DD235333A1

DD235333A1 - Lichtleitfaserrefraktometer

Info

Publication number: DD235333A1
Application number: DD27500784A
Authority: DD
Inventors: Johannes Lehmann; Thomas Reuter; Guenter Schwotzer
Original assignee: Adw D Ddr Phys Techn Inst
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1986-04-30
Also published as: DE3543684A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitfaserrefraktometer zur Bestimmung der Brechzahl bzw. damit zusammenhaengender physikalischer Groessen. Die Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Refraktometer zu schaffen, das Schwankungen bzw. Alterungseffekte der verwendeten Lichtquellen, Aenderungen der Einkoppeleffektivitaet des Lichtes in die Fasern, Biegungseinfluesse ausserhalb des sensorischen Bereiches und Alterungen der Lichtleitfaser im sensorischen Bereich automatisch kompensiert wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass zwei Lichtleitfasern von derselben Lichtquelle durchstrahlt derart angeordnet sind, dass in Abhaengigkeit vom zu vermessenden Brechungsindex ihnen ein unterschiedlicher Kruemmungsradius in der Weise gegeben ist, dass die als Referenzfaser dienende Lichtleitfaser einen derartigen Kruemmungsradius aufweist, dass sie im jeweiligen Messbereich keine oder nur minimale Transmissionsaenderungen bei Variationen der Brechzahl des umgebenden Mediums aufweist.

Description

mit R₁ als dem Radius der Meßlichtleitfaser, a_M als der Dicke des Lichtleitfasermantels der Referenzfaser und a_K als dem Radius des Lichtleitfaserkerns der Referenzfaser festgelegt ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitfaserrefraktometer, welches zur Messung der Brechzahl, bzw. damit zusammenhängender physikalischer Größen Verwendung findet und insbesondere dort zum Einsatz gelangt, so lange Standzeiten und reproduzierbare Meßwerte gefordert sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Lichtleitfaserrefraktometer, bei denen die Lichtleitfaser in einem kleinen Bereich z. B. U-förmig oder Ω-förmig (alternierend) gekrümmt ist (US-PS 4 187 025; DD 147 877; SU 859 838). Die Wirkungsweise dieser Refraktometer beruht darauf, daß die optische Transmission derartig präparierter Lichtleitfasern von dem optischen Brechungsindex des die Lichtleitfaser in ihrem gekrümmten Bereich umgebenden Mediums abhängt. Da der optische Brechungsindex des Mediums von verschiedenen Parametern wie z. B. Konzentration, Temperatur und Druck abhängt, lassen sich Lichtleitfaserrefraktometer zur Messung derartiger Parameter einsetzen.

Die bekannten Lichtleitfaserrefraktometer weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die den praktischen Einsatz einschränken, indem sie die prinzipiell erreichbare Meßgenauigkeit beeinträchtigen. Die genannten Nachteile sind bekannt und es existieren Vorschläge zur Beseitigung wenigstens einzelner Störgrößen. So wird in DE-OS 3 321 203 bspw. eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der Temperaturschwankungen des zu messenden Mediums kompensierbar sind. Lichtschwankungen aufgrund von Instabilitäten und Alterung der verwendeten Lichtquelle, Änderung der Effektivität der Einkopplung des Lichtes in die Lichtleitfaser und Änderung der Transmission der Lichtleitfaserzu- und -rückleitung infolge möglicher Verbiegung (Modenumwandlung und Biegungsverluste) oder Alterung der Lichtleitfaser führen zu Meßfehlern zu deren Kompensation in der Gesamtheit bisher bei refraktometrischen Messungen keine Mittel vorgeschlagen wurden.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Lichtleitfaserrefraktometer anzugeben, welches über lange Zeiten reproduzierbare Meßwerte liefert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtleitfaserrefraktometer anzugeben, das derart beschaffen ist, daß es Schwankungen bzw. Alterungseffekte der verwendeten Lichtquellen, Änderungen der Einkoppeleffektivität des Lichtes in die Fasern, Biegungseinflüsse außerhalb des sensorischen Bereiches und Alterungen der Lichtleitfaser im sensorischen Bereich automatisch kompensiert. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Lichtleitfasern von derselben Lichtquelle durchstrahlt derart angeordnet sind, daß in Abhängigkeit vom zu vermessenden Brechungsindex ihnen ein unterschiedlicher Krümmungsradius in der Weise gegeben ist, daß die als Referenzfaser dienende Lichtleitfaser einen derartigen Krümmungsradius aufweist, daß sie im jeweiligen Meßbereich keine oder nur minimale Transmissionsänderungen bei Variation der Brechzahl des umgebenden Mediums aufweist. Es ist im Rahmen der Erfindung bei Verwendung nichtummantelter Lichtleitfaser vorteilhaft, daß der Krümmungsradius der Referenzfaser größer als der Ausdruck

