Automatisches Warburg-Manometer zur volumenkonstanten Druckregistrierung an ein oder mehreren geschlossenen Systemen
Die Erfindung betrifft ein mit einer photoelektrischen Auslösevorrichtung versehenes automatisches Warburg-Manometer, welches bei Volumenkonstanz die durch vorzugsweise biochemische Gasreaktionen in Reaktionsgefässen hervorgerufenen Druckänderungen aufnimmt und in elektrische Werte umwandelt.
Es ist ein automatisches Warburg-Manometer bekannt. Bei diesem Warburg-Manometer ist der mit einem Reaktionsgefäss verbundene geschlossene Schenkel eines U-Rohres als Kapillare und der offene Schenkel dieses U-Rohres als weitlumiges Rohr ausgebildet. In Höhe des etwa in der Mitte des geschlossenen Schenkels befindlichen Nullpunktes ist eine photoelektrische Auslösevorrichtung angebracht. Der als Kapillare ausgebildete geschlossene Schenkel weist weiterhin eine in einer geschliffenen konischen Mündung auslaufende Abzweigung auf. Als Mündungsverschluss ist eine über einen Ring gespannte elastische Membrane angeordnet. Der die Membrane tragende Ring ist an einem der Kraft einer Feder ausgesetzten und einem Elektromagneten zugeordneten Hebel befestigt.
Im als weitlumiges Rohr ausgebildeten offenen Schenkel des U-Rohres befindet sich zentriert ein hebund senkbarer Verdrängerstab, der über ein geeignetes Getriebe mit einem Motor in Verbindung steht und mit einem Regelwiderstand gekoppelt ist. Der Motor ist über ein Transistorrelais an die photoelektrische Auslösevorrichtung angeschlossen. Der Regelwiderstand steht mit einer Anzeige- oder Registriereinrichtung in Verbindung.
Zur Temperaturkorrektur ist dem Manometer ein gleichartig aufgebautes Gasthermometer, dessen Regelwiderstand mit dem des Manometers in Reihe geschaltet ist, zugeordnet. Das einem Reaktionsgefäss entsprechende Gefäss des Gasthermometers arbeitet als temperatur- und luftdruckabhängiger Druckgeber. Die gleich dimensionierten Regelwiderstände des Gasthermometers und Warburg-Manometers wirken gegenläufig.
Dadurch werden Temperatur- und Luftdruckeinflüsse, die auf beide Instrumente gleichzeitig und gleichartig einwirken, ausgeschaltet.
Jedem der zur Warburg-Apparatur gehörigen Reaktionsgefässe ist ein Manometer sowie ein Gasthermometer zugeordnet. Die gesamte Anordnung arbeitet mit einer Programmsteuerung, so dass nur ein Nachstellrelais für die Reaktionsgefässe/Manometer einerseits und ein weiteres Nachstellrelais für die Gasthermometer anderseits erforderlich ist. Bei Inbetriebnahme einer solchen Anlage werden nach Einstellung des Nullpunktniveaus und des gewünschten Zeitintervalles die beiden Nach stellrelais auf das erste Instrumentenpaar (Manometer/ Gasthermometer) geschaltet.
Je nach Höhe des dem Druck im Reaktions- bzw. Gasthermometergefäss entsprechenden Flüssigkeitsstandes im geschlossenen Schenkel des U-Rohres verändert sich über die den Motor betätigenden Nachstellrelais die Stellung des Verdrängerstabes im weitlumig aurgebildeten offenen Schenkel des U-Rohres. Der sich dabei über die Regelwiderstände ergebende Gesamtwiderstand wird über die Brückenschaltung des nach dem Kompensationsprinzip arbeitenden Punktschreibers als gefundener Wert registriert.
Gleichzeitig damit wird zum Nullabgleich der Mündungsverschluss am geschlossenen Schenkel gelöst, und beide Instrumente (Manometer/Gasthermometer) werden für kurze Zeit geöffnet. In dieser Zeit erfolgt die Rückführung der Systeme in die Ausgangslage. Danach werden beide Instrumente geschlossen und die Nachstellrelais auf das nächste Instrumentenpaar geschaltet.
