DE2838498C2 - Photoelektrisches Meßgerät - Google Patents

Description

dadurch gekennzeicnnet, daß die Beleuchtungseinheit besteht aus

d) in bekannter Weise Leuchtdioden, soweit sie den sichtbaren Spektralbereich erfassen können,

e) einer Gasentladungslampe geringer Leistungsaufnahme, die im kurzwelligen Bereich emittiert und hierzu mit einer in diesem Bereich fluoreszierenden Beschichtung der Hülle versehen ist,

f) einem zwischen Gasentladungslampe und Probe einsetzbaren Blaufilter.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder monochromatischen Lichtquelle ein elektrischer Regelkreis zugeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasentladungslampe ein elektrischer Regelkreis zugeordnet ist, welcher ein Potentiometer aufweist, dem eine Induktivität parallel und ein Multivibrator in Reihe geschaltet ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 oder einem der vorstehenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Empfänger eine Küvette angeordnet ist, die in einer Bohrung eines aus einem undurchsichtigen Material, vorzugsweise Kunststoff, bestehenden Körpers herausnehmbar gelagert ist, wobei zur Aufnahme der Lichtquellen und der diesen zugeordneten Empfängern senkrecht zu dieser Bohrung weitere durch den Körper führende Bohrungen angeordnet sind, und die Bohrungen für je eine Lichtquelle und ihren Empfänger auf einer Achse liegen, welche die Achse der Küvettbohrung senkrecht schneidet.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette als Durchlaufküvette ausgebildet ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaufküvette im Strömungskreis der zu prüfenden Substanz mindestens eine Mischdüse vorgeschaltet ist.

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus undurchsichtigem Material, vorzugsweise Kunststoff bestehende und zur Halterung der Lichtquelle und der Empfänger dienende Körper für ein zu prüfendes Gas, für Nebel oder Rauch oder dergleichen einen die Strahlengänge der Lichtquellen und Empfänger schneidenden Strömungskanal aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Kolorimetrie/ Photometric mit einem Gehäuse an oder in welchem angebracht sind

ein Hohlraum zur Aufnahme einer Probe, deren Absorption gemessen werden soll,
eine Beleuchtungseinheit mit mehreren Lichtquellen, die den sichtbaren Spektralbereich im wesentlichen abdecken und deren Strahlung auf die Probe ίο gerichtet ist und

c) eine Empfängereinheit mit mehreren photoelektrischen Empfängern, die jeweils den einzelnen Lichtquellen zugeordnet sind.

Derartige Geräte für die direkte Umwandlung von Lichtintensitäten in elektrische Größen dienen zur kolorimetrischen und photometrischen Analyse von flüssigen Substanzen, wobei sich diese Analysen nicht nur auf die Bestimmung von Inhaltsstoffen, die selbst eine meßbare Lichtabsorption besitzen, beschränkt, sondern sich auch auf bestimmte chemische Reaktionen erstreckt, die zu Verbindungen mit charakteristischen Eigenfärbungen führen.

Die relative Genauigkeit, die mit photometrischen Methoden erreicht werden können, liegen in der Größenordnung von einigen Prozent, jedoch zeigen solche Verfahren eine hohe Empfindlichkeit bei geringsten Konzentrationen. Weiterhin ist bei diesen Meßverfahren eine ausgezeichnete Spezifität von Vorteil, weil die einleitende Reaktion nur auf eine bestimmte Gruppe von chemischen Stoffen anspricht.

Die Absorption von Strahlung unterliegt dem Lambert-Beerschen-Gesetz, wobei davon ausgegangen wird, daß bei dem Durchgang durch eine differentiate Schicht stets ein bestimmter Bruchteil des Lichtes absorbiert wird. Die Größe dieses Bruchteils ist einer konstanten K und der Konzentration proportional. Da in elektrischen · Schaltungen meist die Differenz zwischen dem eintretenden und dem austretenden Strahl dargestellt wird, läßt sich die genannte Beziehung als Differenz schreiben, welche wie folgt lautet:

- E) = /o(1 - 10-*«)

Hierbei bedeuten ρ den Übergangsfaktor auf die elektrischen Einheiten einschließlich einer eventuell notwendigen Verstärkung, K eine Konstante, c die Konzentration der Lösung, ί die Schichtdicke der zu messenden Substanz. Hieraus wird ersichtlich, daß beispielsweise kleine Konzentrationen entweder durch

so Vergrößern der Schichtdicke s, der Lichtintensität J₀ oder durch größere Verstärkung, d. h. durch ein größeres ρ ausgeglichen werden.