R₁ -ü Ei_r mit R₁ als dem Radius der Meßlichtleitfaser,

a_M als der Dicke des Lichtleitfasermantels und a_K als dem Radius des Lichtleitfaserkerns der Referenzfaser festgelegt ist. Die Referenzfaser dient somit bei entsprechender Signalverarbeitung der Kompensation der genannten Störeinflüsse. Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist, daß die Referenzfaser eine Krümmung aufweist, wobei deren Krümmungsradius von dem der Meßlichtleitfaser derart abweichend festgelegt ist, daß die Referenzfaser im messenden Bereich gegenüber den Transmissionsänderungen der Meßlichtleitfaser gerade keine bzw. nur minimale Transmissionsänderungen aufweist. Das heißt, unter Krümmungsradius der Referenzfaser ist im Rahmen der Erfindung ein optisch wirksamer Krümmungsradius zu verstehen, da genannte Forderungen z. B. auch über eine Durchmesseränderung der Referenzfaser bzw. deren materialmäßigen (bezüglich des Brechungsindexes von der Meßlichtleitfaser abweichend festgelegten) Zusammensetzung erreichbar ist. Eine Variation über den Krümmungsradius bei Verwendung gleicher Lichtleitfasern ist allerdings besonders einfach realisierbar. Es ist weiterhin erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, die Referenzfaserkrümmung im Griffstück des betreffenden Refraktometers unterzubringen. Zur näheren Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung dient Fig. 1, die die Transmissions-Brechungsindex-Kennlinien zweier gekrümmter Lichtleitfasern mit Krümmungen der unterschiedlichen Radien R₁ und R₂ darstellt. Der meßbare Brechungsindexbereich, genannt Brechzahlfenster, hängt bei vorgegebenen Lichtleitfasern von der Wahl der Krümmungsradien R ab. Erfindungsgemäß werden die Krümmungsradien R₁ und R₂ der beiden Lichtleitfasern so gewählt, daß sich die Brechzahlfenster der beiden Lichtleitfasern nicht überlappen. Im allgemeinen gilt R₂ > R₁. Bei Verwendung von

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Lichtleitfasern mit stufen- oder gradientenförmigen Brechzahlprofil gelten folgende Beziehungen für die näherungsweise Berechnung der Anfangs- und Endwerte n, und n„ der Brechzahlfenster in Abhängigkeit von den Krümmungsradien R:

R + 2a_K + 2a_M)'

Dabei bedeuten n_M - Brechzahl des Lichtleitfasermantels und a_K, a_M - Radius des Lichtleitfaserkerns bzw. -mantels.

Damit sich die Brechzahlfenster der Lichtleitfasern 1 und 2 nicht überlappen muß η_ώ эг η_β, sein. Somit läßt sich die Bedingung R₂ > R, weiter präzisieren:

_{Я2В1 4ак}

Эм а_м

In der Praxis mit R₁, R₂ > 2a_M, 2a_K gilt и ^r ^ам + ^2ак

R₂ > R₁

^aM

Bei Verwendung von Lichtleitfasern, deren optischer Mantel im Bereich der Krümmung entfernt wurde, gilt für die Bemaßung des Anfangswertes n_a des Brechzahlfensters näherungsweise folgende Abhängigkeit vom Krümmungsradius R:

Па = П_к{1 - —

Der Endwert des Brechzahlfensters ist bei diesen gekrümmten Lichtleitfasern immer die Brechzahl des Lichtleitfaserkerns (η. = η_κ). Man kann nun das Brechzahlfenster der zweiten gekrümmten Lichtleitfaser so wählen, daß der Anfangswert η_ώ größer ist als der größte mit der ersten Lichtleitfaser zu messende Brechungsindex n. Für die Wahl des Krümmungsradius der zweiten Lichtleitfaser ergibt sich dann die Bedingung:

Wird der Krümmungsradius R, der einen Lichtleitfaser so gewählt, daß sie im zu messenden Brechungsindexbereich bei Änderung des Brechungsindex des sie umgebenden Mediums maximale Transmissionsänderungen erleidet, so läßt sich durch Wahl des Krümmungsradius R₂ der zweiten Lichtleitfaser gemäß der Beziehung R₂ > R₁ (a_M + 2a_K)/a_M erreichen, daß diese Lichtleitfaser bei Änderung des Brechungsindexes des die beiden gekrümmten Bereiche der Lichtleitfaser umgebenden Mediums innerhalb des Brechzahlfensters der ersten Lichtleitfaser keine oder nur minimale Transmissionsänderung erfährt. Erfindungsgemäß dient die Lichtleitfaser mit dem Krümmungsradius R₁ als Meßlichtleitfaser und sie mit dem Krümmungsradius R₂ als Referenzlichtleitfaser, wobei beide Lichtleitfasern in das zu messende Medium eintauchen.

