DE1924311A1 - Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Fluessigkeiten - Google Patents

Description

FARBENFABRIKEN BAYER AG ^1924311

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Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten

Die Erfindung "betrifft eine Zweistrahlanordnung zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten unter Benutzung der Tatsache, daß die Intensität eines an der Grenzfläche zwischen einem festen Bezugskörper mit "bekanntem Brechungs·«- index und der Probenflüssigkeit reflektierten liichtstrahles vom Brechungsindex der Heizflüssigkeit abhängt, wenn der Einfallswinkel des auf die Grenzfläche aufträffenden Lichtstrahles, kleiner ist als der Grenzwinkel der faislreflexicm.

Anordnungen dieser Art "besitzen den Vorteil, gegenüber Trübungen der Probenflüssigkeit relativ unempfindlich zu sein» da der zu messende I&ch-tstrahl die ProbenflÜssigkeit nicht durchsetzt * sondern nur an der QvetiztHohe der ProbenflUssigkeit reflektiert wiid« Ba sieh die reflektierte Intensität bei einem Einfaliswinkel_¥ der nur w«nig kleiner ist als der GrenzwinkeX der- Totalreflexion, geaäß den Pres-* nelschen Formeln· sehr stark mit dem Brechungsindex der Irobenfltteeigk^it Ändert, kannten hose erzielt: u

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an der ein Lichtstrahl gebrochen und reflektiert wird« Die Intensität des reflektierten Anteils wird mit einer Fotozelle gemessen. Eine höhere Genauigkeit und kleinere Störanfälligkeit wird mit einem Zweistrahlverfahren erreicht. Dabei wird der primäre Lichtstrahl in einen Meß- und Vergleichsstrahl aufgespalten. Der MeS-strahl wird, wie bei den oben beschriebenen Anordnungen, an der Grenzfläche des Bezugskörpers gegen die Probenflüssigkeit reflektiert. Der Vergleichsstrahl durchsetzt eine ähnliche Anordnung., die aus einem zweiten Bezugskörper mit einer angrenzenden Vergleichsflüssigkeit besteht. Mit Hilfe einer Fotozelle werden dann die Intensitäten der reflektierten Anteile von MeB- und Vergleichs« strahl miteinander verglichen.

In einer solchen Vorrichtung, z.B. gemäß Auslegeschrift t bestehen die Bezugskörper für den Meß- und Vergleichsstrahlengang aus rotationssymmetrischen Glaskörpern, deren Kopfenden kegelförmig ausgebildet sind und deren zylindrische Mantelflächen von den Flüssigkeiten umschlossen werden. Achsenparallele Lichtstrahlen» bündel durchsetzen die Glaskörper so* daß alle ielliiehtbündel unter dem gleichen Winkel an der jeweiligen Zylinöerfläche reflektiert werden und die Glaskörper wieder acnsenparallel verlassen. Bei dieser Anordnung wird mit Hilfe einer Fotozelle die Differenz der reflektierten Intensitäten von MeB- und Vergleichs*» strahl gemessen. Die Anordnung ist empfindlich gegenüber Sehwankup« gen der Fotozellenempfindlichkeitj auch gehen Inteasitätssohwankuny gen der Lichtquelle voll in die Messung ein,

In einer anderen Vorrichtung gemäß Auslegesehriffc 1 253 618 besitzen die Bezugskörper für den Meß- und Vergleiqhsstrahlengang die Form von Halbzylindern, deren plane Flächen amäie Froben- bzw. Vergleiohsflüssigkeit angrenzen.

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Mit Hilfe je einer Linse vor dem "betreffenden Halb zylinder wird das an der Grenzfläche teilweise reflektierte Licht auf die Mantelfläche des Halbzylinders fokussiert und von dort, da die Mantelfläche einen spiegelnden Belag "besitzt, wieder in sich zurückgeworfen. Die reflektierten Anteile des Meß- und Vergleichsstrahles fallen wieder auf eine Fotozelle. Gemessen wird "bei dieser Anordnung mit Hilfe einer entsprechenden elektrischen Schaltung der Quotient der reflektierten Intensitäten von Meß- und Vergleichsstrahl, so daß Intensitätsschwankungen der Lichtquelle weitgehend eliminiert, werden.