Zu beachten ist noch, daß eine angenäherte Proportionalität zwischen der Konzentration und der Lichtabsorption nur dann besteht, wenn der Exponent keinen größeren Wert als etwa 0,1 annimmt.

Es sind nun eine große Reihe von Fehlerursachen bekannt, die den Wert von Eq oder E beeinträchtigen, wie beispielsweise die Schwankungen der Lampenspannung und die Alterung der Lampe.

Bei bekannten Geräten der aufgezeigten Art werden als Lichtquelle Glühlampen mit vorzugsweise Wolframfäden verwendet, die ein kontinuierliches Lichtspektrum erzeugen, aus dem für die Messung ein monochromatisches Licht durch Filter herausgefiltert wird. Hierbei ergeben sich eine Reihe von Fehlerquellen, die sich auf die Messung nachteilig auswirken. So ist beispielsweise die Lichtintensität der Glühlampen von ihrer Spannung

abhängig, so daß es beispielsweise für Laborgeräte erforderlich ist, eine Spannungsstabilisierung vorzusehen. Weiter verdampft das glühende Material und schlägt sich auf der Innenseite des Kolbens nieder, so daß dadurch die durchgelassene Lichtintensität nachläßt, wobei unter Umständen sich schon hierbei unterschiedliche Lichtintensitäten über Jas Spektrum ergeben. Die weitere Fehlerquelle ste'lt sich durch die Verwendung von Filtern ein, da hierdurch ein relativ breites Band einer Farbe herausgefiltert wird.

Zur Vermeidung der Fehler, die durch Veränderungen der Lampenspannung und Lampenalterung entstehen ist es beispielsweise bekannt, sogenannte Zweistrahlverfahren anzuwenden. Hierbei wird das Licht einer Lampe in zwei Strahlengänge aufgeteilt, wobei der eine Strahl durch die Küvette geführt wird, welche die zu messende Substanz enthält und der zweite Strahl durch eine Küvette, die mit einer Vergleichslösung gefüllt ist Auch solche Maßnahmen sind sehr aufwendig.

Aus der DE-OF 21 16 386 ist eine Anordnung zum Messen der Lichtabsorption bekannt, bei der als Lichtquellen Leuchtdioden verwendet werden. Ein Mangel dieses Gerätes besteht darin, daß der für viele Meßzwecke erforderliche kurzwellige bzw. blau-violette Spektralbereich nicht erfaßt werden kann, da in diesem Bereich keine Leuchtdioden zur Verfugung stehen:

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gerät vorzuschlagen, daß diesen Nachteil nicht aufweist, und welches daher auch den kurzwelligen Bereich der sichtbaren Strahlung erfaßt Hierbei liegt die Forderung zugrunde, unter Berücksichtigung vorgegebener Bedingungen, wie Batteriebetrieb, Feldeinsatz und Dauerbetrieb, eine Lichtquelle für diesen Spektralbereich zu schaffen, die von den wesentlichen Daten der in anderen Spektralbereichen einsetzbaren Leuchtdioden nur geringfügig abweicht

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das eingangs genannte Gerät dadurch, daß die Beleuchtungseinheit besteht aus

d) in bekannter Weise Leuchtdioden, soweit sie den sichtbaren Spektralbereich erfassen können,

e) einer Gasentladungslampe geringer Leistungsaufnahme, die im kurzwelligen Bereich emittiert und hierzu mit einer in diesem Bereich fluoreszierenden Beschichtung der Hülle versehen ist, und

f) einem zwischen Gasentladungslampe und Probe einsetzbaren Blaufilter.

50

Vorteilhaft ist es, jeder monochromatischen Lichtquelle einen elektrischen Regelkreis zuzuordnen. Als lichtelektrische Empfänger eignen sich vorzugsweise Photowiderstände oder Photodioden, welche bereits so preiswert auf dem Markt erhältlich sind, daß jeder Lichtquelle ein eigener lichtelektrischer Fmpfänger zugeordnet werden kann, wobei das System in vorteilhafter Weise speziell auf die einzelnen Elemente abgestimmt und justiert werden kann.

