DE4422400C2

DE4422400C2 - Verfahren zur Bestimmung des Anteils eines 1. chemischen Stoffes in einem 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch

Info

Publication number: DE4422400C2
Application number: DE19944422400
Authority: DE
Inventors: John Anthony Byatt
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: DE4422400A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Bestimmung des Anteils eines 1. chemischen Stoffes in einem 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-A1-3 741 026 bekannt ist. Dort ist ein diskontinuierliches Verfahren zur NH₂-Analyse in Rauchgasen von Kraftwerken oder Industrieabgasen angegeben, bei dem ein Laser zwischen 2 seiner ihm eigenen Resonanzlinien hin- und hergeschaltet wird. Dabei entspricht eine 1. Wellenlänge dem Absorptionsmaximum und eine 2. einem Absorptionsminimum des zu detektierenden Gases. Aus dem Verhältnis der Intensitätsabschwächung bei den beiden Wellenlängen wird die Extinktion und damit die Konzentration des zu untersuchenden Gases hergeleitet.

Abstimmbare Laser sind relativ groß und teuer; sie lassen sich nur in einem kleinen Frequenzbereich verstellen. Für eine kontinuierliche Meßwerterfassung über die Breite einer Papierbahn ist dieses Verfahren ungeeignet.

Aus der DE-A1-40 00 584 ist ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von Isotopen in einer Atemgasprobe mittels Strahlungsabsorptionsspektrometrie bekannt, bei dem die Dämpfung einer von einer Laserdiode erzeugten Strahlung, deren Wellenlänge über Einstellparameter veränderbar ist, beim Durchgang durch die Probe festgestellt wird. Aus dem Verhältnis der Dämpfung einer schwachen Absorptionslinie des häufigeren Isotops (mit geringerer Dämpfung) zur Dämpfung der starken Absorptionslinie des selteneren Isotops, bei welcher eine größere Dämpfung erfolgt, werden die Konzentrationen der Isotopen hergeleitet.

Auch hier ist ein abstimmbarer Laser erforderlich. Zusätzlich werden Bandfilter benötigt. Untergrundwerte der Strahlung müssen gemessen, gespeichert und bei der Auswertung berücksichtigt werden.

In der EP-A2-0 390 623 ist ein Verfahren zur optischen Bestimmung von Flächengewicht, Feuchtigkeitsgehalt und Dicke von bewegten Stoff- bzw. Papierbahnen beschrieben, bei dem quer zur Transportrichtung und oberhalb der Stoffbahn äquidistant mehrere Lichtsender angeordnet sind. Diese Lichtsender werden von einer gemeinsamen Lichtquelle mit einem breiten Infrarotspektrum im Wellenlängenbereich von 1,3 µm-2,1 µm über Lichtfasern und einen rotierenden Mehrfachkoppler gespeist. Unterhalb der Stoffbahn und gegenüber den Lichtsendern sind Lichtempfänger angeordnet, welche über Lichtfasern und einen 2. rotierenden Mehrfachkoppler mit einem Detektor verbunden sind. In diesem Detektor wird das empfangene Licht über einen Strahlteiler in einen Meßanteil mit Bandpaßfilterung einer 1. Wellenlänge und in einen Referenzanteil mit Bandpaßfilterung einer 2. Wellenlänge aufgeteilt. Die beiden Anteile werden mittels eines Rechners ausgewertet.

Dieses Verfahren ist relativ aufwendig, insbesondere durch die synchronisierten, rotierenden Mehrfachkoppler und Bandpaßfilter.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf Dr. B. Eliasson et al., Neue UV-Strahler für industrielle Anwendungen, in: Schweizer Firmenzeitschrift ABB Technik, 3 (1991), S. 21-28, verwiesen, aus der Excimer-UV-Strahler bekannt sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils eines 1. chemischen Stoffes in einem 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß es einfacher und billiger ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine rotierenden Mehrfachkoppler und Bandpaßfilter erforderlich sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können billige UV-Lampen mit einer langen Lebensdauer verwendet werden, die sich einfach an die gewünschte Geometrie anpassen lassen. Es stehen Excimerlampen mit sehr engen Emissionslinien zur Verfügung, welche teure Filter erübrigen. Wasser wird bei 172 nm stark und bei 222 nm sehr schwach absorbiert, was zur Auswertung ausgenutzt wird.

