DE3242453A1 - Photometer - Google Patents

Photometer

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DE3242453A1
DE3242453A1 DE19823242453 DE3242453A DE3242453A1 DE 3242453 A1 DE3242453 A1 DE 3242453A1 DE 19823242453 DE19823242453 DE 19823242453 DE 3242453 A DE3242453 A DE 3242453A DE 3242453 A1 DE3242453 A1 DE 3242453A1
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DE
Germany
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photometer
light
lens
photometer according
cuvette
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Withdrawn
Application number
DE19823242453
Other languages
English (en)
Inventor
Bernd Christoph
Wolfgang Ing.(grad.) Höhne
Reinhard 1000 Berlin Malitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hach Lange GmbH
Original Assignee
Dr Bruno Lange GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of DE3242453A1 publication Critical patent/DE3242453A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft eie Photometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
  • Derartige Photometer werden in automatisierten Analysengeräten verwendet, wie es beispielsweise in der DE-OS 30 29 795 dargestellt ist. An derartige Photometer werden hohe Genauigkeitsanforderung gestellt, wobei die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Messungen groß ist, die für die Analyse benötigte Substanzmenge hingegen klein sein soll. Weiterhin soll in den Strahlengang ein Filterrad mit verschiedenen optischen Filtern einschaltbar sein, welche gegebenenfalls auch eine größere Durchstrahlungslänge zulassen müssen.
  • Diese Forderungen lassen sich in der Aufgabenstellung zusammenfassen, daß ein Photometer angegeben werden soll, welches eine möglichst große Ausbeute des Lichtstromes bei gleichmäßiger Durchstrahlung der Meßkammer zuläßt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei, daß sich im Lichtweg die Möglichkeit bietet, einen Teilerspiegel anzubringen, der einen prozentualen Anteil der Strahlung einem Referenzelement zuführt, welches eine permanente Uberwachungs- und Vergleichsmöglichkeit bietet.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein optimaler Aufbau eines Photometers mit kleiner Meßkammer dann möglich ist, wenn es gelingt, den Lichtstrom derart zu kanalisieren, daß er die Probe nahezu homogen durchstrahlt.
  • Damit kann nämlich auch auf aufwendige Photovervielfacher verzichtet werden, da phdtoempfindliche Halbleiter mit ihren verhältnismäßig kleinen Rezeptionsflächen dieser Bauweise angepaßt sind und auch in der elektronischen Beschaltung weniger aufwendig sind - insbesondere geeignet sind hier photoempfindliche Siliziumdioden. Durch die Erfindung läßt sich die Lichtausbeute einer Quelle von verhältnismäßig schlanker Form, wie sie von einem Glühfaden oder einem Lichtbogen gebildet wird, auf eine Probenkammer konzentrieren, welche mit einem im wesentlichen rechteckigen Lichteintrittsfenster versehen ist.
  • Bei Meßküvetten ist man bestrebt, die Wandflächen im Verhältnis zum Probenvolumen klein zu halten, so daß das Küvettenfenster ebenfalls günstigerweise eher quadratisch als schmal und hoch ausgebildet ist. Dazu kommt, daß auch die Empfangsflächen üblicher Photoaufnehmer - und insbesondere -halbleiter - Rechtecke mit einem Seitenverhältnis nahe eins bilden, so daß im Hinblick auf eine homogene Durchstrahlung der Küvettenkammer ein entsprechendes Verhältnis für den Lichteintritt angestrebt werden sollte.
  • Die für eine präzise Lichtführung erforderlich feinmechanisch hochwertige Ausführung der optischen Bank läßt sich bevorzugt in Form eines wannenförmigen Trägers, gegebenenfalls mit H- oder X-förmigem Querschnitt, realisieren, der aus Aluminiumguß hergestellt ist. Damit ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die Thermostatisierung der Meßküvette - die, wie zuvor erwähnt, relativ kleine Abmessungen aufweist - bevorzugt mittels eines Peltierelementes erfolgen kann, dessen einer Teil mit der Meßküvette und dessen anderer Teil mit dem wannenförmigen Chassis wärmeleitend verbunden ist.
  • Ein weiterer mit der Erfindung verbundener Vorteil ist die große Unempfindlichkeit der Anordnung gegen Erschütterungen im Betrieb.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt bzw. werden nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher dargestellt.
  • Die einzige Figur zeigt eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Photometers in perspektivischer Ansicht.
  • Eine gestrichelt dargestellte Meßküvette 1 enthält eine Kammer 2, welche die zu untersuchende Flüssigkeit aufnimmt. Sie ist mindestens in Richtung der optischen Achse 3 (strichpunktiert dargestellt) mit lichtdurchlässigen Fenstern versehen. Als Lichtquelle dient eine Hg-Lampe, welche einen Lichtbogen 4 erzeugt, der in der Figur als Rechteck schematisch dargestellt ist, während die weiteren Einzelheiten der Lichtquelle nicht wiedergegeben sind.
