DE1673136A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von stroemenden Fluessigkeitsproben - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von stroemenden Fluessigkeitsproben

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DE1673136A1
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Description

Poienicmwälte
Di.-Ing. Wilhelm Reiche! Dipl-Ing. Wolfgang Rsichel
6 Frankiiui a. hl. I
Parksiraße 13
P 16 73 136.5-42 H. Aug. 1970
Iechnicon Instruments Corp. Re/mm - 5042
Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von strömenden Flussigkeitsproben
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemischen Analyse von kontinuierlich strömenden Flüssigkeitsproben und insbesondere auf eine eine Durchflußzelle und ein Aufzeichnungsgerät enthaltende Vorrichtung zum Analysieren vieler Probenschübe, die in einem kontinuierlichen Strom in Rohrleitungen weitergeleitet werden und durch Gaseinschlüsse getrennt sind.
Bei der automatischen Anaylse von Flüssigkeiten wird gemäß der US-Patentschrift 2 979 149 ein Flüssigkeitstrom, der abwechselnd aus den Schüben einer oder mehrerer flüssiger Proben und dazwischenliegenden Gaseinschlussen sowie aus die einzelnen Proben trennenden Gaseinschlüssen besteht, mit einem kontinuierlichen Stmm geeigneter Reagenzien versetzt oder sonst igendwie vorbehandelt. Schließlich wird in der Probe eine Farbreaktion hervorgerufen, deren obptische Dichte bei einer gegebenen Wellenlänge von der Konzentration eines Bestandteils in der ursprünglichen Probe abhängt, Die gefärbten, in einem kontinuierlichen Strom weitergeleiteten Proben werden durch eine Durchflußzelle geleitet, die von einem Lichtstrahl
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bekannter Wellenlänge und Intensität durchsetzt ist. Die Änderungen im Lichtstrahl werden von einem Detektor gemessen und aufgezeichnet, um eine sichtbare Messung der Konzentration des betrachteten Bestandteils in der Probe zu erhalten. Die Gaseinschlüsse dienen zum Reinigen der Innenwände der Rohrleitungen der gesamten Vorrichtung, so daß Verschmutzungen zwischen aufeinanderfolgenden Proben weitestgehend vermieden werden.
Die Aufzeichnung wird normalerweise mit einem Schreiber vorgenommen, dessen Schreibstift gemäß einem vom Detektor erzeugten Signal aus gelenkt wird. Wenn ein Gaseinschluß den zur Messung verwendeten Lichtstrahl durchläuft, dann nimmt die vom Detektor gemessene Lichtdurchlässigkeit scharf ab, wodurch ein unerwünscht heftiger Ausschlag des Schreibstiftes verursacht wird.
In der deutschen Patentanmeldung T 28 628 IXb/421 ist vorgeschlagen worden, das vom Detektor dem Auszeichnungsgerät zugeführte Signal durch eine Kopplung mit der Probenzuführeinrichtung mechanisch zu sperren, wenn kein Probenschub durch die Durchflußzelle strömt. Eine solche Maßnahme macht jedoch eine sorgfältige Einstellung der Phasenlage der Probenzuführvorrichtung bezüglich der Durchflußzelle und einen Sicherheitsspielraum bezüglich den Gas-Flüssigkeit-Grenzfläehen erforderlich, wenn eine genaue zeitliche Trennung hervorgerufen werden soll. Dieses Verfahren ist wegen der kleineren Gaseinschlüsse, die die Probenschübe einer gleichen Probe voneinander trennen, nicht besonders zweckmäßig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anhalten der Auslenkungsbewegung des Schreibstiftes zu Beginn des Durchlaufs eines Gaseinschlusses durch einen die Durcfrflußzelle durchsetzenden Lichtstrahl und zum Freigeben der Auslenkungsbewegung des Schreibstiftes nach Austritt des Lufteinschlusses aus dem Bereich des Lichtstrahls zu schaffen.
