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Anordnung zum meßbaren Vergleich der Strahlungsabsorption von Flüssigkeiten
Elektromagnetische
Strahlung, insbesondere Licht, wird von den verschiedenen Substanzen in unterschiedlichem
Maße absorbiert. Die Lichtstärke JO eines vorzugsweise monochromatischen Strahlenbündels,
das eine Flüssigkeitssäule von der Länge d durchsetzt, ist nach dem Durchgang durch
diese Flüssigkeitssäule auf den Wert J = JO S I°~FACd (I) geschwächt. Unter c soll
dabei die Konzentration der Flüssigkeit in Gramm-Molen pro Liter verstanden sein.
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EA ist eine von der Wellenlänge der die Flüssigkeit durchsetzenden
Strahlung und der Versuchstemperatur abhängige, charakteristische Materialkonstante.
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Bei Kenntnis dieser Konstanten a und der Länge d der Flüssigkeitssäule
ist es also möglich, die Konzentration c bei der Versuchstemperatur zu bestimmen.
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Anderseits ist bei Kenntnis der Konzentration c der Flüssigkeit die
Bestimmung des molaren Extinktionskoeffizienten eA möglich.
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Der prinzipielle Aufbau einer Anordnung zum meßbaren Vergleich der
Strahlungsabsorption von Flüssigkeiten ist folgender: Eine punktförmige, vorzugsweise
monochromatische Strahlungsquelle befindet sich im Brennpunkt eines optischen Sytems,
wodurch ein von ihr ausgehendes Strahlenbündel parallel gerichtet wird.
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Durch geeignete Blenden werden aus diesem weiten Parallelstrahlenbündel
zwei engere Parallelstrahlenbündel ausgeblendet. Sie durchsetzen je eine mit der
Lösung bzw. dem Lösungsmittel gefüllte Küvette oder Trog, der zwei plane, senkrecht
zum einfallenden Strahlenbündel liegende Abschlußflächen aufweist.
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Die beiden Parallelstrahlenbündel werden nach dem Durchgang durch
die Flüssigkeiten durch einen Hüfnerschen Rhombus so vereinigt, daß sie sich in
einer scharfen Trennlinie auf der Mattscheibe einer
Beobachtungsvorrichtung
oder in der Spalt ebene eines Spektrographen berühren. Im Strahlengang eines dieser
Bündel befindet sich eine Schwächungsvorrichtung, beispielsweise ein rotierender
Sektor; durch ihn kann die Lichtstärke dieses Bündels soweit geschwächt werden,
daß die Intensitäten beider Strahlenbündel gleich sind, die scharfe Trennlinie also
verschwindet.
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Die Strahlungsintensität nach Durchgang durch das Lösungsmittel und
Schwächung, beispielsweise durch einen rotierenden Sektor, ist nach der Gleichung
(I) Ji = a Jo IO-KAd. (2) Die Strahlungsintensität nach Durchgang durch die Lösung
ist ebenfalls nach der Gleichung (I) JII = JO . IO-(KX + eAC)d; (3) a ist dabei
ein Maß für die Schwächung des einen Bündels relativ zum anderen, KÄ bedeutet den
molaren Extinktionskoeffizienten des Lösungsmittels. Sobald also die scharfe Trennlinie
zwischen den beiden Strahlenbündeln in der Beobachtungsvorrichtung verschwindet,
ist J1 = J11, und man erhält aus den Gleichungen (2) und (3) die Gleichung log a
=eA - c 'C d . (4) Mit Hilfe der Gleichung (4) läßt sich bei Kenntnis des molaren
Extinktionskoeffizienten eA die Konzentration c oder umgekehrt bei Kenntnis von
c der Wert von eA bestimmen. Es ist klar ersichtlich, daß die Genauigkeit des Ergebnisses
weitgehend davon abhängt, wie genau man die Länge d der durchstrahlten Flüssigkeitsschicht
angeben kann.
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Bei den bisher bekannten Anordnungen zum meßbaren Vergleich der Strahlungsabsorption
von Flüssigkeiten sind zwei wesentlich verschiedene Ausführungsformen zu unterscheiden.
