DE3033618A1 - Probenzelle zur optischen analyse - Google Patents
Probenzelle zur optischen analyseInfo
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Description
- 3 - 9724
Leeds & Northrup Company, Sumneytown Pike, North Wales,
Pennsylvania 19454,V.St.A.
Probenzelle zur optischen Analyse
Die Erfindung betrifft eine Probenzelle zur optischen
Analyse von Licht, das von in einer fließenden Probe einer Flüssigkeit feinverteilten Stoffteilchen gestreut
wird, durch Messen der Lichtkomponenten, die in drei zueinander senkrechten Richtungen von einem auftreffenden
Lichtstrahl gestreut sind, der in eine dieser Richtungen gerichtet und in einer weiteren polarisiert ist.
Wenn bei einer Analyse von Stoffteilchen in flüssigen Suspensionen das Gesamtvolumen der Stoffteilchen in
der Probe oder ihre Größenverteilung gemessen werden soll, ist es bisher notwendig, zwei analytische Systeme zu verwenden,
wenn die Stoffteilchen in Größen erheblich schwanken , die von 0,1/um bis zu einer Größe über 10/um, reichen.
Aus dem US-Patent 3 873 206 ist ein Analysesystem bekannt, das verwendet werden kann, um das Volumen oder die Menge
von Stoff teilchen im Bereich von 2,0 bis 100/um zu messen,
indem das VorwärtsStreulicht gemessen wird, das ein auf
eine Probe auftreffender Lichtstrahl abgibt, wenn ein
geeigneter Raumfilter verwendet wird. Ein weiteres analytisches System ist aus der US-PS 4 134 679 bekannt, das dazu
verwendet werden kann, das Volumen von Stoffteilchen in dem Bereich von 0,1 bis 10/um Durchmesser zu messen, indem
das Licht gemessen wird, das von den Stoffteilchen im Winkel von 90° zur Achse des auftreffenden Strahles gestreut
wird, dessen Wellenlänge das Doppelte des Durch messers der gemessenen Partikel beträgt, wenn zur Messung
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zwei orthogonale Polarisationen verwendet werden.
Um die beiden oben erwähnten analytischen Systeme wirksam zur Messung von Stoffteilchenvolumen im Größenbereich
von 0,1/um bis 100 /um verwenden zu können, ohne
daß zwei getrennte Instrumente dazu verwendet werden müssen ( mit den unvermeidbaren Schwierigkeiten beim Koordinieren
der Ergebnisse und bei der Verhinderung kostspieliger Doppelarbeit), ist es erforderlich, zwei Messungen, nämlich die
der Vorwärtsstreuung und die der 90 -Streuung, gleichzeitig
oder innerhalb einer kurzen Zeitspanne zu machen, wobei die notwendigen Berechnungen später gemacht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es , eine Probenzelle zu schaffen, deren Konstruktion die Messung des Vorwärts Streulichtes
und der 90°-Streuung in zwei orthogonalen Richtungen ohne die Einführung von Bohrungen, Einsätzen oder
Krümmungen in den Probenstrom ermöglicht, die Turbulenzen hervorrufen könnten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Probenzelle der eingangs genannten Art mit einem Eintritts- und
einem Austrittsfenster für die Zelle, die voneinander be abstandet sind und eine Vorderseite und eine Rückseite zur
Aufnahme des Lichtstrahles und zum Hindurchlassen des Vorwärtsstreulichtes von den Stoffteilchen in der Probe als
eine der zueinander senkrechten Komponenten bilden, und wenigstens einem Prisma mit einer Fläche, die in optischer
Verbindung mit der Probe entlang einer Seite der Zelle steht, und zwei weiteren Flächen gelöst, die so angeordnet sind ,
daß sie die anderen zueinander senkrechten Komponenten des Streulichts durchlassen, wobei eine dieser Komponenten in
der Polarisationsrichtung verläuft. Vorteilhafte Weiter bildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es ist "bereits vorgeschlagen worden., ( Aerosol Science, Ed C N Davies, Academic Press, London 1966,
Seite 319 und 320 und Fig. 6 auf Seite 319) , ein Beobachtungssehrohr von einer Beobachtungsrichtung zur
anderen zu schwenken, jedoch ist die dort dargestellte Zelle ein Behälter von unregelmäßiger Form, die für den
fließenden Probenstrom nicht geeignet ist.
