DE19735328B4

DE19735328B4 - refractometer

Info

Publication number: DE19735328B4
Application number: DE1997135328
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Waldmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: DE19735328A1; FR2769368B3; FR2769368A1

Abstract

Refraktometer zur Messung des Brechungsindexes einer lichtdurchlässigen Probe, insbesondere für eine Bestimmung der Dichte oder des Salzgehaltes von Meerwasser in verschiedenen Tiefen, mit einem Laser zur Erzeugung von amplitudenmoduliertem Licht, einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten Probenraum (4) zur Aufnahme der Probe, einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten, lichtdurchlässigen Referenzkörper (6), einem positionsempfindlichen Detektor (14), auf den das Licht auftrifft und der als Maß für die Brechung des Lichtes zwei lichtpositionsabhängige, analoge elektrische Signale erzeugt, mit Mitteln der Analogelektronik zur Abtastung der beiden elektrischen Signale zu unabhängig voneinander bestimmten Zeiten, gekennzeichnet durch Mittel zur Digitalisierung der beiden elektrischen Signale und Berechnung des Brechungsindexes aus den beiden digitalisierten Signalen mittels einer Auswerteeinrichtung.Refractometer for measuring the refractive index of a translucent sample, in particular for determining the density or salinity of sea water at various depths, with a laser for generating amplitude-modulated light, a sample space (4) arranged in the beam path of the light for receiving the sample, one in Beam path of the light arranged, translucent reference body (6), a position-sensitive detector (14) on which the light strikes and which, as a measure of the refraction of the light, generates two light-position-dependent, analog electrical signals with means of analog electronics for scanning the two electrical signals at independently determined times, characterized by means for digitizing the two electrical signals and calculating the refractive index from the two digitized signals by means of an evaluation device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Refraktometer zur Messung des Brechungsindexes einer lichtdurchlässigen Probe, insbesondere für eine Bestimmung der Dichte oder des Salzgehaltes von Meerwasser in verschiedenen Tiefen, mit einem Laser zur Erzeugung von moduliertem Licht, einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten Probenraum zur Aufnahme einer Probe, einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten, lichtdurchlässigen Referenzkörper, einem positionsempfindlichen Detektor, auf den das Licht auftrifft und der als Maß für die Brechung des Lichtes zwei positionsabhängige, analoge elektrische Signale erzeugt.The invention relates to a refractometer for measuring the refractive index of a translucent sample, especially for a determination of the density or salinity of sea water at different depths, using a laser to produce modulated Light, a sample space arranged in the beam path of the light for taking a sample, one arranged in the beam path of the light, translucent Reference body, a position sensitive detector that the light strikes and that as a measure of the refraction of the light two position-dependent, generates analog electrical signals.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektronische Schaltung zur Bestimmung der Auftreffposition eines optischen Signals auf einen positionsempfindlichen Detektor, der in Abhängigkeit von der Auftreffposition zwei positionsabhängige, analoge elektrische Signale erzeugt.The invention further relates to an electronic circuit for determining the impact position of a optical signal to a position sensitive detector that dependent on two position-dependent, analog electrical from the impact position Signals generated.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung des Brechungsindexes einer lichtdurchlässigen Probe, insbesondere für eine Bestimmung der Dichte oder des Salzgehaltes von Meerwasser, bei dem mit Hilfe eines Lasers ein moduliertes Lichtsignal erzeugt wird, das Lichtsignal die lichtdurchlässige Probe durchdringt, einen lichtdurchlässigen Referenzkörper durchdringt und auf einen positionsempfindlichen Detektor auftrifft, mit dessen Hilfe zwei positionsabhängige, analoge elektrische Signale als Maß für die Brechung des Lichtsignals erzeugt werden.The invention further relates to a method for measuring the refractive index of a translucent sample, especially for a determination of the density or salinity of sea water, which uses a laser to generate a modulated light signal the light signal penetrates the translucent sample translucent reference body penetrates and hits a position-sensitive detector, with the help of two position-dependent, analog electrical Signals as a measure of the refraction of the Light signal are generated.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Abbildungsanordnung für ein Refraktometer zur Abbildung von Licht auf einen positionsempfindlichen Detektor, mit mehreren im Strahlengang des Lichts hintereinander angeordnete Linsen.The invention further relates to an imaging arrangement for a refractometer for imaging light on a position sensitive Detector, with several in a row in the beam path of light arranged lenses.

Der Brechungsindex einer lichtdurchlässigen Probe läßt sich bekanntermaßen durch Bestimmung des Winkels der Totalreflexion ermitteln. Hierbei fällt beispielsweise Licht von einem Medium mit bekanntem, niedrigerem Brechungsindex streifend auf die Oberfläche der Probe mit höherem Brechungsindex, so daß das Licht näherungsweise unter dem Winkel der Totalreflektion in die Probe eintritt. Aus dem Winkel der Totalreflexion lässt sich der Brechungsindex der Probe mit Hilfe des Snelliusschen Brechungsgesetzes in einfacher Weise errechnen.The refractive index of a translucent sample let yourself known by determining the angle of total reflection. in this connection falls for example Light from a medium with a known, lower refractive index grazing the surface the sample with higher Refractive index so that the light approximately enters the sample at the angle of total reflection. Out the angle of total reflection the refractive index of the sample using Snellius' law of refraction calculate in a simple way.

Zur Messung des Brechungsindexes einer Flüssigkeit kann bekanntermaßen ein als Abbe-Pulfrich-Refraktometer bekanntes Eintauchrefraktometer verwendet werden. Hierbei dringt Licht – beispielsweise Tageslicht oder monochromatisches Licht von einer Natriumdampflampe oder einer Quecksilberlampe – nach Hindurchtreten durch die Flüssigkeit in ein Prisma mit bekanntem Brechungsindex ein. Gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz erhält man auf der Rückseite des Prismas einen Hell/Dunkel-Übergang, der charakteristisch für den Winkel der Totalreflexion ist. Das Abbe-Pulfrich-Refraktometer ist jedoch nur für den Laboreinsatz geeignet und ist nicht imstande, schnell und genau Brechungsindexvariationen im kontinuierlichen Messbetrieb entlang einer Messstrecke zu ermitteln. Zudem weist dieses bekannte Refraktometer eine große Bauhöhe auf und ist deshalb relativ umständlich zu handhaben.For measuring the refractive index a liquid can be known an as an Abbe Pulfrich refractometer known immersion refractometer can be used. Here penetrates Light - for example daylight or monochromatic light from a sodium lamp or one Mercury lamp - after passing through through the liquid into a prism with a known refractive index. According to Snellius' Refraction Act receives one on the back the prism has a light / dark transition, the characteristic of is the angle of total reflection. The Abbe-Pulfrich refractometer is only for suitable for laboratory use and is unable, fast and accurate Refractive index variations in continuous measurement operation along to determine a measuring section. In addition, this known refractometer a large height on and is therefore relatively cumbersome to handle.

