-
Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer trüben Lösung.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Konzentrationsmeßvorrichtung,
die bei der Messung der Konzentration von Teilchen mit speziellen physikalischen
Eigenschaften in einer trüben (turbiden) Lösung der Art verwendet wird, in welcher
zwei oder mehrere Arten von Teilchen in gemischtem Zustand vorhanden sind, und wobei
die Teilchen sich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden.
-
Es wurden zur Messung der Konzentration (Trübheit, Turbidität) einer
trüben oder aufgerührten Lösung bereits eine Vielzahl von Systemen vorgeschlagen,
welche Licht auf eine Probe aufstrahlen und die Streuung oder die Durchlässigkeit
des Lichtes ausnutzen. Bei allen diesen Systemen ist es jedoch in dem Fall, wo die
zu untersuchende trübe Lösung zwei oder mehr unterschiedliche Materialteilchen enthält,
unmöglich,
zwischen den Materialien als Reflektoren oder Streuelementen zu unterscheiden, so
daß es schwierig ist, genau nur die Konzentration der aus bestimmten Materialien
bestehenden Teilchen zu messen. Darüber hinaus wird im Falle der Messung der Konzentration
einer kontinuierlich fließenden trüben Lösung der Fehler größer und demgemäß wird
in der Praxis die Anwendung unmöglich.
-
In sämtlichen oben erwähnten Systemen ist es gleichfalls unmöglich
dann, wenn zwei oder mehr sich in ihrer körperlichen Form unterscheidende Teilchenarten
in einer zu messenden Lösung schweben, zwischen diesen Materialien als Reflektoren
oder Streuelementen zu unterscheiden, so daß es schwierig ist, genau die Konzentration
nur eines der speziellen Teilchen in der Lösung zu messen und insbesondere wird
bei der kontinuierlichen Messung ein großer Fehler in der Messung hervorgerufen,
so daß die Messung in der Tat unmöglich ist.
-
Es sind bereits auch Systeme zur Messung der Konzentration eines ölgehalts
bekannt, und zwar durch Zerlegung des ölgehalts in Wasser in feine Teilchen durch
Ultraschallwellen, wobei der Reflexionsfaktor oder der Grad der Durchlässigkeit
des Lichtes, usw., gemessen wird, der sich abhängig vom Emulgierungsgrad des emulgierten
Ölgehalts ändert, wie dies aus den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 10680/196
5 und 3754/1968 bekannt ist. Wenn jedoch bei diesen Systemen suspendierte Stoffe,
wie beispielsweise Schmutz, Staub, usw., neben dem ölgehalt in der zu messenden
Lösung schweben, so ist es unmöglich, zwischen diesen Materialien als Reflektoren
oder Streuern zu unterscheiden, so daß es nicht nur schwierig ist, nur eine Komponentenart
in der Lösung zu messen, sondern es ist auch schwierig, die Konzentration kontinuierlich
zu messen, wobei ein großer Meßfehler entsteht, so daß diese Messung praktisch unmöglich
ist. Zur Vermeidung dieser Fehlerart in einem Meßsystem mit gestreutem oder hindurchlaufenden
Licht wurden zwei Systeme aufgegriffen. Beim einen handelt es sich um ein System
zur Messung der Lichtstreuung, d.h. der Turbidität,
ohne Emulgierung
der Probe, um nur die suspendierten Stoffe, wie beispielsweise Staub, usw., festzustellen,
worauf dann nach Emulgierung des ölgehalts allein die Messung der Lichtstreuung
(Turbidität) erfolgte, um die Gesamtturbidität oder Trübheit des Ölgehalts und Staubs
festzustellen, und worauf dann die Staubgehalttrübheit (Turbidität) von der Gesamttrübheit
(Turbidität) abgezogen wird, während beim anderen System Ultraschallwellen an eine
turbide oder trübe Lösung von Staub- und Ölgehalt angelegt werden, worauf dann die
Lichtstreuung (Turbidität) gemessen wird, um die Gesamtturbidität von ölgehalt und
Staub zu ermitteln, worauf dann unter Ausnutzung des Phänomens, daß dann, wenn die
Ultraschallwellenenergie weiter angelegt wird, die feinen Teilchen des ölgehalts
