DE2916388A1

DE2916388A1 - Twin-beam nephelometer with extended range - uses light guide to detect direct and scattered light at higher turbidities

Info

Publication number: DE2916388A1
Application number: DE19792916388
Authority: DE
Inventors: Paul Edwin Larson
Original assignee: Hach Chemical Co
Current assignee: Hach Co
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1979-04-23
Publication date: 1979-11-29
Also published as: JPS54156583A

Abstract

The nephelometer is designed to extend the measuring range of double-beam nephelometers to higher turbidities, maintaining a linear response characteristic at the same time. It comprises a tubular glass fluid specimen cell (11) placed on the axis of an optical system consisting of a lamp (12) and lens (13). One photo-detector (15) is placed at one side of the cell at right-angles to the beam. A second detector is placed so that it responds to light passing through the cell (20). The second detector uses a light-guide (25) so that the higher turbidity, both the direct light and the forward scattered light (29) is intercepted and used to activate the detector element (28). The detectors are connected to a comparator (21) and indicating instrument in the usual way.

Description

Zweistrahlnephelometer sowie Eicheinstellverfahren Dual-beam nephelometer and calibration setting procedure

hierfür Die Erfindung betrifft allgemein ein Turbidimeter bzw. therefor The invention relates generally to a turbidimeter or

Trübungsmeßgerät vom Nephelometer-Typ und näherhin ein Zweistrahlinstrument dieser Art sowie ein Eicheinstellverfahren hierfür.Nephelometer-type opacimeter and more specifically a dual-beam instrument of this type as well as a calibration setting procedure for this.

Unter einem Zweistrahlnephelometer versteht man ein Gerät, bei welchem ein Lichtbündel in eine Flüssigkeitsprobe, beispielsweise Wasser, gerichtet wird und zwei Lichtzellen so angeordnet sind, daß die eine von den Urübungsteilchen unter einem Winkel von 900 bezüglich der Lichtbündelstrahlengangsachse gestreutes Licht mißt, während die andere das direkt geradlinig durch die Probe durchgelassene Licht mißt. Bei sehr niedrigen Turbiditäten bzw. Trübungsgraden ist der Wert des durchgelassenen Lichtes hoch und der Wert des gestreuten Lichtes niedrig. Mit zunehmender Trübung ändert sich dieses Verhältnis, da mehr Licht gestreut und weniger durchgelassen wird. Der Verhältniswert der von den beiden Detektoren nachgewiesenen Lichtmengen stellt somit ein man für die Turbidität bzw. Trübung dar.A two-beam nephelometer is a device in which a light beam is directed into a liquid sample, for example water and two light cells are arranged so that one of the original particles is below light scattered at an angle of 900 with respect to the light beam path axis while the other measures the light transmitted in a straight line through the sample measures. In the case of very low turbidities or degrees of turbidity, the value is the value that is allowed through Light high and the value of the scattered light low. With increasing cloudiness this ratio changes as there is more light scattered and less is let through. The ratio of those detected by the two detectors Amount of light thus represents a one for turbidity or cloudiness.

Der Hauptvorteil eines derartigen Instruments besteht in seiner Eignung zur Trübungsmessung an farbigen bzw. gefärbten Flüssigkeitsproben. Indem man die Durchlaßlicht-und Streulicht-Weglängen annähernd gleich lang hält, erhält man eine vollständige Kompensation bezüglich der Farbabsorption, so daß diese nicht als Trübungsänderung gedeutet wird. In Bereichen höherer Trübung beginnen diese Turbidimeter bzw. Trübungsmeßeinrichtungen ein nichtlineares Ansprechverhalten zu zeigen. Das heißt mit anderen Worten, daß mit zunehmender Trübung eine Zunahme des nachgewiesenen Streulichts nicht die gleiche stufenweise Abnahme der Durchlaßlichtanzeige hervorruft wie eine vorhergehende stufenweise Zunahme der Trübung. Falls eine digitale Ablesung gewünscht wird, hat dies eine erhebliche Komplizierung einer Direktablesung höherer Trübungswerte zur Folge.The main advantage of such an instrument is its suitability for measuring the turbidity of colored or colored liquid samples. By using the Keeping transmitted light and scattered light path lengths approximately the same, one obtains one complete compensation for color absorption, so that this is not a change in turbidity is interpreted. These turbidimeters or turbidity measuring devices begin in areas of higher turbidity exhibit a non-linear response. In other words, that means that with increasing turbidity an increase in the detected scattered light is not the same gradual decrease of the transmitted light display causes like a previous gradual decrease Increase in turbidity. If a digital reading is desired, this has one Significant complication of a direct reading of higher turbidity values result.

Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Ausdehnung des Bereichs von Zweistrahlnephelometern auf Messungen höherer Turbidität unter Aufrechterhaltung einer im wesentlichen linearen Ansprechcharakteristik. Diese Methode soll dabei wirtschaftlich in einem im übrigen herkömmlichen Zweistrahlinstrument anwendbar sein.The main object of the invention is to provide a method and a Device for extending the range of two-beam nephelometers to measurements higher turbidity while maintaining a substantially linear response characteristic. This method should be economical in an otherwise conventional two-beam instrument be applicable.

Zu diesem Zweck kennzeichnet sich ein Zweistrahlnephelometer der eingangs genannten Art gemäB der Erfindung durch Mittel zur Unterteilung des auf das Durchlaßlicht ansprechenden Detektors in zwei Komponenten, von welchen die eine direkt auf in gerader Richtung durch die Zelle durchgelassenes Licht in dem Lichtbündel anspricht und die andere auf durchgelassenes Licht anspricht, das einer Trübungs-Vorwärtsstreuung unterliegt und daher unter einem Winkel gegenüber der Lichtbündelstrahlengangsachse verläuft, sowie Mittel zur Kombination der Ausgangsgrößen der beiden Komponenten, derart, daß für einen bekannten Turbiditäts- bzw. Trübungspegelwert das genannte Signal diesem Pegelwert proportional ist.For this purpose, a two-beam nephelometer is identified at the beginning mentioned type according to the invention Means of subdivision of the detector responsive to the transmitted light into two components, of which the one in directly on light transmitted in a straight direction through the cell responds to the light beam and the other responds to transmitted light that is subject to turbidity forward scatter and therefore at an angle opposite runs along the light beam path axis, as well as means for combining the output variables of the two components, such that for a known turbidity or turbidity level value said signal is proportional to this level value.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Linearisierung des Ansprechverhaltens eines Zweistrahlnephelometers für Bereiche höherer Turbidität bzw. Trübung, wobei ein Lichtbündel in eine lichtdurchlässige Flüssigkeitsprobenzelle gerichtet wird und das unter einem rechten Winkel von den Trübungsteilchen gestreute Licht mit einem'ersten Detektor gemessen wird, während nicht absorbiertes und aus der Zelle durchgelassenes und austretendes Licht mit einem zweiten Detektor gemessen wird; erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß man den zweiten Detektor in zwei Eomponenten unterteilt, von welchen die eine auf längs dem Lichtbündelstrahlengang durchgelassenes Licht anspricht und die andere auf gegenüber diesem Lichtbündelstrahlengang durch Trübungs-Vorwärtsstreuung unter einem Winkel verlaufendes Licht anspricht, daß man in die Zelle eine Standard-Flüssigkeitsprobe mit einem bekannten Trübungsgrad im wesentlichen am oberen Ende des Trübungsbereichs, für den das Instrument ausgelegt werden soll, einbringt, und daß man die Ausgangs größen der beiden Komponenten des zweiten Detektors kombiniert und so einstellt, daß das Verhältnis der Ausgangsgrößen des ersten und des zweiten Detektors den bekannten Trübungswert der Standard-Probe anzeigt.The invention also relates to a method for linearizing the response behavior a two-beam nephelometer for areas of higher turbidity or turbidity, where directing a light beam into a translucent liquid sample cell and the light scattered at a right angle from the opacifying particles a first detector is measured while unabsorbed and out of the cell transmitted and exiting light is measured with a second detector; according to the invention it is provided that the second detector is split into two components divided, one of which is transmitted along the light beam path Light responds and the other on opposite this light beam path through Haze forward scattering appeals to angled light that one a standard liquid sample with a known degree of turbidity im essentially at the upper end of the turbidity range for which the instrument was designed is to be, brings in, and that the output sizes of the two components of the second detector combined and so adjusts that the ratio the Output variables of the first and the second detector the known turbidity value of the Standard sample displays.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Zeichnung erläutert. Dem Ausführungsbeispiel soll keinerlei einschränkende Bedeutung zukommen; vielmehr kann es in mannigfacher Weise abgeändert werden, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.In the following the invention is based on a preferred embodiment explained according to the drawing. The exemplary embodiment is not intended to be restrictive in any way To be important; rather, it can be changed in many ways without that this leaves the scope of the invention.

