DE19523110A1 - Flüssigkeitsrefraktometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitsrefraktometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind bereits gattungsgemäße Flüssigkeitsrefraktometer zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten bekannt, beispielsweise aus dem Aufsatz von K. Spenner: "Faseroptische Multimode-Senso­ ren: Eine Übersicht" in Laser und Optoelektronik Nr.3/1983, Sei­ ten 226-234.

Konventionelle Flüssigkeitsrefraktometer sind faseroptische Brechzahlsensoren bestehend aus einem U-förmig gebogenen Licht­ wellenleiter, dessen Mantel im Bereich der Biegung entfernt ist. Taucht man den U-förmigen Teil des Lichtwellenleiters in eine Flüssigkeit ein, so wird abhängig von der Brechzahldifferenz zwischen Kern und umgebender Flüssigkeit ein Teil des Lichtes in die Flüssigkeit ausgekoppelt (Fig. 4). Die im Lichtwellenleiter geleitete Lichtintensität und damit das am Ende der Faser von einer Photodiode detektierte Licht ist daher eine Funktion der Flüssigkeitsbrechzahl. Auf diese Weise läßt sich die Brechzahl, die bei Flüssigkeitsgemischen von der Konzentration der einzel­ nen Komponenten abhängt, sehr einfach bestimmen. Der Meßbereich des Brechzahlsensors ist abhängig von den optischen Daten der Faser, nämlich den Brechzahlen des Faserkerns und des Faserman­ tels sowie von dem Biegeradius. Ist die Brechzahl der zu messen­ den Flüssigkeit gleich der Brechzahl des Faserkerns, so wird die gesamte Lichtintensität ausgekoppelt. Die Brechzahl des Faser­ kerns bestimmt damit die obere Grenze des Meßbereiches.

Nachteilig an den bekannten Brechzahlsensoren für Flüssigkeiten ist, daß mit handelsüblichen Fasern nur bestimmte und enge Brechzahlbereiche abgedeckt werden können. Das liegt daran, daß die Brechzahl des Faserkerns durch Materialauswahl nur wenig va­ riierbar ist. Mit der U-förmigen Krümmung der Faser am Ort der Meßstelle wird zwar der Meßbereich zu kleinere Brechzahlen hin erweitert, andererseits verursacht diese Maßnahme jedoch eine Abflachung der Kennlinie, wodurch die Meßgenauigkeit stark ab­ nimmt. Die Brechzahlen von Glasfasern liegen im Bereich von n = 1,4 . . . 1,5 und die von Plastikleitern ebenso, so daß insbe­ sondere Messungen von wäßrigen Lösungen mit Brechzahlen in der Nähe von n = 1,33 an der unteren Grenze des Meßbereiches stattfin­ den.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flüssigkeitsrefraktometer be­ reitzustellen, mit dem eine gute Meßgenauigkeit insbesondere im Brechzahlbereich von wäßrigen Lösungen erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Wei­ terbildungen kennzeichnen.

Bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrefraktometer ist gegen­ über dem Stand der Technik der Faserkern im Bereich der in die Probeflüssigkeit eintauchenden Lichtleitstrecke durch eine in einem durchsichtigen Röhrchen gehaltene Referenzflüssigkeit er­ setzt. Da nun die Brechzahl der Referenzflüssigkeit die Ober­ grenze des Brechzahlmeßbereiches festlegt, kann die Obergrenze nahezu frei gewählt und optimal an die Probeflüssigkeit angepaßt werden.

Wird beispielsweise die Obergrenze in die Nähe der Brechzahl der Probeflüssigkeit gelegt, so kann gegebenenfalls auf Maßnahmen wie die U-förmige Krümmung verzichtet werden, welche den Meßbe­ reich zu kleineren Brechzahlen hin erweitern aber die Meßgenau­ igkeit verschlechtern.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Tech­ nik besteht darin, daß Temperatureinflüsse auf das Meßergebnis reduziert sind, da die Referenzflüssigkeit und die Probeflüssig­ keit in der Regel ein ähnliches Temperaturverhalten aufweisen. Der bei den bekannten Brechzahlsensoren auftretende tempera­ turabhängige Meßfehler, der auf dem unterschiedlichen Tempera­ turverhalten des Fasermaterial und der Probeflüssigkeit beruht, ist damit eliminiert.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Be­ schreibung.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrefraktometers,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrefraktometers,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrefraktometers und

Fig. 4 ein Flüssigkeitsrefraktometer nach dem Stand der Technik.