sich rekombinieren, um grob zu werden und an den Knoten der Schwingungsenergieverteilung
zusammenzuhängen, wohingegen die anderen nicht zum ÖIgehalt -gehörenden suspendierten
Teilchen am Bauch verstreut sind, die Lichtstreuung (Turbidität) an der Stelle des
erwähnten Bauchs gemessen wird, um die Staubgehaltturbidität festzustellen, und
wobei man diese Staubgehaltturbidität von der Gesamtturbidität abzieht, um die ölgehaltkonzentration
zu erhalten. Diese beiden Systeme sind jedoch insoferne mit Nachteilen behaftet
als im erstgenannten System ein gewisser Grad der Emulgierung bereits vor der Emulgierung
durch Ultraschallwellen fortgeschritten ist, so daß die gemessene Lichtstreuung
nicht als auf Schmutz, Staub, usw., zurückgehend angesehen werden kann, wobei im
letztgenannten System nicht nur der ölgehalt allein an den Schwingungsknoten haftet,
sondern auch andere suspendierte Teilchen, wie beispielsweise Staub, usw., haben
die Tendenz, dort zusammenzukommen, so daß die vollständige Trennung nicht sichergestellt
werden kann, wobei darüber hinaus die für dieses Zusammenhaften erforderliche Zeit
recht lang ist, so daß eine kontinuierliche Messung oder eine Augenblicksmessung
nicht bewirkt werden kann.
-
Die Erfindung hat sich in erster Linie zum Ziel gesetzt, eine Konzentrationsmeßvorrichtung
vorzusehen, welche in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit die Konzentration von
nur speziellen Teilchen in einer trüben Lösung zu bestimmen, in der zwei oder mehr
Teilchenarten aus unterschiedlichen Materialien schweben. Die Erfindung sieht ferner
eine Vorrichtung vor, die als einfallendes Licht, welches auf eine Probe gestrahlt
werden soll, nur in einer einzigen Richtung polarisiertes Licht verwendet, worauf
dann das gestreute Licht oder das durchtretende Licht von der Probe verwendet wird,
wobei der festgestellte Wert durch die Schwingungsrichtung des Lichts identifiziert
wird, um die feinen kugelförmigen Teilchen von den feinen nicht kugelförmigen Teilchen
in der Probe zu unterscheiden, und wobei die Konzentration oder Turbidität (Trübheit)
dieser betreffenden Teilchen gesondert gemessen wird.
-
Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung vor, die in besonders
zufriedenstellender Weise bei einer Vorrichtung zur Emulgierung des ölgehalts in
Wasser verwendet werden kann, um die feinen Teilchen von kugelförmiger Gestalt zu
erhöhen, und wobei monochromatisches in einer einzigen Richtung polarisiertes Licht
in die trübe Lösung eingestrahlt wird, und wobei unter Verwendung der Streuung und
Durchlässigkeit des Lichts die Messung des als kugelförmig zu betrachtenden ölgehalts
es möglich gemacht hat, durch Beseitigung der Einflüsse der suspendierten Stoffe,
die nicht zum ölgehalt gehören, sondern beispielsweise Dreck, Staub, usw., sind,
die als nicht kugelförmig bezeichnet werden können, den ölgehalt allein,genau, kontinuierlich
und augenblicklich zu messen.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an
Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung; Fig. 2A-2C graphische
Darstellungen, die jeweils die Beziehung zwischen der Teilchenkonzentration in einer
Probe und der Ausgangsgröße darstellen; Fig. 3 ein das Arbeitsprinzip des zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung erläuterndes Diagramm; Fig. 4 eine perspektive
Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 5A eine graphische
Darstellung der Feststellkennlinie des gleichen Ausführungsbeispiels der kugelförmigen
Teilchenkonzentration-Durchlaßlichtintensitätskennlinie; Fig. 5B und 5C graphische
Darstellungen von jeweils der kugelförmigen Teilchenkonzentration-Streulichtintensitäennlinie,
Fig. 6 ein Blockdiagramm des Aufbaus einer Operations- oder Betriebsschaltung, wie
sie in der Erfindung verwendet wird.
