DE1100326B - Refraktometrische Zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine refraktometrische Zelle mit parallelen Ein- und Austrittswänden, zwischen denen das zu messende Medium und ein Vergleichsmedium mit bekanntem Brechungsindex eingeschlossen sind, die zur Messung des Brechungsunterschiedes der beiden Medien von einem Lichtbündel durchsetzt werden.

Es sind bereits sogenannte differenzprismatische Zellen zur Messung kleiner Unterschiede von Brechungsindizes, z. B. zwischen einer Lösung und ihrem Lösungsmittel, bekannt, die aus zwei hintereinandergeschalteten Hohlprismen mit numerisch gleichem Brechungswinkel, aber entgegengesetztem Vorzeichen, bestehen. Für kleine Brechungsindexunterschiede η δ und für kleine Einfallswinkel α ist die Winkelablenkung in einer solchen Zelle durch die Gleichung gegeben:

et' — a — nötgv = Snd,

(1)

worin S = tg υ die Empfindlichkeit der Zelle bedeutet. Es herrscht also eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Brechungsindexunterschied und der Winkelablenkung, was für die Anwendung der Zelle vorteilhaft ist.

Für größere Brechungsindexunterschiede gilt die Gleichung (1) nicht mehr genau, weil dann quadratische, kubische usw. Glieder zu berücksichtigen sind, die Abweichungen von der linearen Abhängigkeit verursachen. Für den linearen Meßbereich einer solchen differenzprismatischen Zelle gilt die folgende Beziehung:

2»

(2)

Hier ist R das optische Auflösungsvermögen, d. h. der reziproke Wert des kleinsten Brechungsindexunterschiedes, der vom Instrument mit Sicherheit nachgewiesen werden kann. Für S = I und R — 10⁵ liegt der Grenzwert nicht höher als 0,00516.

Falls eine solche differenzprismatische Zelle um 180° um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene gedreht wird, vertauschen die beiden Medien ihre Plätze. In erster Näherung lenkt diese Zelle das Licht gleich viel in der entgegengesetzten Richtung ab. Durch die Ablesung des Unterschiedes in der Lichtablenkung vor und nach einer solchen Drehung kann also sowohl die Empfindlichkeit als auch das optische Auflösungsvermögen verdoppelt werden. Andererseits kann man mit einer solchen Arbeitsweise dieselbe Empfindlichkeit und optische Auflösung beibehalten, falls man die Empfindlichkeit und Auflösung der Zelle bis zur Hälfte reduziert. Gemäß Gleichung (2) sollte eine solche Verminderung von R und S zu einer Vergrößerung des linearen Meßbereiches um einen Faktor 2 ]/Y führen, aber eine genaue Berechnung zeigt, daß die Vergrößerung nur etwa 100% beträgt.

Refraktometrische Zelle

Anmelder:

LKB-Produkter Fabriksaktiebolag,
Mariehäll (Schweden)

Vertreter: Dr. M. Eule, Patentanwalt,
München 13, Kurfürstenplatz 2

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 16. Oktober 1953

Svante Harry Svensson, Sundbyberg (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden

Falls die differenzprismatische Zelle um 180° um eine Achse in der Zeichenebene senkrecht zur optischen Achse gedreht wird, wird eine Zelle erhalten, in welcher S = tg υ

as das entgegengesetzte Vorzeichen hat und in welcher die Reihenfolge der beiden Medien gewechselt ist. Eine solche Zelle lenkt in erster Näherung das Licht gleich viel in derselben Richtung ab wie die erste Zelle. Falls die ursprüngliche Zelle mit der so gedrehten in Serie geschaltet wird, so daß das Licht zuerst die erste, dann die zweite passiert, wird eine Zellenkombination mit der doppelten Empfindlichkeit und dem doppelten Auflösungsvermögen erhalten. Anders ausgedrückt kann man bei Serienschaltung zweier Zellen Empfindlichkeit und optische Auflösung unverändert beibehalten, falls man die Werte der einzelnen Zellen bis auf die Hälfte verringert. Die Berechnung zeigt, daß man auch in dieser Weise den linearen Meßbereich verdoppeln kann.
An Stelle der Anwendung zweier einzelner differenzprismatischer Zellen kann man eine zusammengesetzte Zelle verwenden, welche dieselbe optische Wirkung hat. Diese bekannte Zelle besteht aus drei Teilprismen, die durch zwei Wänden getrennt sind, welche zu den Ein- und Austrittswänden des Lichtes den gleichen Winkel, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen, einschließen. Die Erfindung bezweckt, eine refraktometrische Zelle zu schaffen, deren linearer Meßbereich wesentlich größer ist als der der bekannten Zellen.

Die refraktometrische Zelle gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar untereinander paralleler und zu den Ein- und Austrittswänden schräggestellter, die Medien scheidender, lichtbrechender Ebenen in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß ein Teil des Lichtes die eine und der

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andere Teil des Lichtes die andere Ebene durchsetzt. Vorzugsweise können zwei Paare von untereinander parallelen, lichtbrechenden Ebenen vorgesehen sein, wobei die in der Strahlungsrichtung aufeinanderfolgenden Ebenen gleiche Winkel, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen, mit den Ein- und Austrittswänden einschließen.

