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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Messzelle.
Insbesondere auf Messzellen für
Schwimmbeckensysteme.
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Hintergrund der Erfindung
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Chlor
wird oft zu Trinkwasservorräten
hinzugefügt,
um schädliche
Organismen zu töten.
Chlor ist nicht nur ein wirksames Desinfektionsmittel, sondern es
reagiert auch mit Ammoniak, Eisen und anderen Metallen und einigen
organischen Verbindungen, um die Gesamtwasserqualität zu verbessern.
Es gibt jedoch ein Limit für
die Verwendung von Chlor, da negative Ergebnisse durch die Zugabe
von zu viel Chlor möglich
sind. Schlechte Geschmäcker
und Gerüche im
Wasser werden oft verstärkt. Übermäßiges Chlor kann
für Fische
und andere Wassertiere schädlich sein,
wenn das Wasser Stickstoffverbindungen enthält. Schließlich ist die Bildung von Chloroform
und anderen vermutlichen Canzerogenen möglich. Es daher sehr wichtig
für Wasserversorger
die Levels des in dem Wasser, für
das sie verantwortlich sind, vorhandenen Chlors genau zu beobachten.
Praktischerweise streben Wassersysteme nach einem, nach der Behandlung
in dem Wasser verbleibendem Chlorlevel, von 1 mg/L oder weniger,
um die nachteiligen Effekte zu minimieren, während die Desinfektionsmitteleigenschaften
beibehalten werden. Über
1 mg/L werden der Geruch und Geschmack oft problematisch.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Mengen des frei verfügbaren Chlors
in Lösung
sind in
United States Patent
Nr. 3,956,094 und anderen Patenten beschrieben wurden.
Die Vorrichtung schließt
eine Messelektrode, die im Innern ist, und eine Referenzelektrode
ein, die innerhalb eines Behälters
bereitgestellt wird. Die Elektrodenoberfläche wird kontinuierlich durch
die pH Kontrolllösung
gewaschen. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
ist angepasst, dazu verwendet zu werden, zum Beispiel, die freie
verfügbare Chlorkonzentration
in Schwimmbeckenwassern zu messen. Jedoch eliminiert die Abhängigkeit
von der fragilen und ständig
geblockten Messelektrode, wie auch die Notwendigkeit eines routinemäßigen Reinigungsvorgangs,
der es gewöhnlich
für den
Reinigungsvorgang notwendig macht, die Vorrichtung, die die Elektrode
beherbergt, manuell routinemäßig auseinanderzubauen,
und umgekehrt, die Verwendung dieses Verfahrens.
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Ein
weiteres anderes und effizienteres Verfahren wurde vorgestellt,
siehe
United States Patent Nr.
6,180,412 , um die Chorkonzentration in Wasser photometrisch
zu bestimmen.
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Das
Verfahren zum Bestimmen des Chlors beruht in diesem Experiment auf
einem Farbindikator, gewöhnlich
N,N-Diethyl-p-Phenylen-Diamin, der in seiner bekannten Kurzform
als „DPD" bezeichnet wird.
In der Gegenwart von Chlor reagiert DPD schnell, um eine rote Farbe
zu bilden, deren Intensität
ein Indikator der Chlorkonzentration ist. Je höher die Absorption, desto höher ist
die Chorkonzentration. Obgleich die photochemische Reaktion pH-sensitiv
ist, erscheint das DPD/Chlor-System typischerweise in einer roten
Farbe, die bei ungefähr
515 nm gemessen wird. Bei einem fast neutralen pH ist das primäre Oxidationsprodukt
eine semi-quinoide kationische Verbindung, die als ein Wurster-Farbstoff
bekannt ist. Die DPD-Wurster-Farbstofffarbe wurde photometrisch
bei Wellenlängen
im Bereich von 490 bis 555 nm gemessen.
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Ein
Messzelle, die für
eine routinemäßige Bestimmung
von Flüssigkeiten
nützlich
ist, die mechanische Mittel zum Reinigen des inneren Kerns der Messzelle
besitzt ist aus
US 5,185,531 bekannt.