Bei Verwendung eines Fluoreszenzmediums, wie z. B. Quarz, können zur Lichtdetektion billige Photodioden für sichtbares Licht anstelle teurer UV-Detektoren verwendet werden. Quarz kann mit geeigneten Stoffen dotiert sein, um seine Fluoreszenzwirkung zu verbessern.

Über die gesamte Breite der Stoffbahn ist eine optische Integration möglich, so daß 2 Photodioden oder ladungsgekoppelte Bauelemente zum Lichtempfang genügen. Alternativ dazu kann eine beliebige Auflösung erreicht werden, indem man den zur Integration verwendeten Quarzstab durch getrennte optische Platten, vorzugsweise Quarzplatten, ersetzt, mit einer entsprechenden Anzahl von Lichtdetektoren für sichtbares Licht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Detektoren eine hohe Lebensdauer aufweisen und nicht gekühlt werden müssen. Excimerlampen haben eine hohe Langzeitstabilität, eine hohe UV-Lichtausbeute und damit eine hohe Energie, um z. B. Papier zu durchstrahlen.

Es gibt keine Probleme mit einer Untergrundstrahlung, wie sie bei Verwendung von Infrarotstrahlung auftreten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Messung des Wassergehalts einer Papierbahn mit je 2 Excimerstrahlern, lichtintegrierenden Quarzrohren und Photodetektoren,

Fig. 2 eine Meßanordnung zur Messung des Wassergehalts einer Papierbahn mit mehreren getrennten Quarzplatten und Photodetektoren anstelle der 2 Quarzrohre und 2 Photodetektoren von Fig. 1,

Fig. 3 eine Meßanordnung ähnlich derjenigen von Fig. 1, jedoch mit Hauben um die Excimerstrahler, und

Fig. 4 ein Signaldiagramm mit einem UV-Absorptionsspektrum von Wasser und Emissionsbändern der Excimerstrahler.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt perspektivisch eine Stoff- oder Papierbahn (9), die in einer durch einen Pfeil angedeuteten Transportrichtung (10) mit einer Geschwindigkeit (v) von z. B. 1 km/min in einer nicht dargestellten Papiermaschine transportiert wird und deren Wassergehalt bestimmt werden soll. In einem gegenseitigen Abstand (s) von etwa 50 cm-1 m sind orthogonal zur Transportrichtung (10) der Papierbahn (9) 1. und 2. Lichtquellen bzw. Excimerstrahler (1, 2) angeordnet, welche so breit sind wie die Papierbahn (9). Der 1. Excimerstrahler (1) sendet Lichtstrahlen mit einer vorgebbaren 1. Lichtwellenlänge (λ1) durch die feuchte Papierbahn (9) und der 2. Excimerstrahler (2) Lichtstrahlen mit einer vorgebbaren 2. Lichtwellenlänge (λ2). Auf der den Excimerstrahlern (1, 2) und der Papierbahn (9) gegenüberliegenden Seite sind ebenfalls orthogonal zur Transportrichtung (10) der Papierbahn (9) Quarzrohre (3, 4) in der Breite der Papierbahn (9) angeordnet, welche ein fluoreszierendes Medium, z. B. einen Fluoreszenzfarbstoff, enthalten. Diese Quarzrohre (3, 4) integrieren das von den Excimerstrahlern (1, 2) stammende und durch die Papierbahn (9) hindurchgegangene Licht; sie sind mit nicht dargestellten Hauben abgedeckt, damit kein Fremdlicht erfaßt wird. Auch die Excimerstrahler (1, 2) sind mit Hauben (15) abgedeckt, wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist. Stirnseitig zu den Quarzrohren (3, 4) sind Photodetektoren für sichtbares Licht bzw. Photodioden (5, 6) angeordnet, die das in den Quarzrohren (3, 4) integrierte Licht detektieren und separat über einen Analog-Digitalwandler (7) einem Mikroprozessor bzw. Rechner (8) zur Auswertung liefern. Das Ausgangssignal der Photodiode (5) wird über ein Verzögerungsglied (17) mit einer einstellbaren Verzögerungsdauer T = s/v geleitet. Damit werden vom gleichen Ort der Papierbahn (9) detektierte Werte für einen Vergleich zur Verfügung gestellt. Es versteht sich, daß das Verzögerungsglied (17) entfallen kann, wenn die entsprechenden Werte im Rechner (8) wenigstens während der Verzögerungsdauer (T) gespeichert werden und dann zum Vergleich zur Verfügung stehen.

