DE2260561A1

DE2260561A1 - Durchflusszelle zur fotometrischen analyse von fluidproben

Info

Publication number: DE2260561A1
Application number: DE2260561A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Bellinger; John C Parker
Original assignee: Technicon Instruments Corp
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1972-12-11
Publication date: 1973-07-12
Also published as: CA960880A; JPS5533014B2; FR2163493A1; NL7214001A; NL172273B; JPS4869591A; IT968891B; GB1376254A; FR2163493B1; BE792114A; AU4797972A; DE2260561B2; US3740158A; NL172273C; CH548026A; AU456336B2; DE2260561C3

Description

Patenicmwcrlie

k-Ing. Wilhelm Eeichel
Dipl-Ing. Wolieg MgM

6 Frankfurt a. M. 1
Parusiiaße 13

7232

TECHNICON INSTRUMENTS CORPORATION, Tarrytown, N.Y. VStA

Durchflußzelle zur fotometrischen Analyse von Fluidproben

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußzelle zur fotometrischen Analyse von Fluidproben, enthaltend einen aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehenden^ langgestreckten Körper mit einem sich in Längsrichtung des Körpers erstreckenden Sichtdurchgang, der einen Abschnitt einer zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtnachweiseinrichtung verlaufenden Lichtbahn bildet und in den ein Einlaß und ein Auslaß für die Fluidproben münden.

Durchflußzellen dieser Art sind'allgemein bekannt und werden beispielsweise bei der kontinuierlichen Analyse von aufeinanderfolgenden Fluidproben eingesetzt. So ist beispielsweise aus der US-PS 3 241 432 eine Durchflußzelle aus einem rohrförmigen Glaskörper bekannt, dessen Enden zu einem Fluideinlaß bzw. Fluidauslaß umgebogen sind. Diese Durchflußzelle weist also gekrümmte Enden auf und wird unter Anwendung der Glasblastechnik hergestellt. Die auf diese Weise gefertigte

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Durchflußzeile zeigt gute laminare Strömungseigenschaften. Die an den Enden der Durchflußzelle auftretenden gekrümmten und gebogenen Glasteile, durch die die Lichtbahn führt, zeigen jedoch keine optimalen optischen Eigenschaften. So wird beispielsweise ein Teil des von der Lichtquelle kommenden Lichts in den Stirnwänden absorbiert oder infolge der gekrümmten Grenzflächen reflektiert und gebrochen. Die Lichtstrahlen treten daher im allgemeinen nicht in axialer Richtung durch die Durchflußzelle, wie es erwünscht ist. Weitere optische Probleme werden durch die mangelnde Gleichförmigkeit an den gekrümmten Stirnwänden der DurchiluSzellen hervorgerufen. Die Überwindung dieser Schwierigkeiten wird zusätzlich dadurch erschwert, daß die Durchflußzellen untereinander verschieden und ungleichförmig sind.

Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der Durchflußzellen ist es ferner bekannt, die im Sichtdurchgang liegenden Stirnfenster eben auszubilden. Dabei verlaufen die Innen- und Außenflächen der Stirnfenster parallel zueinander und liegen in einer Ebene, die sich senkrecht zur Achse des rohrförmigen Körpers, also senkrecht zum Sichtdurchgang erstreckt. Hierzu wird beispielsweise auf die US-PS 3 345 verwiesen. Bei dieser bekannten Anordnung wird die Durchflußzelle in Längsrichtung von der zwischen der Lichtquelle und der Lichtnachweiseinrichtung verlaufenden Lichtbann durchsetzt, und die Grenzflächen zwischen dem zu untersuchenden Fluid und den Fenstern erstrecken sich in Ebenen, die auf der Lichtbahn senkrecht stehen. Dadurch wird die Lichtbrechung herabgesetzt, die an den gekrümmten Stirnflächen der zuerst beschriebenen Durchflußzellen auftritt. Weiterhin zeigen die ebenen Stirnfenster eine bessere Gleichmäßigkeit und Gleichförmigkeit. Durch die Verwendung von diesen ebenen Stirnfenstern werden jedoch nicht alle Probleme gelöst. So geht nach wie vor ein großer Teil des Lichts in den Stirnfenstern verloren, und zwar dadurch, daß an den

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Grenzflächen zwischen den Fenstern und dem Körper die Lichtstrahlen aus den Fenstern direkt in den Körper gelangen. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Stirnfenster und der Körper der Durchflußzelle aus dem gleichen Werkstoff, nämlich Glas, bestehen.

