DE2420060A1 - Spektralphotometrisches verfahren und mehrweg-spektralphotometer zur durchfuehrung desselben - Google Patents

Description

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Berlin, den 23. April 1974

25 597

Sensoresearch Corporation

Spektralphotometrisches Verfahren und Mehrweg-Spektralphotometer zur Durchführung desselben

Die Erfindung bezieht sich auf die Spektrophotemetrie und betrifft ein ·.■ Mehrweg-Spektralphotometer.

Die Eigenschaft einzelner Chamikalienarten, Strahlung mit bestimmten Wellenlängen zu absorbieren, war in der Vergangenheit sehr wertvoll, um homogene Gemische mehrerer Arten zu analysieren. Die Ultraviolett- und Infrarot-Bereiche des Spektrums sind bei der Analyse besonders nützlich, weil alle Moleküle, die mehr als eine Atomart enthalten, bei diesen Wellenlängen bestimmte Spektralabsorptionsmuster zeigen«, Im Handel erhältliche nicht st reuende Infrarot-Analysegeräte (NDIR-Analysegeräte) sind typische Instrumente, bei denen die Anwesenheit einer bestimmten Art durch die Absorption von Strahlung bestimmter

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Infrarot-Wellenlängen festgestellt wird.

Bei einer Prüfung der Technik ist schnell festzustellen, daß Genauigkeit und Wiederholbarkeit derartiger Messungen schwer zu erzielen sind. Schwankungen der Stärke und des Spektralcharakters der Lichtquelle sind häufige Fehlerquellen, IJie Empfindlichkeit der Detektoren hängt von Zeit- und Temperaturdrift ab, womit eine weitere Fehlerquelle gegeben ist. Außerdem können mehrere in dem Gemisch enthaltene Arten Strahlung von der Quelle absorbieren.

Es wurden viele Verfahren entwickelt, um diese Schwierigkeiten zu überwinden. Um die Präzision der Instrumentempfindlichkeit gegenüber einer bestimmten Chemikalienart zu erhöhen, kann die Strahlung spektral so gewählt werden, daß nur bestimmte Wellenlängen auf den Detektor fallen. So beschreiben Harrison und Reid (J.Ä. Harrison und CD. Reid, Journal of Scientific Instruments, Nr. 36, 1959, Seite 240) und Robinson (A.D. Robinson, Instruments and Control Systems, Februar 1963, S. 121-123) die Verwendung von Infrarotübertragungsfiltern, mit denen abwechselnd zwei Analysewellenlängen gewählt werden, von denen die eine von der zu untersuchenden Art absorbiert und die andere von dem Gemisch nicht absorbiert wird. Bartz und Ruhl (A.M. Bartz und H.D. Ruhl,jun· Chemical Engineering Progress« Nr. 64, 8. November 1968, S.45-49) beschreiben die Verwendung eines Streugittersystems, mit dem zwei abwechselnde Wellenlängen erzielt werden. Ein komplizierteres zerstreuendes optisches System, das mit Spektralkorrelationsmasken zum Nachweis einer bestimmten Chemikalienart arbeitet, wurde von Barringer (A.R. Barringer und andere, USA-Patentschrift Nr. 3518 002) beschrieben« Ein anderes Verfahren, mit dem ein wahlweises Ansprechen auf die Anwesenheit einer bestimmten Art erzielt wird, arbeitet mit einem akustischen Detektor, der ein Infrarotstrahlen absorbierendes Gas enthält (W. Fastie und A.H. Pfund, Journal of the Optical Society of America^ Bd.37, 1947, S.762).

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Während die Technik, bei der zwei einen einzigen optischen Weg durchlauf ende.;Wellenlängen vorgesehen sind) vorteilhaft ist, um bestimmte Quellen instrumenteller Fehler und Drift zu überwinden, bleiben andere Schwierigkeiten bestehen. Beispielsweise gestattet ein einziger optischer Weg nicht die Eichung des Instrumentes, es sei denn, daß die Zelle mit einem Eichgemisch gespült und gefüllt oder daß das Eichgemisch künstlich simuliert wird, (siehe beispielsweise USA-Patentschrift Nr. 3 562 von C_eN« Cederstrand und andere). Um diese und andere Einschränkungen zu überwinden, arbeiteten mehrere Instrumente mit zwei Zellen, von denen die eine die zu analysierende Probe enthält und die andere einen Bezugsweg darstellt« Verschiedene dieser System wurden von D.W. Hill und T. Powell in deren Buch Gas Analysisj Plenum Press, New York, 1968, und von A.M. Bartz und H.D. Ruhl auf S. 398-434, Applied Infrared Spectroscopy (Herausgeber D.N. Kendall), Reinhold Publishing, New York 1966, beschrieben. Obwohl diese Systeme einen gewissen Wert bei der Überwindung von Instrumentfehlern und Drift haben, weisen sie doch einen oder mehrere Mangel auf, wozu die folgenden gehören:

l_e Schwankungen zwischen verschiedenen optischen Quellen,: die für verschiedne optische Wege verwendet werden«

