-
Pumpe zum Zuführen einer spektroskopisch zu untersuchenden Flüssigkeit
in eine Flamme Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Zuführen einer Flüssigkeit
mit konstanter Geschwindigkeit an eine Zerstäubervorrichtung, insbesondere an die
Flamme eines Spektralapparates oder Photometers, unter Anwendung eines Flüssigkeit
enthaltenden Gefäßes, welches eine Abflußleitung für die Flüssigkeit und eine Zuflußleitung
für ein die Flüssigkeit durch die Abflußleitung verdrängendes Gas besitzt, wobei
die Gaszuflußleitung an eine Vorrichtung hohen Drukkes angeschlossen ist. Insbesondere
eignet sich die Pumpe zum Erzeugen von Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,01
com/min und 3 ccm/min.
-
Im allgemeinen wird bei spektralanalytisch-photometrischen Untersuchungen
von Flammen die zu untersuchende Substanz der Flamme mittels eines pneumatischen
Zerstäubers zugeführt. Die Saugwirkung infolge des Venturieffektes, den eine mit
hoher Geschwindigkeit am Ende eine Kapillare vorbeiströmende Gasströmung bewirkt,
hat zur Folge, daß die Flüssigkeit, die dem Rohr von der anderen Seite zugeführt
wird, dasselbe durchströmt und beim Eintreten in die Gasströmung zerstäubt wird.
Das zum Zerstäuben dienende Gas führt die zerstäubte Substanz zur Flamme, wobei
das Gas einen Bestandteil der Flamme bildet.
-
Bei pneumatischen Zerstäubern hängt die Menge der Flüssigkeitsströmung
von der Saugwirkung ab, welche wiederum durch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases
bedingt ist. Es kann daher die Flüssigkeitsströmung nicht unabhängig von der Strömung
des der Flamme zugeführten Gases eingestellt werden.
-
Es ist aber an sich wünschenswert, unabhängig diese Variablen einstellen
zu können, so daß man zu optimalen Mischungsverhältnissen gelangen kann. Die Aufgabe
der Erfindung besteht darin, bei einer Flüssigkeitspumpe der erörterten Art die
Strömungsgeschwindigkeiten unabhängig voneinander einzustellen.
-
Bei pneumatischen Zerstäubern ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases sich zufällig ändert,
was bei teilweisem Verstopfen der Austrittsöffnung des Gases durch Schmutzteile
eintreten kann; auch ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, wenn
zufällig Änderungen in der gegenseitigen Anordnung der Teile des Zerstäubers auftreten,
was beispielsweise durch Erhitzung durch die Flamme oder durch Verschieben einer
nicht genau befestigten Kapillare oder durch Anhäufen von Salzrückständen an dem
vorderen Ende der Kapillaren oder der Gasaustrittsöffnung sich ergeben kann. Es
hängt auch die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung von der Art des benutzten
Gases und von der Natur der Flüssigkeit ab. Anwesenheit von Wasserstoff, der sehr
schnell diffundiert, in der Nähe des Endes der Kapillaren verringert beträchtlich
die Saugwirkung. Wird daher beim Zerstäuber Wasserstoff verwendet, so ergibt sich
eine sehr viel geringere Saugwirkung, als bei einer entsprechenden Strömung eines
schweren Gases auftritt. Da die Flüssigkeit selber einen Teil der Umgebung des offenen
Endes der Kapillare bildet, ist es erklärlich, daß verschiedene Flüssigkeiten, die
verschiedenen Gasdruck, verschiedene Dichte haben, verschiedenen Einfluß auf die
Saugwirkung ausüben. Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitspumpe, die nicht auf
Saugwirkung beruht und die daher von den Zufälligkeiten bei auf Saugwirkung beruhenden
Pumpen nicht abhängig ist.