Aus dem Artikel "Field proven high speed micro optical density profiler sampling 1000 times per second with 10^–6 precision" von K.-H. Mahrt und H.-C. Waldmann, erschienen in Oceans '88, IEEE publ. Nr. 88CH2585-8, Baltimore MD, S. 497–504, 1988, ist ein Refraktometer sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Erfindung bekannt, das für den Unterwassereinsatz zur kontinuierlichen Meßwertaufnahme konzipiert ist. Hierzu wird das Refraktometer über längere Meßstrecken – beispielsweise in Ozeanen – bewegt und aus den ermittelten Brechungsindexvariationen auf Dichte- und Salzgehaltschwankungen rückgeschlossen.From the article "Field proven high speed micro optical density profiler sampling 1000 times per second with 10 ^-6 precision" by K.-H. Mahrt and H.-C. Waldmann, published in Oceans '88, IEEE publ. No. 88CH2585-8, Baltimore MD, pp. 497-504, 1988, a refractometer and a method according to the preamble of the present invention is known, which is designed for underwater use for continuous recording of measured values. For this purpose, the refractometer is moved over longer measuring distances - for example in the oceans - and inferred from the determined refractive index variations on density and salt content fluctuations.

Bei diesem bekannten Refraktometer, das prinzipiell ähnlich wie das Abbe-Pulfrich-Refraktometer arbeitet, wird Licht von einem einmodigen Laser in einer Einmodenlichtleitfaser geleitet und tritt an dessen Ausgang punktförmig aus.With this well-known refractometer, basically similar How the Abbe Pulfrich refractometer works is light from one single-mode laser guided in a single-mode optical fiber and occurs punctiform at the exit out.

Anschließend durchläuft es einen Probenraum mit einer darin befindlichen Probe und wird in Abhängigkeit von dem Brechungsindex der Probe unterschiedlich abgelenkt. Im weiteren Verlauf fällt das Licht in einem schrägen Winkel auf den als Prisma ausgebildeten Referenzkörper, tritt durch diesen hindurch und wird von einer Abbildungsanordnung auf einen positionsempfindlichen Detektor abgebildet. Der positionsempfindliche Detektor ist ein eindimensionaler Photodetektor, der als Maß für die Brechung des Lichtes zwei positionsabhängige, analoge elektrische Stromssignale erzeugt. Diese analogen Signale werden nach Vorverstärkung, Filterung und Strom/Spannungswandlung analog ausgewertet. Um die Auftreffposition des von der Probe charakteristisch gebrochenen Lichts auf dem positionsemfindlichen Detektor zu erhalten, aus der dann auf den Brechungsindex rückgeschlossen werden kann, werden die beiden Spannungssignale zu gleichen Phasenzeitpunkten abgetastet und danach einerseits analog addiert und andererseits analog subtrahiert. Durch anschließende analoge Quotientenbildung aus Differenz und Summe läßt sich in bekannter Weise die Auftreffposition des Lichts auf dem Detektor und damit der Brechungsindex der Probe berechnen (s. z.B. Kelly B.O. und Nemheuser R.I. "Techniques for using the position sensitivity fo silicon photodetectors to provide remote machine control", 21 st Anual IEEE Machine Tool Conference, Hartford, Conn., USA, 1973).It then passes through a sample space with a sample located therein and is deflected differently depending on the refractive index of the sample. In the further course, the light falls at an oblique angle on the reference body designed as a prism, passes through it and is imaged by an imaging arrangement on a position-sensitive detector. The position-sensitive detector is a one-dimensional photodetector that generates two position-dependent, analog electrical current signals as a measure of the refraction of the light. These analog signals are evaluated analog after pre-amplification, filtering and current / voltage conversion. In order to obtain the incident position of the light, which is characteristically refracted by the sample, on the position-sensitive detector, from which the refractive index can then be deduced, the two voltage signals are sampled at the same phase times and then added on the one hand and subtracted on the other hand. Subsequent analog formation of the quotient from difference and sum allows the incident position of the light on the detector and thus the refractive index of the sample to be calculated in a known manner (see for example Kelly BO and Nemheuser RI "Techniques for using the position sensitivity fo silicon photodetectors to provide remote machine control", 21st Anual IEEE Machine Tool Conference, Hartford, Conn., USA, 1973).

Nachteilig bei diesem bekannten Refraktometer ist, dass die analogen Addier-, Subtrahier- und Dividieroperationen zum Teil nur mit relativ niedriger Genauigkeit (12 bit) sowie mit nicht optimalen Geschwindigkeiten durchführbar sind. Die Folge sind Ungenauigkeiten und Verzögerungen in der Signalauswertekette. Außerdem ist das Signal/Rausch-Verhältnis bei dem bekannten Refraktometer relativ gering.A disadvantage of this known refractometer is that the analog add, subtract, and divide operations only partially with relatively low accuracy (12 bit) and with non-optimal Speeds feasible are. The result is inaccuracies and delays in the signal evaluation chain. Moreover is the signal-to-noise ratio relatively low in the known refractometer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Refraktometer, eine elektrische Schaltung, ein Verfahren sowie eine Abbildungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die zur Bestimmung des Brechungsindexes verwendet werden können und bei denen der Brechungsindex von flüssigen und/oder gasförmigen lichtdurchlässigen Proben mit höherem Signal/-Rausch-Verhältnis, schnellerem Antwortverhalten und größerer Präzision als mit dem bekannten Refraktometer und dem Verfahren ermittelt werden kann.The object of the invention is therein a refractometer, an electrical circuit, a method as well to specify an illustration arrangement of the type mentioned at the beginning, which can be used to determine the refractive index and where the refractive index of liquid and / or gaseous translucent samples with higher Signal / noise ratio, faster Responsiveness and greater precision than can be determined with the known refractometer and the method can.

