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Die
Erfindung betrifft ein Refraktometer zum Messen der Art und Konzentration
einer in einer Flüssigkeit gelösten Substanz.
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Mit
Bezug auf
8 ist ein Refraktometer
200 (Referenz
1:
Japanisches Patent mit
der Nummer 2004-150923 ), allgemein bekannt als "digitales Refraktometer",
das ein Prisma
202, eine Lichtquelle
204 und einen
Lichtempfangssensor
206 aufweist, bekannt. Das Refraktometer
200 projiziert
das Licht von der Lichtquelle
204 auf die Grenzfläche
zwischen der Probenflüssigkeit S und dem Prisma
202,
wandelt das reflektierte Licht mittels des Lichtempfangssensors
206 in
ein elektrisches Signal und ermittelt den Brechungsindex der Flüssigkeit
gemäß dem elektrischen Signal von dem Lichtempfangssensor. Da
der Brechungsindex einer Flüssigkeit in Beziehung zu der
Art und der Konzentration der Substanz steht, welche in der Flüssigkeit
gelöst ist, werden Refraktometer als Gerät zum
Messen der Konzentration von löslichen Substanzen in einer
Flüssigkeit, zum Beispiel als Saccharometer zum Messen
des Zuckergehalts verwendet.
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Das
Refraktometer 200 ist derart konstruiert, dass zur Messung
eine Probenflüssigkeit S auf das Prisma 202 geträufelt
wird. Somit besteht darin ein Problem, dass das Refraktometer 200 nicht
in der Lage ist zu arbeiten, wenn das Prisma in eine Flüssigkeit
eingetaucht wird. Darüber hinaus besteht ein anderes Problem
darin, dass das Refraktometer 200 nicht in der Lage ist
zu arbeiten, wenn das Prisma in Kontakt mit der Schnittfläche
einer Frucht oder ähnlichem gebracht wird, da wie in 8 gezeigt,
die Fläche 202a des Prismas 202, die
die Probenflüssigkeit S berührt, tiefer als der
die Fläche 202a umgebende Probenumgebungsbereich 208 liegt.
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Mittels
der Erfindung werden die oben genannten Probleme überwunden.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein kompaktes Refraktometer
bereitzustellen, welches sowohl dann betrieben werden kann, wenn
das Prisma des Refraktometers in eine Flüssigkeit eingetaucht
ist, als auch dann, wenn es in Kontakt mit der Schnittfläche
einer Frucht gebracht wird.
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Ein
erfindungsgemäßer Refraktometer weist ein Gehäuse
mit einem Innenraum, welches mit einem Eintauchelement ausgestattet
ist, welches eine Öffnung an einem Ende aufweist, ein Substrat,
das in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet ist, eine Lichtquelle,
die an dem Substrat angeordnet ist, einen Lichtempfangssensor, der
an dem Substrat angeordnet ist, ein Prisma, das eine erste Fläche,
die gegenüber der Lichtquelle und dem Lichtempfangssensor
angeordnet ist, eine zweite Fläche, die an der Öffnung
auf solche Weise angeordnet ist, dass die zweite Fläche
in Kontakt mit einer Probenflüssigkeit steht, so dass eine
Grenzfläche zwischen der zweiten Fläche und der
Probenflüssigkeit gebildet wird, und eine dritte Fläche
zum Totalreflektieren des Lichts aufweist, das von der Lichtquelle
ausgesandt wird und an der Grenzfläche auf eine Lichtempfangsfläche
des Lichtempfangssensors reflektiert wird, und eine Recheneinheit
auf, die mit dem Lichtempfangssensor zum Ermitteln des Brechungsindexes
der Flüssigkeit gemäß der Ausgabe des
Lichtempfangssensors verbunden ist.
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Der
Gegenstand der Erfindung hat die folgende Wirkung.
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Erfindungsgemäß kann
ein kompaktes Refraktometer bereitgestellt sein, welches sowohl
dann betrieben werden kann, wenn das Prisma in eine Probenflüssigkeit
getaucht ist, als auch dann betrieben werden kann, wenn es in Kontakt
mit der Schnittfläche einer Frucht gebracht wird.
