DE2927432A1 - Photo-acoustic spectrometer for solid and liq. samples - has connected gas-filled reference and sample chambers - Google Patents
Photo-acoustic spectrometer for solid and liq. samples - has connected gas-filled reference and sample chambersInfo
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Abstract
Description
Photoakustisches SpektrometerPhotoacoustic spectrometer
Die Erfindung bezieht sich auf ein photoakustisches Spektrometer mit in bestimmten Spektralbereichen strahlenden Lichtquellen, Mitteln zum periodischen Unterbrechen der Strahlung, Proben in festem oder flüssigem Zustand enthaltende, mit Gas gefüllte Probenkammern mit Lichteintrittsfenstern für die Strahlung, Mitteln zur Umsetzung der periodischen Druckschwankungen in den Probenkammern in elektrische Signale.The invention relates to a photoacoustic spectrometer with Light sources radiating in certain spectral ranges, means for periodic Interrupting radiation, containing samples in solid or liquid state, sample chambers filled with gas with light entry windows for the radiation, means to convert the periodic pressure fluctuations in the sample chambers into electrical ones Signals.
Aus der Absorption von Strahlung bestimmter Wellenlängen in oder an der Oberfläche von Substanzen kann auf bestimmte Eigenschaften geschlossen werden. Bei nicht gasförmigen Stoffen ist Jedoch eine derartige Analyse relativ schwierig und aufwendig, da Maßnahmen getroffen werden müssen, um ein von der Streuung der Strahlung an der Oberfläche oder in der Stoffprobe unbeeinflußtes Meßsignal zu erhalten.From the absorption of radiation of certain wavelengths in or on certain properties of the surface of substances can be deduced. In the case of non-gaseous substances, however, such an analysis is relatively difficult and expensive, since measures have to be taken to avoid the spread of the To obtain radiation on the surface or in the material sample unaffected measurement signal.
Es besteht demgemäß die Aufgabe, ein relativ einfach aufgebautes und zu betreibendes photoakustisches Spektrometer der eingangs genannten Art so einzurichten, daß feste und flüssige Proben aller Art, wie Emulsionen, Granulate, Stäube, Beschichtungen auf Festkörpern und lebende Organismen, spektrometrisch untersucht werden können.There is accordingly the object of a relatively simply constructed and to set up the photoacoustic spectrometer of the type mentioned above to be operated in such a way that that solid and liquid samples of all kinds, such as emulsions, granulates, dusts, coatings on solids and living organisms, can be examined spectrometrically.
Eine Lösung der Aufgabe wird in einem photoakustischen Spektrometer gesehen, das gekennzeichnet ist durch eine der Probenkammer benachbarte und mit dieser gasleitend verbundene Referenzkammer und mit einem Strömungsfühler in der die Kammern verbindenden Leitung.One solution to the problem is in a photoacoustic spectrometer seen, which is characterized by an adjacent to the sample chamber and with this reference chamber connected in a gas-conducting manner and with a flow sensor in the the duct connecting the chambers.
Die beiden eine Meßzelle bildenden Kammern sind mit einem Gas gefüllt, das in dem für die Untersuchung benutzten Spektralbereich nicht absorbiert, vorzugsweise wird Luft, Stickstoff oder Helium verwendet.The two chambers forming a measuring cell are filled with a gas, that does not absorb in the spectral range used for the investigation, preferably air, nitrogen or helium is used.
Die durch das Eintrittsfenster in die Probenkammer gelangende Strahlung wird von der dort befindlichen Probe absorbiert, und zwar Je nach Versuchsbedingungen hauptsächlich an deren Oberfläche.The radiation entering the sample chamber through the entrance window is absorbed by the sample located there, depending on the test conditions mainly on their surface.
Die absorbierte Energie wird wenigstens teilweise in Wärme umgesetzt, wodurch das die Probe umgebende Gas erwärmt wird und sich ausdehnt. Diese Ausdehnung verursacht einen Druckanstieg und damit eine druckausgleichende Gasströmung in die Referenzkammer. Da die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung periodisch mit einer Frequenz zwischen 1 und 1000 Hz unterbrochen wird, tritt in der Verbindungsleitung eine pulsierende Strömung auf, die von dem Strömungsfühler, der beispielsweise nach Art eines Hitzdraht-Anemometers aufgebaut sein kann, in ein elektrisches Wechselsignal umgeformt wird, dessen Amplitude proportional der Absorption der Probe ist.The absorbed energy is at least partially converted into heat, whereby the gas surrounding the sample is heated and expanded. This expansion causes a pressure increase and thus a pressure-equalizing gas flow into the Reference chamber. Since the radiation emanating from the light source periodically with a Frequency between 1 and 1000 Hz is interrupted, occurs in the connection line a pulsating flow generated by the flow sensor, for example after Kind of a hot wire anemometer can be built into an electrical alternating signal is transformed, the amplitude of which is proportional to the absorption of the sample.