-
Es kommt hinzu, daß, wenn eine Flüssigkeit strömt, die Saugwirkung
gegen einen hydrostatischen Druck wirken muß. Die Flüssigkeit wird im allgemeinen
vertikal zugeführt, und zwar meistens nach oben. Änderungen in dem hydrostatischen
Druck der Flüssigkeit äußern sich in Änderungen der für den Pumpvorgang zur Verfügung
stehenden Saugwirkung. Solche Änderungen können auftreten, wenn die zu untersuchende
Flüssigkeit in der Niveauhöhe im Becher oder Trichter abnimmt. Dadurch ergibt sich
allmählich eine Ab-
nahme der Flüssigkeitsströmung. Die Erfindung
bezweckt daher, daß die von der Pumpe erzeugte Strömungsgeschwindigkeit unabhängig
von der Menge der Flüssigkeit im Vorratsgefäß ist.
-
Die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsströmung hängt weiter davon ab,
daß der Strömungswiderstand, welchen die Kapillare für die Flüssigkeit darstellt,
konstant ist. Dieser Strömungswiderstand hängt von dem Durchmesser der Bohrung der
Kapillaren und von der Viskosität der Flüssigkeit ab. Wenn sich diese beiden Größen
ändern, ändert sich auch die Strömungsgeschwindigkeit. Daher behindern Teilchen,
die sich in einer engen Kapillare absetzen, die Flüssigkeitsströmung, und das gleiche
tritt bei Niederschlägen auf, die sich an der Innenwandung der Kapillaren bilden.
Blutplasma bildet leicht solche Niederschläge.
-
Die Schwierigkeiten werden um so größer, je enger die Kapillaren sind.
Enge Kapillarröhren, d. h. Röhren hohen Strömungswiderstands, sind wünschenswert
bei photometrischen Untersuchungen von Flammen, weil sie zu hohen Saugwirkungen
bei hohen Gasdrücken führen, was mit feiner Zerstäubung und günstiger Erregung der
Flamme verbunden ist und wobei sich auch nur ein geringer Einfluß des hydrostatischen
Druckes bemerkbar macht, während die Strömung der zu untersuchenden Flüssigkeit
so niedrig ist, wie es für eine günstige Erregung der in der Substanz enthaltenen
Elemente zweckmäßig ist. Die günstigsten Bedingungen ergeben sich in dieser Beziehung
bei Kapillarröhren, die einen Durchmesser von weniger als t/o mm haben, wobei dann
die Gefahr der Verstopfung sehr groß ist.
-
Ein Kapillarrohr verstopft sich auch sehr leicht durch Luftblasen,
die auf diese Weise die Flüssigkeitsströmung beeinträchtigen. Solche Luftblasen
setzen sich leicht in der Kapillaren ab in Anbetracht der Verringerung des Druckes,
der bei Eintreten der Flüssigkeit sich ergibt. Auch diese Nachteile werden mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung behoben.
-
Ein auf pneumatischer Wirkung beruhender Zerstäuber pumpt die Flüssigkeit
mit einer Geschwindigkeit an, die von der Zähigkeit der Flüssigkeit abhängt. Die
Zähigkeit hängt wiederum von der Natur der Flüssigkeit, der Konzentration und der
gelösten Stoffe und der Temperatur ab. Ein flammenphotometrisches Meßverfahren bildet
eine Relativmessung; die zu untersuchende Substanz muß immer mit einer Normallösung
verglichen werden. Dabei ist es außerordentlich wichtig, daß die zu untersuchende
Flüssigkeit und die Normallösung mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit fließen.
Da aber die zu untersuchende Substanz häufig nicht bekannt ist, ist es dann unbequem,
eine Normallösung gleicher Viskosität herzustellen. Auch geringe Unterschiede in
der Temperatur von Flüssigkeiten können zu beträchtlichen Fehlern führen. Erwärmungen
durch die in der Nähe befindliche Flamme oder Abkühlungen durch Verdampfen eines
leicht flüchtigen Lösungsmittels bedingen ähnliche Fehler. Die Erfindung bezweckt
aus diesem Grunde eine Pumpe, die einstellbare Strömungsgeschwindigkeit hat und
im wesentlichen unabhängig von der Viskosität der zu pumpenden Flüssigkeit ist.
