DE1227698B - Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Spektralanalyse - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Spektralanalyse

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DE1227698B
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Henri G Busignies
Paul R Adams
Georges A Deschamps
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3577Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Spektralanalyse Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Meßwerten der spektralen Absorption für analytische Zwecke bei Gemischen, die n bekannte Bestandteile in einer in erster Näherung bekannten Konzentration enthalten.
  • In den letzten Jahren sind Verfahren bekanntgeworden, in denen die Analysen durch Absorptionsmessungen mit infraroter Strahlung an verschiedenen Punkten des Spektrums durchgeführt werden. Obwohl durch Messungen von Infrarot-Absorptionen sehr genaue Informationen über eine untersuchte Probe erhalten werden können, sind die Anwendungen dieses analytischen Hilfsmittels in hohem Grade durch verschiedene praktische Schwierigkeiten gehemmt worden. Eine dieser Schwierigkeiten besteht darin, daß die Strahlungsquelle für Infrarot keine gleichmäßige Emission in dem zumeist verwendeten Wellenlängenbereich von 1 bis 30 tal aufweist. Diese Ungleichmäßigkeit der Emission im interessierenden Spektralgebiet schließt viele direkte Meßverfahren aus und machte es bisher erforderlich, die erhaltenen Spektrogramme mit dem Emissionsspektrum der Infrarot-Strahlungsquelle zu vergleichen, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Ein solcher Vergleich ist zeitraubend und erfordert Verfahren, die normalerweise nur in wohlausgerüsteten Laboratorien durchführbar sind.
  • Die Bestimmung des Emissionsspektrums einer Strahlungsquelle wird weiterhin dadurch erschwert, daß eine Konstanthaltung der Emissionsbanden einer infraroten Strahlungsquelle über längere Zeit auf Schwierigkeiten stößt. Das Spektrogramm wird im allgemeinen als Kurve in einem Schaubild aufgetragen, das die prozentuale Durchlässigkeit einer Probe als Funktion der Wellenlänge zeigt. Normalerweise läßt das Spektrogramm verschiedene Banden relativ hoher Infrarotabsorption erkennen, die typisch für die Anwesenheit bestimmter Atomgruppen sind, so daß die atomaren Bindungen und die molekulare Konfiguration einer Probe analysierbar sind. Da zwei verschiedene Gemische oder verschiedene Stoffe stets verschiedene Spektrogramme aufweisen, zeigen die Spektrogramme komplizierter aufgebauter Gemische zum Teil noch die typischen Eigenschaften der Spektren der Mischungsbestandteile, zum Teil sind jedoch die charakteristischen Absorptionsbanden durch Koinzidenzen oder teilweise Üb erl appungen überdeckt.
  • Andererseits nimmt die durchschnittliche Breite der Absorptionsbanden - oder mit anderen Worten, der Frequenzbereich der Durchlässigkeitsspitzen -zu, wenn die Menge der in den Strahlengang eingeführten Probe vergrößert wird, so daß sich auch die Überlappungen der einzelnen Absorptionsbanden verstärken.
  • Es wurde bisher als notwendig erachtet, sehr schmale Spektralgebiete zu verwenden, um zu verhindern, daß die Absorption in einem Teil des Spektrums die Absorptionseffekete in einem anderen Teil des Spektrums überdeckt. Die hierfür benötigten monochromatischen Filter für Infrarot sind im allgemeinen unhandlich und teuer. Die Konstruktion solcher Filter für das infrarotgebiet ist zumindest schwierig und zumeist unbefriedigend. Diese mit dem Gebrauch engbegrenzter Spektralgebiete des Infrarots verbundenen Schwierigkeiten haben die Entwicklung praktischer Geräte, die in der Industrie eingesetzt werden könnten, außerordentlich behindert.