-
Es wird nun das erste Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen
beschrieben. Die in Fig. 1 durch das Bezugs zeichen 1 bezeichnete Lichtquelle ist
wahlweise für beliebiges Licht, wie beispielsweise weisses Licht,monochromatisches
Licht oder dgl. ausgestattet, wobei das Licht rechtwinklig auf die axiale Mitte
einer optischen zylindrischen Zelle 2 gestrahlt wird. Nimmt man ein System von rechtwinkligen
Koordinaten mit einer x-, y- und z-Achse an, und wenn die axiale Mitte der optischen
Zelle 2 mit der x-Achse zusammenfällt, so fällt die optische Achse des von Lichtquelle
1 zur optischen Zelle 2 gerichteten Lichtes mit der z-Achse zusammen. Zur Feststellung
des gestreuten Lichtes 11 in einer Ebene y-z senkrecht zur x-Achse und unter einem
ersten Winkel 81 bezüglich der z-Achse ist ein erstes fotoelektrisches Umwandlerelement
3 vorgesehen, und zur Feststellung des Streulichts I2 in der gleichen Ebene und
unter einem zweiten Winkel 82 bezüglich der gleichen z-Achse ist ein zweites fotoelektrisches
Umwandlerelement 4 in entsprechender Weise vorgesehen.
-
Auf der z-Achse ist ferner ein drittes fotoelektrisches Umwandlerelement
5 vorgesehen, um das durch die optische Zelle 2 übertragene Licht festzustellen.
Ferner sei zur Einfachheit der Erläuterung als zu messender Gegenstand eine Probe
in Form einer trüben (turbiden) Lösung aus feinen Teilchen von gleichförmig in Wasser
verteiltem öl und Kaolin verwendet, wobei diese Probe kontinuierlich mit konstanter
Strömungsgeschwindigkeit vom unteren Teil zum oberen Teil innerhalb der optischen
Zelle 2 strömt.
-
Ein Teil des in die Probe in der optischen Zelle 2 von der Lichtquelle
1 aus eingetretenen Lichts wird an den Oberflächen der feinen Teilchen in der Probe
reflektiert und bewirkt einen Anstieg des Streulichts, von dem ein Teil in die fotoelektrischen
Umwandlerelemente 3 und 4 eintritt, um Ausgangsgrößen I1 bzw. I2 zu erzeugen, wobei
der verbleibende Teil des Lichts durch die optische Zelle 2 und die darin enthaltene
Probe übertragen wird, um in das dritte fotoelektrische Umwandlerelement 5 einzutreten,
um eine Ausgangsgröße It zu erzeugen.
-
Die Änderungen der entsprechenden Ausgangsgrößen I1, I2 und It der
fotoelektrischen Umwandlerelemente 3, 4 und 5 wurden zur Zeit der öl- und Kaolin-Konzentrationsänderungen
in der Probe empirisch festgestellt, wobei die Beziehung zwischen den beiden in
den Fig. 2A, 2B und 2C aufgezeichnet ist. Fig. 2A zeigt an den Punkten 11 - 15 die
Änderungen der Ausgangsgröße It zum Zeitpunkt, wo die Kaolin-Konzentration mit gleichen
Intervallen geändert wurde, wobei die ölkonzentration auf einem gewählten Wert q
(ppm) fest blieb, und wobei auch aufeinanderfolgend die Änderungen der ölkonzentration
bei den entsprechenden Kaolinkonzentrationen dargestellt sind. Die Fig. 2B und 2C
zeigen die gleiche Beziehung bezüglich der Ausgangsgrößen I1 bzw. 12.
