DE19729936A1

DE19729936A1 - Küvette

Info

Publication number: DE19729936A1
Application number: DE1997129936
Authority: DE
Original assignee: Universitaet Konstanz
Current assignee: Universitaet Konstanz
Priority date: 1997-07-12
Filing date: 1997-07-12
Publication date: 1999-01-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Küvette für den Einsatz in Spektrometern, insbesondere im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich.

Küvetten werden als Substanzbehälter in Spektrometern im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektral bereich eingesetzt. Sie dienen als optisch durchlässige und optisch möglichst neutrale Behälter für die zu untersuchenden Substanzen. Als Beispiel dafür sei der Nachweis von Schwin gungen des Moleküls im infraroten Spektralbereich genannt, mit dessen Einsatz Erkenntnisse über die Struktureinheiten der Moleküle gewonnen werden können. Solche Verfahren werden auch zur Strukturuntersuchung von frei beweglichen Molekülen sowie zur Bestimmung von Gaskonzentrationen, wie z. B. Ozon, in großen Höhen eingesetzt.

Die Aggregatszustände der Proben reichen von fest über flüs sig bis gasförmig. Sowohl für feste als auch für flüssige Substanzen sind kostengünstige sowie einfach und schnell zu reinigende Vorrichtungen bekannt. Diese Vorrichtungen weisen jedoch eine Reihe von schwerwiegenden Nachteilen auf, insbe sondere dann, wenn sie für die Untersuchung von gasförmigen Proben eingesetzt werden sollen.

Das zugrundeliegende Problem besteht darin, daß Gase im Vergleich zu Festkörpern und Flüssigkeiten eine sehr geringe Moleküldichte aufweisen. Dies bedeutet, daß nur eine geringe Anzahl von Molekülen für die Absorption der entsprechenden Strahlung zur Verfügung steht. Dies führt dazu, daß die Nach weisgrenzen und damit die Einsatzfelder für die Untersuchung von gasförmigen Proben sehr eingeschränkt ist. Eine Verbes serung der Nachweisgrenzen wäre jedoch sehr wünschenswert, da vor allem die optischen Methoden ausgezeichnete Möglichkeit bieten, um zu schnellen und kostengünstigen Aussagen in der Struktur-, Prozeß- und Umweltanalytik zu gelangen.

Es gibt eine Reihe von Vorschlägen, wie die Moleküldichte im Strahlengang des Spektrometers erhöht werden kann. Eine grundsätzliche Möglichkeit besteht darin, die Anzahl der für die Untersuchung zur Verfügung stehen dadurch Moleküle zu erhöhen, indem die Schichtdicke des zu untersuchenden Gases, d. h. die Länge der Küvette vergrößert wird. Dieser Vorschlag kann häufig nicht eingesetzt werden, da die meisten Spektro meter konstruktive Grenzen für eine Verlängerung aufweisen oder aber eine teure Sonderanfertigung für das jeweilige Spektrometer erforderlich wird. Darüber hinaus werden bei derartigen Konstruktionen hohe Anforderungen an die Ferti gungstoleranzen der verwendeten Optik sowie die Halterung der Küvette gestellt.

Alternativ wurde vorgeschlagen, die Moleküldichte dadurch zu erhöhen, daß Gase unter Druck in die Küvette eingefüllt wer den. Handelsübliche Küvetten weisen aber eine Reihe schwer wiegender Nachteile auf. Üblicherweise werden konventionelle gasdichte Küvetten schon bei geringem Überdruck (typischer weise ca. 1 bar) undicht. Häufig setzen derartige Küvetten eine sehr aufwendige Sonderanfertigung der verwendeten Scheiben voraus. Scheiben oder Fenster für die Infrarot spektroskopie bestehen üblicherweise aus Materialien wie CaF₂, KBr oder KJ. Dieses sind Werkstoffe mit unterschied lichen Durchlässigkeiten für bestimmte Frequenzbereiche. Allerdings sind diese Materialien vor allem auf Grund Ihrer Sprödigkeit schwierig zu bearbeiten. Dadurch sind die Mög lichkeiten der konstruktiven Formgebung eingeschränkt. Auch die Herstellung möglicher Sonderkonstruktionen wird recht aufwendig und teuer. Grundsätzlich läßt sich sagen, daß die Kosten solcher Scheiben etwa verzehnfacht werden, sobald die Form dieser Fenster von planen Scheiben abweicht. Besonders kostenaufwendig werden Untersuchungen dann, wenn verschiedene Fenstermaterialien verwendet werden müssen, um einem großen Frequenzbereich abdecken zu können.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß diese Küvetten nicht zerlegbar und damit in der Reinigung entsprechend aufwendig sind. Das Zerlegen und anschließende Reinigen von Küvetten ist jedoch notwendig, da Verschmutzungen die Untersuchungs ergebnisse verfälschen können.