Die Erfindung sieht vor, daß eine rechtwinklige Probenzelle zum Messen von Licht, das von einem auftreffenden
Lichtstrahl in drei zueinander senkrechten Richtungen gestreut wird, mit einem Prisma verbunden ist, dessen Basis
in optischem Kontakt mit der Probe an einer Seite der Zelle steht. Zwei weitere Flächen des Prismas sind im gleichen
Winkel zur Basis so angeordnet, daß sie orthogonale Komponenten P-j und Bp des Lichtes hindurchlassen, das im Winkel
von 90s* zur Achse des auftreffenden Strahles gestreut ist.
Eine weitere orthogonale Komponente wird durch das Vorwärtsstreulicht gebildet. In einer modifizierten Ausführungs form
der Erfindung werden getrennte Prismen verwendet, um die Komponenten P^ und P2 austreten zu lassen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Probenzelle in einem optischen
System, in dem sie verwendet werden kann;
F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungs form
der Probenzelle gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht der Probenzelle gemäß Fig.2;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung der optischen
Bahnen in einer Zelle, deren Prisma einen
ande ren Winkel als dasjenige gemäß Fig. 2 aufweist;
Fig. 5 ein Prisma mit einem anderen Winkel und
Fig. 6 bis 8 andere Ausführungsformen der Ausbildung
gemäß Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein optisches Analysesystem dargestellt, bei dem eine erfindungsgemäße Probenzelle verwendet wird.
Eine Lichtquelle 10 gibt einen Lichtstrahl 12 ab, der durch einen monochromatischen Filter 14 gefiltert und von einem
Polarisator 16 in der angegebenen Richtung polarisiert wird, wodurch der Strahl 18 entsteht, der auf die Probenzelle 20
auftrifft.
Die Probenzelle 20 empfängt einen fortlaufenden Probenfluß, der vertikal durch den Zellenhohlraum fließt, so daß
die flüssige Probe mit ihren feinverteilten Stoffteilchen von dem Strahl 18 geschnitten wird. Das Streulicht, das zu
messen ist, ist das Vorwärtsstreulicht in Richtung der Strahlenachse
und das Licht, das im Winkel von 90° zu dieser Achse und in zwei zueinander senkrechten Richtungen gestreut
ist, von denen eine in der Polarisationsebene des Strahles liegt.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird der auftreffende Strahl 18 von der Vorderseite der Zelle aufgenommen, die
ein Einlaßfenster 23 ist. Das Vorwärtsstreulicht 22 wird durch die Rückwand der Zelle hindurchgelassen, die ein Auslaßfenster
24 darstellt. Das Vorwärtsstreulicht geht dann
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durch einen Raumfilter 25 hindurch, der in dem US-Patent 3 873 206 beschrieben ist,wobei der gesamte durchgehende
Lichtstrom eine Funktion des Volumens der feinverteilten Stoffteilchen ist.
Das gefilterte Vorwärtsstreulicht wird von einer Linse 28 auf eine Fotozelle 30 fokussiert, die ein Aus gangssignal
gibt, das dem Vorwärtsstreulichtstrom proportional ist , der durch den Filter 26 hindurchgeht.Bei
geeigneter Ausbildung der Öffnung in dem Filter 26 kann das Ausgangssignal der Fotozelle 30 beispielsweise proportional
dem Volumen oder der Menge von Stoffteilchen im oberen Teil des untersuchten Größenbereiches sein.
Die Basis eines Schjjalbenprismas (Dove-Prisma) ist
optisch mit der Probe entlang einer Seite der Zelle 20 verbunden, und zwei ihrer Flächen 34 und 36 sind so zu
dieser Basis geneigt, daß das Streulicht entlang einer Achse P1 in der Polarisationsebene liegt und daß die
Achse P2 orthogonal zur Achse P^ verläuft.
Das Streulicht entlang der Achse P^ wird von einer
Linse 40 aufgefangen und auf eine Fotozelle 42 fokussiert, die ein Signal abgibt, das proportional dem Gesamtlichtstrom
entlang P-j ist. In gleicher Weise wird das Streulicht
entlang der Achse P2 von einer Linse 44 auf eine
Fotozelle 48 fokussiert, die ein Signal abgibt, das proportional dem Streulicht in Richtung P2 ist.
