DE1924311C3 - Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

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 bekannten Brechungsindex und der Probenflüssigkeit reflektierten Lichtstrahles vom Brechungsindex der Meßflüssigkeit abhängt, wenn der Einfallswinkel des auf die Grenzfläche auftreffenden Lichtstrahles kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.

Anordnungen dieser Art besitzen den Vorteil, gegenüber Trübungen der Probenflüssigkeit relativ unempfindlich zu sein, da der zu messende Lichtstrahl die Probenflüssigkeit nicht durchsetzt, sondern nur an der Grenzfläche der Probenflüssigkeit reflektiert wird. Da sich die reflektierte Intensität bei einem Einfallswinkel, der nur wenig kleiner ist als der Grenzwinkel der To talreflexion. gemäß den Fresnelschen Formeln sehr stark mit dem Brechungsindex der Probenflüssigkeit ändert, können hohe Empfindlichkeiten erzielt werden.

In neuerer Zeit sind verschiedene Refraktometer Dekanntgeworden. die nach diesem Prinzip arbeiten. Ihnen allen gemeinsam ist ein geeignet geformter Bezugskörper. zumeist aus Glas, mit einer die Probenflüssigkeit berührenden Fläche, 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 einem Meß- und Vergleichsstrahl aufgespalten. Der Meßstrahl wird, wie bei den oben beschriebenen Anordnungen, an der Grenzfläche des Bezugskörpers gegen die Probenflüssigkeit reflektiert. Der Vergleichsslrahl 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 Meß- und Vergleichsstrahl miteinander verglichen.

In einer solchen Vorrichtung, z. B. gemäß Auslegeschrift 11 77 847. 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. Achscnparallele Lichtstrahlenbündel durchsetzen die Glaskörper so. daß alle Teillichtbündel unter dem gleichen Winkel an der jeweiligen Zylinderfläche reflektiert werden und die Glaskörper wieder achsenparallel verlassen. Bei dieser Anordnung wird mit Hilfe einer Fotozelle die Differenz der reflektierten Intensitäten von Meß- und Vergleichsstrahl gemessen. Die Anordnung ist empfindlich gegenüber Schwankungen der Fotozellenempfindlichkeit; auch gehen Intensitätsschwankungen der Lichtquelle voll in die Messung ein.

In einer anderen Vorrichtung gemäß Auslegeschnit 12 33 618 besitzen die Bezugskörper für den Meß- und Vergleichsstrahlengang die Form von Halbzylindern, deren plane Flächen an die Proben- b;:w. Vergleichsflüssigkeit angrenzen.

Mit Hilfe je einer Linse vor dem betreffenden Halbzylinder wird das an u.er 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 Vergleichssirahles 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 Vergleichsstrahl 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 Vergleichsflüssigkeit gebildet. Staubteilchen oder Luftblasen an der zweiten Phasengrenze können, ebenso wie Streulicht, die Messung ver-

fälschen. Da der Brechungsindex im allgemeinen stark temperaturabhängig ist, müssen die reflektierenden Grenzflächen für genaue Messungen in einem Thermostaten angeordnet werden. Die Thermostatisierung in MeB- und Vergleichsstrahiengang ist technisch schwierig. Beim Obergang auf eine andere Temperatur entsteht auch bei guter Thermostatisierung ein Meßfehler, wenn die Temperatutgänge der Brechungsindizes von Meß- und Vergleichsflüssigkeit nicht übereinstimmen.

Bei Verwendung einer Glühlampe als Lichtquelle müssen die beiden Flüssigkeiten hinsichtlich ihrer Dispersion η = η (λ) angepaßt sein, wenn bei verschiedenen Wellenlängen gernessen werden soll oder wenn bei Verwendung von weißem Licht bei 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 thermoslatisierendes 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 Bezugskorper reflektiert werden, wobei der Einfallswinkel !»μ des Meßstrahles kleiner und der Einfallswinkel Λν des Vergleichsstrahles größer ist als der Gren/winkel der Totalreflexion.

In vorteilhafter Weise werden Meß- und Vergleichsstrahl mit Hilfe einer Linse aul eine Stelle der Grenz- fläche 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- oder quotientenbildenden Verstärker zugeleitet.

In 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 Dilferenzsignal gesteuert wird. Auf diese Weise erfolgt ein selbsttätiger Abgleich der reflektierten 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 thcrmostatisieren. Die Vorteile des Zweistrahlprinzips bleiben dabei bestehen.

