DE1928095A1

DE1928095A1 - Refraktometer

Info

Publication number: DE1928095A1
Application number: DE19691928095
Authority: DE
Inventors: Carl-Erik Granqvist
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1968-06-07
Filing date: 1969-06-03
Publication date: 1969-12-11
Also published as: SE316028B; JPS4828313B1; CH489781A; GB1274241A; US3552860A; FR2010332A1

Description

Dipl.-Ing.H.Strohschänk ' ■ . .■ .

^H 8 München 60 3.6.1969-S/Sp/Rü(4)

Musäusstraße 5 190-7HP

Refraktometer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer zur Messung der Refraktion längs eines Lichtweges.

Bei einer Abstandsmessung durch elektromagnetische Wellen, beispielsweise Licht, welches den zu mess'enden Abstand durchsetzt, ist es wichtig, die Refraktion längs des Weges zu kennen«, Gemäss dem Artikel "The Use of Atmospheric Dispersion for the Refractive Index Correction of Optical Distance Measurements" von M.G. Thompson and L.E. Wood, Seite 165 ff. in der Druckchrift "Electromagnetic Distance-Measurement" von Hilger und Watts Ltd., London,ist bekannt, den Durchschnittswert der Refraktion durch Messung der Differenz der Phasenverzögerung über den Weg für zwei Signale von unterschiedlichen Farben zu messen.

Aufgabe der Erfindung ist eine Empfindlichkeitssteigerung bei Refraktometern der erwähnten Art.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale im Geräteaufbau gelöst: Einen ersten Emitter zur Abstrahlung eines ersten Lichtsignals einer ersten Farbe längs dieses Weges mit einem Modulationseingangsanschluss zur Intensitatsmodulation des ersten Signals, einen zweiten Emitter zur Aussendung eines zweiten Lichtsignars einer zweiten Farbe längs dieses Weges mit einem Modulationseingangsanschluss zur Intensitätsmodulation des zweiten Signals

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einen ersten Generator zur Erzeugung einer ersten Welle '^} mit einer ersten Frequenz, einen zweiten Generator zur Erzeugung einer zweiten Welle mit einer zweiten Frequenz, einen Schalter zur Verbindung der Modulationseingangsanschlüsse des ersten und zweiten Emitters in dessen erster Stellung mit dem ersten und zweiten Generator bzw. in dessen zweiter Stellung mit dem zweiten und ersten Generator, einen Empfänger zur Aufnahme des ersten und zweiten Lichtsignals an dem anderen Ende des Weges und einen Phasendetektor in dem Empfänger, welcher auf die Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Signal anspricht.

Es werden demnach zwei Signale verschiedener Farben mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen moduliert und die dazwischen vorliegende Phasendifferenz empfangsseitig gemessen, Jede Farbe wird wechselnd mit der einen oder anderen Modulationsfrequenz moduliert, und die entsprechenden Antwortgrössen weisen an der Empfangsseite unterschiedliche Polung auf, wobei eine Verdoppelung der Empfindlichkeit erzielt wird.

Ausgestaltungen betreffen weitere konstruktive Einzelheiten des erfindungsgemässen Gerätes.

In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand von Blockschaltbildern veranschaulicht. Es zeigenj

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Refraktometers mit einem Sender sowie einem Empfänger zur Aussendung bzw. zum Empfang eines Lichtsignals, welches an dem entfernten Ende eines untersuchten Weges reflektiert wird,

Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines in einem erfindungsgemässen Refraktometer enthaltenen Empfängers,

Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines in '"^ einem erfindungsgemässen Refraktometer enthaltenen Senders.

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GemäBS Fig. 1 umfasst ein Sender TR einen ersten modulierbaren Emitter E zur Abstrahlung eines ersten Lichtsignals R in rotem Licht mit einem Modulationseingangsanschluss M, dem ein Modulationssignal zur Modulation der Strahlintensität zugeführt werden kann. Ein ähnlicher zweiter Emitter E* dient zur Abstrahlung eines zweiten Lichtsignals B in blauem Licht und weist einen Modulationseingangsanschluss M* auf. Die beiden Lichtsignale R, B werden zu einem Lichtsignal gebündelt, welches gegen das entfernte Ende des Signalweges hin Übertragen wird, wo ein (nicht gezeigter) Reflektor zur Reflexion des Signals gegen einen Empfänger hin vorgesehen ist.

