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StreulichtIn einem optisch homogenen Medium (Brechungsindex undAbsorption konstant) bewegt sich das Licht geradlinig fort.Streng genommen ist dies nur im Vakuum der Fall. Jede Änderung der optischen Eigenschaften durch ein Hindernislenkt den Lichtstrahl von seiner Bahn ab. Diesenphysikalischen Prozess nennt man Streuung von Licht anTeilchen. Lichtstreuung ist die Ursache für das PhänomenTrübung.

Lichtausbreitungin homogenemMedium (A) undbei GegenwarteinesHindernisses (B).

Sie beschränkt sich jedoch nicht auf die von Auge oder imMikroskop sichtbaren Teilchen. Selbst in reiner Luft oderreinem Wasser wird das Licht an den Molekülen gestreut.Diese Molekularstreuung ist zwar extrem klein, aber nichtvernachlässigbar: das Blau des Himmels beispielsweise isteine Folge der Streuung des Sonnenlichts an denMolekülen der Luft.

Die Prozesse, welche sich bei der Streuung abspielen, sinderstens die Beugung und zweitens die Anregung vonStrahlung. Beugung beruht auf der Wellennatur des Lichts:passiert eine Welle ein Hindernis in unmittelbarer Nähe, sowird sie von ihrer Richtung abgelenkt. Der Ablenkwinkel istvom Verhältnis aus Wellenlänge und Grösse desHindernisses abhängig. Anregung von Strahlung beruhtdarauf, dass die Atome angeregt werden, das eingestrahlteLicht wieder abzustrahlen. Je nach Art und Beschaffenheitdes Partikels wird dieses Licht gemäss den Gesetzen derLichtbrechung, der Reflexion oder der Dipolstrahlung inverschiedene Richtungen emittiert (die Reflexion einesSpiegels ist ein Spezialfall davon).

Die Kriterien, welche die Intensität des Streulichtsbeeinflussen, sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Streuung vonLicht an einemkugelförmigenTeilchen.

Der einfallende Lichtstrahl mit der Intensität Iinc und der

Wellenlänge l treffe auf ein kugelförmiges Teilchen. DieIntensität Isc des Streulichts ist eine Funktion des

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Streuwinkels, der Korngrösse, der Wellenlänge und deroptischen Eigenschaften des Teilchens und des Mediums.Man kann also symbolisch schreiben:

Isc = Isc( Q, l, d, n )

wobei Q den Streuwinkel, d den Partikeldurchmesser, l dieWellenlänge und n den Brechungsindex relativ zum Mediumbezeichnet.

Die explizite Formulierung dieser Gleichung ist Gegenstandder Streutheorie. Die allgemeine Lösung für beliebigeWerte der Parameter liefert bei kugelförmigen Partikeln dieMie-Theorie. Die Rayleigh-Theorie (Rayleigh-Streuung) istals Spezialfall für sehr kleine Teilchen (<0.05 µm) in dieserenthalten. Die Gleichung hat eine komplexe mathematischeStruktur und kann mit Computern gelöst werden.

Eine praktische Anwendung der Streulichtmessung ist dieBestimmung des Trübungswerts, der Angaben über denGehalt an Feststoffen in flüssigen und gasförmigen Medienliefert.

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© Sigrist-Photometer AG, CH-6373 EnnetbürgenZuletzt geändert am Freitag, 12. März 2004.

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Knochenasche 1.60 .. 1.66

Formazin 1.85

Al2O3 1.76

CaSO4 1.57

Hefe 1.49 .. 1.53

Polystyrol-Latex 1.59

Paraffinöl 1.48

PbO, Pb3O4, PbO2 2.3 .. 2.7

TiO2 2.6 .. 2.9

ZnO 2.0

In der Praxis ist das Trägermedium meist Luft (1) oder Wasser (1.33),und deren Brechungsindex geht in die Kalibrierung desTrübungsmessgerätes ein. Der Einfluss des Brechungsindexes auf dieMessung wird nur dann fühlbar, wenn die gemessene Substanz stark vomKalibrierprodukt abweicht.

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Absorptionskoeffizient, bezogenerspektraler

k(l)Früher als "Extinktionskoeffizient el" bezeichnet.

Quotient aus dem spektralen Absorptionskoeffizienten a(l)einer Lösung und der Konzentration c des darin gelöstenStoffes:

k(l) = a(l)/c

k ist also die Stoffkonstante, welche es gestattet, aus demspektralen Absorptionsmass A die Konzentration desgelösten Stoffes gemäss dem Lambert-Beer'schen Gesetzzu berechnen. Er ist eine Funktion der Wellenlänge undwird durch die Absorptionsspektralanalyse bestimmt.

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Absorptionsmass, spektrales

A(l)Früher als "Extinktion El" bezeichnet.

Das dekadische spektrale Absorptionsmass ist derdekadische Logarithmus des Kehrwertes des spektralenReintransmissionsgrades ti(l).

A(l) = lg (l/ti) = lg ( fll in / fllex )

Die Anzeige der handelsüblichen Photometer liefertallgemein das Absorptionsmass als Messgrösse, da diesesgemäss dem Lambert-Beer'schen Gesetz zurKonzentration proportional ist. Es gilt aber zu bedenken,dass das Photometer messtechnisch denTransmissionsgrad erfasst. Bei der Umwandlung durchLogarithmierung entsteht eine unterschiedlich hoheAuflösung des Absorptionsmasses für verschiedeneTransmissionswerte, wie die folgende Skala in zeigt:

Absorptionsmass und Transmissionswerte

Im Bereich hoher Transmissionen ist die Auflösungbesonders gut. Praktisch wird deshalb bevorzugt derBereich von 0..0.6A (100..25%t) genutzt. Der niedrigstemit Sigrist-Photometern ausgewertete Bereich ist 0..0.3 A.