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Bei der einen Ausführungsform finden Küvetten von vorgegebener Länge
Verwendung. Die Abschlußflächen dieser Küvetten werden durch plane Begrenzungsscheibchen
gebildet. Sie sind entweder fest mit dem eigentlichen Küvettenkörper verkittet oder
werden an diesen mechanisch angepreßt. Während bei der ersten Ausführungsform Schwierigkeiten
beim Reinigen der Gefäße auftreten, läßt sich die letztgenannte Ausführungsform
nur schwer blasenfrei füllen. Die notwendige Verwendung einer größeren Anzahl von
Küvetten bei jeder Absorptionsanalyse bedingt ein umständliches Arbeiten und eine
erhöhte Bruchgefahr.
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Die zweite davon wesentlich verschiedene Ausführungsform weist senkrecht
stehende, vorzugsweise zylindrische Tröge mit einem planen Bodenfenster auf, in
die je ein zweiter zylindrischer Tauchkörper mit einem ebenfalls planen Bodenfenster
hineinragt.
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Der Tauchkörper ist mechanisch in senkrechter Richtung stetig verschiebbar.
Diese Anordnung hat trotz des Vorteiles der Platzersparnis infolge der senkrechten
Ausführung und der leichten Reinigungsmöglichkeit der beiden zylindrischen Gefäße
den wesentlichen Nachteil, daß durch die Ungenauigkeit der vorzunehmenden Skalenablesung
der Fehler relativ groß werden kann. Der kleine Änderungsbereich der Dicke d der
Flüssigkeitsschicht bildet einen weiteren Nachteil dieser Anordnung.
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Ein Vorteil wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Anordnung
zum meßbaren Vergleich der Strahlungsabsorption mindestens zweier Flüssigkeitssäulen
in je einem mit einer strahlungsdurchlässigen, planen Bodenplatte versehenen senkrechten,
hohlzylindrischen Gefäß, wobei die obere ebene Begrenzungsfläche der Flüssigkeitssäule
durch die plane Bodenfläche je eines in die Flüssigkeitsaufnahmebehälter hineinragenden,
in seiner Längsrichtung verstellbaren, strahlungsdurchlässigen Tauchzylinder gebildet
wird, Verwendung findet, bei der die Tauchzylinder mit ihrer oberen, planen und
zur ebenen Bodenfläche wenigstens annähernd parallelen Abschlußfläche über je ein
auswechselbares, hohlzylindrisches Endmaß gegen die plane Berandungsfläche der für
den Strahlendurchlaß vorgesehenen Bohrungen in je einem, in seiner Lage verstellbaren,
sich im wesentlichen in einer waagrechten Ebene erstreckenden Einsatzstück gepreßt
werden.
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Statt der Verwendung massiver, aber strahlungsdurchlässiger Tauchzylinder
ist es zweckmäßig, Hohlzylinder vorzusehen, deren innere Mantelflächen zur Vermeidung
von Streulicht geschwärzt sind und die ein plangeschliffenes, waagrecht es, strahlungsdurchlässiges
Bodenstück aufweisen.
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Um eine genaue Justierung der Tauchzylinder in die Senkrechte zu
ermöglichen, sind die die Tauchzylinder tragenden Einsatzstücke beweglich angeordnet
und weisen senkrecht zu ihrer Hauptebene eingetriebene Bolzen auf, die mit ihren
Spitzen auf den Schrägflächen verschiebbarer Keile aufsitzen.
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Auch die Flüssigkeitsau fnahmebehälter sitzen mit ihrer planen Bodenfläche
auf der planen Berandungsfläche der für den Strahhingsdurcblaß vorgesehenen Bohrung
in je einer Grundplatte auf, die zur Einjustierung auf drei verstellbaren Justierschrauben
gelagert ist.
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Zum Anpressen der Tauchzylinder und der Flüssigkeitsaufnahmebehälter
gegen ihre Auflageflächen bedient man sich zweckmäßigerweise dreifacher, räumlich
statisch bestimmter, belasteter Seilzüge oder entsprechend angeordneter elastischer
Züge.