  • Auf der optischen Achse befindet sich nächst der Lichtquelle 4 eine Blende 5, deren Form zur Ausblendung von Streulicht beiträgt und im übrigen jeweils einen Teil des oberen und unteren Bereichs des Lichtbogens von der Probendurchstrahlung ausschließt, da diese Teile erfahrungsgemäß unruhiger und ungleichmäßiger brennen. Von der ursprünglichen Länge des Lichtbogens, die bei einer Breite von ca. 2,2 mm ca. 18 mm beträgt, werden jeweils oben und unten 2 mm ausgeblendet.
  • Anschließend passiert das Licht eine Zylinderlinse 6, wobei die gedachte Mittelachse des Zylindermantels parallel zum Lichtboden 4 gerichtet ist. Unmittelbar benachbart der Zylinderlinse ist ein Filter 7, das eine große Dicke (maximal 30 mm) in Richtung der optischen Achse hat, so daß eine den übrigen hohen Anforderungen an die Apparatur entsprechende spektrale Reinheit der Strahlung erzielbar ist. Ein gestrichelt angedeutetes Filterrad 8 nimmt mehrere verschiedene Filter auf, welche je nach Bedarf in den Strahlengang geschwenkt werden können. Die Ausbildung derartiger Filterräder und der dazu erforderliche Antrieb sind bekannt und nicht näher dargestellt.
  • In einiger Entfernung vom Filter 7 folgen im Strahlengang eine Bikonvexlinse 8 und ein Teilerspiegel 9, der eine Durchlässigkeit von ungefähr achtzig Prozent hat, so daß ein verhältnismäßig geringer Anteil der Strahlung, welche die Küvette 2 erreicht, abgezweigt und durch eine Blende 10 einem Referenzelement 11 zugeführt wird. Der Hauptanteil der Strahlung gelangt durch eine Blende 12 und die Kammer 2 der Küvette 1 hindurch zu einem Lichtempfänger 13.
  • Das aus der Zylinderlinse 6 und der Konvexlinse 8 gebildete optische System ist derart ausgebildet, daß für - in der Zeichnung - vertikale Richtungen lediglich die Linse 8 wirksam ist und die Lichtquelle im Bereich der Küvettenkammer 2 abbildet. Durch geeignete Wahl der Brennweite der Linse 8 und den übrigen geometrischen Bemessungen resultiert eine Verkleinerung der Länge des vertikalen Lichtbogens 4. Bezüglich horizontaler Richtungen wirken dagegen beide Linsen 6 und 8 und bilden damit ein zweilinsiges optisches System. Hier sind die geometrischen Verhältnisse so bemessen, daß eine Abbildung der Querabmessung des Lichtbogens 4 nahezu in natürlicher Größe oder geringfügiger Verkleinerung die Folge ist. Die Zylinderlinse wirkt dabei auch vergleichsweise wie ein Kondensator und sammelt das Licht aus einem größeren den Brenner umgebenden horizontalen Winkelbereich.
  • Auf diese Weise wird die Kammer 2 von einer Art "Lichttunnel" ausgefüllt, der in seiner Beschaffenheit fast homogen ist. Es ist dabei zu beachten, daß durch das dargestellte System auf dem Photoempfänger 13 zwar kein konkretes "Bild" des Glühfadens der Art hervorgerufen wird, daß es beispielsweise Einzelheiten wiedergäbe, sondern stattdessen ein rechteckiger Lichtfleck von 4 mm Höhe und 1,4 mm Breite, dessen Beleuchtungsintensität über seine Fläche nahezu konstante Werte aufweist.
  • Die Anordnung des Filters 7 erfolgt in Bereichen, in denen sich die Filterdicke nicht oder nur geringfügig auf den Strahlengang auswirkt. Das ist nach der Zylinderlinse der Fall. Der Lichtquerschnitt ist hier relativ groß, so daß örtliche Unterschiede der Brenneroberfläche bzw. Verfälschungen oder Verfärbungen der Lichtstrahlung ausinte- griert werden. Die Küvette 2 ist dagegen in Bereichen angeordnet, in denen der Lichtquerschnitt am geringsten und annähernd parallel ist. Hier erfolgt eine "Abbildung" der Lichtquelle.
  • Der Referenzphotoempfänger 11 entspricht nach Art und Aufbau dem Empfänger 13, so daß Abweichungen welche auf Veränderungen des Lichtsenders 4 zurückgehen oder im Lichtweg bis zum Teilerspiegel 9 auftreten, im Meßergebnis nicht in Erscheinung treten. Da die optische und elektronische Verarbeitung vollkommen übereinstimmend erfolgt, wirken sich auch lokale Helligkeitsunterschiede bezüglich der Helligkeit oder Färbung des Lichtbogens 4 nicht aus.
