Vorrichtung zur kolorimetrischen Prüfung von Flüssigkeiten und der in ihnen enthaltenen Substanzen mit Photozellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kolorimetrischen Prüfung von Flüssigkeiten und der in ihnen enthaltenen Substanzen mit Photozellen.
Bei einem Kolorimeter, in dem photoelektrische Messelemente zur Messung des durch einen Stoff hindurchgelassenen Lichtes verwendet werden, müssen diese Messelemente häufig zur Erzielung genauer Messwerte auf einer konstanten Temperatur gehalten werden; denn Temperaturänderungen können die vom photoelektrischen Messelement erzeugten Spannungen beeinflussen. Wenn ein Vergleichskolorimeter vorliegt, in dem zwei photoelektrische Messelemente verwendet werden, müssen beide Messelemente für eine richtige Messung auf derselben Temperatur gehalten werden. Dies ist insbesondere bei photoelektrischen Messelementen auf der Basis von Silizium der Fall, die empfänglicher für Temperaturschwankungen sind, wenn sie auch wesentlich lichtempfindlicher als photoelektrische Messelemente auf der Basis von Selen sind.
Die Verwendung photoelektrischer Messelemente auf der Basis von Silizium wird dann als notwendig erachtet, wenn das Kolorimeter sehr geringe Stoffmengen in einem flüssigen Medium, z. B.
Siliziumdioxyd in Wasser, anzeigen soll. Ein starker Gehalt an Siliziumdioxyd in dem einem Dampfkessel zugeführten Wasser ist wegen der nachteiligen Wirkung auf die Kesselleitungen und auf die Turbinenschaufeln nicht zulässig.
Zur Feststellung von Siliziumdioxyd im Wasser werden dem Wasser Reagenzien zugesetzt, die eine Molybdänblau-Reaktion hervorrufen, bei der Licht im Wellenlängenbereich zwischen 800 und 815 m, m, d. h. im nahen Infrarotbereich, durchgelassen wird.
Da photoelektrische Messelemente auf der Basis des Selens nur für Licht im Wellenbereich bis zu 625 m, u empfindlich sind, müssen für diese Art Messungen photo elektrische Messelemente auf der Basis des Siliziums verwendet werden.
Das Ziel der Erfindung ist eine Temperaturkompensation, so dass jegliche änderung der von den photoelektrischen Messelementen abgegebenen Spannung, die auf Temperaturschwankungen zurückzuführen ist, nicht die Messungen der Lichtdurchlässigkeit beeinflusst.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur kolorimetrischen Prüfung von Flüssigkeiten und der in ihnen enthaltenen Substanzen mit Hilfe von Photozellen ist dadurch gekennzeichnet, dass mit je einer Photozelle ein Heissleiter in unmittelbarem wärmeleitendem Kontakt steht, und dass die von der Temperatur abhängigen elektrischen Eigenschaften dieser beiden Elemente derart einander entsprechend gewählt sind und die Schaltung derart ausgebildet ist, dass die durch die Temperatur bewirkte Spannungs- oder Widerstandsänderung der Photozelle durch eine Widerstandsänderung des Heissleiters kompensiert wird.
Zum besseren Verständnis wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schaltbild eines kolorimetrischen Registriergeräts.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Thermistors, der mit einem photoelektrischen Messelement in Wärmekontakt steht.
Ein Kolorimeter 10 mit zwei Strahlengängen enthält eine einzige Lichtquelle 12, von der aus Lichtstrahlen 14 und 16 auf zwei seitlich versetzte Reflektoren in Form konkaver Spiegel 18 und 20 geworfen werden. Vom Reflektor 18 aus wird das Licht als Strahl durch eine Öffnung 24 in einer Lichtabschirmung 26 geworfen und hinter dieser Öffnung durch einen entsprechenden Halter oder Behälter 28 mit einem Vergleichsmaterial oder einer Bezugssubstanz zu einem photoelektrischen Messelement 30 hindurchgelassen. Das Vergleichsmaterial oder die Bezugssubstanz ist ein farbloses leeres Gefäss oder eine farblose Lösung.
In ähnlicher Weise wird das Licht vom konkaven Spiegel 20 aus als Strahl 32 durch eine Öffnung 34 in einer Lichtabschirmung 36 und durch einen Behälter oder eine Durchflusszelle 38 für eine zu untersuchende Probe zum photoelektrischen Mess- element 40 hindurchgelassen. Je nach Wunsch können Filter 42 vorgesehen sein, durch die das Licht hindurchgeht, bevor es die Bezugsflüssigkeit oder die Probe erreicht. Die photoelektrischen Messelemente 30 und 40 sind gegensinnig in Reihe geschaltet; es sei bemerkt, dass das photoelektrische Messelement 30 in einem Kreise L1 und das photoelektrische Messelement 40 in einem Kreise L2 liegt, und dass diese Kreise mittels einer Leitung 42 gegenpolig untereinander verbunden sind.