In der Zeichnung sind beispielhafte Ausführungsformen der Zellen dargestellt, und zwar zeigt
Fig. 1 eine bekannte differenzprismatische Zelle,
Fig. 2 eine bekannte Zelle aus drei Teilprismen,
Fig. 3 eine refraktometrische Zelle gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle.

Die genaue mathematische Berechnung zeigt, daß die erfindungsgemäßen Zellen sehr große lineare Meßbereiche haben. Für die Zelle nach Fig. 3 gilt für den Einfallswinkel 0 die Gleichung:

a'₁ — a'_s = 2fiSö +

6S), (4)

ηδ< 0,0519

(7)

IO

aus welcher der folgende lineare Meßbereich hergeleitet werden kann: a₅

η δ £ 0,0473 (5)

für S = Y₂ und R-¹J₂-10⁵. Diese Werte der differenzprismatischen Einzelzelle geben die Empfindlichkeit 1 und das Auflösungsvermögen 10⁵ für die erfindungsgemäße Zelle nach Fig. 3.

Für die Zelle nach Fig. 4 gilt für den Einfallswinkel 0 die Gleichung:

Aus dieser Gleichung wird der folgende lineare Meßbereich hergeleitet:

für S = V* ^un<i R = ¹U' 1°⁵ (^was die Empfindlichkeit 1 und das Auflösungsvermögen 10⁵ für die erfindungsgemäße Zelle nach Fig. 4 ergibt).

Die erfindungsgemäßen Zellen besitzen also eine ungefähr 9 bis lOmal bessere Linearität als die einfache differenzprismatische Zelle nach Fig. 1.

Falls noch berücksichtigt wird, daß sich der lineare Meßbereich von der ungefähren Größe 0,05 in beide Richtungen vom Brechungsindex des. Vergleichsmediums erstreckt, ergibt sich, daß nur ein Vergleichsmedium für jeden zehnten Teil des Brechungsindexes gebraucht wird, um immer die einfache Gleichung (1) verwenden zu können. Falls man sich mit R = 10⁴ begnügt, wird der lineare Meßbereich 2,16mal größer, und bei der Empfindlichkeit 1 braucht man nur zwei Vergleichsmedien mit den Brechungsindizes 1,4 und 1,6, um den ganzen Bereich zwischen 1,3 und 1,7 linear zu machen.

40 Wenn es· sich darum handelt, den Brechungsindex von strömenden Medien zu messen, ist es unbequem, das Vergleichsmedium während fortlaufender Registrierung auszuwechseln: Es kann daher vorteilhaft sein, Mehrfachzellen mit mehreren Etagen zu bauen. Jede Etage in einer solchen doppelten erfindungsgemäßen Zelle soll dann in einem horizontalen Schnitt dasselbe Aussehen haben, jedoch unterscheiden sich die verschiedenen Etagen dadurch voneinander, daß die Vergleichsmedien verschieden sind. Die Kammern für die Vergleichsmedien sind also voneinander isoliert, während die Kammern für die strömende Lösung miteinander verbunden sind, so daß das Medium in Serie durch sie passiert.

Die Größe des linearen Meßbereichs ist im großen und ganzen der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Zelle umgekehrt proportional, Bei Messungen innerhalb kleiner Brechungsindexintervalle kann man also ohne Nachteile Zellen hoher Empfindlichkeit verwenden, während bei Messungen innerhalb größerer Intervalle die Empfindlichkeit vermindert werden muß, um eine lineare Abhängigkeit zu bekommen. Es kann daher auch vorteilhaft sein, Zellen in mehreren Etagen zu konstruieren, wobei jede Etage durch verschiedene S-Werte gekennzeichnet ist, aber dasselbe Vergleichsmedium enthält.

Das Vergleichsmedium muß nicht eine Flüssigkeit sein, sondern kann auch ein fester Körper innerhalb der Brechungsindexbereiche sein, falls optisch, mechanisch und chemisch zufriedenstellende Materialien verfügbar sind. Solche Zellen mit z.B. Glas als Vergleichsmedium sind billiger herzustellen als Zellen mit Hohlprismen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Refraktometrische Zelle mit parallelen Ein- und Austrittswänden, zwischen. denen das zu messende Medium und ein Vergleichsmedium mit bekanntem Brechungsindex eingeschlossen sind und die zur Messung des Brechungsindexunterschiedes der beiden Medien von einem Lichtbündel durchsetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar untereinander paralleler und zu den Ein- und Austrittswänden schräggestellter, die Medien scheidender, lichtbrechender Ebenen in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß ein Teil des Lichtes die eine und der andere Teil des Lichtes die andere Ebene durchsetzt.

2. Refraktometrische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von untereinander parallelen, lichtbrechenden Ebenen angeordnet sind und die in der Strahlungsrichtung aufeinanderfolgenden Ebenen gleiche Winkel, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen, mit den Ein- und Austrittswänden einschließen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 445 044, 2 583 973;
• Journal of the Optical Society of America, Bd. 41, 1951, Heft 12.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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