  • Es ist seit langem bekannt, daß die Absorption in jedem Spektralgebiet mit den in den Strahlengang eingebrachten Substanzmengen in einer Weise verknüpf ist, die mathematisch durch das Gesetz von B e e r ausgedrückt werden kann. Im einfachsten Fall enthält ein Infrarot-Analysiergerät eine Infrarot-Strahlungsquelle, ein Filter zur Ausblendung eines schmalen Wellenlängenbereichs, eine Absorptionszelle zur Aufnahme einer Untersuchungsprobe und einen Empfänger zur Anzeige der Strahlungsenergie, die durch die Durchlässigkeit der Absorptionszelle mit der jeweiligen Probe bestimmt ist. Nachdem die Genauigkeit eines solchen Einweg-Analysiergerätes von der Konstanz der Strahlungsquelle, der Temperatur und der im Anzeigegerät verwendeten Spannung abhängt, hat dieses Analysiergerät wenig praktische Verwendung gefunden. Ein genaueres und stabileres Analysiergerät beruht auf der Aufteilung des Strahlenganges in zwei Wege, so daß der eine die Probezellen und der andere eine entsprechende leere Zelle zur Kompensation der Absorption des Systems durchsetzt und die Differenz zwischen beiden Strahlungsintensitäten gemessen wird.
  • Obwohl die genannten Analysiergeräte für Absorptionsmessungen an beliebigen im Infrarot absorbierenden Substanzen geeignet sind, ist ihre Anwendung kaum zweckmäßig, wenn eine Vielzahl infrarotabsorbierender Substanzen vorliegt. Es ist natürlich denkbar, daß Infrarot-Analysiergeräte dadurch selektiv ausgelegt werden, daß Strahlungsquellen mit besonders ausgewählten Emissionsgebieten oder optische Filter zur Ausblendung gewünschter Spektralgebiete vorgesehen werden. Derartige Geräte wären jedoch teuer, unhandlich, empfindlich und in ihrem Aufbau für die regelmäßige Verwendung in der Industrie zu kompliziert.
  • Eine weitere Schwierigkeit der Analysentechiiik besteht in der Analyse unbekannter Mischungen, die aus einer größeren Zahl von Bestandteilen zusammengesetzt sind, deren einzelne Absorptionsbanden sich überlappen. Besonders nachteilig ist hier die Tatsache, daß sich die Absorptionsspektren der Bestandteile nicht strenglinear überlagern. Die Analysentechnik muß dann auf Verfahren übergehen, in denen das nichtlineare Verhalten der Spektren der Mischungsbestandteile zu berücksichtigen ist. Bei einem hierfür gebräuchlichen Verfahren werden an Hand einer Betrachtung des Spektralverlaufes die Teile der unbekannten Spektren ausgeschlossen, deren speziell nichtlineares Verhalten bekannt ist.
  • Offenbar bedeutet das keinen schwerwiegenden Verlust an auswertbarer Informationsmenge, solange das ganze Spektrum zur Analyse herangezogen wird und die Eliminierung eines Teiles des Spektrums noch eine ausreichende Datenmenge zur genauen Bestimmung der Analyse bestehen läßt. Eine andere Methode besteht in der Verdünnung des Gemisches, woraus sich eine Verringerung der nichtlinearen Effekte ergibt, die aber auch die Genauigkeit des Verfahrens einschränkt, da eine Verdünnung die verbleibende Absorption so weit abschwächen kann, daß die zu messende Absorption im Störpegel der Meßgeräte untergeht. In der Praxis tritt häufig der Fall auf, daß die genannten Methoden versagen. Es ist dann ein von nichtlinearen Effekten unabhängiges Verfahren zur Spektralanalyse erforderlich.
  • Für die Untersuchung von Gemischen einer größeren Anzahl einzelner Bestandteile sind Verfahren entwickelt worden, bei denen die Meßwerte in einer Rechenanlage gespeichert und ausgewertet werden.