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In
den Zeichnungen:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht des Refraktometers gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ist
eine Seitenansicht des Refraktometers, von der Richtung II-II in 1 aus
gesehen;
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3 ist
ein Querschnitt des Refraktometers in 2 längs
der Richtung III-III;
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4 ist
ein Querschnitt des Eintauchelements des Refraktometers;
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5 ist
ein Blockdiagramm des Refraktometers in 1;
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6 veranschaulicht
den Zustand des Refraktometers in 1, das zur
Messung in eine Testflüssigkeit eingetaucht ist;
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7 veranschaulicht
den Zustand des Refraktometers in 1, das zur
Messung in Kontakt mit der Schnittfläche einer Frucht gebracht
wird;
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8 ist
der Querschnitt eines Refraktometers nach dem Stand der Technik.
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Die
Bezugszeichen bedeuten:
- 10 – Refraktometer, 12 – Gehäuse, 14 – Hauptkörper, 16 – Eintauchelement, 18 – Öffnung, 20 – Prisma, 20a – erste
Fläche, 20b – zweite Fläche, 20c – dritte Fläche, 22a – Startknopf, 22b – Resetknopf, 24 – Anzeigeelement, 26 – erstes
Substrat, 28 – Lichtquelle, 30 – Lichtempfangssensor, 32 – Wand, 32a – Außenfläche, 34 – Temperatursensor, 42 – zweites
Substrat, 46 – Steuerungselement, 54 – CPU – Schaltkreis, 56 – Energieversorgungsschaltung, 60 – Abdeckung, 62 – Batterielagereinheit, 74 – Batterieabdeckung, α – Winkel, β – Winkel, γ – Winkel.
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Wie
in der perspektivischen Ansicht in 1 gezeigt,
hat ein Refraktometer 10 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Allgemeinen eine längliche
Form. Insbesondere wird die Höhe des Refraktometers, wie
in 1 gezeigt, längs der vertikalen Richtung
gemessen, von einem ersten Ende 10a zu einem zweiten Ende 10b größer.
Indessen ist die Breite des Refraktometers 10, längs
der horizontalen Richtung gemessen, im Wesentlichen konstant, wie es
in der Seitenansicht von links in 2 gezeigt
ist. Nachstehend wird die Längsrichtung des Refraktometers
mit z-Richtung, die Höhe als y-Richtung und die Breite
als x-Richtung bezeichnet.
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In
dem bevorzugten Refraktometer 10 beträgt die Länge
L1 etwa 80 bis 120 mm, die Höhe
H1 des ersten Endes 10a etwa 7
bis 18 mm, die Höhe H2 des zweiten
Endes 10b etwa 7 bis 40 mm und die Breite W etwa 5 bis
20 mm. Somit kann das Refraktometer 10 wie ein Stift in
der Hand gehalten werden.
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Wiederum
mit Bezug auf 1 weist das Gehäuse 12 des
Refraktometers 10 einen Hauptkörper 14 und
ein Eintauchelement 16 auf, welches in eine Probenflüssigkeit
eingetaucht werden kann. Das Eintauchelement 16 ist auf
der Seite des ersten Endes 10a des Refraktometers angeordnet.
Das Eintauchelement 16 hat eine längliche Form.
Die Länge L2 des Eintauchelements 16 längs
der z-Richtung beträgt bevorzugt etwa 5 bis 150 mm. Eine Öffnung 18 ist
an der Vorderseite des Eintauchelements 16 vorgesehen,
ausgestattet mit einem Prisma 20, welches mit der Probenflüssigkeit
in Kontakt kommen soll. Das Eintauchelement 16 ist aus
irgendeinem arzneimittelresistenten Material wie zum Beispiel PBT-Harz (Polybutylenterephthalat)
und ABS-Harz (Acrylnitrilbutadienstyrol) oder irgendeinem anderen
korrosionsbeständigen Material wie zum Beispiel rostfreiem Stahl
und Aluminiumformen oder Zinkformen, die mit Nickel, Nickelchrom,
PTFE (Polytetrafluorethylen) oder dergleichen beschichtet sind,
bevorzugt aus rostfreiem Stahl hergestellt und noch bevorzugter aus
austenitischem rostfreien Stahl wie zum Beispiel SUS316 hergestellt.
Demzufolge kann das Eintauchelement 16 in eine Flüssigkeit
mit hoher Korrosion, wie zum Beispiel Zitronen- oder Orangensaft,
Lebensmittelessig, Salzlösung, Sojasoße, Öl
und dergleichen getaucht werden.