Substitutionsmethode

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Absorptionskoeffizient, spektraler

a(l)Früher als "Extinktionsmodul ml" bezeichnet.

Quotient aus dem dekadischen Absorptionsmass A(l) undder Schichtdicke d des durchquerten Mediums. Die Einheit

ist m-1. Diese materialspezifische Grösse, welche auch alsSAK bezeichnet wird, erübrigt die Spezifikation derverwendeten Schichtdicke.

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AbsorptionsspektralanalyseWeit verbreitete physikalisch-chemische Analysenmethode zumNachweis und zur Konzentrationsbestimmung organischer undanorganischer Stoffe, bei der die absorbierte Wellenlänge sowie dieStärke der Absorption gemessen wird.

Absorptionsspektrumeiner salzsauren

Fe3+-Lösung(Konzentration50ppm, Schichtdicke2mm)

Die Aufnahme des Absorptionsspektrums (Absorptionsmass in Funktionder Wellenlänge) gestattet die Bestimmung der Wellenlänge, bei derdie betreffende Substanz die Lichtenergie absorbiert. Das Ausmass derAbsorption dient zur Berechnung der Konzentration des Stoffes gemässdem Lambert-Beer'schen Gesetz.

Spektrum

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BrechungsindexDer Brechungsindex gibt an, wie stark ein Lichtstrahl beim Übergang vomVakuum in das betreffende Material abgelenkt wird.

Der Zusammenhang zwischen dem Trübungswert und derFeststoffkonzentration einer Suspension wird von den Streueigenschaftender Feststoffteilchen merklich beeinflusst. Die Streulichtmenge hängtnicht nur von der Konzentration ab, sondern auch von der Korngrösseund dem Brechungsindexverhältnis zwischen den Partikeln und demMedium.

Je stärker sich die Partikel vom Medium unterscheiden (d.h. je grösserdie Differenz der Brechungsindizes ist), umso mehr streuen sie das Licht.Ist kein Unterschied vorhanden, so gibt es auch keine Lichtstreuung. Dieskann durch einen Versuch illustriert werden. SiO2 wurde in Flüssigkeiten

unterschiedlicher Brechungsidizes suspendiert und die resultierendenStreulichtintensitäten gegen den Brechungsindex aufgetragen:

Streulichtintensität A(relative Einheit) vonSiO2 in

Methanol/Benzothiazol-Gemischen mitunterschiedlichenBrechungsindizes B.

Am Minimum der Kurve ist praktisch kein Streulicht mehr vorhanden; dieSuspension erscheint nicht mehr trübe. Hier sind die Brechungsindizesdes Mediums und des suspendierten SiO2 gleich gross (1.47). Diese

Methode erlaubt die Bestimmung des Brechungsindexes vonsuspendierten Teilchen.

Die nachstehende Tabelle zeigt die Werte einiger Substanzen:

Substanz Brechungsindex

a-SiO2 1.45 .. 1.47

Methanol 1.329

Wasser 1.333

Quarz (nat. SiO2) 1.55

c-SiO2 1.48

Ca3 (PO4)2 1.60 .. 1.66

CaCO3 1.5 .. 1.7

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BeugungAuch Diffraktion genannt. Allgemein jede Ablenkung einesWellenvorgangs (Wasserwelle, Schallwelle, Lichtwelle) inder Nähe eines Hindernisses.

Streulicht

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DurchlässigkeitAuch Transparenz genannt. Eigenschaft von flüssigen,festen oder gasförmigen Substanzen, Lichtstrahlung ganzoder teilweise passieren zu lassen. Der Transmissionsgradist das Verhältnis der durchgelassenen zur auffallendenStrahlungsleistung.

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Extinktion

ElFrühere Bezeichnung für spektrales Absorptionsmass A(l).Abschwächung der Strahlung durch Absorption undStreuung (Streulicht) beim Durchgang durch Materie.

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Extinktionsmodul

mlFrühere Bezeichnung für spektraler Absorptionskoeffizient.

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Extinktionskoeffizient

elFrühere Bezeichnung für bezogener, spektralerAbsorptionskoeffizient.

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FarbeAls Farbe oder Färbung von Flüssigkeiten im Sinne derphotometrischen Analysentechnik bezeichnet man ihreoptische Eigenschaft, die spektrale Zusammensetzung dessichtbaren Lichts zu verändern. Infolge der Absorptionbestimmter Wellenlängen des durchscheinenden Lichtsweist die Flüssigkeit die entsprechendeKomplementärfarbe auf.

Bei der Spektralanalyse interessiert vor allem die durchgelöste Stoffe hervorgerufene Färbung. Ungelöstefeindisperse Stoffe können aber infolge des Streulichtsebenfalls eine Färbung verursachen.

SpektrumTrübungStreulicht

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FeststoffkonzentrationDie Bestimmung der Feststoffkonzentration in Flüssigkeitenund Gasen erfolgt gemäss den normierten Methodenmittels Filtration oder Zentrifugation. Der Feststoffanteilwird also abgetrennt, getrocknet und gewogen. DieseLabormethoden haben den Nachteil, dass sie mehrereStunden beanspruchen und kaum automatisiert werdenkönnen.

