Verfahren zum Erzeugen einer Spektralflamme zu flammenphotometrischen Zwecken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Spektralflamme zu flammenphotometrischen Zwecken, bei dem eine brennbare Gasmischung in den Flammenbereich eines Brenners eingeführt wird.
Es ist bereits ein Brenner für quantitative Spektralanalysen bekannt, dessen oberes Ende von einer kreisrunden Platte gebildet ist. Unterhalb der kreisrunden Platte befinden sich zwei koaxiale zylindrische Teile, von denen der grössere etwa am Rand der Platte und der kleinere am Rand einer Mittel öffnung in der Platte befestigt ist. In der Achse beider zylindrischen Teile läuft ein dünnes Röhrchen entlang, das etwas unterhalb der Plattenebene endet.
Zwischen dem Röhrchenende und dem Rand der Plattenmittelöffnung besteht ein Spalt, durch den das in den Innenraum des kleineren zylindrischen Teils eingeführte Medium nach oben austritt. Ferner sind auf einem Kreis zahlreiche Öffnungen durch die kreisrunde Platte senkrecht hindurchgeführt, durch die das im Innenraum des äusseren zylindrischen Teils befindliche Medium nach oben austreten kann. Dieser bekannte Brenner arbeitet nun in der Weise, dass durch die kreisrunde Reihe von Öffnungen je nach Wunsch entweder ein reines, brennbares Gas oder eine brennbare Gasmischung nach oben austritt und oberhalb der Platte angezündet wird. Durch die Mittelöffnung tritt ein die Verbrennung unterstützendes Gas, z. B. Sauerstoff, nach oben aus und reisst dabei durch das in der Mittelachse gelegene Röhrchen Flüssigkeitsproben in ständigem Strom nach oben mit.
Ferner ist bekannt, die Zerstäubung der Probenflüssigkeit nicht durch das die Verbrennung unterstützende Gas, z. B. Sauerstoff oder Pressluft, sondern durch das Brenngas selbst vorzunehmen, das mit entsprechendem Druck in den Brennraum eingeführt und hier ejektorartig die zu zerstäubende Flüssigkeit durch eine Düse ansaugt, die ebenfalls in den Brennraum einmündet. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Weg von der Zerstäubungsstelle bis zur Brennstelle äusserst kurz ist und dadurch kaum Verluste an Prüfflüssigkeit eintreten. Bei dem Brenner zur Ausführung dieses bekannten Verfahrens ist ein Röhrchen senkrecht nach oben geführt und endet in einer Düse, durch die die brennbare Gasmischung mit grosser Geschwindigkeit austritt. Diese Düse ist im unteren Ende eines Hohlzylinders angeordnet, der als Brennraum dient.
Senkrecht zur Richtung des Röhrchens ist eine Zuleitung für die Probenflüssigkeit in den Brennraum hineingeführt, die unmittelbar oberhalb der Brenndüse endet. Das mit grosser Geschwindigkeit austretende Brenngas reisst daher die Probenflüssigkeit durch Unterdruck aus der Zuleitung mit sich. Die Luft tritt durch zusätzliche Wand öffnungen des Hohlzylinders ein.
Schliesslich ist noch ein Brenner bekannt, bei dem oberhalb des Mittelbereiches einer kreisrunden Brennerplatte ein Flammenkegel hergestellt wird. Um gegebenenfalls die Flammentemperatur zu erhöhen, sind rund um die Austrittsöffnungen des Brenngases im Mittelbereich der Platte weitere Öffnungen oder ein kreisrunder Spalt angeordnet, durch den Sauerstoff rund um den Flammenkegel nach oben strömt.
Zwischen dieser Sauerstoffströmung und der Schornsteininnenwand wird eine Strömung aus gereinigter Luft nach oben geführt, durch die die Flamme stabilisiert werden soll.