2« Schwankungen zwischen verschiedenen optischen Elementen, die für verschiedene optische Wege verwendet werden.

3. Mangel an angemessenen Eichbezugsgrössen, wenn das Probensystem eine unbekannte Konzentration enthält«

4. Schwankungen des Spektralcharakters oder der Intensität der Lichtquelle.

5. Die optische Einrichtung erfordert kostspielige und komplexe Komponenten wie streuende Elemente* empfindliche akustische Detektoren oder elektronische Schaltungen mit Präzisionsausgleich des Drifts.

6. Die optische Einrichtung ist schwer auszurichten und ausgerichtet zu halten, weil kleine Abmessungsveränderungen Veränderungen der Instrumentanzeige herbeiführen.

7. Leistungsschwache optische Einrichtung führt zu einem schwachen Signal auf das Störungsverhältnis aus dem Detektor.

8« Durch ?erschmutzung der optischen Elemente des Instrumentes entstehen Messfehler.

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Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, ein einfaches und genaues Verfahren zur Messung der Strahlungsabsorption durch ein Probenmaterial zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit Mitteln gelöst, mit denen Fehler aufgrund von Schwankungen der Intensität und des Spektralcharakters der optischen Quelle, Veränderungen der Imgebungs- und Frobentemperatur, Drifts der Empfindlichkeit des Detektors und der elektronischen Einrichtungen und andere Effekte wie beispielsweise die im vorstehenden Absatz genannten verringert werden. Die hier beschriebene Vorrichtung ist einfach und billig, bietet Einrichtungen zur automatischen Eichung des Ausganges gegenüber Null und Vollanzeige und besitzt ein leistungsfähiges optisches System., welches leicht auszurichten und gegenüber vielen Mangeln der optischen Elemente unempfindlich ist.

Das erfindungsgemässe V_erfahren ist ein spektralphotometrisches Verfahren, bei dem zwei gewöhnliche abwechselnde schmale Spektralbänder, die aus der Quelle ausgefiltert werden₄ durch einen ersten Kanal neutraler Dichte, einen zweiten, Material mit bekannten Absorptionseigenschaften enthaltenden Kanal und einen dritten, Material mit unbekannten Absorptionseigenschaften enthaltenden Kanal geschickt werden. Die Intensität in jedem Spektraloand wird nach dem Durchlaufen jedes Kanals festgestellt, um sechs gemessene Intensitäten zu erhalten. Die sechs Messungren werden dann so verarbeitet, daß Informationen über die Absorptionseigenschaften des Materials im dritten Kanal erhalten werden.

Neuartige Spektralphotometer zur Durchführung der Messungen gemäss der Erfindung arbeiten mit einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Detektor und weisen optische Elemente (die den Detektor enthalten können) auf, welche an einer drehbaren Welle befestigt sind, damit nacheinander drei oder mehr Kanäle ausgewählt werden. Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges spektralphotometrisches Verfahren zu schaffen.

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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein spektralphotometrisches Verfahren zu schaffen, das mit drei aufeinanderfolgenden Kanälen arbeitet, uui sechs Messdaten herbeizuführen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein spektralphotometrisches Verfahren zu schaffen, bei dem eine Messung in einem neutralen Absorptionskanal mit einer Messung in einem Kanal bekannter wahlweiser Absorption und in einem Kanal unbekannter wahlweiser Absorption verglichen wird, um die Absorptionseigenschaften der unbekannten zu bestimmen. Dariiberhinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Spektralphotometer zu schaffen, bei dem eine einzige Lichtquelle und ein einziger Detektor bei einer Mehrzahl von Kanälen angewandt werden, wobei die Kanäle durch Drehung einer Welle, die optische Elemente trägt, ausgewählt werden.