Die Trübung hingegen, welche die Feststoffteilchenverursachen, eignet sich als optische Erscheinung bestenszur kontinuierlichen Messung. Die Bestimmung desTrübungswerts erfolgt durch die Erfassung des Streulichts,entweder als Abschwächung des transmittierten Lichts(Streukoeffizient) oder als Streulichtintensität unter einembestimmten seitlichen Winkel.

Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen demTrübungswert und der Feststoffkonzentration einerSuspension, wenn die Eigenschaften der Teilchen, ihrBrechungsindex und vor allem ihre Korngrösse konstantsind. Die für die Kalibrierung benutzte StandardsuspensionFormazin ist ein gutes Beispiel dafür.

Die folgende Kurve zeigt als anderes Beispiel denZusammenhang zwischen dem Trübungswert in FTU undAufschlämmungen von Titanoxid und Eisenoxid (Rost).

Trübungswert inFunktion derKonzentrationbei 620nm(Sigrist KTL).

Aber auch weniger homogene Medien wie Oberflächen-oder Grundwasser zeigen eine sehr gute Übereinstimmungihres Feststoffgehalts mit dem Streulicht. Insbesonderehaben verfahrenstechnische Trennverfahren (Filtration,Sedimentation, Zentrifugation, Gaswäsche usw.) dieTendenz, das Korngrössenspektrum einzuengen, was derReproduzierbarkeit zugute kommt.

In der Abgasaufbereitung beispielsweise ergibt dieStreulichtmessung nach Elektrofiltern undGaswaschanlagen gut reproduzierbare Werte zur Messungder Staubkonzentration.

In jedem Fall, selbst bei stark wechselnderZusammensetzung wie z.B. in gewissenIndustrieabwässern, liefert die kontinuierlicheTrübungsmessung ein zuverlässiges Mittel zur Meldung vonKonzentrationsstössen.

StaubmessungRauchgasmessung

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FormazinDie Anzeige der Trübungsmessgeräte erfolgt nicht in Form der gemessenenLichtintensität, sondern als Konzentration einer Bezugssuspension. Die Genauigkeitdieser Kalibrierlösung bestimmt diejenige der Trübungsmessung und ist deshalbvon entscheidender Bedeutung.

Der international festgelegte Trübungsstandard für die Kalibrierung ist Formazin.Dieser Standard kann aus kommerziell erhältlichen Chemikalien gemäss Rezept ausder Norm ISO 7027 (Wasserbeschaffenheit - Bestimmung der Trübung) jederzeitreproduziert werden.

Die Einhaltung der Herstelltemperatur ist dabei von grosser Wichtigkeit, da sie dieKorngrösse der entstehenden Formazinpartikel fühlbar beeinflusst, wie die folgende

Abbildung zeigt. Der daraus resultierende Fehler beträgt 1..2%K-1. Aus diesemGrund wird bei Sigrist die Herstelltemperatur auf ±1°C konstant gehalten.

Korngrössenverteilungenvon Formazin fürverschiedeneHerstellungstemperaturen.

Ein massgebendes Kriterium ist auch die Reinheit des verwendeten Wassers.Vorschriftsmässig filtriertes Wasser weist erfahrungsgemäss noch eine Reststreuungvon ca. 0.02 FTU = 20 mFTU auf (Grundaufhellung). Dies ist bei der Kalibrierungund der Messung von sehr kleinen Trübungswerten zu berücksichtigen.

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FTUAbkürzung für "Formazine Turbidity Unit". In derWasseraufbereitung verwendete Kalibriereinheit aufFormazin-Basis für Trübungsmessungen imStreulichtverfahren.

Kalibrierung (Trübung)

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IsokinetikGeschwindigkeitsgleichheit bei der Probenahme eines Gases zur Staubmessung.

Um eine von der Partikelgrösse unabhängige, repräsentative Probenahmesicherzustellen, ist es notwendig, den Teilstrom isokinetisch, also mit gleicherGeschwindigkeit wie der Hauptstrom, zu entnehmen. Die folgende Abbildungzeigt den Verlauf der Stromlinien in der Nähe einer dünnwandigen Absaugsonde:

ProbenahmeeinesstaubhaltigenGases

Im isokinetischen Fall (w=v) werden alle Partikel, die im Bereich desÖffnungsquerschnitts anströmen, auch gesammelt. Im Falle einer zu langsamenAbsaugung (w>v), können träge Partikel in die Sonde gelangen, obwohl dieStromlinie, auf der sie sich befanden, an der Sonde vorbeigeht. Dadurch werdenzu viele grosse (träge) Partikel gesammelt. Ist die Absaugung zu schnell (w<v),so können träge Partikel auch hier den Stromlinien nicht mehr folgen und fliegendadurch an der Sonde vorbei. Dies führt dazu, dass zuwenig grosse Partikelgesammelt werden. Der Fehler, der bei unterisokinetischer Entnahme (Mitte)entsteht, ist um ein Vielfaches grösser als im umgekehrten Fall.

Die folgende Abbildung zeigt den relativen Staubgehalt e in Abhängigkeit vomGeschwindigkeitsverhältnis Teilstrom/Hauptstrom (WA/W0) und der Kenngrösse

B, welche die Teilchensinkgeschwindigkeit und den Sondendurchmesser enthält.