Wie in dem US-Patent 4 134 679 beschrieben, ist, kann das Signal der* Fotozelle 42 von demjenigen der Fotozelle
48 subtrahiert werden, und man erhält eine Anzeige des Gesamtvolumens derjenigen Stoffteilchen, deren Größe
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die Hälfte der Wellenlänge beträgt, die durch den Filter 14 hindurchgeht, oder deren Größe in einem begrenzten Bereich
um diese Größe liegt. Durch das Einsetzen von verschiedenen monochromatischen Filtern als Filter 14 oder durch die Verwendung
von verschiedenen Laserlichtquellen 10 wird der Größenbereich ausgedehnt, in dem die Größenverteilung oder
Volumenverteilung ermittelt werden kann. Aus der in Fig.1
dargestellten Anordnung ist zu ersehen, daß durch die Verwendung der Signale der drei Fotozellen 30, 42 und 48 das
Gesamtvolumen der Stoffteilchen bestimmt werden kann, die in der fließenden Flüssigkeitsprobe verteilt sind, und es
kann die Größenverteilung bestimmt werden.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Probenzelle 20 gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Probenzelle besteht aus 2y5 x 7,5 cm großen Objektivträgern
21, 23, 24 und 25, die parallel so zusammengesetzt sind, daß sie eine Kammer oder einen Zellenhohlraum 27 mit rechteckigem
Quer schnitt bilden, durch den die Probe hindurch fließt. Die Kammer 27 hat gerade Wände ohne Bohrungen oder
vorspringende Teile , die Turbulenzen hervorrufen könnten.
Das Schwalbenprisma 32 ist an der Seite 21 der Zelle
optisch angesetzt, beispielsweise angeklebt, so daß die Flächen 34 und 36 eine solche Lage haben, daß das im Winkel
von 90° zur Strahlenachse auftretende Streulicht entlang der beiden orthogonalen Achsen P1 und P2 austritt. Die
Flächen 34 und 36 des Prismas können beispielsweise beide
einen Winkel von 45° mit der Prismenbasis einschließen, die an der Seite 21 befestigt ist(Fig.2).
Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Probenzellenkonstruktion gemäß Fig. 2, in der die optischen Bahnen dargestellt
sind. Der auftretende Strahl ist in der Ebene, die durch den breiten Pfeil dargestellt ist, linear polarisiert.
Die relative Lage der Fotozellen 42 und 48 zur
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Zellenkonstruktion ist derart, daß sie das Streulicht
an zwei orthogonalen Polarisierungen aufnehmen. Die Anordnung hängt außerdem von der Brechungszahl der
Flüssigkeitsprobe ab.
Für flüssige Su Pensionen wäre eine Zellenkonstruktion
gemäß den Fig^ 2 und 3 , jedoch ohne das Prisma 32,
nicht verwendbar, da die Brechung, die an der Berührungsfläche zwischen der Glasseite 21 und der Luft auftritt,
das Licht in einem sehr spitzen Winkel austreten lassen würde, der in der Nähe totaler Reflexion liegt. Eine genaue
Ausrichtung der Fotozellen auf die Probenkammer ware
nur sehr schwierig zu erreichen, und die polarisationsabhängigen Reflexionsverluste wären beträchtlich.
Der Prismawinkel von 45° , der in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, kann vorteilhaft verwendet werden,
da fertige Schwalbenprismen (Dove - Prismen) mit 45° Winkel erhältlich sind. In einer anderen Ausführungsform
kann der Prismawinkel θ (Fig. 4) derart sein, daßder
Lichtstrahl senkrecht zur Prismenfläche austritt, wodurch die Abweichung zwischen den polarisationsabhängigen Reflexionsverlusten
minimiert wird. Der Winkel θ kann aus
^1 sin 45°
der Gleichung sin θ = -^1 sin 45° errechnet werden,
wobei η die Brechungszahl des Prismas und nQ die Brechungszahl der Flüssigkeit in der Zelle ist. Wenn die Flüssigkeit
Wasser ist, so ist nQ = 1,33 , und η = 1,51, wenn das Prisma aus gewöhnlichem Mondglas oder Solinglas besteht.
In diesem Falle ergibt sich für θ ein Winkel von 38,5°.
Fig. 5 zeigt eine Probenzelle mit einem Prismawinkel θ von 26,2°, wie er erforderlich ist, wenn nQ = 1,33 und
η = 1,51 ist, wie mit Bezug auf Fig. 4 angenommen ist, und wenn gewünscht wird, daß das Prisma das Licht so bricht,
daß der austretende Strahl einen Winkel von 45° mit der
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*■" _L\J ■■
Ebene der Prismenbasis einschließt. Bei einer solchen Anordnung kann die Probenzelle aus ihrer normalen Position
entfernt werden, ohne daß die Fotozellen wieder ausgerichtet werden müssen, wenn Aerosole oder trockener
Staub eingeschlossen sind.