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Me Erfindung geht dazu von einem Verfahren zum Analysieren von flüssigen Proben aus, bei dem ein aus Proben bestehender Flüssigkeitsstrom zur Analyse vorbereitet, in abwechselnd Probenschübe und Gaseinschlüsse unterteilt und in dieser Form durch eine Durchflußzelle geleitet wird, die von einem zum Messen der Lichtdurchlässigkeit der Proben verwendeten Lichtstrahl durchsetzt ist, auf den ein lichtempfindliches Element unter Steuerung der Auslenkbewegung des Schreibstiftes eines Schreibers anspricht.
Die Erfindung besteht darin, daß man auf optisch-elektrischem Wege den Beginn des Durchlaufs eines Gaseinschlusses durch den Lichtstrahl feststellt und beim Beginn dieses Durchlaufs die Auslenkbewegung des Schreibstiftes anhält und daß man diesen Zustand so lange beibehält, bis man auf dem gleichen Wege den Austritt des Gaseinschlusses aus dem Bereich des Lichtstrahls mißt.
Bei einer Vorrichtung zur automatischen und fortlaufenden Analyse von flüssigen Stoffen, die eine Durchflußzelle, durch die ein abwechselnd aus Probenschu'ren und Gaseinschlüssen bestehender Strom geleitet wird, ferner eine Lichtquelle, von der ein in der Meßachse durch die Durchflußzelle tretender Lichtstrahl erzeugt wird, der auf ein lichtempfindliches Element trifft, mit dem seine Intensität gemessen und von der Intensität abhängige Signale erzeugt werden, und eine mit dem lichtempfindlichen Element verbundene Einrichtung zum Auslenken des Schreibstiftes eines Schreibers in Abhängigkeit von diesen Signalen enthält, ist erfindungsgemäß eine optisch-elektrische Einrichtung vorgesehen, mit der der Beginn des Durchlaufs eines Gaseinschlusses durch die Meßachse gemessen und ein elektrisches Signal erzeugt wird, und diese Einrichtung ist mit dem Auslenkmechanismus für den Schreibstift verbunden, dessen Bewegung beim Erscheinen eines solchen Signals verhindert ist, bis von der optisch-elektrischen Einrichtung ein Signal abgegeben wird, das das Ende des Durchlaufs des Gaseinschlusses durch die Meßachse anzeigt.
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Die Erfindung wird nun auch an Hand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden. ■ .
Die Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Pig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Ausführungsbeispiels nach der Pig. 1.
Die Pig. 3 zeigt einen weiteren Schnitt durch das Ausführungsbeispiel nach der Pig. 1.
Die Pig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels nach der Pig. 1.
Die Pig. 5 ist ein Schaltkreis nach der Erfindung zum Anhalten der Auslenkbewegung des Schreibstiftes eines Schreibers in dem Ausführungsbeispiel nach der Pig. 1.
Die Pig. 6 zeigt Meßergebnisse, die mit der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten werden.
Nach den Pig. 1 und 2 strömt durch eine vertikal angeordnete, zylindrische Durchflußzelle 10 ein abwechselnd aus Plüssigkeitsschüben 12 und Gaseinschlussen 14 bestehender Strom nach oben. Ein solcher Flüssigkeitsstrom entsteht bei Verwendung eines Probenzuführgerätes, das beispielsweise aus den US-Patenten 3 038 340 bekannt und mit einer Schlauchq.uetschpumpe nach der US-Patentschrift 2 935 028 gekoppelt ist.