In den Zeichnungen, die weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung veranschaulichen, ist

Fig, 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform, einer weiteren Ausfiihrungsfonu der Erfindung;

Figo 3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der zur Auswahl des optischen Weges dienenden Bestandteile gemäß Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der zur Auswahl des optischen

Weges dienenden Bestandteile gemäß Fig. 1; Fig. 5 ein Intensität/Wellenlänge-Diagramm einer typischen

Lichtquelle;
Fig. 6 ein Intensität/Wellenlänge-Diagramm für zwei schmale SpektralDänder, die aus der Quelle gemäß Fig. 5 ausgewählt wurden, welche durch einen Kanal mit unbedeutender Absorption gemessen wurde;

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Fig. 7 ein Intensität/Wellenlänge-Diagramm der gleichen beiden Bänderι gemessen durch einen Kanal mit unbekannter Absorption; und

Pig» 8 ein Intensität/Wellenlänge-Diagraram einer Messung durch einen Kanal mit bekannter Absorption.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der^x erfindungsgemässen Vorrichtung, die eine Lichtquelle H₄ ein Samme!^Linsensystem 12_f mit dem die von der Quelle kommende Strahlung gesammelt wird, und eine Wellenlänge-Wähleinrichtung 14 aufweist, welche in der von dem Linsensystem kommenden Lichtbahn verschiebbar ist, um abwechselnd Wellenlängen mit spezifischer Strahlung auszuwählen. Die Wellenlänge-Wähleinrichtung 14 weist zwei Filterelemente 15 und 16 auf, mit denen abwechselnd zwei schmale Spektralbänder, die von der Lichtquelle 11 kommen, ausgewählt werden. Die Elemente 15 und 16 bestehen vorzugsweise aus dielektrischen Multilayer-Interferenzfiltern, jedoch können auch andere geeignete Filter angewandt werden.

Ein zusätzliches feststehendes Filter 17 kann angewandt werden, um das übertragene Licht zu modifizieren. Als Filter 17 kann vorzugsweise ein Gasfilter dienen, das vor oder hinter der Wähleinrichtung 14 entlang der optischen Achse angeordnet werden kann.

Hinter der ftellenlängen-tfähleinrichtung 14 und dem Filter 17 sind eine Anzahl von Zellen vorgesehen, die als drei Zellen 20, 21 und dargestellt sind. Die Zellen 20, 21 und 22 können unbekannte Proben und Eichproben für verschiedene Stoffe enthalten. Fenster an den gegenüberliegenden Enden der Zellen sorgen für die Übertragung von Lichtenergie_o

Die Zellen 20, 21 und 22 verlaufen parallel zueinander und sind gegenüber der Welle 24 mit gleichem Abstand radial angeordnet. An einem ersten Ende der Welle 24 ist eine Periskopoptik angeschlossen, um das von der Quelle kommende Licht, das durch die Wähleinrichtung 14 und das Filter 17 geschickt wurde, abzufangen und es durch einen der drei Kanäle umzulenken, welche die Zellen 20, 21 bzw. 22 enthalten. Am zweiten

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Ende der Welle 24 ist ein Detektor 26 angeschlossen, der mit der von der Periskopoptik 25 durch einen gewählten Kanal laufenden optischen Achse ausgerichtet ist. Als Detektor 26 dient ein Lichtdetektor, wie er gewöhnlich in Spektralphotometern verwendet wird.

Die Wahl eines zu Deleuchtenden Kanales erfolgt durch Drehung der Welle 24. Die Periskopoptik 25 und der Detektor 26 sind auf der Welle 24 angeordnet und mit einem Abstand voneinander angeordnet, der größer als die Länpe der Zellen 20, 21 und 22 ist. Sie erstrecken sich radial von der Welle 24 aus, damit sie mit den Zellenfenstern ausgerichtet sind.

Ein Umkehrmotor 27 ist so angeschlossen, daß er die Welle 24 über einen Riemen oder eine andere geeignete AntrieDseinrichtung so antreibt, daß die aufeinanderfolgende Beleuchtung der Zellen 2C, 21 und 22 erfolgt. Die Drehung der V/elle 24 kann ohne weiteres durch mechanische, pneumatische, elektromechanische oder Jahresaktivatoren herbeigeführt werden.