Eine weitere Variante eines Lichtleitfaserrefraktometers wird erfindungsgemäß in der Weise gebildet, daß der Meßlichtleitfaser ein an den zu messenden Brechungsindexbereich angepaßter Krümmungsradius gegeben ist und der Referenzlichtleitfaser der gleiche oder ein anderer Krümmungsradius gegeben ist und dabei nur die Meßlichtleitfaser von einem Medium umgeben ist, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Anfangswert n_a, des Brechzahlfensters der Meßlichtleitfaser. Diese Bedingung wird immer erfüllt, wenn das die Krümmung der Referenzlichtleitfaser umgebende Medium Luft ist.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 2 ist das erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Licht der Lumineszenzdiode 1 wird in die als Zuleitung zum sensorischen Teil 3 des Lichtleitfaserrefraktometers dienende Lichtleitfaser 2 eingekoppelt, mit Hilfe eines Intensitätsteilers 4 sind zwei Lichtleitfasern mit den Krümmungen 5 und 6 im sensorischen Teil 3 aufgeteilt und über die als Rückleitung dienenden Lichtleitfasern 7 und 8 auf die Empfänger 9 und 10 geleitet. Im Ausführungsbeispiel dient die Lichtleitfaser mit der Krümmung 5 als Meßlichtleitfaser und die Lichtleitfaser mit der Krümmung 6 als Referenzlichtleitfaser,* die dazugehörigen Krümmungsradien betragen im gewählten Beispiel R₁ = 0,5 mm und R₁ = 1,0 mm. Aus den vorverstärkten Signalen der Detektoren 9 und 10 wird im Dividierer 11 der Quotient gebildet und als Meßsignal mit Hilfe der Anzeigeeinheit 12 dargestellt.

Das zweite Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 3, unterscheidet sich vom ersten Beispiel in der Weise, daß das verstärkte vom Empfänger 10 abgegebene Signal, welches der durch die Referenzlichtleitfaser 6 und 8 geleitenden Lichtintensität proportional ist, zur Stabilisierung der Lichtintensität der Lumineszenzdiode 1 genutzt wird und das vom Empfänger 9 abgegebene Signal nach Vorverstärkung als Meßsignal mit Hilfe der Anzeigeeinheit 12 dargestellt wird.

Im dritten im Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Lichtleitfaserrefraktometers wird das Licht einer breitbandigen Lumineszenzdiode 1 in die Lichtleitfaserzuleitung 2 eingekoppelt, in einem als Demultiplexer wirkenden Teiler 13 geteilt, so daß das Licht mit der Wellenlänge λ, die Meßlichtleitfaser mit der Krümmung 5 und das Licht mit der Wellenlänge X₂ die Referenzlichtleitfaser mit der Krümmung 6 durchläuft. Mit Hilfe des Kopplers 14 wird das Licht beider Wellenlängen in die als Rückleitung dienende Lichtleitfaser 15 eingekoppelt und anschließend mit dem wiederum als Demultiplexer wirkenden Teiler 16 aufgeteilt, so daß das Licht der Wellenlänge X₁ auf den Empfänger 9 und das der Wellenlänge X₂ auf den Empfänger 10 fällt. Der Quotient aus beiden vorverstärkten Empfängersignalen wird auf der Anzeigeeinheit 12 als Meßsignal dargestellt. In allen drei Ausführungsbeispielen befinden sich die Krümmung 5 der Meßlichtleitfaser und die Krümmung 6 der Referenzlichtleitfaser am gleichen Ort in dem zu messenden Medium.

Ein weiteres Beispiel eines Lichtleitfaserrefraktometers ist so gestaltet, daß sich die Krümmung der Referenzlichtleitfaser nicht im zu messenden Medium befindet, sondern in einem Medium, dessen Brechungsindex η kleiner ist als der Anfangsbrechungsindex n_a des Brechzahlfensters der Meßlichtleitfaser. Zweckmäßiger Weise ist im Ausführungsbeispiel dieses Medium Luft und die Krümmung der Referenzlichtleitfaser im Griffstück des Lichtleitfaserrefraktometers angeordnet.

Im Rahmen der gemachten Ausführung ist es ersichtlich, daß auch Anwendungsfälle denkbar sind in denen der Referenzfaser ein kleinerer Krümmungsradius als der Meßlichtleitfaser gegeben ist.

Claims

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Patentansprüche:

1. Lichtleitfaserrefraktometer bestehend aus zwei Lichtleitfasern, wobei eine Faser der Messung des Brechungsindex des den sensorischen Bereich umgebenden Mediums und die andere der Kompensation von Umgebungseinflüssen dient, gekennzeichnet dadurch, daß die zwei Lichtleitfasern, von derselben Lichtquelle durchstrahlt, derart angeordnet sind, daß in Abhängigkeit vom zu vermessenden Brechungsindex ihnen ein unterschiedlicher Krümmungsradius in der Weise gegeben ist, daß die als Referenzfaser dienende Lichtleitfaser einen derartigen Krümmungsradius aufweist, daß sie im jeweiligen Meßbereich über keine oder nur minimale Transmissionsänderung bei Variation der Brechzahl des umgebenden Mediums verfügt.
2. Lichtleitfaserrefraktometer nach Punkt 1., gekennzeichnet dadurch, daß der Krümmungsradius der Referenzlichtleitfaser größer als der Ausdruck