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Verfahren zur Bestimmung von Bestandteilen in Stoffgemischen mittels
Strahlungsabsorption Es ist bekannt) die Absorption vorzugsweise ultraroter Strahlung
durch ein Gasgemisch zur Bestimmung eines Bestandteiles dieses Gemisches zu verwenden.
Man veb wendet meistens Bolometer oder Thermosäulen als Strahlungsempfänger, in
der Regel in Differentialschaltung. Auch Gasthermometer, welche die Erwärmung eines
geschwärzten Empfängers auf ein Gas übertragen, werden verwendet. Diese Methode
besitzt zwei schwerwiegende Nachteile.
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Erstens beträgt die Strahlung, die innerhalb der Absorptionsbande
eines Gases absorbiert wird, nur einen Bruchteil der gesamten von dem Ultrarotstrahler
ausgesandten und vom Empfänger absorbierten Strahlung; die dadurch bedingte nutzlose
Erwärmung des Empfängers bewirkt, daß die praktisch erreichbare Empfindlichkeit
gering ist. Zweitens ist die Messung nicht selektiv, da alle im Gemisch vorhandenen
Gase mit ultraroter Absorption mitgemessen werden. Es sind mehrere Vorschläge zur
Beseitigung dieser Nachteile gemacht worden, z. B. die Verwendung eines selektiven
Strahlers, theoretisch am besten einer glühenden Menge des zu bestimmenden Gases
selbst. Dieses Verfahren ist aber praktisch kaum durchführbar. Weiterhin wurde versucht,
alle anderen im Gemisch vorhandenen störenden Bestandteile in solcher Schichtdicke
in den Strahlengang einzubauen, daß die störende Strahlung praktisch vollständig
absorbiert wird. Nach diesem bekannten Verfahren müßte man bei der Analyse eines
komplizierten . Gasgemisches sehr lange, absorbierende Schichten für jedes der störenden
Gase einbauen. Diese Schwierigkeiten werden bei einem anderen Verfahren umgangen,
das eine Differenzanordnung verwendet, wobei in den einen Strahlengang
das
nachzuweisende Gas in genügender Schichtdicke eingebaut ist, während das zu untersuchende
Gemisch von beiden Strahlengängen durchsetzt wird. Der oben an erste Stelle erwähnte
Nachteil bleibt jedoch stehen. Ein anderes Verfahren verwendet die im zu untersuchenden
Gemisch durch di Strahlungsabsorption auftretende Temperatur-und Druckerhöhung zulll
Nachweis des ahsorbierenden Bestandteils. Dabei bleibt jedoch der zweite erwähnte
Nachteil erhalten.
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Es ist s-eiter bekannt, einatomige Stoffe in Dampf- oder Gasform
auf Grund der selelotiven Absorption einer Resonanzlinie des betreffenden Stoffes
unter Ausnutzung des Resonanzeffektes zu bestimmen indem man eine die Wellenlänge
der Resonanzlinie enthaltende Strahlung nach Durchgang durch einen Raum, in dem
die zu bestimmenden Atome enthalten sind, in ein Gefäß sendet. welches ebenfalls
Atome der zu bestimmenden Art enthält. und in diesem Gefäli die Intensität des Resonanzeffektes
quantitativ bestimmt. Dies geschieht entweder mittels der Lichtwirkung oder mittels
der Beeinflussung bei gemischter mehratomiger Gase durch Stöße zweiter wart. Das
Verfahren ist bisher nur auf einatomige Stoffe unter Verwendung von Resonanzlinien
angewendet rvorden, die viel fach in meßtechnisch nicht einfach zugänglichen Spektralgeli-ieten
liegen.
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I)ie vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren, das von den
bei Verwendung ultraroter Strahlung bisher auftretenden. oben geschilderten Schwierigkeiten
frei ist. Es verwendet ebenfalls zwei hintereinandergeschaltete absorbierende Schichten,
unterscheidet sich von dem zuletzt besprochenen Verfahren zur Bestimmung eines einatomigen
Stoffes jedoch grundsätzlich durch die Verwendung ultraroter Strahlung, wie sie
von üblichen Wärmestrahlern erzeugt wird. ferner durch die Anwendung auf die technisch
besonders wichtigen mehratomigen Stoffe und durch die Art des Nachweises der Absorption.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht in der Hauptsache darin.
daß mal Wärmestrahlung nach Durchgang durch das zu untersuchende Stoffgemisch in
eine Empfängerschicht eintreten läßt. welche dieselben Wellenlängen wie der zu bestimmende
Bestandteil absorbiert und mit den anderen Bestandteilen des zu untersuchenden Stoffgemisches
keine gemeinsame Absorptionsstelle in dem benutzten Wellenlängenbereich hat, und
die durch die Strahlungsabsorption eintretende Temperatur-. Druck- oder Volumenänderung
der Empfängerschicht zur iizeigt der Aborption in dem zu untersuchenden Stoffgemisch
verwendet. Am einfachsten lienutzt man eine wesentlich den zu bestimmenden Bestandteil
enthaltende Empfängerschicht.
