CH654664A5

CH654664A5 - Refractometre.

Info

Publication number: CH654664A5
Application number: CH4883/83A
Authority: CH
Inventors: Alan Harmer
Original assignee: Battelle Memorial Institute
Priority date: 1983-09-07
Filing date: 1983-09-07
Publication date: 1986-02-28
Also published as: DE3432838A1; JPS6056259U; US4641965A; JPH0140035Y2

Description

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REVENDICATION

Réfractomètre comprenant un prisme partiellement immergé dans un liquide, une source de lumière, des moyens pour mesurer la variation de l'angle de réfraction de la lumière en fonction de l'indice de réfraction de ce liquide, un diaphragme disposé sur la trajectoire des rayons lumineux émis par ladite source et une optique disposée sur la trajectoire du faisceau lumineux traversant le diaphragme pour focaliser l'image de ce diaphragme, le prisme étant disposé pour que le faisceau issu de cette optique entre par une face en contact avec l'atmosphère et ressorte par une face de ce prisme plongée dans ledit liquide, caractérisé par le fait que lesdits moyens de mesure comprennent une double photodiode dont la jonction se situe sur le plan de focalisation de la lentille et sensiblement le long de l'axe de réfraction du faisceau pour un indice de réfraction déterminé du liquide, l'indice de réfraction étant une fonction du rapport entre le signal enregistré par l'une de ces photodiodes et la somme des signaux enregistrés par la double photodiode.

La présente invention se rapporte à un réfractomètre comprenant un prisme partiellement immergé dans un liquide, une source de lumière, des moyens pour mesurer la variation de l'angle de réfraction de la lumière en fonction de l'indice de réfraction de ce liquide, un diaphragme disposé sur la trajectoire des rayons lumineux émis par ladite source et une optique disposée sur la trajectoire du faisceau lumineux traversant le diaphragme pour focaliser l'image de ce diaphragme, le prisme étant disposé pour que le faisceau issu de cette optique entre par une face en contact avec l'atmosphère et ressorte par une face de ce prisme plongée dans ledit liquide.

Il existe deux grandes catégories de réfractomètres, ceux fondés sur une variation d'intensité de la lumière et ceux fondés sur la réfraction d'un faisceau au voisinage de l'angle critique. Les réfractomètres fondés sur une variation d'intensité sont sensibles à l'intensité de la source lumineuse et à la transparence du liquide. Les réfractomètres travaillant avec l'angle critique fournissent un signal qui n'est pas très net.

Le but de la présente invention est de remédier au moins en partie à ces inconvénients en permettant de rendre la mesure indépendante de l'intensité de la source et des variations de transparence du liquide et d'obtenir un signal net par un déplacement linéaire du faisceau en fonction de l'angle de réfraction, et cela pour une variation déterminée de l'indice de réfraction du liquide.

A cet effet, l'invention a pour objet un réfractomètre selon la revendication.

Ce réfractomètre est fondé sur la mesure d'un angle quelconque et permet d'obtenir un signal net, l'image du diaphragme étant focalisée sur une double photodiode. Le signal caractéristique est obtenu en mesurant l'intensité de lumière reçue par l'une des deux photodiodes, d'une part, et en établissant le rapport entre cette intensité et la somme des intensités reçues, d'autre part. L'établissement de cette mesure proportionnelle permet de rendre le dispositif indépendant de l'intensité de la source et de la transparence du liquide. Un autre avantage de ce réfractomètre réside dans sa simplicité et le peu d'éléments qui le composent.

Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution du réfractomètre objet de l'invention.

La fig. 1 est une vue en coupe en élévation de cette forme d'exécution.

La fig. 2 est un diagramme représentant l'intensité lumineuse d'une image captée par les deux photodiodes en fonction du déplacement de ces photodiodes par rapport à cette image.

La fig. 3 est un diagramme représentant le rapport entre l'intensité d'une photodiode et l'intensité totale captée en fonction de l'indice de réfraction du liquide.

Ce réfractomètre comporte, dans un carter tubulaire C, un prisme P partiellement plongé dans un liquide L dont on désire mesurer une caractéristique liée à son indice de réfraction, en particulier sa concentration en alcool ou en acide. Une source de lumière constituée par une diode électroluminescente DEL est placée au-dessus de la face supérieure de ce prisme P. Un diaphragme D se trouve devant cette source de lumière et une optique O, constituée par une ou plusieurs lentilles destinées à focaliser l'image du diaphragme en un plan situé au-delà du prisme P, dans le liquide L, se trouve entre ce diaphragme D et le prisme P. Une double photodiode PDj et PDb est placée sur ce plan de focalisation. La jonction entre les deux photodiodes est placée sur l'axe optique de l'image du diaphragme D pour un indice de réfraction déterminé du liquide, de sorte que, pour cet indice, les signaux des deux photodiodes sont égaux. Lorsque l'indice de réfraction du liquide augmente, le faisceau réfracté se déplace vers la droite et le signal de la photodiode PDt augmente, alors que celui de la photodiode PDa diminue.

