DE3902755A1

DE3902755A1 - Durchflusszelle

Info

Publication number: DE3902755A1
Application number: DE3902755A
Authority: DE
Inventors: Heiner Dipl Ing Brinkmann; Ferdinand Fieg; Dieter Dipl Ing Frantzen; Michael Dr Schmitt
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1990-08-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflußzelle zur optischen Unter suchung eines flüssigen Produktes bei höheren als Raumtempera turen, mit einer Meßkammer, an die Zu- und Ablaufleitungen für das Produkt angeschlossen sind.

Derartige Durchflußzellen werden beim Bestimmen der Absorption von Flüssigkeiten in Absorptionsfotometern verwendet. Bei dieser Mes sung wird die von der Wellenlänge abhängige Extinktion eines Stoffes unter definierten Bedingungen für bestimmte Wellenlängen oder über einen kontinuierlichen Spektralbereich bestimmt. Sollen an bei Raumtemperatur festen oder hochviskosen Produkten diese Messungen ausgeführt werden, sind sowohl die Zu- und Ablauflei tungen als auch die Durchflußzelle selbst zu beheizen, um die Pumpfähigkeit des Produktes zu erhalten. Bei derartigen Messungen tritt häufig das Problem auf, daß die Meßkammer mit Produktresten verschmutzt und dadurch das Meßergebnis verfälscht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Durchfluß zelle der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Verfäl schung des Meßergebnisses durch Verschmutzungen der Meßkammer mit Produktresten erheblich vermindert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl die Zu- und Ablaufleitungen für das Produkt als auch die Meßkammer von einem Heizmedium auf der höheren Temperatur gehalten werden und daß die Lichtweglänge durch die Meßkammer mindestens 2 cm, insbe sondere etwa 3 cm beträgt.

Bei üblichen Küvetten beträgt die Lichtwellenlänge höchstens 1 cm. Die bei der erfindungsgemäßen Durchflußzelle erheblich vergrößerte Lichtweglänge führt dazu, daß ein evtl. Belag an den Glasscheiben der Meßkammer nur einen geringen Bruchteil der Gesamtdicke der Meßkammer beträgt. Entsprechend gering ist die Verfälschung des Meßergebnisses durch Verschmutzungen an den Glasscheiben der Meß kammer. Die gegenüber herkömmlichen Durchflußzellen erheblich heraufgesetzte Dicke der Meßkammer erfordert es, entweder nur Spuren bestimmter Substanzen absorptionsfotometrisch zu erfassen oder nur die Schwingungsobertöne und Kombinationsschwingungen, zum Beispiel im nahen Infrarot, zu detektieren.

Bei einer Durchflußzelle ist es wichtig, daß das bisher ausgemes sene Produkt von dem neu hinzuströmenden Stoff möglichst voll ständig verdrängt und auch evtl. entstandene Luft- oder Gasblasen zusammen mit dem bisherigen Produkt herausgedrängt werden. Bei der erfindungsgemäßen Durchflußzelle wird daher vorgeschlagen, daß die Zulaufleitung tangential an den in Betriebsstellung in mittlerer Höhe liegenden Teil und die Ablaufleitung an den räumlich diagonal gegenüberliegenden Teil der Meßkammer angeschlossen ist.

Damit die erfindungsgemäße Durchflußzelle sowohl für Ein-Strahl- als auch Zweistrahl-Absorptionsfotometer verwendbar und zum ande ren automatisch ansteuerbar ist, wird bei dieser Zelle eine Refe renzkammer und ein die Meßkammer und die Referenzkammer ent haltender beheizter Meßblock vorgeschlagen, der mittels eines An triebs derart relativ zum Strahlengang bewegbar ist, daß die Re ferenzkammer nach dem Bewegen des Meßblocks die gleiche Lage re lativ zum Strahlengang wie die Meßkammer vor dem Bewegen einnimmt.