Der Detektor 26 ist über eine elektrische Leitung 29 an einer verarpeitungs- und Aufzeichnungseinrichtung 30 angeschlossen. Als Verarbeitungs- und Aufzeichnungseinrichtung dient geeigneterweise ein kleiner Spezialrechner mit Ausgangsschreiber. Die Verarbeitungsund Aufzeichnungseinrichtung 30 speichert und berechnet arithmetische Funktionen der vom Detektor 26 empfangenen Signale.

Die VerarDeitungs- und Aufzeichnungseinrichtung 30 Denötigt Informationen darüber, welches der Filter 15 und 16 mit einem Detektorsignal in Korrelation steht und welche der Zellen 2O₁ 21 und 22 sich in der optischen ^Bahn befindet. Diese Informationen werden der Verarbeitungs- und Aufzeichnungseinrichtung 30 über ein Synchronisierungsgerät eigegeben.

Das als separate Einheit dargestellte Synchronisierungsgerät kann in der Verarbeitungs- und Aufzeichnungseinrichtung 30 vorgesehen sein und dient dazu, Messinformationen vom Detektor 26 gegenüber der Stellung der Wähleinrichtung 14 und der Welle 24 zu identifizieren. Die "sync"-Signale von der Wähleinrichtung 14 und der Welle 24 können auf jede

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übliche Weise zum Synchronisierungsgerät 31 geschickt werden.

Die Wähleinrichtung ist geeigneterweise auf einem mechanisch resonanten Element ähnlich einer Stimmgabel gelagert. Der Stimmgabelantrieb 32 liefert magnetische Impulse« um die Wähleinrichtung 14 in Bewegung zu halten. Der Antrieb 32 kann mit der Bewegung der Wähleinrichtung 14 mittels Fhotodetektoren (nicht dargestellt) phasensynchronisiert sein. Die Filterelemente 15 und 16 sind mittels undurchsichtiger Leiste 33 voneinander getrennt. Zwei Fhotodetektoren, die so angeordnet sind, daß sie auf von der Quelle 11 kommendes Licht, das durch die Wähleinrichtung 14 läuft, ansprechen, können sowohl die Unterbrechung durch die Leiste 33 als auch die Bewegungsrichtung feststellen. Der

synchronisieren Ausgang dieser Fhotodetektoren kann dann den Antrieb 32/und außerdem das sync-Signal 34 zum Synchronisierungsgerät 31 entweder durch den Antrieb 32 oder durch die Photodetektoren geleiefert werden.

Die Stellung der tfelle 24 wird leicht mittels Mikroschaltern festgelegt oder durch ein bestimmtes elektrooptieches System oder eine andere Fühleinrichtung. Bestimmte Antriebsmotoren sind stellungsempfindlich und können die sync-iηformation direkt liefern*

Während Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform zeigt, ist die Verwendung der drehbaren Welle 24 ein kritisches Merkmal, welches die Verwendung der gleichen optischen Komponenten für eine A_nzahl von Kanälen ermöglicht.Die der Welle 24 zugeordnete Optik kann verschieden ausgebildet sein.

In Fig. 2 haben entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1* Die Welle 24 bei der Ausführungsform gemäß Fig· 2 weist einen konkaven Spiegel 40 auf, welcher der Wähleinrichtung an einen E_nde gegenüoerliegt, während ein konkaver Spiegel 41 dem Detektor 26 am anderen Ende gegenüberliegt. Die konkaven Spiegel sind gekrümmt, um einen Brennpunkt 35 in der Mitte des gewählten Kanals und einen Brennpunkt 36 aui Detektor 26 herzustellen. Weitere Spiegel 42, 44; 45, 47; und 46,

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wirken mit den Spiegeln 40 und 41 zusammen, um zwei Periskopoptiken für jeden gewählten Kanal zu oxiden. Mit den Zellen 20, 21 und 22, die mit gleichem radialen Abstand um die Welle 24 angeordnet sind, verschiebt eine Periskopoptik die optische Achse zur Achse des gewählten Kanales und die andere Periskopoptik verschiebt die optische Achse zurück, bis sie mit der Welle 24 ausgerichtet ist· Bei dieser Ausgestaltung wird der Detektor 26 vorzugsweise ausgerichtet mit der Welle 21 festgelegt« Ggf. kann der Detektor 26 mit einer geeigneten Optik anderswo angeordnet werden, um die optische Bahn zu ihm zu lenken.

In Fig. 2 sind die Spiegel 42, 44, 45, 47, 46 und 48 jeweils in festgelegter Stellung zu den Zellen 20, 21 und 22 vorgesehen.