Pour obtenir un bon rapport de contraste correspondant au rapport entre le courant de la photodiode PDa et le courant total, il est nécessaire que l'image du diaphragme D sur la double photodiode PDa-PD;, soit aussi nette que possible et que l'on capte le maximum de lumière. Les différents essais réalisés pour déterminer ces paramètres ont montré que la dimension de l'image du diaphragme dans la direction transversale à celle de son déplacement sur la photodiode doit être de l'ordre de 0,10 mm. La dimension correspondante du diaphragme a été choisie de 0,060 mm, afin de permettre au maximum de lumière de la diode électroluminescente DEL de passer, étant donné qu'il ne s'agit pas d'une source ponctuelle. Dans le même but, l'extrémité avant de la diode DEL a été coupée et la face coupée a été polie avant d'y coller le diaphragme D.

Des essais de variation d'intensité du courant de la double photodiode PDa-PDb en fonction de son déplacement par rapport au faisceau lumineux formé par la lentille de l'optique O ont été réalisés dans les conditions suivantes. On a pris une diode électroluminescente de Stanley, type ESBR 5501, sur laquelle on a collé un diaphragme à ouverture rectangulaire de 0,060 mm de largeur. La lentille de l'optique O était une lentille de 6 mm de diamètre f/10 mm et la double photodiode PDa-PDb était placée à 40 mm sur un coulis-seau micrométrique, le prisme P étant enlevé. Le diagramme de la fig. 2 représente les courbes a et b correspondant à la variation d'intensité de courant des photodiodes PDa, respectivement PDb, en ordonnée sur une échelle logarithmique en fonction du déplacement porté en abscisse.

On constate, sur ce diagramme, que le déplacement correspondant à 10% de l'intensité maximale des courbes a et b est égal à 0,27 mm. Le déplacement entre deux points d'intensité de 10% de l'intensité maximale des courbes peut être considéré comme correspondant à la largeur de l'image du diaphragme D formé par la lentille sur la double photodiode. Etant donné que ces photodiodes sont séparées de 0,05 mm l'une de l'autre, les points correspondant à 10% de l'intensité maximale représentent un déplacement de 0,27 mm, de sorte que l'image du diaphragme a une largeur de 0,32 mm. La disposition entre le diaphragme D, l'optique O et la double photodiode PDa-PDb correspond à un agrandissement de l'image de 2,7 x, de sorte que l'image non agrandie correspond à une largeur de 0,12 mm correspondant aux dimensions qui donnent un bon rapport de contraste entre le courant de la photodiode PDa et le courant total reçu par la double photodiode PDa-PDb.

Dans le réfractomètre illustré par la fig. 1, le prisme P est en Plexiglas (PMMA). L'inclinaison de la face oblique de ce prisme est choisie pour que la lumière de la source DEL frappe cette face avec un angle d'incidence de 52,5\ La lumière pénètre dans le liquide L avec un angle de réfraction de 60: pour un indice de réfraction moyen du liquide L. Le plan de la double photodiode est placé à 4 mm de la zone d'émergence du faisceau lumineux. La déviation du faisceau en fonction de l'indice de réfraction du liquide est facile à calculer. Par exemple, pour l'électrolyte d'une batterie au plomb

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constitué de H2S04 variant de 15 à 40%, l'indice varie de n = 1,35 à n = 1,38, et l'indice pour lequel le faisceau se partage également entre photodiodes PDa et PDb est de 1,3680. L'angle de réfraction varie de sin 1,49/1,35 sin 52,5 = 61,12e à sin 1,49/1,38 sin 52,5 = 58,94°. s

Le déplacement linéaire du faisceau est égal à 4,0 sin (61,12 — 58,94) = 0,152 mm.

Comme on peut le constater sur le diagramme de la fig. 3, ce déplacement est trop grand pour que le rapport entre la lumière reçue par une photodiode et la lumière totale reçue par la double photo- io diode soit absolument linéaire. Cette non-linéarité est due au fait que la plage de mesure est trop proche des limites de cette plage. Les

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bords flous de l'image du diaphragme signifient que le courant induit par la lumière n'est pas linéaire au bord de cette image.

Dans cet exemple, la lentille f/10 mm de l'optique O est placée à même distance 2f, soit 20 mm du diaphragme, que de la surface de la double photodiode PDa-PDb. Cela donne théoriquement une image de mêmes dimensions que celles du diaphragme. Toutefois, la source lumineuse n'étant pas ponctuelle, il s'ensuit une certaine dispersion de la lumière, ce qui explique que, si la fente a 0,06 mm de largeur, son image en a environ le double.

Le diagramme de la fig. 3 montre encore que la mesure est pratiquement indépendante de l'intensité de la source, les mesures ayant été réalisées avec des sources de 10 mA, 20 m A et 50 m A.

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1 feuille dessins