Aus der US-PS 3 583 817 ist eine Durchflußzelle bekannt, bei der der Durchflußzellenkörper aus schwarzem Glas besteht, um die Lichtbahn in der Durchflußzelle gegenüber dem Umgebungslicht abzuschirmen und um zu verhindern, daß der Durchflußzellenkörper Licht von der Lichtquelle zur Lichtnachweiseinrichtung überträgt. Die Stirnfenster, die aus dem Durchflußzellenkörper herausragen können, sind in Form von Prismen ausgebildet, um unter Anwendung von geneigten Grenzflächen zwischen den Fenstern und der in der Zelle befindlichen Flüssigkeit die Lichtbrechung zu kompensieren. Die Stirnfenster bestehen ebenfalls aus Glas. Auch bei dieser Durchflußzelle tritt der Nachteil auf, daß ein großer Teil des von der Lichtquelle kommenden Lichts von den Fenstern direkt in den' Durchflußzellenkörper übertragen wird und damit für die Zwecke der Analyse verlorengeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur kolorimetrischen und densimetrisehen Analyse geeignete Durchflußzelle zu schaffen, die sehr gute Lichtübertragungseigenschaften aufweist, bei der also die Lichtverluste äußerst gering sind, so daß die Durchflußzelle auch in Verbindung mit Lichtquellen verhältnismäßig niedriger Intensität verwendet werden kann und auch in diesem Fall der Rau'schabstancL verhältnismäßig groß ist. Auf diese Weise soll ein hoher Linearitätsgrad bei der Analyse von Proben erzielt werden. Weiterhin soll die zu schaffende Durchflußζeile über einen großen Spektralbereich, also für die verschiedenartigsten Wellenlängen verwendet werden können. Darüberhinaus soll die zu schaffende Durchflußzelle fluiddicht und gegenüber Chemikalien hochbeständig sein.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Durchflußzelle nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine sich durch seine gesamte Länge erstrekkende, den Sichtdurchgang bildende Durchgangsbohrung aufweist, daß diese Bohrung an ihren Enden mit lichtdurchlässigen Fenstern fluiddicht abgeschlossen ist, die in der Bohrung bis zum Fluideinlaß bzw. Fluidauslaß reichen, und daß der für die Fenster verwendete Werkstoff einen höheren Brechungsindex als der zur Herstellung des Körpers benutzte Werkstoff hat.

Infolge der erfindungsgemäßen Werkstoffauswahl bilden die Fenster Lichtleiterrohre, die die Lichtübertragungseigenschaften von der Lichtquelle in die Durchflußzelle und von der Durchflußzelle zu der Lichtnachweiseinrichtung beträchtlich erhöhen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch eine Durchflußzelle und

Fig. 2 eine Stirnansicht der Durchflußzelle.

Unter Bezugsnahme auf die allgemein übliche Anordnung einer Durchflußzelle in einem Analysiergerät weist die in den Figuren dargestellte Durchflußzelle einen horizontalen rohrförmigen Körper 12 aus einem nichtmetallischen Werkstoff auf, der gegenüber der korrodierenden Wirkung von Chemikalien hochbeständig ist und vorzugsweise aus einer durchsichtigen Glasart besteht. Der Körper 12 ist in der gezeigten Weise horizontal langgestreckt ausgebildet und weist eine gleichmäßig glatte axiale Bohrung 14 auf, die sich als Sichtdurchgang durch den Körper erstreckt. Der Körper 12 kann ein Kapillarrohr mit einer kreisförmigen Bohrung 14 sein, deren

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Durchmesser etwa 0,5 nun betragen kann. Bei dieser Ausführungsform kann der rohrförmige Körper 12 eine Länge von etwa 16,5 mm haben. Die obigen Angaben sind jedoch nicht als Beschränkung aufzufassen.

Nahe bei seinem einen Ende weist der rohrförmige Körper einen Fluideinlaß 16 auf, der sich durch die Seitenwand des Körpers erstreckt und mit der Bohrung 14 in Verbindung steht. Am anderen Ende des Körpers 12 ist ein ähnlich ausgebildeter Fluidauslaß 18 vorgesehen. Der Einlaß 16 und der Auslaß erstrecken sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von oben in die Bohrung 14. Dies braucht jedoch nicht so zu sein. Der Einlaß 16 kann beispielsweise auch von der Seite her in die Bohrung 14 münden. Ferner sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Einlaß mit dem Auslaß vertauschbar, und das zur Messung verwendete Licht kann den Sichtdurchgang in der einen oder anderen Richtung durchsetzen. Der Einlaß 16 ist mit einem rohrförmigen Leitungsteil 20 verbunden, das aus einem passenden korrosionsbeständigen Werkstoff bestehen kann. Als Werkstoff kann man aber auch Glas, Quarz oder Saphir verwenden. Der Auslaß 18 ist mit einem ähnlich ausgebildeten rohrförmigen~ Leitungsteil 22 verbunden. Wie es aus den Figuren hervorgeht, entsprechen die Durchmesser des Einlasses 16 und des Auslasses 18 sowie die Innendurchmesser, der rohrförmigen Leitungsteile 20 und 22 dem Durchmesser der Bohrung 14. Die rohrförmigen Leitungsteile 20 und 22 können in der dargestellten Lage an dem Körper 12 anzementiert oder angeschmolzen sein, zu welchem Zweck der Körper 12 bis zu einem geringfügig erweichten Zustand erhitzt wird. Ansätze 24, die aus dem gleichen Werkstoff wie der Körper 12 bestehen, dienen zur besseren Halterung der Leitungsteile 20 und 22.