Die "beschriebenen Anordnungen "besitzen jedoch im Hinblick auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung den großen Nachteil, daß die Reflexion von Meß- und Vergleichs-, strahl an zwei verschiedenen Grenzflächen zweier Bezugskörper erfolgt. In jedem Fall ist dabei eine zweite optische Phasengrenze für den Vergleichsstrahlengang erforderlich. Sie wird in-den meisten Fällen durch eine an den zweiten Bezugskörper angrenzende Tergleichsflüssigkeit gebildet. Staubteilchen oder Luftblasen an der zweiten Phasengrenze können, ebenso wie Streulicht, die Messung verfälschen. Da der Brechungsindex im allgemeinen stark temperaturabhängig ist, müssen die reflektierenden Grenzflächen für genaue Messungen in einem Thermostaten angeordnet werden. Die Thermostatisierung in Heß- und Vergleichsstrahlengang ist technisch schwierig. Beim Übergang auf eine andere Temperatur entsteht auch bei guter Thermostätisierung ein Meßfehler, wenn die Temperaturgänge der Brechungsindizes von Meß- und Vergleichsflüssigkeit nicht übereinstimmen.

Bei Verwendung einer Glühlampe als Lichtquelle müssen die beiden Flüssigkeiten hinsichtlich ihrer Dispersion n=n (A) angepaßt sein, wenn bei verschiedenen Wellenlängen gemessen werden soll oder wenn bei Verwendung von weißem Licht bei

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SpannungsSchwankungen an der Glühlampe neben der Intensitätsänderung auch eine Änderung in der spektralen Zusammensetzung des Lichtes eintritt. Aus den genannten Forderungen ergeben sich dann sehr enge Auswahlkriterien für die Vergleichsflüssigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, leicht zu thermostatisierendes Refraktometer mit hoher Empfindlichkeit nach dem Zweistrahlprinzip zu entwickeln, das innerhalb eines weiten Meßbereichs genaue und reproduzierbare Messungen erlaubt. Die oben beschriebenen Nachteile sollen vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Meß- und Vergleichsstrahl an derselben Stelle .einer Grenzfläche zwischen Probenflüssigkeit und Bezugskörper reflektiert werden, wobei der Einfallswinkel/Tjyj des Meßstrahles kleiner und der Einfallswinkel oCy des Vergleichsstrahles größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.

In vorteilhafter Weise werden Meß- und Vergleichsstrahl mit Hilfe einer Linse auf eine Stelle der Grenzfläche zwischen dem Bezugskörper und der Probenflüssigkeit fokussiert.

Der von der Lichtquelle kommende Primärstrahl wird mit Hilfe einer Doppelblende in Meß- und Vergleichsstrahl aufgespalten, und beide Strahlen werden in an sich bekannter Weise mit einer rotierenden Sektorblende gegenphasig periodisch durchgelassen und abgedunkelt.

Die mit Hilfe einer Fotozelle in elektrische Signale umgewandelten Intensitätswerte von Meß- und Vergleichsstrahl werden dann in bekannter Weise einem differenzen- und quotientenbildenden Verstärker zugeleitet.

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Tn"einer Weiterbildung der Erfindung wird in den Strahlengang des Vergleichsstrahles eine an sich bekannte lichtschwächende Vorrichtung gebracht, die von dem zu Meß- und Vergleichsstrahl gehörenden Differenzsignal gesteuert wird. Auf diese Weise erfolgt ein selbsttätiger Abgleich der ref]ektierten Lichtintensitäten von Meß- und Vergleichsstrahl.

Zur Änderung der Empfindlichkeit und des Meßbereichumfanges ist der Bezugskörper mit der Küvette und der Empfängervorrichtung um eine senkrecht zur Einfallsebene orientierte Achse schwenkbar.

