DE2729684A1

DE2729684A1 - Verfahren und vorrichtung zum untersuchen von waessrigen loesungen

Info

Publication number: DE2729684A1
Application number: DE19772729684
Authority: DE
Inventors: Hugh V Cottingham; Joseph Scrooco
Original assignee: BHN Inc
Current assignee: BHN Inc
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1977-06-30
Publication date: 1978-03-30
Also published as: JPS5311090A; BR7704534A; FR2358652A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN 24. Juni 1977 POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 D/Cz

BHN, INC. 180 Bellevue Avenue, Upper Montclair, New Jersey, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen von wässrigen Lösungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen von wässrigen Lösungen, wobei diese bestimmte Absorptionscharakteristiken aufweisen; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektronischen Messen des pH-Wertes von wässrigen Lösungen.

Der Ausdruck pH bestimmt einen Wert, mit dem die Acidität oder Basizität von Lösungen ausgedrückt wird. Saure Lösungen haben einen pH-Wert von weniger als 7, während basische Lösungen einen pH-Wert größer als 7 aufweisen; der pH-Uert 7 ist einer neutralen Lösung zugeordnet.

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Zwei Möglichkeiten, die zum Bestimmen der Acidität bzw. Basizität einer Lösung verwendet werden und die Bestimmung des pH-Wertes in Schritten zwischen 2/10 bis 4/10 eines pH-Grades erlauben, sind pH-Papiere und pH-Indikatorlösungen.

Bei Verwendung von pH-Papieren wird ein pH-Papier in die zu untersuchende Lösung eingetaucht, wonach die Farbe des pH-Papiers mit einer Farbreferenzkarte verglichen wird. Das menschliche Auge hat jedoch große Schwierigkeiten bei der Farbbestimmung des nassen Streifensvon pH-Papier und der vielfarbigen gedruckten Farbvergleichskarte. Zudem kann mit pH-Papieren der pH-Wert von Lösungen jeweils nur im Bereich von wenigen Zehnteln eines pH-Grades bestimmt werden, wobei die pH-Papiere jeweils unterschiedlichen steigenden pH-Werten zugeordnet sind. Um die Acidität bzw. Basizität von Lösungen in einem pH-Bereich zwischen 6,0 und 8,0 zu bestimmen, wird die Lösung nacheinander mit pH-Papieren geprüft, die auf die folgenden pH-Werte ansprechen: 6,0, 6,4, 6,8, 7,0, 7,2, 7,6 und 8,0.

Bei der Verwendung von Indikatorlösungen wird die zu untersuchende wässrige Lösung mit der Indikatorlösung gefärbt, wonach die Farbe der Lösung mit einer gedruckten oder fotographierten Farbvergleichskarte verglichen wird. Wie in dem Fall der Verwendung von pH-Papieren ist ein derartiger Vergleich mit dem Auge nur schwer durchzuführen. Bei Indikatorlösungen können mit dem Auge pH-Bereiche von einigen Zehnteln eines pH-Grades nur schwer diskriminiert werden. Obwohl es möglich ist, Indikatorlösungen herzustellen, mit denen pH-Bereiche von weniger als einigen Zehnteln eines pH-Grades diskriminiert werden können, können mit dem menschlichen Auge nur schwierig derartig geringe Veränderungen der Farbe der wässrigen Lösung erkannt werden, so daß die mit den Indikatorlösungen erreichbaren Empfindlichkeiten nicht entsprechend genau ausgenutzt werden können. Aus diesem Grunde werden Indikatorlösungen ausgewählt, die jeweils diskreten pH-Werten entsprechen und die einen starken, für das menschliche Auge gut wahrnehmbaren Farbumschlag bewirken, wobei berücksichtigt werden muß, daß starke

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Farbumschläge, die vom menschlichen Auge leicht wahrnehmbar sind, oftmals erst bei Viechsein des pH-Wertes im Rahmen von 9/10 eines pH-Grades auftreten.