Bei allen Ausführungsformen ist es wünschenswert, optische Hochleistung dadurch zu erzielen, daß die Quelle an kritischen Punkten fokussieren. So fokussiert in Pig« 2 die Linse 12 die Quelle 11 auf einen Zwischenbrennpunkt 34 an der Wähleinrichtung 14» Ein weiterer Zwischenbrennpunkt 35 ist in der Mitte eines gewählten Kanals und ein EndDrennpunkt ist am Detektor 26 vorgesehen. Zusätzliche Brennpunkte können wünschenswert sein und in jedem Falle durch Linsen sowie gekrümmte Spiegel erzielt werden.

Es ist zu verstehen, daß die Zelle 20 in Fig. 2 den gleichen radialen Abstand von der Welle 24 hat wie die Zellen 21 und 22. Sie ist jedoch wegen der schematischen Darstellung nicht mit dem gleichen Abstand dargestellt.

Die Wähleinrichtung 38 ist in Fig. 2 mit Umrissen in Strichlinienform dargestellt und enthält ai& mehreren Wege und die Mittel zur Wahl des optischen Weges» In Fig. 5 ist nur die Wähleinrichtung für den optischen Weg bei einer weiteren alternativen Ausführungsform dargestellt.

Die Periskopoptik 50 besteht aus zwei Prismen 51 und 52 und einer Linse 54 zur Herstellung eines Zwischenbrennpunktes 35 (siehe Fig. 2>. Die Periskopoptik 55 besteht aus zwei Prismen 56 und 57 und einer Linse 58, die einen Endbrennpunkt 36 (siehe Fig. 2) herstellt. Beide Periskop-

optifcen 50 und 55 sind starr an der Welle 24 gelagert und drehen sich mit derselben.

Fig. 4 zeigt ebenfalls eine alternative Ausfuhrungsform der Wähleinrichtung für die optische Bahn. Bei dieser AusfühVungsform ist der Detektor vie in Fig, 1 an dem zur Wahl der Bahn dienenden Mechanismus gelagert. Eine an einem ersten Ende der Welle 24 befestigte Periskopoptik 60 Desteht aus einem gekrümmten Spiegel 61 und einem flachen Spiegel 62. Im gekrümmten Spiegel 61 sind die Funktionen des Prismas 51 und der Linse 54 -von Fig. 3 kowDiniert. Gegenüber dem Spiegel 62 ist der Detektor 26 vorgesehen, der am anderen Ende der Welle 24 ■gelagert ist· Die bei dem D tektor 26 gelagerte Linse 64 fokussiert das auf den Detektor 26 fallende Licht. Die vom Detektor 26 ausgehende Anschlußleitung 29 ist flexibel, damit sich die zur Wahl der Bahn dienende Mechanik bewegen kann·

um die Anwendung der Erfindung bei der messung der Konzentrati on\ C der in der Frooenzelle 21 angeordneten Chemikalienart zu veranschaulichen, wird auf Fig. 5 dxs 8 bezug genommen. Kurve 65 in Fig. 5 stellt den breiten Spektralcharakter der von der Quelle 11 abgegeDenen Strahlung dar. Als Quelle 11 dient vorzugsweise ein Glühfaden. Die Kurven 66 und 67 in Fig· 6 stellen die Intensitäten A und ts der Strahlung bei zwei gewähltten Wellenlängen Λ und Λ dar, weiche durch Wellängen wählende Elemente

A. ΰ

14 und 17 in Fig· 1 geschickt werden. Die beiden Wellenlängen sind derart gewähltf daß Strahlung der Wellenlänge A von der gemessenen Art absorbiert

wird und ^ nicht von der gemessenen Art aosoruiert wird. Die Kurven 68 und 70 in Flg. 7 stellen die Intensitäten A und B der Strahlung dar, welchedurch die Probenzelle 21 geschickt wird, wobei die Intensität von ^„ i verringert ist, da die Konzentration der gemessenen Art in der Probenzelle , 21 erhöht ist· Die Kurven 71 und 72 in Fig. 8 veranschaulichen die Dämpfung, die von einer feststehenden Bezugskonzentration C* der gesessenen Art, weiche in der Bezugszelle 22 angeordnet ist, erzeugt wird· Durch aufeinanderfolgende Wahl der optischen Wege durch die Zellen 20, 21 und 22 und

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Verwendung der Wellenlängen wählenden Elemente 15 und 16, um abwechselnd Strahlung mit unterschiedlichen gewählten Wellenlängen über jede der Bahnen zu schicken, werden sechs unabhängige Signale von dem einzigen Detektor 26 abgeleitete Diese sechs Signale können angewandt werden, um die Artkonzentration in der Irobenzelle zu bestimmen.

