CH502588A - Einrichtung zur Spektralanalyse - Google Patents

Einrichtung zur Spektralanalyse

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CH502588A
CH502588A CH1557069A CH1557069A CH502588A CH 502588 A CH502588 A CH 502588A CH 1557069 A CH1557069 A CH 1557069A CH 1557069 A CH1557069 A CH 1557069A CH 502588 A CH502588 A CH 502588A
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flame
radiation
sensor
mixing chamber
fuel
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CH1557069A
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Smith Stanley Babcook
Zindler Jerrold
Argon Rauf
Eastman Blackmer David
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Instrumentation Labor Inc
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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Description


      Einrichtung    zur     Spektralanalyse       Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Spektral  analyse durch Messung der atomaren Absorption, mit  einer Strahlungsquelle, einem Strahlungssensor und einer  Brennvorrichtung zur Erzeugung einer Flamme im opti  schen Weg zwischen der Strahlungsquelle und dem  Strahlungssensor, wobei die Brennvorrichtung je eine  Leitung für Brennstoff und Oxydationsmittel sowie     An-          schlussmittel    zum Verbinden dieser Leitungen mit Quel  len für Brennstoff bzw.     Oxydationsmittel    umfasst, mit  einer an den beiden Leitungen angeschlossenen Misch  kammer und einem daran befestigten Brennerkopf, wel  cher die Anordnung der Flamme relativ zum optischen  Weg bestimmt.  



  Es sind bereits Einrichtungen für die Spektralanalyse  durch Messung der Absorption einer Flamme, die ange  regte Atome der zu bestimmenden Substanz enthält,  bekannt geworden; die Flamme wird dabei durch eine  besonders konstruierte Brennereinrichtung erzeugt.  



  Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer solchen  Einrichtung, die eine grössere Genauigkeit in der Zün  dung und Regulierung der Flamme und damit eine  bessere Stabilität der Brennereinrichtung als die bekann  ten Einrichtungen aufweist und die insbesondere Korrek  turen für die Fehler vorsieht, die sich aus Änderungen in  der räumlichen Struktur der Flamme und Änderungen  der Bestandteile der     Flamme    ergeben, und die sich leicht  handhaben und bedienen lässt.  



  Die     erfindungsgemässe    Einrichtung zur Spektralana  lyse ist dadurch gekennzeichnet, dass je eine als Blende  zur Strömungsregulierung dienende feste, kreisförmige  Öffnung in den beiden Leitungen, zwischen und mit  Abstand von den Anschlussmitteln und der Mischkam  mer angeordnet sind, und dass in den beiden Leitungen  zwischen den Öffnungen und den Anschlussmitteln je  eine Regelvorrichtung vorgesehen ist.  



  Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs  gemässen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass  zusätzlich folgende Teile vorgesehen sind; eine zweite  Strahlungsquelle, wobei beide Strahlungsquellen als  Hohlkathodenröhren ausgebildet sind; drei weitere Strah-    lungssensoren, die zusammen mit dem ersten Sensor  paarweise je einer der Strahlungsquellen zugeordnet  sind; eine optische Vorrichtung, die bewirkt, dass Strah  lung aus jeder der Strahlungsquellen auf einem ersten  Weg durch die Flamme zu einem Sensor des zugehöri  gen Paares und auf einem zweiten Weg ausserhalb der  Flamme zum zweiten Sensor des Paares geführt wird;

    für jedes Paar Sensoren eine elektronische     Schaltungs-          anordnung,    welche für jeden Sensor des Paares einen an  diesen angeschlossenen logarithmischen Verstärker, der  als Ausgangssignal den Logarithmus des Sensorsignals I  bzw.     I,    bildet, eine an die beiden logarithmischen Ver  stärker angeschlossene Summationsschaltung, welche  log(I/Io) bzw. log(Io/I) bildet, und eine Anzeigevorrich  tung für das letztere Signal aufweist; sowie Mittel, um  das Signal log(I/Io) bzw. log(Io/I) der einen Schaltungs  anordnung der Anzeigevorrichtung der andern Schal  tungsanordnung zuzuführen, um Änderungen des Zu  standes der Flamme zu kompensieren.  



  Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die  Flamme mittels Einführung einer Eichsubstanz in die  Brennstoffmischung zu überwachen, und weiter kann die  Anzeige der Einrichtung linearisiert werden, so dass sie  dem Lambert-Beerschen Gesetz entspricht.  



  Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Ein  richtung der Erfindung anhand der Zeichnungen erläu  tert.  



