DE2116588A1

DE2116588A1 - Strömungszelle zur optischen Flüssigkeitsuntersuchung

Info

Publication number: DE2116588A1
Application number: DE19712116588
Authority: DE
Inventors: Robert James Oberlin Ohio Emary (V.St.A.)
Original assignee: Gilford Instrument Laboratories Inc
Current assignee: Gilford Instrument Laboratories Inc
Priority date: 1970-04-06
Filing date: 1971-04-05
Publication date: 1971-10-28
Also published as: FR2089174A5; DE7113165U

Description

PATENTANWÄLTE £ I I O O G Q

Dipl. Ing. E. Cdcr DlplJng. K. Scbleschke

Gilford Instrument Laboratories Inc.j Oberlin* Ohio/USA

Strömungszelle zur optischen Flüs s igke it sunt er suchung

Die Erfindung betrifft eine Strömungszelle für optische Analysiergeräte mit gegenüber den bisherigen Zellen erheblich

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verbessertem Blasenabstand, wodurch die Integrität der diskreten, die Zelle passierenden Flüssigkeits- oder Fluidanteile besser erhalten bleibt.

Strömungszellen für optische Analysiergeräte weisen einen Kanal auf, der im Bereich seiner Enden mit Ein- und Auslassen verbunden istj so daß man längs der Kanalachse einen Lichtstrahl durch die Zelle schicken und bei seinem Austritt erfassen kann. Die Turbulenz der Strömung im Kanal soll möglichst minimal sein,

»Die ideale Strömungszelle besitzt gemäß der Forderung nach -

genügend Licht in der optischen Bahn ein ausreichend kleines Vo lumen j so daß zwischen den verschiedenen Anteilen der Flüssigkeitsströmung nur eine äußerst kleine Vermischung erfolgt. Man erreicht dadurch, daß die vom Meß- oder Erfassungsgerät festgestellte charakteristische Änderung diesen Flüssigkeitsanteil exakt repräsentiert, so daß der Einfluß des Flüssigkeitsanteiles, der vor oder nachher in die optische Strömungsbahn gelangt* minimal ist. Bei der idealen Strömungszelle soll dies unabhängig von der Strömungsrate erfolgen und vor allem sollen diese Eigenschaften bei der zur Ausführung der jeweils vorliegenden Arbeit erforderlichen geringsten Strömungsrate eingehalten werden. Außerdem soll die ideale w Strömungszelle das spontane Herausspülen jeglicher im System vorhandenen Gasblasen ermöglichen, da z.B. an der Kanalwand der optischen Bahn haftende Luftblasen zu Fehlresultaten führen. Mit Rücksicht auf die zunehmende Verbreitung automatischer Analysiersysteme benötigt man möglichst ideale Strömungszellen·

Bei einem der üblichen automatischen Analysator en mit kontinuierlicher Strömung muß man die Luftblasen* die zum Trennen der Probenanteile dienen, entfernen. Das Entfernen der Luftblasen vor dem Eintritt in die optische Bahn, so wie dies jetzt noch üblich 1st, ist nicht ganz betriebssicher, so daß gelegent-

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ORIOiNAi.

lieh, eine eingeschlossene Blase in die Zelle und auch in die optische Bahn gelangt. Bei den bekannten Strömungszellen neigen die Blasen dazu an der die Bahn begrenzenden Wand zu haften oder sie werden an den Bahnenden festgehalten. Die Bahn muß mit möglichst geringer Verzögerung gespült werden, so daß keine Rückstände an der Wand verbleiben. Der Abstand oder Zwischenraum muß ohne Turbulenz beseitigt werden, die ein Vermischen der diskreten Flüssigkeits- oder Fluidanteile bewirken könnte, die nicht mehr durch die Luftblase getrennt sind, sondern mit ihren Grenzflächen aneinanderstoßen.

Man benötigt somit eine Strömungszellea die diese Anforderungen befriedigend löst und sich der idealen Strömungszelle weitgehend annähert. Sie muß bei den erforderlichen Strömungsraten einen sehr guten Abstand oder Spielraum bewirken, so daß sich die Flüssigkeitsanteile nicht vermischen können* Stagnierende Flüssigkeitstaschen müssen durch die Zelle getrieben werden. Außerdem muß die Zelle zur Reinigung und regelmäßigen Wartung leicht demontierbar sein.