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Das
Refraktometer 10 weist an dem Hauptkörper 14,
Bedienelemente 22a und 22b zum Starten der Messung
bzw. Zurücksetzen des Refraktometers und ein Anzeigeelement 24 zum
Anzeigen des Messergebnisses, wie zum Beispiel eine Flüssigkristallanzeige
auf. Der Hauptkörper 14 ist aus einem thermoplastischen
Harz hergestellt, bevorzugt ist er aus ABS-Harz hergestellt. Folglich
kann das Refraktometer 10 nicht herausfallen, wenn es in
einen Behälter, zum Beispiel ein Glas (wie in 6 gezeigt),
eingetaucht ist, da der Schwerpunkt des Refraktometers in dem Eintauchelement 16 liegt,
das aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
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Mit
Bezug auf den Querschnitt in 3 ist ein
erstes Substrat 26, das sich in der zx-Ebene erstreckt,
in dem Innenraum des Eintauchelements 16 angeordnet. Das
erste Substrat 26, das auf der Seite des ersten Endteils 10a des
Refraktometers 10, das heißt auf der Seite des
vorderen Endes des Eintauchelements 16 angeordnet ist,
hält eine Lichtquelle 28, einen Lichtempfangssensor 30 und
ein Prisma 20.
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Mit
Bezug auf den Teilquerschnitt in 4 sind die
Lichtquelle 28 und der Lichtempfangssensor 30 auf
der gleichen Fläche 26a des ersten Substrats 26 befestigt.
Insbesondere sind die Lichtquelle 28 und der Lichtempfangssensor 30 längs
der z-Richtung voneinander räumlich getrennt angeordnet,
wobei die Lichtquelle 28 näher zu dem vorderen
Ende des Eintauchelements 16 (wie in 3 gezeigt)
liegt.
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Die
Lichtquelle 28 besteht bevorzugt aus einer LED (lichtemittierende
Diode). Zum Beispiel kann eine oberflächenmontierte LED-Anordnung
mit einer Abmessung von 1,6 mm Länge × 0,8 mm
Breite × 0,45 mm Höhe als Lichtquelle 28 verwendet
werden. Der Lichtempfangssensor 30 kann aus einem eindimensionalen
Bildsensor, wie zum Beispiel einem CCD (charge coupled device =
ladungsgekoppeltes Bauelement) und einem CMOS (complementary metal
oxide semiconductor = komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter)
bestehen. Beispielsweise kann ein linearer Bildsensor mit CCDs,
der eine Abmessung von 1,0 mm Länge × 8,8 mm Breite × 0,645
mm Höhe aufweist, als Lichtempfangssensor 30 verwendet
werden.
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Eine
erste Fläche 20a des Prismas 20 ist zu der
lichtemittierenden Fläche 28a der Lichtquelle 28 und
der Lichtempfangsfläche 30a des Lichtempfangssensors 30 zugewandt
angeordnet. Das Prisma 20 ist bevorzugt im Abstand von
etwa 1,0 bis 1,5 mm zu der Fläche 26a des ersten
Substrats 26 angeordnet. Somit ist der Umgebungsraum des
Prismas 20 mittels Befestigens der Lichtquelle 28 und
des Lichtempfangssensors 30 auf der derselben Fläche 26a desselben
Substrats 26 und mittels deren Ausrichtung in Richtung
derselben Fläche 20a des Prismas 20 minimiert.
Daher kann der Durchmesser des Eintauchelements 16 so klein
hergestellt werden (wie in 3 gezeigt),
was somit ein kompaktes Refraktometer 10 (wie in 3 gezeigt)
ermöglicht.
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Mit
Bezug auf 3 ist die zweite Fläche 20b des
Prismas 20 in der Öffnung 18 angeordnet, die
auf der Wand 32 an dem vorderen Ende 16a des Eintauchelements 16 angeordnet
ist. Das Prisma 20 ist an der Öffnung 18 mittels
des Randbereichs der zweiten Fläche 20b befestigt.