Um diese Schwierigkeiten bei der Verwendung von pH-Papieren und Indikatorlösungen zu umgehen, sind teure elektronische pH-Meßgeräte bekannt, die den Aufbau eines elektrischen Potentials in der zu untersuchenden Lösung zur Bestimmung des pH-Wertes ausnutzen; diese elektronischen pH-Meßgeräte erfüllen jedoch nur teilweise die gestellten Anforderungen. Diese Meßgeräte messen den pH-Wert als direkte elektrische Potentialdifferenz an einer Glasmembran, die einen Eingangswiderstand in der Größe von 10 Ohm aufweisen und eine zerbrechliche und extrem teure flüssigkeitsgefüllte Glaselektrode verwenden. Da die einzelnen Komponenten dieser pH-Meßgeräte sehr teuer sind, zudem am Meßgerät oftmals ein Null-Abgleich durch Vermessen bekannter Pufferlösungen durchgeführt werden muß und die Elektroden sehr empfindlich sind, sind derartige, das elektrische Potential bestimmende pH-Meßgeräte nur für den Laborgebrauch annehmbar und wesentlich zu teuer und schwierig zu handhaben für einen Laien, der den pH-Wert von wässrigen Lösungen routinemäßig zu Hause zu untersuchen wünscht, wie das etwa beim Unterhalt und der Pflege von Aquarien, Swimmingpools oder Gartenanlagen der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen von wässrigen Lösungen, insbesondere zum elektronischen Bestimmen des pH-Wertes einer wässrigen Lösung anzugeben, wobei mit dem Verfahren und der Vorrichtung der pH-Wert von wässrigen Lösungen bis auf Zehntel eines pH-Grades in dem gesamten Bereich der pH-VJerte zwischen 1,0 bis 14 bestimmt werden kann.

Für ein Verfahren ist diese Ausgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zu untersuchende wässrige Lösung mit monochromatischem Licht einer Lichtquelle durchstrahlt wird, daß der Anteil des durch die wässrige Lösung hindurchgelassenen Lichts gemessen

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und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, dessen Amplitude einer charakteristischen Eigenschaft der wässrigen Lösung zugeordnet wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein monochromatisches Licht abgebende Lichtquelle und einen entfernt davon angeordneten lichtempfindlichen Empfänger aufweist, zwischen denen die zu untersuchende wässrige Lösung, die eine bestimmte Absorptionscharakteristik aufweist, eingeführt ist, wobei der Empfänger so ausgelegt ist, daß damit der Anteil des von der zu untersuchenden wässrigen Lösung absorbierten Lichtes angezeigt wird. Zur Bestimmung des pH-Wertes wird eine Anzeige verwendet, die in Abhängigkeit des elektrischen Signales des Empfängers einen Viert entsprechend dem pH-Wert der wässrigen Lösung angibt.

Mit der Erfindung ist eine sehr genaue Methode und eine feinfühlige Meßvorrichtung zum Untersuchen von wässrigen Lösungen angegeben, wobei die zu untersuchende wässrige Lösung als ein lichtabsorbierendes Filter verwendet wird. Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein monochromatisches Licht emittierendeDiode verwendet.

Andere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung umfaßt demnach mehrere Schritte und den Zusammenhang einer oder mehrerer derartiger Schritte im Hinblick auf die anderen, wobei die Vorrichtung in der Konstruktion sowie der Kombination und Anordnung einzelner Elemente und Teile so ausgelegt ist, daß die Verfahrensschritte ausgeführt werden können, wie das in der folgenden Beschreibung näher dargestellt wird.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

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ORIGINAL INSPECTED

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines pH-Meßgerätes gemäß der Erfindung für einen schmalen pH-Bereich;

Fig.2: ein Blockschaltdiagramm einer Schaltung, die in dem pH-Meßgerät in Figur 1 benutzt ist;

Fig. 3: eine im Detail ausgeführte Schaltung des pH-Meßgerätes gemäß der Figur 1 und die

Fig. 4: eine perspektivische Teilansicht eines pH-Meßgerätes in einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das mehrfach auf Skalen mit engen pH-Bereichen umgeschaltet werden kann und mit dem der gesamte Bereich der pH-Werte von 1,0 bis 14 gemessen werden kann.

In Figur 1 ist ein pH-Meßgerät mit 10 bezeichnet. Das Meßgerät weist ein Gehäuse für die verschiedenen Komponenten auf, wobei das Gehäuse aus einer ersten Gehäusehälfte 11 und einer zweiten Gehäusehälfte 12 besteht, wobei sich die Gehäusehälften überlappen, wodurch ein Hohlraum zur Aufnahme der verschiedenen Komponenten des pH-Meßgerätes geschaffen wird.