Die Ausgangsspannung des Messelements 30 wird einem in den Kreis L1 eingeschalteten Schleifdrahtpotentiometer 44 und die Ausgangsspannung des photoelektrischen Messelements 40 einem Potentiometer 46 im Kreis L2 zugeführt. Das Potentiometer 46 dient dem Zwecke, ein Registriergerät R auf einen Wert einzustellen, der einer 100prozentigen Lichtdurchlässigkeit einer farblosen Substanz oder eines Stoffes ohne Farbkonzentration entspricht. Innerhalb des Kreises L1 ist ein Potentiometer 48 vorgesehen, das als Bereich- oder Nulleinstellung bei Verstellen seiner Anzapfung 50 arbeitet.
Durch die Erregung der photo elektrischen Messelemente 30 und 40, die durch Lichteinfall verursacht wird, entstehen innerhalb der Kreise L1 und L2 entsprechende Ströme. Der Strom innerhalb des Kreises L2 erzeugt einen Spannungsabfall am Potentiometer 46 und der Strom innerhalb des Kreises L1 einen Spannungsabfall am Schleifdrahtpotentiometer 44. Der an den Potentiometern erzeugte Spannungsabfall oder ein Teil dieses Spannungsabfalls wird einem üblichen Abgleichsystem 52 zugeführt. Das Abgleichsystem enthält eine Wandlerstufe 54, die vorzugsweise von einem Gleichspannungs-Wechsel- spannungs-Wandler mit mechanisch schwingender Zunge gebildet wird. Die von diesem Wandler abgegebene Wechselspannung wird über einen Transformator 56 einer Verstärkerstufe 58 zugeleitet.
Die Spannungsdifferenz zwischen den Anzapfungen 68 und 72 der Potentiometer 44 und 46 wird auf den Wandler 54 übertragen. Die vom Verstärker 58 abgegebene Spannung wird der einen Wicklung 60 eines Zweiphasenmotors 62 zugeleitet, während die andere Wicklung 64 von einer Wechselstromquelle 66 erregt wird. Der Motor 62 wird entsprechend der an der Stufe 54 angelegten Spannung betätigt; von ihm wird der Kontaktarm 68 des Schleifdrahtpotentiometers 44 über eine Welle 70 angetrieben; längs dieser Welle, die - ebenso wie ein Teil 73 - mit Gewinde versehen ist, wird mittels dieses Teiles der Kontaktarm 68 und ein Zeichenstift 74 bewegt. Durch die Bewegung der Anzapfung 68 wird das System auf einen Punkt abgeglichen, bei dem keine Eingangsspannung am Wandler 54 vorhanden ist und somit der Motor 62 zur Ruhe kommt.
In einem Registriergerät R üblicher Art schreibt der genannte Zeichenstift 74 die Bewegung des Kontaktarmes 68 auf einem Registrierstreifen 76 auf, der von einem entsprechenden Mechanismus (nicht gezeigt) in Richtung eines Pfeils 78 angetrieben wird, so dass eine Aufzeichnung auf dem Registrierstreifen entsteht; der Stift 74 ist dabei so angebracht, dass er sich längs der Welle 70 hin und her bewegt. Von dem Registriergerät wird die Beziehung zwischen dem von der Probe hindurchgelassenen Licht und dem durch die Vergleichslösung hindurchgelassenen Licht aufgezeichnet und kann in Prozenten ausgedrückt werden.
Zur Erzielung genauer Messwerte müssen die photoelektrischen Messelemente 30 und 40 denselben äusseren Bedingungen unterworfen sein, damit alle Unterschiede zwischen den von diesen Elementen erzeugten Spannungen allein auf den Unterschied zwischen dem durch die Vergleichslösung und dem durch die Probe hindurchgelassenen Licht zurückzuführen sind. Wenn man zur Anzeige geringer Mengen Siliziumdioxyd in Wasser die zuvor erläuterte Messapparatur mit dem Kolorimeter benutzt, wobei Licht mit einer Wellenlänge von etwa 800 m, u durchgelassen wird, müssen die sehr empfindlichen, photoelektrischen Messelemente auf der Basis des Siliziums und nicht weniger empfindliche photoelektrische Messelemente z. B. auf der Basis von Selen verwendet werden.
Die photoelektrischen Messelemente auf der Basis des Siliziums sind temperaturempfindlich; bei einer gegebenen Lichtdurchlässigkeit erzeugen sie eine Spannung, die annähernd linear abnimmt, wenn die Temperatur des photoelektrischen Geräts ansteigt.
Eine etwaige ungleichmässige Erwärmung der photoelektrischen Messelemente 30 und 40 verursacht daher einen Unterschied zwischen den von den beiden Elementen erzeugten Spannungen, der nicht allein auf eine unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit der Probe und der Vergleichslösung, sondern auf den Temperaturunterschied und auf die Abhängigkeit der Spannung von der Temperatur der photoelektrischen Messelemente zurückzuführen ist. Um Spannungsunterschiede zu vermeiden, die allein auf Temperaturschwankungen der photoelektrischen Elemente zurückzuführen sind, ist eine Temperaturkompensation in den beiden Zweigen L1 und L2 vorgesehen. Da die Temperaturkompensation für beide Zweige dieselbe ist, wird nur eine beschrieben.