Eine besonders günstige Antriebsart erreicht man, wenn der Meß block geradlinig mittels eines in eine senkrecht zu dessen Bewe gungsrichtung verlaufende Nut des Meßblocks eingreifenden Zapfens eines Exzenterantriebs verschiebbar ist.

Um die beiden Positionen des Meßblocks automatisch erfassen und damit den Antrieb steuern zu können, werden ferner Endschalter, insbesondere Magnetschalter zum Detektieren der jeweiligen End position von Meß- und Referenzkammer vorgeschlagen.

Um noch eine höhere Automatisierbarkeit der erfindungsgemäßen Durchflußzelle zu erreichen, wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Durchfluß des Produkts durch die Meßkammer von einem Magnetventil gesteuert wird.

Eine besonders günstige und einfache Beheizung der Zu- und Ab laufleitungen sowie des Meßblocks erzielt man, wenn die Zu- und Ablaufleitungen mit einem von dem Heizmedium durchströmten Rohr mantel umgeben sind und wenn die an der Durchflußzelle endenden Rohrmäntel dort mit einem durch den Meßblock verlaufenden Kanal verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich sowohl die Zu- und Ablaufleitungen als auch der Meßblock nur über einen einzigen Ka nal für das Heizmedium auf der gewünschten Temperatur halten.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Durchflußzelle für die optische Spektroskopie im nahen infraroten Spektralbereich (NIR) mit Licht der Wellenzahlen von 4500 cm^-1 bis 15 000 cm^-1 anwendbar. In diesem Bereich können die Absorptionslinien der Kombinationsschwingungen und Obertöne gemessen werden, die eine sehr viel geringere Extinktion haben. Aus diesem Grund ist die un gewöhnlich große Lichtweglänge durch die Meßkammer bei der erfindungsgemäßen Durchflußzelle vorteilhaft.

Insbesondere läßt sich die erfindungsgemäße Durchflußzelle zum quantitativen Bestimmen von fettchemischen Kennzahlen, wie zum Beispiel Säurezahl, OH-Zahl, Jodzahl usw., einsetzen. Beim üb lichen quantitativen Erfassen der fettchemischen Zahlen werden rein chemische Methoden angewendet, die eine relativ lange Zeit, in der Größenordnung einer Stunde, beanspruchen. Dagegen erhält man beim Einsatz der erfindungsgemäßen Durchflußzelle Meßzeiten von nur wenigen Minuten. Insbesondere lassen sich die fettche mischen Kennzahlen für immer wiederkehrende Analysen von Produkten bestimmter Produktionsanlagen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Durchflußzelle quantitativ bestimmen, denn bei diesen Produkten bestimmter Produktionsanlagen sind im allgemeinen die die Messung beeinträchtigenden Begleitstoffe bekannt, und durch deren Anwe senheit hervorgerufene Verfälschungen lassen sich durch Eichen der Spektren mit den auf herkömmliche Weise erhaltenden Meßergebnissen ausschließen.

Infolge der nur kurzen Meßdauer läßt sich die erfindungsgemäße Durchflußzelle auch besonders vorteilhaft zum Überwachen und Re geln eines Verfahrens durch kontinuierliches Bestimmen von Ist- Kenngrößen eines Zwischen- und/oder Endproduktes des Verfahrens anwenden. Die kurze Meßdauer und die Automatisierbarkeit der quantitativen Bestimmung der Kenngrößen mittels der erfindungsgemäßen Durchflußzelle ermöglichen einen solchen Einsatz dieser Zelle. Dabei sind verschiedene Grade der Automatisierung möglich. So ist im einfachsten Fall eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Anzeige der Kenngrößen eines bestimmten Ver fahrens durch Verwenden der erfindungsgemäßen Durchflußzelle mög lich.

Um die notwendigen optischen Eigenschaften und einen guten Korro sionsschutz zu erreichen, wurden die aus Aluminium gefertigten Teile der Durchflußzelle schwarz eloxiert. Zur Automatisierung wurde die Durchflußzelle sowie das Absorptionsfotometer an einen Rechner angeschlossen, der das Fotometer steuert und auch auto matisch die Meßwerte erfaßt und auswertet.