Die nach außen führenden Enden der Bohrung 14 sind hinter dem Einlaß 16 und dem Auslaß 18 mit je einem lichtdurchlässigen Stirnfenster 26 fluidundurchlässig abgedichtet. Die

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Stirnfenster 26 verlaufen tangential zu dem Einlaß 16 bzw. dein Auslaß 18. Um die Stirnfenster vorzugsweise durch ein Wärmeschrumpfverfahren fluiddicht einzupassen, liegen die Ausdehnungskoeffizienten für den Werkstoff des Körpers 12 und für den Werkstoff der Fenster 26 so dicht wie möglich beieinander. Um eine Verwerfung der polierten Innenfläche 28 der Fenster 26 während des Wärmeschrumpfverfahrens zu vermeiden, soll der Werkstoff, aus dem die Fenster 26 hergestellt sind, einen beträchtlich höheren Schmelzpunkt als der Werkstoff des rohrförmigen Körpers 12 haben. Darüberhinaus soll der Werkstoff für die Fenster 26 chemisch inert sein. Eine weitere Anforderung besteht darin, daß der Werkstoff für die Fenster 26 über einen weiten Spektralbereich lichtdurchlässig sein soll, einschließlich von ultraviolettem Licht, so daß man die Durchflußzelle in Abhängigkeit von der interessierenden Substanz in der zu analysierenden Probe bei beträchtlich verschiedenartigen Wellenlängen zur kolorimetrischen oder densimetrischen Analyse einsetzen kann.

Der Werkstoff für mindestens das eine der Fenster 26 muß einen höheren Brechungsindex als der Werkstoff für den Körper 12 haben, so daß dieses Fenster die Eigenschaft hat, das Licht in die nichtdargestellte Lichtbahn der Bohrung 14 hineinzuleiten oder herauszuleiten. Um eine optimale Lichtübertragung zu erzielen, sind vorzugsweise beide Fenster in der oben beschriebenen Weise ausgebildet. Die Verwendung eines derartigen Lichtleiterwerkstoffs hat zur Folge, daß an der Grenzfläche zwischen diesem Werkstoff und dem Körper kein Licht von der Lichtbahn in den rohrförmigen Körper 12 eintritt. Wenn dem nicht so wäre, ginge ein beachtlicher Anteil des Lichts für die Zwecke der Analyse verloren. Da eine Lichtübertragung an den genannten Grenzflächen von den Fenstern in den Körper 12 vermieden wird, tritt von den Fenstern kein Licht direkt in den Körper 12 ein, so daß auch über den

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Körper 12 zu einer nichtdargestellten Lichtnachweiseinrichtung kein Licht gelangen kann, das sich sonst als Rauschen bemerkbar machen würde. Der rohrförmige Körper 12 ist vorzugsweise entlang seinem Umfang und an seinen Enden mit einem nichtdargestellten Mittel abgeschirmt, so 4aß kein Umgebungslicht in den Körper 12 eintreten kann. Die Stirnfenster 26 bleiben allerdings unbedeckt.

Ein Werkstoff, der die oben angegebenen Bedingungen für die Fenster 26 erfüllt, ist beispielsweise Saphir oder Lithiumniobat. Die Fenster sind stabförmig ausgebildet und haben, wie bereits erwähnt, einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser. Um mit nichtdargestellten äußeren optischen Elementen Verbindungen herzustellen, können die Fenster 26 ₉ wie es gezeigt ist, über die Enden des rohrförmigen Körpers 12 hinausragen. Die Fenster können eine Länge von etwa 6,4 mm haben. Die Außenflächen 30 der Fenster können v/ie die Innenflächen 28 vor dem Zusammenbau poliert werden.

