DE1623094B2

DE1623094B2 - Vorrichtung zum regeln der konzentration von optisch durchlaessigen loesungen

Info

Publication number: DE1623094B2
Application number: DE1967S0110017
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl.-Chem. Dr.; Kozdon Friedrich Dipl.-Ing.; 8520 Erlangen Henkel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-05-26
Filing date: 1967-05-26
Publication date: 1976-12-30
Also published as: US3526771A; AT277343B; FR1566034A; CH483629A; DE1623094A1; NL6804747A; GB1217946A; SE339339B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Konzentration von optisch durchlässigen Lösungen, deren Brechungsindex von der Konzentration abhängig ist, bestehend aus einem auf die Oberfläche der Lösung aufgesetzten Prisma mit einem größeren Brechungsindex als die Lösung, einer Lichtquelle, die Licht auf die Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung einstrahlt, das dort gegebenenfalls totalreflektiert wird, einem lichtelektrischen Wandler, der im Strahlengang des totalreflektierten Lichtes angeordnet ist, und einer durch die vom lichtelektrischen Wandler erzeugten elektrischen

ίο Signale steuerbaren Vorrichtung zum Einstellen des Sollwertes der Konzentration der Lösung.

Die Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion dient in vielen Apparaten, den sogenannten Refraktometern, zur Bestimmung des Brechungsindex, vorzugsweise von Flüssigkeiten, in die man Licht aus optisch dichterem Glas mit bekanntem Brechungsindex eintreten läßt. Eine Vorrichtung zur Regelung der Konzentration einer Lösung, deren Brechungsindex konzentrationsabhängig ist, ist beispielsweise aus der DT-PS 9 40 737 bekannt. Dabei wird ein Prisma verwendet, dessen eine Fläche mit der Lösung, die sich in einem Trog befindet, in Berührung steht. Die Regelung der Konzentration erfolgt hierbei in Abhängigkeit von elektrischen Signalen, die von einer Photozelle erzeugt werden, auf welche an der Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung totalreflektiertes Licht auffällt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird mit Hilfe einer Lichtquelle und einer Linse ein Strahlenbündel erzeugt, dessen Querschnitt sich verengt. Die einzelnen Lichtstrahlen des Strahlenbündels treffen daher mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung auf und infolgedessen wird immer Licht totalreflektiert. Lediglich die Grenze zwischen dem totalreflektierten Lichtbündel und dem benachbarten dunklen Bereich, d.h. die Hell-Dunkel-Grenze, verschiebt sich räumlich. Um lediglich beim Unterschreiten des Sollwertes der Konzentration der Lösung an der Photozelle ein Signal zu erhalten, wird der unerwünschte Teil des totalreflektierten Lichtes mittels einer einstellbaren Blende ausgeblendet. Infolge der inhomogenen physikalischen Struktur der Lichtquelle ergibt sich bei der bekannten Vorrichtung der Nachteil, daß die durch die Linse gebündelten Strahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedliche Intensitäten haben und diese unterschiedliche Intensitätsverteilung dazu führt, daß auch das schmale, durch die Blende ausgeblendete Lichtbündel — je nach dem entsprechenden Einfallswinkel — unterschiedliche Intensitäten aufweist. Fällt bei der Verschiebung der Hell-Dunkel-Grenze nun aber gerade Licht schwacher Intensität auf die Kathode der Photozelle, dann ist ein Ansprechen der Regelvorrichtung nicht mit Sicherheit gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art derart auszugestalten, daß die Regelung der Konzentration einer Lösung stets gewährleistet ist. Dabei soll sowohl beim Unter- als auch beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der Konzentration der Lösung ein Schaltvorgang ausgelöst werden. Ferner soll der Schalter zum Einstellen der Konzentration der Lösung und dessen Zuleitung galvanisch von der Flüssigkeit getrennt und die Vorrichtung soll einfach aufgebaut und unempfindlich gegen Erschütterungen sein.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Lichtquelle paralleles Licht aussendet, dessen Einfallswinkel (<x) auf die Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung derart einstellbar ist, daß er innerhalb der nach kleineren Konzentrationen hin zulässigen Regelabwei-