Auf der einen Seite der Durchflußzelle 10 sind eine Lichtquelle
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BAD ORIGINAL
16 und ein zwischen der Lichtquelle und der Durchflußzelle angeordnetes Linsensystem vorgesehen, mit dem von'der Lichtquelle ausgesendetes Licht in der Durchflußzelle fokussiert wird. Die Durchflußzelle ist mit einer Lichtabschirmung 20 umgeben, die an drei Stellen Durchgänge 22, 24 und 26 aufweist. Durch einen großen Durchgang 22 tritt das vom Linsensystem kommende Licht in die Durchflußzelle ein und durch einen kleinen Durchgang 24 wieder aus. Am kleinen Durchgang 24 ist mit der Durchflußzelle ein lichtundurchlässiger Lichtkanal 25 verbunden, der am freien linde mit einem Inteferenzfilter 28 abgedeckt ist. Das aus der Durchflußzelle kommende Licht trifft durch den Lichtkanal und den Filter auf ein lichtempfindliches Element 30. Das vom lichtempfindlichen Element 30 erzeugte Ausgangssignal wird einem Schreiber 32 mit einem Schreibstift zugeführt, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 3 031 917 beschrieben ist. Die Achse des dritten Durchgangs 26, der an einer Stelle dicht oberhalb der beiden anderen Durchgänge vorgesehen ist, steht senkrecht auf den Achsen der Durchgänge 22 und 24. Ein lichtempfindliches Hilfselement 33 ist über einen lichtundurchlässigen Lichtkanal 31 an den Durchgang 26 angeschlossen und nimmt das aus dem Durchgang 26 austretende Licht auf.
Wenn flüssige Proben durch die Durchflußzelle 10 strömen und ein Proberischub die zwischen dem Linsensystem 18 und dem lichtempfindlichen Element 30 verlaufende Meßachse durchläuft, dann wird das vom Linsensystem kommende Licht bis auf einen geringen, vom Probenschub absorbierten Teil und einem vom Flüssigkeitsschub und den Wänden der Durchflußzelle eingefangenen Teil vom lichtempfindlichen Element 30 aufgenommen. Wenn der vordere rleniskus eines nach oben strömenden Gaseinschlusses beginnt, den Lichtstrahl zu durchlaufen, dann wird von diesem, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist, ein größerer Teil des Lichtstrahls unter einem großen Winkel nach oben reflektiert. Der Reflektionswinkel ist 3o groß, daß ein beträchtlicher Teil des Lichtes auf die Wand der Durchflußzelle fällt und von dieser eingefangen wird, d.h. die aus einem Glasrohr bestehende Durchfluß-
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zelle scheint erleuchtet. Die gleiche Erscheinung beobachtet san, wenn der hintere Meniskus eines Gaseinschlusses den Lichtstrahl durchläuft. Nach dem Durchlaufen des vorderen Meniskus und vor dem Durchlaufen des hinteren Meniskus durch die Meßachse wird mehr Licht auf die Wände der Durchflußzelle geworfen, als wenn ein Flüssigkeitsschub durch die Meßachse tritt.
Auf diese Weise wird beim Durchlauf eines Gaseinschlusses durch die Durchflußzelle von den Wänden der Durchflußzelle mehr Licht durch den Durchgang 26 auf das lichtempfindliche Hilfselement 33 reflektiert, als wenn ein Probenschub die Meßachse durchläuft. Das lichtempfindliche Hilfselement 33 ist mit einem Relais 34 gekoppelt, das die Auslenkbewegung des Schreibstiftes de3 Schreibers 32 verhindert oder freigibt, je nachdem, ob ein Gaseinschluß die Meßachse durchläuft oder nicht.
Las lichtelektrische Hilfselement ist vorzugsweise in oder nahe der querliegenden Ebene angeordnet, die die Meßachse enthält, doch liegt es mit seiner lichtempfindlichen Seite nicht in Richtung· der Meßachse, damit es maximale Intensität von dem von der Viand der Durchflußzelle reflektierten Licht erhält. Wenn das Hilfselement nicht in dieser Ebene liegt sondern, wie es in den Figuren gezeigt ist, von dieser Ebene ein kleines Stück in Richtung der Längsachse der Durchflußzelle beabstandet ist, dann sollte dieses Stück vorzugsweise kleiner als die Länge des kürzesten Probenschubes sein, der gemessen wird, damit Störungen durch die Gaseinschlüsse vermieden werden. Wie oben erwähnt ist, ist nämlich in einem Flüssigkeitsschub immer etwas Licht eingefangen und jeder Gaseinschluß reflektiert einen Teil dieses Lichtes in die benachbarte Wand der Durchflußzelle, so daß ein lokalisierter Bereich mit höherer Lichtintensität entsteht, als der Intensität des Lichts in der Umgebung entspricht, welcher das lichtempfindliche Hilfselement zum Erregen des Relais veranlassen kann, wenn er an der Stelle liegt, auf die das Hilfselement ausgerichtet ist. In einem solchen Fall würde das Relais sowohl auf einen die Meßachse durchlaufenden, als auch auf einen
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zelle scheint erleuchtet. Die gleiche Erscheinung beobachtet ^aη, wenn der hintere Meniskus eines Gaseinschlusses den Lichtstrahl durchläuft. Nach dem Durchlaufen des vorderen Meniskus und vor dem Durchlaufen des hinteren Meniskus durch die Heßachse wird mehr Licht auf die Wände der Durchflußzelle gev/orfon, als wenn ein Flüssigkeitsschub durch die Meßachse tritt.