Die erste Gehäusehälfte nimmt ein Amperemeter 13 auf, auf dem ein analoger Wert entsprechend dem pH-Niveau einer zu untersuchenden wässrigen Lösung angezeigt wird. Selbstverständlich kann diese analoge Anzeige auch ersetzt werden durch einen konventionellen 7-Segment-Flüssigkristall oder eine digitale Anzeige mittels lichtemittierender Dioden, indem zusätzlich ein Analog-Digital-Wandler und notwendige Schaltkreise zum Decodieren und Treiberstufen zur Energieversorgung der Digitalanzeigen vorgesehen werden. Die eine Gehäusehälfte 11 nimmt eine Gleichstrombatterie und eine Platine 15 für eine gedruckte Schaltung auf, deren Elemente näher in dem Schaltdiagramm gemäß Figur 3 erläutert sind.

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In der zweiten Gehäusehälfte 12 ist eine lichtemittierende Diode (LED) 17 und ein Fotodetektor 18 räumlich getrennt voneinander angeordnet, so daß zwischen ihnen eine Probenkammer 19 zur Aufnahme eines Probengefäßes 20 gebildet wird. Die zweite Gehäusehälfte nimmt einen federnden Kontakt 21 auf, der normal in einer Offenstellung gehalten und erst dann geschlossen wird, wenn ein Probengefäß 20 vollständig in die Probenkammer 19 eingesetzt ist. Mit der zweiten Gehäusehälfte ist eine Führungswand 22 verbunden, die dazu dient, das Probengefäß 20 in die zweite Gehäusehälfte so einzuführen, daß diese in der Probenkammer 19 zwischen der lichtemittierenden Diode 17 und dem Photodetektor 18 angeordnet ist und in Berührung mit dem als Schalter ausgebildeten federnden Kontakt 21 steht. Eine Kappe 23 wird auf das Probengefäß 20 aufgesetzt, wenn dieses durch die Führungswand 22 in das Gehäuse eingesetzt wird, wobei durch die Kappe 23 das Probengefäß so in das Gehäuse geschoben wird, daß das Probengefäß 20 vollständig in der Probenkammer eingesetzt ist und gegen die Federkraft des federnden Kontaktes gedrückt ist und dadurch den damit verbundenen Schaltkreis schließt.

Das Meßgerät 10 in der Figur 1 ist zum Bestimmen des pH-Wertes in einem engen Bereich gedacht und funktioniert in folgender Weise. Es wird ein pH-empfindlicher Indikator für den engen Bereich der pH-Werte ausgewählt, die mit dem Meßgerät bestimmt werden sollen. Für das pH-Meßgerät in Figur 1, das für einen pH-Bereich zwischen 7 und 8 gebaut ist, ist der pH-empfindliche Indikator Phenolrot. Das Probengefäß 20, wird bis zu einer Referenzmarke 24 mit einer zu untersuchenden normalerweise klaren wässrigen Lösung gefüllt, wonach eine bestimmte Anzahl von Tropfen von Phenolrot aus einem Vorratsgefäß 25 zugefügt wird. Danach wird das Probengefäß in die Probenkammer zwischen der Diode 17 und dem Photodetektor 18 bis in Kontakt mit dem federnden Kontakt 21 eingeführt. Die Kappe 23 wird auf das obere Ende des Probengefäßes 20 aufgesetzt; mit der Kappe 23 wird das Probengefäß weiter vollständig in die Probenkammer 19 geschoben, bis der Schalter am federnden Kontakt 21 schließt; dadurch erscheint auf dem Ampere-

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meter 13 eine analoge Anzeige, die exakt dem pH-Wert der zu untersuchenden wässrigen Lösung zugeordnet ist.

In den Figuren 2 und 3 wird der Schaltkreis beschrieben, der zum Bestimmmen des pH-Wertes einer wässrigen Lösung mit einem Meßgerät gemäß der Figur 1 notwendig ist, wobei für bereits beschriebene Elemente jeweils die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Die lichtemittierende Diode 17 arbeitet als monochromatische Lichtquelle, deren Licht durch die Probenkammer 19 auf den Photodetektor 18 gerichtet ist. Wenn eine zu untersuchende wässrige Lösung, das heißt eine wässrige Lösung, der ein flüssiger Indikator bereits zugefügt ist, in die Probenkammer 19 eingeführt ist, so wird das Licht zwischen der Lichtquelle 17 und dem Photodetektor 18 durch den pH-Indikator in der wässrigen Lösung gefiltert. Die Absorption "A" der zu untersuchenden wässrigen Lösung wird entsprechend dem Gesetz nach Bouger-Lambert-Beer bestimmt, wobei der Anteil des nicht hindurchgelassenen Lichtes wie folgt berechnet wird:

A = log —— = lc£

in dieser Gleichung ist "1" die Länge des Lichtweges in der wässrigen Lösung, ¹¹I." die Anfangsintensität des Lichts und I_e die Intensität des Lichtes nach dem Durchgang durch die Lösung; " t\ " ist der molare Absorptionskoeffizient bei der Wellenlänge "A"' wobei "J^ " die Wellenlänge der lichtemitt.ierend.enDiode ist; ferner ist "c" die Konzentration des gefärbten Indikators in Lösung Auf diese Weise wird durch die 1icht-absorbierende Charakteristik der zu untersuchenden wässrigen Lösung der Anteil des vom Photodetektor 18 empfangenen Lichtes so gefiltert, daß am Photodetektor ein elektrisches Signal gebildet wird, das dem Anteil des durch die wässrige Lösung hindurchgelassenen monochromatischen Lichtes entspricht. Das Signal am Photodetektor 18 wird einem Diskriminator

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schaltkreis 26 zugeführt, wobei dieser Schaltkreis einen Verstärker enthält, mit dem das Ausgangssignal des Photodetektors 18 verstärkt und danach dem Amperemeter 13 zugeführt wird, auf dem ein dem pH-Wert der wässrigen Lösung entsprechender Wert angezeigt wird. Wie oben bereits ausgeführt, kann die Anzeige 13 eine digitale Anzeige sein, wobei in diesem Falle der Diskriminatorschaltkreis 26 konventionelle Analog-Digital-Wandler sowie ferner Decodierer und Treiberkreise aufweisen müßte, um die von dem Photodetektor abgegebene Spannung in einen digital anzuzeigenden Wert umzuwandeln.

In Figur 3 ist ein detaillierter Schaltkreis für ein pH-Meßgerät dargestellt, wobei für bereits beschriebene Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Die beiden Pole der Gleichstrombatterie 14 sind über einen Widerstand 29 und eine Zenerdiode 30 miteinander verbunden, wobei der Widerstand und die Zenerdiode eine Spannungsregulierende Schleife bilden, mit der die Spannung dieser ersten Stufe auf einem vorbestimmten Referenzniveau gehalten wird. Parallel zu dieser ersten Spannungsregulierenden Schleife ist eine zweite Spannungsregulierende Schleife geschaltet, die durch einen Widerstand 31 und eine Zenerdiode 32 gebildet wird, wodurch sichergestellt wird, daß die Spannung, die der lichtemittierende Diode 17 zugeführt wird, auf einem vorbestimmten Referenzniveau liegt. Es sei erwähnt, daß die Zenerdioden 30 und 32 gewährleisten, daß die Spannung an der lichtemittierende Diode selbst dann unverändert bleibt, wenn Schwankungen in der Batteriespannung auftreten. Eine dritte Spannungsstabilisierende Schleife besteht aus einem Widerstand 33 und einer Zenerdiode 34, mit denen die Spannung am Photodetektor 18 auf einem festen Wert gehalten wird. Mit der Kathode der lichtemittierer.clenDiode 17 ist ein einstellbarer Widerstand 36 verbunden, mit dem die Intensität des von der Diode abgegebenen monochromatischen Lichtes eingestellt werden kann.

Der lichtempfindliche Teil der Schaltung in Figur 3 weist den Photodetektor 18, einen NPN-Leistungstransistor 37 und einstellbare Widerstände 38 und 39 auf. Diese Widerstände regulieren die

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Ausgangsleistung des Leistungstransistors 37, der mit dem Amperemeter 13 verbunden ist, so daß das dem Amperemeter zugeführte Signal den pH-Wert der untersuchten wässrigen Lösung darstellt.

Die Funktionsweise des in Figur 3 dargestellten Schaltkreises kann für eine Ausführungsform eines pH-Meßgerätes für einen pH-Meßbereich zwischen 7 und 8 mit folgenden Komponenten erreicht werden:

Gleichstrombatterie	9V
Zenerdiode 30	8,2 V
Zenerdioden 32 und 34	7,5 V
Widerstand 29	100 Ohm
Widerstände 31 und 33	50 Ohm
Lichtemittierende Diode
(Wellenlänge)	565 nM
Einstellbarer Widerstand 36	0 bis 500 Ohm
Justierwiderstand 38	30 K Ohm
Justierwiderstand 39	250 0hm
Amperemeter 13	3OO UA,820 0hm

Beim Einsatz des Meßgerätes wird das Probengefäß 20 bis zur Referenzmarke 24 mit einer klaren wässrigen Lösung, die untersucht werden soll, gefüllt. Mit der Referenzmarke 24 wird für jede Messung ein konstantes Volumen festgesetzt. Danach wird aus dem Vorratsgefäß für den flüssigen pH-Indikator eine bestimmte Anzahl von Tropfen von Phenolrot der wässrigen Lösung zugeführt, um diese zu färben.

