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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer zur Bestimmung
des Brechungsindex für die Analyse von Gasen mit einem
von einer Lichtquelle emitierten und ein Prüfgas sowie
mindestens einen transparenten Körper mit definiertem Brechungsindex
durchlaufenden Lichtstrahl, den ein Spiegel in Richtung eines Detektors
zur Erfassung des Brechungsindex reflektiert.
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Auf
dem Gebiet der Analyse von Gasen und Flüssigkeiten durch
optische Messgeräte haben sich die hier interessierenden
Refraktometer, zu denen die Interferometer zählen, etabliert.
Refraktometer nutzen die Brechung (Refraktion) oder die Totalreflektion
eines Lichtstrahls aus, um Konzentration und Zusammensetzung von
Flüssigkeiten und Gasen zu analysieren.
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Zur
Bestimmung des Brechungsindex von Gasen werden üblicherweise
Interferometer eingesetzt, bei denen durch Überlagerung
von Lichtwellen, der so genannten Interferenz, sehr kleine Weglängen messbar
sind. Beispielsweise wird im so genannten Michelson-Interferometer
ein Lichtstrahl mit einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt.
Die beiden Strahlen legen nun unterschiedliche Wege zurück und
werden dann wieder überlagert. Der Lichtstrahl, welcher
den Detektor erreicht, setzt sich aus der kohärenten Überlagerung
der beiden Teilstrahlen zusammen und je nach Gangunterschied ist
es am Detektor hell (konstruktive Interferenz) oder dunkel (destruktive
Interferenz). Durch Verlängerung des Unterschieds der Wegstrecken
oder durch Veränderung des Prüfgases, durch das
einer der Teilstrahlen tritt, können nun die Wellenzüge
der beiden Teilstrahlen so gegeneinander verschoben werden, dass maximale
oder minimale Intensität am Detektor gemessen wird. Hierüber
lässt sich der Brechungsindex von Gasen bestimmen.
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Aus
der
EP 0 508 583 B1 geht
ein gattungsgemäßes Interferometer hervor. Dieses
besteht im Wesentlichen aus zwei winkligen Glasblöcken
als transparente Körper und einem ebenen Spiegel. Ein eintretender
Lichtstrahl trifft auf die Oberfläche des einen Glasblocks
und wird teilweise zu dem Spiegel reflektiert und teilweise an dem
Glasblock durchgelassen. Der reflektierte Teil des Lichtstrahls
trifft auf den Spiegel auf und wird zu dem anderen Glasblock reflektiert.
An diesem Glasblock werden der reflektierte Teil des Lichtstrahls
und der durchgelassene Teil des Lichtstrahls wieder vereinigt. Der
vereinigte Lichtstrahl wird anschließend zu einem Detektor
geführt, der in der Lage ist, Interferenzstreifen in dem vereinigten
Lichtstrahl zu detektieren, worüber der Brechungsindex
des Prüfgases ermittelbar ist.
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Nachteilig
bei einer solchen Messapparatur erweist sich die Tatsache, dass
diese aus einer hohen Anzahl präziser optischer und feinmechanischer Elemente
zusammengesetzt ist. Die Messapparatur ist damit recht aufwendig
in der Herstellung. Darüber hinaus ist die Bedienung recht
kompliziert und nur mit großem Aufwand automatisierbar.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Interferometer
der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welches sich
durch einen einfachen Aufbau sowie zuverlässige Messergebisse
zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prüfgases auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Interferometer gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der auf
der gesamten Strecke zwischen Lichtquelle und Detektor ungeteilte
Lichtstrahl auf den als optischen Lagedetektor ausgebildeten Detektor
trifft, welcher die durch eine Änderungen des Brechungsindex
des Prüfgases hervorgerufene Verschiebung des Lichtstrahls
erfasst.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung resultiert
insbesondere aus der Tatsache, dass ein geteilter Lichtstrahl entbehrlich
ist. Somit entfallen entsprechend komplizierte optische Elemente,
was den Aufbau der Messapparatur vereinfacht. Das erfindungsgemäße
Interferometer wertet direkt die durch Prüfgase mit unterschiedlichem
Brechungsindex bewirkte Ablenkung des Lichtstrahls aus, wozu der
Detektor speziell als optischer Lagedetektor ausgebildet ist. Dieser
stellt unmittelbar ein entsprechendes elektrisches Signal zur Messsignalaufbereitung zur
Verfügung.