In dem Sender TR sind ein erster Generator GE1 für eine Frequenz f1 und ein zweiter Generator GE2 für eine Frequenz f2 vorgesehen. Zwischen den Generatoren und den Emittern befindet sich ein zweistufiger doppelpoliger Schalter SW, in dessen erster Stellung I der Generator GE1 mit dem Anschluss M und der Generator GE2 mit dem Anschluss M¹ verbunden sind, wogegen in der anderen Stellung II der Generator GE1 mit dem Anschluss M¹ und der Generator GE2 mit dem Anschluss M verbunden sind. Der Schalter wird periodisch durch eine Steuereinheit CU betätigt, so dass jeder Emitter abwechselnd durch die eine oder andere Modulationsfrequenz moduliert wird. Die Steuereinheit CU kann bei einer verhältnismässig niedrigen Frequenz arbeiten, beispielsweise mit 10 Hz. Die Frequenzen f1, f2 sind in der Grössenordnung von 30 MHz. Eine justierbare Verzögerungseinrichtung DL ist über einen gestrichelt dargestellten Weg mit der Ausgangsseite des Emitters E¹ zur Verzögerung des zweiten Signals verbunden.

Der Empfänger RE umfasst einen Photomultiplier PM, welcher die Signale R des roten Lichtes und die Signale B des blauen Lichtes an seiner Photokathode aufnimmt und in bekannter Weise verstärkt. Wegen der Nichtlinearität des Multipliers PM erfolgt eine Überlagerung, welche die

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Erzeugung einer Differenzfrequenz f1-f2 zur Folge hat, die -durch ein Filter F getrennt und einem Phasendetektor PS zugeführt wird. Der Überlagerungsvorgang ergibt eine Frequenzkomponente f1-f2 mit einer Phase von ψ 1- <ip2, wobei

<p1 und ψ 2 die Phasen der aufgenommenen Signale der Frequenz f1 bzw. f2 sind. Die Grosse </H- Cp2 stellt die Phaeenverzögerungsdifferenz für die beiden Farben über den Signalweg dar und wird durch den Phasendetelctor PD bestimmt, welcher in bekannter Weise aufgebaut sein kann, beispielsweise als Foster-Seeley-Phasendiskriminator.

Eine Betätigung des Schalters SW bewirkt, dass die an dea Photomultiplier PH ankommenden Frequenzen entgegengesetzte Farben aufweisen. Die entsprechende Phasendifferenz, > welche als CfM «-(f 2^l bezeichnet ist, wirkt somit auf den Phasendetektor PD im entgegengesetzten Sinn zu ^1- ψ2\ wodurch das Ausgangesignal des Phasendetektors PD die in Fig. 1 veranschaulichte Rechteckform aufweist. Die Amplitude dieser Hechteckwelle RW stellt die Differenz zwischen der ersten Phasendifferenz <p1- ψ2 entsprechend der Stellung I des Schalters SW und der zweiten Phasendifferenz ψλ^%- ψ 2 * entsprechend der Stellung II des Schalters SW dar. Ein Messk instrument MI dient zur Anzeige der Amplitude der Rechteckwelle RW.

Aus dem eingangs erwähnten Artikel von Thompson und Wood ergibt sich eine Methode zur Sicherstellung der durchschnittlichen Refraktion über den durchlaufenen Weg aus der Bestimmung der Differenz der Refraktion für zwei verschiedene Farben.

Die Refraktion wird durch den Ausdruck 1+ίΓ wiedergegeben, wobei N ein Korrekturglied in der Grössenordnung von 3x10"^ darstellt und von der Temperatur sowie dem Atmosphärendruck längs des Signalweges abhängt. Die Werte von N für die beiden Farben werden mit N1, N2 bzeichnet. Die Geschwindigkeit

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beträgt C_Q/(1+N). Man erhält die folgenden Ausdrücke für die Phasenverzögerungen sowie für die beiden Frequenzen f1, f2 über den Abstand D:

f ζ (1)

2 ti P
<j>2 = "C^" . f2 (1+N2) (2)

Die Überlagerung der Frequenzen f1, f2 an dem Smpfänger ergibt ein Signal der Differenzfrequenz f1-f2 mit der Phase

2TtD
<fi-^2 = "B^" . (f1-f2+f1N1-f2N2) (3)

Die Umschaltung des Schalters SW in die andere Stellung i3t äquivalent einer Farbänderung für die beiden Signale der Frequenzen f1, f2, was bedeutet, dass der neue Wert ψ 1 f_ ^f2· der Phasendifferenz aus der Gleichung (3) durch Vertauschung von N1, N2 erhalten wird:

2t<D
<{M«-^2« = "TJ^" . (f1-f2+f1N2-f2in) (4)

Wenn der Schalter SW aus der Stellung I in die Stellung II gebracht wird, ergibt der Phasendetektor PD eine Änderung der Ausgangsgrösse, welche der Differenz zwischen den beiden Werten der Gleichungen (3) und (4) bzw. folgendem Wert entspricht:

2TtD
(fi_cp2-( Cf₁I-If₂') = T^" . (fi+f2).(N1-N2) . <5)

Wenn der Schalter SW periodisch betätigt wird, schwankt die Ausgangsgrösse des Phasendetektors PD zwischen dem einen und dem anderen Wert von einer Periode zur nächsten Periode, so dass die Rechteckwelle RW entsteht, deren Amplitude die Differenz gemäss der Gleichung (5) darstellt 'und an einem Messinstrument MI sichtbar gemacht wird. Gemäss der Gleichung (5)-ist dieser Wert proportional N1-N2. ,..-■>*■" .. ." .