Sobald Phenolrot zu der wässrigen Lösung hinzugefügt ist, wird das Probengefäß 20 in die Führungswand 22 eingesetzt und dann in die Probenkammer 19 zwischen der lichtemittierenden Diode 17 und dem Photodetektor 18 geschoben. Danach wird die Kappe 23

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auf das Probengefäß aufgesetzt, wodurch dieses verschlossen wird. Durch Herabdrücken des Probengefäßtes mit der Kappe 23 wird der federnde Kontakt 21 heruntergedrückt, wodurch der Schalter 21 geschlossen wird. Hierdurch wird die Spannung von 9 V der Gleichstrombatterie 14 dem beschriebenen Testschaltkreis zugeführt. Die erste Regulierschleife aus dem Widerstand 29 und der Zenerdiode 33 gewährleistet, daß eine konstante Spannung von 8,2 V an der zweiten Spannungsregulierenden Schleife aus dem Widerstand 31 und der Zenerdiode 32 ebenso wie an der dritten Spannungsregulierenden Schleife aus dem VJiderstand 33 und der Zenerdiode 34 anliegt, wodurch sichergestellt wird, daß eine feste Referenzspannung von 7,5 V der ] ichternittierenden Diode 17 zugeführt wird. Der Strom, der durch die "lichtemittierende Diode 17 bei dieser Spannung fließt, wird durch den Widerstand 36 eingestellt und an einem Arbeitspunkt gehalten, der unter dem typischen Arbeitsstrom liegt. In dem hier geschilderten Ausführungsbeispiel sendet die lichtemittierende Diode Licht mit einer Wellenlänge von 565 nM aus, was grünem monochromatischen Licht entspricht.

Die monochromatische Lichtquelle strahlt durch die Probenkammer 19, wobei in dieser für die in Figur 3 dargestellte Schaltung ein Lichtweg von 1 cm gebildet wird. In der Probenkammer wird das Probengefäß 20 aufgenommen, und das Licht, das durch dieses Probengefäß hindurchgelassen wird, wird von dem Photodetektor empfangen. Die Absorption der untersuchten wässrigen Lösung ändert den Anteil des Lichtes, der von dem Photodetektor 18 empfangen wird, so daß das von diesem empfangene Ausgangssignal entsprechend variiert. Der Widerstand 38 ist ein Basis-Ableitwiderstand für den Leistungstransistor 37, in dem gerade ein solcher Anteil des von dem Photodetektor 18 erzeugten Signales abfällt, um die Ausgangsleistung des Verstärkers in den gewünschten Bereich des Amperemeters 13 zu legen. Der Leistungstransistor 3", empfängt a_as Ausgangssignal vom Photodetektor 18 und führt dieses dem Amperemeter 13 zu. Der Widerstand 39 ist vorgesehen, um die Skala

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des Amperemeters 13 zu justieren. Der Photodetektor 18 sorgt demnach für eine elektronisch ermittelte Anzeige der Absorption des pH-empfindlichen Imitators in der wässrigen Lösung, indem er ein Signal entsprechend dem pH-Ni veau der Lösung abgibt.

Das pH-Meßgerät in der Figur 1 weist noch eine Referenzmarke 45 auf der Skala des Amperemeters auf, womit die Leistung in der Batterie überwacht werden kann. Hierzu wird ein leeres Probengefäß 20 vollständig in die Probenkammer 19 eingeführt, so daß das Licht, das durch das transparente Probengefäß strahlt, nahezu nicht geschwächt wird und einen vollen Ausschlag des Zeigers an der Skala bewirkt; dieser Ausschlag entspricht gerade der Referenzmarke 45. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anzeige am Amperemeter nicht vollständig ausschlägt, da die Luft in dem Probengefäß einen geringeren Brechungsindex als die zu untersuchenden wässrigen Lösungen aufweist.

Ebenso wird darauf hingewiesen, daß die Schaltung gemäß der Figur 3 den Strom der lichtemittiererden Diode so begrenzt, daß sichergestellt wird, daß der Strom durch die Diode 17 lediglich etwa 20 % des möglichen Maximumstromes ist, wodurch eine im wesentlichen konst nte Lichtabgabe während der gesamten Funktionsdauer der lichtemittierenden Diode sichergestellt ist.