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Es
das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige spektrophotometrische
Messzelle bereitzustellen, die für
das automatisierte Mischen des Reagenz und zur berührungsfreien
physikalischen Reinigung nützlich
ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Um
die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt werden
kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform, nur im Wege eines
nicht einschränkenden
Beispiels, unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, für die folgendes
gilt:
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1A und 1B stellen
einen Querschnitt der Messzelle gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar; und
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2A und 2B stellen
einen Querschnitt eines Typs eines Schüttlers (2A)
und eine Draufsicht desselben dar.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine spektrophotometrische
Messzelle zu präsentieren,
die nützlich
für das
automatisierte Reagenzmischen und für die physikalische berührungslose
Reinigung ist. Diese Messzelle umfasst eine Messzelle mit einem
freien Durchgang für
Flüssigkeiten
durch seine gesamte innere Bohrung von einem Einlass zu einem Auslass,
umfassend eine lichtdurchlässige Messröhre mit
einer longitudinalen Achse a und einem Durchmesser der inneren Bohrung
b; einen Schüttler,
angeordnet in besagter inneren Bohrung der Röhre, mit Mitteln um sich entlang
der Achse a hin und her zu bewegen, umfassend eine Bürste mit einem äußeren Durchmesser
b, wobei besagte Bürste
angepasst ist, eine wirkungsvolle physikalische Reinigung der inneren
Wand der Zelle zu der Zeit zu leisten, zu der der Schüttler sich
entlang seines Laufs bewegt; und einen Aktuator, der auf der Außenseite von
besagter Röhre
angebracht ist, der angepasst ist, besagten Schüttler reversibel mit einer
vorherbestimmten Rate und einem vorherbestimmen Lauf zu betreiben.
Flüssigkeiten
und/oder Reagenzien, die die Messröhre ausfüllen, werden wirksam durch
die Mittel von wenigstens einer der Bewegungen des Schüttlers gemischt,
um eine homogenisierte Mischung zu erhalten und wobei das Erfordernis
eines manuellen Reinigungsprogramms damit vermieden wird.
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Die
Messzelle ist besonders nützlich
für Wassersysteme,
die ausgewählt
sind aus Schwimmbecken, Wasserbehandlungseinrichtungen, Abwasserbehandlungsanlagen,
Trinkwassersystemen, Kühltürmen, oder
jegliche ad-hoc-Messung von Wasser. Die Messzelle, die Mittel zur
Messung von Parametern besitzt, die ausgewählt sind aus pH, Redox, freiem
Chlorgehalt, Lichtstreuung, Trübheit
und Temperatur ist, insbesondere nützlich für Schwimmbecken und verwandte
Wassersysteme. Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zum automatisierten Messen von vorbestimmten Parametern
der Flüssigkeiten
zu präsentieren.
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Eingehende Beschreibung der Erfindung
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Die
folgende Beschreibung wird, zusammen mit allen Kapiteln der vorliegenden
Erfindung bereitgestellt, so dass jeder Fachmann die Erfindung verwenden
kann und legt die besten Formen dar, die von dem Erfinder in Erwägung gezogen
wurden, um diese Erfindung auszuführen. Zahlreiche Modifikationen werden
jedoch für
die Fachleute offensichtlich sein, da die allgemeinen Prinzipien
der vorliegenden Erfindung spezifisch definiert wurden, um die unten
definierte Messzelle bereitzustellen.
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Es
ist daher ein primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung eine neuartige spektrophotometrische Messzelle
zu präsentieren,
die für
das automatisierte Reagenzmischen und zur berührungslosen physikalischen
Reinigung nützlich
ist. Diese Messzelle umfasst mindestens die drei folgenden Komponenten: eine
Messzelle, einen Schüttler
und einen Aktuator. Die Messzelle wird durch diese gekennzeichnet,
wobei die Flüssigkeiten
und/oder Reagenzien, die die Messröhre füllen, mittels wenigstens einer
der Bewegungen des Schüttlers
wirksam gemischt werden, um eine homogenisierte Mischung zu erhalten.
Auf diese Weise, wird somit das mühsame Erfordernis eines manuellen
Reinigungsprogramms vermieden.
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Die
Messzelle besitzt einen freien Durchgang für Flüssigkeiten durch seine innere
Bohrung von einem Einlass zu einem Auslass. Die Zelle besteht aus
einem beliebigen Metall oder Polymer und umfasst eine lichtdurchlässige Messröhre, die
mit einer longitudinalen Achse a und einem Durchmesser der inneren
Bohrung b gekennzeichnet ist. Zusätzlich umfasst die spektrophotometrische
Messzelle einen Detektor, der Mittel zum Messen entweder einer monochromatischen
Wellenlänge
oder einer Mehrkanal-RGB-Lichtemission
eines breiten Spektralbereichs besitzt. Die Messröhre ist
bevorzugt aus einem lichtdurchlässigem
Glas, Quartz oder Polymer.