Durch die Erfindung wird somit eine Strömungszelle zur optischen Untersuchung einer kontinuierlich fließenden Reihe von Flüssigkeits- oder Fluidproben geschaffen, wobei ein Grundkörper einen schmalen, durchgehenden Kanal als optische Bahn der Zelle aufweist sowie an den "Kanalenden dicht angebrachte, lichtdurchlässige Fenster und mit den Kanälenden verbundene Ein- und Auslässe, Die Strömungszelle zeichnet sich dadurch aus, daß die Ein- und Auslässe den gleichen Durchmesser wie der Kanal aufweisen und diesen in einem spitzen Winkel schneiden,

Zur ausführlicheren Erläuterung dienen die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt ι

Fig. 1 eine Strömungsübersicht mit den Einzelteilen eines Analysiersystems mit kontinuierlicher Strömung unter

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ORIGINAL INSPgCTED

Verwendung der erfindungsgemäßen Strömungszelle*

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der Strömungszelle eingebaut in eine Anordnung j die für kontinuierliche Strömungsanalysiersysteme gemäß Fig. 1 geeignet ist _Λ

Fig* 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Strömungszellej zur Darstellung des inneren Aufbaues teilweise geschnittenj

Fig. h einen Schnitt längs der Linie h-h in Fig. 3 durch den Einlaß und durch den Kanal und

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5~5 in Fig. 3 längs dem Auslaß und dem Kanal,

Als Beispiel für die Verwendung der erfindungsgemäßen Strömungs· zelle zeigt Fig. 1 ein optisches Analysier system mit kon~ tlnuierlicher Strömung. Eine Quelle 10 liefert eine Reihe kontinuierlich strömender Flussigkeitsanteile* die Jeweils durch eine zu diesem Zweck in die Strömung eingeführte Luftblase getrennt sind. Die Strömung passiert einen Blasenentferner 12 und gelangt dann in die Strömungszelle 20. Die Probenanteile werden nun nur noch durch ihre Grenzfläche getrennt. Eine Lichtquelle 18 leitet einen Lichtstrahl 16 durch die optische Bahn in der Strömungszelle 20 auf eine Photoröhre 22. Per Ausgang der Photoröhre 22 gelangt über einen Verstärker 2h auf ein Aufzeichnungsgerät 25· Der Austritt aus der Strömungszelle 20 erfolgt über eine Leitung in ein Sammelgefäß 28,

Ein Qrundkörper oder Block 30 besteht vorzugsweise aus einem maschinell bearbeitbareHj chemisch relativ inerten Material* wie etwa Dichlordif luoräthylenpolymer. Der Block 30 trägt die ". Ein- und Auslässe bzw. Durchlässe der Zelle 20. Vorder- und Rückseite des Blockes 30 werden durch zwei parallele Flächen

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ORIGINAL INSPECTED

32. und 3*f gebildet. Ferner weist der Block 30 parallele Ober- und Unterseiten 36 bzw· 38 auf und diagonale Eckflächen hO und *f2.

Ein schmalerj zylindrisch gebohrter Durchlaß oder Kanal hh vom gleichen Durchmesser führt durch den Block 30. Seine Achse ist parallel zur Unterseite 38 des Blocks. Im Aus ftihrungsbeispiel beträgt der Durchmesser des Kanals Ml· etwa 1.5 mm· Die Länge des Kanals ¹A- ist 10 mm, entsprechend der Stärke des Blockes 30 zwischen den Flächen 32 und Sh₀ Ein zylindrischer Einlaß h6 wird sorgfältig durch den Block 30 gebohrtj entlang einer Linie senkrecht zur Diagonalfläche und im Winkel zum Kanal hh an dessen Ende hd. Die Einlaßseite des Durchlasses k6 ist versenkt, so daß eine nach der Fläche M-O offene j abgestufte Ausnehmung 50 entsteht. Der Durchlaß k6 hat den gleichen Durchmesser wie der Kanal

Auf die gleiche Weise wird der Auslaß 52 hergestellt, indem man in den Block 30 auf einer Linie senkrecht zur Diagonalfläche h2 bis zum Schnittpunkt mit dem Kanal ¹A- an dessen gegenüberliegenden Ende 5^ bohrt. Eine abgestufte Ausnehmung 56 ist an der Einlaßseite des Durchlasses 52 nach der Diagonalfläche U-2 offen. Die Durchlässe 52 und hd sowie der Kanal kk haben den gleichen Durchmesser.

Zylindrische Stöpsel 58*58' mit gleichen Bohrungen 60 bzw· 60 * stimmen im Durchmesser ebenfalls mit den Durchlässen k6 und überein· Der Außendurchmesser der Stöpsel 58,58· entspricht etwa dem Innendurchmesser der Ausnehmungen 50 und 56· Verlängerungen 62,62 * der Stöpsel sind vorzugsweise etwas länger als die Stufe 6h der Ausnehmungen 50 bzw· 56, jedenfalls nicht kurzer als diese Stufe. Die Länge der Stöpsel 58,58' wird so gewählta damit ihre Enden 66,66» ausreichend außerhalb des Blocks 30 liegen, damit man die Zelle beispielsweise über