Das beschriebene Warburg-Manometer weist den Mangel auf, dass grosse Teile des Manometers nicht auf konstante Temperatur einstellbar sind. Hinzu kommt, dass der offene Schenkel des U-Rohres in jedem Fall mit der Aussenatmosphäre kommuniziert, wodurch kurze Luftdruckschwankungen als Fehler im Messergebnis in Erscheinung treten. Auch der Nullabgleich gegen die nicht auf konstante Temperatur einstellbare Aussenatmosphäre führt zu Schwankungen im Messsystem. Der Nullabgleichmechanismus hinterlässt nach Schluss inkon stante Druckdifferenzen. Der Nullabgleich gegen eingestellte Gasgemische oder reine Gase ist nicht möglich, wodurch sich die Gasspannungen im Reaktionsgefäss von aussen nicht beeinflussen lassen. Diese Nachteile bewirken, dass die Messergebnisse nicht in jedem Fall qualitativ hochwertig genug sind.
Des weitern unterliegen die Manometer einer Apparaturbestückung unterschiedlicher Nullpunktsdrift. Hinzu kommt, dass der Aufwand an Mess- und Regeleinrichtungen - für jedes Reaktionsgefäss ist je ein Manometer und ein Gasthermometer erforderlich - relativ hoch ist. Daraus ergibt sich ein relativ grosser Raumbedarf, und die Anordnung wird unübersichtlich.
Es ist Zweck der Erfindung, die vorzugsweise durch biochemische Reaktionen in geschlossenen Systemen hervorgerufenen Druckänderungen pro variierbarer Zeiteinheit in mehreren Reaktionsgefässen bei hoher Stabilität der Gaszusammensetzung in jedem einzelnen Reaktionsgefäss, bei sehr hoher Volumenkonstanz der Druckmessung und hoher Variierbarkeit der Empfindlichkeit als Druck- oder selbsttätig umgewandelte Volumenwerte mit oder ohne thermobarometrische Korrektur bzw. selbsttätige Kompensation unter sehr geringem Aufwand an Mess- und Regeleinrichtungen automatisch zu registrieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein automatisches Warburg-Manometer zu schaffen, das eine wahlweise oder programmiert aufeinanderfolgende Zuund Abschaltung mehrerer Reaktionsgefässe zu einem einzigen Manometer und einen automatischen Druckausgleich gegen eine auf konstante Temperatur einstellbare Gasatmosphäre, die als abgeschlossene Atmosphäre zur selbsttätigen thermobarometrischen Kompensation dienen kann gestattet.
Erfindungsgemäss ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen dem geschlossenen Schenkel des U-Rohres eines Manometers und n Reaktionsgefässen ein Mehrweg-Planscheiben-Hahn angeordnet ist, wobei der Mehrweg-Planscheiben-Hahn den oberen Abschluss eines in einem auf konstante Temperatur einstellbaren Bad gelegenen Gasreservoirs, das die photo elektrische Auslösevorrichtung und Teile des Manometers enthält, bildet.
Der Mehrweg-Planscheiben-Hahn kann aus einem feststehenden Teil und einem drehbaren Teil kreisrunder Grundfläche bestehen, wobei der feststehende Teil einen mit dem geschlossenen Schenkel des U-Rohres verbundenen Bohrkanal sowie bei n Reaktionsgefässen auf zum Drehmittelpunkt konzentrischen Kreisen mit unterschiedlichen Radien 2n Bohrungen in kongruenter Winkeleinteilung aufweisen kann und dabei die äusseren n Bohrungen über Verbindungsstücke mit den Reaktionsgefässen, die inneren n Bohrungen mit dem Gasre reservoir in Verbindung stehen sowie der drehbare Teil an der dichtenden Fläche mit einer abgewinkelten Nut, die über den Bohrkanal des feststehenden Teiles mit dem geschlossenen Schenkel des U-Rohres in ständiger Verbindung steht, versehen ist.
Die abgewinkelte Nut des drehbaren Teiles kommuniziert vorteilhafterweise mit einer konzentrisch zum Drehmittelpunkt angeordneten Ringnut, die in ständiger Verbindung mit dem Bohrkanal des feststehenden Teiles zum geschlossenen Schenkel des U-Rohres steht.
Bei Messung an grösseren Objekten stellt vorteilhafterweise eines von mehreren in der Anlage befindlichen Reaktionsgefässen ein Leerwertgefäss dar.
Bei hochempfindlichen Messungen ist vorteilhafterweise das gesamte Manometer im Gasreservoir angeordnet, wobei das Gasreservoir ein Kompensationsgefäss bildet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein automatisches Warburg-Manometer im Längsschnitt,
Fig. 2 eine Aufsicht des feststehenden und drehbaren Teiles des Mehrweg-Planscheiben-Hahnes in Blickrichtung dichtender Fläche beider Teile des Manometers nach Fig. 1,
Fig. 3 eine weitere Ausführung analog Fig. 2,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein automatisches Warburg-Manometer, bei Ausbildung des Gasreservoirs als Kompensationsgefäss.
