DE2053007A1

DE2053007A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kolori metrischen Konzentrationsbestimmung

Info

Publication number: DE2053007A1
Application number: DE19702053007
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-11-03
Filing date: 1970-10-29
Publication date: 1971-05-19
Also published as: SE352168B; GB1320966A

Description

pV/nV--|-"^ki Essen, den ,28. Okt. 197o

Ingenieur Arne Robert Lindberg, Mölndal, Schweden, Verfahren und Vorrichtung zur kolorimetrischen Konzentrationsbestimmung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kolorimetrischen Konzentrationsbestimmung von beispielsweise Chemikalien in einer Lösung, die mit oder ohne Reagenz eine Farbe zeigt, deren Intensität eine Funktion der Konzentration ist.

Bekanntlich führt die Grundfarbe und Trübung des Mediums oder der Reagenzlösung oftmals zu Fehlbestimmungeη bei allen knlorimetrisehen Konzantrationsmessungen. Bei manueller kolorimetrischer Analyse können diese Fehlerquellen oft durch u.a. Spezi al kaiibrierung und verschiedene Arten von Kompensation behoben werden. Bei einer automatischen Analyse von Prozessmedien liegt jedoch diese Möglichkeit im Allgemeinen nicht vor.

Es hat sich nun erfindungsgemäss als möglich erwiesen, eine derartige Kompensation automatisch ebenso wie eine Kompensation für die Alterung der Lichtquelle und Elektronik zu erreichen. Kennzeichnend für das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren ist hauptsächlich, dass man mittels einer automatischen Wellenlängenänderung Differenzen zwischen der Lichtabsorption eines Mediums in zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängenintervallen feststellt, worauf die Konzentration des Mediums in Abhängigkeit von der gemessenen Differenz berechnet und die absolute Absorption des Mediums in einem der Wellenlängenintervalie berechnet wird.

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Nach einer zweckmässigen Ausführunasform der Erfindung kann die Aufteilung der Wellenlänge des Lichtflusses hierbei mittels einer in weninstens zwei verschiedene Filtersektoren aufgeteilten, rotierenden Filterscheibe herbeigeführt werden, wobei das absorbierende Medium nur den Teil des Wellenlännenbereichs beeinflusst, der den einen Filtersektor umspannt und die Hintergrundsabsorption auf den beiden Filtersektoren gleich bleibt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens kann man zweckmässig eine Vorrichtung verwenden, die eine Lichtquelle, eine das zur Konzentrationsmessung bestimmte Medium enthaltende Messkiivette, sowie ein den Lichtfluss durch das Medium registrierendes fotoelektrisches Element enthä'K, das mit einer elektronischen Auswertungsvorrichtung zusammenarbeitet; kennzeichnend für diese Vorrichtung ist hauptsächlich ein zwischen dem fotoelekfc trischen Element und der Messkiivette angebrachte Wellenlängenuirwandler, der

abwechselnd verschiedene Wellenlängenintervalle des Lichtflusses zur Registrierung im fotoelektrischen Element und nachfolgende Auswertung in einer Differenzmessbrücke erzeugt.

Gemäss einer zweckmässigen Aus rührungsform der Erfindung kann der Wellenlängenumwandler hierbei zweckmässig aus einer rotierbar angeordneten Filterscheibe mit zumindest zwei verschiedenen Filtersektoren bestehen.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der beillegenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen

Figur 1 eine Prinzipskizze einer gemäss der Erfindung vorgeschlacenen Vorrichtung zur kolorimetrischen Bestimmung zeigt,
P Figur 2 die zur Vorrichtung gemäss Figur 1 gehörende Sektorscheibe zeigt,

Figur 3 die zur Vorrichtung gemäss Figur 1 gehörende Sektorscheibe im Einzelnen zeigt und

Figur 4-11 verschiedene Diagramme über die prinzipielle Funktion des gemäss der Erfindung angewandten Filterwechselsystems zeigen.

In der Zeichnung ist eine Lichtquelle mit 1 bezeichnet, die über ein erstes Linsensystem 2 den Lichtfluss durch eine Messküvette 3 richtet, die ein zur Untersuchung bestimmtes Medium enthält. Nach Durchgang durch die Küvette 3 wiitidas Licht durch ein zweites Linsensystem 4 gesammelt und auf ein fotoelektrisches Element 6 fokussiert. Das Signal vom Element 6 wird in einem Ver-

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stärker 7 verstärkt - und gegebenenfalls hinsichtlich der Lichtabsorption im Verhältnis zur Konzentration ausqerichtet. TWischen dem zweiten Linsensystem