Diese Aufgabe wird bei dem Refraktometer bzw. der elektronischen Schaltung der eingangs genannten An gelöst durch die in den Ansprüchen 1,3,14,20 angegebenen Maßnahmen.This task is done with the refractometer or the electronic circuit of the aforementioned At solved by the in the claims Measures specified by 1,3,14,20.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die von dem positionsempflindlichen Sensor abgegebenen elektrischen Signale zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Auswertefolge digitalisiert werden. Eine analoge Addition und Subtraktion der elektrischen Signale mit anschließender Division der resultierenden Signale findet nicht mehr statt. Auf diese Weise wird das dynamische Verhalten des Refraktometers wesentlich verbessert (Antwortverhalten besser als 1 ms), so dass bei kontinuierlicher Messwertaufnahme präzise Brechungsindexbestimmungen entlang einer Messstrecke durchgeführt werden können. Die Ortsauflösung des Refraktometers liegt hierbei im Bereich von 1 mm. Auch ist die Genauigkeit der ermittelten Brechungsindizes höher als bei dem bekannten Refraktometer. Beispielsweise ist das Signal/Rausch-Verhältnis mit 90 dB bei einer Abtastfrequenz von 1 kHz deutlich höher. Das Verfahren führt demnach zu einer schnellen und präzisen Messwerterfassung.The advantages of the invention exist in particular in that the position sensitive sensor emitted electrical signals at a very early stage are digitized in the evaluation sequence. An analog addition and subtraction of the electrical signals with subsequent division the resulting signals no longer take place. In this way the dynamic behavior of the refractometer is significantly improved (Response behavior better than 1 ms), so that with continuous Precise measurement recording Refractive index determinations can be carried out along a measuring section can. The spatial resolution the refractometer is in the range of 1 mm. That too is Accuracy of the determined refractive indices higher than with the known refractometer. For example, the signal-to-noise ratio is 90 dB at a sampling frequency of 1 kHz significantly higher. The procedure leads therefore for fast and precise measurement value acquisition.

Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Abbildungsanordnung eine wirksame Intensitätserhöhung des auf den positionsempfindlichen Detektor fallenden Lichts erreicht. Die Kombination aus Sammellinse, Mikroskopobjektiv/Achromat, erster Zylinderlinse bildet das Lichtmuster des gebrochenen Lichtes scharf und mit hoher Intensität auf den positionsempfindlichen Detektor ab. Eine noch verbesserte Abbildung wird erreicht, wenn ein zwischen dem Mikroskopobjektiv/Achromat und der ersten Zylinderlinse eine zweite Zylinderlinse angeordnet ist.Furthermore, the imaging arrangement according to the invention an effective increase in intensity of the light falling on the position sensitive detector is reached. The combination of converging lens, microscope lens / achromatic, first Cylindrical lens makes the light pattern of the refracted light sharp and sharp with high intensity on the position sensitive detector. An even better one Image is achieved when a between the microscope lens / achromat and the first cylindrical lens is arranged a second cylindrical lens is.

Unter "Licht" ist nicht nur sichtbares Licht zu verstehen, sondern es sind elektromagnetische Wellen jeglicher geeigneter Wellenlänge, insbesondere im UV- und IR-Bereich, eingeschlossen."Light" means not only visible light, rather they are electromagnetic waves of any suitable wavelength, in particular included in the UV and IR range.

Ein hohes Signal/Rauschverhältnis kann erhalten werden, wenn der Laser mit einer sinusförmigen Wechselspannung strommoduliert wird und das vom Laser erzeugte Licht demnach amplitudenmoduliert ist. Auf diese Weise können niederfrequentes Eigenrauschen von elektronischen Bauelementen – einschließlich dem positionsempfindlichen Detektor –, Rauschanteile von thermoelektrischen Spannungen zwischen Verbindungen unterschiedlicher Metalle sowie Hintergrundrauschen vom Streulicht, das von außen durch den Referenzkörper in die Vorrichtung eindringt, wirkungsvoll unterdrückt werden.A high signal / noise ratio can be obtained when the laser current modulates with a sinusoidal AC voltage is and the light generated by the laser is accordingly amplitude modulated is. That way you can low-frequency self-noise of electronic components - including the position sensitive detector -, noise components of thermoelectric Tensions between connections of different metals as well Background noise from the stray light coming in from outside through the reference body the device penetrates, are effectively suppressed.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die am positionsempfindlichen Detektor erzeugten elektrischen Signale als analoge Photostromsignale abgegriffen, die in mindestens einem nachgeschalteten Strom-Spannungswandler in analoge Spannungssignale umgewandelt werden. Erzeugt der wechselstrommodulierte Laser also amplitudenmoduliertes Licht, sind die Photostromsignale und somit auch die im Strom-Spannungswandler erzeugten Spannungssignale ebenfalls mit derselben Frequenz wie der Laser amplitudenmoduliert. Jedes der beiden Stromsignale vom Detektor – und damit jedes der beiden Spannungssignale am Ausgang des oder der Strom-Spannungswandler – setzt sich somit aus einem Gleich- und Wechselspannungsanteil zusammen, die jeweils die Informationen über den Brechungsindex der Probe enthalten. Ausgewertet wird hingegen allein der Wechselspannungsanteil.In a particularly preferred embodiment the electrical generated at the position sensitive detector Signals tapped as analog photocurrent signals, which in at least a downstream current-voltage converter into analog voltage signals being transformed. So the AC modulated laser generates amplitude modulated light, are the photocurrent signals and thus the voltage signals generated in the current-voltage converter as well amplitude modulated at the same frequency as the laser. each of the two current signals from the detector - and thus each of the two Voltage signals at the output of the current or voltage converter - sets thus consists of a direct and alternating voltage component, which each have the information about contain the refractive index of the sample. However, it is evaluated only the AC voltage component.