Der fluoreszierenden Gasentladungslampe ist weiter ein elektrischer Regelkreis zugeordnet welcher ein Potentiometer aufweist dem ein Induktivität parallel und ein astabiler Multivibrator in Reihe geschaltet ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Empfänger eine Küvette angeordnet, die in einer Bohrung eines aus einem undurchsichtigen Material, vorzugsweise Kunststoff bestehenden Körpers herausnehmbar gelagert ist, wobei zur Aufnahme der Lichtquellen und der diesen zugeordneten Empfängern senkrecht zu dieser Bohrung weitere durch den Körper führende Bohrungen angeordnet sind, und die Bohrungen für je eine Lichtquelle und ihren Empfänger auf einer Achse liegen, welche die Achse der Küvettenbohrung senkrecht schneidet Durch eine solche Anordnung nach der Erfindung ist es möglich, eine Miniaturisierung des gesamten photoelektrischen Meßgerätes durchzuführen, wobei einer einzigen Küvette mindestens fünf Lichtquellen unterschiedlicher Strahlung in einem justierten bzw. justierbaren Zustand zugeordnet sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Küvette als Durchlaufküvette ausgebildet, so daß ein solches Meßgerät auch für einen kontinuierlichen Dauerbetrieb geeignet ist.

Vorteilhaft ist es, der Durchlaufküvette im Strömungskreis der zu prüfenden Substanz eine Mischdüse vorzuschalten, so daß die Substanz in dem eigentlichen Meßraum bereits gut durchmischt ist und keine Schlierenbildung oder dergleichen erfolgt, welche das Meßergebnis verfälschen würde.

Das photoelektrische Meßgerät nach der Erfindung eignet sich auch zur kontinuierlichen Messung gasförmiger Substanzen, wofür der aus undurchsichtigem Material, vorzugsweise Kunststoff bestehende und zur Halterung der Lichtquelle und der Empfänger dienende Körper für ein zu prüfendes Gas, für Nebel, Rauch oder dergleichen einen die Strahlengänge der Lichtquellen und Empfänger schneidenden Strömungskanal aufweist. Die Verwendung der lichtaussendenden Halbleiterdioden in Verbindung mit Photowiderständen oder Photodioden als Empfänger bewirkt weiter den großen Vorteil, daß für den Betrieb des photoelektrischen Meßgerätes ein relativ geringer Energieaufwand erforderlich ist.

Das Gerät nach der Erfindung eignet sich insbesondere für einen kontinuierlichen Dauerbetrieb, da die Lebensdauer der lichtaussendenden Halbleiterdioden bei einer Betriebstemperatur von beispielsweise 25 Grad Celsius etwa 100 000 Stunden beträgt, wobei die Lebensdauer als die Zeit definiert ist, in der die Lichtmenge auf den halben Anfangswert zurückgeht. Unter extremen Betriebsbedingungen kann die Lebensdauer auf 1000 Stunden herabsinken. Weiter ergibt sich der Vorteil, daß die Halbleiterdioden sich durch die Lichtaussendung praktisch nicht erwärmen, so daß bezüglich des Temperaturverhaltens keine Verfälschung der Meßergebnisse eintritt.

Die bisher bekannten Geräte dieser Art verwenden als Lichtquelle eine Wolfram-Lampe, deren Fadentemperatur ca. 3000 Grad Kelvin erreicht, wobei eine erhebliche Wärmemenge erzeugt wird, die ständig abgeführt werden muß, um zu verhindern, daß sich das photoelektrische Meßgerät erwärmt

Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, daß das ausgesendete Spektrum der monochromatischen Lichtquellen relativ eng begrenzt und damit scharf ist. So liegt beispielsweise die maximale Intensität der roten Diode bei 630 nm bei einer Raumtemperatur von 25 Grad Celsius und die Leistungsaufnahme beträgt 12OmW. Bei halber Intensität erstreckt sich die Spektrumsbreite von etwa 600 nm bis 660 nm, so daß die Güte des monochromatischen Lichtes höher ist, als jene, die aus einem kontinuierlichen Spektrum mit erheblich höheren Mitteln herausgefiltert werden kann.

Die in gelbem und grünem Licht leuchtenden Halbleiterdioden zeigen ein ähnliches Verhalten auf.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn die Leuchtdioden mit einem im Innern eingebauten Reflektor versehen werden, so daß dadurch eine scharfe Bündelung des Lichtstrahles bewirkt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, in denen verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Grundaufbau der Schaltung des Lichtsenders und Empfängers mit Küvette;

F i g. 2 den Grundaufbau des Meßgerätes, ähnlich wie Fig. 1, wobei als Lichtquelle eine fluoreszierende Gasentladungslampe mit Filter vorgesehen ist;

Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Mischküvette und

Fig.4 der Grundaufbau des Körpers zur Halterung der Küvette und der Lichtquellen mit den ihnen zugeordneten Empfängern.