Fehler bei verschiedenenGeschwindigkeitsverhältnissen

Wie man sieht, ist der Fehler bei gleichen Geschwindigkeiten (Isokinetik) gleichNull und steigt bei kleineren Absauggeschwindigkeiten steil an. Im Bereich der

höheren Teilstromgeschwindigkeiten hingegen ist der Fehler kleiner und vorallem ab WA/W0 = 1.5 praktisch konstant.

Diese Tatsache wird in den Sigrist-Staubmessanlagen ausgenützt, um die

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aufwendige isokinetische Probenahme zu vermeiden. Die Entnahme erfolgt dortimmer bei Geschwindigkeiten, welche mindestens das 1.5-fache derjenigen desHauptstroms betragen. Der absolute Fehler geht dabei in die Kalibrierung desGeräts ein, welche mit dem Messgas vor Ort stattfindet. Rauchgasmessung

Die Teilchensinkgeschwindigkeit (B) beinhaltet auch die Korngrösse derStaubpartikel. Je einheitlicher die Korngrössenverteilung ist, desto kleiner wird

der entstehende Fehler. Die in der Rauchgasaufbereitung eingesetzten Verfahren(Elektrofilter, Gaswäscher usw.) engen das Korngrössenspektrum ein, was der

Reproduzierbarkeit sowohl der Kalibrierung (Feststoffkonzentration vs. Streulicht)als auch der Entnahme zugute kommt.

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Kalibrierung (Trübung)Zur praktischen Interpretation des Trübungswerts werdendie Trübungsmessgeräte mit einer Standardsuspensionkalibriert. Die Anzeige erfolgt somit nicht in Form dergemessenen Lichtintensität, sondern als Konzentration derKalibriersuspension. Bei der Messung einer beliebigenSuspension bedeutet also die Anzeige, dass die betreffendeFlüssigkeit die gleiche Lichtstreuung verursacht wie dieStandardsuspension der angezeigten Konzentration.

Der international festgelegte Trübungsstandard istFormazin. Die geläufigsten Einheiten sind:

ASBC - "American Society of Brewing Chemists".In der Brauerei angewandte amerikanische Einheit.

EBC - "European Brewery Convention".In der Brauerei angewandte europäische Einheit.

FAU - "Formazine Attenuation Units".In der Wasseraufbereitung verwendete Einheit für dieDurchlichtmessung (Winkel 0°) gemäss denVorschriften der Norm ISO 7027.

FNU - "Formazine Nephelometric Units". In der Wasseraufbereitung verwendete Einheit für dieMessung bei 90° gemäss den Vorschriften der NormISO 7027.

FTU - "Formazine Turbidity Unit". In der Wasseraufbereitung verwendete Einheit.

NTU - "Nephelometric Turbidity Unit".In der Wasseraufbereitung verwendete Einheit für dieMessung bei 90° gemäss den Vorschriften der US-EPA (Environmental Protection Agency)

TE/F - "Trübungseinheit/Formazin".Deutsche Einheit, die in der Wasseraufbereitungverwendet wird.

Umrechnungstabelle für die auf Formazin basierendenEinheiten:

1 EBC1 FNU1 NTU1 FTU

1 ASBC

1 0.25 0.014 EBC

4 1 0.057FNUNTUFTU

70 17.5 1 ASBC

Eine andere, heute kaum mehr verwendeteKalibriersuspension ist die Aufschlämmung von Kieselgur(Einheit "ppm SiO2"). Die Reproduzierbarkeit ihrer

Streulichteigenschaften erfüllt die Anforderungen nicht,welche an eine Standardsuspension gestellt werden

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müssen, da die Korngrössenverteilung nicht normiert ist.Kieselgur hat hingegen den Vorteil, dass ihre optischenEigenschaften denjenigen der natürlichen Trübstoffe imWasser nahe kommen.

Die Messwerte können nicht direkt mit denjenigen desFormazins verglichen werden. Unter Berücksichtigung desMesswinkels stellen die nachstehendenUmrechnungsfaktoren aber eine gute Annäherung dar.

Messwinkel 1 FTU

25° 2.25 ppm SiO2

90° 3.25 ppm SiO2

135° 7.5 ppm SiO2

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KorngrösseDas Streulicht eines Teilchens und damit die Trübung einer Suspension hängt starkvon der Korngrösse ab.

Verändert sich in einer Suspension die Korngrösse, so kann dies bei konstanterTeilchenzahl oder bei konstantem Teilchengesamtvolumen geschehen. Die ersteSituation liegt vor bei Kristallwachstum oder Anlagerung von Wasser (Zahl derPartikel konstant) und die zweite bei Zerfall oder Zusammenballung (Materialmengekonstant). Die Unterscheidung ist wichtig, da die Auswirkung auf die Streuintensitätvollständig verschieden ist.

Die folgende Abbildung zeigt die Abhängigkeit der Streuintensität verschiedenerMaterialien vom Teilchendurchmesser bei konstanter Teilchenzahl. Oberhalb 0.3µmnimmt das Streulicht proportional zum Querschnitt (Wirkungsquerschnitt) der Partikelzu, also mit dem Quadrat des Durchmessers. Bei extrem kleinen Teilchen vonweniger als 0.3µm nimmt die Streuintensität mit dem Quadrat des Volumens, alsomit der 6. Potenz des Durchmessers zu (Dipolstrahlung).