  • Die Auswerteverfahren erfassen den gesamten Spektralverlauf und beruhen auf der Voraussetzung linear kombinierbarer Spektren. Diese Spektren werden aus Durchlässigkeitsmessungen an chemischen Proben unter Benutzung - monochromatischer Filter gewonnen. Da die am Filterausgang noch zur Verfügung stehende Strahlungsenergie klein ist, kann das Strahlungsmeßgerät den interessierenden Wellenlängenbereich nur verhältnismäßig langsam abtasten. Diese Abtastung muß um so langsamer vorgenommen werden, je kleiner die Unterschiede zwischen Nutz- und Störsignal sind. Zur Abtastung eines Bereiches von 2 bis 15 y werden im allgemeinen 10 Minuten benötigt. Eine Erhöhung der Genauigkeit - also bessere Unterscheidung zwischen Nutz- und Störsignal - kann nur durch Erhöhung der Abtastzeit erreicht werden. Dabei nimmt die erreichbare Genauigkeit lediglich mit der Quadratwurzel aus der Abtastzeit zu.
  • Das Verhältnis von Nutz- und Störsignal ist von besonderer Bedeutung für die Gesamtgenauigkeit, wenn es sich entweder um die Untersuchung von Spuren oder um die Analyse schwach absorbierender Substanzen handelt. Darüber hinaus verdient der Zeitaufwand - der für ein ganzes Spektrum in der Größenordnung von Minuten liegt - besondere Beachtung, wenn das Spektrometer als Fühler in einem Regelsystem zur Überwachung kontinuierlich ablaufender Prozesse Verwendung finden soll.
  • Schließlich wird die Zeitfrage zu einer unüberwindlichen Schranke, wenn Routineuntersuchungen an einer Vielzahl von Proben innerhalb eines Tages oder Massenuntersuchungen zur Produktionsüberwachung durchgeführt werden sollen.
  • Es ist ein Nachteil der bekannten Verfahren zur Spektralanalyse, daß sie in ihren praktischen und theoretischen Voraussetzungen das nichtlineare Verhalten bei der Überlagerung der Absorptionsspektren von Gemischen nicht berücksichtigen. Andererseits sind die überraschenden Effekte nichtlinearer Kombination bei Mischung verschiedener Bestandteile unvermeidbar. Wird ein solches Spektrum analytisch untersucht, so kann offenbar keine Linearkombination der Bezugsspektren eine gute Annäherung des Spektrums der vorgelegten Mischung ergeben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden und im Hinblick auf das nichtlineare Verhalten in den Absorptionsspektren von Gemischen ein geeignetes Verfahren besonders hoher Genauigkeit zu schaffen, das bei geringem Aufwand für Massenuntersuchungen und Produktionsüberwachung in der Industrie anwendbar ist.
  • Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Absorptionen bzw. Durchlässigkeiten von jeweils zwei zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsmeßgerät hintereinander angeordneten Proben in nichtdispergierter Strahlung gemessen werden und die jeweilige Zusammenstellung von zwei Proben derart erfolgt, daß jede Probe einer ersten Reihe nacheinander mit jeder Probe einer zweiten Reihe zusammen in den Strahlengang gebracht wird, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reihe von Proben je eine Probe des unbekannten Gemisches, eines gemäß der ersten Näherung zusammengesetzten synthetischen Gemisches und n weiterer gegenüber diesem synthetischen Gemisch durch kleine Konzentrationsänderungen mindestens je eines Bestandteiles modifizierter synthetischer Gemische umfaßt, während die zweite Reihe aus je einer Probe der n einzelnen Bestandteile besteht.
  • Weitere Merkmale im Rahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Ein nach der Erfindung durchgeführtes Verfahren hat den großen Vorteil, daß durch die zerstreuungsfreie Messung der sonst erforderliche Aufwand für die Abtastung einzelner Spektralbereiche, insbesondere die Verwendung monochromatischer Filter entfällt. An Stelle dieser Filter wird in jedem Meßgang eine Probe je eines Bestandteils in den Strahlengang gebracht. Dadurch wird die zerstreuungsfreie Prüfung von Meßgang zu Meßgang insofern variiert, als diese Proben auf Grund ihrer Absorptionseigenschaften eine jeweils andere spektrale Zusammen setzung des Prüfstrahles bewirken. Außerdem wird durch Vergleich der zu untersuchenden Probe mit synthetischen Gemischen dem nichtlinearen Absorptionsverhalten der Gemische Rechnung getragen.
