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Die
Erfindung betrifft einen Refraktometer zur Messung des Brechungsindex
einer fluiden Probe, mit einer Lichtquelle, einem Prisma und einer
positionsempfindlichen Detektoreinrichtung.
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Refraktometer
sind Einrichtungen zur Bestimmung des Brechungsindex von optischen
Medien. Sie werden eingesetzt, um beispielsweise die Reife von Wein,
den Grad des Frostschutzes von Kühlflüssigkeiten
oder aber die Säuredichte
des Elektrolyts einer Batterie zu bestimmen. Neben diesen beispielhaften
Verwendungsmöglichkeiten
werden Refraktometer auch zur Bestimmung des Salzgehaltes von Wasser, beispielsweise
Meerwasser, benutzt und der ermittelte Brechungsindex des Wassers
wird dann Seewasserbrechungsindex oder Seewasserdichte genannt und
läßt Rückschlüsse auf
die Seewasserdichte zu.
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Insbesondere
ist die Kenntnis der Seewasserdichte für die Steuerung von U-Booten
wichtig, wobei insbesondere militärisch eingesetzte U-Boote auf
aktive Messmethoden aufgrund der leichten Detektierbarkeit verzichten
sollten und deshalb die Seewasserdichtemessung mit Refraktometern
durchführen
könnten.
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Ein
Problem dieser Art der Verwendung besteht darin, dass das Meerwasser
unregelmäßig an dem
Refraktometer vorbeiströmt
und dadurch zu Messartefakten führt.
Aus der
DE 198 31
303 A1 ist bereits ein Refraktometer bekannt, das diese
Strömungseffekte
dadurch vermeidet, dass das Refraktometer zunächst mit einem geeigneten Medium,
beispielsweise Luft, in Abhängigkeit
von der Temperatur und des Drucks vor der eigentlichen Messung kalibriert
wird. Diese Art Refraktometer ist jedoch aufwendig herzustellen
und erfordert gegebenenfalls in gewissen Zeitabständen eine Überprüfung der
Kalibrierung.
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Aus
der
US 2649014 ist ein
Refraktometer bekannt, bei dem die beiden Strahlen das Messprisma
durchlaufen. Gegenstand der
US
3449051 ist Refraktometer, beidem eine Totalreflexion des
Messstrahls stattfindet, der Messstrahl das Fluid also nicht durchläuft.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Refraktometer bereit zu stellen, mit dem
eine exakte Messung des Seewasserbrechungsindex mit nur einem und vereinfachten
Kalibrierungsvorgang durchgeführt werden
kann und dem die geometrischen Veränderungen über die Gebrauchszeit keine
Meßwertbeeinflussung
beschert.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Refraktometer zur Messung des Brechungsindex einer fluiden Probe
mit den Merkmalen des Ansprüche
1. Die Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
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Dem
erfindungsgemäßen Refraktometer liegt
der Gedanke zugrunde, dass ein Strahlteiler in Kombination mit einem
Spiegel das Licht einer Lichtquelle, bevorzugt eines Lasers, in
zwei parallel geführte
Strahlen teilt, die dieselben optischen Komponenten durchlaufen,
wobei der Probenstrahl zusätzlich
durch die fluide Probe geführt
ist.
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Dadurch,
dass zu jedem Messzeitpunkt unter gleichen Temperatur- und Druckbedingungen
sowohl ein Probenstrahl als auch ein Referenzstrahl gemessen wird,
entfällt
die sehr schwere Korrektur aller möglichen geometrischen Einflüsse in dem
System, welche zum Beispiel durch aufwendige Kalibriervorgänge nur
teilweise bereinigt werden können.