Streuintensität beikonstanterAnzahlkonzentration.n=Brechungsindex

Wellenlänge 550nm

90°-Winkel

Korngrössenverteilunglog. normal

s = 0.6

Vollkommen anders wird das Bild bei konstanter Materialmenge (Abbildung unten).Oberhalb des Maximums bei 0.3µm nimmt die Streuintensität mit 1/d ab, da derQuerschnitt der einzelnen Teilchen zwar im Quadrat zu-, die Anzahl aber in der 3.Potenz abnimmt. Unterhalb von 0.3µm nimmt die Streuintensität mit der 3. Potenzvon d zu.

Streuintensität beikonstanterVolumenkonzentration.n=Brechungsindex

Wellenlänge 550nm

90°-Winkel

Korngrössenverteilunglog. normal

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s = 0.6

In der Praxis kommen kaum Suspensionen vor, die nur eine Korngrösse enthalten(monodispers). Meistens liegt eine Verteilung von Korngrössen vor (polydispers). Dasin den obigen Figuren gezeigte prinzipielle Verhalten bleibt aber im Wesentlichenerhalten.

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Lambert-Beer'sches GesetzNach den beiden Wissenschaftern Johann Heinrich Lambert(1728-1777) und August Beer (1825-1863) benannterZusammenhang zwischen dem Absorptionsmass A, derdurchquerten Schichtdicke und der Konzentration desabsorbierenden Stoffes:

A = k · c · d

wobei die Konzentration c in Mol/l und die Schichtdicke d incm eingesetzt werden. Der Proportionalitätsfaktor heisstbezogener, spektraler Absorptionskoeffizient k und ist einestoffspezifische Funktion der Wellenlänge.

Im geeigneten Konzentrationsbereich und bei Verwendungvon monochromatischem Licht ist das Lambert-Beer'scheGesetz mit hoher Genauigkeit erfüllt. Damit kann durchMessung des Absorptionsmasses A die Konzentration einesgelösten Stoffes in Flüssigkeiten und Gasen bestimmtwerden.

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LichtIn der Physik betrachtet man das Licht als elektromagnetische Welle, die sich(im Vakuum) mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Befindet sich die Welle ineinem Medium, so wird die Ausbreitung durch eine Materialkonstante (denkomplexen Brechungsindex) bestimmt. Zwei Grössen charakterisieren dieelektromagnetische Welle: die Wellenlänge, sie bestimmt die Farbe des Lichts,und die Strahlungsleistung, sie bestimmt die Leistung, die pro Flächeneinheitvon der Welle transportiert wird. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts reichtvon 400nm (violett) bis 700nm (rot). Mit normalen Photodetektoren wird meistein grösserer Bereich erfasst (250..800nm).

Spektrum derelektromagnetischen

Wellen von 1..109 Å.

Licht, welches nur eine Wellenlänge enthält, nennt man monochromatisch(Monochromasie). Polychromatisches Licht besteht aus mehreren Wellenlängen(Polychromasie).

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MehrfachstreuungStörfaktor bei der Messung des Trübungswerts.

Die einfache Streulichtintensitätsmessung ohneFarbkompensation zeigt bei hohen Trübungswerten vorersteine Verminderung der Empfindlichkeit und, nach demDurchlaufen eines Maximums, ein Absinken des Messwertsbei steigender Konzentration (Kurve a). Dies ist auf dasPhänomen der Mehrfachstreuung zurückzuführen: einerseitsschirmen die der Lichtquelle näher liegenden Partikel daseinfallende Licht ab, und anderseits kann sich das Streulichtnicht mehr frei ausbreiten..

Streuichtverhaltenbei hohenTrübungen.

Durchqueren aber zwei Strahlen das Medium, so werdenbeide durch die Mehrfachstreuung abgeschwächt und esfindet keine Umkehrung der Kennlinie statt (Kurve b). Dieshat den Vorteil, dass die Kurve eindeutig bleibt, und somitkeine niedrigen Anzeigen für hohe Konzentrationenauftreten.

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Mie-TheorieNach dem deutschen Physiker Gustav Mie (1868-1957)benannte Theorie der Lichtstreuung an kugelförmigenTeilchen.

Streulicht

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Glossar

MolekularstreuungStreulicht, das auch in vollständig partikelfreien Gasen undFlüssigkeiten aufgrund der molekularen Unordnung auftritt.Im Falle von Flüssigkeit verursacht dieseDichteschwankungen, welche sich wie Partikel auswirken,an denen das Licht gestreut wird.

Die Molekularstreuung von Wasser beträgt bei einerWellenlänge von 550nm 16±2 mFTU. Dieser Wert stellteine theoretische untere Grenze für die durch Filtrationerreichbare Trübung dar und hat den Rang einer"Naturkonstanten".

GrundaufhellungFarbkompensation

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RauchgasmessungEine der ältesten Anwendungen der Prozessphotometrie ist die Überwachung des Russgehalts in Kaminen zur Kontrolle der Feuerung.

Das dabei angewandte Prinzip der Transmissionsmessung(Streukoeffizient) beschränkt jedoch den Einsatz dieser sogenanntenOpazimeter auf relativ hohe Konzentrationen.

Durchlichtmessung(Opazität)

Moderne Filteranlagen, welche umweltschädliche Stoffe zurückhalten,erfordern aber zur Überwachung der verbleibendenStaubkonzentration Messgeräte höherer Empfindlichkeit. Wesentlichniedrigere Ansprechschwellen als die Durchlichtmethode liefert dasPrinzip der Streulichtmessung (Streulicht). Diese Erfassung des seitlichgestreuten anstelle des durchgehenden Lichts kann direkt im Kamin,"in situ", oder ausserhalb, "extraktiv", stattfinden. Im ersten Fallbefindet sich der Messort nahe an der Kaminwandung, in einer Zonealso, wo die Staubkonzentration aus strömungstechnischen Gründenoft nicht repräsentativ ist für den gesamten Kaminquerschnitt. Beimextraktiven Verfahren hingegen erfolgt die Entnahme im Zentrum desKamins, wo erfahrungsgemäss die besten Voraussetzungen bezüglichder Repräsentativität der Probe bestehen.