In der Zeichnung ist schematisch ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Zweistrahlnephelometerinstrument gemäß der Erfindung dargestellt; es weist eine Flüssigkeitsprobenzelle 11, die im Querschnitt die Form eines Glasrohres besitzt, sowie ein optisches System mit einer Lampe 12 und einer Linse 13 auf, welche ein Lichtbündel 14 in die Zelle 11 richtet. Gemäß dem Prinzip eines Zweistrahlsystems ist auf der einen Seite der Zelle 11 ein erster Lichtdetektor 15 angeordnet, der auf von Trübungsteilchen in der Probe unter einem rechten Winkel zum Lichtbündel 14 längs der Linie 16 gestreutes Licht anspricht. Ein zweiter Lichtdetektor 20 ist so angeordnet, daß er auf das durch die Zelle 11 hindurchgelassene Licht des Lichtbündels 14 anspricht.In the drawing, a designated as a whole with 10 is shown schematically Dual beam nephelometer instrument shown in accordance with the invention; it has a Liquid sample cell 11, which has the shape of a glass tube in cross section, and an optical system with a lamp 12 and a lens 13, which a The light beam 14 is directed into the cell 11. According to the principle of a two-beam system a first light detector 15 is arranged on one side of the cell 11, the of opacity particles in the sample at a right angle to the light beam 14 responds to light scattered along line 16. A second light detector 20 is arranged so that it is on the transmitted through the cell 11 light of the light beam 14 responds.