= V- ' 909850/08 8 8

Wie vorangehend festgestellt wurde, ist H eine Funktion des Druckes und der Temperatur gemäss folgender Gleichung:

N = N₀ . oc (6)

hierbei stellt OC einen druck- und temperaturabhängigen Paktor dar, und N_Q ist der Wert von N bei genormten Druck- und Temperaturbedingungen. Bezeichnet man die Werte von N_Q für die beiden Farben mit NI und N 2, so erhält man:

N1-H2 = (N₀1-N_Q2) . <X (7)

Hierbei kann oc bestimmt werden, während N1-N2 bekannt ist.

Die Gleichung (5) zeigt die Verdoppelung des Messwertes, welcher auf Grund des Schaltvorganges erhalten wird. Ohne einen solchen Schaltvorgang, lediglich bei Verwendung einer Modulationsfrequenz f[ , erhielte man eine Farbendifferenz φ 1"_ ^2" entsprechend f1=f2=f in der Gleichung (3):

2TtD
<p1»-ip2» = "TJ₀" . (N1-N2).f (8)

Eine weitere Verbesserung wird durch die Einfügung der Verzögerungseinrichtung DL erzielt. Wenn diese so justiert ist, dass die Verzögerungsdifferenz zwischen den beiden Farben kompensiert wird, haben beide Signale die gleiche Phase, wenn sie an dem Empfänger ankommen. Dies bedeutet, dass die Verzögerungseinrichtung DL so lange justiert wird, bis die Amplitude der Rechteckwelle RW Null ist. Das Messinstrument MI wird lediglich als Nullinstrument verwendet.

Fig. 2 zeigt in Einzelheiten ein Ausführungsbeispiel des Smpfängers, bei dem eine Verzögerungseinrichtung DL 1 zum Ausgleich der Verzögerung für die beiden Farben vorgesehen ist« Der Empfänger umfasst ein optisches System OS,

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welches in bekannter Weise ausgebildet sein kann und schematisch dargestellt ist. Sas System OS teilt das empfangene Lichtsignal in zwei Strahlen auf, welche durch blaue und rote Filter BF, RF geführt werden, um einfarbige Lichtsignale B, R zu bilden, die dem Photomultiplier FM zugeführt werden. Sie diese Signale modulierenden Frequenzen sollen annahmegemäss 30 000 und 30 001 KHz entsprechen. Sie Ausgangsgrösse des Fhot©multipliers FM wird einem Filter F zugeführt, welches lediglich die gewünschte Überlagerungsfrequenz von 1 KHz durchlässt, die dem Fhasendetektor FS zugeführt wird. Sie Ausgangsgröße des Phasendetektors FS liegt an eine» Tiefpass LF. Ser den Tiefpass durchlaufende Qleichstromanteil steuert einen Hilfsoszillator Au, welcher dem Detektor eine Bezügeschwingung zuführt« Sie Ausgangsgröeee des Fhasendetektors PS wird auch einem auf 10 Hz abgestimmten Bandpassfilter BF zugeführt, dessen Abstimmfrequenz annahmegemäss gleich der Frequenz sein soll, bei welcher der Schalter SW an dem Sender betätigt wird. Sie Ausgangsgröße des Bandpassfilters BF liegt an dem Messinstrument MI.

Sie Wirkungsweise der Torrichtung nach Fig. 2 ergibt sich auf Grund der obigen Beschreibung. Sie Verzögerungseinrichtung SL1 wird justiert, bis das Messinstrument MI den Wert Null anzeigt, was bedeutet, dass das rote und blaue Signal die gleiche Phase besitzen, wenn sie an dem Empfänger ankommen. Sie Verzögerung der Verzögerungseinrichtung SL1 stellt somit die Phasendifferenz zwischen den beiden Farben über den durchlaufenen Weg dar. Ser Empfänger gernäss Fig. kann in die gleiche Baueinheit wie der Sender eingebaut werden oder eine besondere Baueinheit bilden, die an dem entfernten Ende des Signalweges angeordnet ist.

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Die Hauptbestandteile des abgewandelten Ausführungsbeispiels des Senders gemäss Fig. 3 entsprechen dem in dem Refraktometer nach Fig. 1 vorgesehenen Sender und sind mit entsprechenden Bezugsbezeichnungen versehen.