chung der Konzentration der Lösung kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, so daß bei Überschreiten dieser Regelabweichung nach kleineren Konzentrationen hin das von der Lichtquelle ausgesandte, an der Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung totalreflektierte Licht in dem lichtelektrischen Wandler ein elektrisches Signal erzeugt, das über die steuerbare Vorrichtung so lange eine Erhöhung der Konzentration der Lösung bewirkt, bis infolge der dabei auftretenden Änderung des Brechungsindex der Lösung keine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung mehr auftritt, sondern das von der Lichtquelle ausgehende Licht in die Lösung hineingebrochen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner vorteilhaft im Strahlengang des gebrochenen Lichtes wenigstens ein lichtelektrischer Wandler angeordnet sein, durch dessen elektrische Signale eine Vorrichtung zur Änderung der Konzentration der Lösung steuerbar ist. Vorzugsweise ist der lichtelektrische Wandler im Strahlengang des gebrochenen Lichtes derart angeordnet, daß er vom gebrochenen Licht bei Überschreiten der zulässigen Regelabweichung der Konzentration der Lösung nach größeren Konzentrationen hin getroffen wird.

Um eine temperaturunabhängige Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erreichen, kann das Material für das Prisma so ausgewählt werden, daß das Verhältnis der Brechungsindizes (n\, n₂) von Prisma und Lösung im vorkommenden Temperaturbereich temperaturunabhängig ist. Neben oder anstelle dieser Methode kann zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Brechungsindizes von Prisma und Lösung vorteilhaft auch der Einfallswinkel des von de^r Lichtquelle erzeugten Lichtes durch Veränderung der Lage der Lichtquelle in Abhängigkeit von den Signalen, die ein in die Lösung eintauchender Temperaturfühler erzeugt, verändert werden. Der Temperaturfühler ist vorzugsweise ein Bimetallstreifen, der die Temperatur von Prisma und/oder Lösung registriert, es kann aber auch ein Thermoelement verwendet werden.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn der lichtelektrische Wandler der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Photozelle, insbesondere ein Halbleiterphotoelement, ist. Auch Phototransistoren oder Photowiderstände sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignete Wandler. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat sich insbesondere bei der Regelung der Konzentration von Elektrolytflüssigkeiten in Brennstoffzellen bewährt. Die Vorrichtung kann insbesondere mit Vorteil ein Bauteil einer Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln der Elektrolytkonzentration von Brennstoffzellen sein, wobei bei alkalischem Elektrolyt das Prisma zweckmäßigerweise aus einem gegen Alkalien resistenten Kunststoff, beispielsweise Plexiglas, besteht.

Anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die in der Figur dargestellte Anordnung besteht aus einem Plexiglas-Prisma 1 mit der Brechzahl n\ und einem Gefäß 2 mit einer zu untersuchenden Lösung der Brechzahl n₂. Die Brechzahl n\ des Prismas 1 soll im gesamten vorkommenden Konzentrationsbereich der Lösung größer sein als die Brechzahl H₂ der Lösung.

Das Gefäß 2 kann von der Lösung durchströmt werden. Beispielsweise kann das Gefäß 2 über Leitungen 3 und 4 an eine Vorrichtung 5 und/oder ein Gerät 6 angeschlossen sein. Die Vorrichtung 5 kann eine Apparatur zum Einstellen des Sollwertes der Konzentration der Lösung enthalten. Die Vorrichtung 5 kann ferner ein Vorratsgefäß sein und eine Pumpe enthalten. Das Gerät 6 kann beispielsweise eine Brennstoffzelle sein, deren Elektrolytkonzentration mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung geregelt wird.

Ändert sich die Konzentration der Lösung im Gefäß 2, so ändert sich die Brechzahl n₂. Dadurch ändert sich auch die Richtung des gebrochenen Strahls 10 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Erfindungsgemäß wird der Einfallswinkel oc des Strahls 11 so gewählt, daß bei Sollkonzentration für den Lichtstrahl 11 gerade keine Totalreflexion (Strahl 12) an der Grenzfläche 13 zwischen Prisma 1 und Lösung 2 mehr auftritt. Bei dieser bzw. höherer Konzentration wird der Lichtstrahl 11 in Richtung 10 abgelenkt. Er kann dann beispielsweise eine Photozelle 14 (oder 16) belichten, wenn eine solche vorhanden ist. Bei Unterschreiten der Sollkonzentration tritt an der Grenzfläche 13 Totalreflexion in Richtung 12 ein, und es wird eine Photozelle 15 belichtet (digitale Regelung). Für den Fall, daß die Konzentration auch nach oben begrenzt sein soll, ist es zweckmäßig, eine weitere Photozelle 16 am Gefäß 2 anzuordnen. Diese wird belichtet, wenn die Konzentration die obere Grenze der Regelabweichung überschreitet (analoge oder digitale Regelung).