Im Betrieb wird das zu untersuchende Medium ständig durch eine Pumpe im Kreis gefördert. Wird das Magnetventil betätigt, so strömt die Flüssigkeit durch die Meßkammer. Anschließend wird eine Referenzmessung mit der Referenzkammer durchgeführt. Danach kann die Flüssigkeitsprobe durch Nachströmen aus der Produktvorlage gewechselt werden und der Meßzyklus beginnt von neuem.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Ein konkretes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Durchflußzelle in der Ansicht von oben gesehen,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Durchflußzelle nach Fig. 1 in Meßstellung,

Fig. 3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Durchflußzelle in Referenzstellung,

Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie C-D gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine Vergrößerung der Einzelheit "X" in Fig. 4,

Fig. 6 die Ansicht W nach Fig. 1,

Fig. 7 eine Darstellung des Meßblocks und zwar als Teilschnitt ähnlich wie in Fig. 4,

Fig. 8 die Ansicht Z nach Fig. 7,

Fig. 9 die Ansicht V nach Fig. 7,

Fig. 10 ein Schnitt K-L nach Fig. 7,

Fig. 11 ein Schnitt M-N nach Fig. 7,

Fig. 12 ein Schnitt G-H nach Fig. 7 und

Fig. 13 die Ansicht Y nach Fig. 7.

Die in Fig. 1 dargestellte Ansicht einer Durchflußzelle zeigt einen Meßblock (5) mit einer Zulaufleitung (2) und einer Ablauf leitung (3) für das Produkt. Die Produktleitungen und der Meßblock (5) werden mittels heißem Wasser auf eine konstante Temperatur bis zu 85°C gehalten. Dazu fließt das heiße Wasser in einem Mantel, der die Zulaufleitung (2) für das Produkt umgibt, bis zum Meß block. Von dort wird es über einen nicht eingezeichneten Schlauch zum Heißwasserzulauf (12) geleitet und fließt von dort durch einen Kanal (11) innerhalb des Meßblocks (5) zum Heißwasserablauf (13) und von dort über einen nicht eingezeichneten Schlauch zum Rohr mantel (10) für den Wasserablauf. Der Rohrmantel (10) hat seinen Anschluß bei der Bezugsziffer (14).

Der Meßblock (5) wird von einem Gleichstrommotor (15) mit Getriebe (16) von der Meß- in die Referenzstellung und umgekehrt bewegt. Die Endlagen des Meßblocks (5) werden durch zwei Magnetschalter (8) detektiert. Bei der Bewegung des Meßblocks (5) wird dieser von einer ersten Führungsleiste (17) und einer zweiten Führungsleiste (18) geführt, die in Nuten (19) bzw. (20) eingreifen. Dabei sind die Führungsleisten (17) und (18) ortsfest. Die Nuten (19) und (20) sind dagegen in einander gegenüberliegende Seiten des Meßblocks (5) eingefräst. Mit Bezugszeichen (21) ist die optische Achse gekennzeichnet.

Fig. 2 zeigt die Durchflußzelle mit dem Meßblock (5) in Meßstel lung. Die Heißwasseranschlüsse sind hier besonders gut zu erken nen. Hier und in allen sonstigen Figuren sind mit gleichen Be zugszeichen gleiche Teile bezeichnet. Zusätzlich zu den erwähnten Teilen ist in Fig. 2 der in die Nut (6) des Meßblocks (5) ein greifende Zapfen (7) mit Radialrillenkugellager (25) des Exzen terantriebs dargestellt. Auch der Rohrmantel (9) ist dargestellt, aus dem über den Anschluß (22) das heiße Wasser austritt, um über einen Schlauch bei dem Heißwasserzulauf (12) in den inneren Kanal (11) innerhalb des Meßblocks (5) zu strömen. Innerhalb des Meß blocks (5) sind ferner die Meßkammer (1) und die Referenzkammer (4) angeordnet, die durch Glasscheiben (23) nach außen hin abge dichtet sind. Das Material für die Glasscheiben (23) ist entspre chend dem verwendeten Wellenlängenbereich des Absorptionsfotome ters ausgewählt.