Die Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Flüssigkeitsrefraktometer mit der in die Probeflüssigkeit 1 eingetauchten Lichtleitstrecke 2. Für die Transmissionsmessung leiten Lichtwellenleiter 3 das Licht von einer Lichtquelle 4 an den Eingang der Licht­ leitstrecke 2 und von deren Ausgang an einen Lichtempfänger 5. Der von dem Lichtempfänger 5 registrierten Lichtintensität ist in eindeutiger Weise eine Brechzahl zugeordnet, welche die ge­ suchte Brechzahl n der Probeflüssigkeit ist. Der Zusammenhang zwischen Lichtintensität und Brechzahl kann beispielsweise durch Eichmessungen aufgenommen werden.

Als Lichtquellen 4 sind beispielsweise Laserdioden oder Lumini­ neszensdioden (LED) einsetzbar, während als Lichtempfänger 5 Fo­ to-Detektoren wie Foto-Leiter, Foto-Dioden und Foto-Transistoren einsetzbar sind.

Bei der Lichtleitstrecke 2 wird das Prinzip eines Lichtwellen­ leiters modifiziert angewandt. Der Faserkern 3.1 eines Lichtwel­ lenleiters 3 ist dabei durch die in einem durchsichtigen Röhrchen 2.1 gehaltenen Referenzflüssigkeit 2.2 ersetzt. Da die Brechzahl des beispielsweise aus Glas oder Kunststoff gefer­ tigten Röhrchens 2.1 höher liegt als die Brechzahl n_R der Referenzflüssigkeit 2.2, kann an der inneren Grenzfläche des Röhrchens 2.1 keine Totalreflexion auftreten, die Strahlen werden bis zur äußeren Grenzfläche geführt, wo sie mit der Probeflüssigkeit 1 wechselwirken. Das Röhrchen 2.1 wirkt ähnlich wie eine planparallel Glasplatte, die die Richtung hindurch­ gehender Strahlen nicht verändert. Anstelle eines den Faserkern 3.1 umgebenden Fasermantels 3.2 wirkt somit die Probeflüssigkeit 1 als Grenzschicht an der das Licht totalreflektiert wird. Damit eine Lichtführung möglich ist, muß die Brechzahl n_R der Referenzflüssigkeit 2.2 größer als die Brechzahl n der Probe­ flüssigkeit 1 sein. Die Referenzflüssigkeit 2.2 ist daher so gewählt, daß ihre Brechzahl n_R der höchst zu messenden Brechzahl entspricht. Liegt nun die Brechzahl n der Probeflüssigkeit 1 unterhalb der Brechzahl n_R der Referenzflüssigkeit 2.2, findet wie bei einem Lichtwellenleiter eine Lichtführung statt, wobei Totalreflexion an der Grenzschicht von Röhrchen 2.1 zu Probe­ flüssigkeit 1 auftritt. Die Bedingungen für Totalreflexion werden im wesentlichen von den Brechzahlen n, n_R der beteiligten Flüssigkeiten 1, 2.2 bestimmt. Je näher die Brechzahl n der Probeflüssigkeit 1 bei der Brechzahl n_R der Referenzflüssigkeit 2.2 liegt, um so mehr wird Licht in die Probeflüssigkeit 1 hinein aus der Lichtleitstrecke 2 ausgekoppelt, was als Transmissionseinbuße meßbar ist. Das Röhrchen 2.1 ist dabei weitgehend ohne Wirkung auf die Totalreflexion und Auskopplung des Lichts, sofern dessen Brechzahl höher als die Brechzahlen n, n_R der beteiligten Flüssigkeiten 1, 2.2 liegt.

Da die als Lichtleiter wirkende Referenzflüssigkeit 2.2 im Inne­ ren des Röhrchens 2.1 in der Regel eine ähnliche Zusammensetzung aufweist wie die Probeflüssigkeit 1, ist auch deren Temperatur­ verhalten ähnlich, so daß Meßfehler durch unterschiedliche Tem­ peraturabhängigkeiten nicht oder nur geringfügig auftreten.

Die untere Grenze des Meßbereiches bestimmt sich wie beim be­ kannten faseroptischen Brechzahlsensor durch den Öffnungswinkel des in die Lichtleitstrecke 2 eintretenden Lichtes bzw. durch den Grenzwinkel unter dem Lichtführung noch möglich ist.

Wie bei dem bekannten Brechzahlsensor in Fig. 4 kann der Brech­ zahlmeßbereich zu kleineren Brechzahlen hin erweitert werden, indem die Lichtleitstrecke 2 gekrümmt wird, beispielsweise mit einem konstanten Biegeradius R. Ein entsprechendes Ausführungs­ beispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. In den Fig. 3 und Fig. 4 sind funktionell entsprechende Teile mit den gleichen Positionszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet, wobei noch der Strah­ lengang des Lichtes gezeigt ist, insbesondere bei radialer Aus­ kopplung infolge eines Eintauchens in die Probeflüssigkeit 1. Bei dem Flüssigkeitsrefraktometer nach dem Stand der Technik in Fig. 4 wird die mit der Probeflüssigkeit 1 wechselwirkende Lichtleitstrecke 2′′ durch den entmantelten Faserkern 3.1 des Lichtwellenleiters 3 gebildet. Der Faserkern 3.1 bildet mit der Probeflüssigkeit 1 eine Grenzschicht an der Totalreflexion auf­ tritt.