Die beschriebene Durchflußzelle kann in ein optisches System eingebaut werden, wie es beispielsweise aus der US-PS 3 583 817 bekannt ist. Abgesehen von weiteren optischen Elementen ist dort an dem einen Ende der Durchflußzelle in der Lichtbahn eine Lichtquelle angeordnet, beispielsweise eine Glühlampe, und am anderen Ende eine fotoelektrische Einrichtung, beispielsweise eine Fotozelle. Die Stirnfenster 26 der hier beschriebenen Durchflußzelle können jedoch auch unter Verwendung von einem oder mehreren flexiblen Lichtfaserbündeln, wie es beispielsweise aus der US-PS 3 624 816 bekannt ist, zwischen eine Lichtquelle und eine fotoelektrische Einrichtung geschaltet werden. Dabei kann ein Lichtfaserbündel mit seinem einen Ende sehr dicht an der Außenfläche 30 des Fensters 26 angeordnet sein. Die optische Verbindung zwischen der Außenfläche 30 des Fensters 26 und dem Lichtfaserbündel kann mit Hilfe eines op—

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tischen lmrnersionsöls hergestellt werden. Aus dem obigen geht hervor, daß bei der Verwendung von optischen Faserbündeln die Lichtbahn zwischen der Lichtquelle und der Lichtnachweiseinrichtung keine gerade Linie zu sein braucht.

Beim Betrieb der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Durchflußzelle wird in ähnlicher Weise wie bei der aus der US-PS 3 583 817 bekannten Anordnung ein flüssiger Probenstrom über das Leitungsteil 20 und den Einlaß 16 in die Bohrung 14 geleitet. Über den Auslaß 18 und das Leitungsteil 22 verläßt dieser Strom die Durchflußzelle. Der Probenstrom kann in an sich bekannter Weise durch inerte Gasschübe oder andere mit den Proben nicht mischbaren Fluidschüben unterteilt sein. Diese nicht mischbaren Fluidschübe können kurz vor dem Eintritt des Stroms in die Durchflußzelle in ebenfalls an sich bekannter Weise aus dem Strom entfernt werden. Es wird jedoch bevorzugt, daß die nicht mischbaren Fluidschübe in den Strom gelassen werden, um die Durchflußzelle zu reinigen. Wenn sich gerade ein derartiger Fluidschub in der Bohrung 14 befindet, wird das von der Lichtnachweiseinrichtung abgegebene Ausgangssignal unterdrückt, so daß das zur Aufzeichnung weiterverarbeitete Signal durch das Vorhandensein eines nicht mischbaren Fluidschubs, beispielsweise eines Gaseinschlusses, nicht beeinträchtigt wird.

Wie bereits erwähnt, ist der Brechungsindex des Werkstoffes für die Stirnfesnter 26 höher als der Brechungsindex des Werkstoffs für den Körper 12. Auf diese Weise entstehen an den Enden der Durchflußzellen Lichtleiterrohre, die an die Probenflüssigkeit angrenzen. Aufgrund eines derartigen Aufbaus wird die Lichtübertragung in der Durchflußzelle in einem Bereich von 40 bis 50% verbessert. Der Brechungsindex von als Stirnfenster 26 verwendetem Saphir beträgt etwa 1,76. Demgegenüber weist der Körper 12 einen Brechungsindex von etwa 1,49 bis 1,52 auf.

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Claims

Patentansprüche

Durchflußzelle zur fotometrischen Analyse von Fluidproben, enthaltend einen aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehenden, langgestreckten Körper mit einem sich in Längsrichtung des Körpers erstreckenden Sichtdurchgang, der einen Abschnitt einer zwischen einer Lichtquelle und einer Lichtnachweiseinrichtung verlaufenden Lichtbahn bildet und in den ein Einlaß und ein Auslaß für die Fluidproben münden,

dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) eine sich durch seine gesamte Länge erstreckende, den Sichtdurchgang bildende Durchgangsbohrung (14) aufweist, daß diese Bohrung (14) an ihren Enden mit lichtdurchlässigen Fenstern (26) fluiddicht abgeschlossen ist, die in der Bohrung bis zum Fluideinlaß (16) bzw. Fluidauslaß (18) reichen, und daß der für die Fenster (26) verwendete Werkstoff einen höheren Brechungsindex als der zur Herstellung des Körpers (12) benutzte Werkstoff hat.
2. Durchflußzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Körper (12) verwendete Werkstoff Glas ist.
3. Durchflußzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Fenster (26) verwendete Werkstoff Saphir
4. Durchflußzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (26) aus dem Körper (12) herausragen.

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5. Durchflußzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (26) eine axiale Grenzfläche mit dem Körper (12) bilden.
6. Durchflußzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs für die Fenster (26) und des Werkstoffs für den Körper (12) möglichst dicht beieinander liegen.

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