  • Voraussetzung ist natürlich, daß gemäß einer vorangegangenen qualitativen Analyse die einzelnen Bestandteile des untersuchten Gemisches bekannt sind und daß mit einem zumindest überschlägigen Verfahren das Mischungsverhältnis bestimmt wurde.
  • Zum Beispiel kann der quantitativen Analyse nach der Erfindung eine Analyse unter Voraussetzung linearer Kombination der Spektren der Bestandteile vorangegangen sein. In vielen Fällen wird jedoch eine nach den Erfahrungen bei der qualitativen Analyse vorgenommene grobe Schätzung des Mischungsverhältnisses genügen. Es ist jedoch zweckmäßig, in diesem Falle das Verfahren mit diesen Konzentrationswerten nochmals zu wiederholen und gegebenenfalls zu der zweiten Näherung neue Korrekturen zu bestimmen.
  • Das Verfahren nach der Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung, wenn es sich um die Untersuchung von mehreren Gemischen handelt, deren Zusammensetzung nur um kleine Beträge voneinander abweichen. In diesem Falle ist es nicht notwendig, die Zusammensetzungen der synthetischen Gemische zu ändern.
  • Der Zeitgewinn wird besonders deutlich, wenn man bedenkt, daß das zerstreuungsfrei arbeitende Verfahren für die Absorptionsmessung an einer Probe nur die Zeit erfordert, die bei den bekannten Verfahren für die Absorptionsmessung bei einer bestimmten Wellenlänge des interessierenden Spektralbereiches erforderlich war. Wurden z. B. zehn verschiedene Wellenlängen des Spektralbereiches abgetastet, so beträgt die bei dem Verfahren nach der Erfindung erforderliche Meßzeit nur ein Zehntel der bei den bekannten Verfahren notwendigen Meßzeit.
  • In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Durchlässigkeit durch zwei in den Strahlengang gebrachte Proben, F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Infrarot-Analysiergerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • F i g. 3 das Schema eines Infrarot-Analysiergerätes zur schnellen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Strahlengängen.
  • F i g. 1 zeigt ein zerstreuungsfrei arbeitendes Infrarot-Spektrometer mit einer Infrarot-Strahlungsquelle 1, die den interessierenden Spektralbereich überdeckt, beispielsweise zwischen 1 und 30 es oder zwischen 2 und 15 EL emittiert. Die Strahlung durchsetzt zwei Probezellen 2 und 3, die hintereinander auf der Achse 4 des Systems liegen. Das die Zelle 3 verlassende Strahlungsgemisch fällt auf das Strah- lungsmeßgerät 5. Vorausgesetzt, daß die Energieverteilung im Emissionsspektrum der Strahlungsquelle gleichmäßig ist, wird die spektrale Verteilung der Strahlungsenergie durch die Probezelle 2 entsprechend deren Absorptionsspektrum abgeblendet.
  • Die so durch die Filterwirkung der Zelle 2 veränderte Strahlung durchsetzt die Zelle 3, in der ihrem Absorptionsspektrum entsprechend die Strahlungsenergie weiter verringert wird. Für eine bestimmte Wellenlänge des Emissionsspektrums ergibt sich die aus Zelle 2 austretende Strahlungsenergie entsprechend dem Absorptionskoeffizienten der Zelle 2 für diese Wellenlänge und für die aus Zelle 3 austretende Strahlungsenergie entsprechend dem Produkt der für diese Wellenlänge geltenden Absorptionskoeffizienten der Zellen 2 und 3.