Parallel zu dem Messelement 30 in dem Kreise L1 ist ein Belastungswiderstand 80 und eine Reihenschaltung des Potentiometers 48 mit dem Heissleiter (Thermistor) 82 geschaltet.
Bekanntlich besitzt ein Thermistor einen negativen Temperaturkoeffizienten, so dass mit steigender Temperatur der Widerstand des Thermistors an nähernd linear im Bereich zwischen etwa 25 und 60 C abnimmt. Wenn der Kreis des photoelektrischen Messelements mit einer derartigen Kompensierung versehen ist, wirken sich die von dem photoelektrischen Messelement infolge einer Temperaturzunahme erzeugten, abnehmenden Spannungen nicht auf den Belastungswiderstand 48 aus, so dass die Spannung am Belastungswiderstand 48 konstant bleibt. Die Kennlinie des Heissleiters (Thermistors) 82, d. h. die an ihm auftretende Spannung, als Funktion der Temperatur aufgetragen, muss eine Neigung zeigen, die mit der Neigung der Kurve der erzeugten Spannung als Funktion der Temperatur des zu kompensierenden photoelektrischen Messelements übereinstimmt.
Dies ist leicht durch Einsetzen eines veränderbaren Parallelwiderstandes 84 zu dem Heissleiter zu erreichen.
Durch Verstellung einer Anzapfung 86 des Parallelwiderstandes 84 ist die richtige Charakteristik der Spannung am Heissleiter als Funktion der Temperatur für ein spezielles photoelektrisches Messelement zu erhalten. Damit der Heissleiter denselben Temperaturänderungen wie das photoelektrische Messelement ausgesetzt ist, ist die Anordnung ferner so getroffen, dass der Heissleiter mit demselben in Wärmekontakt steht. In Fig. 2 ist der Heissleiter 82 gezeigt, der an dem photoelektrischen Messelement 30 mit entsprechenden, nicht besonders dargestellten Hilfsmitteln angebracht ist.
Zusammenfassend betrachtet, ist eine Temperaturkompensation vorgesehen, durch die die am Ausgang des Kreises des photoelektrischen Messelements auftretende Spannung für eine vorgegebene Farbkonzentration einer zu analysierenden Probe konstant bleibt, wenn sich die vom photoelektrischen Messelement selbst abgegebene Spannung bei Temperaturschwankungen ändert.
Gemäss dem Beerschen Gesetz ändert sich die Farbkonzentration einer Substanz oder eines Stoffes mit dem Logarithmus der Lichtdurchlässigkeit der Substanz oder des Stoffes. Wenn man ein veränderbares Schleifdrahtpotentiometer mit linearer Charakteristik benutzt, in dem durch gleich grosse Verschiebungen der Schleifdrahtanzapfung infolge der logarithmischen Beziehung zwischen der Farbkonzentration und der Luftdurchlässigkeit gleich grosse Anteile der Spannung zur Erzielung von Abgleichspannungen erzeugt werden, zeigt eine aus einer Registrierung verschiedener Proben bekannter Konzentration hergestellte Eichkurve die Neigung, sich an ihrem einen Ende zu versetzen oder abzukrümmen, so dass es schwierig ist, die Konzentrationen der Proben zu bestimmen oder abzulesen, die längs des versetzten Abschnittes der Kurve abfallen.
Falls der Reihe nach Proben bekannter Farbkonzentration durch die Durchflusszelle 38 hindurchströmen, deren Farbkonzentration 5, 10, 30, 50, 70, 80, 90, 100, 150, 200 bzw. 300 Einheiten beträgt und solange keine zusätzliche Kompensation vorhanden ist, werden für die verschiedenen Proben auf dem Streifen 76 Kurvenspitzen aufgezeichnet, wie sie als gestrichelte Linien angezeigt und als unkompensiert zu bezeichnen sind. Der Prozentsatz an Licht, das durch die verschiedenen Proben hindurchgegangen ist und aus ihnen austritt, ist als Skala am linken Rand des Registrierstreifens 76 angegeben. Das Schleifdrahtpotentiometer 44 wird dann kompensiert, so dass die Spannungen an der Anzapfung 68 zueinander logarithmisch in Beziehung stehen, selbst wenn der Widerstand des Schleifdrahtes sich linear mit der Bewegung der Anzapfung ändert.
Dies erfolgt durch Parallelschalten von Schleifdrahtabschnitten mit Widerständen von vorgegebenem Wert, die gemäss Fig. 1 mit an geeigneten Punkten des Schleifdrahtes vorgenommenen Anzapfungen desselben verbunden sind.