-
Aus den Ergebnissen der Fig. 2A, 2B und 2C erkennt man, daß dann,
wenn die Ölkonzentration der Probe gleich α und die Kaolinkonzentration gleich
ß ist, die folgenden Beziehungen auftreten: lt = I e -(k + mß) (1) I1 = 10 (k +
mß) (2) I2 = I0 (k"α + m"ß) (3), wobei 10 die Intensität des Lichtes angibt,
welches in die Probe von der Lichtquelle 1 aus eintritt, und wobei diese Intensität
ein meßbarer Wert ist, und wobei ferner k, k' und k" sowie m, m' und m" Proportionalkonstanten
bedeuten, die durch Vorbereitungsexperimente bestimmt werden können.
-
In das erste fotoelektrische Konverterelement 3 tritt das unter dem
Winkel 81 bezüglich der z-Achse gestreute Licht ein, und in das zweite fotoelektrische
Umwandlerelement 4 tritt das bezüglich der gleichen z-Achse unter dem Winkel 62
gestreute Licht ein. Wenn demgemäß als die Winkel 81 und e2 Weree derart ausgewählt
werden, daß das gestreute Licht, basierend auf unterschiedlichen Streuformen, zwischen
den Ölteilchen und den Kaolinteilchen eintritt, so hat K11$m K' m' zur Folge, daß
I1 und I2 nicht die gleiche Funktionsform werden.
-
Es wird demgemäß möglich, die Öl- und KaolinkonzentraF .en auf der
Basis des I1-zu-I2-Verhältnisses zu messen. Die tatsächlichen Werte von e1 und e2
ändern sich abhängig von den physikalischen Eigenschaften, beispielsweise dem Teilchendurchmesser,
der Form oder dem Reflexionsfaktor und anderen Eigenschaften der objektiven Teilchen,
aber die optimalen Werte können durch einfache Experimente leicht ausgewählt werden.
Die
Werte von α und ß werden aus folgenden Gleichungen (4)
und (5)
| bestimmt: I1 I2 |
| --rn |
| O O (4) |
| k'm" - k"m' |
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung ist es erwünscht, die Einflüsse von Flecken
auf der Wandoberfläche der optischen Zelle 2, der Absorptionseigenschaften, usw.,
zu beseitigen, und zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Ausgangsgröße It des
dritten fotoelektrischen Umwandlerelements 5 zu verwenden.
-
Aus der Gleichung
ergibt sich die Gleichung
Wenn man demnach die Ausgangsgrößen 11 und I2 erhält, so erhält man aus Gleichung
5 den Wert von C1. Wenn das Verhältnis 1t/11 durch Verwendung der Gleichung ß =
C1 #α (8) gesucht ist, so ergibt sich
die schließlich in die folgende Form umgewandelt werden kann:
-A ~ e = B > (10) Die obigen Größen A und B können durch I2/I1 bzw. It/I1 erhalten
werden. Der Wert der dadurch erhaltenen Konzentration ffi ist von äußerst großer
Genauigkeit, weil die veränderbaren Faktoren, wie beispielsweise Flecken auf der
ortischen Zelle 2, ausgeglichen sind.
-
Wie bereits oben erläutert, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich, die unterschiedlichen Arten von s~hwebenden Teilchen in einer trüben Lösung
festzustellen, und zwar durch Verwendung des Unterschieds der Streuform und durch
Messung der Konzentration der objektiven Teilchen in unabhuiyiyer Weise.
-
Dies ist besonders vorteilhaft in solchen Fällen, wo die Konzentration
von Öl in einem System bestimmt wird, in dem Öl und Schmutz in einem gemischten
Zustand in Wasser vorhanden sind; der Nutzungswert der vorliegenden Erfindung auf
dem Gebiet der Industrie ist demnach außerordentlich hoch.