All diese bekannten Brenner haben sich als unbrauchbar und gefährlich erwiesen, wenn als brennbares Gasgemisch eine Mischung aus Sauerstoff und Cyan zugeführt wird, mit dem besonders hohe Flammentemperaturen erzielbar sind. Bei Verwendung einer Cyan-Sauerstoff-Mischung ist es zum Ansaugen der Probenflüssigkeit und zur Aufrechterhaltung der Spektralflamme unbedingt notwendig, eine zusätzliche Hilfsflamme neben der Flamme zu erzeugen, in die die zu prüfende Flüssigkeit eingeführt wird.
Der Grund hierzu besteht darin, dass einerseits die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit einer Cyan Sauerstoff-Mischung gering im Vergleich zu deren Strömungsgeschwindigkeit ist, bei der durch Ansaugen eine optimale Strömung der zu prüfenden Flüssigkeit in die Spektralflamme herbeigeführt wird, während anderseits die Strömungsgeschwindigkeit der Gasmischung, die zum Ansaugen der zu prüfenden Flüssigkeit optimal erforderlich ist, im Vergleich zu der Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit der Mischung zu hoch ist, so dass bei Abwesenheit einer Hilfsflamme die Spektralflamme nicht weiter brennen würde.
Während bei dem Brenner gemäss der Erfindung die der Hilfsflamme zugeführte Gasmischung ein Erlöschen der Spektralflamme infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit der Gasmischung verhindert, ist der Brenner ausserdem so konstruiert, dass die zu prüfende Flüssigkeit nicht in die Gasmischung eingeführt wird, die der Hilfsflamme zugeführt wird. Fernerhin sei bemerkt, dass die zusätzliche Hilfsflamme kein Teil der Hauptoder Spektralflamme ist, sondern zur Aufrechterhaltung der Hauptflamme dient.
Bei dem eingangs bezeichneten Verfahren wird gemäss der Erfindung zur Erzeugung einer Hilfsflamme eine brennbare Gasmischung in den den Flammenbereich umgebenden Raum eingeführt.
Das Verfahren gemäss der Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass eine äusserst einwandfreie Cyan Sauerstoff-Flamme hergestellt werden kann, wenn eine Cyan- und Sauerstoff-Mischung in gleichen molaren Anteilen dem Brenner sowohl zur Verbrennung und Herstellung der Spektralflamme und zum Ansaugen der Probeflüssigkeit in die Flamme als auch gleichzeitig zur Herstellung einer Hilfsflamme neben der Spektralflamme zugeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
Die Figur ist eine Ansicht der Brenneranlage und zeigt den teilweise aufgeschnittenen Brenner in einer vergrösserten, perspektivischen Darstellung.
Dem Hauptbrenner und dem ihn umgebenden Hilfsbrenner werden die zuvor gemischten Gase, nämlich Cyan und Sauerstoff, zugeführt. Die Gase, die durch eine Kapillarröhre G strömen, bilden die Haupt- oder Spektralflamme, deren Unterteil sich an einer Stelle F befindet. Diese Röhre, die aus Platin oder Palladium angefertigt ist, ist 5 cm lang; ihr äusserer Durchmesser beträgt 0,5 mm und ihr innerer Durchmesser 0,3 mm. Sie ist in ihre Halterung, eine Schraubfassung R, eingelötet. Die Kapillare G kann vertikal durch Drehung der Fassung R und horizontal an Schrauben T verstellt werden.
Der Hilfsflammenbrenner besteht aus 24 Öffnungen B, die einen Ring aus kleinen Einzelflammen in einem hohlen Ring A mit einem äusseren Durchmesser von 1,5 cm bilden, der einen in der Mitte gelegenen zylindrischen Raum von 0,5 cm Durchmesser umgibt. Er ist an einem Körper M des Brenners durch eine Silberlotverbindung befestigt. Kühlwasser strömt durch eine schraubenförmige Kupferröhre E, in die es an einem Einlass El eintritt und aus der es aus einem Auslass E2 herauskommt. Die zu prüfende Flüssigkeit tritt in die Flamme durch eine Kapillare H ein, die durch ein Loch im Ring A hindurchgeht.