Um von den amplitudenmodulierten Spannungssignalen auf die Auftreffposition des Lichts und damit den Brechungsindex der Probe rückzuschließen, ist bevorzugt mindestens ein Nulldurchgangsdetektor zur Detektierung des Spannungsnulldurchgangs der Spannungssignale vorgesehen. Ist der Nulldurchgang ermittelt, kann das Spannungssignal – wie weiter unten beschrieben – definiert in einem Bereich hoher Amplitude abgetastet werden.Order from the amplitude modulated Voltage signals on the impact position of the light and thus the Refractive index of the sample is to be concluded preferably at least one zero crossing detector for detection the voltage zero crossing of the voltage signals is provided. is the zero crossing can determine the voltage signal - what next described below - defined be sampled in a high amplitude region.

Vorteilhaft umfasst der Nulldurchgangsdetektor einen Schmitt-Trigger, da mit diesem der Arbeitspunkt eines Wechselspannungssignals beim Phasenwinkel φ = 0 (bzw. einem Vielfachen von π) mittels Flankentriggerung hervorragend ermittelt werden kann.The zero crossing detector advantageously comprises a Schmitt trigger, since this is the operating point of an AC signal at the phase angle φ = 0 (or a multiple of π) can be excellently determined using edge triggering.

Nach Feststellung des Nulldurchgangs der beiden Spannungssignale legt bevorzugt ein Verzögerungsglied den Zeitpunkt der Abtastung der Spannungssignale definiert fest. Vorteilhafterweise werden die Spannungssignale in einem Extremum der Amplitude abgetastet, da hierdurch die größte Auflösung erreicht wird und zudem eine relativ geringe Schwankung der Modulationsamplitude auftritt. Das Verzögerungsglied misst bei einem Extremum der Amplitude, wenn nach dem Nulldurchgang zu einer Zeit t = (2n + 1)T/4 gemessen wird, wobei T die Periodendauer und n eine natürliche Zahl ist. Vorteilhafterweise wird das Extremum bei n = 0 gemessen.After the zero crossing of the two voltage signals has been determined, a delay element preferably defines the point in time at which the voltage signals are sampled. The voltage signals are advantageously sampled in one extreme of the amplitude, since this achieves the greatest resolution and there is also a relatively small fluctuation in the modulation amplitude. The delay element measures the amplitude at an extreme if, after the zero crossing at a time t = (2n + 1), T / 4 is measured, where T is the period and n is a natural number. The extremum is advantageously measured at n = 0.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist lediglich ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen, an den beide Spannungssignale sequentiell mittels eines Kanalumschalters angelegt werden. Die Verwendung nur eines Nulldurchgangsdetektors erlaubt eine Eliminierung eines beiden Signalen gemeinsamen Drifts, da sich diese gegeneinander aufheben. Die aus diesem Grunde zeitlich nacheinander erfolgende Abtastung der beiden Spannungssignale kann durch höhere Abtastraten kompensiert werden.In an advantageous embodiment the invention provides only a zero crossing detector, on the two voltage signals sequentially by means of a channel switch be created. The use of only one zero crossing detector allows a drift common to both signals to be eliminated, because they cancel each other out. For this reason, the timing sequential sampling of the two voltage signals can by higher Sampling rates can be compensated.

Zur Abtastung der Spannungssignale in einem bestimmten Amplitudenbereich, wie beispielsweise in einem Extremum, ist bevorzugt mindestens ein Abtast-Halteglied vorgesehen, mittels dem der Spannungsabtastwert ohne bedeutenden Spannungsabfall bis zu einem nachfolgenden Schritt – wie z.B. einer Digitalisierung – gespeichert wird. Dieses Vorgehen erlaubt es, den Zeitpunkt der Digitalisierung mit relativ großem zeitlichem Spielraum zu wählen.For sampling the voltage signals in a certain amplitude range, such as in a Extremum, preferably at least one sample and hold element is provided, by means of which the voltage sample without significant voltage drop to a subsequent step - such as digitization - saved becomes. This procedure allows the timing of digitization with a relatively large one time scope to choose.

Um eine parallele Abtastung der beiden Spannungssignale zu ermöglichen, werden vorteilhafterweise für jedes der beiden Spannungssignale ein Nulldurchgangsdetektor und ein Abtast-Halteglied verwendet. Ein Kanalumschalter ist in dieser Ausführungsform nicht notwendig.A parallel scan of the two To allow voltage signals will be advantageous for each of the two voltage signals is a zero crossing detector and a sample and hold member is used. A channel switch is in this embodiment unnecessary.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Multiplexer den Abtast-Haltegliedern nachgeschaltet. Dieser erlaubt, jeweils einen der analogen Spannungsabtastwerte der Abtast-Halteglieder gezielt auszuwählen und weiterzuleiten, beispielsweise an einen Analog-Digital-Wandler, der dann je nach Auswahl des Multiplexers nacheinander die analogen Spannungsabtastwerte digitalisiert und einer Auswerteeinheit zur Auswertung übergibt.In a preferred embodiment The invention is followed by a multiplexer after the sample and hold elements. This allows one of the analog voltage samples of the sample and hold elements select specifically and forward it, for example to an analog-to-digital converter, which then, depending on the selection of the multiplexer, the analog ones Voltage samples are digitized and transferred to an evaluation unit for evaluation.