Mit dem erfindungsgemäß ausgestatteten Spektrometer lassen sich somit genaue qualitative Analysen von festen und flüssigen Stoffen in Form von Emulsionen, Pulvern oder Granulaten oder dünnen Schichten auf der Oberfläche eines festen Körpers ohne präparativen Aufwand durchführen, gleicherweise Untersuchungen an lebenden Organismen, beispielsweise die Lichtabsorption von Pflanzen.With the spectrometer equipped according to the invention, it is thus possible to precise qualitative analyzes of solid and liquid substances in the form of emulsions, Powders or Granules or thin layers on the surface Carry out examinations of a solid body without any preparative effort on living organisms, for example the absorption of light by plants.
Weitere Möglichkeiten und Vorteile beim Einsatz der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den Figuren und ihrer Beschreibung.Further possibilities and advantages when using the invention Measuring device emerge from the subclaims in connection with the figures and their description.
Figur 1 zeigt'eine schematische Darstellung eines photoakustischen Spektrometers zur Erläuterung des Meßprinzips, in den Figuren 3 bis 7 sind verschiedene Ausführungen von Meßzellen dargestellt.Figure 1 shows a schematic representation of a photoacoustic Spectrometers to explain the measuring principle, in Figures 3 to 7 are different Versions of measuring cells shown.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Teile. The same reference symbols denote the same parts.
Figur 1: Eine in einem bestimmten Spektralbereich strahlende Lichtquelle 1, beispielsweise ein monochromatische Strahlung abgebender Laser oder eine Xenonlampe in Verbindung mit einem Monochromator, gibt Strahlung in den Strahlengang S. Zwischen der Lichtquelle 1 und einer Meßzelle 2 sind Mittel 3 zur periodischen Unterbrechung der Strahlung oder zu deren Umlenkung angeordnet, beispielsweise eine rotierende Blenden- oder Spiegelanordnung. Die periodisch unterbrochene Strahlung tritt durch ein Eintrittsfenster 4 in die Meßzelle 2 ein, die mit einem nicht absorbierenden Gas gefüllt ist und in der sich die Probe 5 befindet, deren absorptionsbedingte Erwärmung zu einer thermischen Ausdehnung des sie umgebenden Gases führt.Figure 1: A light source radiating in a certain spectral range 1, for example a laser emitting monochromatic radiation or a xenon lamp in connection with a monochromator, emits radiation in the beam path S. Between the light source 1 and a measuring cell 2 are means 3 for periodic interruption the radiation or arranged to deflect it, for example a rotating one Aperture or mirror arrangement. The periodically interrupted radiation passes through an entry window 4 into the measuring cell 2, with a non-absorbent Gas is filled and in which the sample 5 is located, its absorption-related Heating leads to thermal expansion of the surrounding gas.
Der damit verbundene Druckanstieg der Meßzelle 2 wird mit Hilfe eines geeigneten Fühlers 6 in ein elektrisches Signal umgesetzt, welches in dem mit der Unterbrecherfrequenz gesteuerten Verstärker 7 verstärkt gleichgerichtet und dem Rechenwerk 8 zugeführt wird. Dort wird das FUh- lersignal mit anderen Signalen, die beispielsweise Wellenlänge und Strahl stärke entsprechen und aus der Steuereinrichtung 9 des Monochromators zugeführt werden, sowie gegebenenfalls mit Meßsignalen weiterer Meßfühler mathematisch verknüpft. Am Ausgang 10 steht dann ein kalibriertes bzw. normiertes Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung oder zur Anzeige an.The associated increase in pressure of the measuring cell 2 is with the help of a suitable sensor 6 converted into an electrical signal, which in the with the Interrupter frequency controlled amplifier 7 amplified rectified and the Arithmetic unit 8 is supplied. There the FUh- learning signal with others Signals that correspond to, for example, wavelength and beam strength and from the Control device 9 of the monochromator are supplied, and optionally with Measurement signals from other sensors are mathematically linked. At the exit 10 stands then a calibrated or standardized output signal for further processing or for Display.