Einzelheiten der Probenkapillare und der Gaskapillare G gehen aus der Figur hervor. Ein Stück einer Röhre S aus rostfreiem Stahl (Injektionsnadel, Grösse Nr. 23) wird im Loch des Ringes A eingelötet und trägt eine Kapillare H aus Siliziumdioxyd, die in seiner lichten Weite eingekittet ist. Die Röhre H besteht aus einer Kapillare, die aus einer Röhre aus Siliziumdioxyd gezogen ist, so dass ihr Aussendurchmesser zwischen 0,2 und 0,3 mm liegt.
Drei horizontale Öffnungen K von 1 mm Durchmesser sind unter einem Winkel von 1200 im Mittelabschnitt des Hauptkörpers M des Brenners angeordnet, durch die Luft unter normalem Druck einer Kammer J zugeführt wird, mit der ein Teilvakuum beseitigt wird, das sich infolge der Strömung im oberen Teil dieser Kammer bilden könnte; diese zugeführte Luft kann dazu beitragen, der zusätzlichen Flamme rund um die benachbarte spektrale Strömung die passende Gestalt zu geben.
Die Gaszuführung zu der Haupt- und Hilfsflamme ist schematisch in der Figur erkennbar. Von Zylindern L1 und L2, die mit einem Membranventil V1 bzw. V2 versehen sind, um den Flaschendruck der Gase auf 1,4 kg/cm2 zu vermindern, werden Sauerstoff und Cyan zugeführt. Vom Membranventil V1 aus wird Sauerstoff durch zwei Kupferröhren von 6,4 mm Durchmesser zu je einem Nadelventil S1 bzw. S2 geleitet, die die Strömung zu der Hilfs- bzw. der Hauptflamme regulieren. Die Strömungsgeschwindigkeiten werden mit Strömungsmessern F1 bzw. F2 gemessen. In ähnlicher Weise wird das Cyangas von dem Membranventil V2 aus durch zwei Kupferröhren von 6,4 mm Durchmesser zu Nadelventilen S3 und S4 und Strömungsmessern F3 und F4 geleitet.
Die von den Strömungsmessern F1 und F3 kommenden Gase Cyan und Sauerstoff werden dann vereinigt und bilden die Hilfsflamme, während die von Strömungsmessern F2 und F4 kommenden Gase die Hauptflamme bilden. In beiden Fällen werden die Gase in einer Kupferröhre W bzw. X gemischt, die 4 cm lang und mit Hartglaskugeln gefüllt ist, und dann durch eine feine Kapillarröhre Y bzw. Z getrieben. Die Kupferröhre für die Hauptflamme wird direkt zum Unterteil der Kapillarröhre G geführt.
Die Röhre zum Hilfsflammenbrenner ist geteilt, so dass die gemischten Gase in den Ring A durch gegen übergestellte Röhren C und D eingeführt werden können.
Die Arbeitsweise der Brenneranlage gemäss der Erfindung ist folgendermassen:
Das Nadelventil S3 wird geöffnet, bis der Strömungsmesser F3 einenCyandurchsatzvon 350 cmslmin anzeigt; die Zündflamme wird dann mit einem Streichholz angezündet. Dann wird das Nadelventil S1 aufgedreht, bis der Strömungsmesser F1 einen Durchsatz von 350 cm3/min Sauerstoff anzeigt. Wenn die Zündflamme richtig eingestellt ist, wird das Nadelventil S4 geöffnet, so dass das Cyangas für die Hauptflamme eintreten kann; die Geschwindigkeit wird auf 480 cmS/min eingestellt. Schliesslich wird das Nadelventil S2 so weit eingestellt, bis die Sauerstoffströmung zum Hauptbrenner ebenfalls 480 cm3/ min beträgt.
Durch Eintauchen des unteren Endes der Röhre H in eine zu prüfende Lösung, die in einem Mikroglas N enthalten ist, wird die Probe in die Flamme in sehr feine Tröpfchen zerstäubt angesaugt. Wenn das Volumen des Mikroglases N geeicht ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit der Probe durch Beobachtung ihrer Volumenabnahme während eines gemessenen Zeitabschnittes festgestellt werden. Eine feine, biegsame Kapillarröhre P aus Polyäthylen ist auf das untere Ende der Kapillare H aus Siliziumdioxyd geschoben. Diese biegsame Kapillare ist 2,2 cm lang und passt auf das obere Ende einer Glaskapillare Q, deren Innendurchmesser so klein ist, dass die Strömung der zu prüfenden Lösung durch die Kapillare H begrenzt und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit der Probe festgelegt wird. Anderseits kann die Probe durch die Kapillare H unter Druck hindurchgetrieben werden.