In Figur 4 ist ein pH-Meßgerät dargestellt, mit dem pH-Werte zwischen 1,0 und 14,0 gemessen werden können. Hierzu sind mehrere austauschbare Skalen mit pH-Werten in einem kleinen Bereich, so etwa in der Größenordnung von 1 bis 2 pH-Graden vorgesehen. Auch in dieser Figur werden für bereits beschriebene Elemente die bereits verwendeten Bezugsziffern herangezogen. Das pH-Meßgerät in Figur 1 sieht eine Anzeige des pH-Wertes über einen engen Bereich von 1 bis 2 pH-Graden vor. Obwohl zum ändern der Leistung und des Abgleiche des lichtempfindlichen Schaltkreises Leistungs- und Brückenschaltungen vorgesehen werden könnten, wobei dann zusätzlich ein Vielfachschalter zur Wahl der jeweiligen Leistung und des Abgleiches vorgesehen sein müßte, um die pH-Bereiche jeweils zu

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ändern, würde eine derartige Ausgestaltung eines Meßgerätes sehr schwierig sein. Um die sonst notwendigen vielfältigen Brückenschaltungen usw. zu vermeiden, die bei einem Meßgerät für den vollen pH-Bereich notwendig wären, wird hier eine austauschbare Skalenkarte verwendet, mit der eine Vielzahl von engen pH-Bereichen angewählt werden kann. Wie in Figur 4 dargestellt, wird hierzu eine Schaltplatine 41 mit einer aufgedruckten Skala 42 verwendet, die in einen Schlitz 43 in der Seitenwand der ersten Gehäusehälfte 11 eingeschoben werden kann. Auf der Rückseite der Skala der Platine 41 sind wiederum Justierwiderstände 38 und 39 und/oder andere notwendige Komponenten angeordnet, auf die hier in der Figur 3 mit strichlierten Bezugslinien hingewiesen ist. Die Justierwiderstände werden so gewählt, daß der Leistungstransistor 37 an das Amperemeter 13 angepaßt wird, um den jeweils gewählten engen pH-Bereich messen zu können. Die Skala 42 wird mechanisch an ihren Platz geschoben, wenn die Schaltplatine 41 in den Schlitz 43 eingeführt wird. Auf der Skala wird ein enger Bereich von pH-Einheiten dargestellt, so etwa der Bereich zwischen 9,0 und 10,0, wie dies in Figur 4 gezeigt ist. Wenn die Platine 41 vollständig eingeschoben ist, so daß die Skala unter dem Fenster des Amperemeters liegt, werden die Justierwiderstände 38 und 39 elektrisch und gleichzeitig mechanisch mit dem Leistungstransistor 37 und dem Amperemeter in der gleichen Weise wie in Figur 3 verbunden. Die mechanische und elektrische Verbindung der Justierwiderstände kann sehr einfach durch sogenannte TC-Kontakte oder andere bekannte elektrische und mechanische Kupplungsmechanismen hergestellt werden. Wenn derartige Platinen mit festen Skalen benutzt werden, können praktisch bei der Messung keine Irrtümer erfolgen, da die Justierung des Amperemeters und die Skala des Amperemeters jeweils durch die Justierwiderstände auf der rückwärtigen Seite der Platine sichergestellt ist. In allen anderen Punkten ist das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 4 identisch dem Ausführungsbeispiel, das in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist.

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Wie beschrieben wird die beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur pH-Messung verwendet. Hierzu wird zu einer wässrigen Lösung ein flüssiger pH-Indikator zugefügt, wonach die zu untersuchende wässrige Lösung als ein Lichtfilter verwendet wird, wobei der Anteil des ausgefilterten Lichtes elektronisch angezeigt werden kann und den pH-Wert der wässrigen Lösung darstellt. Selbstverständlich ist das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung nicht darauf beschränkt, lediglich pH-Mieveaus, das heißt die Anwesenheit von OH- und Hydroxyl-Ionen in der wässrigen Lösung, zu bestimmen; vielmehr ist das Verfahren und die Vorrichtung ebenso geeignet mit anderen Indikatorlösungen, die entsprechende Verfärbungen einer wässrigen Lösung bewirken und zwar für eine Vielzahl chemischer Charakteristiken, so der Anwesenheit von Anionen (Chlor etc}, Kationen (Calcium, Magnesium, Natrium etc.) oder anderer organischer Komponenten, die von sich aus eine Verfärbung bewirken oder eine eigene Absorption aufweisen.