In Figur 2 ist in einem Querschnitt schematisch eine erfindungsgemäß ausgebildete Grundform der Meßzelle 2 dargestellt.In FIG. 2, a cross section is schematically shown in accordance with the invention trained basic shape of the measuring cell 2 shown.
Sie enthält eine Probenkammer 11 mit einem Eintrittsfenster 4 im Strahlengang S. Die zu untersuchende Probe 5 befindet sich auf einem auswechselbaren Probenträger 12, der mittels eines Dichtelements 13, beispielsweise eines O-Rings, gegen die Wandung der Probenkammer 71 abdichtet.It contains a sample chamber 11 with an entry window 4 in the beam path S. The sample 5 to be examined is on an exchangeable sample carrier 12, which by means of a sealing element 13, for example an O-ring, against the Wall of the sample chamber 71 seals.
Zur Aufnahme von flüssigen oder pulverförmigen Proben 5 kann der Probenträger 12 mit einer hier nicht dargestellten Vertiefung bzw. einem darin eingesetzten Behälter versehen sein.The sample carrier can accommodate liquid or powder samples 5 12 with a recess, not shown here, or a container inserted therein be provided.
Der Probenkammer 11 benachbart befindet sich in der Meßc zelle 2 eine Referenzkammer 14, die nicht im Strahlengang liegt und die über eine Leitung 15 gasleitend mit der Probenkammer 11 verbunden ist. In dieser Leitung 15 ist vorzugsweise an ihrer MUndung in die Referenzkammer 14 ein thermischer Strömungsfühler 16 angeordnet, der in bekannter Weise aus zwei in geringem axialen Abstand zueinander angeordneten Gittern aus Widerstandsmaterial bestehen kann, die Zweige einer Widerstandsmeßbrücke bilden.The sample chamber 11 is located adjacent in the measuring cell 2 a Reference chamber 14 which is not in the beam path and which is connected via a line 15 is connected to the sample chamber 11 in a gas-conducting manner. In this line 15 is preferably a thermal flow sensor 16 is arranged at its mouth in the reference chamber 14, which is arranged in a known manner from two at a small axial distance from each other Grids can consist of resistance material, the branches of a resistance measuring bridge form.
Probenkammer 11, Referenzkammer 14 und Leitung 15 sind mit einem Gas, beispielsweise Luft, gefüllt, welches die aus der Lichtquelle 1 kommende Strahlung eines bestimmten Spektralbereichs nicht absorbiert.Sample chamber 11, reference chamber 14 and line 15 are filled with a gas, for example air filled, which the coming from the light source 1 radiation not absorbed in a certain spectral range.
Der bei der Strahlungsabsorption in der Probe 5 in Wärme umgesetzte Teil der Strahlungsenergie wird auf das Gas übertragen und verursacht dessen Ausdehnung und damit ei- nen Druckanstieg in der Probenkammer 11, der eine Ausgleichsströmung in das nicht thermisch belastete Gasvolumen der Referenzkammer 14 über die Leitung 15 bewirkt. Diese Strömung wird mit Hilfe des thermischen Strömungsfühlers 16 gemessen. Während der periodischen Unterbrechung der Strahlung kühlt sich das Gas in der Probenkammer 11 wieder ab, so daß eine Ausgleichsströmung in umgekehrter Richtung durch die Leitung 15 fließt. Das so mit Hilfe des Fühlers 16 gewonnene Wechselsignal, dessen Amplitude dem thermischen Energieumsatz und damit der Absorption an der Probe entspricht, wird, wie bereits beschrieben, weiterverarbeitet.The amount converted into heat during the absorption of radiation in sample 5 Part of the radiant energy is transferred to the gas and causes it to expand and thus a nen pressure increase in the sample chamber 11, the one Equalizing flow in the non-thermally loaded gas volume of the reference chamber 14 via line 15 causes. This flow is measured with the help of the thermal flow sensor 16 measured. During the periodic interruption of the radiation, the cools down Gas in the sample chamber 11 again, so that an equalizing flow in reverse Direction through line 15 flows. That obtained with the help of the sensor 16 Alternating signal, the amplitude of which corresponds to the thermal energy conversion and thus the absorption on the sample is processed, as already described.