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Handelt es sich beispielsweise darum, in einem Gas Kohlendioxyd zu
bestimmen, so verwendet man zweckmäßig die von dem Kohlendioxyd stark absorbierbare
Strahlung der Wellenlängen 4,27 und 2,71 µ. Enthält das untersuchte Gas kein Kohlendioyd
und keine anderen Stoffe. welche bei diesen Wellenlängen wesentlich absorbieren,
so gelangt neben anderen Strahlungsbestandteilen die Strahlung dieser Wellenlängen
praktisch ungeschwächt in die zweite, Kohlendioxyd enthaltende oder ganz aus diesem
bestehende Empfängerschicht. In dieser wird sie absorbiert, während die anderen
Strahlungsbestandteile die Gasfüllung im wesentlichen nicht beeinflussen. Die infolge
der Absorption der Strahlung in der Empfängerschicht auftretende Temperaturerhöhung
oder die damit verhutidene Druck- oder Volumenvergröf rung läßt sich leicht feststellen
und @ibt gibt Maß für die Absorption in der Empfängerschicht und somit auch für
den in dem zu untersuchenden Gas nicht absorbierten Anteil der Kohlendioxyd kennzeichnenden
Wellenlängen 4,27 und 2,71 µ. Enthält das zu untersuchende Gas viel Kohlendioxyd,
so clhält die Empfängerschicht wenig oder gar keine Strahlung der Wellenlängen 4,27
und 2,71 µ, da diese bereits in dem zu untersuchenden Gas verschluckt worden sind,
und dementsprechend tritt auch nur eine geringe Zustandsänderung der Empfängerschicht
ein. oder diese bleibt ganz unverändert.
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I'ei 4er Verwendung eines Gases als Empfängerschicht ergibt sich
die Möglichkeit, in allen Fällen. z. B. auch bei der Untersuchung von Flüssigkeiten
oder festen Stoffen. mit sehr geringer Anzeigeträgheit zu arbeiten.
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Um eine maximale Volumerwärmung der Empfängerschicht und gleichzeitig
eine möglichst große Schärfe der Absorptionslinien zu erreichen. empfiehlt es sich.
die Scllichtdicke des wirksamen Gases, also das Produkt aus Schichtlänge und Konzentration,
der Stärke der Absorption anzupassen. Dies kann durch geeignete Wahl der Kammerlänge.
durch Verdünnung des absorbierenden Gases mit einem nicht absorbierenden Gas oder
durch Unterdruck geschehen. V)ie Selcktivität des Verfahrens läßt sich durch solche
Anpassungsmaßnahmen bei der Untersuchung von Gemischen aus Stoffen mit sich überchneidenden
Absorptionsbereichen um ein Mehrfaches steigern, ohne daß eine Einbuße an Empfindlichkeit
eintritt.
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Der unerwünschte Einfluß einer allmählichen Erwärmung des i:ensters
und der Wände der die Empfängerschicht enthaltenden Kammer durch die einfallende
Strahlung, allen
leicht ausgeschaltet werden, so daß man nur die
Erwärmung des Gasinhaltes durch die selektive Absorption erfaßt, indem man keine
stetige. sondern periodisch schwankende, z. B. zerhackte Strahlung verwendet. Die
dadurch in der Empfängerschicht entstehenden periowischen Temperatur- bzw. Druck-
oderxVolumensinderungen lassen sich sehr leicht erfassen, z. B. kann man sie in
elektrische Strom- oder Spannungs schwankungen uinsetzen und diese nach Verstärkung
und gegebenenfalls Gleichrichtung in einem Anzeigeinstrument sichtbar machen.
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Bildet man etwa eine Wandstelle der Kammer für die Empfängerschicht
als dünne Membran aus, welche zugleich die eine Belegung eines Kondensators darstellt,
so führen Druckschwankungen der Empfängerschicht zu entsprechenden Kapazitätsänderungen
des Membrankondensators, welche in bekannter Weise leicht zur Erzeugung elektrischer
Wechselströme benutzt werden können.
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Eine andere leicht durchführbare Möglichkeit besteht darin, durch
die periodischen Druckschwankungen mittels einer Art Bändehenmikrophon entsprechende
elektrische Spannungsschwankungen hervorzurufen.
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Ferner kann man die periodischen Druckschwankungen in der Empfängerschicht
durch ein Verbindungsrohr zu einer anderen, dasselbe Empfängergas enthaltenden Kammer
in eine pendelnde Gasströmung umsetzen und diese auf den Hitzdraht eines Hitzdrahtströmungsmessers
einwirken lassen, wo sie zu entsprechenden Änderungen des elektrischen Widerstandes
führt.
