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Beschreibung Verfahren zum Untersuchen der chemischen und physikalischen
Boschaffenheit von Stoffen Die 2rfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen
der chemischen und physikalischen Beschaffenheit flüssiger, fester oder gasförmiger
Stoffe mittels Hochfrequenzwellen, insbesondere der zeitlichen Anderung dieser beschaffenheit.
s ist bereits ein Verfahren zum Untersuchen der Beschaffenheit von Stoffen mittels
drahtloser Wellen bekannt, bei dem ein Sender zwei gerichtate Strahlenbündel aussendet
und bei welchem in den Weg des einen BUndels der zu untersuchende Körper gebracht
wird und die sich bei der Durchstrahlung ergebende Energie änderung des Strahlenbündeis
in einer Empfangsanlage für beide Strahlenbündel gemessen wird. Es ist ferner bekannt,
die Phasenverschiebung auf diese Weise zu messen, die ein Strahlenbtndel beim Durchqueren
des Stoffes erleidet, wobei
ein Strahlenbündel direkt vom Sender
zum Empfanger und ein zweites Strahlenbündel, das koharent zu dem ersten ist, über
den zu untersuchenden Körper zum Empfänger gesandt wird.
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Diese bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß sie für reaktionskinetische
Messungen kaum brauchbar sind, da Messungen mit mehreren Einzel frequenzen nur in
verhaltnismäßig großen Zeitabstanden durchgeführt werden können oder etwa bei der
Phasenmessung durch Sagezahnmodulation der Reflektorspannung des Generators nur
ein sehr schmales Frequenzband (z.B. O, 1 8 der Frequenz) durchgestimmt werden können.
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Es ist zwar auch schon die Anwendung mehrerer diskreter Frequenzen
bei Impedanzbrücken bekannt geworden. Ferner ist bekannt, die Methode der Frequenzwobbelung
zur Feststellung des Phasenfeldes eines Senders zu verwenden, jedoch auch nur mit
Wobbelung Uber ein sehr schmales Frequenzband. Außerdem ist eine sehr spezielle
Messung der Dielektrizitätskonstanten durch Frequenzmodulation durchgeführt worden.
Diese speziellen Meßverfahren ermöglichen jedoch nicht ohne weiteres eine Anwendung
für reaktionskinetische Untersuchungen oder dergleichen, bei denen schnelle Zustandsänderungen
von Stoffen untersucht werden sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
welches eine Registrierung vor allem des Ablaufs chemischer Reaktionen und physikalischer
Vorgange mit hoher Meßempfindlichkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Wellen
in einer Anzahl diskreter Frequenzen innerhalb eines vorzugsweise sehr breiten Frequenzbandes
gleichzeitig oder kontinuierlich sich wiederholend auf den Stoff gerichtet werden,
und daß die durch den Stoff verursachte änderung der Phasenlage und der Amplitude
der Hochfrequenzwellen laufend gleichzeitig registriert wird: Das Verfahren kann
auch so durchgeführt werden, daB die Wellen (durch entsprechende Frequenzmodulation
einer Trägerfrequenz) in allen Frequenzen eines Frequenzbandes auf den Stoff gerichtet
werden und daß die durch den Stoff verursachte Änderung der Phasenlage und der Amplitude
der Hoch frequenz wellen laufend gleichzeitig registriert wird.
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Bislang hat man übereinstimmend angenommen, daß die Messung der Phase
oder der Dämpfung (Amplitude) zur Untersuchung der Xnderungen von Stoffen ausreicht,
da Phase und Däziptung in einer eindeutigen Beziehung zueinander stehen. Es wurde
jedoch Gberraschenderwetse gefunden, daß die gleichzeitige Registrierung von Phase
und Amplitude bessere Aussagen liefert, (insbesondere bei klinischen undloder physikalischen
Zustandsänderungen von Stoffen, wobei noch nicht geklärt ist, aus welchem Grunde
kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Phase und Dämpfung bei gewissen Messungen
vorhanden ist.)
Vorzugsweise wird ein Teil der Hochfrequenzwellen
auf ein erstes Me#gefä# gerichtet und der andere Teil der Hochfrequenzwellen gleichzeitig
auf ein zweites, den zu messenden Stoff enthaltendes Me#gefä#, und die aus den Meßgefäßen
austretenden Hochfrequenzwellen werden in an sich bekannter Weis gegeneinander kompensiert
und die sodann verbleibende Ditterens der Wellenenergien nach Phase und Betrag registriert.
Auf dies.
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Weise kompensieren sich bei der Messung etwa vorhandene, z.B. dem
Lösungsmittel eigene,störende Effekte, so daß die Messung des zu untersuchenden
Stoffes fehlerfrei erfolgt Außerdem bringt die Gleichheit beider Me#gefä#e hinsichtlich
der Abmessungen und der Beschaffenhelt in beiden Brückenzweigen gleiche elektrische
Längen mit zich, so daß das Meßverfahren sowohl mit Einzelfrequenzen als auch mit
mehreren diskreten Frequenzen gleichzeitig oder kontinuierlich in einem Frequenzband
durch geführt werden kann.