Die gesamte Messwerteaufnahme einschließlich der Digitalisierung der Spannungsabtastwerte wird bevorzugt mittels eines zentralen Taktgebers durchgeführt. Dieser taktet bevorzugt sowohl einen Modulator, der den Laser mit der gewünschten Frequenz amplitudenmoduliert, sowie eine Digitalsteuerung, welche die Abtastung der Spannungssignale steuert. Weiterhin takten der zentrale Taktgeber oder auch die Digitalsteuerung bevorzugt die Verzögerungsglieder, die Abtast-Halteglieder, den Multiplexer sowie den Analog-Digital-Wandler.The entire measured value recording including the Digitization of the voltage samples is preferred by means of performed by a central clock. This clocks preferentially both a modulator that matches the laser with the desired one Frequency amplitude modulated, as well as a digital control, which controls the sampling of the voltage signals. The clock continues central clock or digital control prefers the Delay elements, the sample and hold elements, the multiplexer and the analog-to-digital converter.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous further developments are characterized by the features of the subclaims.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below the drawings, for example explained. Show it:

1 eine schematische Darstellung des Strahlengangs in einem erfindungsgemäßen Refraktometer; 1 a schematic representation of the beam path in a refractometer according to the invention;

2 den streifenden Einfall des Laserlichts auf einen Referenzkörper; 2 the grazing incidence of the laser light on a reference body;

3 ein Blockschaltbild des Refraktometers mit Auswerteschaltung; 3 a block diagram of the refractometer with evaluation circuit;

4 eine schematische Darstellung eines positionsempfindlichen Detektors; 4 a schematic representation of a position sensitive detector;

5 ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines amplitudenmodulierten Spannungssignals zur Ermittlung von dessen Nulldurchgang; und 5 a voltage-time diagram of an amplitude-modulated voltage signal for determining its zero crossing; and

6 einen Längsschnitt durch ein Refraktometer; 6 a longitudinal section through a refractometer;

1 zeigt schematisch den optischen Teil des Refraktometers. Ein strommodulierter Laser 1, beispielsweise eine Laserdiode, erzeugt amplitudenmoduliertes Licht, das in eine Lichtleitfaser 2 vom Typ einer einmodigen, vorzugsweise polarisationserhaltenden Faser eintritt. Das freie Ende der Lichtleitfaser 3 ist auf einen Probenraum 4 mit einer darin aufgenommenen flüssigen oder gasförmigen Probe gerichtet, die einen Brechungsindex n_W aufweist. Nach Durchtritt durch den Probenraum 4 bzw. die Probe tritt das Licht streifend in einen Referenzkörper 6 aus Glas ein, der als Prisma ausgebildet ist und einen definierten Brechungsindex n_G besitzt. Eine im Strahlengang dem Referenzkörper 6 nachgeordnete Sammel- oder Frontlinse 8 erzeugt ein reelles Bild in der Nähe ihres Brennpunkts in einer Ebene 9 senkrecht zur Strahlrichtung. Im weiteren Strahlenverlauf ist ein Mikroskopobjektiv oder alternativ ein Achromat 10 und nachfolgend eine erste Zylinderlinse 12 angeordnet, die das Licht auf einen eindimensionalen positionsempfindlichen Detektor 14 fokussiert. Zusätzlich kann eine zweite Zylinderlinse im Strahlengang angeordnet sein (vgl. 6). 1 shows schematically the optical part of the refractometer. A current modulated laser 1 , for example a laser diode, generates amplitude-modulated light that is in an optical fiber 2 of the type of a single-mode, preferably polarization-maintaining fiber occurs. The free end of the optical fiber 3 is on a rehearsal room 4 directed with a liquid or gaseous sample received therein, which has a refractive index n _W. After passing through the rehearsal room 4 or the sample streaked into a reference body 6 made of glass, which is designed as a prism and has a defined refractive index n _G. One in the beam path the reference body 6 subordinate collective or front lens 8th creates a real image near its focal point in a plane 9 perpendicular to the beam direction. In the further beam path there is a microscope objective or alternatively an achromatic lens 10 and then a first cylindrical lens 12 arranged the light on a one-dimensional position sensitive detector 14 focused. In addition, a second cylindrical lens can be arranged in the beam path (cf. 6 ).

In Abhängigkeit vom Brechungsindex der Probe in dem Probenraum 4 wird das Licht mit unterschiedlichem Winkel in den Referenzkörper 6 gebrochen und trifft dementsprechend an unterschiedlichen Orten der aktiven Fläche des positionsempfindlichen Detektors 14 auf. Die Positionsauflösung des positionsempfindlichen Detektors liegt im Bereich von 0,1 μm. Die in dem Detektor 14 erzeugten Signale lassen dann – wie weiter unten ausgeführt – einen Rückschluß auf den Brechungsindex der Probe zu.Depending on the refractive index of the sample in the sample room 4 the light enters the reference body at different angles 6 broken and accordingly hits at different locations on the active surface of the position sensitive detector 14 on. The position resolution of the position sensitive detector is in the range of 0.1 μm. The one in the detector 14 generated signals then - as explained below - allow conclusions to be drawn about the refractive index of the sample.

In 2 ist der Faseraustritt 3 der Lichtleitfaser 2, der Probenraum 4 sowie der Referenzkörper 6 vergrößert dargestellt. Am Faseraustritt 3 tritt im Wesentlichen punktförmiges Licht aus, das sich beim anschließenden Durchqueren des Probenraums 4 unvermeidlich aufweitet. Aufgrund der kurzen Laufstrecke durch den relativ klein bemessenen Probenraum 4 ist das Licht jedoch nur in geringem Maße aufgeweitet, wenn es auf die plan geschliffene Eintrittsfläche 7 des Referenzkörpers 6 auftrifft. Da zudem die Eintrittsfläche 7 gegenüber den Lichtstrahlen geneigt ist, treten nicht alle Lichtstrahlen in den Referenzkörper 6 ein. Als Folge durchlaufen nur nahezu kollimierte Lichtstrahlen den Referenzkörper 6, wie in 2 anhand des nur leicht aufgeweiteten Lichts erkennbar ist.In 2 is the fiber exit 3 the optical fiber 2 , the rehearsal room 4 as well as the reference body 6 shown enlarged. At the fiber exit 3 Essentially, point-shaped light emerges, which is present when the sample space is subsequently crossed 4 inevitably widened. Due to the short running distance through the relatively small sample space 4 however, the light is only slightly expanded when it hits the flat ground entrance surface 7 of the reference body 6 incident. Since also the entrance area 7 is not inclined towards the light rays, not all light rays enter the reference body 6 on. As a result, only almost collimated light rays pass through the reference body 6 , as in 2 can be recognized by the only slightly expanded light.