Auf diese Weise wird beim Durchlauf eines Gaseinschlusses durch die Durchflußzelle von den Wänden der Durchflußzelle mehr Licht durch den Durchgang 26 auf das lichtempfindliche Hilfselement 33 reflektiert, als wenn ein Probenschub die Meßachse durchläuft. Das lichtempfindliche Hilfselement 33 ist mit einem Heiais 34 gekoppelt, das die Auslenkbewegung des Schreibstiftes des Schreibers 32 verhindert oder freigibt, je nachdem, ob ein Gaseinschluß die Meßachse durchläuft oder nicht.
Das lichtelektrische Hilfselement ist vorzugsweise in oder nahe der querliegenden Ebene angeordnet, die die Meßachse enthält, doch liegt es mit seiner lichtempfindlichen Seite nicht in Richtung der Meßachse, damit es maximale Intensität von dem von der Wand der Durchflußzelle reflektierten Licht erhält. Wenn das Hilfselement nicht in dieser Ebene liegt sondern, wie es in den Figuren gezeigt ist, von dieser Ebene ein kleines Stück in Richtung der Längsachse der Durchflußzelle beabstandet ist, dann sollte dieses Stück vorzugsweise kleiner als die Länge des kürzesten Probenschubes sein, der gemessen wird, damit Störungen durch die Gaseinschlüsse vermieden werden. V/ie oben erwähnt ist, ist nämlich in einem Flussigkeitsschub immer etwas Licht eingefangen und jeder Gaseinschluß reflektiert einen Teil dieses Lichtes in die benachbarte Wand der Durchflußzelle, so daß ein lokalisierter Bereich mit höherer Lichtintensität entsteht, als der Intensität des Lichts -in der Umgebung entspricht, welcher das lichtempfindliche Hilfselement zum Erregen des Relais veranlassen kann, wenn er an der Stelle liegt, auf die das Hilfselement ausgerichtet ist. In einem solchen Fall würde das Relais sowohl auf einen die Meßachse durchlaufenden, als auch auf einen
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benachbarten Gaseinschluß ansprechen. Dadurch würde die Messung der Probenschübe beschränkt, wenn die Gaseinschlüsse außer Phase sein würden.