Die zweite Fläche 20b ist gegenüber dem
Refraktometer 10 durch die Öffnung 18 freigelegt,
so dass sie in Kontakt mit der Probenflüssigkeit kommt,
wodurch eine Grenzfläche zwischen der zweiten Fläche
und der Probenflüssigkeit gebildet wird. Darüber
hinaus liegt die zweite Fläche 20b in derselben
Ebene wie die äußere ebene Fläche 32a der
Wand 32, die die Öffnung 18 umgibt. Daher kann
die zweite Fläche 20b zur Messung in Kontakt mit
der Schnittfläche einer Frucht gebracht werden.
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Mit
Bezug auf 4 wiederum reflektiert die dritte
Fläche 20c des Prismas 20 das Licht,
das von der Lichtquelle 28 emittiert wurde und von der
Grenzfläche zwischen dem Prisma 20 und der Probenflüssigkeit
S auf die Lichtempfangsfläche 30a des Lichtempfangssensors 30 reflektiert
wurde, total. Insbesondere wird das Licht La, das von der Lichtquelle 28 auf
die zweite Fläche 20b fällt, welche die
Grenzfläche zwischen der Probenflüssigkeit S und
dem Prisma 20 darstellt, in einen gebrochenen Lichtstrahl
und einen reflektierten Lichtstrahl Lb entsprechend dem relativen
Brechungsindex der Probenflüssigkeit S und des Prismas 20 aufgeteilt,
fällt der reflektierte Lichtstrahl Lb auf die dritte Fläche 20c.
Die dritte Fläche 20c reflektiert den reflektierten
Lichtstrahl Lb von der zweiten Fläche 20b total
auf die Lichtempfangsfläche 30a des Lichtempfangssensors 30.
Die dritte Fläche 20c funktioniert als Reflektor
anstelle einer getrennten Einrichtung, wie zum Beispiel eines Lichtleiters,
eines Spiegels und einer Linse, und bildet das Licht, das von der
Lichtquelle 28 emittiert wurde und von der Grenzfläche
zwischen der Probenflüssigkeit S und dem Prisma 20 reflektiert
wurde, auf die Lichtempfangsfläche 30a des Lichtempfangssensors 30 ab,
welcher an dem gleichen Substrat 26 wie die Lichtquelle
angeordnet ist.
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Die
Winkel α, β und γ zwischen den drei Flächen 20a, 20b und 20c werden
von dem Brechungsindex des Prismas 20, dem bevorzugten
Messbereich des Brechungsindexes und der Totalreflexion des Lichtes
von der zweiten Fläche 20b an der dritten Fläche 20c festgelegt.
Darüber hinaus sind die Abmessungen der Flächen 20a, 20b und 20c durch
die Abmessung des Lichtempfangssensors 30 und durch die
bevorzugte Auflösung festgelegt.
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Der
Brechungsindex des Prismas 20 ist durch die zu detektierende
lösliche Substanz in der Flüssigkeit festgelegt
und liegt bevorzugt etwa im Bereich 1,4 bis 2,4. Wenn der Brechungsindex
des Prismas 20 1,6 beträgt und der Messbereich
ungefähr zwischen 1,33 und 1,55 liegt, beträgt
der Winkel α zwischen der ersten Fläche 20a und
der zweiten Fläche 20b etwa zwischen 25 und 45°,
der Winkel β zwischen der zweiten Fläche 20b und
der dritten Fläche 20c etwa 95 bis 120° und
der Winkel γ zwischen der dritten Fläche 20c und
der ersten Fläche 20a etwa 15 bis 60°.
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Ein
Temperatursensor 34 ist an der Fläche 26a des
ersten Substrats 26 zwischen der Lichtquelle 28 und
dem Lichtempfangssensor 30 befestigt. Der Temperatursensor 34 weist
bevorzugt einen Temperatursensor mit einer Platinschicht auf. Ein
Temperatursensor mit einer Platinschicht, der eine Abmessung von
1,6 mm Länge × 0,8 mm Breite × 0,45 mm Höhe
aufweist, kann als Temperatursensor 34 verwendet werden.
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Darüber
hinaus ist eine Aussparung 36 auf der ersten Fläche 20a des
Prismas 20 ausgebildet, die dem Temperatursensor 34 zugewandt
ist. Ein wärmeleitendes Element 38 ist in der
Aussparung 36 zum Kontaktieren sowohl des Temperatursensors 34 als
auch des Prismas 20 angeordnet. Ein wärmeleitendes
Element 38 ist bevorzugt aus wärmeleitendem Gummi
hergestellt.