Das von der Sammel- oder Frontlinse 8 in der Ebene 9 erzeugte reelle Bild besteht aus einem flächigen Lichtmuster, das aus einem zentralen Strich und seitlichen Interferenzstreifen besteht, wobei die Information über den Brechungsindex der Probe in dem zentralen Teil des Lichtmusters enthalten ist und die – unerwünschten – Interferenzstreifen aufgrund der Kohärenz des Laserlichts entstehen. Die exakte Form des Lichtmusters kann beispielsweise mit Hilfe des Kirchhoffschen Beugungsintegrals berechnet werden. Dieses Lichtmuster wird anschließend von der nachgeordneten Abbildungsoptik auf den positionsempfindlichen Detektor 14 abgebildet.That from the collecting or front lens 8th in the plane 9 generated real image consists of a flat light pattern, which consists of a central line and lateral interference fringes, the information about the refractive index of the sample is contained in the central part of the light pattern and the - unwanted - interference fringes arise due to the coherence of the laser light. The exact shape of the light pattern can be calculated, for example, using the Kirchhoff diffraction integral. This light pattern is then transferred from the downstream imaging optics to the position-sensitive detector 14 displayed.

Das Blockschaltbild der 3 bietet einen Überblick über den Funktionszusammenhang der optischen Elemente des Refraktometers sowie der Mess- und Auswerteelemente und veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren.The block diagram of the 3 offers an overview of the functional relationship of the optical elements of the refractometer and of the measuring and evaluation elements and illustrates the method according to the invention.

Ein zentraler Taktgeber 50 steuert einen Modulator 52 zur Wechselstrommodulation des Lasers 1. Nach Durchlaufen der Probe in dem Probenraum 4 und der anschließenden Abbildungsoptik (1, 2) entstehen am positionsempfindlichen Detektor 14 zwei amplitudenmodulierte Stromsignale, deren Amplituden vom Ort des Auftreffens des Lichtstrahls auf die Detektorfläche und damit vom Brechungsindex der Probe abhängen. Die beiden, über getrennte Signalwege bzw. Kanäle abgeleiteten Stromsignale werden jeweils in einem Strom-Spannungswandler 54 in amplitudenmodulierte, analoge Spannungssignale umgewandelt, die dieselbe Frequenz wie die Trägerfrequenz des Laserlichts aufweisen. In nachfolgenden Bandpassfiltern 56 werden Offsetdrifts sowie niederfrequente Rauschanteile aus den Signalen herausgefiltert. An die Bandpaßfilter 56 schließt sich je ein Nulldurchgangsdetektor 58 an, der mit Hilfe eines Schmitt-Triggers möglichst genau den Nulldurchgang des amplitudenmodulierten Wechselspannungssignals detektiert. Ein vom zentralen Taktgeber 50 über eine Digitalsteuerung 62 gesteuertes Verzögerungsglied (nicht dargestellt) legt den Zeitpunkt der Messwertabtastung in Bezug auf den Nulldurchgang des Spannungssignals fest.A central clock 50 controls a modulator 52 for AC modulation of the laser 1 , After passing through the sample in the sample room 4 and the subsequent imaging optics ( 1 . 2 ) arise on the position sensitive detector 14 two amplitude-modulated current signals, the amplitudes of which depend on the location of the impingement of the light beam on the detector surface and thus on the refractive index of the sample. The two current signals derived via separate signal paths or channels are each in a current-voltage converter 54 converted into amplitude-modulated, analog voltage signals that have the same frequency as the carrier frequency of the laser light. In subsequent bandpass filters 56 offset drifts and low-frequency noise components are filtered out of the signals. To the bandpass filters 56 a zero crossing detector closes 58 which uses a Schmitt trigger to detect the zero crossing of the amplitude-modulated AC voltage signal as precisely as possible. One from the central clock 50 via a digital control 62 Controlled delay element (not shown) determines the time of the measurement value sampling in relation to the zero crossing of the voltage signal.

Zur Abtastung dienen Abtast-Halteglieder 60 (Sample-and-Hold-Verstärker), welche die Spannungsabtastwerte solange gespeichert halten, bis die vom zentralen Taktgeber 50 gesteuerte Digitalsteuerung 62 einen Multiplexer 64 ansteuert, der die Spannungsabtastwerte sequentiell an einen Analog-Digital-Wandler 66 zur Digitalisierung weiterleitet. Die Synchronisation des Auslesens der Abtast-Halteglieder 60 in Abhängigkeit vom Nulldurchgang des Spannungssignals, des Ansteuerns des Multiplexers 64, sowie der Digitalisierung der Spannungsmesswerte im Analog-Digital-Wandler 66 wird von der Digitalsteuerung 62 übernommen, die ihrerseits wieder vom zentralen Taktgeber 50 gesteuert wird. Bei dieser Vorgehensweise werden also die beiden Signale vom positionsempfindlichen Photodetektor 14 unabhängig voneinander digitalisiert, nachdem sie auf die zuvor beschriebene Weise abgetastet wurden. Verzögerungen und Ungenauigkeiten durch analoge, beide Signale miteinander in Beziehung bringende Rechenoperationen – wie im Stande der Technik durchgeführt – werden hierdurch vermieden.Sample and hold elements are used for sampling 60 (Sample-and-hold amplifier), which keep the voltage samples stored until those of the central clock 50 controlled digital control 62 a multiplexer 64 drives the sequential voltage samples to an analog-to-digital converter 66 for digitization. The synchronization of the reading of the sample and hold elements 60 depending on the zero crossing of the voltage signal, the control of the multiplexer 64 , as well as the digitization of the voltage measured values in the analog-digital converter 66 is controlled by the digital control 62 taken over, which in turn from the central clock 50 is controlled. With this procedure, the two signals from the position-sensitive photodetector 14 digitized independently of each other after being scanned in the manner previously described. Delays and inaccuracies due to analog arithmetic operations which relate the two signals to one another - as carried out in the prior art - are thereby avoided.

Nach Digitalisierung der einzelnen analogen Spannungsabtastwerte werden die digitalen Spannungswerte über eine Lichtleitfaser mit hoher Bandbreite zu einer Auswerteeinheit geleitet, in der – nach Rückrechnung der Spannungswerte auf die am positionsempfindlichen Detektor 14 erzeugten Ströme – die Auftreffposition des gebrochenen Lichtstrahls auf dem Detektor 14 und daraus der Brechungsindex der Probe n_W unter Einbeziehung des Brechungsindexes des Referenzkörpers 6 n_G berechnet wird.After digitization of the individual analog voltage samples, the digital voltage values are sent via an optical fiber with a high bandwidth to an evaluation unit, in which - after the voltage values have been recalculated, those on the position-sensitive detector 14 generated currents - the impact position of the refracted light beam on the detector 14 and from this the refractive index of the sample n _W , including the refractive index of the reference body 6 n _{G is} calculated.