Die Ausgangsgrößen der Detektoren 15, 20 werden in einer Schaltung 21 verstärkt und miteinander verglichen, und es wird ein von dem Verhältnis der beiden Ausgangsgrößen abhängiges Signal erzeugt. Bei sehr geringen Trübungen ist die Ausgangsgröße des Detektors 15 klein und die Ausgangsgröße des Detektors 20 verhältnismäßig groß. Mit zunehmender Turbidität bzw. Trübung nimmt die Ausgangsgröße des Detektors 15 zu und die des Detektors 20 ab. Die Verhältniswerte dieser Ausgangsgrößen bilden somit ein Maß für die Trübung bzw. Turbidität in der Probe und das von der Schaltung 21 erzeugte Signal wird einem Meßgerät 22 zugeführt, bei dem es sich im dargestellten Fall um ein Meßgerät mit visueller Ablesung handelt.The output variables of the detectors 15, 20 are in a circuit 21 amplified and compared with each other, and it becomes one of the proportion of the A signal dependent on both output variables is generated. If the cloudiness is very low the output of the detector 15 is small and the output of the detector 20 relatively large. The output size increases with increasing turbidity or cloudiness of Detector 15 to and that of detector 20 from. The ratio values these output variables thus form a measure of the turbidity or turbidity in the Sample and the signal generated by the circuit 21 is fed to a measuring device 22, which in the case shown is a measuring device with visual reading.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß mit zunehmender Trübung das von der Zelle 11 zu dem Detektor 20 durchgelassene Lichtbündel einer Vorwärts streuung unterliegt, d. h. das Lichtbündel 14 wird durch die Trübung diffus gemacht, derart, daß in einem herkömmlichen Zweistrahlinstrument durchgelassenes Licht zunehmend nicht mehr auf den das Durchlaßlicht messenden Detektor gelangt. Da das Instrument die Turbidität in Form der Verhältniswerte der jeweils in die beiden Detektoren gelangenden Lichtanteile mißt und nunmehr ein Zustand auftritt, bei dem nicht mehr sämtliches durchgelassenes Licht den auf das Durchlaßlicht ansprechenden Detektor erreicht, wird die Ansprechcharakteristik des Instruments nichtlinear. Mit zunehmender Turbidität und entsprechend zunehmendem diffusen Charakter gelangt zunehmend mehr durchgelassenes Licht nicht mehr in den auf das Durchlaßlicht ansprechenden Detektor, und die Verhältniswertänderungen, welche Turbiditätsänderungen bei niedrigen Turbiditäten ziemlich genau wiedergeben, gelten dann nicht mehr.The present invention is based on the finding that with increasing The light beam transmitted by the cell 11 to the detector 20 is opaque Subject to forward scatter, d. H. the light beam 14 becomes diffuse due to the opacity made in such a way that it is transmitted in a conventional two-beam instrument Light increasingly no longer reaches the detector measuring the transmitted light. Since the instrument determines the turbidity in the form of the ratio values of each in the measures the light components reaching both detectors and now a condition occurs in which not all of the transmitted light is responsive to the transmitted light When reaching the detector, the response characteristic of the instrument becomes non-linear. With increasing turbidity and correspondingly increasing diffuse character arrives increasingly more transmitted light no longer responds to the transmitted light Detector, and the ratio value changes, which turbidity changes at low Reproducing turbidities fairly precisely then no longer applies.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird der zweite Detektor 20 in zwei Komponenten unterteilt, und zwar eine, welche auf direkt längs dem Lichtbündelstrahlengang verlaufendes Licht anspricht, und in eine andere, welche auf Licht anspricht, das infolge der erwähnten rübungs- Vorwärts streuung unter einem Winkel bezüglich dem Lichtbündelstrahlengang verläuft. In dem gezeigten ßusführungsbeispiel ist die erste Komponente eine Lichtleitung 25, deren Empfängerende 26 direkt auf der Strahlengangsachse 27 des Lichtbündels 14 liegt; die zweite Komponente ist ein dem Detektor 15 entsprechender Lichtdetektor 28. Der Detektor 28 ist auf der einen Seite des Lichtbündelstrahlengangs bzw. der Lichtbündelachse 27 angeordnet, und zwar in solcher Lage, daß in der Zelle 11 in Vorwärtsrichtung, beispielsweise längs einem Pfad 29 gestreutes durchgelassenes Licht auf ihn auftrifft.According to the basic idea of the invention, the second detector 20 divided into two components, namely one which acts directly along the light beam path running light responds, and into another which responds to light that as a result of the aforementioned exercise Forward scatter at an angle runs with respect to the light beam path. In the example shown the first component is a light guide 25, the receiver end 26 of which is directly on the beam path axis 27 of the light beam 14 lies; the second component is a light detector 28 corresponding to detector 15. Detector 28 is on one side Side of the light beam path or the light beam axis 27 arranged, and although in such a position that in the cell 11 in the forward direction, for example longitudinally transmitted light scattered along a path 29 impinges on it.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Lichtleitung 25 so auf die Empfängerseite des Detektors 28 herumgeführt, daß nur ein einziger Durchlaßlichtdetektor benötigt wird. Falls keine Vorwärtsstreuung vorliegt, wird das gesamte von dem Detektor 20 gemessene Durchlaßlicht über die Lichtleitung zugeführt. Sobald mit zunehmender Trübung bzw. Turbidität eine Vorwärtsstreuung einsetzt, wird weniger Licht über die Lichtleitung 25 zugeführt, jedoch gelangt nunmehr in Vorwärtsrichtung gestreutes Licht direkt auf den Detektor 28.According to a preferred embodiment of the invention, the light guide 25 so led around to the receiver side of the detector 28 that only one Transmitted light detector is needed. If there is no forward scatter, then all of the transmitted light measured by the detector 20 is supplied via the light pipe. As soon as forward scattering sets in with increasing turbidity or turbidity, less light is supplied via the light pipe 25, but now travels in the forward direction scattered light directly onto detector 28.