In einer weiterführenden Ausgestaltung der Ausführungsbeispiele kann auf die Lichtwellenleiter 3 wenigstens teilweise verzichtet werden, indem die Lichtquelle 4 und/oder der Lichtempfänger 5 unmittelbar an die Lichtleitstrecke 2 angesetzt werden.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrefraktometers, bei dem zugun­ sten einer leichten Handhabung das Licht aus der gleichen Rich­ tung nämlich von oben zu- und abgeführt wird. Das untere Ende der Lichtleitstrecke 2′ ist mit einem Spiegel 6 abgeschlossen, so daß die Lichtstrahlen in die Lichtleitstrecke 2′ zurückgewor­ fen werden und am oberen Ende wieder austreten, wo sie eingetre­ ten sind. Beim Durchgang des Lichts durch die Lichtleitstrecke 2′ wird das Licht abhängig von der Brechzahl einer (nicht darge­ stellten) Probeflüssigkeit, in die das Röhrchen 2.1′ eintaucht, mehr oder minder ausgekoppelt. Desweiteren sind der Lichtwellen­ leiter 3′ und das nach oben hin aufgeweitete Röhrchen 2.1′ durch eine Keramikhülse 7 mechanisch verbunden, welche eine definierte Einstrahlung des Lichtes sicherstellt und das Röhrchen 2.1′ mit der enthaltenen Referenzflüssigkeit 2.2′ hermetisch dicht ab­ schließt. Die Verbindung kann lösbar ausgebildet sein, wenn die Referenzflüssigkeit 2.2′ auswechselbar sein soll. Das Röhrchen 2.1′ enthält im Bereich der Aufweitung ein Ausgleichsvolumen 8, welches eine temperaturbedingte Volumenänderung der Referenz­ flüssigkeit 2.2′ ausgleicht.

Die Kennlinie des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsrefraktometers gemäß Fig. 2 hängt, wie bereits erwähnt, auch von dem Öffnungs­ winkel des verwendeten Lichtwellenleiters ab. Wird beispielswei­ se anstelle einer Polycarbonatfaser eine Quarzfaser mit kleine­ rem Öffnungswinkel verwendet, so ergeben sich sehr steile Kenn­ linien. In diesem Fall liegt die gesamte Dynamik des Sensors in einem Bereich, der einer Brechzahländerung der Probeflüssigkeit von 20% entspricht. Innerhalb dieses Bereiches fällt die relati­ ve Lichtintensität am Lichtaustritt nahezu um eine Zehnerpotenz ab, wenn sich die Brechzahl der Probeflüssigkeit der Brechzahl der Referenzflüssigkeit von unten nähert. Damit sind innerhalb eines engen aber durch Austausch der Referenzflüssigkeit varia­ blen Meßbereich genaue Messungen mit sehr großer Genauigkeit möglich.

Es ist weiterhin denkbar, das erfindungsgemäßen Flüssigkeitsre­ fraktometer so auszulegen, daß seine Kennlinie eine definierte Schaltschwelle bei einer bestimmte Brechzahl aufweist. Dies er­ möglicht eine Grenzwertüberwachung bezüglich der Brechzahl, in­ dem bei Über- oder Unterschreiten einer kritischen Brechzahl ei­ ne Signal ausgegeben wird. Dies ist insbesondere für Anwendungen interessant, bei denen vermittels einer Brechzahl die Konzentra­ tion einer Flüssigkeitskomponente in einem Flüssigkeitsgemisch überwacht werden soll.

Allgemein findet das erfindungsgemäße Flüssigkeitsrefraktometer ein weites Anwendungsfeld in der Überwachung von Flüssigkeitsmi­ schungen, die ihre Brechzahl mit der Konzentration einer zuge­ fügte Komponente ändern. Beim Kraftfahrzeug sind neben der Bat­ teriesäurekonzentration auch die Frostschutzmittelanteile im Kühlwasser und in der Scheibenwischanlage von Interesse. Um bei­ spielsweise eine optimale Kühlleistung und einen optimalen Kor­ rosionsschutz zu gewährleisten, ist eine bestimmte Frostschutz­ mittelkonzentration im Kühlwasser einzuhalten. Die Brechzahl des Kühlwasser steigt nahezu linear von 1,33 (reines Wasser) bis 1,44 (reines Frostschutzmittel) mit zunehmender Frostschutzmit­ telkonzentration an. Ein in den Kühlmittelkreislauf eingebautes erfindungsgemäßes Flüssigkeitsrefraktometer, das auf die einzu­ haltende Frostschutzmittelkonzentration durch Verwendung einer Referenzflüssigkeit mit entsprechender Brechzahl abgestimmt ist, ermöglicht eine genaue, laufende Überwachung der Konzentration und ein bedarfsgerechtes Nachfüllen von Frostschutzmittel.