       Fig.    1 zeigt die optische Anordnung des Ausfüh  rungsbeispiels mit der Flamme in stark schematisierter  Darstellung;       Fig.    2 eine Frontansicht auf das Gehäuse einer Bedie  nungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels mit Einstell  elementen;       Fig.    3 im Blockschaltbild eine Vorrichtung zur     Über-          Im    der Flamme;       Fig.    4 in schematischer Darstellung eine     Brennerein-          richtung    mit Zündvorrichtung;

         Fig.    5A und 511 Schaubilder, welche die mit der  beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung mit      Düsenöffnungen im Gasstrom erzielbare zeitliche Stabili  tät erkennen lassen;  Fig. 6 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines  der elektronischen Kanäle des Ausführungsbeispiels;  Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung  der Linearisierung der Anzeige der Einrichtung;  Fig. 8 ein Schaltbild der elektronischen Einrichtung  des Ausführungsbeispiels;  Fig. 9 in graphischer Darstellung das Verhalten der  Einrichtung des Ausführungsbeispiels in der Anwärmpe  riode nach dem Einschalten;

    Fig. 10 und 11 zeigen die Abhängigkeit der Ansprech  empfindlichkeit der Einrichtung des Ausführungsbei  spiels vom Verhältnis Luft-Brennstoff und  Fig. 12 eine graphische Darstellung der relativen Sta  bilität der Einrichtung bei Verwendung einer     Eichsub-          stanz.     



  In der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist die durch  einen Brenner erzeugte Flamme mit 10 bezeichnet. Es  sind zwei Strahlungsquellen 12 und 14, im vorliegenden  Beispiel Hohlkathodenröhren der für Instrumente mit  atomarer Absorption üblichen     Art,    vorgesehen. Jede  Hohlkathodenröhre erzeugt ein Linienspektrum, in dem  eine bestimmte Wellenlänge vorhanden sein muss, die  auch die zu analysierende Substanz in der Flamme des  Brenners     emittiert    und damit absorbiert. So kann die  Hohlkathodenröhre 12 unter anderem eine bestimmte  Calciumlinie und die Hohlkathodenröhre 12 unter ande  rem eine bestimmte Strontiumlinie aussenden.  



  Die Einrichtung enthält zusätzlich als Strahlungssen  sor 20 einen Photomultiplier, dem ein     3-Meter-Ebert-          Monochromator    22 zugeordnet ist, ferner als Strahlungs  sensoren 24, 26 und 28 Photodioden. Vor der Photodiode  24 ist ein Filter 30 angeordnet, welches nur die für die  Messung benötigte, bestimmte Wellenlänge aus dem  Spektrum der Röhre 14     durchlässt.    Ein gleiches Filter 32  ist vor der Photodiode 26 angeordnet; ein vor der  Photodiode 28 angeordnetes Filter 34 lässt nur Strahlung  einer bestimmten von der Röhre 12 erzeugten Wellenlän  ge durch.  



  Der von der Röhre 12 erzeugte Strahl 40 fällt durch  einen Strahlenteiler 42 aus Quarz und wird durch die  sphärische Quarzlinse 44, die für die D-Linie des Na  triums eine Brennweite von 64 mm hat, zwecks Durch  gang durch die Flamme 10 des Brenners so fokussiert,  dass das Bild der Blende der Röhre 12 im Mittelpunkt 46  der Flamme abgebildet wird. Bei dieser Ausführungs  form befindet sich die Blende der Röhre 12 im Abstand  <B>160</B> mm von der Linse 44, und das Bild bei 46 hat einen  Abstand von 90 mm von der Linse 44. Eine zweite Linse  48. die der Linse 44 gleich ist, fokussiert den Lichtstrahl  nach Durchgang durch die Flamme so, dass er durch den  Strahlenteiler geht und auf den Spalt 50 des     Monochro-          mators    22 abgebildet wird.

   Im Monochromator wird der  Lichtstrahl durch einen Spiegel 52 auf ein optisches  Gitter 54     reflektiert    und von diesem weiter auf einen  Spiegel 56 und durch die Austrittsblende 58 auf den  Photomultiplier 20 reflektiert.  



  Der Strahlenteiler 42 reflektiert einen Teil des Strahls  40 durch eine sphärische Quarzlinse von 50 mm Brenn  weite hindurch auf eine Strahlenteilerplatte 62, von wo er  durch das Filter 34 auf die Photodiode 28 gelenkt wird.  Dieser optische Weg, der die Flamme umgeht, dient zur  Überwachung der Röhre 12 unabhängig von der Flam  me.  



  Der Strahl 70 aus der Röhre 14 geht durch den  Strahlenteiler 42 und fällt nach Fokussierung durch die    Linse 60 durch den Strahlenteiler 62 durch das Filter auf  die Photodiode 26; dieser optische Weg hat dieselben  optischen Eigenschaften wie der zur Photodiode 28  gehörende optische Weg. Ein Teil des Strahls 70 wird  durch den Strahlenteiler 42 auf die Linse 44 gelenkt, die  im Punkt 46 in der Flamme 10 ein Bild der Blende der  Röhre 14 erzeugt, und wird nach Durchgang durch die  Linse 48 am Strahlenteiler 49 durch das Filter 30  hindurch auf die Photodiode 24 gelenkt.  