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Besonders zweckmäßig ist es, die gesamte Anordnung mit einer optischen
Justiervorrichtung zu versehen. Im die Flüssigkeitssäulen durchsetzenden Strahlengang
ist über den Tauchzylindern je ein halbdurchlässiger 45 Spiegel oder ein entsprechendes
Prisma angeordnet, die ein Scharnier oder eine ähnliche Vorrichtung besitzen, um
die Spiegel oder Prismen aus dem Strahlengang herausklappen zu können. Dabei ist
es besonders vorteilhaft, in einer Ebene senkrecht zum die Flüssigkeit durchsetzenden
Strahlengang über den Tauchzylindern ein auf Unendlich eingestelltes Fernrohr anzubringen,
dessen optische Achse durch die halbdurchlässigen 45°-Spiegel oder die entsprechenden
Prismen geht und das durch einen Planspiegel abgeschlossen ist.
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. I zeigt einen Längsschnitt durch eine Anordnung gemäß der Erfindung;
Fig.
2 zeigt ebenfalls einen Längsschnitt, jedoch durch die Seitenansicht des Erfindungsgegenstandes;
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die die Flüssigkeitsaufnahmebehälter tragenden
Grundplatten; Fig. 4 zeigt den in der Fig. 3 dargestellten Teil der Anordnung in
Draufsicht; Fig. 5 stellt einen Schnitt durch die die Tauchzylinder tragenden Einsatzstücke
dar; Fig. 6 ist die zu der Fig. 5 gehörende Draufsicht.
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In den Fig. 7 und 8 sind Atlsführllngsbeispiele für die Befestigung
der Seil- oder Federzüge an den Flüssigkeitsaufnahmebehältern und an den Tauchzylindern
dargestellt.
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Die von der Lichtquelle I (s. Fig. I) ausgehende Strahlung wird durch
die Blenden 2 und 3 begrenzt und trifft auf den Spiegel 4. Sie wird durch diesen
Spiegel um go" umgelenkt und von der Linse , bei ultraviolettem Licht beispielsweise
von einer Quarzlinse, parallel gerichtet. Aus diesem Parallellichtbündel wird durch
die Öffnung 6 eines Alittelsíückes 7 der Anordnung und durch die Öffnung 8 des Einsatzstückes
9 ein schwächeres Parallellichtbündel ausgeblendet. Das Einsatzstück 9 weist Bolzen
IO auf, die fest verbunden mit dem Einsatzstück g federnd gegen das Alittelstfiek
7 drücken und mit ihren Spitzen auf den Schltigflichen verschiebbarer Keile II sitzen.
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Das schwächere Strahlenbündel tritt durch das beispielsweise hohlzylindrische
oder U-förmige Endmaß 12 und durch den Tauchzylinder I3 und dessen planen Aleschlußhoden
IA in die im Flüssigkeitsaufnahmegef.iß I5 betindliche Flüssigkeit ein. Das Gefäß
I5 sitzt mit seiner planen Bodenfläche I6 auf der planen Berandunbsfläche der Öffnung
17 in der Grundplatte I8. Diese ist auf den Spitzen der Justierschrauhen 19 gelagert,
die in ein Zwischenstück 20 der Anordnung eingeschraubt sind. Das Zwischenstück
20 weist eine Blende 21 für den Durchtritt der Strahlung auf. I)ie Strahlung trifft
auf den Spiegel 22 und wird von diesem über einen hier nicht gezeichneten Hüfnerschen
Rhombus der Beobachtungsvorrichtung oder einem Spektrographen zugeleitet. Die ganze
Anordnung ist in einem stabilen Gehäuse 23, in welches die einzelnen Hauptteile
zweckmäßigerweise mittels feingängiger Gewinde eingeschraubt und so schon annähernd
parallel zueinander ausgerichtet werden können, untergebracht.