Zu diesem Zweck wird eine Polyäthylen-Kapillare an der Röhre H befestigt, deren unteres Ende sich nach unten erweitert, so dass sie über das Ende einer auf 0,1 cm3 gezogenen und abgeschmolzenen Pipette passt, die die zu prüfende Lösung enthält. Eine beliebige Strömungsgeschwindigkeit kann dadurch erreicht werden, dass der Gasdruck am anderen Ende dieser Pipette verändert wird, um die zu prüfende Lösung durch die Kapillare H zu drücken. Die Strömungsgeschwindigkeit der Probe kann dadurch festgestellt werden, dass die Zeit gemessen wird, die der Meniskus der zu prüfenden Lösung bis zum Erreichen aufeinanderfolgender Eichmarken der Pipette benötigt.
Eine richtige Einstellung der gegenseitigen Lage der Röhren G und H bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit der zu prüfenden Strömung ergibt ein glattes Ansaugen und eine geringe gleichförmige Tropfengrösse. Diese Einstellung geschieht mit den drei horizontalen Schrauben T, wenn die Flamme brennt.
Die Intensität der Spektrallinien weist ein scharfes Maximum bei Strömungsgeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 0,06 cm3/min der Probe auf; aus diesem Grunde muss die strömende Probeflüssigkeit genau und reproduzierbar reguliert werden können. Von der Kapillare H aus wird die Probeflüssigkeit in die Hauptflamme durch die sehr schnelle Strömung der voraus gemischten Gase hineingesaugt, die aus der Öffnung der Röhre G austritt. Dadurch, dass man den Widerstand, den die Kapillare H der strömenden Probeflüssigkeit entgegensetzt, verändert, kann die Ansauggeschwindigkeit der Probeflüssigkeit reproduzierbar abgeändert werden. Wenn die Probeflüssigkeit unmittelbar aus dem Mikroglas angesaugt wird, kann die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit durch Veränderung der Abmessungen der Kapillare H erhalten werden.
Ein weiter Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten lässt sich durch Verwendung von Kapillaren mit unterschiedlichen Innendurchmesser und unterschiedlicher Länge erreichen. Anderseits kann ein Satz von Glaskapillaren Q mit verschiedener Länge und mit verschiedenem Durchmesser angefertigt und zum Einsetzen in die Öffnung der feinen Polyäthylenröhre P kalibriert werden, die eine Verlängerung der geschmolzenen Siliziumdioxydkapillare H bildet. Diese Kapillaren werden zur Ver änderung der Strömung benutzt und liefern einen gewissen Bereich an Strömungsgeschwindigkeiten für die Probeflüssigkeit, ohne dass die Siliziumdioxydkapillare ausgewechselt zu werden braucht.
Die Durchflussgeschwindigkeiten für eine beliebige gegebene Anordnung können gemessen werden; typische Werte für die Kapillaren mit unterschiedllichem Durchmesser und unterschiedlicher Länge sind in der folgenden Tabelle angegeben:
Abmessungen der Zuführungskapillaren für die Probeflüssigkeit in Abhängigkeit von der kalibrierten
Durchflussgeschwindigkeit innerer Durchmesser Länge beobachtete
Durchflussgeschwindigkeit
0,2 mm 1 cm 0,15 cm3/min
0,2 2 0,10
0,2 3 0,05
0,1 1 0,0013
0,1 2 0,01
0,1 3 0,005
Wenn man eine Pipette direkt an der Poly äthylen-Kapillare P anbringt und einen geregelten Druck auf das andere Ende der Pipette ausübt, lässt sich ein viel weiterer Bereich der Durchsatzgeschwindigkeiten für die Probeflüssigkeit erreichen, wenn dies für spezielle Zwecke erwünscht ist.