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Wiederum
mit Bezug auf 3 ist ein optischer Trägerrahmen 40 ferner
auf der Fläche 26a des ersten Substrats 26 zum
Halten des Prismas 20 ebenso wie zum Abschirmen der Lichtquelle 28 gegenüber
Streulicht befestigt. Der optische Trägerrahmen 40 ist
bevorzugt aus einem thermoplastischen Harz wie zum Beispiel PC (Polycarbonat),
ABS-Harz (Acrylnitrilbutadienstyrol), PPE-Harz (Polyphenylenether)
und dergleichen hergestellt.
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Ein
zweites Substrat 42 ist mit dem ersten Substrat 26 am
Ende der Basis 26b des Eintauchelements verbunden. Die
Bedienelemente 22a und 22b, ein Anzeigeelement 24 und
ein Steuerungselement 46 werden an dem zweiten Substrat 42 gehalten
(wie in 5 gezeigt). Das zweite Substrat 42 erstreckt sich
längs der yz-Ebene in dem Innenraum innerhalb des Hauptkörpers 14 und
bildet einen rechten Winkel mit dem ersten Substrat 26,
das sich längs der zx-Ebene erstreckt. Insbesondere bilden
eine Seitenfläche 44a eines Erweiterungsteils 44 des
zweiten Substrats 42, das sich innerhalb des Eintauchelements 16 erstreckt,
und die Fläche 26a des ersten Substrats 26 eine
T-förmige Anordnung und sind dann miteinander mittels Weichlötens
verbunden. Auf diese Weise kann die Verdrahtung zwischen dem ersten
Substrat 26 und dem zweiten Substrat 42 ohne irgendwelche
Drähte verbunden werden.
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Mit
Bezug auf das Blockdiagramm in 5, das die
primären Komponenten des Refraktometers 10 veranschaulicht,
weist das Steuerungselement 46 einen Verstärkerschaltkreis 48,
der mit dem Lichtempfangssensor 30 verbunden ist, einen
Widerstands-/Spannungswandlerschaltkreis 50, der mit dem
Temperatursensor 34 verbunden ist, einen A/D-Wandlerschaltkreis 52,
der mit dem Widerstands-/Spannungswandlerschaltkreis 50 verbunden ist,
einen CPU-Schaltkreis (Recheneinheit) 54, der mit dem Verstärkerschaltkreis 48 und
dem A/D-Wanderschaltkreis 52 verbunden ist, und eine Energieversorgungsschaltung 56 auf,
die mit dem CPU-Schaltkreis 54 verbunden ist.
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Der
Verstärkerschaltkreis 48 verstärkt das elektrische
Signal S1, das von dem Lichtempfangssensor 30 ausgegeben
wird. Der Widerstands-/Spannungswandlerschaltkreis 50 wandelt
den Widerstandswert R, der von dem Temperatursensor 34 ausgegeben
wird, in einen Spannungswert V. Der A/D-Wandlerschaltkreis 52 wandelt
den Spannungswert V, der von dem Widerstands-/Spannungswandlerschaltkreis 50 ausgegeben
wird, in ein Digitalsignal S2.
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Der
CPU-Schaltkreis 54 weist einen Speicher (nicht gezeigt)
auf, welcher ein Programm zum Wandeln des elektrischen Signals S3, das von dem Verstärkerschaltkreis 48 ausgegeben
wird, in einen Konzentrationswert und ein Programm zum Wandeln des
Digitalsignals S2, das von dem A/D-Wandlerschaltkreis 52 ausgegeben
wird, in einen Temperaturkompensationswert speichert.
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Darüber
hinaus weist der CPU-Schaltkreis 54 einen Speicher (nicht
gezeigt) auf, welcher mit einem Startknopf 22a und einem
Resetknopf 22b des Bedienelements verbunden ist, und welcher
ein Programm speichert, welches abläuft, wenn der Resetknopf 22b zur
Korrektur aktiviert ist. Der CPU-Schaltkreis 54 weist einen
weiteren Speicher (nicht gezeigt) auf, welcher ein Programm zum
selektiven Ausführen irgendeines Detektionsmodus im Stapelbetrieb, in
dem nur eine Detektion durchgeführt wird, wenn der Startknopf 22a gedrückt
ist, und eines sequenziellen Detektionsmodus (zum Beispiel eine
Detektion pro 5 Sekunden und 60 Detektionen insgesamt), in welchem
mehrere sequenzielle Detektionen durchgeführt werden, wenn
der Startknopf 22a gedrückt ist. Der Detektionsmodus
kann zum Beispiel mittels Drückens des Startknopfes 22a und
des Resetknopfs 22b zur gleichen Zeit geschaltet werden.