4 υπ. dem fotoelektrischen Element 6 befindet sich eine rotierende Filterscheibe 8. Die Filterscheibe besitzt wenigstens zwei verschiedene Filtersektoren F₁, F₂, die mit einem zwischen der Filterscheibe 8 und dem Element 6 angeordneten festen Kompensationsfilter 5 zur Anpassung des gesamten Lichtniveaus und zur Feineinstellung der Balanz im Filtersysten zusammenwirken. Bei der Rotation der Filterscheibe 8 werden abwechselnd verschiedene Wpllpnlänqpnintervalle des Lichtflusses zum fotoelektrischen Element 6 durchgelassen und von diesem wird ein pulsierender Gleichstrom erhalten, der der Lichtabsorption des Mediums bei diesen Wellenlängen entspricht. Die Rotation der Filterscheibe 8 wird durch einen Motor 9 erzielt und auf der Antriebswelle des Motors 9 ist ausser der Filterscheibe 8 auch eine Sektorscheibe 10 befestigt. An der Sektorscheibe ist ein Abfühlorgan 11 angeordnet, das über eine Synchronisierungselektronik 12 und Relaisfuntionen R,, und R.₂ bewirkt, dass das Signal des fotoelektrischen Elements

5 zur einen bezw. anderen Hälfte der Messbrücke 13 in Abhängigkeit von der Lage der Filtersektoren F, und F„ im Verhältnis zum Lichtfluss gespeist wird. Der Spannungsunterschied zwischen in der Messbrücke 13 angeordneten Kondensatoren Cj und C₂ wird gemessen und in einem Endverstärker 16 verstärkt und kann darauf zu einem anzeigenden Instrument 14 oder einem Aufzeichner 15 geführt v/erden. Mittels eines einstellbaren Widerstandes R₂ kann die Messausrüstung nullgestellt werden und mit einem Widerstand R-. wird der aktuelle Messbereich eingestellt.

Die Arbeitsweise der Vorrightung geht näher aus den Figuren 5-11 hervor. Hierbei wird ein erfindungsqemäss vorgeschlagenes System mit zwei Filtersektoren F, und F₂ in der rotierenden Filterscheibe 8 sowie einem festen Filter (Kompensationsfilter 5) verwendet, dass den aktuellen Öberführungsbereich bezüglich der Wellenlängen für die beiden rotierenden Filtersektoren nach oben begrenzt. In Figur 5-11 ist der Kompensationsfilter mit F₃ bezeichnet.

Zu den Filtersektoren F, ist ausserdem ein Graufilter FG addiert. Der Graufilter FG ist hierbei so ausgebildet, dass der Lichtfluss - der durch die Flächen A-j und B-j in Figur 4 und 5 definiert wird - durch die zwei Fi lter Sektoren F-j, F₂ gleich qross wird. Mittels des Graufilters FG werden jedoch, wie aus Figur 4 deutlich hervorgeht, ca 40 % der Transmission abgeschirmt, wodurch jedoch ein breiterer Wellenlängenbereich (ca 500-800pm) vom Filtersektor F^ umspannt wird

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(vergleiche Figur 5 im Wellenlängenbereich = 600 - 750

In den Figuren 6 und 7 ist eine fJberführungs- oder Transmissionskurve Tür ein Medium mit einer Hintergrundabsorption von etwa 20 % bezogen auf die Lichtintensi tat gezeigt. Ausser der aus Messgesichtspunkten aktuellen Absorption - die der Fläche F. entspricht - wird die Messung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen mit einer den Flächen G,, G₂ entsprechenden Absorption beeinflusst (vgl Figuren 8 und 9). Die in Figur 6 gezeigte Hintergrundabsorption des Mediums von 20 % der Lichtintensität ergibt, wie aus Figur 8 hervorgeht, 20 % berechnet auf die verbleibende Lichtintensität (60 %) hinter dem Graufilter, d.h. 12 *, während die Absorption in den Figuren 5 und 7 gleich bleibt, d.h. 20 % der Lichtintensität. Dadurch dass die Filtersektoren F₁, F₂ verschieden grosse Wellenlängenintervalle umspannen, die so bemessen sind, dass der Lichtfluss, d.h. die Flächen Aj und Bj, anfangs gleich gross waren, wird auch der Lichtfluss, d.h. die Flächen A₂ und B₂, gleich gross und somit werden auch die Flächen Gj und G₂ gleich gross.

Das Signalniveau wird sich jedoch entsprechend dem Unterschied zwischen den Flächen Aj und A₂ bezw. Bj und B₂ ändern, dagegen bleibt der Unterschied im Signalniveau entsprechend den Flächen A₂ und B₂ unverändert bei veränderlicher Hintergrundabsorption. Der an zwei verschiedenen Wellenlängenintervallen gemessene unterschied wie oben gezeigt, ist somit unabhängig von der Hintergrundabsorption. Wenn ein absorbierendes Medium wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt 1st, definiert durch die Fläche F., nur den Teil des Wellenlängenbereichs beeinflusst, der den einen Filtersektor umspannt, 1n diesem Fall Fj, jedoch nicht den Wellenlängenbereich.des anderen Filtersektors F₂, entsteht ein Unterschied W zwischen den Flächen A und B, wie aus den Figuren 10 und 11 hervorgeht. Dieser Unterschied A, - B- kann unter Berücksichtigung des Unterschiedes zwischen Aj Aj auf eine Konzentration für das aktuelle Medium umgerechnet werden. Der Unterschied Aj - A-, der die Veränderung des absoluten Signalniveaus darstellt, kann ein logarithmisches Umrechnungseiement steuern oder automatisch den Arbeltspunkt bei Verwendung eines logarithmischen fotoelektrischen Elements ändern. Der Unterschied zwischen A- und B- kann damit in einfacher Weise in eine Konzentration umgewandelt werden.