Die erfindungsgemäßen Mittel zur Abtastung der elektrischen Signale zu vorgebbaren Zeiten sowie zur Digitalisierung der elektrischen Signale unabhängig voneinander umfassen im wesentlichen den Taktgeber 50, den Modulator 52, den oder die Nulldurchgangsdetektoren 58, die Abtast-Haltglieder 60 sowie den Analog- Digital-Wandler 66.The means according to the invention for sampling the electrical signals at predefinable times and for digitizing the electrical signals independently of one another essentially comprise the clock generator 50 , the modulator 52 , the zero crossing detector (s) 58 , the sample and hold links 60 as well as the analog-digital converter 66 ,

Statt der Verwendung eines Nulldurchgangsdetektors 58 für jeden Kanal ist alternativ lediglich nur ein Nulldurchgangsdetektor 58 einsetzbar, auf den die Spannungssignale der beiden Kanäle wechselweise mit Hilfe eines Kanalumschalters aufgeschaltet werden.Instead of using a zero crossing detector 58 alternatively there is only one zero crossing detector for each channel 58 can be used, to which the voltage signals of the two channels are alternately applied with the help of a channel switch.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den positionsempfindlichen Detektor 14. Dieser wird von einem Halbleiterkristal mit einer oberen n-Schicht und einer unteren p-Schicht gebildet, die durch eine ladungsverarmte Mittelschicht getrennt sind. Auf die n-Schicht trifft – angedeutet durch den senkrechten, nach unten weisenden Pfeil – Licht von der Zylinderlinse 12 (siehe 1) in einem lateralen Abstand s von der linken Seitenkante des positionsempfindlichen Detektors auf und erzeugt zwei Photoströme I₁ und I₂, die an gegenüberliegenden Seiten des Detektors 14 abgegriffen und zu den Strom-Spannungs-Wandlern 54 weitergeleitet werden (s. 3). Mit Hilfe der von der Auswerteeinheit berechneten Ströme I₁, I₂ sowie der bekannten Länge L des positionsempfindlichen Detektors kann die Position s berechnet werden, bei der das gebrochene Licht auf den Detektor auffällt. Wie aus 4 ersichtlich ist, gilt näherungsweise:

4 shows a schematic cross section through the position sensitive detector 14 , This is formed by a semiconductor crystal with an upper n-layer and a lower p-layer, which are separated by a charge-depleted middle layer. Light from the cylindrical lens strikes the n-layer - indicated by the vertical, downward-pointing arrow 12 (please refer 1 ) at a lateral distance s from the left side edge of the position-sensitive detector and generates two photocurrents I ₁ and I ₂ on opposite sides of the detector 14 tapped and to the current-voltage converters 54 be forwarded (see 3 ). With the aid of the currents I ₁ , I ₂ calculated by the evaluation unit and the known length L of the position-sensitive detector, the position s at which the refracted light strikes the detector can be calculated. How out 4 approximately, the following applies:

Daraus folgt:

It follows:

Durch entsprechende Umformung erhält man die Position s und aus dieser – wie oben ausgeführt – den Brechungsindex der Probe unter Einbeziehung der Abbildungsoptik.By appropriate shaping you get the Position s and from this - how explained above - the refractive index the sample including the imaging optics.

Alternativ lassen sich auch die digitalisierten Spannungssignale U₁, U₂ zur Berechnung des Brechungsindexes auswerten. Die entsprechende Arbeitsformel hierzu lautet in linearer Form:

wobei n_W den Brechungsindex der Flüssigkeit, K einen empirisch bestimmten Kalibrierfaktor und U₁, U₂ die verstärkungskorrigierten Spannungswerte bezeichnen. Eine Verstärkungskorrektur ist notwendig, da beide Spannungen in unterschiedlichen Verstärkerstufen verstärkt werden und deshalb mit einem numerischen Faktor korrigiert werden müssen. In dieser Vorgehensweise liegt ein weiterer Vorteil der erfindugsgemäßen Vorrichtung bzw. des Verfahrens, da kein Eingriff in die Schaltung erfolgen muss, wenn bei einer Nachkalibrierung eine Veränderung der Verstärkungsfaktoren festgestellt wird. Ebenfalls kann auf einfache Weise eine Temperaturkompensation durch einen veränderlichen Verstärkungsfaktor durchgeführt werden.Alternatively, the digitized voltage signals U ₁ , U ₂ can also be evaluated to calculate the refractive index. The corresponding working formula for this is in linear form:

where n _{W is} the refractive index of the liquid, K is an empirically determined calibration factor and U ₁ , U _{2 are} the gain-corrected voltage values. A gain correction is necessary because both voltages are amplified in different amplifier stages and therefore have to be corrected with a numerical factor. This procedure provides a further advantage of the device and method according to the invention, since there is no need to intervene in the circuit if a change in the gain factors is found during a recalibration. Temperature compensation can also be carried out in a simple manner by means of a variable gain factor.

Eine erweiterte Formel, die auch die Nichtlinearitäten des Positionssensors beinhaltet, lautet wie folgt:

wobei K₁, K₂,..., K_i empirisch bestimmte Kalibrierfaktoren sind.An extended formula, which also includes the non-linearities of the position sensor, is as follows:

where K ₁ , K ₂ , ..., K _{i are} empirically determined calibration factors.