  In der Frontansicht der Fig. 2 ist hinter einer Mittel  platte eine schematisch dargestellte Brenneinrichtung  (Fig. 4) mit einem Brenner 80 und einer Mischkammer 82  vorgesehen, in welche die zu analysierende Probe einge  saugt wird. Über die Mittelplatte ragt nach oben ein  Abzugskanal 84 für die Verbrennungsprodukte der  Flamme. Im oberen Teil der linken Platte befinden sich  ein Netzschalter 90, ein Schalter 92 für die Röhren, ein  Schalter 94 für die Zufuhr des Oxydationsmittels und ein  Flammenschalter 96. Im unteren Teil der linken Platte  sind ein Einstellknopf 98 und eine Anzeigeskala 100 für  das Brennstoffsystem, ein entsprechender Einstellknopf  102 und eine Skala 104 für die Zufuhr des Oxydations  mittels angeordnet. Bei diesem Instrument wird als  Brennstoff Azetylen C2H2 und als Oxydationsmittel  Luft oder Stickoxydul N2O verwendet.  



  Auf der rechten Platte befindet sich im oberen Teil  ein Einstellknopf 110, der die Breite des Eintrittsspaltes  50 und des Austrittsspaltes 58 des Monochromators 22  regelt. Der Einstellknopf 112 regelt die Einstellung des  Gitters 54, und das Anzeigeinstrument 114 zeigt die  Wellenlänge der Gittereinstellung. Das Anzeigeinstru  ment 116 zeigt das Ausgangssignal des Multipliers 20  (Kanal A) und das Anzeigeinstrument 118 das Ausgangs  signal der Photodiode 24 (Kanal B) an. Jedem Anzeige  kanal ist ein Nullpunktseinstellknopf 120 und Eichknopf  122 zugeordnet. Zusätzlich ist ein automatischer Null  punkts-Druckschalter 123 zum automatischen Einstellen  des Nullpunkts der Einrichtung beim Einsaugen einer.       bekannten    Standardsubstanz oder Leerprobe vorgese  hen.  



  Im unteren Teil der rechten Platte sind ein     Ablese-          Halteschalter    124, ein Kanalwählschalter 126 mit drei  Einstellungen (A, B; A; A/B) und ein Zeitkonstantenein  stellknopf 128 angebracht. Zusätzlich sind zwei     Messin-          strumente    für die Anzeige des den Hohlkathodenröhren  der Kanäle A und B zugeführten Stroms bei Einstellung  durch die Einstellknöpfe 134 vorgesehen.

   Weitere     Mess-          instrumente    sind das Messinstrument 140 für den Aus  gangsstrom des     Photomultipliers    und das Messinstrument  142 für den Ausgangsstrom der Photodiode 28 (Kanal  A), das     Messinstrument    144 für den Strom der Photodi  ode 24 und das Messinstrument 146 für den Strom der  Photodiode 26 (Kanal B), und endlich das     Messinstru-          ment    148, welches den     Referenzstrom,    welcher der  Intensität h entspricht, im Kanal B anzeigt.

   Direkt  unter jedem der Messinstrumente 140, 142, 144 und 146  befindet sich je ein Regelknopf<B>150,</B> mit welchem die  Verstärkung des an den zugehörigen Photosensor ange  schlossenen Kreises geregelt werden kann.  



  Andere Einstellvorrichtungen sind für jeden Kanal  ein     Bereichseinstellknopf    152, für jeden Kanal ein Kur  venkorrekturknopf 154, und ein     Testpunkteinstellknopf     <B>156</B> zur Einstellung je eines aus einer Anzahl von  Testpunkten in jedem Kanal, wobei die ausgewählten  Testpunkte durch eine Steckbuchse, die auf jeden der  Kanalstecker 158 aufgeschoben werden kann, miteinan  der verbunden werden können.      Die in Fig. 3 im Blockschaltbild dargestellte Flam  menüberwachungsvorrichtung ermöglicht in dieser Aus  führungsform die Wahl von Luft über die Leitung<B>160</B>  oder von Stickoxydul über die Leitung 162 als Oxyda  tionsmittel und von Azetylen über die Leitung 164 als  Brennstoff. Jede Leitung enthält ein Sicherheitsventil 166  und ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 168.

   Das  Sicherheitsventil verhindert den Durchfluss und unter  drückt dadurch die Flamme, wenn der Druck in einer der  Leitungen zu niedrig ist. Ein weiteres Sicherheitsventil  170 spricht auf eine besondere Brennereinstellung an;  wenn das Oxydationsmittel Stickoxydul ist, wird das  Sicherheitsventil 170 nur dann betätigt, wenn sich der  richtige Brenner in der richtigen Stellung auf der Kammer  82 befindet. Ein Ansaugrohr 172 ist mit der Leitung 174  für das Oxydationsmittel verbunden. Regelvorrichtungen  176 in der Leitung 174 für das Oxydationsmittel und in  der Leitung 167 für den Brennstoff regeln den Druck des  durch eine kreisförmige Öffnung 178 in jeder Leitung  zum Brenner 80 fliessenden Gases; die Öffnung für das  Oxydationsmittel hat einen Durchmesser von 0,8 mm und  die Öffnung für den Brennstoff einen Durchmesser von  0,6 mm.