Die beschriebenen Nachteile haben zur Folge, daß mit derarti gen Vorrichtungen eine schnelle und kostengünstige Unter suchung von gasförmigen Proben nicht erzielt werden kann. Dieser Umstand schränkt zudem die Anzahl und die Flexibilität der möglichen Untersuchungen deutlich ein. Darüber hinaus ist die erneute Abdichtung der Küvetten nach Abschluß der Reini gung aufwendig und häufig nicht erfolgreich.

Ebenfalls als ungeeignet für Untersuchungen unter erhöhtem Druck haben sich Systeme erwiesen, bei denen die optischen Fenster direkt eine Öffnung für das Befüllen der Zelle auf weisen, da die Druckbeständigkeit der Fenster ein begren zender Faktor für den zu erreichenden Druck darstellt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine gasdichte optische Küvette mit einer Druckfestigkeit bis zu etwa 10 bar anzugeben. Dabei sollte die erfindungsgemäße Küvette den Spezifikationen herkömmli cher Infrarot-Küvetten genügen, um sie auch in jedem handels üblichen Infrarotspektrometer einsetzen zu können. Außerdem sollte diese Küvette wartungsfreundlich, also zerlegbar und damit leicht zu reinigen, sein. Darüber hinaus sollte diese Küvette billig herzustellen und einfach zu befüllen sein. Weiterhin sollte diese Küvette gleichzeitig resistent gegen über Lösungsmitteln und Gasen sein und sich aus einem System auskoppeln lassen, ohne daß dabei aufwendige Absperrvorrich tungen geschaffen werden müssen. Schließlich sollte ein Durchflußbetrieb der Küvette, die vorzugsweise eine variable Schichtdicke aufweist, möglich sein.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß sich auf beiden Seiten des Küvettenkörpers der optischen Küvette jeweils ein Verbin dungsstück zur Zu- und Ableitung des zu untersuchenden Gases bzw. der zu untersuchenden Flüssigkeit befindet, durch das die Küvette befüllt bzw. entleert wird. Das Verbindungsstück zur Zu- und Ableitung enthält jeweils ein Ventil, wodurch die optische Küvette vom entsprechenden Gas- bzw. Flüssigkeits strom abgetrennt oder an diesen angekoppelt wird.

Durch das erfindungsgemäße Ankopplungssystem ist das Befüllen der optischen Küvette in verschiedenen Gasatmosphären mög lich, darunter auch beispielsweise luftempfindliche Lösungen. Unter Verwendung von Ventilen aus handelsüblichen Reifen für Kraftfahrzeuge erhält man eine einfache, preisgünstige und gleichzeitig sehr effektive Ankopplungseinheit.

Das erfindungsgemäße Befüllungssystem erlaubt den Einsatz handelsüblicher runder Fenster, insbesondere da keinerlei Bohrungen innerhalb dieser Fenster benötigt werden. Dies bringt einen erheblichen Preisvorteil mit sich. Die Fenster dieser optischen Küvette lassen sich einfach und schnell aus- und einbauen. Ein Austausch der Fenster oder deren Reinigung ist in wenigen Minuten möglich.