  • Sei ft(i)= 1 das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle 1 und f2 () das Absorptionsspektrum der Zelle 2 sowie 3 (2) das Absorptionsspektrum der Zelle 3, so wird die Gesamtabsorption in beiden Zellen durch das Produkt der beiden letzten Funktionen angegeben. Es ist also die Gesamtabsorption f = zu Q> zu 13 (2> Die entsprechend der Gesamtabsorption verbleibende Strahlungsenergie wird von dem Strahlungsmeßgerät 5 aufgenommen. Wenn dieses, z. B. ein Thermoelement, eine von der Wellenlänge unabhängige Empfindlichkeit hat, ist die Temperaturerhöhung und die Ausgangsspannung des Strahlungsmeßgerätes 5 proportional dem Integral des Produktes der beiden Spektralfunktionen über den von der Strahlungsquelle emittierten Wellenlängenbereich. Es ist danach möglich, einen Koeffizienten zu bestimmen, der das Produktintegral zweier Spektralfunktionen angibt, ohne daß irgendwelche Prismen, Gitter, Filter oder andere monochromatische Anordnungen benötigt werden.
  • Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß die so gewonnenen Koeffizienten Durchlässigkeitsprozente angeben an Stelle der Logarithmen der Absorptionen. Nachdem die Spektrogramme von Gemischen nur als Linearkombination der Absorptionen gemäß dem Beerschen Gesetz aufgebaut sind, können diese Koeffizienten nicht unmittelbar zur Beschreibung des spektralen Verhaltens von Gemischen verwendet werden.
  • Das nach der Erfindung arbeitende Verfahren setzt die bekannte, auf Linearkombination beruhende Analysentechnik voraus. Es sind Verfahren vorgeschlagen worden, in denen von der Bildung der Produktintegrale zur Bestimmung der Konzentrationen der Bestandteile eines Gemisches Gebrauch gemacht wird. Jedes der Produktintegrale wird durch Bildung der Wellenlängen-Produktfunktionen und Integration über das vorgegebene Wellenlängenintervall gewonnen.
  • Auf Grund dieser komplizierten Zusammenhänge wären gegen die Verwendung der mit einer Anordnung nach Fig. 1 bestimmten prozentualen Durchlässigkeitsfunktion an sich Einwendungen zu machen; der hierbei auftretende Fehler kann aber leicht vernachlässigbar klein gemacht werden, wenn man berücksichtigt, daß jede stetige, nichtlineare Funktion - wie etwa die logarithmische - praktisch lineares Verhalten zeigt, wenn nur entsprechend kleine Bereiche betrachtet werden. Bestimmt man also den Koeffizienten für das Produktintegral zweier Spektralfunktionen in einer Anordnung nach Fig. 1 und wird eine zweite Messung bei kleiner Konzentrationsänderung des Stoffes in der zweiten Zelle ausgeführt, so ist die Differenz zwischen den beiden so bestimmten Koeffizienten hinsichtlich der Konzentrationsänderung linear. Dabei sind solche Konzentrationsänderungen als kleine Konzentrationsänderungen bezeichnet, für die das Verhalten der Durchlässigkeitsfunktion praktisch linear ist. Das Verhalten des Absorptionskoeffizienten kann dann für kleine Konzentrationsänderungen an Hand einer zweiten Probe auf Grund einer zweiten Messung bestimmt werden. Ein Satz solcher Koeffizienten wird zur Beschreibung des spektralen Verhaltens eines Gemisches verwendet, das dabei auf die kleinen Konzentrationsänderungen als Maß stab einheiten zu beziehen ist.
  • Nach Bestimmung einer ersten Näherung der Konzentrationen in einem vorgegebenen Gemisch, die mehr oder weniger ungenau sein kann, ist es zweckmäßig, entsprechend diesen Konzentrationen eine synthetisch Probe herzustellen. Ebenso ist für die Messung von Absorptionsdifferenzen ein Satz synthetischer Gemische mit entsprechend kleinen Konzentrationsänderungen vorzubereiten. Zur Aufnahme der synthetischen Gemische ist ein Satz erster Probezellen und zur Aufnahme der einzelnen Bestandteile selbst ein Satz zweiter Probezellen vorgesehen.