-
Zerstäuber, die bei kommerziellen Meßinstrumenten verwendet werden,
sollten hinsichtlich ihrer Abmessungen möglichst gleichartig sein, so daß Austausch
und eine Normalisierung der analytischen Methoden möglich ist. Die Herstellung von
Zerstäubern entsprechend enger Toleranzen ihrer Arbeitsweise ist
außerordentlich
schwierig, da sowohl die Abmessungen selber als auch die Glätte der Flächen starken
Einfluß haben. Obwohl sehr strenge Prüfnethoden Anwendung finden, können jedoch
nie kommerzielle Zerstäuber gegeneinander ausgetauscht werden.
-
Bei der Herstellung von Brennern mit Zerstäubern versucht man im
allgemeinen die Maße entsprechend einzustellen und Gasdrücke in solcher Weise vorzuschreiben,
daß für die meisten analytischen Vorgänge die Intensität in bezug auf die Strömungsgeschwindig
keit der zu untersuchenden Flüssigkeit optimal ist. Es ergibt sich aber leider,
daß verschiedene Spektrallinien oder Banden verschiedener Elemente bei verschiedenen
Strömungsgeschwindigkeiten optimal auftreten. Unter diesen Umständen sind die vorgeschriebenen
Drücke eines mit Zerstäuber arbeitenden Brenners notwendigerweise ein Kompromiß.
Es ist bei einem auf pneumatischer Saugwirkung beruhenden Zerstäuber und Brenner
nicht möglich, gleichzeitig optimaleVerhältnisse inbezug auf Strömungsgeschwindigkeit
des Brennstoffes, Strömungsgeschwindigkeit des Oxydationsmittels und Strömungsgeschwindigkeit
des zu untersuchenden Stoffes zu erzielen. Diese Schwierigkeit ist besonders stark
bei Brennern mit heißen Flammen, beispielsweise Sauerstoff-Azetylen-Mischungen und
bei Sauerstoff-Zyan-Mischungen, bei denen die geringste Abweichung von der optimalen
Zusammensetzung sehr stark die analytische Empfindlichkeit der Messung verringert.
-
Wenn man die Strömungsgeschwindigkeit der zu untersuchenden Substanz
unabhängig von der Flamme einstellen kann, so kann man in manchen Fällen eine beträchtliche
Ökonomie einer kostbaren zu untersuchenden Substanz erreichen. Bei den bisher gebräuchlichen
auf Saugeffekten beruhenden Zerstäubern war dies nicht möglich.
-
Demgegenüber kennzeichnet sich eine erfindungsgemäße Pumpe zum Zuführen
einer Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit an eine Zerstäubervorrichtung dadurch,
daß der Strömungswiderstand für das Gas durch die Zuflußleitung hoch gegenüber dem
Strömungswiderstand der Flüssigkeit durch die Abflußleitung ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit durch die Abflußleitung im wesentlichen nur vom Gasdruck in der
Gaszuflußleitung abhängt.
-
Demnach wird durch eine Pumpe eine konstante, aber einstellbare Gas
strömung erzeugt, indem Gas unter einem bestimmten Druck durch eine sehr feine Öffnung
geleitet wird. Das aus der Öffnung austretende Gas wirkt wie ein Kolben und drückt
Flüssigkeit aus einem geschlossenen Behälter durch eine enge Röhre in den Zerstäuber.
Es kann der die Flüssigkeit enthaltende Behälter dadurch abgeschlossen sein, daß
er gegen einen weichen Dichtungsring gedrückt ist. Die Flüssigkeit kommt auf diese
Weise mit keinen weiteren Gegenständen in Berührung, ausgenommen mit dem Zerstäuber,
an dem nur sehr wenig Flüssigkeit haftenbleibt. Im allgemeinen ist ein Auswaschen
nicht erforderlich. Bei geeigneter Ausbildung des den Becher tragenden Halters und
seiner Bewegungsmittel können sehr schnell die zu untersuchenden Substanzen ausgewechselt
werden.
-
Vorzugsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit auf jeden beliebigen
Wert eines vorgegebenen Bereiches innerhalb weniger Sekunden dadurch eingestellt
werden, daß die enge Durchtrittsöffnung in der Zuflußleitung ausgewechselt wird.