Selbstverständlich braucht der Photodetektor 18 nicht unbedingt ein Photowiderstand zu sein, sondern er kann durch jedes geeignete lichtempfindliche Element ersetzt werden, so zum Beispiel eine Photodiode, einen Photo-Darlington-Transistor, eine Photozelle oder einen Photomultiplier. Auch wenn in den Ausführungsbeispielen als monochromatische Lichtquelle eine lichtemittierende Diode beschrieben ist, können andere weißes Licht abgebende Lichtquellen mit entsprechenden Filtern verwendet werden.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist klar geworden, daß die gesetzten Ziele durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung erreicht werden. Da gewisse Änderungen der beschriebenen Schaltung für das angegebene Verfahren und die Konstruktion der Vorrichtung ohne Nachteile und ohne Verlassen des erfindungsgemäßen Weges durchgeführt werden können, soll klargestellt werden, daß die obige Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung lediglich beispielhaft ist und die Erfindung nicht begrenzen soll.

*in Verbindung

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Ebenso sollen die Patentansprüche die allgemeinen und speziellen Ausgestaltungen der Erfindung und alle Aussagen über das Ziel der Erfindung erfassen, das nicht von dem Wortlaut erfaßt sein sollte.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

M.J Verfahren zum Untersuchen von wässrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet , daß die zu untersuchende wässrige Lösung mit monochromatischem Licht einer Lichtquelle durchstrahlt wird, und daß der Anteil des durch die wässrige Lösung hindurchgelassenen Lichtes gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, dessen Amplitude einer charakteristischen Eigenschaft der wässrigen Lösung zugeordnet wird.
2. Verfahren zum Bestimmen des pH-Wertes einer wässrigen Lösung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wässrigen Lösung ein auf den pH-Wert empfindlicher Indikator zugefügt wird, daß danach die Lösung von monochromatischem Licht einer Lichtquelle durchstrahlt wird, und daß der Anteil des durch die wässrige Lösung hindurchgelassenen Lichtes gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, dessen Amplitude einem bestimmten pH-Wert zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß zum Zufügen des Indikators zunächst ein bestimmtes Volumen der wässrigen Lösung abgemessen wird, und daß diesem Volumen danach ein bestimmter Betrag des pH-empfindlichen Indikators zugefügt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Messung der Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge durch eine Probe eine lichtimitierende Diode zum Aussenden eines Lichtstrahles vorbestimmter Wellenlänge angeregt wird, daß mit diesem Lichtstrahl die Probe durchstrahlt wird, und daß die Intensität des durch die Probe hindurchgelassenen Lichtes bestimmt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,

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daß die Vorrichtung ein monochromatisches Licht abgebende Lichtquelle (17) und einen entfernt davon angeordneten lichtempfindlichen Empfänger (18) aufweist, zwischen denen die zu untersuchende wässrige Lösung, die eine bestimmte Absorptionscharakteristik aufweist, eingeführt ist, wobei der Empfänger so ausgelegt ist, daß damit der Anteil des von der zu untersuchenden wässrigen Lösung absorbierten Lichtes angezeigt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine lichtemittierer.de Diode aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein Photodetektor (18) ist, der entfernt von der lichtemittierenden Diode angeordnet ist, so daß zwischen Photodetektor und Diode ein Zwischenraum verbleibt, in der eine Probe der wässrigen Lösung mit einer vorbestimmten Absorptionscharakteristik eingeführt werden kann, so daß der Anteil des von dem Photodetektor empfangenen monochromatischen Lichtes abhängig von der Absorptionscharakteristik der untersuchten wässrigen Lösung ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die untersuchte Probe der wässrigen Lösung aus einem bestimmten Volumen wässriger Lösung und einem bestimmten zugemischten Betrag einer pH-empfindlichen Indikatorlösung besteht, so daß der Anteil des Lichtes, der von dieser Probe absorbiert wird, einer vorbestimmten Charakteristik der wässrigen Lösung entspricht.
9.Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mit einer Spannungsquelle verbunden ist, mit der der lichtemittierendenDiode eine feste Spannung zuführbar ist, und daß der Empfänger ebenfalls eine Spannungsquelle aufweist, mit der dem Photodetektor (18) eine feste Referenzspannung zuführbar ist.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle für die Lichtquelle (17) und die Spannungsquelle für den Empfänger (18) aus einer Gleichstromquelle (14) mit einem einzigen Spannungsabgriff bestehen, und daß eine Schaltung mit fester Referenzspannung (29,30,31,32,33,34) zwischen der Gleichstromquelle und der lichtemittierenden Diode (17) sowie der Gleichstromquelle und dem Photodetektor (18) zur Abgabe einer festen Referenzspannung vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreferenzschaltung (29 bis 34) Zenerdioden (30,32,34) enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (18) der als pH-Meßgerät ausgebildeten Vorrichtung ein Signal erzeugt, das dem Anteil des von der Probe absorbierten Lichtes entspricht, wobei der Empfänger ferner eine Anzeige (13;42) zur Anzeige eines dem Anteil des absorbierten Lichtes entsprechenden Wertes in Abhängigkeit des von dem Empfänger erzeugten Signales aufweist.
13. pH-Meßgerät zum Untersuchen von wässrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet , daß eine Lichtquelle (17) zum Aussenden monochromatischen Lichtes und ein von dieser in einer bestimmten Entfernung getrennt angeordneter Empfänger (K vorgesehen sind, wobei die untersuchte wässrige Lösung zwischen Lichtquelle und Empfänger angeordnet ist, daß der Empfänger ein Signal entsprechend dem Anteil des durch die wässrige Lösung hindurchgelassenen monochromatischen Lichtes erzeugt, und daß eine Anzeige (13;42) vorgesehen ist, um einen Wert entsprechend dem pH-Wert der wässrigen Lösung gemäß dem Ausgangssignal des Empfängers anzuzeigen.
14. Meßgerät gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode (17)