Die Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung in äquimolaren Gyan-Sauerstoff-Mischungen ist ganz niedrig; daher kann eine einfache Flamme bei hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten aus einer kleinen Brenneröffnung mit diesem Gemisch nicht aufrechterhalten werden. Anderseits ist eine hohe Austrittsgeschwindigkeit erwünscht, wenn die zuvor gemischten Brenngase die Probelösung als feines Spritzgut in die Flamme hineinsaugen sollen. Der Bereich der linearen Geschwindigkeiten am Ausgang, in dem eine stabile Flamme erhältlich ist, ist sehr eng. An der oberen Grenze bläst sich die einfache Cyan Sauerstoffflamme selbst aus; diese Grenze liegt weit unter der Geschwindigkeit, die zum Ansaugen der Probelösung erforderlich ist. An der unteren Grenze schlägt die Flamme in die Röhre in Richtung auf die Vermischungsstelle zurück.
Die Hilfsflamme löst diese Schwierigkeiten dadurch, dass sie die Stabilität der Hauptflamme bei Geschwindigkeiten der Gasströme aufrechterhält, die weit über den anders möglichen Geschwindigkeiten liegen, so dass ein wirksames Ansaugen der Probeflüssigkeiten möglich ist.
Die geringe Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung erweist sich als Aktivposten und nicht als Mangel in der Anlage, in der die Gase von den Behältern zum Brenner geleitet werden. In dieser ist die Verbrennung einer im voraus hergestellten äquimolaren Mischung von Cyan und Sauerstoff bei grösster Sicherheit zulässig. Die Stücke Y und Z in den Zuführungsleitungen sind so klein gewählt, dass die Mischung der Gase durch sie mit einer grösseren Geschwindigkeit als die Flammenfortpflanzung hindurchgeht. Auf diese Weise kann die Flamme nicht über diese Kapillaren hinaus zurückschlagen. Wegen der äusserst hohen Flammentemperatur wird der Brenner vorzugsweise während des Betriebs von der Rohrschlange E gekühlt, durch die Leitungswasser hindurchgeht.
Es sei beachtet, dass die Kapillarröhre H zur Zuführung der Probeflüssigkeit und die Gaszufuhrröhre G nicht konzentrisch liegen. Im Gegensatz zur Anordnung der Zufuhrkanäle für die Probeflüssigkeit und das Gas bei den üblichen Spektralflammenbrennern ist die Zufuhrröhre H für die Probeflüssigkeit quer zur Zufuhrröhre G des Gases angeordnet.
Diese Röhrenanordnung unterstützt in beträchtlichem Masse den Austritt der Gasströmung aus dem Auslass der Röhre G bei einer verhältnismässig geringen Strömungsgeschwindigkeit, so dass die zu prüfende Flüssigkeit durch die Röhre H mit geringeren Durchsatzgeschwindigkeiten angesaugt, wirksam zerstäubt und in Form feiner Tröpfchen in die Spektralflamme eingeführt werden kann; hierdurch wird die Flüssigkeit sehr wirtschaftlich ausgenutzt, was häufig ein bedeutsamer Faktor ist, wenn nur kleine Mengen der Flüssigkeit zur Verfügung stehen und ausserdem eine Kühlung der Spektralflamme vermieden werden soll.
Wenn auch der Brenner spezielle Vorteile zur Herstellung spektraler Flammen von hoher Temperatur mit einem Gyan-Sauerstoffgemisch aufweist, kann er auch zur Herstellung von Spektralflammen aus anderen brennbaren Gasgemischen verwendet werden. Wie hervorgehoben sei, kann der Brenner gemäss der Erfindung für beliebige Spektralphotometer ohne Rücksicht auf die betreffende Art verwendet werden.
Method for generating a spectral flame for flame photometric purposes
The invention relates to a method for generating a spectral flame for flame photometric purposes, in which a combustible gas mixture is introduced into the flame area of a burner.