-
Als nächstes sei das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert,
welches das Rayleigh-Streuprinzip, allgemein als Lichtstreutheorie bekannt, auf
ein einzelnes feines Teilchen anwendet. In Fig. 3 ist ein System von rechtwinkligen
Koordinaten mit x-, y- und z-Achsen dargestellt, wobei angenommen ist, daß ein einziges
Teilchen m am Ursprung 0 des Kooordinatensystems angeordnet ist. Ferner wird ein
Kreis N von wahlweise Durchmesser auf einer y-z-Ebene mit dem Mittelpunkt um den
Ursprung 0 herum angenommen, wobei wahlweise Punkte A und B auf dem Umfang, nicht
im Schnittpunkt des Kreises N mit der z-Achse, bestimmt sind, und wobei ein neues
Koordinatensystem definiert wird, und zwar mit der x-Achsenrichtung an dem erwähnten
Punkt A am Umfang als X-Achse, und mit der Tangentialrichtung des gleichen Kreises
N am Punkt B als Y-Achse. Hier wird der Fall betrachtet, wo als einfallendes Licht
auf das Teilchen m das monochromatische Licht P in der x-Achsenrichtung
polarisiert
gestrahlt wird. Gemäß dem Rayleigh'schen Streuprinzip ist es bekannt, daß dann,
wenn die Wellenlänge des monochromatischen auszustrahlenden Lichtes P wesentlich
größer ist als der Durchmesser des Teilchens m, wenn eine polarisierte Welle in
der x-Achsenrichtung an das Teilchen m angelegt wird, dann, wenn das Teilchen m
Kugelform besitzt, nur das Streulicht schwingend in der X-Achsenrichtung am Punkt
A oder B erzeugt wird, das in der Y-Achsenrichtung schwingende Licht nicht erzeugt
wird, wobei aber dann, wenn das Teilchen m keine kugelförmige Gestalt besitzt, das
Streulicht mit Schwingungskomponenten in beiden Richtungen der X-Achse und Y-Achse
erzeugt wird. Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein solches, welches
das obige Prinzip verwendet.
-
Im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, vergleiche Fig.
4, ein Polarisator 7 mit der Polarisationsachse in x-Achsenrichtung ausgerichtet,
um so das Licht in der x-Achsenrichtung polarisiert von einer monochromatischen
Lichtquelle 6 zu erhalten. Als Lichtquelle 6 kann eine monochromatische Lichtquelle,
wie beispielsweise ein Laser oder dergleichen, verwendet werden oder aber, wenn
eine Lichtquelle verwendet wird, von der polarisiertes Licht von Anfang an erhalten
werden kann, wie beispielsweise von einem He-Ne-Laser oder dergleichen, dann kann
auf den Polarisator 7 verzichtet werden. Mit dem Bezugszeichen 8 ist eine optische
Zelle bezeichnet, die derart aufgebaut ist, daß eine zu messende Lösung durch die
Innenseite der Zelle in Pfeilrichtung fließen kann, wobei eine kontinuierliche Messung
durchgeführt werden kann. Die Bezugszeichen 9 und 11 bezeichnen Lichtdetektoren,
die vor den fotoelektrischen Röhren 10 und 12 jeweils als fotoelektrische Umwandlerelemente
angeordnet sind. Der Lichtdetektor 9 hat die Polarisationsachse in der X-Achsenrichtung,
der Lichtdetektor 11 hat die Polarisationsachse in der Y-Achsenrichtung die fotoelektrischen
Röhren 11 und 12 können nur gestreutes Licht feststellen, welches in der
X-Achsenrichtung
bzw. der Y-Achsenrichtung am Punkt A bzw. am Punkt B schwingt. Die x-Achse ist als
in der Strömungsr1chtung der Probe in der optischen Zelle liegend definiert, die
optische Achse des einfallenden Lichts P ist als die z-Achse, und ferner die y-Achse
wie in der gleichen Figur. Die fotoelektrischen Röhren 10 und 12 sind in einer Ebene
y-z und mit gewählten Winkeln ex bzw. 9y bezüglich der optischen Achse z angeordnet.
Ferner ist ein fotoelektrisches Wandlerelement 13 auf der z-Achse angeordnet, um
durch die Probe übertragenes oder durchgelassenes Licht abzufühlen, wobei wiederum
gleichfalls von einer fotoelektrischen Röhre Gebrauch gemacht wird.