Statt den Excimerstrahlern (1, 2) auf der Papierbahn (9) gegenüberliegend können Quarzrohre (3′, 4′) zur Detektion bzw. Integration von phosphoreszierendem Licht auf der gleichen Seite der Papierbahn (9) in Transportrichtung (10) in einem vorgebbaren gegenseitigen Abstand, der gleich einem Abstand (s) der beiden Excimerstrahler (1, 2) ist, hinter den Excimerstrahlern (1, 2) angeordnet sein, wenn die Stoffbahn (9) ein phosporeszierendes Material enthält. Es versteht sich, daß auch hierbei die Excimerstrahler (1, 2) und die Quarzrohre (3′, 4′) durch Hauben abgeschirmt sein müssen, um den Einfluß von störendem Fremdlicht auf die Meßergebnisse zu verhindern.

Bei der Meßanordnung gemäß Fig. 2 sind anstelle der Quarzrohre (3, 4) von Fig. 1 mehrere voneinander getrennte Quarzplatten (11) bzw. (12) orthogonal zur Transportrichtung (10) der Papierbahn (9) nebeneinander angeordnet, wobei oberhalb jeder Quarzplatte (11, 12) je eine Photodiode (13, 14) zur Detektion des durch die Papierbahn (9) und die Quarzplatten (11, 12) hindurchgegangenen Lichtes vorgesehen ist. Auch hierbei sind die Excimerstrahler (1, 2) und die Quarzplatten (11, 12) mit den darüber angeordneten Photodioden (13, 14) durch nicht dargestellte Hauben gegen Fremdlichteinfluß geschützt. Mit dieser Meßanordnung lassen sich unterschiedliche Werte des Wassergehaltes längs der Breite der Papierbahn (9) ermitteln, falls dies gewünscht wird.

Fig. 3 zeigt eine Meßanordnung mit von Hauben (15) umgebenen Excimerstrahlern (1, 2) oberhalb der Papierbahn (9), wobei die Haube (15) oberhalb des Excimerstrahlers (1) ein Ozon-Abzugrohr (16) zum Abzug von unerwünschtem Ozon aufweist, der bei der Strahlung entsteht. Der Excimerstrahler (2) erzeugt kein Ozon. Unterhalb der Excimerstrahler (1, 2) und unterhalb der Papierbahn (9) sind Quarzplatten (11, 12) und Photodioden (13, 14) angeordnet, die entsprechend Fig. 2 aufgebaut und angeschlossen sind.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm, bei der auf der Abszisse die Lichtwellenlänge (λ) in nm und auf der Ordinate ein Absorptionskoeffizient (k) für UV-Licht in cm^-1 aufgetragen sind, ein UV-Absorptionsspektrum (18) von Wasser, ein Emissionsband (19) eines Xenon-Excimerstrahlers (1) mit einem Maximalwert bei der 1. Lichtwellenlänge (λ1) von 172 nm und ein Emissionsband (20) eines Kryptonchlorid-Excimerstrahlers (2) mit einem Maximalwert bei der 2. Lichtwellenlänge (λ2) von 222 nm. Die Emissionsbänder (19, 20) der Excimerstrahler (1, 2) sind sehr schmalbandig. Die Strahlung des Excimerstrahlers (1) bei 170 nm wird von Wasser stark und diejenige des Excimerstrahlers (2) bei 222 nm kaum absorbiert.

Aus dem Verhältnis der mittels der Photodioden (5, 6) bzw. (13, 14) detektierten Lichtmenge des transmittierten Lichtes der Excimerstrahler (1) bzw. (2) kann die Feuchtigkeit bzw. der Wassergehalt der Papierbahn (9) bestimmt werden. Dabei wird angenommen, daß alle nicht auf Feuchtigkeit beruhenden Einflußfaktoren, welche die UV-Strahlung reduzieren, wie z. B. Staub, Sauerstoff, Ozon, auf die detektierte Lichtmenge, die von den beiden Excimerstrahlern (1, 2) empfangen wird, gleiche Auswirkung haben. Vorzugsweise werden die von den Photodioden (5) bzw. (13) detektierten Signale bzw. die ihnen zugeordneten Werte während der Verzögerungsdauer T = s/v gespeichert. Dabei werden diese um die Verzögerungsdauer (T) verzögerten Werte mit den aktuellen Werten von den Photodioden (6) bzw. (14) ins Verhältnis gesetzt, so daß an der gleichen Stelle der Papierbahn (9) detektierte Werte miteinander in Beziehung gesetzt werden.