In Fig. 3 ist die Durchflußmeßzelle in Referenzstellung gezeigt. Ansonsten handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-D nach Fig. 1. Hier wird besonders der Antrieb des Meßblocks (5) deutlich. Eine Scheibe (24) wird vom Getriebe (16) des Motors (15) um ihre Achse gedreht und nimmt dabei einen exzentrisch gelagerten Zapfen (7) mit. Der Zapfen (7) greift in die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Meßblocks 5 verlaufende Nut (6) ein und ist innerhalb dieser Nut mittels eines Kugellagers (25) beweglich angeordnet. Da der Meßblock über die erste und zweite Führungsleiste (17), (18) geführt wird, die in die Nut (19) bzw. (20) des Meßblocks ein greifen, bewegt sich der Meßblock (5) bei einer Drehbewegung der Scheibe (24) in Richtung dieser Führungsleisten. Währenddessen bewegt sich das das Kugellager (25) aufweisende Ende des Zapfens (7) innerhalb der Nut (6). Hat der Meßblock (5) seine Endposition erreicht, so betätigt der an der Scheibe (24) angebrachte Dauer magnet einen der Endschalter (8). Ein angeschlossener Rechner kann dann die Bewegung des Motors (15) unterbrechen. In Fig. 5 sind die vorstehend genannten Einzelheiten noch deutlicher dargestellt.

Der räumlichen Anschaulichkeit halber zeigt Fig. 6 die Ansicht W nach Fig. 1. Dabei bezeichnet die Bezugszahl 26 eines der beiden äußeren Bleche, die die äußere, ortsfeste Halterung der Durch flußzelle bilden.

Ein Teilschnitt des Meßblocks ist in Fig. 7 dargestellt, an dem man den innerhalb des Meßblocks (5) verlaufenden Kanal (11) er kennt. Die Strömungsrichtung des heißen Wassers ist durch Pfeile innerhalb des Kanals gekennzeichnet. In Verbindung mit den Fig. 11 und 12, in denen ebenfalls die Strömungsrichtung des Wassers eingezeichnet ist, läßt sich so der Weg des Heizmediums durch den Meßblock verfolgen. Entsprechend Fig. 1 und 4 fließt das durch den Rohrmantel (9) strömende heiße Wasser über einen Schlauch zum Anschluß (12) und von dort über ein Rohr innerhalb einer Nut (28) zum Heißwassereintritt (27) (Fig. 11). Es strömt in einer hori zontalen Ebene durch den Meßblock (5), um bei (29) vertikal im Meßblock (5) hochzusteigen. Bei (30) werden die Bohrungen ver schlossen, so daß das Heizmedium nur innerhalb des Meßblocks (5) fließt. Bei (31) (Fig. 7) erreicht das Wasser wieder eine hori zontale Ebene, in der es gemäß Fig. 12 fließt. An der Stelle (32) strömt das Heizmedium wieder senkrecht nach oben zum Heißwasserablauf (13). Auf diese Weise werden sowohl die Meß- als auch die Referenzkammer gleichmäßig temperiert.

Fig. 8 und 9 zeigen Ansichten Z und V gemäß Fig. 7. Insbesondere wird darin die Lage der Führungsnuten (19) und (20) sowie der das Heißwasserrohr aufnehmenden Nut (28) sowie des Heißwassereintritts (27) verdeutlicht.