Jede der Photozellen 14 bis 16, mindestens aber die Photozelle 15, ist über ein Steuergerät 17 bis 19, mit der Vorrichtung 5 verbunden. Bei Belichtung einer Photozelle, insbesondere der Photozelle 15, wird — beispielsweise im Steuergerät 18 — ein Schaltvorgang ausgelöst, durch den eine zur Erhöhung der Konzentration der Lösung geeignete Wirkungsweise der Vorrichtung 5 ausgelöst wird. Während auf dem Weg über das Steuergerät 18 eine Erhöhung der Konzentration herbeigeführt wird, ist auf dem Weg über das Steuergerät 19 eine Erniedrigung der Konzentration möglich.

Die Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Brechzahlen n\ und n₂ kann, wie bereits geschildert, entweder durch Schwenken des Lichtstrahls 11 oder durch Wahl eines geeigneten Prismenmaterials, bei dem n\ln₂ temperaturunabhängig ist, ausgeglichen werden. Das Schwenken des Lichtstrahls 11 kann durch Bewegung der Lichtquelle 20 auf einer Schiene 21 erfolgen. Die Einstellung des Winkels mittels der Lichtquelle 20, die Sollwerteinstellung kann mit einem Steuergerät 22 erfolgen, das die Lichtquelle in Abhängigkeit von der Temperatur, von Prisma und/oder Lösung auf der Schiene 21 bewegt. Die Führungsgröße des Sollwertes, die Temperatur, kann beispielsweise mit einem Bimetallstreifen oder mit einem Thermoelement 23 gemessen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Regeln der Konzentration von optisch durchlässigen Lösungen, deren Brechungsindex von der Konzentration abhängig ist, bestehend aus einem auf die Oberfläche der Lösung aufgesetzten Prisma mit einem größeren Brechungsindex als die Lösung, einer Lichtquelle, die Licht auf die Grenzfläche zwischen Prisma und Lösung einstrahlt, das dort gegebenenfalls totalreflektiert wird, einem lichtelektrischen Wandler, der im Strahlengang des totalreflektierten Lichtes angeordnet ist, und einer durch die vom lichtelektrischen Wandler erzeugten elektrischen Signale steuerbaren Vorrichtung zum Einstellen des Sollwertes der Konzentration der Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (20) paralleles Licht (11) aussendet, dessen Einfallswinkel (α) auf die Grenzfläche zwischen Prisma (1) und Lösung (2) derart einstellbar ist, daß er innerhalb der nach kleineren Konzentrationen hin zulässigen Regelabweichung der Konzentration der Lösung kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, so daß bei Überschreiten dieser Regelabweichung nach kleineren Konzentrationen hin das von der Lichtquelle (20) ausgesandte, an der Grenzfläche zwischen Prisma (1) und Lösung (2) totalreflektierte Licht (12) in dem lichtelektrischen Wandler (15) ein elektrisches Signal erzeugt, das über die steuerbare Vorrichtung (5) so lange eine Erhöhung der Konzentration der Lösung (2) bewirkt, bis infolge der dabei auftretenden Änderung des Brechungsindex der Lösung keine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Prisma

(1) und Lösung (2) mehr auftritt, sondern das von der Lichtquelle ausgehende Licht in die Lösung hineingebrochen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (10) des gebrochenen Lichtes wenigstens ein lichtelektrischer Wandler (14, 16) angeordnet ist, durch dessen elektrische Signale eine Vorrichtung (5) zur Änderung der Konzentration der Lösung (2) steuerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Strahlengang (10) des gebrochenen Lichtes angeordnete lichtelektrische Wandler (16) derart angeordnet ist, daß er vom gebrochenen Licht bei Überschreiten der zulässigen Regelabweichung der Konzentration der Lösung (2) nach größeren Konzentrationen hin getroffen wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses der Brechungsindizes (m, n^ von Prisma (1) und Lösung

(2) der Einfallswinkel (α) des von der Lichtquelle (20) erzeugten Lichtes (11) durch Veränderung der Lage der Lichtquelle in Abhängigkeit von den durch einen in die Lösung (2) eintauchenden Temperaturfühler (23) erzeugten Signalen veränderbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (23) ein Bimetallstreifen ist.