-
Die innerhalb der optischen Zelle 8 strömende Probe isL eine trübe
(turbide) Lösung, die feine kugelförmige und nicht kugelförmige Teilchen enthält,
wobei aber zur Erleichterung der Erläuterung der Fall angenommen wird, daß als die
kugelförmigen Teilchen der durch Ultraschallwellen oder einen Hochgeschwindigkeitsmischer
verteilte Ölgehalt, und daß als nicht kugelförmige Teilchen gereinigtes Kaolin,
was als Standardprobe des JIS-Turbidität-Bestimmungsverfahrens bekannt ist, jeweils
als Standardgrößen verwendet werden. Das monochromatische Licht von der Lichtquelle
1 ist in der x-Achsenrichtung durch Polarisator 7 polarisiert uiid tritt in die
in der optischen Zelle 8 befindliche Probe ein.
-
In der Probe in dieser optischen Zelle 8 wird der emulgierte Öl gehalt
als eine kugelförmige Gestalt infolge der Oberflächenspannung aufweisend angenommen,
so daß gemäß dem oben erwähnten Rayleigh'schen Streuprinzip die Intensität des gestreuten
Lichtes, welches in die fotoelektrische Röhre 10 durch den Lichtdetektor 9 eintritt,
sowohl von der Komponente infolge der kugelförmigen Teilchen, wie beispielsweise
des Ölgehalts, usw., als auch von der Komponente infolge der nicht kugelförmigen
Teilchen, wie beispielsweise Kaolin, usw., abhängt. Im Gegensatz dazu kann vorausgesagt
werden, daß von der Intensität des gestreuten Lichts, welches in die fotoelektrische
Röhre 12 durch Lichtdetektor 11 eintritt, der Anteil, dessen
Streulicht
infolge der kugelförmigen Substanzen, wie beispielsweise des Ölgehalts, usw., auftritt,
außerordentlich klein ist, wobei der größere Teil auf das Streulicht von den nicht
kugelförmigen Teilchen, wie beispielsweise dem Kaolin, usw., zurückzuführen ist.
-
Mit geänderter Menge des Ölgehalts und geänderter Menge an Kaolin
wurde die entsprechende durchgelassene Lichtintensität und Streulichtintensität
gemessen, wobei die Ergebnisse in Fig. 5 dargestellt sind.
-
Fig. 5A zeigt die Durchlaßlichtintensität als einen logarithmischen
Umwandlungswert bezüglich der Kugelsubstanzkonzentration und die Fig. 5B bzw. 5C
zeigen die Kennlinie der Ausgangsgröße IX der fotoelektrischen Röhre 10, welche
das gestreute in der x-Achsenrichtung schwingende Licht feststellt bzw. die Ausgangsgröße
1 der fotoelektrischen Röhre 12, welche das gestreute, y in der Y-Achsenrichtung
schwingende Licht feststellt und zwar bezüglich der Konzentration der kugelförmigen
Teilchen. In der gleichen Figur zeigt der Punk 11 den Zustand der Konzentration
der kugelförmigen Teilchen als q(ppm) und die Konzentration der nicht kugelförmigen
Teilchen als O (ppm), und ferner zeigen die Punkte 1 13 15 den Zustand der Änderungen
in der Ausgangsgröße zu dem Zeitpunkt, wo die nicht kugelförmigen Teilchen durch
gleiche Mengen jeweils hinzugefügt wurden. Hier ist zu beachten, daß abhängig von
den Arten der kugelförmigen Teilchen in der Probe oder deren Eigenschaften zwei
Fälle auftreten, einer, wo die Streulichtintensität-Kugelteilchenkonzentrations-Kennlinie
eine lineare Kennlinie wird, und der andere Fall, wo es eine nicht lineare Kennlinie
wird. Fig. 5B und SC zeigen die Streulichtintensität zur Kugelteilchenkonzentration
im Fall, wo die Kennlinie eine lineare Kennlinie wird.