Die beschriebene Erfindung kann allgemein auf allen Gebieten Verwendung finden,

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wo es zweckmässig ist, mit Filtern oder einer anderen Wellenlängenaufteilung Differenzmessungen zwischen zwei Wellenlängenintervallen vorzunehmen, und hat zu besonders guten Resultaten bei automatischer Bestimmung des chemischen Sauerstoffverbrauches mit Bichromatoxidation ergeben ebensowie bei der Bestimmung des Phosphorgehalts im Kanalisationswasser und beim chemischen Sauerstoffverbrauch mit Kaliumpermanganat.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform beschränkt sondern kann in verschiedener Weise im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche abgeändert werden. So können die Filtersektoren verschieden gross sein und die Ausbaiansierung der Energiemenge zum fotoelektrischen Element kann beispielsweise mittels einem Graufilter geschehen. Umgekehrt gilt auch, dass man nicht immer ein Graufilter anzuwenden braucht, da man das System mit verschieden grossen FilterSektoren ausbalanzieren kann. Das beschriebene Kompensationsfilter kann auch andere Funktionen besitzen und beispielsweise ein Farbfilter sein, das für spezielle Verwendungszwecke andere Effekte zu den Filtersektoren addiert.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

.^Verfahren zur kolorimetrischen Konzentrationshestimmung, dadurch gekennzeichnet, dass man abwechselnd die Lichtabsorption innerhalb von zwei oder mehreren Wellenlängenbereichen automatisch bestimmt, wobei einer dieser Bereiche einen grösseren Wellenlängenbereich und die übrigen Wellenlängenbereiche geringere Bereiche innerhalb des grösseren Wellenlängenbereichs umspannen und dass die Lichtenergie innerhalb der verschiedenen Bereiche mit eine» Absorptionsfilter derart abgestimmt wird, dass die Energiemenge dieser Bereiche gleich gross wird und, dass die Differenz in der Lichtdurchlässigkeit bei Einführung einer Messküvette in den Strahlengang nur von der Lichtabsorption einer Substanz im geringeren Bereich abhängig wird und, dass die Hintergrundabsorption, beispielsweise die Trübung, automatisch durch Differenzmessung zwischen der Lichtabsorption in den verschiedenen Bereichen kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenaufteilung des Lichtflusses mittels einer,in wenigstens zwei verschiedene FilterSektoren aufgeteilten,rotierenden Filterscheibe, herbeigeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das absorbierende Medium nur denjenigen Teil des Wellenlängenbereichs

" beeinflusst, der den einen Filtersektor umspannt, und dass die Hintergrundabsorption auf den beiden Filtersektoren gleich bleibt.
4. Vorrichtung zur kolorimetrisehen Konzentrationsbestimmung nach Anspruch 1 3 mit einer Lichtquelle (1), einer das zur Konzentrationsmessung bestimmte Medium enthaltenden Messküvette (3),sowie einem den Lichtfluss durch das Medium aufnehmenden fotoelektrischen Element (6), das mit einer elektronischen Auswertungsvorrichtung zusammenwirkt, gekennzei chnet durch einen zwischen dem fotoelektrischen Element (6) und der Messküvette (3) angeordneten Wellenlängenumwandler (8), der abwechselnd verschie-

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den? Weilenlängenbereiche des Lichtflusses zur Auf7eichnung zum Element (5) und nachfolgender Auswertung in einer Differenzmessbriicke (13) erzeugt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenunrwandler aus einer rotierbar angeordneten Filterscheibe (8) besteht, die wenigstens zwei verschiedene Filtersektoren (F,, Fp) besitzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtersektoren (F,, F_) gleich gross sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadirch gekennzeichnet, dass die Filtersektoren (F,, F„) verschieden gross sind und die Ausbalanzierung eier Energiemenge zum fotoelektrischen Element mittels eines Kompensationsfilters erzielt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Element (6) und der Filterscheibe (8) ein Kompensationsfilter (5) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Graufilter (FG) zum einen Filtersektor (F,) addiert und so abgestimmt ist, dass der Lichtfluss durch die beiden Filtersektoren (F-j, F^) gleich gross wird.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-8, dad urch gekennzeichnet, dass die Speisung der Differenzmessbriicke (13) durch eine auf der gleichen Welle angeordnete Sektorscheibe (10) gesteuert wird sowie, dass ein Fühlgerät (11) an der Sektorscheibe (10) montiert ist und über eine Synchroni sierungselektronik (12) und Relaisfunktionen (R,, und R.p) eine Speisung des vom Element (6) erhaltenen Signals abwechselnd zu dem einen oder anderen Teil der Messbrücke (13) in Abhängigkeit von der Lage der Filtersektoren (F,, F₂) im Lichtfluss steuert.

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