Die erfindungsgemäße Anordnung und ihre Wirkungsweise soll an Hand von Zeichnungen näher beschrieben werden.

F i g. 1 zeigt den optischen Strahlengang und das Prinzip der elektrischen Meßwertverarbeitung

F i g. 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 eines Halbzylinders oder einer Halbkugel, damit alle auf den Fokussierungspunkt 9 gerichteten Lichtstrahlen senkrecht in den Bezugskörper eintreten. Der Einfallswinkel am des Meßstrahles 3 sei kleiner, der Einfallswinkel α ν des Vergleichsstrahles 2 sei größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Unter diesen Bedingungen ist die reflektierte Lichtintensität des Meßstrahles 3 abhängig vom Verhältnis des Brechungsindex des Bezugskörpers zum Brechungsindex der Probenflüssigkeit, während der Vergleichsstrahl 2 voll reflektiert wird. Dies folgt aus den Fresnelschen Gleichungen, die in der Fig. 2 graphisch dargestellt sind. Das Brechungsindexverhaltnis no/ni möge z. B. den Wert 1,155 besitzen. Der Einfallswinkel des Meßstrahls möge 60° und derjenige des Vergleichsstrahls 70° betragen. Es werden dann e'.wa 60% der Einfallsintensität des Meßstrahls an der Grenzfläche reflektiert, während die Reflexion des Vergleichsstrahles an der Grenzfläche zu 100% erfolgt. Ändert sich der Brechungsindex der Meßflüssigkeit z. B. um einen solchen Betrag, daß das Verhältnis der beiden Brechungsindi/es den Wert 1,150 annimmt, so wird nur noch 40% der Einfallsintensität des Meßstrahls an der Grenzfläche reflektiert, während die reflektierte Lichtintensität des Vergleichsstrahls weiterhin 100% beträgt. Die an der Stelle 9 reflektierten Lichtstrahlenbündel treten wieder senkrecht zur Oberfläche des Bezugskörpers 6 aus und werden mit Hilfe einer Linse 10 auf eine Fotozelle 11 fokussiert. Zwischen Fotozelle und Linse befindet sich ein Zerstreuungskörper 12, um die Fotozelle gleichmäßig auszuleuchten. Ein rotierendes Blendenrad 13 gibt periodisch abwechselnd den Meß- und Vergleichsstrahlengang frei. Die am Arbeilswiderstand 14 der Fotozelle abfallender,' Spannungsimpulse werden in 15 verstärkt und in bekannter Weise in Meß- und Vergleichssignal aufgetrennt. Mittels der beiden Signale wird in 16 die Differenz bzw. der Quotient gebildet und in 17 zur Anzeige gebracht.

In einer weiteren Ausführung dieser Art befindet sich im Strahlengang des Vergleichsstrahles 2 eine in A b b. 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 lichtschwächende Einrichtung wird dabei zum selbsttätigen Abgleich vom Dift'erenzsignal am Ausgang 16 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 F i g. 2 geht hervor, daß jedem vorgegebenen Meßbereich ein bestimmter Wertebereich für die Einfallswinkel des Meß- und Vergleichsstrahls zugeordnet ist. Der zulässige Wertebereich für den Einfallswinke! des Meßstrahls ist dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Kurve für den betreffenden Einfallswinkel zu

flach verläuft und andererseits der Grenzwinkcl 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 Vergleiehsstrahls muß immer so groß gewählt werden, daß für den ganzen Meßbereich die Bedingung der Totalreflexion gewährleistei 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.

Da nach F i g. 2 die Kurven für größere Einfallswinkel immer steiler verlaufen, wird die Anordnung um so empfindlicher, je größer der Einfallswinkel des Meß-Strahles gewählt werden kann, ohne daß er bereits den Grcn/.winkel der Totalreflexion überschreitet. Bei vorgegebenem Meßbereich kann eine Steigerung des zulässigen Einfallswinkels dadurch erreicht werden, daß ein anderes Material mit einem kleineren Brechungxindcx für den Bezugskörper 6 verwendet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

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 Probenflüssigkeit reflektierten Lichtstrahles (Meßstrahl) vom Brechungsindex der Probenflüssigkeit abhängt, wenn der Einfallswinkel des auf die Grenzfläche auf treffenden 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 Einfallswinkel λα/ des Meßstrahles kleiner und der Einfallswinkel λ ν 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 Probenflüssigkeit (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, 16) zugeleitet werden.

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

b. 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.