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Leitungen 68*68» bequem mit dem übrigen System verbinden ~^c' ^s* kann. Die Stöpsel 58^58* sitzen fest in den Ausnehmungen 50- und 56* wobei Ihre Enden 70*70* auf den Boden der Ausnehmungen stoßen. Durch die größere Länge der Verlängerungen 62*62 * entstehen Hohlräume 69-169 * und die Verbindungsstellen zwischen den Enden 70,7ο¹ der Verlängerungen 62_Μβ2 * der Stöpsel 58*58^f und dem Boden der Ausnehmungen 50 und 56 können keine Taschen oder Zwischenräume bilden* die zu Ausdehnungskammern In der Zelle führen könnten_e

Ebenso müssen die anderen Stirnseiten der Einsätze 58*58' mit parallelen Flächen zu den Leitungen 68*68* des Systems verlaufen* wobei deren Grenzflächenenden 72 genau parallel zu den Grenzflächenenden 7h»7h⁹ der Stöpsel 58*58* sein müssen* so daß eine enge Stoßverbindung entsteht* durch eine Hülse 76 unterstützt.

Abschließend werden an Vorder- und Rückseite 32 bzw. 3h des Blocks 30 der Strömungsseile 20 mittels Schrauben 82 die Haltewände 78 bzw. 80 angebracht. Um eine dichte Verbindung zu gewährleisten liegt eine flache* durchbohrte Dichtung 8*»-*/ vorzugsweise aus Tetrafluoräthylenpolymer (bekannt unter dem Warenzeichen "Teflon") zwischen der Wand 78 bzw. 80 und dem Block 30. Die Wände 78 und 80 sind mit einem Durchlaß 85 und einem Ringflansch 86 versehen. Die Wand 80 kann Teil eines Schlittens oder Supports sein.

In den Durchlässen 8k sind optische Fenster 88 angebracht* die bei Verbindung der Wände 78 und 80 mit dem Block gegen die Blockflächen 32 und 3h gedrückt werden und den Kanal kh verschließen. Die optischen Fenster 88» vorzugsweise aus Quarz werden durch Dichtringe 90 gegen die Flächen 32 und 3*l· des Blockes 30 gedrückt* wobei die Dichtringe aus elastischem Gummi bestehen und zwischen den Ringflanschen 86 und den Fenstern liegen.

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Das Strömungsmedium gelangt über die Bohrung 60 in die Zelle 20 und über den Durchlaß H6 in den Kanal ^f* am vorderen Ende *+8» Infolge des spitzen Schnittwinkele ergießt sich die Strömung über das Fenster und durch den Kanal ¹A-. Am Ende 5¹+ wird das Strömungsmedium durch den Trägheitseffekt über das Fenster getriebenj und gelangt durch den Auslaß 52 zur Bohrung 60 · der Stöpsel 58·. Dabei wird das Gleichgewicht zwischen den auf die Probeflüssigkeit wirkenden Kohäsions- und Adhäsionskräften eingehalten* so daß in der Zelle eventuell eingeschlossene Blasen sofort herausgetrieben werden. Infolge der dargestellten* abgewinkelten Anordnung von Einlaß und Auslaß an den äußersten Kanalenden können keinerlei Taschen mit eingeschlossener Flüssigkeit stören* etwa indem sie allmählich in die nachfolgenden Flüssigkeitsanteile einsickern· Blasen und andere Verunreinigungen werden sofort aus der Zelle gespült.

Gemäß der Erfindung verläuft der Einlaß MS diagonal in einem spitzen Winkel zu einer Ebene A-A entlang der Längsachse des Kanals hh und in einem spitzen Winkel zu einer zweiten Ebene B-B senkrecht zur Ebene A-A.. Ebenso verläuft der Auslaß symmetrisch zum Einlaß h6_a jedoch nach rückwärts ebenfalls in einem spitzen Winkel zur Ebene A-A und im gleichen aber umgekehrten Winkel in dem der Einlaß k6 zur Ebene A-A verläuft. Ebenso ist die Zuordnung des Auslasses 52 gegenüber der Ebene B-B. Wie Fig. 3 des Ausführungsbeispieles zeigt sind die Durchlässe k6 undj52 in symmetrischen Winkeln zur Längsachse des Kanals ¹A- angeordnete Die genaue Große des spitzen Winkels ist für die Arbeitsweise der Erfindung so lange ohne Bedeutung* als sich die Öffnung der Ein- und Auslässe an den äußersten Enden des Banales ¥f befinden* der die optische Bahn der Zelle 20 bildet. Man kann auch sagen* daß die Durchlässe h6 und 52 in einer Ebene tangential zu den Enden *f8 und 5*t des Kanals Vf liegen. In diesem Fall schneiden sich die Ebenen.