Streulichtmessung,in situ

Die Anwendung aller in situ-Verfahren (Transmission und Streulicht)ist auf trockene Gase beschränkt. Nun werden aber zur Einhaltung derheute geforderten tiefen Emissionsgrenzwerte oft Gaswäschereingesetzt, welche die Gase abkühlen und mit Feuchtigkeit sättigen.Dadurch sind die Abgase mit feinen Wassertröpfchen durchsetzt,welche die Staubmessung verfälschen. Hier kann deshalb nur dasextraktive Verfahren angewandt werden. Das Entnahmesystem ist mitHeizern ausgerüstet, welche vor der eigentlichen Messung dieWassertröpfchen durch Verdampfen eliminieren.

Streulichtmessungextraktiv mit Aufheizungdes Rauchgases.

Steuerung

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Streulichtphotometer

Ringleitung mitHeizung

Abgaskamin

IsokinetikRusszahl

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Seite 30

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Rayleigh-StreuungTheorie der Lichtstreuung für sehr kleine Teilchen(<0.05µm).

Streulicht

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Glossar

Reintransmissionsgrad, spektraler

ti(l)Der spektrale Reintransmissionsgrad ti(l) ist das Verhältnisder Lichtintensitäten am Austritt (Fl)ex

und am Eintritt (Fl)inin der Messzelle.

ti(l) = (Fl)ex / (Fl)in

SpektralerReintransmissionsgrad

Im Gegensatz zum Transmissionsgrad müssen hier die anden Messzellenfenstern auftretenden Reflexionsverlusteeliminiert werden. Dies geschieht in der Praxis durchVergleich mit einer Messung des Trägermediums ohneabsorbierendes Produkt.

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Glossar

ReproduzierbarkeitGenauigkeit der Übereinstimmung zweier Messungen ander gleichen Messsubstanz unter verschiedenenBedingungen (Messgerät, Ort, Bedienungsart, Zeit). DieISO-Norm lässt die Wahl dieser Bedingungen frei. Ausdiesem Grund hat die Angabe der Reproduzierbarkeit nurdann einen Sinn, wenn die Bedingungen angegeben sind.

ISO im Web

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Glossar

RusszahlMesseinheit des Schwärzungsgrades gemäss DIN 51402(Teil 1).

Der Russgehalt von Rauchgas wird bei Einzelmessung durchquantitative Abscheidung auf einem Filter ausQuarzfasermaterial und Messung der Reflexionszahlbestimmt. Durch Umrechnung gemäss VDI 2066, Blatt 8,erhält man die Russzahl.

Die TA Luft schreibt vor, dass leichtölgefeuerte Anlagen imLeistungsbereich von 5 bis 25 MW mit einerkontinuierlichen Messeinrichtung ausgerüstet sein müssen.Diese soll die Einhaltung der Russzahl 1 mit ausreichenderSicherheit erkennen lassen. Dafür wird allgemein dieStreulichtmessung angewandt (Streulicht), sei es direkt imKamin oder extraktiv, mit Probenahme. Das letztereVerfahren schützt das Photometer vor der Wärme und derKorrosion durch das Rauchgas.

StaubmessungRauchgasmessungDIN im Web

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Glossar

SAKAbkürzung für "spektraler Absorptionskoeffizient". Die DIN38404 beschreibt die Messung des SAK für die Bestimmungvon Färbung und - bei 254 nm - der organischen Belastungeines Gewässers. Wird als Summenparameter in derTrinkwasseraufbereitung und der Abwasserbehandlungeingesetzt.

DIN im Web

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Glossar

SpektrumVerteilung der Intensität einer elektromagnetischenStrahlung über der Wellenlänge. Der für die industriellePhotometrie interessierende Bereich umfasst dieLichtwellen, d.h. das sichtbare, das ultraviolette und dasinfrarote Licht. Mit Prismen oder Gitter erzeugte Spektrenmachen die Spektralfarben des verwendeten Lichtssichtbar, beginnend beim kurzwelligen Violett über Blau,Grün, Gelb, Orange bis zum langwelligen Rot.

Absorptionsspektralanalyse

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StaubmessungBestimmung der Feststoffkonzentration in Gasen mittelsStreulichtmessung. Streulicht

Die Erfassung der Streulichtintensität gestattet die Messungniedriger Staubkonzentrationen in Luft. Sie findet in der PraxisAnwendung für die Rauchgasmessung, die Bestimmung derSichtweite in Strassentunnels, die Überwachung vonFilteranlagen für umweltschädliche Stoffe (Insektizide,Farbstoffe, Chemikalien) aus Fabrikationsprozessen. Aber auchAerosole von Flüssigkeiten wie Schwefelsäurenebel in Abgasenund Ölnebel in Maschinenräumen von Schiffen werden aufdiese Weise gemessen.

Staubmessungmit 15°-Streuwinkel

Das Sigrist-Staubmessgerät misst unter einem Streuwinkel von15° und deckt einen Messumfang von 0..0.1 bis 0..1000

mg/m3 PLA ab. PLA steht für Polystyrol-Latex-Aerosol undbezeichnet das für die Werkskalibrierung verwendete Aerosol(kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von 1µm).