Der besondere Vorteil der Anordnung gegenüber den bisherigen ist darin zu sehen, daß kein zweiter Bezugskörper mit Vergleichsflüssigkeit benötigt wird, Dadurch wird die Anordnung in ihrem Aufbau wesentlich einfacher, weniger störanfällig und ist leichter zu thermostatisieren· Die Vorteile des Zweistrahlprinzips bleiben dabei bestehen.

Die erfiridungsgemäße Anordung und ihre Wirkungsweise soll an Hand von Zeichnungen näher beschrieben werden.

Figur 1 zeigt den optischen Strahlengang und das

Prinzip der elektrischen Meßwertverarbeitung

Figur 2 zeigt die graphische Darstellung der Fresnelschen Formel.

Zwei von einer Lichtquelle 1 ausgehende Lichtstrahlenbündel 2 und 3» die durch eine Doppelblende 4 im Strahlenkegel der Lichtquelle erzeugt werden, werden mit Hilfe der Linse 5 auf die Grenzfläche zwischen einem Bezugskörper 6 und der Probenflüssigkeit 7 fokussiert. Der Bezugskörper hat die Form

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eines Halbzylinders oder einer Halbkugel, damit alle auf den Fokussierungspunkt 9 gerichteten Lichtstrahlen senkrecht in den Bezugskörper eintreten. Der EinfallswJLoSral-dC™· des Meßstrahles sei kleiner, der EinfallswinkeldCw des ¥ergleichsstrahles 2 sei größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion.. Unter diesen Bedingungen ist die reflektierte lacht int ens it ät_ des Meßstrahles 3 abhängig vom Verhältnis des Breetaangsindex des Bezugskörpers zum Brechungsindex der Irßibenflüssigkeit, während der Vergleichsstrahl 2 voll reflektiert wird. Dies folgt aus den Fresnelschen Gleichungen, die in der Figur 2-graphisch dargestellt sind. Bas Brechiangsindexverhältnis möge z.B. den Wert 1,155 besitzen!« Der Einfallswinkel des Meßstrahls möge 60° und derjenige des Vergleichsstrahls 70° betragen. Es werden dann ca 60 $ der Einfallsintensität des Meßstrahls an der (Brennfläche reflektiert, während die Reflexion des Yergleiehsstraliles an der Grenzfläche zu 100 $ erfolgt. Ändert sieh der Brechungsindex der Meßflüssigkeit z.B. um einen solchen Betrag, daß das Verhältnis der beiden Brechungsindizes den Wert 1,150 annimmt, so wird nur noch 40 fo der Einfallsintensitüt des Meßstrahls an der Grenzfläche reflektiert, wahrend die reflektierte Lichtintensität des Vergleiehsstrahls weiterhin,100% beträgt. Die an der Stelle 9 reflektierten üehtstrahlenbündel treten wieder senkrecht zur Oberfläche des Bezugskörpers 6 aus und werden mit Hilfe einer länse 10 anf eine Fotozelle 11 fokussiert. Zwischen Fotozelle waä linse befindet sich ein Zerstreuungskörper 12, um die Fotozelle gleichmäßig auszuleuchten. Ein rotierendes Blendenrad 13 gibt periodisch abwechselnd den Meß- und Tergleiehsstralilen-" gang frei. Die am Arbeitswiderstand H der Fotozelle abfallenden Spannungsimpulse werden in 15 verstärkt .rand in bekannter Weise in Meß- und Vergleicbssigmal aufgetrennt. Mittels der beiden Signale wird in 16 die Differenz bzw. der Quotient gebildet und in 17 zur Anzeige gebracht.

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In einer weiteren Ausführung dieser Art befindet sich im Strahlengang des Vergleichsstrahles P. eine in Abb. 1 nicht gezeichnete lichtschwächende Einrichtung bekannter Art, mit deren Hilfe die an der Grenzfläche reflektierten Lichtintensitäten des Meß- und Vergleichsstrahls gleich gemacht werden können. Die liehtschwächende Einrichtung wird dabei zum selbsttätigen Abgleich vom Differenzsignal am Verstärkerausgang 15 gesteuert.