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Der
Schüttler
ist in besagter inneren Bohrung der Röhre, mit Mitteln um sich entlang
der Achse a hin und her zu bewegen, angeordnet. Der Schüttler umfasst
eine Bürste
mit einem äußeren Durchmesser
b. Die Bürste
ist angepasst, eine wirkungsvolle physikalische Reinigung der inneren
Wand der Zelle zu der Zeit zu leisten, zu der der Schüttler sich
entlang seines Laufs bewegt. Der Schüttler ist wenigstem in einem
Teil aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Bürste ist vorzugsweise aus Nylonfasern
hergestellt. Eine helixartige Anordnung der Fasern wird bevorzugt,
da diese Anordnung eine schraubenartige Bewegung des Schüttlers innerhalb
der Messröhre
bereitstellt und so einen besseren Reinigungsmechanismus bereitstellt.
Der Schüttler
bezieht sich auch in der vorliegenden Erfindung auf die Begriffe
sich selbst reinigende Einheit („self-cleaning assembly", d.h. ASCTM) und auf einen aktiven Reagenzmixer (d.h.
ARMTM).
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Der
Aktuator ist auf der Außenseite
von besagter Messröhre
angebracht, und ist angepasst, den Schüttler reversibel mit einer
vorherbestimmten Rate und einem vorherbestimmen Lauf zu betreiben. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst der zuvor erwähnte Aktuator wenigstens eine
elektromagnetische Spule, die angepasst ist, den Schüttler magnetisch
zu betreiben. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst der Aktuator wenigstens zwei
elektromagnetische Aktuatoren: wenigstens einer ist angepasst, den
Schüttler
nach oben zu bewegen, und wenigstens einer ist angepasst, den Schüttler nach unten
zu bewegen.
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Darüber hinaus
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Messzelle, die für die Bestimmung vorbestimmter
biologischer, physikalischer und/oder chemischer Parameter nützlich ist.
Die Flüssigkeiten, die
geprüft
und bestimmt werden sollen, sind daher aus beliebigen industriellen,
städtischen,
Haushalts-, medizinischen Flüssigkeiten,
die aus dem Körper
eines Patienten stammen oder jeglichen anderen Flüssigkeiten,
Flüssigkeiten,
Lösungsmitteln,
gegasten Lösungen
und jegliche Mischung derselben ausgewählt. All diese oben definierten
Flüssigkeiten
beziehen sich in der vorliegenden Erfindung auf den Begriff „Flüssigkeit".
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Die
oben definierte Messzelle ist nützlich
für Wassersysteme,
die ausgewählt
sind aus Schwimmbecken, Wasserbehandlungseinrichtungen, Abwasserbehandlungsanlagen,
Trinkwassersystemen, Kühltürmen, oder
jegliche ad-hoc-Messung von Wasser.
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Es
ist immer noch im Umfang der vorliegenden Erfindung, wenn die hier
definierte Messzelle spezielle und besonders nützlich für das Überwachen und Erhalten des
Wassers in Schwimmbecken ist. In dieser Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung besitzt Messzelle, wie an jeglichem Ort oben definiert,
Mittel zur Messung von Parametern, die ausgewählt sind aus pH, Redox, freiem
Chlorgehalt, Lichtstreuung, Trübheit
und Temperatur. HydroGuardTM HG-302 ist
eine kommerziell erhältliche
Vorrichtung, die von nun an die Merkmale umfasst, die in der vorliegenden
Erfindung definiert sind, nämlich
die selbst reinigende Einheit (d.h. ASCTM)
und den aktiven Reagenz-Mischer (d.h., ARMTM).
