, kann die auf den Punkt M der Oberfläche der mit der allgemeinen Achse OS einen 1*5 Winkel α bildenden Zelle fallende Lichtenergie fol-

gendermaßen für ein bei M befindliches Flächenelement dS geschrieben werden:

dE

cos α dS .

Das Flächenelement dS ist gleich IdR, worin / die Länge der Oberfläche der Zelle und dR ein Elementarzuwachs ihrer Breite längs o~M = R ist.

Man muß nun den Wert OM und des Kosinus in ίο Abhängigkeit von a, R und D ausdrücken, was bei Benutzung des Schaubildes der Fig. 5 keinerlei Schwierigkeit bietet.

Man erhält schließlich die allgemeine Differentialgleichung:

dE = E₀D I ccs a — _:Γ- . (1)

(R² + Z)² — ζ DR sin df

Die auf die empfindliche Oberfläche fallende Gesamtenerigie ist gegeben durch:

+ R

E = E_nD I cos a

dR

J (R¹ + W— 2 DA sin a)²

— R

wobei bei R die einzige Veränderliche für einen bestimmten Wert von α ist.

Der Wert des obigen Integrals kann leicht berechnet werden und ergibt die allgemeine Gleichung der Veränderung der Lichtstärke in Abhängigkeit von dem Drehwinkel.

Die Gesamtstromstärke I des von der Zelle erzeugten Stromes, falls sich diese um eine zu der allgemeinen Achse des Lichtbündels senkrechte Achse dreht, wird durch die Gleichung 2 gegeben:

I = KE_n D I cos α \ —

— ι

(R² + D² — 2 DR sin a) + (R — D sin α) ΥR* + D²'— ζ DR sin a J — R

In dem Sonderfall, daß D — 10 cm und R= ι cm, erhält man für die verschiedenen Werte des Winas kels α zwischen Null und 90⁰ für die Größe in der Klammer einen konstanten Wert a = 0,002 unabhängig von dem Winkel o.

Die Stromstärke / verändert sich also genau wie der Kosinus des Winkels α.
Da die Gleichung 2 allgemein gültig ist, gilt sie

= KE₍₎Dlcosa\ —

[(R* + D² + 2 DR sin a) — (R + D sin a) VR² + D² + 4 D sin

_/ 1 + Ä

in α D²(I — sin a) J — R

In dieser Gleichung ist / die Stromstärke in Mikroampere, K der Empfindlichkeitskoeffizient der Zelle, E₀ die Lichtstärke der Lichtquelle in Kerzen, D ist der Abstand (in Zentimetern) des Zentrums der Zelle von der Lichtquelle oder ihrem Bild, L ist die senkrechte Länge (in Zentimetern) der Zelle, ο ist der Winkel, den die Zelle mit einer zu der durch das Zentrum der Zelle und die Lichtquelle gehenden Geraden senkrechten Ebene bildet, und R ist der Abstand (in Zentimetern) vom Rand zu dem Zentrum der Zelle.

Wenn man die Werte für verschiedene Winkelstellungen berechnet, so erhält man die beiden in Fig. 3 gezeigten Kurven A und B.

auch für den Sonderfall, wo die Drehachse der Zelle sich nicht im Zentrum befindet, sondern exzentrisch liegt und sich z. B. am Rand der Oberfläche der empfindlichen Schicht befindet (Fig. 6), wobei die Drehachse bei A liegt und somit um den Betrag R exzentrisch ist. Die die Stromstärke angebende Gleichung 3 hat für diesen Fall folgende Form:

Die zulässige Grenze für die Dichteschwankung der Lichtstärke zwischen den Außenrändern der Zelle, wenn diese einen Winkel mit der Achse des Lichtbündels bildet, darf nicht 20% überschreiten, d. h. ± 10% zwischen jedem Rand und der Mitte. Wenn man annimmt, daß sich der am weitesten entfernte Rand in einer Entfernung von + R von der Lichtquelle und der am wenigsten entfernte bei — R befindet, und wenn man 20% als größtmögliche Veränderung der Leuchtdichte annimmt, so kann man die auf Gleichung 1 beruhende Gleichung folgendermaßen schreiben:

0,20

(R² + D² — 2 DR sin a) (R²+ D²+ 2 DR sin a)-

worin die Zeichen dieselbe Bedeutung haben wie in Gleichung 3.

Wenn die Rechnung zeigt, daß die Veränderung 20% nicht überschreitet, so ist die Regelung der Zelle zufriedenstellend. Wenn die Rechnung zeigt, daß man 20⁰/o überschreitet, so ist die Regelung für den betrachteten Fall unrichtig, und man muß andere Maßnahmen treffen, indem man z. B. ein paralleles Lichtbündel wählt oder eine Photozelle mit einer empfindlichen Oberfläche benutzt, deren Ebene mit der Achse des Lichtbündels einen dem rechten Winkel näherliegenden Winkel bildet.

Wie es selbstverständlich ist, und wie es bereits aus vorstehendem hervorgeht, ist die Erfindung keineswegs auf die besonders angegebenen Anwendungsformen oder Ausführungsformen ihrer verschiedenen Teile beschränkt, sondern umfaßt im Gegenteil auch alle Abwandlungen.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ίο i. Photoelektrisches Kolorimeter mit einer

   Lichtquelle, einem Filter, einem Behälter, der ein das von dieser Quelle kommende Licht absorbierendes Mittel enthält, und einem Mikroamperemeter zur quantitativen Feststellung der Wirkung des von dieser Quelle ausgehenden Lichtbündels auf eine Photozelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle auf einer zu der Achse des Lichtbündels senkrechten Achse angebracht ist, so daß die Achse der Zelle in der geometrischen Ebene ihrer lichtempfindlichen Oberfläche liegt und durch 'handbetätigte VTittel verdreht werden kann.
2. 2. Kolorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Zelle auf einem Halter angebracht ist, der durch handbetätigte Mittel in einer zu dem Lichtbündel senkrechten Ebene so verstellt werden kann, daß das geometrische Zentrum der empfindlichen Oberfläche der Zelle auf die Achse des Lichtbündels gebracht werden kann, und daß die Zelle um ihre Achse verdreht werden kann.
3. 3. Kolorimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle um eine durch das geometrische Zentrum der empfindlichen Oberfläche gehende Achse, um eine durch den Rand der empfindlichen Oberfläche gehende Achse oder um eine zwischen diesem Zentrum und diesem Rand liegende Achse verdreht werden kann, so daß die Drehachse stets in der geometrischen Ebene der empfindlichen Oberfläche liegt und stets senkrecht auf der Achse des Lichtbündels steht.
4. 4. Kolorimeter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Gesamtheit folgender Merkmale: a) Auf der Achse (17) ist ein Zahnrad (36) befestigt, das durch handbetätigte Mittel (32) gedreht werden kann; b) die Achse (17) wird von einem Teil (24) getragen, der gleitend senkrecht zu der Achse des Lichtbündels verstellt werden kann; c) die Achse (17) trägt einen Halter (23), in dem die Zelle (18) in einer zu der Achse des Lichtbündels senkrechten Ebene verstellt werden kann; d) die lichtempfindliche Oberfläche (10) der Zelle (18) liegt in derselben Ebene wie die Achse (17); e) die Zelle (18) und ihr Halter (23) sind senkrecht zu der Achse des Lichtbündels in beiden Richtungen verschiebbar angeordnet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   θ 2652 12.51