  • Bei der Anordnung nach F i g. 2 wird nicht vorausgesetzt, daß die Emission der Infrarot-Strahlungsquelle 20 gleichmäßig über den gesamten Spektralbereich verteilt ist; es kann jede beliebige Infrarot-Strahlungsquelle Anwendung finden, die eine Anzahl verschiedener Wellenlängen emittiert, die mindestens gleich der Anzahl der Bestandteile des untersuchten Gemisches ist. Eine Reihe von Probezellen 21 bis 28 ist so angeordnet, daß jede von ihnen in die optische Achse 29 der Anordnung nach F i g. 2 gebracht werden kann. Eine zweite Reihe von Zellen 30 bis 35 ist so aufgebaut, daß jede dieser Zellen zusammen mit einer der Zellen der ersten Reihe in die Achse 29 gebracht werden kann. Ein Infrarot-Strahlungsmeßgerät 36, z. B. ein Thermoelement, bildet das andere Ende der optischen Achse. Wie schon im Zusammenhang mit F i g. 1 erläutert wurde, zeigt das Meßgerät 36 das Produkt der zwei prozentualen Durchlässigkeiten der in den Strahlengang gebrachten Zellen an.
  • In dem betrachteten Beispiel sei die zu untersuchende Mischung in der Zelle 28 enthalten. Eine Probe des synthetischen Gemisches gemäß der ersten Näherung befindet sich in der Zelle 27, während die Zellen 21 bis 26 mit den durch kleine Konzeltrationsänderungen modifizierten Gemischen beschickt seien. Der zweite Satz Zellen 30 bis 35 dient zur Aufnahme der einzelnen Bestandteile des in Zelle 28 enthaltenen Gemisches.
  • Zur Durchführung der zerstreuungsfreien Messungen wird das unbekannte Gemisch in Zelle 28 in die optische Achse 29 gebracht und nacheinander durch jeden der Mischungsbestandteile in den Zellen 30 bis 35 abgedeckt. Dabei sind die Konzentrationen der Bestandteile als Bezugseinheiten oder Einheitskonzentrationen zu wählen. Die so gemessenen Gesamtabsorptionen, die nacheinander dem Strahlungsmeßgerät 36 zu entnehmen sind, werden tabelliert.
  • Als nächstes wird das synthetische Gemisch in der Zelle 27 in die optische Achse 29 gebracht und wie vorher der Reihe nach durch die Bestandteilsproben in den Zellen 30 bis 35 abgedeckt. Der dabei erhaltene Satz zweiter Gesamtabsorptionskoeffizienten wird tabelliert. Danach wird jedes der synthetischen Gemische 21 bis 26 in den Strahlengang gebracht und ebenfalls der Reihe nach durch die Zellen 30 bis 35 abgedeckt, so daß sich weitere Sätze von Gesamtabsorptionskoeffizienten ergeben.
  • Die tabellierten Meßwerte werden als Koeffizienten der Aufstellung eines linearen Gleichungssystems wie folgt zugrunde gelegt: Un - Sn = (SnSn ) Snm)Cm, worin bedeutet Un= = die jeweilige Gesamtabsorption, die sich ergibt, wenn das unbekannte Gemisch zusammen mit einem der Mischungsbestandteile mit der Nummer n gemessen wird; Sn = die jeweilige Gesamtabsorption, die sich ergibt, wenn das synthetische Gemisch zusammen mit einem der Mischungsbestandteile mit der Nummer n gemessen wird; S,m = die jeweilige Gesamtabsorption, die sich ergibt, wenn die synthetische Probe, deren m-ter Bestandteil um die Konzentrationsänderung ö Cm erhöht wurde, zusammen mit einem der Mischungsbestandteile mit der Nummer n gemessen wird; A cm = gesuchte Konzentrationen als Unterschiede zwischen unbekanntem Gemisch und synthetischem Gemisch (als Vielfache der Konzentrationsänderungen d cm).