-
Die zu untersuchende Flüssigkeit ist vollkommen eingeschlossen und
von der umgebenden Luft abgetrennt, so daß ein Verdunsten und eine Anderung der
Temperatur und der Konzentration vermieden wird.
-
Die Pumpe kann mit Zerstäubern verwendet werden, und es entfällt
die Notwendigkeit des Reinigens, Waschens, Durchspülens und Auswechselns von Zubehörteilen,
wie Spritzen, Zylindern oder biegsamen Schläuchen. Nur der die zu untersuchende
Flüssigkeit enthaltende Becher, der ein einfacher zylinderischer Becher aus Polyäthylenkunststoff
oder Glas sein kann, muß gründlich gereinigt werden. UnterUmständen kann ein Becher
aus wasserabstoßendem Material, beispielsweise ein Becher, der mit einem solchen
Silikon bekleidet ist, einfach trocken geschüttelt werden, ohne daß eine besondere
Reinigung erforderlich wäre.
-
Die gemäß der Erfindung zur Anwendung gelangende Pumpanordnung der
Flüssigkeiten ist billig und umfaßt keine bewegten Teile und kann an jedem gebräuchlichen
Flammenphotometer oder ähnlichen Instrument leicht angebaut werden.
-
Die Erfindung kann außer zur Spektralanalyse oder photometrischen
Analyse auch bei anderen Anordnungen, beispielsweise bei chromatographischen Anordnungen,
bei Elektrophoreseanordnungen und bei Gärungsanofdnungen, bei denen auch häufig
eine genaue Steuerung einer langsam fließenden Flüssigkeit erforderjich ist, verwendet
werden. Die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen geben nur eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung wieder. Von den Figuren zeigt Fig. 1 eine teilweise
geschnittene Seitenansicht eines Brenners mit Zerstäuber und Pumpe, Fig. 2 einen
vergrößerten Schnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Anordnung.
-
Ein Brenner 10 mit Zerstäuber ist an einem Gestell 11 mittels einer
Klammer 12 befestigt, wobei das Gestell auf einer Grundplatte 13 angeordnet ist.
Ein Zylindermantel 14 mit einer Öffnung 15 ist auf dem Gestell 11 befestigt und
umgibt den Brenner 10. Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff oder Azetylen, wird
dem Brenner über eine Leitung 16 zugeführt, und ein die Verbrennung unterhaltendes
und das Zerstäuben bewirkendes Gas, beispielsweise Sauerstoff, wird dem Brenner
über die Leitung 17 zugeführt. Geeignete Druckregler und Strömungsgeschwindigkeitsregler
können in den Leitungen vorgesehen sein, zu dem Zweck, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Brennstoffes und des Zerstäubungsgases für sich eingestellt werden können. Eine
Kapillare 18 ist an dem Brenner vorgesehen und reicht durch den horizontalen Teil
des Gestelles 11 und einen Dichtungsring 19, welcher an letzterem befestigt ist,
nach unten. Zweckmäßigerweise besteht das Rohr 18 aus einem kurzen Stück eines Injektionsrohres
aus nichtrostendem Stahl.
-
Die Innenanordnung des Brenners und Zerstäubers ist in Fig. 2 gezeigt
und entspricht der USA.-Patentschrift 2714833. Das obere Ende des Rohres 18 endigt
an der Mündung 20. Die Leitung 17, welche das zerstäubende Gas zuführt, steht mit
einer Kammer 21 in Verbindung, die um das Rohr 18 herum eine ringförmige Austrittsöffnung
bildet. Die Leitung 16, welche den Brennstoff zuführt, steht mit einer weiteren
Kammer 22 in Verbindung, welche eine die Mündung 20 des Zerstäubers ringförmig umgebende
Öffnung bildet.
-
Eine weitere Kapillare 25 ist unterhalb des Horizontalteiles des
Gestelles 11 vorgesehen und erstreckt
sich durch die Dichtung 19 nach unten. Dieses
Rohr besteht zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem Stück eines Injektionsspritzenrohres
aus nichtrostendem Stahl. Es sind Mittel vorgesehen, welche dem Rohr 25 ein Gas
mit konstanter Geschwindigkeit zuführen.