Die Geräte werden vor Ort mit der zu messenden Abluftkalibriert. Es ist hier interessant festzustellen, dass auchschwarze Teilchen das Licht streuen. Elementarer Kohlenstoffin den verschiedensten Formen wie z.B. Russ, Graphit oderAktivkohle erzeugt Streulichtintensitäten von der gleichenGrössenordnung wie die weisse Kieselgur. Teilchenfarbe

Messzelle mitSpüllufteinrichtungfür dieStaubmessung

Die Probenahme erfolgt extraktiv; die Messung findet alsoausserhalb des Prozesses statt, vor Wärme, Korrosion undVerschmutzung geschützt. Die Messzelle ist mit einerSpüllufteinrichtung ausgerüstet, welche die Ablagerung vonStaub an den optischen Teilen verhindert, wie obige Abbildungzeigt. Das Gebläse saugt gleichzeitig mit der ProbeUmgebungsluft an, die, filtriert und erwärmt, den Probenstrom

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mit einem schützenden Mantel umgibt. Sie wird auch bei S2eingeführt, und bildet so eine bevorzugte Strömung inRichtung des Austritts der Messzelle.

IsokinetikRusszahl

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StreuwinkelDer Streuwinkel bezeichnet den Winkel zwischen der beobachtetenStreurichtung und der Austrittsachse des Durchlichts:

Streuwinkel

Das Polardiagramm in der folgenden Abbildung zeigt dieWinkelabhängigkeit der Streuintensität für zwei Partikeldurchmesser:

WinkelabhängigkeitderStreulichtintensitätfür polydisperseSuspensionen vonSiO2 in Wasser. Die

gesamteMassenkonzentrationist in beiden Fällengleich. Wellenlänge:550 nm.

Wie man sieht, streuen sehr kleine Partikel in allen Richtungenannähernd gleich stark. Bei wachsendem Durchmesser nimmt dieStreuintensität nicht nur global zu, sondern verstärkt sich wesentlichmit abnehmendem Streuwinkel.

Diese Erscheinung wird im Aufbau von Trübungsmessgeräten zurErhöhung der Empfindlichkeit genutzt: je kleiner der Messwinkel, umsogrösser die verfügbare Lichtmenge. Die Grenze ist durch das Auftretendes sogenannten Störlichts gesetzt, welches in der Nähe destransmittierten Strahls stark zunimmt.

Durch die Messung des Streulichts unter zwei verschiedenen Winkeln(z.B. 90° und 25°) kann durch Verhältnisbildung eine Aussage über dieKorngrösse gemacht werden. Eine praktische Anwendung dieserZweiwinkelmessung ist die Überwachung der Bierfiltration.

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Transmissionsgrad, spektralerVerhältnis des durchgelassenen spektralenStrahlungsflusses (Fl)t zum auffallenden spektralen

Strahlungsfluss Fl .

t(l) = (Fl)t / Fl

SpektralerTransmissionsgrad

Der Transmissionsgrad wird vielfach neben dem spektralenAbsorptionsmass (früher Extinktion) an den Photometernangezeigt.

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TrübungswertMit dem Trübungswert wird das qualitative Phänomen derTrübung quantitativ erfasst. Das Ziel der Trübungsmessungist es, Aussagen über den Gehalt an streuenden Partikelnzu erhalten (Feststoffkonzentration). Dies kann durch zweigrundsätzlich verschiedene Messmethoden erreicht werden:die Bestimmung des Lichtverlusts des transmittiertenStrahls (Streukoeffizient) und die Messung der Intensitätdes seitlichen Streulichts. Der Streukoeffizient entsprichtder Gesamtheit des Streulichts, das dem einfallendenStrahl entzogen wurde, während die Streuintensität angibt,wieviel Streulicht unter einem bestimmten Winkel abgelenktwird.

BestimmungdesLichtverlustsdestransmittiertenStrahls

Messung derIntensität desseitlichenStreulichts

Beide Grössen sind proportional zur Konzentration derPartikel und damit zur Trübungsmessung geeignet. Sieunterscheiden sich durch ihre Anwendbarkeit inverschiedenen Konzentrationsbereichen. Die Messung derStreuintensität gestattet die Erfassung kleinerKonzentrationen, während die Transmissionsmessung denhohen Konzentrationen vorbehalten ist. Der Grund hierfürist das Phänomen der Mehrfachstreuung: bei kleinenKonzentrationen kann sich das gestreute Licht jedeseinzelnen Teilchens frei fortsetzen (Einfachstreuung); beihöheren Konzentrationen hingegen schirmen einerseits dieder Lichtquelle näher liegenden Partikel das einfallendeLicht ab, und anderseits kann sich das Streulicht nichtmehr frei ausbreiten. Somit nimmt die Streuintensität nichtmehr proportional zur Konzentration zu.

Die Grenze der Einfachstreuung liegt bei ca. 10 FTU.Praktisch wird jedoch die Streuintensitätsmessung dankelektronischer Linearisierung für wesentlich höhereMessbereiche (bis zu 2000 FTU) angewandt. Der niedrigstemessbare Wert hängt vom Störlicht ab.

Die Messung des Lichtverlustes des transmittierten Strahlsgestattet die Erfassung hoher Konzentrationen, ist abergegen unten beschränkt, da eine messtechnisch erfassbareVerminderung des Durchlichts eine grosse Anzahl Partikelerfordert. In der Praxis deckt die Transmissionsmessungeinen Bereich von 50 bis 20,000 FTU ab.