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Das Gehäuse weist gegebenenfalls einen Fuß 24 mit einer Nut 25 zum
Aufsetzen auf eine optische Bank auf. Durch die Eigenart des gewählten Schnittes
durch die Anordnung in der Fig. I ist nur ein Flüssigkeitsbehälter 15 und der dazugehörige
Tauchzylinder sichtbar.
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In der Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Anordnung gemäß der Erfindung
dargestellt, welcher gegenüber dem der Fig. I um 90 um die Längsache des Erfindungsgegenstandes
geschwenkt ist. In dieser Figur ist die Justiervorrichtung 26, die in der Fig. 1
nur schematisch angedeutet ist, im einzelnen sichtbar.
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Die Justiervorrichtung 26 besteht aus einem Fernrohr, dessen Okular
mit 27 und dessen Objektiv mit 28 bezeichnet sind; es wird durch einen Planspiegel
29 abgeschlossen. In seiner optischen Achse befinden sich ein Fadenkreuz, zwei halbdurchlässige
45*-Spiegel 30 und 3I, die durch Scharniere 32 und 33 in die gestrichelt gezeichneten
Lagen und somit aus dem die Flüssigkeitsschicht durchsetzenden Haupt strahlengang
einzeln herausgeklappt werden können.
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Ferner ist aus der Fig. 2 ersichtlich, daß gegen die Planfläche 34
eines jeden Einsatzstückes g je ein hohlzylindrisches Endmaß 12 gedrückt ist; gegen
seine untere Berandung drückt der ebenfalls eine Planfläche aufweisende Kopfteil
35 jedes Tauchzylinders.
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Das Andrücken des Tauchzylinders an das Endmaß und das des Endmaßes
gegen das Einsatzstück erfolgt durch den über die Rollen 36 geführten Seilzug 37,
der über eine Feder 38 in einem verschiebbar im Gehäuse 23 angeordneten Befestigungsstück
39 eingehängt ist. Die Flüssigkeitsaufnahmebehälter I5 weisen einen Wulst 40 auf,
auf dem, gegebenenfalls über einen besonderen Haltering, ein Ring 41 sitzt.
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Dieser Ring 41 hat Ösen 42, in die der Federzug 43 eingehängt ist.
Das andere Ende des Federzuges 43 ist in einer Öse 44 am Zwischenstück 20 befestigt.
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Durch diese Anordnung wird die plane Boden fläche I6 des Flüssigkeitsaufnahmegefäßes
Ig gegen die plane Berandungsfläche der Blendenöffnung 19 in der Grundplatte 18
gepreßt.
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In den Fig. 3 und 4 ist das'Zwischenstück 20 im Schnitt und in der
Draufsicht vergrößert gezeichnet.
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Die Grundplatten I8 sitzen auf den Spitzen je dreier Justierschrauben
17. Zur Befestigung der Grundplatten I8 in ihrer Lage dienen die Halteschrauben
45.
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Durch wechselseitiges Anziehen oder Lockern der Justierschrauben 17
und der zu ihnen gehörenden Halteschrauben 45 ist es möglich, die Planflächen der
Grundplatten I8 gegenüber der Waagrechten zu neigen. Gegenseitliche Verschiebungen
der Grundplatten dienen jeweils drei federnd gelagerte, in Nuten geführte Bolzen
46 in den Grundplatten.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen die Einsatzstücke g im Schnitt und in der
Draufsicht. Die Keile II, auf deren Schrägflächen die Spitzen der Bolzen IO sitzen;
können mittels der Schrauben 47 in ihrer Längsrichtung verschoben werden und ermöglichen
so eine Winkeländerung der Planflächen 34 in bezug auf die Waagrechte. Gegen seitliche
Verschiebungen der Einsatzstücke g können auch hier, ähnlich wie bei den Grundplatten
18, jeweils drei federnd gelagerte, in Nuten geführte Bolzen in den Einsatzstücken
wirken.
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Der Abschlußteil 48 des Mittelstückes 7 kann beispielsweise auch als
Einzelstück ausgebildet sein und zur Vermeidung eines übertragbaren Drehmomentes
in drei Punkten durch Rollen oder beweglich gelagerte Kugeln von dem in einem Bajonettverschluß
geführten, hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichneten Deckel annähernd
gleichmäßig gegen die Einsatzstücke g und damit diese gegen die Keile II gedrückt
werden.