In Fig. 1 und 4 ist ein Warburg-Manometer im Längsschnitt dargestellt. In einem Thermostatenbad mit dem Flüssigkeitsspiegel 20 ist ein wasser- bzw. druckdichtes Gasreservoir 18 angeordnet, dessen oberen Abschluss ein Mehrweg-Planscheiben-Hahn 24 bildet. Der Mehrweg-Planscheiben-Hahn 24 befindet sich zwischen dem als Kapillare 1 ausgebildeten geschlossenen Schenkel eines U-Rohres und einer kreisförmig um den geschlossenen Schenkel gruppierten Batterie mehrerer Reaktionsgefässe 16. Er besteht aus einem feststehenden Teil 12 und einem drehbaren Teil 13. Die Anordnung geht davon aus, dass zwei einander zugekehrte plangeschliffene und hochglänzend polierte Flächen nach kurzem Andruck ein dichtendes Haftvermögen entwickeln, welches durch einen Flüssigkeitsfilm (Silikonöl o. a.) verbessert wird.
Der feststehende Teil 12 ist mittels einer trennbaren, aber starren Verbindung 11, beispielsweise in Form eines Schliffkernes und einer konischen Schliffhülse ausgeführt, mit dem als Kapillare 1 ausgebildeten geschlossenen Schenkel des U-Rohres verbunden. Über diese Verbindung führt gemäss Fig. 1 ein als durchgehende Zentralbohrung ausgeführter Bohrkanal 25 zum geschlossenen Schenkel des U-Rohres. Gemäss Fig. 4 kann dieser Bohrkanal 25 ausserhalb des Drehmittelpunktes liegen und in einer Ringnut 26 münden, die sich konzentrisch um den Drehmittelpunkt an der dichtenden Fläche des drehbaren Teiles 13 befindet.
Der feststehende Teil 12 weist weiterhin auf zum Drehmittelpunkt konzentrischen Kreisen unterschiedlicher Radien und in kongruenter Winkeleinteilung der Reaktionsgefässanzahl entsprechende äussere Bohrungen 28 und innere Bohrungen 29 auf.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine beispielsweise Ausführung für sechs Reaktionsgefässe 16. Die äusseren Bohrungen 28 sind über als Verbindungsstücke ausgeführte Kapillarrohrwinkel 17 mit den Reaktionsgefässen 16 verbunden. Die Anflanschung der Kapillarrohrwinkel 17 an das Hahngehäuse 31 erfolgt beispielsweise durch dreh- und arretierbare Kugelschliffe. Die inneren Bohrungen 29 des feststehenden Teiles 12 führen zu einem auf konstante Temperatur einstellbaren Gasreservoir 18.
Das Gasreservoir 18 wird gegebenenfalls kontinuierlich durch die Schlauchleitung 19 mit reinem Sauerstoff oder anderen Gasen beschickt. Der Bohrkanal 25 des feststehenden Teiles 12 verbindet gemäss Fig. 1 als Zentralbohrung über einen im Lagerzapfen des drehbaren Teiles 13 beginnenden weiteren Bohrkanal oder gemäss Fig. 4 als seitliche Bohrung über die Ringnut 26 den als Kapillare 1 ausgebildeten geschlossenen Schenkel des U-Rohres mit einer in der Dichtungsfläche des drehbaren Teiles 13 angebrachten abgewinkelten Nut 30.
Als Antrieb für den drehbaren Teil 13 des Mehrweg Planscheiben-Hahnes 24 ist ein Synchronmotor 14 vor gesehen, der gleichzeitig mit einer an sich bekannten Programmsteuerung 15 in Verbindung steht. Das im Gasreservoir 18 befindliche, aus dem als Kapillare 1 ausgebildeten geschlossenen Schenkel und dem als weitlumiges Rohr 2 ausgebildeten offenen Schenkel bestehende U-Rohr ist am Knie mit einem im Volumen veränderlichen Vorratsgefäss 3 versehen, das beispielsweise aus flexiblem Material besteht und mittels Stellschrauben 4 verändert werden kann, um die Sperrflüssigkeit auf ein entsprechendes Niveau einzustellen.