Nachdem die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrene empirisch nachgewiesen wurde, kann die folgende Theorie zur Erläuterung beitragen* Sie soll die Erfindung nicht abgrenzen oder als wesentlich für die Arbeitsweise der Erfindung sondern nur als gegenwärtig als zutreffend angenommene Arueitstheorie betrachtet werden.

Die Übertragung von Strahlung jeder Destimmten Wellenlänge durch eine gegeoene uhemikalienart in einer Lösung feststehender Dicke ist eine monoton abnehmende Funktion der Artkonzentration. Die übertragung kann bestimmt werden, indem die Intensität nichtabsorbierter Strahlung mit absorbierter Strahlung verglichen wird. Schwankungen der funktionellen Beziehung zwischen übertragung und Konzentration können entstehen, falls das gewählte Strahlungsband nicht genau monochromatisch ist. Außerdem kann der spezifische Absorptionskoeffizient der Cheiuikalienart mit dem Druck der Mischung (oei einem Gas) oder der Beschaffenheit des Lösungsmittels (bei einer Flüssigkeit) schwanken· Während viele der beoDachteten Effekte in der spektrometrischen Literature angemessen erklärt wurden, werden sie oft äußerst leicht und genau durch Experimente bestimmt. In der Folge werden wir nur den vereinfachten Fall behandeln, bei dem die verringerung der Durchlässigkeit direkt proportional zur Konsentration der zu messenden Cheaikalienart ist. Ähnliehe Erläuterungen können für kompliziertere Absorptionsgeeetze leicht formuliert werden.

Die beiden Spektralbänder, die zur abwechselnden Anwendung ausgewählt werden, werden als erstes Band A und zweites Band B bezeichnet. A ist die Intensität des Bandes A und B ist die Intensität des Bandes B, gemessen vom Detektor, wenn die Strahlung durch die neutrale Zelle

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geschickt wird. A ist die gesessene Intensität des üandes A, übertragen durch eine Probe unbekannter Konzentration und B ist die gemessene Intensität des Bandes η durch dieselDe Frobe. A ist die gemessene Intensität des oandes A, übertragen durch einBezugsmaterial bekannter Konzentration, und β ist die gemessene Intensität des Bandes B, übertragen durch dasselbe tsezugsmaterial. Es wird angenommen, daß A so gewählt ist, daß es eine unbedeutende Absorption hat, und daß B von der zu messenden Art absorbiert wird.

Die Konzentration der Probe wird mit dem verhältnis der gemessenen Energie des Bandes A gegenüber B in Beziehung geDracht. Jedoch st&llön Unterschiede der Quellenenergie für die beiden Bänder eine Ungenauigkeit her. Indem das Verhältnis s/A von dem Verhältnis o/A und entsprechend

s ο

das Verhältnis r/A von dem Verhältnis o/A suotrahiert wird, wird ein ausgeglichenes Maß der Übertragung erzielt.

Nun kann das Verhältnis der unbekannten Konzentration C zur bekannten Konzentration in der cezugszelle U* genau bestimmt werden durch die Gleichung:

C B ,. B .. ~& ^{= O/A}o - ^S/As (1)

V^Ao * V^Ar

C* ist Dekannt und die sechs Mengen auf der rechten Seite der Gleichung werden alle gemessen· Multiplikation mit C*:

- r*

= C

o/A ·» s/A

' O ' S

B /. B /. 0/A₀ - r/A_r

(2)

Da alle Zahlen als Inteneitätsrerhältnisee bei den beiden angewandten Bändern verwendet werden, ist ersichtlich, daß eine gleichmäßige Absorption wie oei einem neutralen Filter keinen Einfluß auf die Gleichung hat» Eine gewisse neutrale Filtrierung kann wünschenswert sein, um mit dem Detektor in einem gegebenen Bereich zu arbeiten. Schmutz oder Staub auf den optischen Teilen wirkt auch als harmlose neutrale Filtrierung.