A burner for quantitative spectral analysis is already known, the upper end of which is formed by a circular plate. Below the circular plate there are two coaxial cylindrical parts, the larger of which is attached approximately to the edge of the plate and the smaller of which is attached to the edge of a central opening in the plate. A thin tube runs along the axis of both cylindrical parts and ends slightly below the plane of the plate.
Between the end of the tube and the edge of the central opening of the plate there is a gap through which the medium introduced into the interior of the smaller cylindrical part exits upwards. Furthermore, numerous openings are passed vertically through the circular plate on a circle, through which the medium located in the interior of the outer cylindrical part can exit upwards. This known burner now works in such a way that either a pure, flammable gas or a flammable gas mixture emerges upwards through the circular row of openings and is ignited above the plate. A gas supporting the combustion occurs through the central opening, e.g. B. oxygen, upwards and thereby pulls liquid samples upwards in a constant flow through the tube located in the central axis.
It is also known that the atomization of the sample liquid by the gas supporting the combustion, e.g. B. oxygen or compressed air, but through the fuel gas itself, which is introduced into the combustion chamber at the appropriate pressure and here, like an ejector, sucks in the liquid to be atomized through a nozzle which also opens into the combustion chamber. This method has the advantage that the path from the atomization point to the combustion point is extremely short and there is hardly any loss of test liquid as a result. In the burner for carrying out this known method, a tube is led vertically upwards and ends in a nozzle through which the combustible gas mixture emerges at high speed. This nozzle is arranged in the lower end of a hollow cylinder, which serves as a combustion chamber.
A feed line for the sample liquid is led into the combustion chamber perpendicular to the direction of the tube and ends directly above the combustion nozzle. The fuel gas escaping at high speed therefore carries the sample liquid with it from the supply line due to the negative pressure. The air enters through additional wall openings in the hollow cylinder.
Finally, a burner is also known in which a flame cone is produced above the central area of a circular burner plate. In order to increase the flame temperature if necessary, further openings or a circular gap are arranged around the outlet openings for the fuel gas in the central area of the plate, through which oxygen flows upwards around the flame cone.
Between this oxygen flow and the inner wall of the chimney, a flow of purified air is directed upwards, which is intended to stabilize the flame.
All these known burners have proven to be unusable and dangerous if a mixture of oxygen and cyan is supplied as the combustible gas mixture, with which particularly high flame temperatures can be achieved. When using a cyan-oxygen mixture, in order to suck in the sample liquid and to maintain the spectral flame, it is absolutely necessary to generate an additional auxiliary flame next to the flame into which the liquid to be tested is introduced.
The reason for this is that, on the one hand, the flame propagation speed of a cyan-oxygen mixture is low compared to its flow speed, at which an optimal flow of the liquid to be tested is brought about into the spectral flame by suction, while on the other hand the flow speed of the gas mixture, which is used for suction the liquid to be tested is optimally required, is too high in comparison to the flame propagation speed of the mixture, so that in the absence of an auxiliary flame the spectral flame would no longer burn.
While in the burner according to the invention the gas mixture supplied to the auxiliary flame prevents the spectral flame from extinguishing as a result of the high flow velocity compared to the flame propagation speed of the gas mixture, the burner is also designed so that the liquid to be tested is not introduced into the gas mixture that is the auxiliary flame is fed. It should also be noted that the additional auxiliary flame is not part of the main or spectral flame, but rather serves to maintain the main flame.
In the method described at the outset, according to the invention, a combustible gas mixture is introduced into the space surrounding the flame area to generate an auxiliary flame.
The method according to the invention is based on the discovery that an extremely flawless cyan oxygen flame can be produced if a cyan and oxygen mixture in equal molar proportions is used both for combustion and for producing the spectral flame and for sucking the sample liquid into the burner Flame and at the same time to produce an auxiliary flame in addition to the spectral flame is supplied.
The invention is explained below with reference to the drawing.
The figure is a view of the burner system and shows the partially cut-open burner in an enlarged, perspective illustration.