-
Demgemäß wird aus Gründen der Erklärung der Fall, wo die Kennlinie
eine lineare Kennlinie wird, behandelt. Es wurde hier erläutert, daß dann, wenn
die Konzentration der Kugelteilchen in einer trüben Lösungund die Konzentration
der nicht kugelförmigen Teilchenp ist, aus den Fig. 5B und 5C im allgemeinen
ezüglich
der Konzentrationen der Kuge'teilchen und der nicht kugelförmigen Teilchen die Streulichtintensitäten
IX und IY in den X-Achsen- und Y-Achsen-Richtungen durch folgende Gleichungen gegeben
sind: IX = K-IO#(k' + m' ß) (11) IY = K#IO#(k"# + m"ß) (12), wobei IO die Lichtintensität
der Lichtquelle, ein meßbarer Wert, k', k" und m', m jeweils Proportionalkonstanten
sind, die durch Faktoren, wie beispielsweise die Eigenschaften der kugelförmigen,
nicht kugelförmigen, usw., Substanzen sind und ferner durch die Art der Vorrichtung,
usw., bestimmt sind, und die durch Experimente bestimmt werden können, und wobei
ferner K ein Koeffizient ist, der die Farbe der trüben Substanz und die Verunreinigung
der Innenwand der optischen Zelle angibt, und im wesentlichen den gleichen Wert
in den beiden Gleichungen 11 und 12 besitzt. Wenn, wie oben erwähnt, di Lichtstreutheorie
an einem einzigen feinen Teilchen erweitert wird, ergibt sich k" = O und wenn der
Einfluß von Flecken auf dem Fenster der optischen Zelle 8 selbst und die Farbe der
trüben Lösung sowie ferner die Änderungen der Lichtintensität der Lichtquelle unberücksichtigt
bleiben können, dann ist es möglich, aus der obigen Gleichung 12 direkt IY zu erhalten,
d.h. die Ausgangsgröße der fotoelektrischen Röhre 12, die Konzentration der nicht
kugelförmigen Teilchen, d.h. ß = m1 (13).
-
Es ist ebenfalls möglich, durch Messung von IX von der fotoelektrischen
Röhre 10 die Konzentration der kugelförmigen Teilchen, d.h. den Ölgehalt zu erhalten
aus:
Wenn jedoch in der Praxis die Streuelemente, selbst wenn sie kugelförmig sind, im
Durchmesser größer werden, so bekommen sie die Tendenz, das Licht auch in der Y-Achsenrichtung
zu streuen und es besteht auch die sich durch Mehrfachstreuung
ergebende
Wirkung, so daß sich k" # 0 ergibt. Die Lichtstreuung in der Y-Achsenrichtung,im
wesentlichen infolge der kugelförmigen Substanzen, wird wenig in der fotoelektrischen
Röhre 12 beobachtet; gemäß Versuchen kommt tatsächlich die Beziehung m"k" in Existenz,
und die Gleichungen 11 und 12 erhalten nicht die gleiche funktionelle Form. Sodann,
zur Messung der Durchgangslichtintensität weiterhin durch die fotoelektrische Röhre
13, erkennt man, daß, wie bekannt, die Durchgangslichtintensität exponentiell mit
dem Anstieg der Konzentration abnimmt. Fig. 5A stellt die Durchlaßlichtintensität
logarithmisch umgewandelt dar. Dies wird in Funktionsform ausgedrückt als lt = KIO.e
-(k+ m/S ) (13), wobei k und m Proportionalitätskonstanten sind. Da die Einflüsse
der Verunreinigung des Fensters und der Farbe der trüben Lösung vorhanden sind,
ist es bei der tatsächlichen Messung für die genaue Messung der Konzentration der
kugelförmigen Teilchen, wie beispielsweise des Ölgehalts, usw., oder der nicht kugelförmigen
Teilchen, wie beispielsweise des Kaolins, Staubs, usw., erforderlich, daß von den
Werten der in den oben erwähnten Gleichungen 11, 12 und 13 gezeigten Lichtintensität
das Verhältnis von wahlweise zwei Werten in einem Paar genommen wird, um derartige
Einflüsse auszugleichen.
-
Hier wird die Konzentration der kugelförmigen Substanzen, beispielsweise
des Ölgehalts, usw., zum Versuch gesucht.