In Fig. 1 ist mit 1 die schematisch dargestellte Küvette bezeichnet, die mit einer zu prüfenden Substanz 2 gefüllt ist. Der Sendekreis 3 zeigt die lichtaussendende Diode 4 mit ihrer Energieversorgung 5 und einem regelbaren Widerstand 6. Der Kreis wird mit Hilfe eines Tasters 7 geschlossen.

Der Empfängerkreis 8 ist mit einer Photodiode 9 oder einem Photowiderstand ausgerüstet, der an einer Energiequelle 5 liegt. Zur Anzeige bzw. Registrierung der Meßwerte dient das Anzeigegerät 10. Hierbei kann es sich um ein Zeigergerät oder um ein Gerät mit digitaler Anzeige oder auch um ein Schreibgerät handeln, ferner läßt sich ein Sendegerät anschließen.

Die Fig.2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 1, wobei jedoch in Abänderung dazu anstelle einer Leuchtdiode eine fluoreszierende Gasentladungslampe 11 verwendet wird, zu der eine Induktivität 12 parallel und ein regelbarer Widerstand 13 in Reihe geschaltet ist.

Weiter liegt in Reihe der astabile Multivibrator 14. Zwischen Küvette und Entladungslampe ist ein Blauglasfilter 30 angeordnet.

Die F i g. 3 zeigt den gleichen schaltungstechnischen Aufbau wie die F i g. 1 und 2, jedoch unter Verwendung einer Mischküvette 15. Dieser ist eine Mischdüse 16 vorgeschaltet so daß die in den Meßraum der Küvette 15 gelangende zu messende Substanz gut durchmischt ist und keine Schlieren aufweist, und das Meßergebnis dadurch nicht verfälscht werden kann.

Die F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Körper 17, der aus einem undurchsichtigen Material, vorzugsweise Kunststoff besteht und welcher zur Aufnahme der Küvette 1, der Lichtquellen 18 bis 22 wie der entsprechenden Empfänger dient, von denen lediglich 3, nämlich die mit 23, 24 und 25 bezeichneten

ίο Empfänger dargestellt sind. Die Lichtquellen 18,19 und 20 sind dabei den Empfängern 23,24 und 25 zugeordnet und liegen auf einer Achse, welche von der Küvettenachse 26 geschnitten wird. Damit ist sichergestellt, daß und liegen auf einer Achse, welche von der Küvette nachse 26 geschnitten wird. Damit ist sichergestellt, daß jeder Lichtstrahl durch das Zentrum der Küvette führt und vors dem entsprechenden Empfänger aufgenommen wird Zur Vermeidung von Streulicht besteht der Körper 17 aus undurchsichtigem Material, vorzugsweise

Kunststoff.

Mit der vorliegenden Erfindung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu den bisher bekannten photoelektrischen Meßgeräten. So ist die Leistungsaufnahme des Gerätes nach der Erfindung gering, so daß als Energiequelle herkömmliche Taschenlampenbatterien ausreichend sind. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, einfache tragbare und netzunabhängige Geräte zu realisierer, in einer außerordentlich kleinen Ausführung.

Durch das scharfe Spektrum des ausgesendeten Lichtes einer jeden Leuchtdiode werden keine Filter

benötigt, wobei die spektrale Verteilung gegenüber dem

ausgefilterten Licht noch günstiger bzw. schärfer ist

Durch das günstige Langzeitverhalten der Leuchtdi-

öden ist es möglich, die Geräte nach der Erfindung für Betriebskontrollverfahren einzusetzen, ferner für Überwachungseinrichtungen beispielsweise zur Feststellung von Rauch, Nebel oder dergleichen. In einem solchen Falle kann das Gerät beispielsweise mit einem Sender

versehen sein, so daß beispielsweise das Entstehen schädlicher Gase auch in solchen Räumen angezeigt und gemeldet werden kann, die nicht betretbar sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Kolorimetrie/Photometrie mit einem Gehäuse, an oder in welchem angebracht sind

a) ein Hohlraum zur Aufnahme einer Probe, deren Absorption gemessen werden soll,

b) eine Beleuchtungseinheit mit mehreren Lichtquellen, die den sichtbaren Spektralbereich im wesentlichen abdecken und deren Strahlung auf die Probe gerichtet ist,

c) eine Empfängereinheit mit mehreren photoelektrischen Empfängern, die jeweils den einzelnen Lichtquellen zugeordnet sind,