Was ist ein Photometer?
Ein Photometer ist ein optisches Messgerät, das die
Intensität von Licht vor und nach der Wechselwirkung mit
einer Probe erfasst. Aus der Veränderung des Lichtsignals
können beispielsweise Konzentrationen, Wassergehalte,
Farbwerte, Schichtdicken oder Bestandteile eines
Stoffgemischs bestimmt werden.
Was ist der Unterschied zwischen einem
Transmissions- und einem Reflexionsphotometer?
Bei einem Transmissionsphotometer durchläuft das Licht die
Probe. Der Detektor befindet sich hinter der Probe und
misst das durchgelassene Licht. Bei einem
Reflexionsphotometer trifft das Licht auf eine Oberfläche.
Der Detektor misst das von der Probe zurückgeworfene Licht.
Auf welchem Gesetz basiert die Photometrie?
Für die quantitative Absorptions- und
Transmissionsphotometrie ist das Lambert-Beersche Gesetz
eine zentrale Grundlage. Es beschreibt den Zusammenhang
zwischen Absorbanz, Stoffkonzentration und optischer
Schichtdicke:
A = ε · c · d.
Gilt das Lambert-Beersche Gesetz auch für
Reflexionsphotometer?
Nicht direkt in derselben Form. Bei festen, körnigen oder
streuenden Materialien ist die Lichtausbreitung komplexer.
Der Zusammenhang zwischen Reflexionssignal und Messwert
wird deshalb meist durch Probemessungen und eine
anwendungsspezifische Kalibrierkurve bestimmt.
Welche Größen können mit einem Photometer gemessen werden?
Abhängig von Messverfahren und Kalibrierung können
Stoffkonzentrationen, Wasser- und Feuchtegehalte,
Farbintensitäten, Farbumschläge, Weißgrade,
Beschichtungsdicken, Foliendicken und Anteile einzelner
Komponenten in Stoffgemischen bestimmt werden.
In welchen Konzentrationsbereichen sind Messungen möglich?
Je nach Anwendung, Messmedium, Wellenlänge und
Schichtdicke sind Messungen im ppm-, vpm- und
Prozentbereich möglich. Der genaue Messbereich muss für
die jeweilige Anwendung ausgelegt und kalibriert werden.
Welche Wellenlängen nutzt ein Transmissionsphotometer?
Transmissionsphotometer können je nach Geräteausführung
einen Bereich von ungefähr 200 bis 4700 nm abdecken:
Ultraviolett von 200 bis 400 nm, sichtbares Licht von
400 bis 700 nm, nahes Infrarot von 700 bis 2500 nm und
Infrarot von 2500 bis 4700 nm.
Welche Wellenlängen nutzt ein Reflexionsphotometer?
Reflexionsphotometer arbeiten typischerweise in einem
Bereich von ungefähr 400 bis 4700 nm. Dazu gehören der
sichtbare Bereich, das nahe Infrarot und der
Infrarotbereich.
Warum werden unterschiedliche Wellenlängen verwendet?
Unterschiedliche Stoffe absorbieren oder reflektieren
Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen. Für eine
bestimmte Messaufgabe wird deshalb eine Wellenlänge
gewählt, bei der die gesuchte Komponente eine möglichst
deutliche optische Veränderung verursacht.
Was ist eine Messwellenlänge?
Die Messwellenlänge ist die Wellenlänge, bei der die zu
bestimmende Komponente möglichst stark absorbiert oder
ihr Reflexionsverhalten besonders deutlich verändert.
Was ist eine Vergleichswellenlänge?
Die Vergleichswellenlänge wird so ausgewählt, dass die
gesuchte Komponente dort möglichst wenig absorbiert oder
reflektiert. Das Verhältnis aus Mess- und
Vergleichssignal verbessert die Stabilität der Messung.
Welche Funktion hat das Filterrad im Photometer?
Das Filterrad ist üblicherweise mit mindestens zwei
Interferenzfiltern ausgestattet. Durch seine Rotation
werden abwechselnd die Messwellenlänge und die
Vergleichswellenlänge aus dem Lichtstrahl ausgewählt.
Welche Vorteile hat das Zwei-Wellenlängen-Verfahren?
Einflüsse, die sich ähnlich auf die Mess- und
Vergleichswellenlänge auswirken, können teilweise
kompensiert werden. Dazu gehören beispielsweise die
Alterung der Lichtquelle und des Detektors, normale
Küvettenverschmutzung sowie bestimmte
Fremdlichteinflüsse.
Warum muss ein Photometer kalibriert werden?
Unterschiedliche Messmedien besitzen unterschiedliche
Spektralkurven und optische Eigenschaften. Erst durch
Referenzproben mit bekannten Messwerten wird der
Zusammenhang zwischen optischem Signal und dem gesuchten
Stoffgehalt bestimmt.
Wie wird ein Photometer kalibriert?
Zuerst werden geeignete Mess- und Vergleichswellenlängen
ausgewählt. Danach werden Proben mit bekannten
Konzentrationen, Feuchtewerten oder
Materialeigenschaften gemessen. Daraus wird eine
Kalibrierkurve oder ein Auswertealgorithmus erstellt.
Welche Faktoren bestimmen den möglichen Messbereich?
Bei einer Transmissionsmessung sind insbesondere die
Küvetten-Schichtdicke, die Lichtabsorption und die
ausgewählten Wellenlängen wichtig. Bei einer
Reflexionsmessung spielen die Reflexionseigenschaften,
Oberflächenstruktur, Farbe, Homogenität und
Zusammensetzung des Materials eine Rolle.