The previously mixed gases, namely cyan and oxygen, are fed to the main burner and the auxiliary burner surrounding it. The gases flowing through a capillary tube G form the main or spectral flame, the lower part of which is located at a point F. This tube, made of platinum or palladium, is 5 cm long; their outer diameter is 0.5 mm and their inner diameter 0.3 mm. It is soldered into its holder, a screw socket R. The capillary G can be adjusted vertically by turning the socket R and horizontally with the screws T.
The auxiliary flame burner consists of 24 openings B, which form a ring of small individual flames in a hollow ring A with an outer diameter of 1.5 cm, which surrounds a central cylindrical space of 0.5 cm diameter. It is attached to a body M of the torch by a silver solder joint. Cooling water flows through a helical copper tube E, into which it enters at an inlet El and from which it comes out of an outlet E2. The liquid to be tested enters the flame through a capillary H which passes through a hole in the ring A.
Details of the sample capillary and the gas capillary G emerge from the figure. A piece of a tube S made of stainless steel (injection needle, size no. 23) is soldered into the hole of the ring A and carries a capillary H made of silicon dioxide, which is cemented in its clear width. The tube H consists of a capillary which is drawn from a tube made of silicon dioxide so that its outside diameter is between 0.2 and 0.3 mm.
Three horizontal openings K of 1 mm in diameter are arranged at an angle of 1200 in the central portion of the main body M of the burner, through which air under normal pressure is supplied to a chamber J, with which a partial vacuum is removed due to the flow in the upper part this chamber could form; this supplied air can help to give the additional flame around the neighboring spectral flow the appropriate shape.
The gas supply to the main and auxiliary flame can be seen schematically in the figure. Oxygen and cyan are supplied from cylinders L1 and L2, which are provided with a diaphragm valve V1 and V2, respectively, in order to reduce the cylinder pressure of the gases to 1.4 kg / cm2. From the diaphragm valve V1, oxygen is passed through two copper tubes 6.4 mm in diameter to a needle valve S1 and S2, which regulate the flow to the auxiliary and main flame. The flow velocities are measured with flow meters F1 and F2. Similarly, the cyan gas is passed from the diaphragm valve V2 through two copper tubes 6.4 mm in diameter to needle valves S3 and S4 and flow meters F3 and F4.
The cyan and oxygen gases from flow meters F1 and F3 are then combined to form the auxiliary flame, while the gases from flow meters F2 and F4 form the main flame. In both cases the gases are mixed in a copper tube W or X, which is 4 cm long and filled with hard glass spheres, and then forced through a fine capillary tube Y or Z, respectively. The copper tube for the main flame is led directly to the lower part of the capillary tube G.
The tube to the auxiliary flame burner is divided so that the mixed gases can be introduced into ring A through tubes C and D placed opposite one another.
The operation of the burner system according to the invention is as follows:
The needle valve S3 is opened until the flow meter F3 indicates a cyano flow rate of 350 cmslmin; the pilot flame is then lit with a match. Then the needle valve S1 is opened until the flow meter F1 shows an oxygen throughput of 350 cm3 / min. When the pilot flame is set correctly, the needle valve S4 is opened so that the cyan gas for the main flame can enter; the speed is set at 480 cmS / min. Finally, the needle valve S2 is adjusted until the oxygen flow to the main burner is also 480 cm3 / min.
By immersing the lower end of the tube H in a solution to be tested which is contained in a microglass N, the sample is sucked into the flame in very fine droplets. When the volume of the microglass N is calibrated, the flow rate of the sample can be determined by observing its decrease in volume over a measured period of time. A fine, flexible capillary tube P made of polyethylene is pushed onto the lower end of the capillary H made of silicon dioxide. This flexible capillary is 2.2 cm long and fits onto the upper end of a glass capillary Q, the inner diameter of which is so small that the flow of the solution to be tested through the capillary H is limited and the flow rate of the sample is thereby determined. On the other hand, the sample can be driven through the capillary H under pressure.
For this purpose, a polyethylene capillary is attached to the tube H, the lower end of which widens downwards so that it fits over the end of a pipette which has been drawn to 0.1 cm3 and melted and which contains the solution to be tested. Any flow speed can be achieved by changing the gas pressure at the other end of this pipette in order to force the solution to be tested through the capillary H. The flow rate of the sample can be determined by measuring the time it takes for the meniscus of the solution to be tested to reach successive calibration marks on the pipette.