Beim Aufnehmen einer Absorptionskennlinie über einen größeren Spektralbereich oder bei Untersuchungen mit Licht größerer spektraler Bandbreite besteht die Gefahr, daß das in der Meßzelle befindliche Gas bei bestimmten Wellenlängen selbst absorbiert und es so zu einer Verfälschung des Meßergebnisses kommt.When recording an absorption curve over a larger spectral range or in examinations with light of a larger spectral bandwidth there is a risk of that the gas in the measuring cell absorbs itself at certain wavelengths and this leads to a falsification of the measurement result.
Um dies zu vermeiden, ist bei der in Figur 3 dargestellten Meßzelle 2 die Referenzkammer 14 koaxial im Strahlengang S vor der Probenkammer 11 angeordnet und in einem Eintrittsfenster 4' und einem Austrittsfenster versehen, das hier gleich dem Eintrittsfenster 4 der Probenkammer 11 ist. Die beiden Kammern 11, 14 sind somit optisch hintereinander- und über die Leitung 15 pneumatisch gegeneinandergeschaltet. Die Referenzkammer 14 weist die gleichen Abmessungen wie die Probenkammer 11 auf, der Strömungsfühler 16 ist in der Mitte der Leitung 15 angeordnet, so daß ein symmetrischer Aufbau erreicht ist. Die von der Strahlungsabsorption im Gas herrührenden Druckanstiege in den beiden Kammern wirken so gegeneinander und heben sich auf.To avoid this, the measuring cell shown in FIG 2, the reference chamber 14 is arranged coaxially in the beam path S in front of the sample chamber 11 and provided in an entry window 4 'and an exit window, the same here the entry window 4 of the sample chamber 11. The two chambers 11, 14 are thus optically one behind the other and switched pneumatically against one another via the line 15. The reference chamber 14 has the same dimensions as the sample chamber 11, the flow sensor 16 is arranged in the middle of the line 15, so that a symmetrical Construction is achieved. The pressure increases resulting from the absorption of radiation in the gas in the two chambers act against each other and cancel each other out.
Es besteht häufig die Aufgabe, Eigenschaften zweier Proben spektrometrisch miteinander zu vergleichen, insbesondere eine Probe mit unbekannten Eigenschaften mit einer bekannten Referenzprobe.There is often the task of spectrometrically measuring the properties of two samples compare with each other, especially a sample with unknown properties with a known reference sample.
Dies läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer auf einfache Weise durchführen, und zwar gleichzeitig und unter gleichen meßtechnischen Bedingungen.This can be done easily with the spectrometer according to the invention Carry out manner, at the same time and under the same metrological conditions.
In der in Figur 4 dargestellten Meßzelle 2, die aufbaumäßig der nach Figur 2 gleicht, sind auf dem Probenträger 12 zwei Proben 5 und 5' nebeneinander in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Strahlengangs S angeordnet.In the measuring cell 2 shown in Figure 4, which is structurally according to 2, two samples 5 and 5 'are next to one another on the sample carrier 12 arranged in a plane perpendicular to the beam axis of the beam path S.
Zur wechselweisen Bestrahlung der beiden Proben 5 und 5' wird der Strahlengang S in zwei identische Strahlengänge S1 und S2 aufgeteilt, beispielsweise durch alternierende Strahlumlenkung der aus der Lichtquelle 1 kommenden Strahlung oder durch Verwendung zweier identischer Lichtquellen.For alternating irradiation of the two samples 5 and 5 ', the Beam path S divided into two identical beam paths S1 and S2, for example by alternating beam deflection of the radiation coming from the light source 1 or by using two identical light sources.
Damit wird sichergestellt, daß der Vergleich der Absorptionseigenschaften der beiden Proben 5 und 5' unter gleichen Meßbedingungen vor sich geht. Die wechselnd den beiden Proben 5 oder 5' zugeordneten Signale aus dem StrömungsfUhler 16 werden in dem Rechenwerk 8 durch Differenz- oder Verhältnisbildung miteinander verglichen und ein Ausgangssignal gebildet, das die spektrometrisch erfaßbare Eigenschaften der einen Probe in bezug auf die andere Probe abbildet.This ensures that the comparison of the absorption properties of the two samples 5 and 5 'under the same measurement conditions. The changing the two samples 5 or 5 'associated with signals from the flow sensor 16 compared with one another in the arithmetic unit 8 by forming the difference or ratio and an output signal is formed which shows the spectrometrically detectable properties which images one sample in relation to the other sample.