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Pur die Messung des zu untersuchenden Stoffes kann man ein Prequeniband
verwenden, innerhalb dessen sich die die Xnderung der Dielektrizitätskonstante des
Mediums anzeigende Änderung der Phasenlage meßbar registrieren läßt. Diese Ma@nahme
wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Xnderung der Dielektrizitätskonstanten
gegenübr der Änderung der Dämpfung gro# ist und aus Zweckmä#igkeitsgründen (störende
Erwärmung) der Bereich hoher Däsptung vermieden werden soll.
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Es kann auch entsprechend dem zu untersuchenden Medium ein Frequenzband
verwendet werden, das im Bereich hoher Dämpfung
ae Mediums liegt,
die beispielsweise im Gebiet der anomalen dielektrischen Dispersion oder anderer,
z.B. innerer Molekülresonanzen dieses Stoffes aurtreten kann, so daB sich die die
Xnderung der durch den Stoff verursachten Dämpfung anzeigende Inderung der von dieses
absorbierten Wellenenergie registrieren lä#t, Zur Untersuchung verhältnismä#ig dicker
Schichten von Stoffen mit hoher Dämpfung kennen die elektrischen Wellen in Forn
von Impulsen ausgesendet werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist Uberall dort anwendbar, wo schnell
ablaufende chemische Reaktionen oder physikalische Zustandsänderungen mit hoher
Empfindlichkeit und Genauigkeit registriert werden sollen. Die Anwendungsgebiete
sind daher äu#erst vielfältig und umfassen beispielsweise: lt die chemische Analyse
und die Reaktionskinetik sowie die Untersuchung katalytischer Vorgänge im Labors
2. die Übertragung von Reaktionsvorgängen aus dem Labor in die große chemische Produktion,
3. die Registrierung und Steuerung des Reifeprozesses von Polymerisationsvorgängen,
z.B. bei der Kunstseidenfabrikation; 4. die Herstellung von Isolierstoffen mit bestmöglicher
Isolierfähigkeit; 5. die kontinuierlich. Registrierung von alterungsvorgängen über
lange Zeiträume; 6. die Messung hygroskopischer Eigenschaften und des Wassergehaltes
als Funktion der Zeit;
7. den Stoffwechsel von Bakterienkulturen
und Gewebeaufschwemmungen, und zwar einschlie#lich kurzzeitig auftretender Zwischenprodukte,
die z.B. durch die chemische Analyse nicht erfaßbar sind; 8. die Registrierung des
Abbaus von Eiweiß durch Fermente oder die Denaturierung von Eiwei@ durch Wärse in
kontinuirlocher Weis; 9. die Untersuchung des Blutes durch Einschaltung eines Meßgefaßes
i @en Blutkreislauf eines Organismus, die Durchstrahlung von Geweben, etwa an Chrläppchen,
an der Zunge usw.
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Damit wird die Registrierung des Stoffwechsels unter optimalen physiologischen
Bedingungen ermöglicht, wodurch Frühdiagnosen von Stoffwechselerkrankungen und die
Registrierung der Wirkung von Chemotherapeutica möglich ist.
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Die Vorteile des erfindungsgemä#en Verfahrens sind im folgenden anhand
von Kurvendarstellungen erläutert: Fig. 1 zeigt die Dämpfung und den Phasengang
für destilliertes Wasser von 200 C bei einem Frequenzbereich von 8,3 bis 11,5 GHz;
Fig. 2 zeigt Dampfung und Phasengang für Eis in demselben Frequenzbereich.
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Fig. t zeigt die zur Kontrollmessung ausgeführte Me#kurve der Dämpfung
und des Phasenganges der leeren Kuvette. Man exkennt, da# die Me#werte im wesentlichen
über den Me#bereich von
8,3 bis 11,5 GHz konstant sind.
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Fig, 2 lä#t erkennen, daß die Mmpfung für destilliertes Wasser von
20°C von hohen zu niedrigen Frequenzen allmählich zunimmt Im Bereich der niederen
Endfrequenz von 8,3 GHz ni-t die Dämpfung sodann wieder etwas ab. Man erkennt, da#
dr Phasensprung nicht bei dem Maximum auftritt, sondern nach höheren Frequenzen
verschoben ist. Die Informationen der beiden Kurven für die Dämpfung und den Phasengang
lassen sich daher nicht rechnerisch auseinander herleiten, so daß sich mit den Verfahren
nach der Erfindung mehr Informationen erzielen lassen, als mit einer einfachen Dämpfung-
oder Phasenmessung.