  • Für ein Gemisch aus sechs Bestandteilen lautet das Gleichungssystem ausführlich geschrieben wie folgt: Ul-sl= (S1 - S1¹#c1' + (S1 - S1²)#c2 + (S1 - S1³)#c3 + (S1 - S14)#c4 + (S1 - S5³)#c5 + (S1 - S16)#c6, U2 - S2 = (S2 - S2¹)#c1'+ (S2 - S2²)#c2 + (S2 - S2³)#c4 + (S2 - S25)#c5 + (S2 - S26)#c6, U3 S3 (53 53 ) 3 C1 + (53S32) A C2 + (S3S33) 3 C3 + (53534) A C4 + (53535) 3 C5 + (53536) J C U4-S4= (S4 - S4¹)#c1 + (S4 - S4²)#c2 + (S4 - S4³)#c3 + (S4 - S44)#c4 + (S4 - S45)#c5 + (S4 - S46)#c6, U5 - S5 = (S5 - S5¹)#c1 + (S5 - S5²)#c2 + (S5 - S5³)#c3 + (S5 - S54)#c4 + (S5 - S55)#c5 + (S5 - S56)#c6, U6 - S6 = (S6 - S6¹)#c1 + (S6 - S6²)#c2 + (S6 - S63)#c3 + (S6 - S64)#c4 + (S6 - S65)#c5 + (S6 - S66)#c6.
  • Die unbekannten A cm sind mit beliebigen Methoden aus diesem Gleichungssystem zu bestimmen. Sie liefern die Korrekturen, die den Konzentrationen der ersten Näherung hinzuzufügen sind, um das genaue Mischungsverhältnis des untersuchten Gemisches zu erhalten.
  • Ein großer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Berechnungsdaten durch Messungen an synthetischen Gemischen gewonnen sind, deren Mischungsverhältnis bereits in der Nähe des gesuchten liegt. Dadurch werden Fehler infolge des nichtlinearen Verhaltens ausgeschlossen.
  • Die verwendete Optik bei diesem Verfahren ist besonders einfach, da irgendwelche zerstreuend wirkenden Bauelemente sich erübrigen; damit ist auch die mechanische Konstruktion der Anordnung auf eine sehr einfache Form zurückgeführt.
  • F i g. 3 zeigt das Schema eines Infrarot-Analysiergerätes zur schnellen Durchführung des Verfahrens.
  • Wie aus der vorangegangenen Beschreibung des Verfahrens hervorgeht, nimmt die Anzahl der einzelnen Messungen annähernd mit dem Quadrat der Anzahl der Bestandteile zu. Um den Zeitaufwand möglichst klein zu halten, werden zweckmäßig mehrere Messungen gleichzeitig durchgeführt. Dementsprechend werden mehrere Strahlengänge verwendet.
  • Wie Fig.3 zeigt, ist die Strahlungsquelle 41 von zwei Drehtürmen 42 und 43 umgeben. Der bewegliche Drehturm 42 enthält die Zellen zur Aufnahme der individuellen Bestandteile fl bis 6 des Gemisches und entspricht den Zellen 30 bis 35 nach Fig. 2.
  • Der äußere zweite Drehturm 43 steht fest und enthält die synthetischen Proben mit kleinen Konzentrationsänderungen, ....... S+ 8,, die synthetische Probe S selbst und die Probe des unbekannten Gemisches U entsprechend den Zellen 21 bis 28 der Fig. 2. Um mehrere Messungen gleichzeitig vornehmen zu können, sind Strahlungsmeßgeräte 44 bis 51 vorgesehen. Um identische Meßwerte zu erhalten, ist jedes der Strahlungsmeßgeräte mit einer Justierung versehen, die während der verhältnismäßig kurzen Meßzeit unbetätigt bleibt. Nachdem die Infrarot-Strahlungsquelle 41 allen Strahlengängen gemeinsam ist, erübrigt sich eine besondere Kompensation für verschiedene Emissionsspektren. Wenn sich die Drehtürme 42 und 43 in der in Fig. 3 gezeichneten Stellung befinden, sind offenbar sechs Messungen gleichzeitig durchführbar.