  • Um die durch die Erfindung geschaffenen optischen Vorzüge der Photometeranordnung voll ausnutzen zu können, sind die dargestellten Elemente in einem wannenförmigen Träger 14 mit H-förmigem Querschnitt angeordnet, der als Aluminiumgußwerkstück hergestellt ist. Die Wanne wird von einem nicht dargestellten Deckel lichtdicht verschlossen. Damit ergibt sich ein verwindungssteifer Träger, dessen innere Oberfläche derart gestaltet ist, daß er alle zur Aufnahme und zum Befestigen der einzelnen Elemente erforderlichen Flächen und Anschlüsse aufweist. Gleichzeitig bildet er einen Kühlkörper für ein Thermostatisierungssystem nach dem Peltierprinzip mit einem Element 15, das einerseits mit dem wannenförmigen Träger und andererseits mit der Küvette 1 wärmeleitend verbunden ist, so daß mit Hilfe einer angelegten äußeren Spannung eine Erwärmung oder Abkühlung der Küvette 1 in Bezug auf den wannenförmigen Träger 14 erfolgen kann. Bevorzugt wird die Regelung der Eingangsspannung gesteuert durch einen Wärmefühler vorgenommen, welcher ebenfalls mit der Küvette 1 verbunden - in der Zeichnung aber nicht dargestellt - ist. Die Küvette 1 selbst ist mit Ausnahme der Fensteröffnungen von einem wärmeleitenden Körper 16 umgeben, der in Kontakt mit dem Peltierelement 15 steht und für eine gleichmäßige Temperierung der Küvette sorgt.
  • Die wiedergegebene Temperierungsanordnung läßt sich besonders vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Photometer verwenden, weil durch die relativ kleine Küvettengröße, die mit dem dargestellten optischen System präzise durchleuchtet werden kann, insgesamt eine Verkleinerung der Bauform des Photometers möglich ist, welche wiederum eine Thermostatisierung mit großer Präzision und kleinen Zeitkonstanten zuläßt, zumal mit dem wannenförmigen Träger ein Ausgleichselement zur Wärmeabgabe bzw. -aufnahme in Bezug auf die Umgebung zur Verfügung steht, das in der Lage ist, kurzfristig größere Wärmeleistungen umzusetzen. Somit fördern sich die genannten Maßnahmen gegenseitig derart, daß die Qualitätsverbesserung weit über das hinausgeht, was jeweils mit diesen Maßnahmen einzeln erreichbar wäre.
  • Leerseite

Claims (10)

  1. Photometer Ansprüche Photometer mit einem Lichtsender, dessen aktive Fläche in bezug auf ihre Längsabmessung eine verhältnismäßig geringe Querabmessung aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtweg eine Zylinderlinse (6) enthält, welche den Querschnitt des das Rüvettenfenster durchstrahlenden Lichtbündels zu einer rechteckartigen Fläche mit einem Seitenverhältnis verformt, wobei der Wert des Quotienten näher bei eins liegt als das entsprechende Verhältnis der Abmessungen der aktiven Fläche des Lichtsenders (4).
  2. 2. Photometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Zylinderlinse (6) um eine Achse gekrümmt ist, die parallel zur Achse der größeren Abmessung der aktiven Fläche des Lichtsenders (4) verläuft.
  3. 3. Photometer nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß im Lichtweg weiterhin eine konvexe Linse (8) vorgesehen ist, welche zusammen mit der Zylinderlinse (6) ein Abbildungssystem bildet, das in einer Ebene unter Ausnutzung der Wölbung der Zylinderlinse als zweilinsiges System und in einer senkrecht dazu verlaufenden Ebene, in der die Zylinderlinse keinen wesentlichen Beitrag zur Lichtablenkung liefert, als einlinsiges System wirkt.
  4. 4. Photometer nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtempfänger (15) durch einen photoempfindlichen Halbleiter gebildet wird.
  5. 5. Photometer. nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß unmittelbar vor der Küvette (1) ein Teilerspiegel (9) angeordnet ist, welcher einen Intensitätsanteil des Lichtbündels einem Referenzelement (11) zuführt, das bezüglich Aufbau und Anordnung dem Lichtempfänger (13) entspricht.
  6. 6. Photometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optischen Elemente innerhalb eines gemeinsamen wannenförmigen Trägers (14) aus Metall angeordnet sind.
  7. 7. Photometer nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der wannenförmige Träger (14) insgesamt einen H- und/oder X-förmigen Querschnitt aufweist.
  8. 8. Photometer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Träger (14) als Aluminium-Gußchassis ausgebildet ist.
  9. 9. Photometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Träger (14) mit einem Teil eines Peltierelements (15) in wärmeleitender Verbindung steht, dessen anderer Teil die Küvette (1) temperiert.
  10. 10. Photometer nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h an e t , daß das Peltierelement (15) einen Teil eines Thermostatisierungskreises bildet.
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