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Die
Energieversorgungsschaltung 56 versorgt den CPU-Schaltkreis 54 und
andere Schaltungen, die Lichtquelle 28 und das Anzeigeelement 24 mit
Energie.
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Wiederum
Bezug nehmend auf 3 sind der Hauptkörper 14 des
Gehäuses 12 und das Eintauchelement 16 über
das erste Ende 14a des Hauptkörpers 14 mittels
der Basis 16b des Eintauchelements 16 miteinander
in Eingriff gebracht und sind dann miteinander verbunden. Der Hauptkörper 14 ist ferner
mit dem Eintauchelement 16 mittels Schrauben 58a und 58b oder
dergleichen verbunden. O-förmige Ringe 59a und 59b sind
an dem Verbindungsteil des Hauptkörpers 14 und
des Eintauchelements 16 angeordnet.
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Das
Gehäuse 12 weist ferner eine Abdeckung 60 auf,
die mit dem zweiten Ende 14b des Hauptkörpers 14 in
Eingriff steht. Ebenso wie der Hauptkörper 14 ist
die Abdeckung 60 aus einem thermoplastischen Harz hergestellt,
bevorzugt hergestellt aus ABS-Harz. Ein O-förmiger Ring 61 ist
an dem Verbindungsteil des Hauptkörpers 14 und
der Abdeckung 60 bereitgestellt.
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Eine
Batterielagereinheit 62 ist an dem zweiten Ende 10b des
Refraktometers 10 zum Lagern der Batterie bereitgestellt.
Die Batterielagereinheit 62 weist ein Batteriefach 66,
das mittels einer Trennwand 64 definiert ist, die an dem
zweiten Substrat 42 angeordnet ist, und einen ersten Kontakt 68 und
einen zweiten Kontakt 70 auf, die in dem Batteriefach 66 angeordnet
sind und elektrisch mit der Energieversorgungsschaltung 56 verbunden
sind (wie in 5 gezeigt). Das Batteriefach 66 weist
eine Öffnung 72, die auf der Abdeckung 60 angeordnet
ist, zum Laden/Entladen der Batterie auf.
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Die
Batterielagereinheit 62 weist ferner eine Batterieabdeckung 74 zum Öffnen/Schließen
der Öffnung 72 auf. Die Batterieabdeckung 74 ist
mittels eines Stifts 76 an der Abdeckung 60 drehbar
montiert. Die Batterieabdeckung 74 weist einen Vorsprung 78 auf,
der im Eingriff mit der Öffnung 72 steht. Eine
ringförmige Rille 80 ist an dem Rand des Vorsprungs 78 bereitgestellt,
wobei ein Dichtring (nicht gezeigt) in der ringförmigen
Rille 80 angeordnet ist. Die Batterieabdeckung 74 ist
bevorzugt aus einem elastischen Material wie zum Beispiel einem
thermoplastischen Elastomer, PP-Harz (Polypropylen) und dergleichen hergestellt.
Der Dichtring ist aus Ethylenpropylendienmonomer (EPDM) hergestellt.
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Mit
Bezug auf 5 wird der Betrieb des Refraktometers 10 beschrieben.
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Wenn
das Prisma 20 in Kontakt mit der Probenflüssigkeit
gebracht wird und der Startknopf 22a gedrückt
ist, leuchtet die Lichtquelle 28 auf.
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Das
auf das Prisma 20 einfallende Licht, das von der Lichtquelle 28 emittiert
wurde, wird an der Grenzfläche zwischen der Probenflüssigkeit
und dem Prisma 20 in einen gebrochenen Lichtstrahl und
einen reflektierten Lichtstrahl entsprechend dem kritischen Winkel
der Totalreflexion, der durch den relativen Brechungsindex der Probenflüssigkeit
und des Prismas 20 definiert ist, aufgeteilt. Der reflektierte Lichtstrahl
wird von der dritten Fläche 20c des Prismas 20 totalreflektiert
(wie in 3 gezeigt), wird somit auf dem
Lichtempfangssensor 30 abgebildet und mittels des Lichtempfangssensors 30 in
ein elektrisches Signal S1 gewandelt. Das
elektrische Signal wird dann mittels des Verstärkerschaltkreises 48 verstärkt
und an den CPU-Schaltkreis 54 gesendet.