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Wichtig 1stj daß dl© in die Zelle und aus dieser herausführenden Bin- und Auslasse h6 bzw«, $2 den gleichen Durchmesser wie der !Canal Mf der optischen Bahn aufweisen. Die Bohrungen sollen vorzugsweise relativ eng sein» Dadurch erreicht man. ein minimales Vermischen der Anteile. Ebenfalls sollen die Schnittpunkte zwischen dem Kanal und dem Einlaß bzw. dem Auslaß möglichst direkt an den Fenstern, liegen, damit keine Taschen entstehen* die Fluss igkeitsrückstände j Reste oder Luftblasen einfangen. Da die Fenster abnehmbar sind ist eine periodische Wartung und Reinigung des Zelleninneren und der Fenster mSgliehj so daß die genaue Arbeitsweise der Strömungszelle erhalten bleibt.

PATEMTA NWÄLTE

Dipt Ins. E Eder Dipl. Ing. K. Schiesehke

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Claims

Dipl. Ing. E. fder 3

Dipl. ing. K. Schieschke

Patentansprüche

Strömungszelle zur optischen Untersuchung einer,kontinuierlich fließenden Reihe von Flüssigkeits- oder Fluidproben j wobei ein Grundkörper einen schmalen, durchgehenden Kanal als optische Bahn der Zelle aufweist sowie an den !Kanalenden dicht angebrachte, lichtdurchlässige Fenster und mit den Kanalenden verbundene Bin- und Auslässe, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslässe den gleichen Durchmesser wie der Kanal aufweisen und diesen in einem spitzen Winkel schneiden.

2· Strömungszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Auslaßkanal sowohl mit einer ersten Ebene entlang der Längsachse des ICanals als auch mit einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene und durch die Eanalenden einen spitzen Winkel bilden.

3. Strömungszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Auslaßkanäle symmetrisch zur Kanallängsachse in gleich großen, aber entgegengesetzten Winkeln angeordnet sind.

h, Strömungszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß und der Auslaß in je einer tangentialen Ebene an gegenüberliegenden Kanalenden verlaufen.

5· Strömungszelle nach Anspruch If, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden tangentialen Ebenen schneiden.

6. Strömungszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Auslaß mit dem Kanal unmittelbar an den Fenstern verbunden sind und in den Grund-

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körper oben und hinten an diagonal gegenüberliegenden Ecken eintreten.

7. Strömungszelle nach Anspruch 6j dadurch gekennzeichnet daß die diagonal gegenüberliegenden Ecken abgeflacht sind und daS die Längsachse der Ein- und Auslässe zu diesen Eckflächen praktisch senkrecht verläuft.

8. Strömungszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche _Λ dadurch gekennzeichnet _Λ daß sowohl der Einlaß als auch der Auslaß durch eine praktisch vertikale Bohrung gebildet istj daß eine abgestufte Ausnehmung die Bohrung und das Äußere des Grundkörpers verbindet und daß darin ein abgestufter Stöpsel sitzt j wobei die axiale B°hrung im Durchmesser mit der ersten Bohrung übereinstimmt und ihre Stirnform der abgestuften Ausnehmung angepaßt ist* so daß der Stöpsel dicht auf dem Boden der Ausnehmung aufsitzt.

9. Strömungszelle nach Anspruch 8_a dadurch gekennzeichnet j daß die Abstufung des Stöpsels länger ist als die Abstufung der Ausnehmung _Λ βο daß ein Hohlraum an der Abstufung entsteht _Λ wenn der Stöpsel auf dem Boden der Ausnehmung aufsitzt.

10. Strömungszelle nach Anspruch 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet* daß die Strömungszelle über äußere Leitungen mit einem Analyslersystem In Verbindung steht, daß die Leitungen eine Stirnfläche parallel zur äußeren Stirnfläche des Stöpsels aufweisen und eine enge Stoßverbindung mit der Stöpselstirnfläche bilden und daß zur Erhaltung des Eingriffs zwischen diesen Stirnflächen eine Hülse dicht über der Stoßverbindung sitzt.

U. Strömungszelle nach einem der vorhergehenden Anspruches dadurch gekennzeichnet* daß durch den Grundkörper eine

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Bohrung von gleichem Durchmesser führt und daß diese Bohrung U-förmig ist* wobei die Schenkel in einem spitzen Winkel nach hinten zur Basis schräggestellt sind und die Schenkel den Einlaß und den Auslaß und die Basis den !Canal bilden.

12· Strömungszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper im wesentlichen rechtwinklig geformt 1st und daß der Einlaß und der Auslaß im Winkel durch die Breite des Blockes führen* wobei sie auf einer Seite in den Block eintreten und auf der gegenüberliegenden Seite mit dem !Canal in Verbindung stehen.

PATENTANWÄLTE

Dipl. Ing. E. Eder Dipl. Ing. K. ^chteschkt

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