   Eine Leitung<B>182</B> für die Zündflamme, die mit  einem Elektromagnetventil 180 versehen ist, führt Brenn  stoff in die Nähe des Brenners 80, der dort durch einen  Funkenzünder 184 gezündet wird. Der Flammendetektor  186 dient zur Überwachung der Flamme; die Brennstoff  zufuhr wird selbsttätig unterbrochen, wenn während  einer vorbestimmten Zeitspanne keine Flamme vorhan  den ist.  



  In Fig. 4 ist die Brenneinrichtung schematisch im  Längsschnitt dargestellt. Sie enthält eine Mischkammer  82, auf welcher der Brenner 80 montiert ist. An die  Mischkammer 82 sind die Leitung 190 für Brennstoff, die  Leitung 192 für Oxydationsmittel und das Ansaugrohr  172 angeschlossen. Am oberen Ende der Mischkammer  ist eine Sprengmembran 194 angebracht, die bei Entste  hen eines zu grossen Drucks in der Mischkammer  zerspringt. Über dem Brenner 80 befindet sich eine     Zünd-          Brennstoffleitung    182 und ein selbsttätiger Funkenzünder  184. Dieser erzeugt beim Drücken des Knopfs 96 wieder  holte Funken für die Leitung 182, durch welche das  durch die Leitung 182 fliessende Gemisch entzündet  wird; dadurch wird wieder die durch den Brenner 80  fliessende Brennstoffmischung gezündet.

   Wenn nach  zwölf Sekunden keine Flamme entstanden ist, wird die  Zündung selbsttätig abgestellt und die Einrichtung kehrt  in die gesperrte Sicherheitsstellung zurück.  



  In Fig. 5B ist die Verbesserung der zeitlichen Stabili  tät dargestellt, die sich in der durch die Öffnungen 178  erzielten Arbeitsweise der Einrichtung ergibt, und zwar  im Vergleich zu Fig. 5A für eine Einrichtung mit Nadel  ventilen. Bei der in Fig. 5A dargestellten Messkurve mit  Regelung des Gasstroms durch Nadelventile wurde eine  Probe einer wässrigen Calciumlösung einer Konzentra  tion von 4 Teilen pro     Million    angesaugt und die Einrich  tung so eingestellt, dass die Absorption A nahezu     350/o     war; dabei entstand ein Ausgangssignal 196. Bei gleicher  Konzentration und Absorption, jedoch bei Verwendung  von Öffnungen 178 in den Leitungen wurde gemäss  Fig. 5B ein Ausgangssignal 198 erzeugt.  



  Im Blockschaltbild der Fig. 6 ist in vereinfachter  Form der erste elektronische Kanal A zusammen mit  anderen Teilen der Einrichtung dargestellt. Ein Zeitim  pulsgeber 200 liefert Rechteckimpulse, welche die Strah  lung der Röhre 12 modulieren. Die Strahlung dieser  Röhre wird durch eine Referenz-Photodiode 28 und    einen Photomultiplier 20 überwacht. Die     Wechselstrom-          Ausgangssignale    dieser Sensoren werden durch Verstär  ker 202 verstärkt und durch Demodulatoren 204 syn  chron demoduliert.  



  Die von den Demodulatoren gelieferten Gleich  stromsignale werden durch die Verstärker 206, die eine  logarithmische Kennlinie haben, umgeformt und in der  Subtraktionsschaltung 208 addiert, wodurch die Diffe  renz log(I/Io) oder log(Io/I) gebildet wird. Das von der  Subtraktionsschaltung 208 gelieferte Signal wird dem  Servoverstärker 210 zugeführt, der den Servomotor 212  betätigt, wodurch das Potentiometer 214 so eingestellt  wird, dass ein das Verhältnis     1/I"    darstellendes Aus  gangssignal vom Messinstrument<B>116</B> angezeigt wird.  Über die Leitung 222 wird nach Massgabe der Einstel  lung des Knopfes 128 eine selbsttätige Nulleinstellung  des Messinstruments bewirkt.  



  Der Kanal enthält ebenfalls eine Kompensations  schaltung 220, die der Linearisierung der Anzeige     ge-          mäss    dem Lambert-Beerschen Gesetz dient. Dabei wird  dem einen der logarithmischen Verstärker 206 eine Kom  pensationsspannung -kIo zugeführt, um den spektralen  Anteil     Ir    der durch die Flamme hindurch gemessenen  Gesamtintensität I* zu eliminieren, der von der zu ana  lysierenden Substanz unbeeinflusst ist.