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Vorzugsweise
ist der optische Lagedetektor nach Art einer Doppelfotodiode ausgeführt,
wobei beide Fotodioden die gleiche Strahlungsleistung aufnehmen,
so dass die generierten Fotoströme einander gleich sind,
was im Normalzustand zu einem Differenzsignal von Null führt.
Als Normalzustand gilt der Betrieb des Interferometers unter Referenzbedingungen.
Hierdurch wird die Vergleichbarkeit im anschließenden Messbetrieb
hergestellt. Ändert sich das Prüfgas, beispielsweise
durch eine Leckage im System, so wird sich der Brechungsindex entsprechend ändern,
was eine analoge Ablenkung des Lichtstrahls zur Folge hat. Hierdurch ändern
sich die durch beide Fotodioden generierten Fotoströme,
was ein Differenzsignal liefert, das verschieden von Null ist und
aus welchem sich die Änderung des Brechungsindex des Prüfgases
ermitteln lässt.
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Alternativ
hierzu kann der optische Lagedetektor auch durch eine mit einem
Lichtdetektor gekoppelte Glasfaser ausgebildet werden, in welche das
reflektierte und fokussierte Licht eingekoppelt wird. Die Glasfaser
wird derart positioniert, dass sich im Normalzustand ein Maximalwert
ergibt. Abweichungen vom Maximalwert werden durch eine Änderung
des Prüfgases herbeigeführt, woraus ebenfalls analog
zu den vorstehenden Erläuterungen der Brechungsindex ermittelbar
ist.
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Der
im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende transparente
Körper kann verschiedenartig ausgebildet sein. Zum einen
ist es möglich, den transparenten Körper quaderförmig
zu gestalten. In diesem Falle bietet sich Quarzglas als geeignetes
Material an, vorzugsweise Suprasil®.
Dieses spezielle Quarzglas besitzt einen Brechungsindex von 1,458.
Ein solcher quaderförmiger transparenter Körper
sollte für praxisgerechte Messgeräte vorzugsweise
eine Dicke von 3 bis 7 mm aufweisen. Der hierauf auftreffende Lichtstrahl
sollte mit einem Einfallwinkel im Bereich 40° bis 45° ausgerichtet sein.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der transparente
Körper auch rohrförmig ausgebildet sein. Dieses
bietet den Vorteil, dass das Prüfgas direkt hindurch geleitet
werden kann. Die dem Spiegel an der Wandung eines solchen rohrförmigen
Körpers gegenüberliegende Lichtquelle sowie der
Detektor können außen an dem rohrförmigen Körper
angebracht sein, sofern dieser transparent ist. Es ist jedoch auch
möglich, die besagten Bauteile in die Wandung des rohrförmigen
Körpers einzulassen, falls eine gute Zugänglichkeit
von außen her im Reparaturfall nicht ausschlaggebend sein
sollte.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, den transparenten
Körper als spritzgegossenen Kunststoffkörper mit
topfartiger Form auszubilden. Der Innenraum dieses Kunststoffkörpers
ist mit Prüfgas befüllt, wobei der Spiegelboden seitlich
des Körpers angeordnet ist. Diese Formgestaltung bildet
eine kompakte Bauform, wobei der transparente Körper im
Sinne einer Funktionsintegration auch ein Teil des Gehäuses
des Interferometers darstellt. Vorzugsweise sollte der bodenseitige
Spiegel nach Art eines Hohlspiegels ausgebildet sein. Ändert
sich das Prüfgas, so wird auch hier durch den veränderten
Brechungsindex der Lichtstrahl abgelenkt, was durch die vorzugsweise
Doppelfotodiode registrierbar ist.
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Bei
allen vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsformen
des transparenten Körpers bietet es sich an, den Spiegel
vorzugsweise durch eine Goldbeschichtung an einer Seitenfläche
des transparenten Körpers aufzubringen. Hierdurch lässt
sich die Funktion des Spiegels fertigungstechnisch einfach realisieren.