Wichtig ist, daß 2 schmalbandige Quellen für elektromagnetische Wellen, vorzugsweise UV-Lichtquellen (1, 2) mit einer Bandbreite von weniger als 10 nm, gewählt werden und daß das Licht einer 1. Lichtquelle (1) von dem zu bestimmenden 1. chemischen Stoff, z. B. Wasser, stärker absorbiert wird als das Licht von der 2. Lichtquelle (2). Dabei wird nicht UV-Licht, sondern sichtbares Fluoreszenz- oder Phosporeszenzlicht mittels billiger Photodioden (5, 6; 13, 14) detektiert. Es versteht sich, daß auch für UV-Licht empfindliche Dioden verwendet werden können.

Die Detektion kann in Transmission, wie in den Fig. 1-3 dargestellt, oder auf der gleichen Stoffseite in Reflexion (nicht dargestellt) oder hintereinander bei Phosphoreszenz erfolgen, wie in Fig. 1 angedeutet.

Statt UV-Lichtquellen (1, 2) könnten auch Röntgenquellen oder langwelligere Quellen für elektromagnetischen Wellen verwendet werden.

Anstelle von Wasser in Papier kann z. B. der Gehalt von Ozon in Luft oder der Gehalt von Rußteilchen in Cellophan oder allgemein der Gehalt eines 1. chemischen Stoffes in einem 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch bestimmt werden.

Bezugszeichenliste

1 1. Lichtquelle, Excimerstrahler
2 2. Lichtquelle, Excimerstrahler
3, 3′, 4, 4′ Quarzrohre
5, 6, 13, 14 Photodioden, Detektoren
7 Analog-Digitalwandler
8 Rechner, Mikroprozessor
9 Stoffbahn, Papierbahn
10 Transportrichtung von 9
11, 12 Quarzplatten
15 Hauben
16 Ozon-Abzugrohr
17 Verzögerungsglied
18 UV-Absorptionsspektrum von Wasser
19 Xenon-Excimerspektrum, Emissionsband
20 Kryptonchlorid-Excimerspektrum, Emissionsband
k Absorptionskoeffizient
s Abstand zwischen 1 und 2
v Geschwindigkeit von 9
T Verzögerungsdauer
λ, λ1, λ2 Lichtwellenlängen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Anteils eines 1. chemischen Stoffes in einem 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch,

a) wobei der 2. chemische Stoff oder das Stoffgemisch mit elektromagnetischen Wellen mindestens einer 1. Lichtwellenlänge (λ1), welche von dem 1. chemischen Stoff stark absorbiert wird, und
b) mit elektromagnetischen Wellen mindestens einer 2. Lichtwellenlänge (λ2), welche von dem 1. chemischen Stoff schwächer absorbiert wird, bestrahlt wird,
c) wobei in Abhängigkeit von diesen beiden Bestrahlungen Strahlungsmengen oder Strahlungsintensitäten detektiert und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden und
d) aus diesem Verhältnis der Anteil des 1. chemischen Stoffes im 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
e) daß die 1. und 2. Lichtwellenlängen (λ1, λ2) von unterschiedlichen Lichtquellen (1, 2) erzeugt werden,
f) daß gleiche Orte des 2. chemischen Stoffes oder Stoffgemisches zeitlich nacheinander mit der 1. und 2. Lichtwellenlänge (λ1, λ2) bestrahlt werden und
g) daß die von der 1. Lichtquelle (1) detektierte Strahlungsmenge oder Strahlungsintensität solange verzögert oder deren Wert mindestens solange gespeichert wird, wie es der zeitlichen Versetzung der 2. Lichtquelle (2) gegenüber der 1. Lichtquelle (1) entspricht, derart, daß im wesentlichen vom gleichen Ort des 2. chemischen Stoffes oder Stoffgemisches abgeleitete Lichtmengen- oder Lichtintensitätswerte ins Verhältnis zueinander gesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten Strahlungsmengen oder Strahlungsintensitäten in Reflexion detektiert werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten Strahlungsmengen oder Strahlungsintensitäten in Abhängigkeit von einem phosphoreszierenden Licht detektiert werden, das von dem 2. chemischen Stoff oder Stoffgemisch nach der Bestrahlung ausgeht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten Strahlungsmengen oder Strahlungsintensitäten integral erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (1, 2) für die elektromagnetischen Wellen (λ1, λ2) eine Bandbreite von kleiner als 10 nm aufweisen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (1, 2) für die elektromagnetischen Wellen (λ1, λ2) Excimerstrahler sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Excimerstrahler (1, 2) Licht im Wellenlängenbereich von 170 nm-700 nm ausstrahlen.