Am Nullpunkt des geschlossenen Schenkels ist eine photoelektrische Auslösevorrichtung 5 angeordnet.
Die Auslösevorrichtung 5 steht über einen bekannten elektronischen Verstärker mit einem als Umkehrmotor ausgebildeten Stellmotor 6 in Verbindung.
Im als weitlumiges Rohr 2 ausgebildeten offenen Schenkel des U-Rohres ist ein Verdrängerstab 9 zentriert, der über beispielsweise einen Seilzug 7 mit einer geführten Verdrängerstabhalterung 8 für verschieden starke und auswechselbare Verdrängerstäbe 9 mit dem Stellmotor 6 in Verbindung steht. Der Verdrängerstab 9 ist durch den Stellmotor 6 über bel-annte Getriebeelemente heb- und senkbar. Durch verschieden tiefes Eintauchen des Verdrängerstabes 9 wird mehr oder weniger Sperrflüssigkeit verdrängt. Damit verändert sich der hydrostatische Druck im geschlossenen Schenkel und als Folge die Höhe der Sperrflüssigkeit so lange, bis sie die ursprünglich eingestellte Nullpunktlage erreicht hat.
Da dieser kompensierende Verdrängerstabhub (dh) bei einer Druckänderung (dP) bei wiedereingestellter Sperrflüssigkeits-Sollwerthöhe im geschlossenen Schenkel sich aus der Beziehung Ah z zlh = (r20 - r-V z P, AP wobei rvs Radius des Verdrängerstabes, res Radius des offenen Schenkels und AP Druckänderungen in mm Sperrflüssigkeit bedeuten, zu
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ergibt, lässt sich die hydromechanische Empfindlichkeit des Warburg-Manometers durch mehrere in ihrem Durchmesser unterschiedliche und auswechselbare Verdrängerstäbe 9 variieren.
Die Verdrängerstabhalterung 8 ist mit einem Regelwiderstand 10 gekuppelt, dessen veränderliche Widerstandswerte ein Mass für die Druckänderungen in den Reaktionsgefässen 16 darstellen. Die Anordnung ist so getroffen, dass zwischen Verdrängerstabbewegung und Registrierung eine linearproportionale Beziehung besteht. Der Regelwiderstand 10 liegt in einer an sich bekannten Messbrücke, die die Einspeisung entsprechender Faktoren zur Umwandlung der Druckwerte in Volumenwerte erlaubt. Am Messbrückenausgang ist ein nach dem Kompensationsprinzip arbeitender Punktschreiber angeschaltet.
Von den in der Anlage befindlichen Reaktionsgefässen 16 ist bei Messung an grösseren Objekten gegebenenfalls eines als Leerwertgefäss ausgebildet. Bei hochempfindlichen Messungen ist, wie in der Fig. 4 dargestellt, das gesamte Warburg-Manometer im Gasreservoir 18 angeordnet, welches durch Verschliessen der Ventile 33 ein Kompensationsgefäss bildet.
Bei Inbetriebnahme des automatischen Warburg Manometers nach erfolgter Versuchsvorbereitung schaltet die im drehbaren Teil 13 des Mehrweg-Planscheiben- Hahnes 24 vorhandene abgewinkelte Nut 30 jeweils ein Reaktionsgefäss 16, wie in Fig. 3 gestrichelt dargestellt, zum als Kapillare 1 ausgebildeten geschlossenen Schenkel des U-Rohres. Dem Druck im Reaktionsgefäss 16 entsprechend ändert sich der Flüssigkeitsstand im geschlossenen Schenkel. Je nach Richtung und Intensität der Sperrflüssigkeitsabweichung aus der Nullage wird die in der Wechselstrombrücke der elektrischen Auslösevorrichtung 5 vorhandene Phasenlage und Grösse der Ausgangsspannung verändert und die phasenempfindliche Steuerwicklung des als Umkehrmotor ausgebildeten Stellmotors 6 entsprechend gesteuert. Der Stellmotor 6 hebt oder senkt über den Seilzug 7 den Verdrängerstab 9.
Entsprechend seiner Eintauchtiefe verdrängt der Verdrängerstab 9 mehr oder weniger Sperrflüssigkeit, woduch sich gleichzeitig der hydrostatische Druck im geschlossenen Schenkel und damit die Höhe der Sperrflüssigkeit so lange ändert, bis der Sperrflüssigkeitsmeniskus das ursprünglich eingestellte Nullpunktniveau erreicht hat und über die photoelektrische Auslösevorrichtung 5 den Stellmotor 6 stillsetzt.