Weiterhin wird auch sichergestellt, dass etwaige Abweichungen zwischen
den Messungen des Probenstrahls und des Referenzstrahls, also Messfehler,
so gering wie nur möglich
gehalten werden, da sowohl der Probenstrahl als auch der Referenzstrahl
weitgehend identische Baukomponenten des erfindungsgemäßen Refraktometers
durchlaufen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Refraktometers mit den
Strahlengängen
des Referenzstrahls und des Probenstrahls,
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2 eine
Draufsicht auf das erfindungsgemäße Refraktometer,
und
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3 eine
geschnittene Seitenansicht des Refraktometers nach der Erfindung
entlang der Linie A-A aus 2.
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1 zeigt
eine schematische Perspektivansicht des Refraktometers nach der
Erfindung. Ausgehend davon, dass das erfindungsgemäße Refraktometer
zur Bestimmung der Salinität
in militärisch genutzten
U-Booten eingesetzt werden soll, besteht das Refraktometer 10 aus
einer bevorzugt als Diodenlaser ausgebildeten Lichtquelle 30,
deren Licht über
mehrere als Umlenkprismen ausgebildete optische Komponenten einem
das Licht in einen Probenstrahl 60 und eine Referenzstrahl 70 teilenden Strahlteiler 80 zugeführt ist,
und einer sowohl den Probenstrahl 60 als auch den Referenzstrahl
auf separaten Detektionsbereichen detektierenden Detektionseinrichtung 50,
die bevorzugt als hochauflösende Zeilenkamera
ausgebildet ist.
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Zur
Kompensation von Laserjitter und mechanischen Verspannungen des
optischen Aufbaus wird der Referenzstrahl 70 zum Probenstrahl 60 parallel
geführt
und nimmt den gleichen optischen Weg durch weitgehend dieselben
optischen Komponenten wie der Probenstrahl 60 mit der Ausnahme,
dass der Referenzstrahl 70 nicht durch die fluide Probe 20 geführt ist.
Beide Strahlen, der Mess- und der Referenzstrahl werden schließlich auf
den separaten Detektionsbereichen der Detektoreinrichtung 50 abgebildet, wobei
der Abstand der beiden Strahlen zueinander das auszuwertende Messsignal
bestimmt.
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Um
weiterhin eine hinreichende Genauigkeit der Seewasserdichtemessung
zu erreichen, wird eine möglichst
große
Proben- und Referenzstrahllänge
benötigt,
die unter Vorgabe einer kompakten Bauweise mit geringen Ausmaßen durch
mehrfache Umlenkung der Strahlen mit Umlenkprismen erreicht werden
kann.
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Der
Laserstrahl wird zunächst
von der Lichtquelle 30 durch zwei Umlenkprismen in einen
optischen Kanal gelenkt. Danach wird der Strahl durch zwei weitere
Umlenkprismen zurückgefaltet
und mit Hilfe eines Strahlteilerwürfels 80 in einen
Probenstrahl 60 und einen Referenzstrahl 70 geteilt.
Daraufhin werden beide Strahlen in das im Folgenden als Messprisma
bezeichnete Prisma 40, dass regelmäßig aus einem massiven Glasblock
geschliffen sein wird, gelenkt, in dem die Brechungsindexmessung erfolgt.
Dafür weist
das Messprisma 40 bevorzugt eine Ausnehmung (40A)
zur Aufnahme der fluiden Probe 20, d.h. Seewasser, auf.
Das Messprisma 40 ist derart ausgebildet, das der Probenstrahl 60 zunächst ungebrochen
unter einem Winkel von 0° in
die fluide Probe 20 eintritt und unter einem sehr flachen Rückeintrittswinkel
in das Prisma 40, der bevorzugt 82° zum Lot beträgt, auf
die Seewasser/Glas-Grenzfläche auftrifft
und in Abhängigkeit
vom Brechungsindex des Seewassers 20 gebrochen wird. Aufgrund der
Abhängigkeit
des Brechungswinkels von der Seewasserdichte bestimmt die Salinität der fluiden Probe 20 die
Position, an der der Probenstrahl 60 auf den Detektionsbereich
der Detektoreinrichtung 50 auftrifft, aus der der Brechungsindex
und damit die Seewasserdichte bestimmt wird.