-
Im allgemeinen wird dieses Gas dasselbe sein, welches für den Zerstäuber
und als oxydierendes Gas benutzt wird, im allgemeinen Sauerstoff. In Fig. 1 ist
ein Druckbehälter mit Sauerstoff an die Leitung 26 angeschlossen, in welcher sich
ein Druckregulierventil 27 befindet. Der Ausgangsdruck des Reduzierventiles wird
durch ein Nebenventil 28 abgelassen und durch ein Ventil 29 einer Kapillare 30 zugeführt.
Diese Kapillare ist wiederum mit der Kapillare 25 verbunden.
-
Ein Manometer 31 gestattet, den Druck hinter dem Reduzierventil 27
abzulesen.
-
Ein Behälter 34 ist auf einem Tisch 35 angeordnet, so daß er nach
oben gegen den Dichtungsring 19 gepreßt werden kann. Fig. 1 zeigt eine einfache
und zweckmäßige Anordnung, um schnell den dargestellten Behälter anzuheben oder
zu senken oder ihn auszuwechseln. Der Behälter wird durch Federklammern 36 festgehalten.
Der Tisch bewegt sich in vier Führungen 37, die an der Platte 38 vorgesehen sind,
nach oben und nach unten. Ein Hebel 39 ist am einen Ende des Tisches angelenkt.
Ein anderer Hebel ist schwenkbar an der Platte 38 und einem Zwischenpunkt des Hebels
39 befestigt. Die beiden Hebel bilden ein Kniehebelgestänge, welches den Behälter
in seiner oberen Stellung festlegt. Der Hebel 39 kann von Hand gedreht werden, wenn
der Behälter gesenkt werden soll. Wenn der Behälter herabgesenkt ist, kann die Platte
38 gedreht werden um ihren Befestigungszapfen 41, damit der Behälter entfernt oder
ausgewechselt werden kann.
-
Die Kapillare 30 hat einen sehr hohen Strömungswiderstand, verglichen
mit den Kapillaren 25 und 18, so daß die Kapillare 30 die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases in den Behälter 34 bestimmt. Eine solche Kapillare kann beispielsweise
aus einem Stück Edelmetalldraht, beispielsweise Palladiumdraht, bestehen, der in
eine Hartglaskapillare eingeschmolzen ist. Die Strömungsgeschwindigkeit durch die
Kapillare hängt von dem Durchmesser und der Länge des Drahtes ab und der tatsächlichen
Berührungsfläche zwischen Metall und Gas. Typische Strömungsgeschwindigkeiten für
einen zerstäubenden Brenner liegen bei 0,03 bis 0,2 ccm/min, wenn ein Druckunterschied
von 0,07 kg/cm2 zwischen den beiden Enden der Kapillare herrscht. Die Strömungsgeschwindigkeit
kann dadurch geändert werden, daß das Regulierventil der das Gas zuführenden Anordnung
geändert wird. Um größere Unterschiede zu erhalten, können Kapillaren anderer Länge
und anderen Durchmessers verwendet werden.
-
Andere Ausführungsformen können darin bestehen, daß ein zusammengedrücktes
Metallrohr, eine sehr feine Glaskapillare oder ein mit feinem Pulver angefülltes
enges Rohr verwendet wird.
-
Das Reduzierventil 27 wird zweckmäßigerweise so eingestellt, daß
ein Druck von 5 bis 30 psig geliefert wird. Da die Gas strömung durch die Kapillare
in den Behälter sehr gering ist, arbeitet man zweckmäßigerweise so, daß das Nebenschlußventii
28 teilweise offen ist, so daß sich höhere Strömungsgeschwindigkeiten durch das
Reduzierventil und ein besseres Arbeiten desselben ergeben. Das Ventil 28 gestattet
auch, schnell den Druck in der Anordnung zu verringern, ohne
daß
man warten muß, daß das Gas durch die Kapillare 30 abfließt Im Betrieb werden die
Strömungsgeschwindigkeiten des Brenngases und des Zerstäubungsgases ihren gewünschten
Werten entsprechend eingestellt. Ein Behälter mit einer Normalflüssigkeit wird an
die Dichtungsscheibe 19 angesetzt, und es wird die Strömungsgeschwindigkeit der
Flüssigkeit zur Röhre 18 hin in geeigneter Weise eingestellt, indem eine passende
Kapillare 30 und eine geeignete Einstellung des Reduzierventiles 27 ausgewählt werden.