Zur Eichung des Instruments wird ein Standard mit bekannter Turbidität im wesentlichen am oberen Ende des Turbiditätsbereichss für den das Instrument 10 ausgelegt ist, in die Zelle 11 eingebracht; die Ausgangsgrößen der beiden Komponenten 25, 28 des Detektors 20 werden kombiniert und so eingestellt, daß das Ausgangsverhältnis der Ausgangsgrößen des ersten und des zweiten Detektors 15 bzw. 20 die bekannte Turbidität der Standardprobe anzeigt. Diese Eicheinstellung könnte bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Instruments beispielsweise durch geeignete Wahl der Größe der Lichtleitung 25, durch eine Schrägstellung oder anderweitige Abblendung des Detektors 28 oder durch Änderung der Entfernung zwischen der Zelle 11 und der Lichtleitungsstirnfläche 26 und/oder dem Detektor 28 erfolgen. Nachdem diese kombinierte Ausgangsgröße des Detektors 20 so eingestellt ist, daß sie für einen Turbiditätspegel am oberen Ende des Instrumentbereichs eine richtige Ablesung ergibt, bleibt die Ansprechcharakteristik des Instruments auch für immer niedi Turbiditäten im wesentlichen linear.A standard with known turbidity is used to calibrate the instrument substantially at the upper end of the turbidity range for the instrument 10 is designed, introduced into the cell 11; the output quantities of the two components 25, 28 of the detector 20 are combined and adjusted so that the output ratio of the output variables of the first and second detectors 15 and 20, respectively, the known Indicates turbidity of the standard sample. This calibration setting could be the one shown Embodiment of an instrument, for example by suitable Choice of the size of the light guide 25, by an inclined position or otherwise Dimming the detector 28 or by changing the distance between the cells 11 and the light guide end face 26 and / or the detector 28 take place. After this this combined output of the detector 20 is set to be used for a turbidity level at the top of the instrument range gives a correct reading results, the response characteristic of the instrument remains low turbidities forever essentially linear.

Man erkennt daß das Instrument 10 nunmehr auch bei Turbiditäts- bzw. Trübungspegeln, bei welchen eine beträchtliche Vorwärtsstreuung auftritt, weiterhin mit sämtlichen Vorteilen eines herkömmlichen Zweistrahlnephelometers funktionsfähig bleibt, da das in Vorwärtsrichtung gestreute Licht nunmehr eine Komponente der Ausgangsgröße des Durchlaßlichtdetektors wird. Und zwar wird dies auf verhältnismäßig einfache Weise mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung erreicht, welche nur eine geringfügige Komplizierung des Grundinstruments bedingen, derart, daß das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich ausführbar ist.It can be seen that the instrument 10 now also with turbidity or Turbidity levels at which there is significant forward scatter continue functional with all the advantages of a conventional two-beam nephelometer remains, since the light scattered in the forward direction is now a component of the output variable of the transmitted light detector. And this is done in a relatively simple way Way achieved with the help of a method and an apparatus which only one cause minor complication of the basic instrument, such that the inventive Process is economically feasible.

Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist ein Zweistrahlnephelometer mit einer lichtdurchlässigen Zelle für eine Flüssigkeitsprobe, einem optischen System, mit welchem ein Lichtbündel in die Zelle gerichtet wird, einem ersten Detektor, der auf unter einem rechten Winkel zum Lichtbündelstrahlengang gestreutes Licht anspricht, einem zweiten Detektor, der auf von der Zelle durchgelassenes Licht anspricht, sowie mit einer Schaltung zur Erzeugung eines auf dem jeweiligen Verhältnis der von den beiden Detektoren gemessenen Lichtanteile beruhenden Signals als Anzeige für die Turbidität bzw. Trübung; wobei erfindungsgemäß der zweite Detektor mit zwei Komponenten ausgebildet ist, von welchen die eine direkt auf das durchgelassene Licht anspricht, während die andere auf Licht anspricht, das unter einem gewissen Winkel bezüglich dem Lichtbündelstrahlengang vorwärtsgestreut ist. Die relativen Ausgangsgrößen der beiden Komponenten werden zur Eichung mit einer Standardprobe bekannter Trübung in der Zelle so eingestellt, daß ein eine richtige Ablesung ergebendes Signal erzeugt wird, wodurch im wesentlichen Signal-Linearität bis etwa zu diesem Trübungspegel herauf gewährleistet wird. Summary The invention provides a dual beam nephelometer with a translucent cell for a liquid sample, an optical system, with which a light beam is directed into the cell, a first detector, the light scattered at a right angle to the light beam path responds, a second detector responsive to light transmitted by the cell, as well as with a circuit for generating a on the respective ratio of the The light components measured by the two detectors are based on the signal as a display for turbidity or turbidity; wherein according to the invention the second detector with two Components is formed, one of which directly on the let through Light responds while the other responds to light, that under a certain Angle is forward scattered with respect to the light beam path. The relative Output values of the two components are used for calibration with a standard sample known turbidity in the cell is adjusted to give a correct reading Signal is generated, giving essentially signal linearity up to about this Turbidity level up is guaranteed.

Patentansprüche: LeerseitePatent claims: Blank page

Claims

Claims 1. Two-beam nephelometer with a translucent Liquid sample cell, an optical system used to generate an inside the cell directed light beam5 two light detectors, one of which is arranged in this way is that it is at a right angle from the light beam path axis responds to light scattered in the cell, and the other responds to light transmitted through the cell Responds to light, as well as means for generating a turbidity or cloudiness signal as a function of the respective ratio of the values measured by the two detectors The light component is not shown by means (20) for subdividing the to the transmitted light responsive detector in two components (26, 28), of which one (26) passes directly through the cell (11) in a straight line Light (27) in the light beam (14) responds and the other (28) to transmitted Responds to light that is subject to turbidity forward scatter and therefore under a Winicel opposite the light beam path axis loss and means to combine the output variables of the two components, such that for one known turbidity or turbidity level value, the signal mentioned this level value is proportional.

2. Nephelometer according to claim 1, characterized gekeenzeich9 that of one of the two components (28) Light more appealing Detector and the other component (25, 26) represents a device which the directly transmitted light (27) feeds this light detector (28).

3. Method for linearizing the response behavior of a dual-beam nephelometer for areas of higher turbidity or cloudiness, whereby a light beam in a translucent Liquid sample cell is directed and at a right angle from the Light scattered by opacity particles is measured while using a first detector light that is not adsorbed and that is transmitted and emitted from the cell a second detector is measured, thereby g e k e n n n -z e i c h n e t that the second detector is divided into two components, one of which is on Light (c7) transmitted along the Licht-buuels2Grahlengang (14) responds and the other on opposite this light beam path (14, 27) by practice forward scattering at an angle light (29) responds that one in the cell a Standard liquid sample with a known level of turbidity essentially at the top Introduces the end of the turbidity range for which the instrument is to be designed, and that the output variables of the two components (26, 28) of the second detector combined and adjusted so that the ratio of the output variables of the first (15) and of the second detector (26, 28) the known turbidity value of the standard sample indicates.

4. The method according to claim 3, characterized in that the second Detector is subdivided in such a way that one single radiation detector (28) as the one component and as the other component one to this detector (28) leading light guide (20, 25) used.