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Entsprechend den Lehren dieser Erfindung wurde ein System konstruiert, bei dem viele der hier beschriebenen Vorteile verwirklicht worden sind. Ein kleiner Nichromfaden, der elektrisch auf etwa 500 C erhitzt wird, wurde als Lichtquelle 11 verwendet. Als Linsensystem 12 wurde ein Kugelspiegel angewandt, um von der Lichtquelle ausgehende Strahlung zu sammeln, und eine mechanische Stimmgabel mit zwei dielektrischen Multilayer-InterferenzfiItem wurde als Wellenlängen auswählende Einrichtung 14 eingesetzt. Drei zylindrische Röhren, 20 cm lang und 2,5 cm 0, wurden als Zellen 20, 21 und 22 verwendet. Bei allen Zellen wurden Natriuwchloridfenster angewandt. Als Detektor 26 wurde ein pyroelektrischer Detektor verwendet. Der Wählmechanismus υestand aus einer einzigen Welle 24, die in Kugellagern gelagert war und an der Spiegel angebracht waren, die als Periskopoptiken 50 und 55 gemäß Fig. 3 dienten« Der Ausgang des Detektors wurde von einem Oszilloskop abgelesen, das mit der Stimmgauel synchronisiert war. Ein Infrarotstrahlen absorbierendes Gas mit gemessener Konzentration C* wurde in die Bezugszelle 22 eingeführt, und das gleiche Gas mit unterschiedlichen Konzentrationen C wurde in die FroDenzelle 21 eingeführt. Die neutrale Zelle 20 war zur Atmosphäre offen.

Die Ausgangssignale wurden vom Oszilloskop abgelesen und gemäß Gleichung (1) durch manuelle Rechenoperationen verarbeitet, um ein errechnetes Verhältnis zu erzielen. Bei niedrigen Konzentrationen C und C* wurde festgestellt, daß dieses errechnete Verhältnis in genauer Beziehung zum tatsächlichen Verhältnis (C/C*) steht. Bei Konzentrationen C, bei denen eine wesentliche Absorptionen beobachtet wurde, wurde gefunden, daß sich die Beziehung zwischen der Konzentration und den Ausgangssignalen entsprechend der folgenden Formel verhält:

C = C*

In (^Bo/A_o) - In (^Bs/A_s)

In ,a /A ) I 75 T. Γ (ο⁷ ο - In ( r/A )

(3)

Dabei ist mit dem Symbol lii(x) der natürlich Logarithmus von χ gemeint· Wesentliche Veränderungen der Lichtkraft der Quelle sowie Veränderungen

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der Spektralverteilung derselben haben, wie beouachtet wurde, einen unbedeutenden Effekt auf das errechnete Verhältnis bei einer feststehenden Konzentration. Entsprechend wurde der i/ert des errechneten Verhältnisse s nicht durch schwere Beeinträchtigung der Salzfenster beeinflußt_t welche sich wegen des Einflußes hoher Feuchtigkeit ergab. Außerdem wurde ein Versuch unternommen, um Veränderungen des spektralen Ansprechens des Detektors festzustellen. Es ergab sich, daß das errechnete Verhältnis in ausgezeichneter Weise mit dem bekannten Konzentrationsverhältnis (C/C*) in Korrelation blieb.

Es können mehr als drei Wege angewandt werden, um zusätzliche Eichwege zur Messung der Konzentration von mehr als einer Art oder mehr als einer Probe der gleichen Art oder für andere Zwecke zu schaffen. Die die Wellenlängen auswählenden Elemente können mit Einrichtungen arbeiten, die mehr als zwei Wellenlängen auswählen^ zum Beispiel in dem Fallj in dem es wünschenswert ist., die Konzentration von mehr als einer Molekülart in der Frobe zu messen. Außerdem können die Zellen aufeinanderfolgend in die optische Bahn bewegt werden, wobei die optische Bahn räumlich feststehen bleibt. Es können viele weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, die für Fachleute offensichtlich oder naheliegend sind, ohne daß vom Umfang der Erfindung entsprechend den nachfolgenden Patentansprüchen abgegangen wird.

