DE2729684A1 - Verfahren und vorrichtung zum untersuchen von waessrigen loesungen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum untersuchen von waessrigen loesungenInfo
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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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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
Ie 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 aas 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.
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Claims (22)
- PatentansprücheM.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 ,809813/0672 - ie -ORIGINAL INSPECTEDdaß 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.809813/0672- 17 -
- 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)aufweist. 809813/0672- 18 -
- 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.809813/0672- 19 -
- 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.809813/0672
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