Zur praktischen Interpretation des Trübungswerts dient der

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Vergleich mit einer Standardsuspension, d.h. dieTrübungsmessgeräte werden mit einer Vergleichslösung(meist Formazin) kalibriert. Ein mit Formazin kalibriertesInstrument misst jede Formazinkonzentration korrekt. Beianderen trüben Medien kann man aus dem Trübungswertnicht direkt auf die Feststoffkonzentration schliessen, dader Messwert auch von der Korngrösse und demBrechungsindex der Partikel gegenüber dem Mediumbeeinflusst wird.

Sollen Messwerte verschiedener Geräte miteinanderverglichen werden, so ist das nur dann zulässig, wenndiese die gleichen Eigenschaften aufweisen bezüglich derWellenlänge des Lichts, des Streuwinkels, der optischenAnordnung, der Kalibrierung und der Farbkompensation.Für kontinuierliche Messungen in industriellen Prozessen istausserdem das angewandte Messverfahren (Photometer)wegen der Ansprüche an die Stabilität von grosserWichtigkeit.

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TransmissionDurchlässigkeit eines Mediums für optische Strahlung.Bezeichnet den Anteil des einfallenden Strahlungsflusses,welcher nach dem Durchqueren der Probe wieder austritt.

Transmissionsgrad

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TeilchenfarbeDer Einfluss der Farbe der Partikel auf die Intensität des von ihnen abgestrahltenStreulichts wird leicht überschätzt. So stösst die Aussage, dass auch schwarze Teilchen dasLicht streuen, oft auf Skepsis. Tatsächlich erzeugt aber elementarer Kohlenstoff inverschiedenen Formen (Russ, Graphit, Kohle) Streulicht von der gleichen Grössenordnungwie die weisse Kieselgur SiO2. Staubmessung

Die folgende Abbildung zeigt die Streuintensitäten von Russ und weissen Produktenverschiedener Korngrössen in Luft und Wasser:

StreuintensitätverschiedenerMaterialien,Konzentration =1000 ppm.n=Brechungsindex.

In unserem Haus durchgeführte Laborversuche haben ergeben, dass die nachstehendenMengen von Kohle verschiedener Körnung in Wasser die gleiche Streulichtintensität abgebenwie 10mg/l Kieselgur SiO2:

Aktivkohle, grobkörnig >10µm 20 mg/l

Kohlestaub, Körnung ~1µm 0.7 mg/l

Graphit, feinkörnig < 0,1µm 5 mg/l

Die Zahlen sind ungefähre Werte und spiegeln die starke Abhängigkeit der Streuung vonder Korngrösse wider.

BrechungsindexStaubmessung

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TrübungVerminderung der Sichtweite in einem transparenten Medium durch Streustrahlungund Absorption, die von optisch dichteren Einlagerungen, z.B. Partikeln, verursachtwird.

Trübung ist eine alltägliche Erscheinung. Wir beschreiben sie mit Attributen wie:schlecht durchsichtig, kontrastvermindernd, seitlich leuchtend, farbgebend usw.Verantwortlich für diese Effekte ist das optische Phänomen der Lichtstreuung. Dieschönsten Beispiele von Streulicht sind das Blau des Himmels und das Rot desSonnenuntergangs.

Enthält ein flüssiges oder gasförmiges Trägermedium fremde Substanzen, so könnendiese entweder gelöst sein oder als suspendierte Teilchen auftreten. Die kleinstenTeilchen im Falle der Lösung sind Moleküle (oder Ionen) und im Falle der SuspensionPartikel (meist Millionen von Molekülen). Die Unterscheidung zwischen Lösung undSuspension ist eine Frage der Teilchengrösse. Die Grenze ist fliessend und variiert jenach Autor.

Für die Verfahrenstechnik ist die Unterscheidung wichtig, ob die betreffende Substanzfiltrierbar ist. Nicht filtrierbare Suspensionen nennt man kolloidale Lösungen. Diefolgende Abbildung veranschaulicht die Grenzen der Erkennbarkeit mit verschiedenenVerfahren sowie den Korngrössenbereich einiger Substanzen. Korngrösse

KorngrössenbereichverschiedenerErkennungsverfahrenund Substanzen

Mit dem Trübungswert (Einheiten FNU, FTU, EBC usw.) wird dieses qualitativePhänomen quantitativ erfasst.

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Wellenlänge (Streuung)Bei der Bestimmung des Trübungswerts durch Messung derStreulichtintensität (Streulicht) hat die Wellenlänge desverwendeten Lichts neben der Anzahl Teilchen, derenKorngösse und Brechungsindex einen gewissen Einfluss.

Die Streuintensität hängt einerseits vom Verhältnis ausdem Durchmesser d der Partikel und der Wellenlänge abund nimmt anderseits mit dem Quadrat der Wellenlängezu:

Isc = l2 · Isc(d, l)

Die Abhängigkeit von der Wellenlänge verhält sich invers

zur Korngrösse d. Der Faktor l2 wirkt jedoch dämpfend, sodass die Streuintensität im sichtbaren Bereich nicht sehrstark von der Wellenlänge abhängt, wie folgende Abbildungzeigt:

Streuintensität(A) in Funktionder Wellenlänge

lfür 2Korngrössenvon SiO2.

(1000 ppm,90°, n=1.48 inWasser, log.norm.

s= 0.6)

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