Nach der Messwertabtastung öffnet die abgewinkelte Nut 30 des drehbaren Teiles 13, wie in Fig. 3 punktiert dargestellt, geschlossenen Schenkel 1 und Reaktionsgefäss 16 zum Gasreservoir oder Kompensationsgefäss 18.
Nach Druckausgleich werden geschlossener Schenkel 1 und Reaktionsgefäss 16 durch Drehen des drehbaren Teiles 13 getrennt und nach entsprechender Winkeldrehung das nächste Reaktionsgefäss 16 mit dem geschlossenen Schenkel 1 verbunden. So erfolgt die sukzessive Abtastung der Druckänderungen in allen Reaktionsgefässen 16.
Der den drehbaren Teil 13 antreibende Synchronmotor 14 betätigt synchron zur Hahnstellung eine an sich bekannte Programmsteuerung 15. Diese Programmsteuerung betätigt neben einer elektrisch erfolgenden Hahnstellungsanzeige und einem elektrischen Zeitverzögerungsglied zur zeitweiligen Abschaltung des Hahnantriebes die Punktdruckung im Kompensationsbandschreiber und speist verschiedene Faktoren für jedes Reaktionsgefäss 16 in die Messbrücke ein. Ist eine automatische thermobarometrische Korrektur erforderlich, so wird der vom Leerwertgefäss gefundene elektrische Wert dazu herangezogen, dem Schreiber entsprechend der Grösse dieses Wertes ein neues Nullpunktniveau zu erteilen, wodurch in der zugeordneten Messperiode eine thermobarometrische Korrektur aller übrigen Reaktionsgefässe in der Registrierung erfolgt.
Im einfachsten Fall wird die Leerwertdruckschwankung eines mitgeführten Leergefässes als solche oder als Volumenwert registriert und diese Registrierung als Basis für die spätere Auswertung benutzt.
Bei hochempfindlichen Messungen wird das Gasreservoir 18 durch Verschliessen der Ventile 33 als Kompensationsgefäss verwendet, wodurch eine selbsttätige thermobarometrische Kompensation erfolgt. Das gilt insbesondere für fortlaufende Messungen an nur einem Reaktionsgefäss 16, das aus der Batterie mehrerer Reaktionsgefässe beliebig gewählt werden kann.
Das beschriebene Warburg-Manometer ermöglicht es, qualitativ hochwertige Messergebnisse zu erzielen.
Das registrierte Ergebnis enthält entweder nur die Druck- oder Volumenänderung pro Zeiteinheit, oder es erfolgt bei Einzelgefässmessung momentane Druck- oder Volumenregistrierung. Die erläuterte Anordnung ermöglicht weitgehendste Thermostatierung der Manometer Teile bzw. vorhandenen Gasräume, Die Güte des registrierten Ergebnisses wird durch die hohe Stabilität der Gaszusammensetzung in jedem einzelnen Reaktionsgefäss erhöht. Das ist insbesondere für biochemische Gasreaktionen wesentlich, da Änderungen der Gaszusammensetzung rückwirkend die Reaktion eines biologischen Objektes beeinflussen.
Bei dieser Anordnung ist es möglich, den offenen Schenkel des U-Rohr-Manometers mit einer thermostatierten Gasatmosphäre kommunizieren zu lassen und den Nullabgleich in jedem Fall gegen eine thermostatierte Atmosphäre - gegebebenenfalls gegen reinen Sauerstoff oder ein anderes Gas - vorzunehmen. Durch Zuschaltung einer beliebigen Anzahl von im System vorhandenen Reaktionsgefässen auf ein gemeinsames Manometer wird der Aufwand an Mess- und Regeleinrichtungen auf ein Minimum eingeschränkt. Alle in einer Anlage befindlichen Reaktionsgefässe und gegebenenfalls ein Leerwertgefäss unterliegen der gleichen Nullpunktdrift.
Der für das erläuterte Warburg-Manometer erforderliche Materialaufwand ist relativ gering. Es ist eine raumsparende Kompaktbauweise, insbesondere dadurch, dass auch der seitlich der säulenförmig angeordneten Apparatur angreifende Schüttelmechanismus in diese Bauweise einbezogen wird, bei guter Ubersichtlichkeit der Anlage und einfacher Bedienungsweise möglich.
Dieses Warburg-Manometer ermöglicht eine selbsttätige thermobarometrische Kompensation.