   Es gilt  
EMI0003.0010     
  
    1) <SEP> I* <SEP> = <SEP> 1. <SEP> e-a <SEP> _I- <SEP> I
<tb>  2) <SEP> 1 <SEP> = <SEP> I* <SEP> - <SEP> IN <SEP> = <SEP> Io <SEP> e-a
<tb>  3) <SEP> Ix <SEP> - <SEP> KIo
<tb>  4) <SEP> I* <SEP> _ <SEP> kIo <SEP> - <SEP> Io       Darin ist I* die durch die Flamme hindurch gemesse  ne Gesamtintensität aller spektralen Anteile; der erste  Term Io e-a repräsentiert den spektralen Anteil der In  tensität, welcher durch Absorption durch die analysierte  Substanz modifiziert ist, und der zweite Term IN die  nicht durch die Substanz modifizierten Anteile. I ist die  Intensität bei einer absorbierenden Wellenlänge nach  Durchgang der Strahlung durch die Flamme,     a    die  Extinktion für diese Wellenlänge und k eine bei gege  benen Betriebsbedingungen konstante Zahl.  



  Fig. 7 zeigt den Einfluss der Linearisierung der       Extinktion    Ä als Funktion der Konzentration für eine  Messung an     Calcium.     



  In     Fig.    8 ist ein detailliertes elektrisches Schaltbild der  elektronischen Einrichtung mit den beiden Kanälen A  und B wiedergegeben. Jedem der Kanäle sind zwei  Sensoren 20, 28 bzw. 24, 26 zugeordnet. Ein Zeitimpuls  geber 200 liefert     Rechteckimpulse    geeigneter Frequenz  im Gebiet von etwa 100 bis 1000 Hz, die den vom  Speisungsgerät 230 an die Röhren 12 und 14 gelieferten  Strom modulieren. Die vom     Zeitimpulsgeber    erzeugten  Impulse werden über die Leitungen 232 ebenfalls den  Demodulatoren 204 zugeführt.  



  Die an jeden der Photosensoren angeschlossenen  Schaltungen im ersten Teil der beiden Kanäle entspre  chen sich im wesentlichen; deshalb soll nur die an die  Photodiode 28 angeschlossene Schaltung im Kanal A im  einzelnen beschrieben und sollen die Unterschiede der  entsprechenden Teile der Schaltungen der anderen Pho  tosensoren genannt werden. Das Ausgangssignal der  Photodiode 28 wird einem Vorverstärker 234 mit paral  lelgeschaltetem Rückkopplungswiderstand 252 und wei  ter über einen Kopplungskreis, der aus den Kondensato  ren 236 und 238 und einem Widerstand 240 besteht, dem       Wechselspannungsverstärker    202 zugeführt. Dieser Ver-      stärker ist ein regelbarer rückgekoppelter Verstärker.

   Der  Rückkopplungswiderstand 242, der einen Widerstands  wert (Wirkwiderstand) von über<B>1000</B>     MSZ    hat, ist mittels  eines der Knöpfe 150 (Fig. 2) so verstellbar, dass der  Verstärkungsgrad in einem Bereich von acht binären  Stufen geändert werden kann. Der Ausgang des Verstär  kers ist über Kondensatoren an den Demodulator 204  angekoppelt, dessen Ausgang über ein Filter, welches aus  einer Drossel 248 und einem RC-Netzwerk 250 besteht,  mit dem logarithmischen Verstärker 206 verbunden ist.  Das Messinstrument 142 zeigt das Ausgangssignal des  logarithmischen Verstärkers dieser Schaltung an.  



  Die zum Photomultiplier 20 gehörende Schaltung im  ersten Teil des Kanals A ist entsprechend aufgebaut. Der  Regulierwiderstand 242 dieser Schaltung wird mit Hilfe  des Verstärkungsregelknopfs 150 (Fig. 2) eingestellt. Das  Messinstrument 140 zeigt das Ausgangssignal des log  arithmischen Verstärkers 206 dieser Schaltung an. Zwi  schen die beiden parallelen Zweige eines jeden Kanals ist  eine Kompensationsschaltung 220 für die Linearisierung  der Anzeige geschaltet, welche einen Filterkreis 260,  einen Rückkopplungsverstärker 262, ein Potentiometer  264 mit Kurvenkorrekturknopf 154 (Fig. 2) und einen  Spannungsteiler mit den Widerständen 266 und 268  enthält.

   Durch den Kompensationskreis wird ein Teil  eines Referenzsignals, welcher kIo entspricht, vom  Signal, welches l'' entspricht, subtrakiert, so dass das  Ausgangssignal des Kanals eine lineare Funktion der  Konzentration wird.  



  Kanal B, welcher als Bezugskanal für die Messung  der Standardsubstanz dient, weist     Sensoren    24 und 26  auf. Er ist in elektrischer Beziehung entsprechend aufge  baut wie der Kanal A, der zu den Sensoren 20 und 28  gehört.  