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Zur
Verbesserung der optischen Qualität wird vorgeschlagen,
die Oberfläche des transparenten Körpers mit einer
zusätzlichen Vergütung zur Verringerung von Reflektionsverlusten
zu versehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch denkbar,
mehrere transparente Körper im Strahlengang des Lichtstrahls
anzuordnen, was zwangsläufig bei Verwendung eines rohrförmigen
transparenten Körpers der Fall ist.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
für ein Interferometer mit quaderförmigen transparentem
Körper,
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
für ein Interferometer mit rohrförmigem transparenten
Körper, und
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3 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines Interferometers mit topfartigen transparenten Körper.
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Gemäß 1 besteht
das Interferometer im Wesentlichen aus einer Lichtquelle 1 zur
Erzeugung von infrarotem Licht. Die Lichtquelle 1 sendet
einen Lichtstrahl 2 durch ein Prüfgas 3 und
trifft unter einem spitzen Winkel auf einen transparenten Körper 4.
Der transparente Körper 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel
quaderförmig ausgebildet und besteht aus Quarzglas. Der
Lichtstrahl 2 wird innerhalb des transparenten Körpers 4 gebrochen
und trifft nach Passage auf einen rückwärtig am
transparenten Körper 4 angebrachten Spiegel 5 auf.
Der vom Spiegel 5 reflektierte Lichtstrahl 2' wird
wiederum an der Grenzstelle zwischen transparentem Körper 4 und
Prüfgas 3 gebrochen und trifft auf einen nach
Art eines Lagedetektors ausgebildeten optischen Detektor 6 auf.
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Der
optische Detektor 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel
nach Art einer Doppelfotodiode ausgeführt. Beide Dioden
der Doppelfotodiode nehmen dabei die gleiche Strahlungsleistung
auf. Im Normalzustand ist das Differenzsignal Null. Ändert
sich das Prüfgas 3, so führt dies zu
einer Änderung der Brechung des Lichtstrahls 2' welcher
sich bezüglich des optischen Detektors 6 verschiebt.
Die Doppelfotodiode gibt ein entsprechendes Differenzsignal aus,
welches der Änderung des Brechungsindex des Prüfgases 3 entspricht.
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Gemäß 2 ist
der transparente Körper 4' im Gegensatz zum vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet.
Durch den rohrförmigen, transparenten Körper 4' wird
das Prüfgas 3 hindurch geleitet. Der Lichtstrahl 2, 2' ausgesendet
von der Lichtquelle 1 wird an der Wandung des rohrförmigen,
transparenten Körpers 4' zweimal gebrochen, woraus
eine in etwa Parallelverschiebung des vom Spiegel 5 reflektierten
Lichtstrahls 2' (Strichlinie) resultiert.
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Gemäß dem
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der transparente Körper 4'' als spritzgegossener
Kunststoffkörper mit topfartiger Form ausgebildet. Im Inneren
des topfartigen Körpers 4'' befindet sich das
Prüfgas 3. Der Lichtstrahl 2 wird von
einer Lichtquelle 1 ausgesandt und passiert das Prüfgas 3,
wird an der Grenzstelle zum transparenten Körper 4' im
Bodenbereich gebrochen und trifft auf einen hier als Hohlspiegel
ausgebildeten Spiegel 5 auf. Der vom Spiegel 5 reflektierte
Lichtstrahl 2' wird hinsichtlich seines Brechungsindex
vom Detektor 6 analog zu den beiden vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen erfasst.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen
bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch
Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden
Ansprüche umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich,
den optischen Lagedetektor andersartig auszuführen, beispielsweise
mit Hilfe einer Glasfaser, wobei zur Bestimmung des Brechungsindex
Maximalwertabweichungen des hier eingekoppelten Lichtstrahls ausgewertet
werden. Ferner kann der transparente Körper auch eine völlig andere
Form aufweisen, so lange das erfindungsgemäße
Messprinzip hiermit realisierbar ist.
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Lichtstrahl
- 3
- Prüfgas
- 4
- transparenter
Körper
- 5
- Spiegel
- 6
- Detektor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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