In Figur 5 ist eine Ausbildung der Meßzelle 2 gemäß der Meßzelle in Figur 3 für die Untersuchung von zwei Proben 5 und 5' dargestellt. Das in der Beschreibung zu den Figuren 3 und 4 Gesagte gilt hier entsprechend.FIG. 5 shows an embodiment of the measuring cell 2 in accordance with the measuring cell in FIG Figure 3 for the investigation of two samples 5 and 5 'shown. That in the description What was said about FIGS. 3 and 4 applies here accordingly.
Sind die spektroskopisch erfaßbaren Eigenschaften von mehreren Proben gleichzeitig und unter gleichen Meßbedingungen zu untersuchen, so können in der Meßzelle 2 mehrere Paare von Proben- und Vergleichskammern gemäß Figur 2 enthalten sein, wie im Beispiel nach Figur 6 dargestellt ist. Der Aufbau der Meßzelle mit nebeneinander oder sternförmig angeordnete Probenkammern 11 und radial dahinterliegenden Referenzkammern 14 ist sehr kompakt. Die Bestrahlung der in den Probenkammern 11 befindlichen Proben 5 kann mit Hilfe einer rotierenden Strahlumlenkung zyklisch erfolgen, wobei die aus den Meßfühlern 16 gewonnenen Signale nacheinander dem Rechenwerk 8 zugeführt und dort verarbeitet werden. Es ist Jedoch auch möglich, sämtliche Probenkammern 11 im Gleichtakt zu bestrahlen, was Jedoch einen Verstärker 7 für Jeden Strömungsfühler 16 und ein Rechenwerk 8 mit einer entsprechenden Anzahl von Eingängen voraussetzt.Are the spectroscopically detectable properties of several samples to investigate simultaneously and under the same measuring conditions, so can in the Measuring cell 2 contain several pairs of sample and comparison chambers according to FIG as shown in the example of FIG. The structure of the measuring cell with sample chambers 11 and 11 arranged next to one another or in a star shape radial reference chambers 14 located behind it is very compact. The irradiation of the in the Samples 5 located in sample chambers 11 can be displaced with the aid of a rotating beam deflection take place cyclically, with the signals obtained from the sensors 16 one after the other fed to the arithmetic unit 8 and processed there. However, it is also possible to irradiate all sample chambers 11 in unison, but what an amplifier 7 for each flow sensor 16 and an arithmetic unit 8 with a corresponding number of inputs.
Eine weitere Ausführungsform zur gleichzeitigen Untersuchung einer Probe 5 und einer Referenzprobe 5' ist in Figur 7 dargestellt. Die neben der Probenkammer 11 angeordnete Referenzkammer 14 ist hier mit einem Eintrittsfenster 4' versehen, durch welches Strahlung des zweiten Strahlengangs S2 auf eine darin befindliche Referenzprobe 5' fällt. Die Kammern sind Uber eine Strömungsfuhler 16 enthaltende Leitung 15 miteinander verbunden. Bei periodisch wechselnder Bestrahlung der beiden Kammern wirkt die nicht bestrahlte Kammer Jeweils als Referenzkammer für die bestrahlte. Bei gleichzeitiger Strahlbeaufschlagung findet eine pneumatische Differenzbildung statt, die mit Hilfe des StrömungafUhlers 16 abgegriffen werden kann.Another embodiment for the simultaneous examination of a Sample 5 and a reference sample 5 'are shown in FIG. The one next to the sample chamber 11 arranged reference chamber 14 is here provided with an entry window 4 ', by which radiation of the second beam path S2 on a located therein Reference sample 5 'falls. The chambers are about a flow sensor 16 containing Line 15 connected to one another. With periodically changing irradiation of the two Chambers, the non-irradiated chamber acts as a reference chamber for the irradiated one. When the jet is applied at the same time, a pneumatic difference is formed instead, which can be tapped with the aid of the flow sensor 16.
Claims (7)
Applications Claiming Priority (6)
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JP8342678A JPS5510536A (en) | 1978-07-08 | 1978-07-08 | Photo-acoustic analyzer |
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DE2927432A1 true DE2927432A1 (en) | 1980-01-24 |
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ID=27551591
Family Applications (1)
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DE19792927432 Withdrawn DE2927432A1 (en) | 1978-07-08 | 1979-07-06 | Photo-acoustic spectrometer for solid and liq. samples - has connected gas-filled reference and sample chambers |
Country Status (1)
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DE (1) | DE2927432A1 (en) |
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1979
- 1979-07-06 DE DE19792927432 patent/DE2927432A1/en not_active Withdrawn
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