Es wird dann der Behälter gesenkt, und ein Behälter mit der zu untersuchenden Flüssigkeit
wird an das Gestell angesetzt.
-
Die Gas strömung zu der Brennstoffzufuhrleitung und zu der Oxydiermittelleitung
und der Pumpleitung wird nicht unterbrochen, während die eine Flüssigkeit durch
die andere ausgetauscht wird'. Nachdem die gewünschten Messungen durchgeführt sind,
wird ein weiterer Behälter mit zu untersuchender Substanz oder Normallösung in Behältern
in das Gestell eingesetzt und in die Meßstellung gebracht. Die Meßanordnung kann
mit verschiedenen Mengen Flüssigkeit im Behälter betrieben werden, und es können
Behälter verschiedener Größe verwendet werden. Es müssen indessen sämtliche Behälter
ungefähr dieselben Außenabmessungen haben, so daß sie an den Dichtungsring und auf
den Tisch passen.
-
Wenn ein Behälter mit Flüssigkeit in seine Betriebsstellung gemäß
Fig. 1 gebracht ist, wirkt das über die Kapillare 25 zugeführte Gas wie ein Kolben
und drückt Flüssigkeit in dem Behälter nach unten und tritt durch die Abfiußkapillare
18 aus. Der Preßdruck zwischen dem Behälter und dem Dichtungsring muß hinreichend
sein, so daß dichter Abschluß erreicht wird und das Pumpgas im Behälter verbleibt.
Bei dieser Anordnung ist die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die
Kapillare 18 hindurch unabhängig von der Gasströmung in der Zufuhrleitung 16 und
der Geschwindigkeit des Oxydationsmittels in der Leitung 17. Da die Flüssigkeit
durch die Ausgangsleitung gedrückt wird, ergibt sich praktisch kein Verstopfen in
dieser Leitung. Da ferner auch nicht die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
von der Größe der Abflußkapillare abhängt, kann hier eine Kapillare mit verhältnismäßig
großem Durchmesser verwendet werden.
-
Es ist offensichtlich, daß sich im Betrieb zunächst ein Übergangszustand
ergibt hinsichtlich der Strö-
mungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Abflußkapillare,
wenn der Behälter angesetzt wird. Bei einer praktischen Ausführungsform des Meßgerätes
konnte die Zeitkonstante für das Erreichen des ersten Gleichgewichtszustandes auf
ungefähr 1 Sekunde gebracht werden, was ungefähr gleich der Zeitspanne ist, die
man bei derartigen Meßgeräten benötigt, damit die Schwankungen der Photometerflamme
sich abdämpfen.
-
PATBNTANSPR1JCHB: 1. Pumpe zum Zuführen einer Flüssigkeit mit konstanter
Geschwindigkeit an eine Zerstäubervorrichtung, insbesondere an die Flamme eines
Spektralapparates oder Photometers, unter Anwendung eines die Flüssigkeit enthaltenden
Gefäßes, welches eine Abflußleitung für die Flüssigkeit und eine Zuflußleitung für
ein die Flüssigkeit durch die Abflußleitung verdrängendes Gas besitzt, wobei die
Gaszuflußleitung an eine Vorrichtung hohen Druckes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strömungswiderstand für das Gas durch die Zuflußleitung hoch gegenüber dem
Strömungswiderstand der Flüssigkeit durch die Abflußleitung ist, so daß die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit durch die Abflußleitung im wesentlichen nur vom Gasdruck in der
Zuflußleitung abhängt.