Eine weitere Anwendung ist die Grenzwertüberwachung von Flüssig­ keitsständen. Auch in optischen Medien niederer Brechzahl, z. B. Wasser, ermöglicht ein erfindungsgemäßes Flüssigkeitsrefraktome­ ter mit entsprechend gewählter Referenzflüssigkeit, eine totale Lichtauskopplung. Bei einem entsprechend ausgelegten Sensor tritt daher eine starke relative Intensitätsänderung des Lichts bei Benetzung durch die Flüssigkeit ein. Das bei trockenem Sen­ sor austretende totalreflektierte Licht, kann unmittelbar für eine optischen Anzeige verwendet werden.

Eine Weiterbildung, die weitere Anwendung erschließt, besteht darin, auf das die Referenzflüssigkeit enthaltende Röhrchen eine Substanz aufzubringen, die unter bestimmten Bedingungen ihre Brechzahl ändert. Beispielsweise kann durch Aufbringen einer wasserdampfabsorbierenden Schicht ein Feuchtigkeitssensor reali­ siert werden. Auch hier ist von Vorteil, daß der Meßbereich an die Brechzahl der Substanz angepaßt werden kann.

Insgesamt ist das erfindungsgemäße Flüssigkeitsrefraktometer vielseitig einsetzbar, einfach aufgebaut und kostengünstig zu realisieren. Der Meßbereich kann in weiten Grenzen angepaßt wer­ den, wobei sehr hohe Meßgenauigkeiten realisierbar sind.

Claims (12)

1. Flüssigkeitsrefraktometer zur Messung der Brechzahl einer Probeflüssigkeit durch Auswertung der optischen Transmission ei­ ner in die Probeflüssigkeit eingetauchten Lichtleitstrecke an deren Grenzschicht mit der Probeflüssigkeit ein von der Brech­ zahl der Probeflüssigkeit abhängiger Anteil des bei der Trans­ missionsmessung eingespeisten Lichtes totalreflektiert wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das maßgebliche optische Medium der Lichtleitstrecke (2, 2′) eine Referenzflüssigkeit (2.2, 2.2′) ist.

2. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzflüssigkeit (2.2) in ein durchsichti­ ges Röhrchen (2.1) eingebracht ist und das Licht an einem Ende des Röhrchens (2.1) eintritt und am anderen Ende des Röhrchens (2.1) austritt.

3. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtleitstrecke (2) U-förmig gebogen ist.

4. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzflüssigkeit (2.2′) in ein durchsichti­ ges Röhrchen (2.1′) eingebracht ist, in deren oberes Ende das Licht eintritt und deren unteres Ende durch einen Spiegel (6) abgeschlossen ist, der das Licht in die Lichtleitstrecke (2′) zurückwirft, so daß das Licht am oberen Ende des Röhrchens (2.1′) wieder austritt.

5. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Röhrchen (2.1′) am oberen Ende aufgeweitet ist und mittels einer Hülse (7) mit einem das Licht zu- und abfüh­ renden Lichtwellenleiter (3′) lösbar verbunden ist.

6. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Röhrchen (2.1′) im Bereich der Aufweitung ein Ausgleichsvolumen (8) aufweist.

7. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Referenzflüssigkeit (2.2, 2.2′) so gewählt ist, daß deren Brechzahl der oberen Grenze des gewünschten Brechzahl-Meßbereiches entspricht.

8. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Transmissionsmessung von einer Lichtquelle (4) in die Lichtleitstrecke (2, 2′) Licht eingespeist wird, wel­ ches nach Durchgang durch die Lichtleitstrecke (2, 2′) von einem Lichtempfänger (5) aufgenommen wird.

9. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Licht mittels Lichtwellenleitern (3, 3′) der Lichtleitstrecke (2, 2′) zu- und/oder von dort abgeführt wird.

10. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle und/oder der Lichtempfänger unmit­ telbar an der Lichtleitstrecke angeordnet sind.

11. Flüssigkeitsrefraktometer nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß von außen auf das Röhrchen (2.1, 2.1′) eine Substanz aufgebracht ist, die ihre Brechzahl in Abhängigkeit von äußeren physikalischen Parametern wie beispielsweise der Luft­ feuchtigkeit verändert.

12. Flüssigkeitsrefraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Kraftfahrzeug im Kühl­ mittelkreislauf angeordnet ist, wo es zur Überwachung der Frost­ schutzmittelkonzentration eingesetzt wird.