Gemäß der Pig. 5 ist das lichtempfindliche Hilfselement 33 beispielsweise ein lichtempfindlicher Widerstand, dessen Widerstand von 25 bis 500 k^fL beim Vorhandensein eines Probenschubes in der Meßachse auf weniger als 100 k -Λ. abnimmt, wenn der vordere Meniskus eines Gaseinschlusses den Lichtstrahl durchläuft. Mit dem lichtelektrischen Hilfselement 33 sind eine Spannungsquelle, z.B. eine Batterie 40, ein Schalter 41, ein Festwiderstand 42 und ein Potentiometer 44 verbunden, die alle in Serie liegen. Der eine Anschluß des Hilfselementes 33 liegt dabei am verstellbaren Mittelabgriff 45 des Potentiometers 44, während der andere Anschluß des Hilfselementes direkt an der Steuerelektrode G und über einen Kondensator 47 an der Katode C eines Thyristors 46 bzw. an dem einen Pol der Spannungsquelle liegt. Zwischen der Katode und der Anode A des Thyristors 46 liegen in Serie die Wicklung 48 des Relais 34, ein Widerstand 50, ein Gleichrichter 52, die Sekundärwicklung 54 eines Transformators 56, und der Wicklung 48 ist eine Kapazität 57 parallel geschaltet. Die Primärwicklung 58 des Transformators 56 ist mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle 60 verbunden. Der normalerweise geschlossene Kontakt 62 des Relais liegt in Serie mit der einen Seite einer Bezugswicklung 64 eines Zweiphasenmotörs 66. Parallel zum Kontakt 62 liegt ein Schaltelement 65 zum Unterdrücken von Funken. Der Zweiphasenmotor 66 lenkt den Schreibstift 68 des Schreibers 32 an Abhängigkeit von den vom lichtempfindlichen Element 30 kommenden und in einem Verstärker 70 verstärkten Signalen aus, wie es aus dem US-Patent 3 031 917 bekannt ist. Das Schreiberpapier 72 des Schreibers wird mit einem nicht gezeigten Vorschubmechanismus fortlaufend vorgeschoben. Bei geschlossenem Kontakt 62 leuchtet eine Neonlampe 73 auf. Wenn die Meßachse von einem Probenschub durchlaufen wird, dann wird dem Hilfselement 33 über die V/and der Durchflußzelle nur wenig Licht zugeführt, so daß sein Widerstand hoch ist und der Thyristor
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BAD
4d das Relais nicht erregt. Der Kontakt 62 ist daher geschlossen und das vom lichtempfindlichen Element 30 kommende Signal wird dem Zweiphasenmotor 66 zugeführt, der den Schreibstift in Abhängigkeit von den vom Element 30 kommenden Signalen auslenkt.
V/erm ein Gaseinschluß den Lichtstrahl durchläuft, dann wird dem Hilfselement 33 über die Wand der Durchflußzelle sehr viel mehr Licht zugeführt, so daß sein Widerstand sehr gering ist, der Thyristor durchgeschaltet und die Wicklung 48 des Relais 34 erregt wird. Dadurch wird der Kontakt 62 und der die Bezugswicklung 64 enthaltende Schaltkreis geöffnet und eine Drehung des Zweiphasenmotors 66 verhindert. Der Schreibstift 68 verbleibt daher bei der gerade eingestellten Auslenkung, bis der Gaseinschluß wieder aus dem Bereich der Meßachse austritt. Das Öffnen der Bezugswicklung 64 anstelle der Signalwicklung wird bevorzugt, weil in einem solchen Fall der unbelastete Verstärker 70 sich verstellen könnte.
In der Fig. 6 ist eine Meßkurve 80 gestrichelt gezeigt, wie sie normalerweise in Gegenwart von Gaseinschlüssen aufgezeichnet wird, wenn man in der Weise vorgeht, wie es in der US-Patentschrift 3 031 917 beschrieben ist. Die durchgezogene Kurve 82 wird dagegen aufgezeichnet, wenn man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein lichtempfindliches Hilfselement verwendet.
Als Probenzuführgerät wird vorzugsweise eine Einrichtung benützt, mit der zwischen den einzelnen Probenschüben weitere V/aschmitteischübe durch die Rohrleitungen gepumpt werden, wie es beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 134 263 bekannt ist. Derartige Waschmittelschübe dienen zum Reinigen der Rohrleitungen und bewirken Signale vom Element 30 zum Schreiber, die einer relativ geringen Konzentration des untersuchten Bestandteils entsprechen, und bei der Aufzeichnung eine deutlich sichtbare Trennungslinie zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Proben mit an sich gleichen Werten der Lichtdurchlässigkeit ergeben.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1.) Verfahren"zum Analysieren von flüssigen Proben, bei dem ein aus Proben bestehender Flüssigkeitsstrom zur Analyse vorbereitet, in abwechselnd Probenschübe und Gaseinschlüsse unterteilt und in dieser Form durch eine Durchflußzelle geleitet wird, die von einem zum Messen der L chtdurchlässigkeit der Proben verwendeten Lichtstrahl durchsetzt ist, auf den ein lichtempfindliches Element unter Steuerung der Auslenkbewegung des Schreibstiftes eines Schreibers enspricht, dadurch gekennzeichnet , daß man auf optisch-elektrischem Wege den Beginn des Durchlaufs eines Gaseinschlusses durch den Lichtstrahl feststellt und beim Beginn dieses Durchlaufs die Auslenkbewegung des Schreibstiftes anhält und daß man diesen Zustand so lange beibehält, bis man auf dem gleichen ¥ege den Austritt des. Gaseinschlusses aus dem Bereich des Lichtstrahls mißt. -■■"..