Der Winkel θ gemäß Fig. 5 errechnet sich aus der
Gleichung | tan θ | = (ηο - 1)/( 2η2 - | D |
für no = 1, | 33 | ||
und η = 1, | 51 | ergibt sich | |
θ = 26 | ,198°. | ||
In Fig. 1 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet
sich von derjenigen gemäß Fig. 2 dadurch, daß die Seite 21 der Probenzelle von Fig. 2 weggelassen ist und
die Basis des Prismas 20 die Innenseite der Zelle.bildet.
In Fig. 7 bildet das Prisma 32 in ähnlicher Weise wie in Fig. 6 die Seite der Probenzelle mit dem Unterschied,
daß das Prisma 32 so schmal ausgeführt ist, daß es zwischen das Eintritts- und das Austrittsfenster
paßt und als Abstandhalter wirkt . Die Vorderseite und die Rückseite sind ferner durch eine Distanzscheibe 50
getrennt, die nicht durchlässig oder diffus durchlässig sein kann und die vierte Zellenwand bildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Probenzelle zwei getrennte Prismen aufweisen,wie
es in Fig. 8 dargestellt ist, wobei das Prisma 32 eine Fläche zum Lichtaustritt entlang der Achse P1 zur Fotozelle
42 und das Prisma 54 eine Fläche zum Lichtaustritt entlang der Achse P2 zur Fotozelle 56 über die Linse 58
aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin,
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daß nur jeweils ein Winkel land zwei Flächen für jedes
verwendete Prisma kritisch sind.
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Claims (9)
- fieicLöl α. "Äei
6 Frankfurt a. M. 1Parksiraße 13 3 Q 3 3 6 19724Leeds & Northrup Company, Sumneytown Pike,North Wales,Pennsylvania 19454, V.St.A.PatentansprücheProbenzelle zur optischen Analyse von Licht, das von n einer fließenden Probe einer Flüssigkeit feinverteilten Stoffteilchen gestreut wird, durch Messen der Lichtkomponenten, die in drei zueinander senkrechten Richtungen von einem auftreffenden Lichtstrahl gestreut sind, der in eine dieser Richtungen gerichtet und in einer weiteren polarisiert ist,gekennzeichnet durch ein Eintritts- und ein Austrittsfenster (23,24) für die Zelle (20), die voneinander beabstandet sind und eine Vorderseite und eine Rück seite der Zelle (20) bilden zur Aufnahme des Lichtstrahles (18) und zum Hindurchlassen des Vorwärtsstreulichtes von den Stoffteilchen in der Probe als eine der zueinander senkrechten Komponenten, und wenigstens ein Prisma (32;52,54) mit einer Fläche, die-in optischer Verbindung mit der Probe entlang einer Seite der Zelle (20) steht, und zwei weiteren Flächen (34,36), die so angeordnet sind, daß sie die anderen zueinander senkrechten Komponenten des Streulichts durchlassen, wobei eine dieser Komponenten in der Polarisationsrichtung verläuft. - 2. Probenzelle nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Fläche und den beiden weiteren Flächen (34,36) 45° beträgt.130018/0625
- 3.Probenzelle nach Anspruch 1, 3033618dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Fläche und den weiteren Flächen so groß ist, daß die Lichtstrahlen, die in Richtung der Polarisationsachse verlaufen, im rechten Winkel aus der zugehörigen Fläche des Prismas austreten.
- 4. Probenzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Fläche und den beiden weiteren Flächen so groß ist, daß der Winkel zwischen den aus den weiteren Flächen austretenden Lichtbahnen 90° beträgt. - 5. Probenzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Fläche und den weiteren Flächen 38,5° beträgt. - 6. Probenzelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Fläche und den weiteren Flächen 26,2° beträgt. - 7. Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durchein einziges Prisma (32) mit beiden weiteren Flächen, die bezüglich der ersten Fläche entgegengesetzt geneigt sind.
- 8. Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durchzwei Prismen (52,54), die jeweils eine der weiteren Flächen aufweisen.
- 9. Probenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (20) einen gleichbleibenden rechtwinkligen Querschnitt für den Durchfluß des Probenfluids aufweist.130018/0625
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