Die entscheidenden Vorteile der erfindungsgemäßen optischen Küvette liegen darin, daß diese sowohl gasdicht als auch überdruckfest ist. Aufgrund ihrer Gasdichtigkeit sind Messungen sowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten möglich. Der erzielbare Wert der Überdruckfestigkeit hängt vom verwendetem Fenstermaterial und den eingesetzten Fenstermaßen ab. Er beträgt etwa 10 bar bei CaF₂-Fenstern mit einem Durchmesser von 30 mm bei einer Schichtdicke von 5 mm.

Schließlich läßt sich die Schichtdicke der erfindungsgemäßen Küvette sehr einfach variieren.

Je nach gewählten Fenstermaterial ist die erfindungsgemäße Küvette für den ultravioletten, sichtbaren und/oder infra roten Spektralbereich geeignet. Zudem kann die optische Küvette in handelsüblichen Infrarotspektrometern und in Spektrometern im ultravioletten und sichtbaren Spektral bereich verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Meßzelle des Spektrometers längs der Durchstrahlrichtung und

Fig. 2 einen Schnitt durch das Verbindungsstück zwischen der Zu- und Ableitung und der optischen Küvette.

Dabei finden die folgenden Bezugszeichen Verwendung:

Bezugszeichenliste

1

Rückwand

2

,

7

optische Fenster (CaF₂

-Fenster)

3

,

4

Silikon-Dichtungsringe

5

Küvettenkörper (VA4-Stahl)

6

Abstandsdichtung (Teflon)

8

Innerer Anpreßring (VA4-Stahl)

9

Äußere Anpreßring (Messing)

10

,

11

,

12

,

13

Teflon-Teile

21

Optische Küvette

22

Führung und Abdichtung des Zylinder der Zu- und Ableitung

23

Auswechselbares (eingeschraubtes) Autoventil

24

Ventilkörper

25

,

26

,

27

Dichtringe (Viton)

28

1

/

16

'' Kapillare (Stahl)

29

Zylinder

In Fig. 1 ist der Aufbau der Küvette schematisch dargestellt. Der Kern der Infrarot-Zelle wird aus V4A Stahl (DIN 14 571) gefertigt. Die Maße der Zelle betragen im Außendurchmesser 50 mm mit einer Tiefe von 36 mm auf einer Grundplatte von 50 × 76 × 2 mm³. Der Körper ist auf der Grundplatte in 11 250 Schritten drehbar, und kann somit für verschiedene Spektro meter in die jeweils geeignete Lage gebracht werden, da dort eventuell überstehende Ein- und Auslaßstutzen den Einbau teilweise behindern.

Die Anforderungen an die verwendeten Fenster beziehen sich ausschließlich auf deren Außenabmessungen. Sämtliche bekannte Fenstermaterialien können verwendet werden. Da die spezielle Anfertigung von Fenstern für den Anwender in der Regel zu kostspielig ist, ist der Einsatz handelsüblicher Fenster wünschenswert. Es wird jedoch gefordert, daß diese Fenster jedoch beliebig variiert bzw. ausgetauscht werden können.

Die verwendeten runden Fenster werden mit O-Ringen abgedich tet, die um die Fenster gelegt und durch den äußeren Ring gequetscht werden. Um einen Schmiereffekt ohne zusätzliche Schmierstoffe zu erhalten, wird der äußere Anpreßring im Gegensatz zur übrigen Küvette aus Messing gefertigt. Da dieser Ring nie mit der Meßlösung in Kontakt kommt, besteht hierbei keine Gefahr von ungewollten chemischen Reaktionen. Als Dichtungsringe werden Silikon-Dichtungsringe verwendet; statt dessen können aber alle bekannten Dichtungsringe aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden. Dabei ist jedoch stets darauf zu achten, daß die verwendeten Dichtungs ringe resistent gegenüber dem jeweilig verwendeten Lösungs mittel sind und auch nicht ausgasen. Weiterhin verhindert die beschriebene Abdichtungsart eine Veränderung der Schichtdicke durch Deformierung und/oder Quellung der O-Ringe.