  Das Ausgangssignal eines der logarithmischen Ver  stärker 206 eines jeden Kanals, z.B. gemäss Fig. 8 das  Ausgangssignal der Verstärker, die zu den Sensoren 28  und 26 gehören, wird über einen Widerstand 280 einem  Kehrwertverstärker 282 zugeführt, der den Kehrwert des  Signals bildet. Die beiden Ausgangssignale in jedem  Kanal werden dann über Widerstände 284 dem Subtrak  tionskreis 208 zugeführt, der als Ausgangssignal log  I/Io (bzw. log h/I) liefert. Dieses Signal wird über  einen Widerstand 290 dem der Änderung des Massstabs  der Anzeige dienenden Verstärker 292 zugeführt, dessen  Rückkopplungswiderstand 294 mittels des Knopfs 152  (Fig. 2) einstellbar ist.

   Ein selbsttätiger Nullpunktsein  stellkreis, der durch den Druckschalter 123 Fig. 2)  betätigt wird, enthält eine Rückkopplungsschleife mit  einem Servoverstärker 300 und einen Einstellwiderstand  302, der durch den Bereichseinstellknopf 152 einstellbar  ist. Der     Servoverstärker    speist den Servomotor 304,  welcher am Potentiometer 306 die Nullpunktseinstellung  bewirkt.  



  Das Ausgangssignal des Verstärkers 292 wird über  ein Filternetzwerk 310 einem Verstärker<B>312</B> zugeführt,  der den mittels des Zeitkonstanteneinstellknopfs 128 der  Fig. 2 einstellbaren Kondensator 314 und das mittels des  Eichknopfs 122, Fig. 2, einstellbare Eichpotentiometer  316 enthält. Der Ausgang des Verstärkers 312 ist über  einen Widerstand 320 an einen     Servoverstärker    210  angeschlossen, der den Servomotor 212 des Anzeigezäh  lers 116 im Kanal A bzw. 118 im Kanal B einstellt.

   Der  geeichte Kanalwählschalter 126, Fig. 2, hat eine erste  Stellung 332 für gleichzeitigen getrennten Betrieb beider       Kanäle    A und B, eine zweite Stellung 334 zum Betrieb  allein des dem Monochromator 22 zugeordneten Kanals    A und eine dritte Stellung 336, in welcher das Ausgangs  signal des Referenzkanals B über den Kopplungswider  stand 340 und den Kehrwertverstärker 342 einem Poten  tiometer 214 am Ausgang des Kanals A zugeführt wird,  welches zur Kompensation von Veränderungen des Zu  stands der Flamme dient. Der Ablese-Halteschalter 124,  Fig. 2, ermöglicht die Einzelablesung der     Messinstru-          mente    116 und 118.  



  Die Einrichtung ist     verhältnismässig    einfach zu bedie  nen. Im folgenden werden die zur Ausführung der  Analyse eines Elements erforderlichen Schritte beschrie  ben. Es können bei Einstellung des Kanalwählschalters  126 in der Stellung 332 entweder gleichzeitig zwei  Elemente analysiert werden oder es kann bei Einstellung  des Schalters in der Stellung 336 eine Referenzmessung  mit Standardelement     ausgeführt    werden. Es genügt je  doch, dass die Arbeitsweise der Einrichtung anhand einer  Beschreibung bezüglich des Kanals A allein     erläutert     wird, wobei der Kanalwählschalter 126 die Stellung 334  einnimmt.  



  Für eine solche Analyse wird der Halteschalter 124 in  die Haltestellung gebracht, in der er ausgenommen bei  Ablesungen verbleibt. Die Einstellknöpfe 134 für den  Strom der Hohlkathodenröhren werden bis zum An  schlag entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn gedreht; die  Knöpfe 154 für Kurvenkorrektur werden auf Null ge  stellt; der Netzschalter 90 wird eingeschaltet. Die Hohl  kathodenröhre 12 für Kanal A wird eingesetzt und die  Hohlkathodenröhre 14 für Kanal B entfernt. Vor die  Photodiode 28 wird ein passendes Lichtfilter 34 gesetzt.  Die Röhre 12 wird mittels des Schalters 92 eingeschaltet  und der     Einstellknopf    134 so eingestellt, dass das     Messin-          strument    130 (Fig. 2) die gewünschte Ablesung zeigt.

    Während des Warmwerdens der Röhre kann die Justie  rung des Brenners 80 geprüft werden. Mittels des Ein  stellknopfs 112 für das optische Gitter 54 (Fig. 1) wird  die passende Monochromator-Wellenlänge eingestellt, die  am Fenster 114 (Fig. 2) erscheint. Die Spalte des     Mo-          nochromators    können am Knopf 110 (Fig. 2) eingestellt  werden. Die Verstärkungsregelknöpfe 150 werden so  eingestellt, dass die Messinstrumente 140 und 142 die  gewünschten Ablesungen zeigen; die Einstellung des  Messinstruments 140 wird, falls erforderlich, auf die  Einstellung des optischen Gitters und auf die Spannung  des Photomultipliers 20 abgestimmt.  