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Der
Temperatursensor 34 detektiert die Temperatur des Prismas 20 und
gibt einen Widerstandswert R entsprechend dem Temperaturwert aus.
Der Widerstandswert R wird mittels des Widerstands-/Spannungswandlungsschaltkreises 50 in
einen Spannungswert V gewandelt und wird ferner mittels des A/D-Wandlerschaltkreises 52 in
ein Digitalsignal S2 gewandelt, welches
an den CPU-Schaltkreis 54 gesendet wird.
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In
dem CPU-Schaltkreis 54 wird ein Brechungsindex gemäß dem
elektrischen Signal S3 ermittelt, das von
dem Verstärkerschaltkreis 48 ausgegeben wird.
Der Brechungsindex wird dann mittels des Digitalsignals S2 kompensiert, das von dem A/D-Wandlerschaltkreis 52 ausgegeben
wird, so dass ein Konzentrationswert, wie zum Beispiel der Zuckergehalt,
erzeugt wird, welcher auf dem Anzeigeelement 24 angezeigt
wird.
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Das
Refraktometer 10 kann wie folgt hergestellt werden.
- (a) Eine Aussparung 36 wird auf dem
Prisma 20 ausgebildet und die drei Flächen 20a, 20b und 20c werden
geschliffen. Die Verdrahtung wird auf dem ersten und dem zweiten
Substrat 26 und 42 ausgebildet. Der CPU-Schaltkreis 54 und
andere Schaltkreise, der Startknopf 22a und der Resetknopf 22b und
das Anzeigeelement 24 und dergleichen werden auf dem zweiten
Substrat 42 angeordnet.
- (b) Die Lichtquelle 28, der Lichtempfangssensor 30 und
der Temperatursensor 34 werden auf der Fläche 26a des
ersten Substrats 26, wie in 4 gezeigt,
befestigt. Als nächstes wird der optische Trägerrahmen 40,
nachdem das wärmeleitende Element 38 in der Aussparung 36 des
Prismas 20 angeordnet wurde, zum Halten des Prismas 20 auf
dem ersten Substrat 26 mittels eines Verbindungselements,
wie zum Beispiel Schrauben befestigt. Demzufolge wird die erste
Fläche 20a des Prismas 20 der lichtemittierenden
Fläche 28a der Lichtquelle 28 und der
Lichtempfangsfläche 30a des Lichtempfangssensors 30 zugewandt
angeordnet.
- (c) Die Seitenfläche 44a des Erweiterungsteils 44 des
zweiten Substrats 42 wird an die Fläche 26a des
ersten Substrats 26 angelegt. Das zweite Substrat 42 wird
mit dem optischen Trägerrahmen 40 mittels eines
Verbindungselements, wie zum Beispiel Schrauben verbunden und wird
mit dem ersten Substrat 26 mittels Weichlötens
verbunden. Auf solche Weise wird die Verdrahtung des ersten Substrats 26 und
des zweiten Substrats 42 verbunden und werden die Lichtquelle 28,
der Lichtempfangssensor 30 und der Temperatursensor 34 an
dem ersten Substrat 26 mit dem CPU-Schaltkreis 54 und
anderen Schaltkreisen auf dem zweiten Substrat 42 verbunden.
- (d) Der Hauptkörper 14 und die Abdeckung 60 werden
mit einem thermoplastischen Harz wie zum Beispiel ABS-Harz spritzgegossen.
Das Eintauchelement 16 wird aus rostfreiem Stahl mittels Metallformverfahren
und dergleichen geformt. Die Batterieabdeckung 74 der Batterielagereinheit 62, die
aus einem thermoplastischen Elastomer geformt ist, wird an der Abdeckung 60 montiert.