-
Aus dem Verhältnis der Gleichungen 11 und 12,
ergibt sich
Wenn demgemäß Iv und IX gemessen werden, so kann #/α (=
C1) erhalten werden. Sodann ergibt sich dus den Gleichungen 11, 13 und 14:
Demgemäß kann schließlich die Gleichung 15 umgewandes t werden in: 0( (16) , wobei
A = k + mC1 B = (k' + m .C1) . 1 1 t IX Hier sind A und B die Werte, die durch Messung
von in und lt 1 IX 7X bestimmt werden können. "g", welches somit der Gleichlg 16
genügt, ist die Konzentration des Ölgehalts als kugelförmige Teilchen, und ferner
kann die Konzentrationp =(C1 .6) ebenfalls von Kaolin,usw. als nicht kugelförmige
Teilchen ebenfalls ohne weiteres erhalten werden. Es sei bemerkt, daß es zur Lösung
der Gleichung 16 genügt, eine geeignete Operationsschaltung zu verwenden.
-
Im Fall des Messens der Konzentration einer Probe derart, daß die
Lichtstreuung in der Y-Achsenrichtung infolge feiner kugelförmiger Teilchen im Streulicht
in der Tat unberücksichtigt bleiben kann, direkt aus den Gleichungen 11 und 12 oder
durch Verwendung einer einfachen Schaltung, und, im Fall der Messung der Konzentration
einer Probe derart, daß die Lichtstreuung in der Y-Achsenrichtung infolge feiner
kugelförmiger Teilchen nicht unberücksichtigt bleiben kann, aus den Gleichungen
14 und 16 durch Bestimmung eines Paars von Verhältnissen von jeweils zwei wahlweisen
festgestellten Werten aus den Gleichungen 7, 8 und 13 und durch Verwendung einer
geeigneten Schaltung,ist es somit möglich, die kugelförmigen Teilchen von den nicht
kugelförmigen Teilchen zu unterscheiden
und die jeweilige Konzentration
zu messen.
-
Auch das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit großem Vorteil
industriell verwendbar, da bei auf die Probe einfallendem Licht das in einer einzigen
Richtung polarisierte Licht ausgestrahlt wird und das von der Probe gestreute Licht
durch die Schwingungsrichtung des Lichtes identifiziert und festgestellt wird, wodurch
die feinen kugelförmigen Teilchen und die feinen nicht kugelförmigen Teilchen in
der Probe voneinander unterschieden und gesondert gemessen werden können.
-
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, welches den fundamentalen Schaltungsaufbau
zur Berechnung von nur der Konzentration des Ölgehalts aus den Ausgangsgrößen IX,
IY und Itder fotoelektrischen Röhren 10, 12 und 13 darstellt. Die Bezugszeichen
14 und 15 bezeichnen verhältnisnehmende Schaltungen, wobei die Schaltung 14 das
Verhältnis der Ausgangsgröße IX zur Ausgangsgröße IY und die Schaltung 15 das Verhältnis
der Ausgangsgröße IX zur Ausgangsgröße It nimmt. Um diese Verhältnisse zu erhalten,
kann man irgendeine der Gleichungen 7, 8 und 11 verwenden, wobei die gleiche Funktionsform
durch eine Schaltung 16 erhalten wird, welche eine solche Funktionsform, wie sie
durch die Fundamentalgleichung 14 dargestellt ist, durch Operation von jeweils einem
Paar von Verhältnissen ableitet. Die Gleichung 14 wird ferner durch eine Operations-
oder Betriebsschaltung 17 durchgeführt, wodurch die Konzentration ides Ölgehalts,
der bestimmt werden soll, aus der Ausgangsgröße einer Ausgangsklemme 18 bestimmt
wird. Aus der oben erwähnten Gleichung 12 erkennt man, daß ebenfalls die Konzentration
der suspendierten Stoffe, die nicht mit dem Ölgehalt übereinstimmen, ohne weiteres
aus der Ausgangsgröße der Schaltung 14 und der Konzentration o( des Ölgehalts bestimmt
werden kann.