  Dann wird durch Betätigen der Schalter 94 und 96 die  Flamme gezündet, und es werden die Einstellknöpfe 98  und 102 so     eingestellt,    dass an den Instrumenten 100 und  104 die richtige Ablesung erscheint. Während des Ansau  gens einer leeren Lösung kann der     Nullpunktsdruck-          schalter    123 einige Sekunden lang gedrückt werden und  der Halteschalter 124 in die     Ablesestellung    gebracht  werden. Wenn die     Ablesung    am Anzeigeinstrument 116  von Null verschieden ist, kann der Einstellknopf 120  benutzt werden, um das Instrument auf Null zu stellen.

    Die weitere Eichung erfolgt während des Ansaugens  einer Standardlösung, wobei der     Bereichseinstellknopf     152 so eingestellt wird, dass am Instrument 140 eine  zweckmässige     Ablesung    erscheint. Es kann dann eine  Prüfung ausgeführt werden, indem man eine leere Lö  sung ansaugt, um zu sehen, ob das Instrument auf Null  zurückgeht. Ist dies nicht der Fall, so wird die Orientie  rung des Brenners geändert. Nach dieser Eichung ist die  Einrichtung betriebsbereit.  



  Wenn eine     Referenzmessung        mit    Standardelement  ausgeführt werden soll, werden zunächst mit dem     Kanal-          wählschalter    126 in Stellung 332 die Kanäle A und B      unabhängig voneinander geeicht, worauf der Schalter in  die Stellung 336 gebracht wird und eine bestimmte  Menge des Standardelements in die Flamme gesaugt  wird.  



  In Fig. 9 ist der zeitliche Verlauf der Ablesung am  Anzeigegerät der Einrichtung bei einer Einstellung darge  stellt, bei welcher eine Extinktion A von 0,25 einem  vollen Skalenanschlag entsprach. Die Zeit t ist auf der  Abszisse in Minuten dargestellt. Die Kurve 350 wurde  erhalten mit dem Schalter 126 in Stellung 334 und die  Kurve 352 mit dem Schalter 126 in Stellung 336. Bei  beiden Messungen wurde die Einrichtung anwärmen  gelassen; es waren neue Hohlkathodenröhren eingesetzt,  die im angegebenen Startpunkt eingeschaltet wurden. Das  Doppelkanalsystem (Schalter in Stellung 336) war inner  halb Sekunden betriebsbereit, während das Einkanalsy  stem (Schalter in Stellung 334) erst nach etwa sechs  Minuten im betriebsfähigen Zustand war und nie den  Gleichgewichtszustand des Zweikanalsystems erreich  te.  



  In Fig. 10 ist die Extinktion A für Strontium und  Calcium als Funktion des Verhältnisses Luft zu Brenn  stoff im Brennstoffgemisch dargestellt. Wie man erkennt,  beeinflusst dieses Verhältnis die Messungen erheblich.  Weiter verlaufen bei Luft-Brennstoff-Verhältnissen ab  etwa 9 die Kurven für Strontium und Calcium praktisch  parallel, so dass jede als Eichkurve verwendet werden  kann.  



  Die Wirkung einer solchen Eichung ist dargestellt in  Fig. 11A und 11B; Fig. 11A zeigt für Calcium die  Empfindlichkeit der Einrichtung als Funktion des Ver  hältnisses Luft zu Brennstoff bei Messung mit einem  Kanal A ohne inneren Standard. Gemäss Fig. 11B steigt  bei Messung mit zwei Kanälen A und B mit Strontium  als Standardelement der gemessene Wert A im Kreu  zungspunkt der Kurven der Fig. 10 an und verläuft im  Bereich von 8 : 1 bis 12 : 1 für das Verhältnis Luft zu  Brennstoff praktisch auf gleicher Höhe.  



  Fig. 12 demonstriert auf anderer Basis die Bedeutung  des Doppelkanalsystems mit innerem Standard. Für  beide Messungen wurde Serum verwendet, welches im  Verhältnis 25: 1 mit 1%igem EDTA verdünnt war. In  beiden Fällen wurde der Flamme als Eichsubstanz Stron  tium zugegeben. Fig. 12A gibt die Extinktion für Calcium  gemessen mit dem Schalter 126 in der Stellung 334  (Kanal A allein) an, und Fig. 12B zeigt die entsprechende  Messung bei Eichung mit Strontium, mit Schalter 126 in  Stellung 336 (Kanäle A und B).  