Correct adjustment of the mutual position of the tubes G and H at a given speed of the flow to be tested results in a smooth suction and a small, uniform drop size. This adjustment is done with the three horizontal screws T when the flame is burning.
The intensity of the spectral lines shows a sharp maximum at flow velocities in the order of magnitude of 0.06 cm3 / min of the sample; For this reason, it must be possible to regulate the flowing sample liquid precisely and reproducibly. From the capillary H the sample liquid is sucked into the main flame by the very rapid flow of the pre-mixed gases emerging from the opening of the tube G. By changing the resistance that the capillary H opposes to the flowing sample liquid, the suction speed of the sample liquid can be changed in a reproducible manner. If the sample liquid is sucked directly from the microglass, the desired flow rate can be obtained by changing the dimensions of the capillary H.
A wide range of flow velocities can be achieved by using capillaries with different internal diameters and lengths. On the other hand, a set of glass capillaries Q of various lengths and diameters can be made and calibrated for insertion into the opening of the fine polyethylene tube P which forms an extension of the molten silica capillary H. These capillaries are used to change the flow and provide a certain range of flow velocities for the sample liquid without the silicon dioxide capillary having to be replaced.
The flow rates for any given arrangement can be measured; typical values for the capillaries with different diameters and different lengths are given in the following table:
Dimensions of the supply capillaries for the sample liquid depending on the calibrated
Flow rate inner diameter length observed
Flow rate
0.2 mm 1 cm 0.15 cm3 / min
0.2 2 0.10
0.2 3 0.05
0.1 1 0.0013
0.1 2 0.01
0.1 3 0.005
If a pipette is attached directly to the polyethylene capillary P and a controlled pressure is exerted on the other end of the pipette, a much wider range of flow rates for the sample liquid can be achieved if this is desired for special purposes.
The speed of flame propagation in equimolar gyan-oxygen mixtures is very low; therefore, a simple flame at high gas flow rates from a small burner opening cannot be sustained with this mixture. On the other hand, a high exit speed is desirable if the previously mixed fuel gases are to suck the sample solution into the flame as a fine spray material. The range of linear velocities at the exit in which a stable flame can be obtained is very narrow. At the upper limit, the simple cyan oxygen flame blows itself out; this limit is far below the speed required to suck in the sample solution. At the lower limit, the flame flashes back into the tube in the direction of the mixing point.
The auxiliary flame solves these difficulties in that it maintains the stability of the main flame at speeds of the gas streams that are far above the other possible speeds, so that an effective suction of the sample liquids is possible.
The slow speed of flame propagation turns out to be an asset rather than a defect in the system in which the gases are routed from the containers to the burner. In this, the combustion of an equimolar mixture of cyan and oxygen prepared in advance is permissible with the greatest safety. The pieces Y and Z in the supply lines are chosen so small that the mixture of gases passes through them with a greater speed than the flame propagation. In this way the flame cannot flash back beyond these capillaries. Because of the extremely high flame temperature, the burner is preferably cooled during operation by the pipe coil E through which tap water passes.
It should be noted that the capillary tube H for supplying the sample liquid and the gas supply tube G are not concentric. In contrast to the arrangement of the feed channels for the sample liquid and the gas in the usual spectral flame burners, the feed tube H for the sample liquid is arranged transversely to the feed tube G for the gas.
This tube arrangement supports to a considerable extent the exit of the gas flow from the outlet of the tube G at a relatively low flow velocity, so that the liquid to be tested can be sucked in through the tube H at lower flow rates, effectively atomized and introduced into the spectral flame in the form of fine droplets ; as a result, the liquid is used very economically, which is often an important factor when only small quantities of the liquid are available and, in addition, cooling of the spectral flame is to be avoided.
While the burner has particular advantages for making spectral flames of high temperature with a gyan-oxygen mixture, it can also be used for making spectral flames from other combustible gas mixtures. As should be emphasized, the burner according to the invention can be used for any spectrophotometer, regardless of the type in question.