In Fig. 10 ist ein Schnitt längs der Linie K-L nach Fig. 7 dar gestellt. Insbesondere wird hier der Aufbau der Referenzkammer mit den Glasscheiben (23) dargestellt. Die Meßkammer (1) ist in glei cher Weise aufgebaut. Wichtig ist ferner, daß der Heißwasserkanal (11) möglichst nahe an der Meß- und Referenzkammer vorbeiführt, wie in Fig. 10 gezeigt.

Schließlich ist in Fig. 13 die Ansicht Y gemäß Fig. 7 darge stellt. Auch hier bedeuten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

Bezugszeichenliste:

1 Meßkammer
2 Zulaufleitung für Produkt
3 Ablaufleitung für Produkt
4 Referenzkammer
5 Meßblock
6 Nut
7 Zapfen
8 Endschalter, Magnetschalter
9 Rohrmantel, Wasserzulauf
10 Rohrmantel, Wasserablauf
11 Kanal
12 Heißwasserzulauf
13 Heißwasserablauf
14 Anschluß
15 Gleichstrommotor
16 Getriebe
17 erste Führungsleiste
18 zweite Führungsleiste
19 Nut
20 Nut
21 optische Achse
22 Anschluß
23 Glasscheiben
24 Scheibe
25 Radialrillenkugellager
26 (äußeres) Blech
27 Eintritt (H₂O)
28 Nut
30 zu verschließende Bohrung (totes Ende)

Claims

1. Durchflußzelle zur optischen Untersuchung eines flüssigen Produktes bei höheren als Raumtemperaturen, mit einer Meßkam mer (1), an die Zu- und Ablaufleitungen (2, 3) für das Produkt angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Zu- und Ablaufleitungen (2, 3) für das Produkt als auch die Meßkammer (1) von einem Heizmedium auf der höhe ren Temperatur gehalten werden und daß die Lichtweglänge durch die Meßkammer (1) mindestens 2 cm, insbesondere etwa 3 cm be trägt.

2. Durchflußzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (2) tangential an den in Betriebsstel lung in mittlerer Höhe liegenden unteren Teil und die Ablauf leitung (3) an den räumlich diagonal gegenüber liegenden Teil der Meßkammer (1) angeschlossen ist.

3. Durchflußzelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Referenzkammer (4) und einen die Meßkammer (1) und die Referenzkammer (4) enthaltenden beheizten Meßblock (5), der mittels eines Antriebs derart relativ zum Strahlengang beweg bar ist, daß die Referenzkammer (4) nach dem Bewegen des Meß blocks (5) die gleiche Lage relativ zum Strahlengang wie die Meßkammer (1) vor dem Bewegen einnimmt.

4. Durchflußzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßblock (5) geradlinig mittels eines in eine senk recht zu dessen Bewegungsrichtung verlaufende Nut (6) des Meßblocks (5) eingreifenden Zapfens (7) eines Exzenterantriebs verschiebbar ist.

5. Durchflußzelle nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch Endschalter (8), insbesondere Magnetschalter zum Detektieren der jeweiligen Endposition von Meß- und Referenzkammer (1, 4).

6. Durchflußzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß des Produkts durch die Meßkammer (1) von einem Magnetventil gesteuert wird.

7. Durchflußzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Zu- und Ablaufleitungen (2, 3) mit einem von dem Heizmedium durchströmten Rohrmantel (9, 10) umgeben sind und daß die an der Durchflußzelle endenden Rohrmäntel (9, 10) dort mit einem durch den Meßblock (5) verlaufenden Kanal (11) ver bunden sind.

8. Verwendung der Durchflußzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die optische Spektroskopie im nahen infraroten Spektral bereich (NIR) mit Licht der Wellenzahlen von 4500 cm^-1 bis 15 000 cm^-1.

9. Verwendung der Durchflußzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum quantitativen Bestimmen fettchemischer Kennzahlen.

10. Verwendung der Durchflußzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Überwachen und Regeln eines Verfahrens durch kontinuier liches Bestimmen von Ist-Kenngrößen eines Zwischen- und/oder Endprodukts des Verfahrens.