  Demgemäss ermöglicht die Erfindung die Schaffung  eines vielseitigen spektralanalytischen Instruments auf  der Grundlage atomarer Absorption unter Korrektur der  sich aus Intensitätsschwankungen der Hohlkathodenröh  ren, aus Schwankungen beim Ansaugen sowie aus Ände  rungen der Flammenanordnung sich ergebenden Fehler;  es lassen sich dadurch genaue Messungen bis zu Werten  der Absorption von etwa     99,9%    erzielen. Aufeinander  abgestimmte Einstellungen ermöglichen Messungen der  Absorption mit einer Genauigkeit von 0,2 bis<B>0,57,</B> in  einem linearen Bereich von einigen Tausendstel bis zu  drei Einheiten der Extinktion.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Spektralanalyse durch Messung der atomaren Absorption, mit einer Strahlungsquelle, einem Strahlungssensor und einer Brennvorrichtung zur Erzeu gung einer Flamme im optischen Weg zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungssensor, wobei die Brennvorrichtung je eine Leitung für Brennstoff und Oxydationsmittel sowie Anschlussmittel zum Verbinden dieser Leitungen mit Quellen für Brennstoff bzw.
    Oxyda tionsmittel umfasst, mit einer an den beiden Leitungen angeschlossenen Mischkammer und einem daran befe stigten Brennerkopf, welcher die Anordnung der Flamme relativ zum optischen Weg bestimmt, dadurch gekenn zeichnet, dass je eine als Blende zur Strömungsregulie rung dienende feste, kreisförmige Öffnung (178) in den beiden Leitungen (190, 192), zwischen und mit Abstand von den Anschlussmitteln (168) und der Mischkammer (82) angeordnet sind, und dass in den beiden Leitungen (190, 192), zwischen den Öffnungen (178) und den Anschlussmitteln (168), je eine Regelvorrichtung (176) vorgesehen ist. UNTERANSPRÜCHE 1.
    Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass in einer Wand der Mischkammer (82) eine Sprengscheibe (194) angeordnet ist, die bei Über schreiten eines bestimmten Drucks in der Kammer bricht. 2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass in der Leitung für das Oxydationsmit tel ein Sicherheitsventil (170) vorgesehen ist, welches die Leitung nur dann freigibt, wenn ein bestimmter Brenner kopf in der richtigen Stellung an der Mischkammer (82) montiert ist.
    3. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass an die Mischkammer eine Zündlei- tung (182) angeschlossen ist, welche eine Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel aus der Mischkammer aufnehmen kann, dass am Brennerkopf eine Zündvor richtung (184) angeordnet ist, durch welche die aus der Zündleitung ausströmende Mischung gezündet werden kann, und dass zur Überwachung der Flamme am Brennerkopf ein Strahlungssensor (l86) vorgesehen ist, durch den bei Abwesenheit einer Flamme die Brennstoff zufuhr gesperrt wird. 4.
    Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass zusätzlich folgende Teile vorgesehen sind: eine zweite Strahlungsquelle (14), wobei beide Strahlungsquellen (12, 14) als Hohlkathodenröhren aus gebildet sind; drei weitere Strahlungssensoren (24, 26, 28), die zusammen mit dem ersten Sensor (20) paarweise je einer der Strahlungsquellen zugeordnet sind; eine optische Vorrichtung (42, 44, 48, 49, 60, 62), die bewirkt, dass Strahlung aus jeder der Strahlungsquellen auf einem ersten Weg durch die Flamme zu einem Sensor des ersten Paares und auf einem zweiten Weg ausserhalb der Flamme zu einem Sensor des zweiten Paares geführt wird;
    für jedes Paar Sensoren eine elektronische Schal tungsanordnung (A, B), welche für jeden Sensor des Paares einen an diesen angeschlossenen logarithmischen Verstärker (206), der als Ausgangssignal den Logarith mus des Sensorsignals I bzw. Io bildet, eine an die beiden logarithmischen Verstärker angeschlossene Subtraktions schaltung (208), welche die Differenz log(I/Io) bzw.
    log(I,/I) bildet, und eine Anzeigevorrichtung (116, 118) für das letztere Signal aufweist; sowie Mittel (126, 332, 334, 336), um das Signal log(1/Io) bzw. log(Io/I) der einen Schaltungsanordnung (B) der Anzeigevorrichtung (l16) der andern Schaltungsanordnung (A) zuzuführen, um Änderungen des Zustands der Flamme zu kompen sieren. 5. Einrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass jede der genannten elektronischen Schaltungsanordnungen (A, B) zusätzlich für jede Röhre eine Kompensationsschaltung (220) enthält, um eine Kompensation von Abweichungen der Anzeige vom Lambert-Beerschen Absorptionsgesetz zu bewirken. 6.
    Einrichtung nach Unteranspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass weiter für jede Subtraktionsschal tung ein einstellbarer Verstärker (292, 294) vorgesehen ist, um die Grösse des Ausgangssignals einer jeden der genannten elektronischen Schaltungsanordnungen verän dern zu können.
CH1557069A 1967-07-12 1968-07-10 Einrichtung zur Spektralanalyse CH502588A (de)

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