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Besonders vorteilhaft ist es in allen Fällen. die zur Bestimmung
verwendete Strahlung nebeneinander durch zwei Absorptionsschichten zu schicken,
von denen nur die eine aus dem zu untersuchenden Stoffgemisch besteht, während die
andere von dem zu bestimmenden Bestandteil frei ist, zweckmäßig jedoch im übrigen
etwa dieselbenAbsorptionseigenschaften hat. Hinter den Absorptionsschichten befindet
sich je eine Empfängerschicht der beschriedenen Art. Beim Arbeiten mit periodisch
schwankender z. B. zerhaclrter Strahlung, läßt es sich erreichen, daß die in den
beiden Empfängerschichten auftretenden Zustandsänderungen nach Größe und Phase gleich
sind, wenn die vorgeschalteten Absorptionsschichten völlig gleich sind; es tritt
dann keine Differenz zwischein den Empfängerschichten auf. Enthält aber die eine
Absorptionsschicht den zu bestimmenden Bestandteil in anderer Menge als die andere,
so stimmen die Zustandsänderungen in den beiden Empfängerschichten nicht mehr überein,
und man kann ihre Differenz leicht mit den soeben besprochenen Mitteln nachweisen.
Durch diese Differenzmethode werden alle störenden äußeren Einflüsse, auch solche
von unerwünschten Schwankungen der Strahlungsquelle, ausgeschaltet, auch braucht
man keine Sorgfalt auf das Ausfiltern eines engen Spektralbereiches zu verwenden,
wie dies bei manchen anderen Verfahren erforderlich ist.
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In der Zeichnung ist beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung
schematisch dargestellt. Die von den beiden Strahlern a1 und a2 ausgehende Strahlung
wird durch ein mittels des Motors b angetriebenes Blendenrad c periodisch unterbrochen.
Das Blendenrad c hat Schlitze in solcher Anordnung. daß die Strahlung beider Strahler
stets zur gleichen Zeit. hindurchtreten kann bzw. unterbrochen wird. Hinter dem
Blendenrad c durchläuft die Strahlung die beiden Rohre d1 und d2, wobei z. B. d1
mit dem zu untersuchenden Gasgemisch und d2 mit einem Vergleichsgas gefüllt ist.
Danach tritt die Strahlung in die Kammern e1 und e2, welche als Empfängerschicht
das Gas enthalten, welches bestimmt werden soll. Die beiden Kammern sind durch eine
dünne Membran f nahezu gasdicht von einander getrennt; diese bildet mit der isoliert
angeordneten Gegenplatte g einen elektrischen Kondensator.
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Ist in dem Gasgemisch der zu bestimmende Bestandteil enthalten, so
gelangt in die Kammet ei eine schwächere Strahlung als in e2; infolgedessen tritt
entsprechend der Zahl der Unterbrechungen durch das Blendenrad c ein periodischer
Druckunterschied zwischen den Kammern e1 und e2 auf, der mittels der Membran f in
Kapazitätsschwankungen umgesetzt wird. Hinter den Membrankondensator ist ein Verstärker
h geschaltet, welcher die Kapazitätsschwankungen und damit die Konzentration des
zu bestimmenden Gases an dem Meßinstrument i ablesbar macht.
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Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, daß die Beobachtung des
zu bestimmenden Anteils in Gemischen weitgehend unabhängig von dessen Begleitstoffen
ist und daß sie auch nicht durch die Strahlung außerhalb des Spektralbereiches,
in welchem der zu bestimmende Anteil absorbiert, gestört wird. Außerdem kommt ihr
der große Vorzug zu, die Erfassung und genaue Bestimmung des gewünschten Bestandteiles
in äußerst weiten Bereichen zu erlauben; man kann sie zur Bestimmung sowohl winzigster
Spuren, welche den bisherigen Verfahren überhaupt nicht zugänglich waren, als auch
großer verhältnismäßiger Anteile, bis zur Konzentration des praktisch reinen Stoffes,
verwenden.
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Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit des Verfahrens sei die registrierende
Bestimmung von Kohleiioxyd in Wasserstoff bei Anwesenheit I0- bis loofach größerer
Beimengungen
von Ammoniak, Kohlendioxyd und Methan genannt, welche
ohne jede Schwierigkeit bis herab zu o,ooI 0/, Kohlenoxyd gelingt. Ebenso ist das
Verfahren z. B. zur Bestimmung von o bis 2 01o Methan in Gasgemischen geeignet,
die u. a. Kohlenoxyd und Kohlendioxyd in Mengen von 10 bis 20 01o enthalten, ferner
zur Ermittlung von äthylen im Leuchtgas, von Acetylen in Kohlenwasserstoffgemischen
u. dgl.