- (e) Die Basis 16a des Eintauchelements 16 wird mit
dem ersten Ende 14a des Hauptkörpers 14 in Eingriff
gebracht. Dann wird das Gerät von der Seite des zweiten
Endes 14b des Hauptkörpers 14 eingesetzt,
werden das Hauptelement 14 und das Eintauchelement 16 miteinander
durch Schrauben 58a und 58b verbunden.
- (f) Die verbundenen ersten und zweiten Substrate 26 und 42 werden
in den Innenraum des Hauptkörpers 14 und des damit
verbundenen Eintauchelements 16 eingesetzt, was der zweiten
Fläche 20b des Prismas 20 ermöglicht,
durch die Öffnung 18 des Eintauchelements 16 freigelegt
zu sein. Dann wird das Prisma 20 derart angeordnet, dass die
zweite Fläche 20b in der gleichen Ebene wie die
Fläche 32a liegt, die die Öffnung 18 umgibt. Der
Randbereich der zweiten Fläche 20b wird an der Öffnung 18 mittels
eines Haftmittels befestigt.
- (g) Die Abdeckung 60 wird mit dem zweiten Ende 14b des
Hauptkörpers 14 in Eingriff gebracht, so dass
das Refraktometer 10 fertiggestellt ist.
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Gemäß dem
oben beschriebenen Refraktometer 10 kann das Eintauchelement 16 des
Refraktometers 10 mittels Bereitstellens eines Eintauchelements 16 an
einem Ende des Refraktometers 10 und Anordnens des Prismas 20 in
der Öffnung 18 des Eintauchelements 16 zur
Messung in eine Flüssigkeit eingetaucht werden (wie in 6 gezeigt)
anstatt die Probenflüssigkeit wie im Stand der Technik
auf dem Prisma 20 aufzuträufeln.
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Mittels
Anordnens der Fläche 20b des Prismas 20 in
der gleichen Ebene wie der Fläche 32a, die das
Prisma 20 umgibt, kann die Fläche 20b des
Prismas 20 zur Messung in Kontakt mit der Schnittfläche einer
Frucht (wie in 7 gezeigt) gebracht werden. Auf
solche Weise kann der Zuckergehalt in einer Frucht oder dergleichen
bestimmt werden, ohne dass die Frucht ausgepresst werden braucht.
Ferner kann irgendwelche Probenflüssigkeit, die auf der
Fläche 20b des Prismas 20 und der sie
umgebenden Fläche 32a zurückgeblieben
ist, leicht wegzuwischen sein.
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Mittels
Anordnens der Lichtquelle 28 und des Lichtempfangssensors 30 an
dem gleichen Substrat 26 kann die Lichtquelle 28 und
der Lichtempfangssensor 30 leicht positioniert werden.
Ferner kann die Verdrahtung der Substrate 26, 42 durch
direktes Verbinden des ersten Substrats 26 und des zweiten
Substrats 42 ohne elektrische Drähte miteinander
verbunden werden. Somit kann das Refraktometer 10 leichter
und kostengünstiger hergestellt werden.
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Mittels
Anordnens der Lichtquelle 28 und des Lichtempfangssensors 30 auf
dem gleichen Substrat 26 kann die Position der Lichtquelle 28 und
des Lichtempfangssensors 30 exakt ermittelt werden und braucht
nicht angepasst zu werden, wenn sie einmal angeordnet sind. Folglich
ist das Refraktometer 10 kompakter, da kein Raum für
das Anpassen der Position benötigt wird.
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Da
das Refraktometer 10 eine wasserdichte Struktur aufweist,
kann es als Ganzes gereinigt werden. Ferner kann das Refraktometer 10 zur
Online-Messung in Rohren angeordnet sein. Wenn die Online-Messung
ausgeführt wird, kann der sequenzielle Detektionsmodus
ausgewählt werden, um mehrere sequenzielle Detektionen
durchzuführen.
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Während
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf ihre exemplarischen Ausführungsbeispiele gezeigt
und beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Ausführungsbeispiele
nicht die Erfindung beschränken sollen. Die Komponenten
können durch irgendwelche Komponenten, die die gleiche
Funktion haben, ersetzt werden. Die Erfindung ist wie folgt in der
Industrie anwendbar.
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Die
Erfindung ist äußerst wirksam beim Messen der
Konzentration von löslichen Substanzen in einer Flüssigkeit
auf einfache und genaue Art und Weise.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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