Was geschieht, wenn zu wenig Licht am Detektor ankommt?
Unterschreitet der Transmissions- oder Reflexionsgrad
einen bestimmten Mindestwert, ist die nutzbare
Lichtausbeute zu gering. Dadurch verschlechtert sich das
Signal-Rausch-Verhältnis und eine zuverlässige Messung
kann erschwert werden.
Für welche Anwendungen eignen sich
Transmissionsphotometer?
Typische Anwendungen sind die Bestimmung einzelner
Komponenten in Flüssigkeiten und Gasen, die Messung von
Wassergehalten, die Kontrolle von Färbungen und
Farbumschlägen sowie die Erkennung organischer
Stoffreste im ultravioletten Bereich.
Für welche Anwendungen eignen sich
Reflexionsphotometer?
Reflexionsphotometer werden häufig zur Feuchtemessung in
Pulvern, Granulaten und Fasern eingesetzt. Weitere
Anwendungen sind die Messung von Foliendicken,
Beschichtungen, Komponentenanteilen, Farbintensitäten und
Weißgraden.
Welche Materialien können mit Reflexionsphotometern
untersucht werden?
Dazu gehören Mineralien, Baustoffe, keramische Massen,
Chemikalien, Pulver, Granulate, Folien, Filme,
Nahrungsmittel, Futtermittel, Filterkuchen, Fasern,
Textilien und Papier.
Wie kann Wasser oder Feuchtigkeit photometrisch gemessen
werden?
Wasser besitzt charakteristische Absorptionsbanden im
nahen Infrarotbereich. Verändert sich der Wassergehalt,
verändert sich auch das Transmissions- oder
Reflexionssignal. Über eine Kalibrierung kann daraus der
Wasser- oder Feuchtegehalt berechnet werden.
Welche Bedeutung hat die Wasserbande bei 1940 nm?
Bei ungefähr 1940 nm liegt eine starke Wasserbande. Das
optische Signal reagiert dort besonders empfindlich auf
Änderungen des Wassergehalts. Die Wellenlänge kann daher
zur Messung verhältnismäßig kleiner Feuchteanteile
geeignet sein.
Welche Bedeutung hat die Wasserbande bei 1450 nm?
Die Wasserbande bei ungefähr 1450 nm ist schwächer als die
Bande bei 1940 nm. Sie kann deshalb für Anwendungen mit
mittleren Wasseranteilen geeignet sein.
Können auch Gase mit einem Transmissionsphotometer
gemessen werden?
Ja. Da Gase eine geringere Dichte als Flüssigkeiten
besitzen, werden häufig größere optische Schichtlängen
benötigt. Der Messwert kann zusätzlich von Druck und
Temperatur abhängen.
Warum sind Druck- und Temperaturkompensationen wichtig?
Besonders bei Gasmessungen verändern Druck und Temperatur
die Dichte und damit das optische Messsignal. Werden diese
Größen nicht konstant gehalten, können entsprechende
Sensorwerte zur Kompensation verwendet werden.
Wie schnell arbeitet ein industrielles Photometer?
Einzelmessungen können innerhalb weniger Sekunden
durchgeführt werden. Bei kontinuierlichen
Prozessmessungen sind Aktualisierungen in
Sekundenbruchteilen möglich.
Können Photometer im Labor und im Produktionsprozess
eingesetzt werden?
Ja. Photometer eignen sich für Laboranalysen,
Stichproben und Reihenmessungen sowie für die
kontinuierliche Überwachung automatisierter
Produktionsprozesse.
Aus welchen Komponenten besteht ein industrielles
Photometersystem?
Ein typisches System besteht aus einem Messkopf, einem
Auswertegerät und Verbindungskabeln. Je nach Anwendung
kommen Küvetten, Lichtleiter, Temperaturfühler,
Drucksensoren, Kühlungen, Kalibriernormale oder
Spülluftsysteme hinzu.
Welche Aufgabe übernimmt das Auswertegerät?
Das Auswertegerät verarbeitet die Signale des Messkopfs,
berechnet den Messwert und kann Zusatzsignale wie Druck
oder Temperatur berücksichtigen. Messwerte können
angezeigt, gespeichert oder an eine Steuerung übertragen
werden.
Können Photometer mit einer Prozesssteuerung verbunden
werden?
Ja. Je nach Geräteausführung können analoge
Messwertausgänge, digitale Ein- und Ausgänge,
Relaisausgänge, USB, Ethernet oder industrielle
Kommunikationsschnittstellen genutzt werden.
Welche Vorteile hat ein offener
Transmissionsmesskopf?
Bei einem offenen Aufbau befindet sich die Küvette frei
zwischen Lichtquelle und Empfänger. Bei einer Undichtigkeit
können Flüssigkeiten oder Gase dadurch nicht ohne Weiteres
in die Gerätegehäuse eindringen. Außerdem bleibt die
Küvette gut zugänglich.
Sind Photometer für explosionsgefährdete Bereiche
erhältlich?
Für bestimmte Anwendungen sind explosionsgeschützte
Ausführungen erhältlich. Möglich sind je nach
Geräteausführung Varianten für die Ex-Zonen 1 und 2 sowie
unterschiedliche ATEX-Schutzkonzepte.
Warum sind Probemessungen vor der Geräteauswahl sinnvoll?
Probemessungen zeigen, ob die gewünschte Komponente bei
einer geeigneten Wellenlänge eine ausreichend große
Änderung des optischen Signals verursacht. Sie helfen,
Messbereich, Wellenlängen, Schichtdicke,
Messkopf-Ausführung und Kalibrierung festzulegen.