Die eigentliche Abdichtung erfolgt schließlich durch das Anpressen der Fenster auf den Abstandshalter aus Teflon mit dem inneren Ring. Dieser Abstandshalter zwischen den Fenstern sorgt zugleich für die definierte Schichtdicke, so daß durch die Schichtdicke des Abstandshalters die Pfadlänge der Küvette beliebig variiert werden kann. Zum Einsatz kommen beispielsweise Schichtdicken von 0.1, 0.2, 0.5 und 1 mm. Die lichtdurchlässige Fläche ist dabei durch den Abstandshalter festgelegt und beträgt in diesem Fall 1 × 1 cm², wobei der Ein- bzw. Abfluß diagonal zu den Ecken verläuft.

Die Meßlösung tritt seitwärts durch den Küvettenkörper und weiter durch einen der Teflondichtringe in den Abstandshalter ein und auf der anderen Seite auf die gleiche Weise wieder aus. Da der Abstandshalter aus leicht zu bearbeitendem Teflon besteht, kann die lichtdurchlässige Fläche in Form und Größe je nach Anwendung variiert werden. Durch die seitliche Befül lung der Küvette sind keine teueren und aufwendigen Bohrungen in den Fenstern notwendig. Da die Lage des Abstandshalters und die entsprechenden Teflon-Ringe durch eingefräßte An schläge fest fixiert sind, ist somit auch eine schnelle und unkomplizierte Montage gewährleistet.

Die Kraft, die benötigt wird, um die optische Küvette abzu dichten, ist derart gering, daß keine Verformungen an den Teflon-Teilen vorkommen. Die Bruchgefahr der Fenster wird dadurch verringert, daß ein direkter Kontakt mit dem Metall der Zelle vollständig vermieden wird. Zwischen den Anpreß ringen und den Fenstern befinden sich jeweils Teflon-Ringe.

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, erfolgt die Zu- und Ableitung an die Küvette mit dort seitlich in Bezug auf die optischen Fenster angebrachten 1/16'' Stahlkapillaren. Um ein Abkoppeln aus dem Befüllungs- bzw. Begasungssystem zu ermöglichen, sind an den küvettenseitigen Verbindungsstücken zu den Zu- und Ableitungen Ventile angebracht.

Als Ventile werden vorzugsweise adaptierte Ventile aus Reifen von Personenkraftwagen verwendet, die zuvor auf ihre Lösungs mittelresistenz geprüft wurden. Diese sind entsprechend dem zügigen Ventilaustausch bei Personenkraftwagen einfach und schnell auszutauschen, d. h. einzuschrauben, und außerdem sehr preisgünstig.

Durch Einbringen der Zu- bzw. Ableitung mit einem form schlüssigen Zylinder wird das jeweilige Ventil geöffnet. Während sich das Ventil öffnet, dichten die seitlich ange brachten Vitonringe das System nach außen hin ab. Mit diesen Ventilen in den Verbindungsstücken zur Zu- und Ableitung wird das erwünschte Abkoppeln aus dem Durchflußsystem erreicht. Die derart abgekoppelte Küvette ermöglicht Messungen in herkömmlichen Spektrometern im sichtbaren und infraroten Spektralbereich.

Claims

1. Küvette zur Untersuchung von Gasen und/oder Flüssigkeiten, umfassend einen Küvettenkörper, welcher aus

- mindestens zwei optischen Fenstern,
- mindestens zwei Dichtringen und
- mindestens einem Abstandshalter besteht, sowie mindestens jeweils einem Verbindungsstück zur Zu- und Ableitung, welches jeweils mindestens ein Ventil enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette durch die sich am Küvettenkörper jeweils seitlich bezüglich der optischen Fenster befindliche Zu- und Ableitung befüllt bzw. entleert und durch Betätigung der Ventile von der Zu- und Ableitung getrennt oder an diese angekoppelt wird.

2. Optische Küvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile aus Reifen von Kraftfahrzeugen oder dergleichen als Ventile für die zu- und/oder Ableitung verwendet werden.