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Es
wird nun Bezug zu 1A gemacht, die einen
schematischen Querschnitt der Messzelle (1) darstellt,
wie in einigen der obigen Ausführungsformen
definiert. 1B zeigt die genau gleiche
Messzelle (1), die um 90° gedreht
ist. 2A und 2B werden
somit gleichzeitig bereitgestellt, um die gleiche Ausführungsform
zu definieren. Flüssigkeitseinlass (2a)
ist in dem unteren Rand des Schüttlers
(5) lokalisiert, so dass zu testende Flüssigkeit in das innere Volumen
der Messröhre
einfließt
(3), und nachdem die Messung vorgenommen wurde, fließt die Flüssigkeit über den
Auslass (2c) hinaus, photochemische Reaktionen werden in
der inneren Bohrung der Röhre
(3) bereitgestellt, wobei mindestens eine der Einlassöffnungen
des Reagenz offen ist. Die Ausführungsform,
die in 1 bereitgestellt wird, ist besonders nützlich für die Bestimmung
des freien Chlors in Bädern
und fließendes
Wasser. Somit ist die Öffnung (4a)
für den
DPD Einlasse angepasst, und Öffnung (4b)
ist für
einen Puffervorrat designt.
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In
Hinsicht darauf wird anerkannt, dass ein Vorrat von DPD und Puffer
in einer flüssigen
Form für die
vorliegende Erfindung einzigartig ist, wobei die Verwendung des
DPD in seiner festen Form, wie in Tabletten oder Pudern in der Technik
bekannt sind. Somit ermöglicht
das Koppeln der DPD Zugabe mit seinem richtigen Verdünnungsmittel
dem Anwender die Farbeigenschaften der Reaktion zu bestimmen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die DPD Wurster Farbstofffarbe gemessen
ein Farbe von ungefähr
490 bis 555 nm zu ergeben. Nachdem die Reagenzien aus ihren Einlassöffnungen
(4a, 4b) injiziert wurden, führt der oben definierte Schüttler (5)
eine Vielzahl von Bewegungen aus, effektiv ungefähr drei aufeinander folgende Bewegungen.
Jede dieser Bewegungen kann gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
als eine allmähliche
und plötzliche
Bewegung des Schüttlers aufwärts, abwärts und
umgekehrt gekennzeichnet werden. Die Bewegungen werden mittels des
Aktuators bewirkt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung, bewirken zwei elektromagnetische Spulen, die in einer Linie
angeordnet sind, die Aufwärtsbewegung
(Aktuator 10) und die Abwärtsbewegung (Aktuator 11).
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Somit
ist gemäß dieser
Ausführungsform wenigstens
ein Teil des Schüttlers
aus magnetischen Metallen hergestellt, die mit geeignetem Gummi
oder Polymer beschichtet sind.
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Diese
Vielzahl von Bewegungen des Schüttlers
hat mindestens vier Vorteile, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind:
(a) Mischen der Reagenzien mit der entnommenen Flüssigkeit;
(b) mechanisches Reinigen der inneren Bohrung der Messröhre; (c)
Abführen überschüssiger Gase
oder Luftblasen über
den Auslass (13) an einen Flüssigkeit/Gas-Separator (nicht
gezeigt); und (d) diese stellt ein akkurates Ablesen von Null sicher,
wenn die Bewegung der Reagenzinjektion vorangeht. Die photochemische
Reaktion kann entweder mit einer monochromatischen Lichtquelle (wie
einer gefilterten LED, LASER usw.) illuminiert werden, oder mit
einer Vielzahl von Lichtquellen oder einer polychromatischen Einzellichtquelle.
Bezug wird daher auf Öffnung
(6), die angepasst ist, eine geeignete LED aufzunehmen
(7).
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Öffnung (8),
lokalisiert auf einer 180 Achse bezogen auf die Öffnung (6), ist angepasst,
den Lichtsensor (9) aufzunehmen. Gemäß einer neuen Eigenschaft der
vorliegenden Erfindung, kann eine Vielzahl von standardisierten
RGB Farbsektionen simultan detektiert werden, und ad-hoc wiedergegeben-dargestellt
werden. Zum Beispiel kann eine von Mazet hergestellte MCS-EB1 Einheit
benützt
werden. Dies ist eine programmierbare CVC mit den folgenden Eigenschaften:
10-Bit ADC, μC 8052 RS232 Interface,
4 × achromatische
Licht-LED, Betriebsspannung 7,5V, Eingangsstromstärke 150
mA, MCS Diodenvorspannung 2,5V, mit einem Wellenlängenbereich
450 bis 700 nm, Iso-Lichtintensitätslinie 4 × 5500 cd und Sensorbetriebsabstand
15 bis 25 mm. Die Verwendung dieses optischen Sensors oder anderer
Multikanal-Lichtdetektoren stellt eine Vielzahl von simultanen und/oder
aufeinander folgenden verschiedenen Messverfahren in einer Zellröhre bereit. Somit
ist, gemäß einer
neuen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, jede analytische photochemische Reaktion,
die in der Literatur bekannt ist, geeignet durchgeführt zu werden.