Patentansprüche;

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Claims (1)

1. 2A2006Q

   Patentansprüche

   1.) Spektralphotometrisches Verfahren, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

   a) Ein Stoff mit im wesentlichen einheitlicher spektraler Absorptionsfähigkeit wird in einen ersten Kanal eines Spektralphotometers gebracht;

   b) Ein Stoff mit unbedeutender Absorptionsfähigkeit für ein erstes, vorbestimmtes Spektralband und mit bekannter Absorptionsfähigkeit für ein zweites, vorbestimmtes Spektralband wird in einen zweiten Kanal des Spektralphotometers gebracht;

   c) Ein Stoff mit unbedeutender Absorptionsfähigkeit für das erste Spektralband und mit einer unbekannten Absorptionsfähigkeit f'Jr das zweite Spektralband wird in einen dritten Kanal des Spektralphotometers gebracht;

   d) Die Kanäle werden aufeinanderfolgend und abwechselnd mit dem ersten und dem zweiten Spektralband beleuchtet; und

   e) Die durch jeden Kanal gelangte Lichtintensität wird aufeinanderfolgend festgestellt, um Informationen über die Beschaffenheit des Stoffes in dem dritten Kanal zu erhalten.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchten und Festetellen mit einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Detektor vorgenommen werden.

   3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen verarbeitet werden, um die Konzentration einer bestimmten Molekülart in dem in dem dritten Kanal angeordneten Stoff zu bestimmen·

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   4_β Verfahren nacli AaspFiach S₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Feldarbeiten darin besteht, daß die folgende Gleichung gelöst wird:

   - π*

   s/a

   wobei: C = Konzentration der jeweiligen Molekülart des in dem dritten Kanal angeordneten Stoffes; C* = bekannte Konzentration im zweiten Kanal; A = erste Spektralbandintensität, festgestellt am ersten Kanal; B ss zweite Spektralbandintensität, festgestellt am ersten Kanal; A = erste Spektralbandintensität, festgestellt am zweiten Kanal; B = zweite Spektralbandintensität, festgestellt am zweiten Kanal; A = erste

   Spektralbandintensitätj festgestellt am dritten Kanal; und B = zweite Spektralbandintensität, festgestellt am dritten Kanal.

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   5» Spektralphotometrisches Verfahren, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

   a) Eine Lichtquelle wird so eingesetzt, daß Wechsel zwischen einem ersten und einem zweiten Spektralband stattfinden;

   b) die Lichtintensität der Lichtquelle wird gemessen, um die Energie in dem ersten und dem zweiten Spektralband zu vergleichen;

   c) das gefilterte Licht wird durch einen ersten Stoff mit bekannter Absorptionsfähigkeit für das erste Spektralband und unbedeutender Absorptionsfähigkeit fir das zweite Spektralband geschickt;

   d) die durch den ersten Stoff geschickte Lichtintensität wird gemessen, um die in dem ersten und dem zweiten Spektralband übertragene Energie zu vergleichen;

   e) das gefilterte Licht wird durch ein zweites Material mit unbekannter Absorptionsfähigkeit für das erste Spektralband und unbedeutender Verzerrung für das zweite Spektralband geschickt;

   f) die durch den zweiten Stoff gelangte. Lichtintensität wird gemessen, um die in dem ersten und dem zweiten Spektralband übertragene Energie zu messen; und

   g) die drei Vergleiche^ die mit den vorhergehenden Schritten erhielt wurden, werden verarbeitet, um die Beschaffenheit des zweiten Stoffes zu bestimmen»

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   6_Ψ Spektralphotometer, gekennzeichnet durch

   a) eine einzige Lichtquelle;

   b) einen einzigen Detektor;

   c) eine Anzahl von Analysenkanälen;

   d) eine drehbare WeIIe₄ die mit gleichem radialen Abstand gegenüber allen Kanälen angeordnet ist;

   e) eine in der Welle gelagerte Einrichtung, mit der wahlweise Licht von der Lichtquelle durch die Analysenkanäle gelenkt wird; und

   f) eine auf der Welle angeordnete Einrichtung, mit der wahlweise Licht aus einem Analysenkanal abgefangen wird, um den Detektor zu beleuchten.

   7. Spektralphotometer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der die Welle in Drehung versetzt wird, um nacheinander die Kanäle zu wählen.

   8_e Spektralphotometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl wenigstens gleich drei ist.

   9c Spektralphotometersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Welle an jedem Ende eine Periskopoptik trägt, um die optische Achse mit einem gewählten Kanal auszurichten.

   10. Spektralphotometer nach A spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Periskopoptiken an einem Ende der drehbaren Welle gelagert sind und ein Fhotodetektor am anderen Ende der Welle gelagert ist, wodurch Licht von der Lichtquelle durch einen gewählten Kanal gelenkt und vom Detektor festgestellt wird_e

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