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Die Fig. 7 zeigt die Haltevorrichtung für den Federzug am Flüssigkeitsaufnahmegefäß
in vergrößerter Darstellung. Auf dem Wulst 40 sitzt der Haltering 48' sowie der
aushängbare Ring 41 mit den Ösen 42 zum Einhängen der Federzüge.
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In der Fig. 8 ist der Kopfteil des Tauchzylinders vergrößert dargestellt.
Der Tauchzylinder ist hier beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet und erfordert
deshalb
einen konischen Oberteil, der in eine entsprechende Halterung 49 eingepaßt ist.
Auf dem planen Ringteil 50 sitzt das beispielsweise hohlzylindrische oder U-förmige
Endmaß auf. Die Ösen 5I, von denen in der Zeichnung nur eine sichtbar ist dienen
zum Einhängen des Seilzuges.
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Der besondere Vorteil gemäß der Erfindung besteht in der Verwendung
der Endmaße, womit indirekt die Länge der durchstrahlten Flüssigkeitssäule auf über
1/ion mm genau eingehalten werden kann. Dieser Vorteil ist vereint mit den bekannten
Vorziigen einer Tauchkörperanordnung, wie Platzersparnis und geringster Bedarf an
Analysenflüssigkeit. Dazu kommen der geringe Arbeitsaufwand zum Reinigen der Gefäße
und das außerordentlich geringe Bruchrisiko, da die Tauchkörper sowie die Flüssigkeitsaufnahmegefäße
als einzige Präzisionsteile nur wenige Planschlifte auü weisen.
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Durch die eingebaute Justiervorrichtung können die zwar planen Bodenflächen,
die im allgemeinen aber nur sehr schwierig völlig rechtwinklig an die Gefäße oder
Tauchzylinder angebracht werden können, jederzeit genau parallel zueinander eingestellt
werden.
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Sollte sich im Laufe der Zeit die Justierung des Gerätes, d. h. die
Paranelität der Abschlußflächen der Flüssigkeitssäule ändern und damit die Längenmessung
ungenau werden, so läßt sich dieser Fehler gemäß der vorliegenden Erfindung jederzeit
durch einfaches Einklappen der 4s°-Spiegel oder Prismen in den Hauptstrahlengang
feststellen und mit Hilfe der Justierschrauben und Keile leicht beheben. Die Ausführbarkeit
der Kontrolle und Nachjustierung auch während einer Meßreihe stellt einen besonderen
Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung dar.
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Um Messungen auch bei einer anderen Temperatur als der gerade herrschenden
Zimmertemperatur ausführen zu können, ist es bei der senkrechten Anordnung des Erfindungsgegenstandes
leicht möglich, die Flüssigkeitsaufnahmebehälter mit einem geeigneten Thermostaten
zu umgeben.
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PATENTANSPRI CHE 1. Anordnung zum meßbaren Vergleich der Strahlungsabsorption
mindestens zweier Flüssigkeitssäulen in je einem mit einer strahlungsdurchlässigen,
planen Bodenplatte versehenen senkrechten, hohlzylindrischen Gefäß, wobei die obere,
ebene Begrenzungsfläche jeder Flüssigkeitssäule durch die plane Bodenfläche je eines
in die Flüssigkeitsaufnahmebehälter hineinragenden, in seiner Längsrichtung verstellbaren,
strahlendurchlässigen Tauchzylinders gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Tauchzylinder mit ihrer oberen, planen und zur Bodenfläche wenigstens annähernd
parallelen Abschlußfläche über je ein auswechselbares, hohlzylindrisches oder U-förmiges
Endmaß gegen die plane Berandungsfläche der für den Strahlendurchlaß vorgesehenen
Bohrungen in je einem, in seiner Lage verstellbaren, sich im wesentlichen in einer
waggrechten Ebene erstreckenden Einsatzstück gepreßt werden.