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Der
Referenzstrahl wird lediglich im Messprisma reflektiert und durchläuft die
Länge des
Messprimas 40 ohne mit der fluiden Probe in Kontakt zu treten.
Sowohl der Proben- als auch der Referenzstrahl treten aus dem Messprisma 40 wieder
aus, wobei der Referenzstrahl einem Prisma zugeführt ist, um Probenstrahl 60 und
Referenzstrahl 70 weiterhin parallel zu führen.
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Die
bevorzugt als Zeilenkamera ausgebildete Detektionseinheit 50 schließlich besteht
aus einem lichtempfindlichen Zeilensensor und einer FPGA-basierten
Steuer platine. Als Zeilensensor wird bevorzugt ein IC-Baustein verwendet,
bei dem in einer Reihe 5150 lichtempfindliche CCD-Elemente angeordnet
sind. Die Sensorelemente der CCD-Kamera werden einzeln adressiert
und bei einem Analog-Digital-Wandler als Graustufenwerte ausgewiesen.
Die Steuerung des Ausleseprozesses und die Aufnahme der Daten geschieht
mittels des FPGA. Das FPGA reicht die Daten der CCD-Zeile über eine RS232-Schnittstelle
in den internen Steuer-PC der Sonde weiter.
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Die
Detektionseinrichtung 50 weist zwei separate Detektionsbereiche
auf, wobei der Probenstrahl auf dem einen Bereich und der Referenzstrahl auf
dem anderen Bereich abgebildet werden. Der Bereich zur Erfassung
des Probenstrahls ist bevorzugt größer als der Bereich zur Erfassung
des Referenzstrahls ausgebildet.
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Der
Abstandswert der beiden Strahlen als effektive Messgröße ist demnach
fehlerbereinigt und kann als Strahlenposition verwendet werden: D(x) = SMess – SRef mit
- SMess:
- ermittelte Position
des Probenstrahls
- SRef:
- ermittelte Position
des Referenzstrahls.
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Mit
diesem Wert lässt
sich je nach verwendeter Strahl- und Kamerageometrie der Austrittswinkel rechnerisch
bestimmen. Der Eintrittswinkel ist durch die Konstruktion vorgegeben
und der Glasbrechungsindex ist als Materialkennwert bekannt.
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Der
Brechungsindex des Mediums ergibt sich aus dem Brechungsgesetz: nMedium = nPrisma·sinαPrisma/sinαm mit
- nPrisma:
- Brechungsindex des
Messprismas
- αPrisma:
- Austrittswinkel von
der Grenzfläche
- αm:
- Eintrittswinkel in
die Grenzfläche.
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In
der Praxis kann aus den im Prüffeld
ermittelten Kalibrierdaten eine Lookup-Tabelle erzeugt werden, mit der für jeden
Brechungsindex die zugehörige
Leitfähigkeit
gemessen werden kann. Aus der ermittelten Leitfähigkeit, sowie den Messgrößen Temperatur
und Druck wird der Salzgehalt bestimmt. Anschließend wird aus Salzgehalt, Temperatur
und Druck die Dichte berechnet. Schließlich kann aus Salzgehalt,
Temperatur und Druck die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden.
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2 und 3 dienen
lediglich zum besseren Verständnis
von 1 und zeigen deutlich die Umlenkung der Strahlen 60, 70 durch
die Umlenkprismen. In 3 wird zusätzlich die die fluide Probe 20 aufnehmende
Ausnehmung 40A des Messprismas 40 deutlich, dessen
eine Wandung als Grenzfläche
zum Wiedereintritt des Probenstrahls 60 aus der fluiden
Probe 20 in das Messprisma 40 um 82° zum Lot
(nahe 90° zum
Lot, insbesondere 79–84°) geneigt ist.