Wenn nicht das gesamte Spektrum der Lichtquelle zur Messung benutzt werden soll, kann ein optisches Filter zur Ausblendung eines schmalen Wellenlängenbereichs in den Strahlengang zwischen Lichtquelle 1 und Doppelblende 4 eingeschaltet werden.

Aus Figur 2 geht hervor, daß jedem vorgegebenen Meßbereich ein bestimmter Wertebereich für die Einfallswinkel des Meß- und Vergleichsstranis zugeordnet ist. Der zulässige Wertebereich für den Einfallswinkel des Meßstrahls ist dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Kurve für den betreffenden Einfallswinkel zu flach verläuft und andererseits der Grenzwinkel der Totalreflexion überschritten wird. Innerhalb des Wertebereichs kann die Wahl des geeigneten Einfallswinkels je nach der geforderten Empfindlichkeit und des gewünschten Meßbereichsumfanges getroffen werden. Der Einfallswinkel des Vergleichsstranis nuß immer so groß gewählt werden, daß für den ganzen Meßbereich die Bedingung der Totalreflexion gewährleistet ist.

Die Anpassung der Anordnung an die verschiedenen Meßbereiche wird durch Drehung des Bezugskörpers 6 mit der Küvette 8 und der Empfängereinrichtung (10, 11, 12) um den Fokussierungspunkt 9 erreicht.

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Da nach Figur 2 die Kurven für größere Einfallswinkel immer steiler verlaufen, wird die Anordnung um so empfindlicher, je größer der Einfallswinkel des Meßstrahles gewählt werden kann, ohne daß er bereits den Grenzwinkel der Totalreflexion überschreitet. Bei vorgegebenem Meßbereich kann eine Steigerung des zulässigen Einfallswinkels dadurch erreicht werden, daß ein anderes Material mit einem kleineren Brechungsindex für den Bezugskörper 6 verwendet wird.

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Claims (6)

Patentansprüche; 3

1. Zweistrahlanordnung zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten unter Benutzung der Tatsache, daß die Intensität des an der Grenzfläche zwischen einem festen Bezugskörper mit bekanntem Brechungsindex und der ProbenflUssigkeit reflektierten Lichtstrahles (Meßstrahl) vom Brechungsindex der Probenflüssigkeit abhängt, wenn der Einfallswinkel des auf die Grenzfläche auftreffenden Lichtstrahles kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, dadurch gekennzeichnet, daß Meßstrahl (3) und Vergleichsstrahl (2) an derselben Stelle einer Grenzfläche (9) zwischen Meßflüssigkeit (7) und Bezugskörper (6) reflektiert werden, wobei der Einfallswinkele<. _M des Meßstrahles kleiner und der EinfallswinkelöC _v des Vergleichsstrahles größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (1) kommende Primärstrahl mit Hilfe einer Doppelblende (4) in Meß- (3) und Vergleichsstrahl (2) aufgespalten wird und daß beide Strahlen in an sich bekannter Weise mit einer rotierenden Sektorblende gegenphasig periodisch durchgelassen und abgedunkelt werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- (3) und Vergleichsstrahl (2) mit Hilfe einer Linse (5) auf die gleiche Stelle der Grenzfläche zwischen dem Bezugskörper (6) und der ProbenflUssigkeit (7) fokussiert werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3# dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hilfe einer Fotozelle (11) in elektrische Signale umgewandelten Intensitätswerte von Meß- (3) und Vergleichsstrahl (2) in an sich bekannter Weise einem differenzen- und quotientenbildenden Verstärker (15, 1-6) zugeleitet werden.

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5. Anordnung nach Anspruch 4,' dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang des Vergleichsstrahles eine an sich bekannte Iichtschwächende Vorrichtung befindet, die von, dem zu Meß- und Vergleichsstrahl gehörenden Differenzsignal gesteuert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß -der Bezugskörper (6) mit der Küvette (8) und der Empfängervorrichtung (10, 11, 12) um eine senkrecht zur Einfallsebene orientierte Achse (9) schwenkbar ist.

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