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15. Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige (13;42) mit einem an den Photodetektor (18) angeschlossenen Verstärker (37) verbunden ist, um das Ausgangssignal des Photodetektors zu verstärken,wobei der einstellbare Verstärkungsgrad den anzuzeigenden pH-Bereich bestimmt.
16. ließgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige ein Amperemeter (13) ist, welches eine analoge Skala für einen engen Bereich der zu untersuchenden pH-Werte aufweist.
17. Meßgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger Justierwiderstände (38,39) zur Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers aufweist, um so unterschiedliche enge pH-Bereiche messen und anzeigen zu können, daß die Justierwiderstände (38,39) auf einer Halteplatte (41) angeordnet sind, mittels der die elektrische und mechanische Verbindung der Justierwiderstände mit dem Verstärker (37) herstellbar ist, daß auf der Halteplatte ferner Kennzeichnungen entsprechend dem ausgewählten pH-Bereich gemäß den Justierwiderständen vorhanden sind, und daß die Halteplatte auswechselbar mit dem Anzeigegerät (11) verbindbar ist, wobei die Justierwiderstände mechanisch und elektrisch mit dem Verstärker verbunden werden, so daß die Kennzeichnung eine analoge Skala der zu messenden und anzuzeigenden pH-Werte darstellt.
18.Meßgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein von der lichtemittierter.Diode (17) getrennt angeordneter Photodetektor (18) ist, wobei zwischen Photodetektor und lichtemittiererderDiode ein Zwischenraum zur Aufnahme einer wässrigen Lösung mit einer bestimmten Absorptionscharakteristik verbleibt, und daß der Anteil des monochromatischen vom Photodetektor empfangenen Lichtes abhängig von der Absorptionscharakteristik der untersuchten wässrigen Lösung ist.

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19. Meßgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende wässrige Lösung in einem Probengefäß (19) angeordnet ist und ein vorbestimmtes Volumen der zu untersuchenden wässrigen Lösung und einen bestimmten Betrag einer pH-Indikatorlösung umfaßt.
20. Meßgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (17) mit einer Spannungsquelle (14,31,32) zur Abgabe einer konstanten Spannung verbunden ist, um daß der Empfänger (18) ebenfalls mit einer Spannungsquelle (14,33,34) zur Abgabe einer festen Referenzspannung an den Photodetektor (18) verbunden ist.
21. Meßgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen für die Lichtquelle (17) und dem Empfänger (18) aus einer einzigen Gleichstromquelle (14) mit einem Spannungsabgriff bestehen, und daß Spannungsreferenzschaltungen (29,30,31,32,33,34) zwischen der Gleichstromquelle und der lichtemittierenden Diode (17) bzw. dem Photodetektor (18) zur Lieferung von entsprechenden Referenzspannungen vorgesehen sind.
22. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß eine lichtemittieren de Diode (17) zum Aussenden eines Lichtstrahles bestimmter Wellenlänge und ein Empfänger (18) zum Bestimmen zumindest eines Anteils des monochromatischen Lichtes der lichtemittierenden Diode vorgesehen sind.

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