  • Die benötigte Meßzeit zur Bestimmung der Gesamtabsorptionskoeffizienten für jede Einstellung des Drehturms 42 wird durch das Verhältnis von Nutz-und Störsignal bestimmt. Nachdem das gesamte Spektrum ohne irgendwelche Ausblendung, abgesehen von der Absorption in den beiden Probezellen, dem Strahlungsmeßgerät zugeführt wird, ist die von dem Strahlungsmeßgerät aufgenommene Energie wesentlich größer als bei monochromatischen Anordnungen.
  • Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die zerstreuungsfreien Messungen mit einer Anordnung nach Fig. 3 auch mit einer einzelnen Strahlungsquelle und nur einem einzelnen Strahlungsmeßgerät durchführbar sind. Die einzige notwendige Änderung der Anordnung nach Fig.3 besteht darin, das Strahlungsmeßgerät auf einen konzentrischen Drehturm zu montieren. Die Messungen erfordern dann jedoch einen größeren Zeitaufwand.
  • Mit großem Vorteil kann diese Anordnung Verwendung finden, wenn mehrere unbekannte Gemische mit nur kleinen Konzentrationsschwankungen zu untersuchen sind. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die synthetischen Gemische in den Zellen des äußeren Drehturmes auszuwechseln. Eine kontinuierliche Lösung des Gleichungssystems ermöglicht eine kontinuierliche quantitative Analyse des unbekannten Gemisches mit hoher Genauigkeit bei kleinstem Zeitaufwand. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für das Verfahren nach der Erfindung besteht in der Untersuchung von Substanzen, die ein besonders starkes nichtlineares spektrales Verhalten aufweisen und für die ein Analysenergebnis hoher Präzision benötigt wird. Hierbei kann es notwendig sein, durch Kompensationsmessungen instrumentell bedingte Fehler auszuschließen.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung von Meßwerten der spektralen Absorption für analytische Zwecke bei Gemischen, die n bekannte Bestandteile in einer in erster Näherung bekannten Konzentration enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß Absorptionen bzw. Durchlässigkeiten von jeweils zwei zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsmeßgerät hintereinander angeordneten Proben in nichtdispergierter Strahlung gemessen werden und die jeweilige Zusammenstellung von zwei Proben derart erfolgt, daß jede Probe einer ersten Reihe nacheinander mit jeder Probe einer zweiten Reihe zusammen in den Strahlengang gebracht wird, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reihe von Proben je eine Probe des unbekannten Gemisches, eines gemäß der ersten Näherung zusammengesetzten synthetischen Gemisches und n weiterer gegenüber diesem synthetischen Gemisch durch kleine Konzentrationsänderungen mindestens je eines Bestandteiles modifizierter synthetischer Gemische umfaßt, während die zweite Reihe aus je einer Probe der n einzelnen Bestandteile besteht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine Infrarot-Strahlungsquelle verwendet wird, deren Emissionsspektrum bei sonst beliebigem Verlauf eine der Anzahl der Gemischbestandteile entsprechende Anzahl von diskreten Emissionsgebieten enthält, welche Emissionsgebiete in die Gemischbestandteile kennzeichnende Durchlässigkeitsbereiche fallen.
  3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle, Vorrichtungen zur wahlweisen Einführung einer Mehrzahl von Gemischen, Vorrichtungen zur wahlweisen Einführung der Bestandteile der Gemische sowie ein Strahlungsmeßgerät vorgesehen und so angeordnet sind, daß jeweils eine Probe der Gemische und eine Probe eines Bestandteils gleichzeitig hintereinander in den Strahlengang gebracht werden.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 500 997; W. Brügel, Einführung in die Ultrarotspektroskopie, 1954, S. 242 bis 253.
DEI12588A 1955-12-19 1956-12-19 Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Spektralanalyse Pending DE1227698B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US2500997A (en) * 1944-07-13 1950-03-21 Phillips Petroleum Co Electrical computing device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2500997A (en) * 1944-07-13 1950-03-21 Phillips Petroleum Co Electrical computing device

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