Um ein Beispiel zu nennen, werden nach Chlorbestimmung Proben für den Zyanidgehalt,
Schwermetallgehalt usw. genommenen.
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Bezug
wird immer noch auf 1A und 1B genommen, die eine Öffnung (8n) zeigt,
die im rechten Winkel zu der Achse von Öffnung (6) und (8)
ist. Diese optionale Öffnung
ist besonders nützlich
für Lichtstreuungsmessungen.
Es wird in dieser Hinsicht anerkannt, dass mehr Öffnungen möglich sind und ihre Lokalisierung & Größe primär von der
vorzunehmenden Messung abhängt.
Um das Messvolumen zu versiegeln, das durch die Messzelle, die Messröhre und
den Schüttler
bereitgestellt wird, wird eine Vielzahl von O-Ringen (12a–12d)
präsentiert.
Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wird wenigstens ein Teil dieser O-Ringe
auf dem Schüttler
lokalisiert sein (5).
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Wie
in 1A und 1B dargestellt,
besitzt der Schüttler
mindestens zwei Abschnitte: der Abschnitt, der neben der Messröhre (5in)
lokalisiert ist, und der Teil, der etwas niedriger an dem unteren
Abschnitt der Messzelle (5aus) lokalisiert ist. Der äußere Durchmesser
des (5in) Abschnitts ist kleiner als der (5aus)
Abschnitt, was eine einbuchtartige Konfiguration an dem (5in)
Rand bewirkt. Diese Einbuchtung ist angepasst, mit der Bürste in
Verbindung zu sein (nicht gezeigt). Bezug wird nun auf 2A genommen, die einen Querschnitt eines
Schüttlers
darstellt, der einen unteren Abschnitt (5aus), oberen Abschnitt (5in)
und die innere offene Bohrung umfasst, die eine freie flüssige Verbindung
vom Einlass (2a) zu dem Auslass (2b) bereitstellt.
Bürstenfasern
(14) sind an dem (5in) Abschnitt des Schüttlers lokalisiert. 2B stellt das Gleiche in einer Aufsicht
dar.
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Es
wird in dieser Hinsicht anerkannt werden, dass zahlreiche Schüttlertypen
verwendet werden können.
Darüber
hinaus ist es im Umfang dieser Erfindung, dass zahlreiche Schüttlerformen
für spezielle
Reaktionen, Füssigkeitseigenschaften
usw. designt sind. Somit werden zahlreiche (5in) Abschnitte verwendet
werden, und zahlreiche Bürstenanordnungen
sind möglich.
Nur als Beispiel: eine schraubenartige Kontur oder entweder die
(5in) und/oder die Bürstenfasern
wurden für
zahlreiche Systeme zur Bestimmung von Badwasser und zur Bestimmung von
Proben von fließenden
Wasser als nützlich
befunden.
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Letztlich
ist es ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ein nützliches
Verfahren zum automatischen Mischen von Flüssigkeiten und/oder Reagenzien
und zum berührungsfreien
physikalischem Reinigen des inneren Kerns von spektrophotometrischen
Messzellen zu präsentieren.
Dieses Verfahren besteht aus dem folgenden Schritt: (a) Befüllen der Messzelle
mit Flüssigkeiten;
(b) Wenigstens einmaliges Bewegen des Schüttlers, sodass die Bürste die innere
Wand der Messröhre
physikalisch reinigt; (c.) Kalibrieren für die Nullpunktbestimmung;
(d) Fluten der Messzelle mit frischen Flüssigkeiten; (e) Versiegeln
der Auslässe
der Zelle; (f) Befüllen
mit zur Probe genommenen Flüssigkeiten
und/oder Reagenzien, die für
eine photochemische Reaktion verwendet werden, sodass eine nicht-homogenisierte
Beimengung erhalten wird; (g) Bewegen des Schüttlers für eine Vielzahl von Malen,
so dass eine homogenisierte Lösung
erhalten wird und so dass Blasen von eingeschlossener Luft oder
eingeschlossenen Gases aus der Zelle eliminiert werden; (h) Messung
eines vorherbestimmten Spektrums der Lösung; und (i) Öffnen der
Auslässe
der Zelle und Auswaschen der gefärbten
Flüssigkeiten
aus der Zelle mittels der neuen Flüssigkeit.