    2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den durch den vorderen Meniskus jedes Gaseinschlusses reflektierten Teil des die Durchflußzelle durchsetzenden Lichtstrahls mit einem lichtempfindlichen Element zur Erzeugung eines Signals mißt, 'aufgrund dessen die Auslenkbewegung des Schreibstiftes angehalten wird.
    5.) Verfahren nach Anspruch T oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man das Austreten des hinteren Meniskus jedes Gaseinschlusses aus dem Lichtstrahl feststellt und ein entsprechendes Signal erzeugt, aufgrund dessen die Auslenkbewegung des Schreibstiftes wieder freigegeben wird* ■
    4.) Vorrichtung zur automatischen und fortlaufenden Analyse von flüssigen Stoffen, die eine Durchflußzelle, durch die ein abwechselnd aus' Probenschüben und Gaseinschlüssen bestehender Strom geleitet wird, ferner eine Lichtquell?, von der ein in
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    der Meßachse durch die Durchflußzelle tretender Lichtstrahl erzeugt wird, der auf ein lichtempfindliches Element trifft, rait dem seine Intensität gemessen und von der Intensität abhängige Signale erzeugt werden, und einen mit dem lichtempfindlichen Element verbundenen Auslenkmechanismus zum Auslenken des Schreibstiftes eines Schreibers in Abhängigkeit von diesen Signalen enthält, dadurch gekennzeichnet , daß eine optisch-elektrische Einrichtung (16,18,33) vorgesehen ist, mit der der Beginn des Durchlaufs eines Gaseinschlusses durch die Meßachse gemessen und ein elektrisches Signal erzeugt wird, und daß diese Einrichtung mit dem Auslenkmechanismus (66) für den Schreibstift (68) verbunden ist, dessen Bewegung beim Erscheinen eines solchen Signals verhindert ist, bis von der optisch-elektrischen Einrichtung ein Signal abgegeben wird, das das Ende des Durchlaufs des Gaseinschlusses durch die Meßachse einzeigt. ; .
    5.) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch-elektrische Einrichtung ein nahe der Durchflußzelle angeordnetes lichtempfindliches Hilfs~ element (33) enthält.
    6.) Vorrichtung nach Anspruch 5, dad u roh g e k e η η-zeichnet , daß das lichtempfindliche Hilfselement (33) ein lichtempfindlicher Widerstand ist, der in einem Erregerschaltkreis für ein Relais (34) liegt, das einen Kontakt (62) steuert, der in einem den Auslenkmechanismus (66) des Schreibstiftes (68) enthaltenden Schaltkreis liegt.
    7.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 6, d a d u r c h g e k e η η ζ e ic h η e t , daß das Hilfselement (33.) im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Meßachse liegt, wobei die lichtempfindliche Fläche nicht senkrecht zur Meßachse steht.
    8.) Vorrichtung nach einem der Amsprüche 4-7, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t., daß das Hilfselement (33) in
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    Richtung der längsachse der Durchflußzelle um ein Stück von der Meßachse beabstandet ist, das kleiner als die länge des Probenschubs ist.'
    9.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche5 4 - 8, dadurch
    gekennzeichnet , daß das Hilfselement (33) solange ein Signal abgibt, wie ein Gaseinschluß die Meßachse durchläuft.
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