' Der Emitter E umfasst eine Lichtquelle LS zu Erzeugung eines Strahls roten Lichtes, welches durch einen Lichtmodulator LH geführt wird, an dem ein Modulationssignal von einem Verstärker A liegt. Ein optisches System OS2 ist lediglich schematisch dargestellt und kann eine bekannte Konstruktion sein. Der rote Lichtstrahl wird in zwei Teile aufgespalten, deren einer ausgesendet und deren andtrer auf eine Photoröhre FT übertragen wird. Ein Emitter E* umfasst in ähnlicher Weise eine Lichtquelle LS¹, einen Lichtmodulator LM^f und einen Verstärker A¹ und erzeugt einen blauen Lichtstrahl, welcher in einen ausgesendeten Teil und einen zweiten Teil aufgespalten wird, welcher über eine Verzögerungseinrichtung DL2 auf die Photoröhre PT verläuft. Die Ausgangsgrösse der Photoröhre PT wird einem Eingang eines Phasendetektors PD* zugeführt, dessen Ausgangsgrösse einem Messinstrument MI¹ zugeführt wird. Der zweite Eingang des Phasendetektors PD' liegt an dem Ausgang einer Mischetufe M mit zwei Eingängen, die an die Ausgänge der Generatoren GE1, GE2 angeschlossen sind.

Der Schalter oW und die Steuereinheit CU arbeiten wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben.

Im Betrieb entspricht der Sender nach Fig. 3 demjenigen nach Fig. 1, ermöglicht jedoch als zusätzliches Merkmal die Messung der Phasendifferenz, die an dem Sender vorliegt, wenn kein vollständiger Ausgleich zwischen den Emittern E, E' vorliegt. Ein solcher Fehlausgleich kann beispielsweise auftreten, wenn die Verzögerungen in dem Verstärker A, A* für

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die beiden Modulationsfrequenzen nicht genau gleich sind. Wenn dieser Fehlausgleich nicht beseitigt wird, könnte er eine Phasendifferenz in den Signalen schon dann hervorrufen, wenn diese den Sender verlassen. Diese Phasendifferenz könnte mit einem Empfänger gemessen werden, welcher unmittelbar an dem Aussendepunkt angeordnet ist, und der Empfänger würde alsdann einen Wert entsprechend der anfänglichen Phasendifferenz anzeigen.

Grundsätzlich bilden die Bauelemente PT, DL2, PD¹, MI¹ und M einen in den Sender eingebauten Hilfsempfänger. Die Photoröhre PT wirkt wie der Photomultiplier PM in Pig. 1 im Sinne einer Überlagerung der beiden daran liegenden Farbsignale und erzeugt ein Ausgangssignal von 1 KHz. Die Bezugsschwingung für den Phasendetektor PD' wird von der Mischstufe M erhalten.

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Claims

JlO

!^Refraktometer zur Messung der Refraktion länge eines Lichtweges, gekennzeichnet durch einen ersten Emitter (E) zur Abstrahlung eines ersten Lichtsignals (R) einer ersten Farbe längs dieses Weges mit einem Modulationseingangsanschluss (M) zur Intensitätsmodulation des ersten Signals, einen zweiten Emitter (E') zur Aussendung eines zweiten . Lichtsignals (B) einer zweiten Farbe längs dieses Weges " mit einem Modulationseingangsanschluss (M¹) zur Intensitätsmodulation des zweiten Signals, einen ersten Generator (GE1) zur Erzeugung einer ersten Welle mit einer ersten Frequenz (f1), einen zweiten Generator (GE2) zur Erzeugung einer zweiten Welle mit einer zweiten Frequenz (f2), einen Schalter (SW) zur Verbindung der Modulationseingangsanschlüsse (M, M¹) des ersten und zweiten Emitters (E, E¹) in dessen erster Stellung (I) mit dem ersten und zweiten Generator (G.11, GE2) bzw. in dessen zweiter Stellung (II) mit dem zweiten und ersten Generator, einen Empfänger zur Aufnahme des ersten und zweiten Lichtsignals (R, B) an dem anderen Ende des Weges und einen Phasendetektor (PD) ) in dem Empfänger, welcher auf die Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Signal anspricht.
2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Überlagerungsstufe (Photomultiplier PM) in dem Empfänger zur Bildung eines Differenzfrequenzsignals aus dem ersten und zweiten Signal zur Anlegung an den Phasendetektor (PD).
3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Photo-, multiplier (PM) in der Überlagerungsstufe, an dem das erste und zweite Signal liegen.

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/U

4* Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine justierbare Verzögerungseinrichtung (DL) zur Verzögerung eines der Signale vor dessen Aussendung längs des Weges.

5· Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (CU)* die an den Schalter (SW) zu dessen periodischer Betätigung angeschlossen ist.

6* Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein integrierendes Messinstrument (HI)₉ welches an eine Eingangsschaltung des Phasendetektors (PD) angeschlossen ist.

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