Anhand eines in 5 dargestellten Spannungs-Zeit-Diagramms wird nachfolgend die Abtastung der Spannungssignale näher erläutert. Der vom Nulldurchgangsdetektor 58 festgestellte Spannungsnulldurchgang des betrachteten Signals ist hier auf den Zeitpunkt t = 0 festgelegt. Der zentrale Taktgeber 50 bestimmt dann über die Digitalsteuerung 62, daß das Spannungssignal nach einer festgesetzten Verzögerungszeit abgetastet wird. In diesem Fall entspricht dieser Zeitpunkt ungefähr 1/4 der Signalperiode, so daß im oder um das Maximum ein oder mehrere Spannungsabtastwerte aufgenommen werden. Wenn konkret die Laserdiode mit 10 KHz moduliert wird und das Spannungssignal demnach ebenfalls eine Frequenz von 10 KHz aufweist, muß – um im Maximum des Spannungssignals abzutasten – demnach mit einer Verzögerungszeit von 25 μs nach Nulldurchgang des Spannungssignals abgetastet werden.Using an in 5 illustrated voltage-time diagram, the sampling of the voltage signals is explained in more detail below. The one from the zero crossing detector 58 The voltage zero crossing of the signal under consideration is determined here at the time t = 0. The central clock 50 then determines via the digital control 62 that the voltage signal is sampled after a set delay time. In this case, this point in time corresponds to approximately 1/4 of the signal period, so that one or more voltage samples are recorded in or around the maximum. If the laser diode is specifically modulated at 10 KHz and the voltage signal accordingly also has a frequency of 10 KHz, then - in order to sample at the maximum of the voltage signal - it must be sampled with a delay time of 25 μs after the voltage signal has passed zero.

In 6 ist ein Längsschnitt durch ein für den Unterwassereinsatz konzipiertes und deshalb wasserdichtes Refraktometer dargestellt. Das Refraktometer weist ein längliches Gehäuse 40 aus Metall auf, das im wesentlichen aus einem im Querschnitt zylinderförmigen Oberteil 41 und einem auf diesen axial aufgesetzten, ebenfalls zylinderförmigen Unterteil 42 mit kleinerem Durchmesser besteht, dessen freies Ende in einer abgeschrägten Spitze ausläuft. Im Inneren des Gehäuses 40 sind sowohl die optischen Elemente des Refraktometers als auch die Messelektronik angeordnet, wobei diese Elemente zu einer besseren Gewichtsaustarierung vornehmlich entlang der Längsachse des Refraktometers liegen. Die gemessenen Signale werden über wasserdichte, am freien Ende des Oberteils 41 angeordnete Steckverbinder 44 sowie Lichtleitfasern zur Datenkommunikation aus dem Gehäuse 40 zu einer Auswerteeinheit geleitet.In 6 is a longitudinal section through a refractometer designed for underwater use and therefore waterproof. The refractometer has an elongated housing 40 made of metal, which essentially consists of an upper part which is cylindrical in cross section 41 and an axially placed, also cylindrical lower part 42 with a smaller diameter, the free end of which ends in a beveled tip. Inside the case 40 Both the optical elements of the refractometer and the measuring electronics are arranged, these elements lying primarily along the longitudinal axis of the refractometer for better weight balancing. The measured signals are waterproof, at the free end of the top 41 arranged connectors 44 and optical fibers for data communication from the housing 40 routed to an evaluation unit.

An der abgeschrägten Spitze des Unterteils 42 ist der offene Probenraum 4 in einer Ausnehmung angeordnet, die von einer flüssigen oder auch gasförmigen Probe durchströmt werden kann. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Messbetrieb entlang einer vorgegebenen Messstrecke möglich. Hierzu wird das Refraktometer beispielsweise mit Hilfe eines Antriebmittels durch eine Flüssigkeit bewegt, deren Brechungsindex- und somit Dichteschwankungen ermittelt werden sollen. Alternativ kann das Refraktometer ortsfest aufgestellt werden, und es wird Flüssigkeit oder Gas durch den Probenraum 4 geleitet.At the bevelled tip of the lower part 42 is the open rehearsal room 4 arranged in a recess through which a liquid or gaseous sample can flow. In this way, continuous measurement operation is possible along a given measurement path. For this purpose, the refractometer is moved, for example with the aid of a drive means, through a liquid whose refractive index and thus density fluctuations are to be determined. Alternatively, the refractometer can be set up in a fixed position and liquid or gas will flow through the sample chamber 4 directed.

Der Probenraum 4 wird mit nahezu kollimiertem Licht durchstrahlt, das in einem Laser 1 im Mittelteil des Gehäuseinneren erzeugt wird und über eine Lichtleitfaser 2 zum Probenraum 4 geleitet wird. Die Lichtleitfaser 2 wird hierzu vom Laser 1 durch einen Durchbruch 38 im Gehäuse 40 nach außen und entlang der Gehäuseaußenwand zum freien Ende des Unterteils 42 geführt, um dort in einem spitzen Winkel gebogen und auf den Probenraum 4 gerichtet zu sein. Dem Faseraustritt 3 der Lichtleitfaser 2 gegenüber ist der Referenzkörper 6 angeordnet, der gleichzeitig das Gehäuseinnere nach außen hin abdichtet. Im weiteren Strahlengang ist die Abbildungsoptik angeordnet, die im wesentlichen aus der Sammel- oder Frontlinse 8, dem Mikroskopobjektiv 10 oder einem Achromaten, einer zweiten Zylinderlinse 11 sowie der ersten Zylinderlinse 12 besteht (s. 1). Die optische Achse 5 der Abbildungsanordnung fällt bei dieser Ausführungsform mit der Längsachse des Refraktometers zusammen.The rehearsal room 4 is irradiated with almost collimated light that is in a laser 1 is generated in the middle part of the interior of the housing and via an optical fiber 2 to the rehearsal room 4 is directed. The optical fiber 2 this is done by the laser 1 through a breakthrough 38 in the housing 40 outwards and along the outer wall of the housing to the free end of the lower part 42 led to being bent there at an acute angle and onto the sample space 4 to be directed. The fiber exit 3 the optical fiber 2 opposite is the reference body 6 arranged, which simultaneously seals the inside of the housing from the outside. The imaging optics, which essentially consist of the converging lens or front lens, are arranged in the further beam path 8th , the microscope lens 10 or an achromatic lens, a second cylindrical lens 11 and the first cylindrical lens 12 consists (S. 1 ). The optical axis 5 the imaging arrangement coincides with the longitudinal axis of the refractometer in this embodiment.

Zwischen der Zylinderlinse 12 und dem Laser 2 ist der positionsempfindliche Detektor 14 angeordnet, der zwei Photostromsignale in Abhängigkeit vom momentanen Brechungsindex der den Probenraum 4 durchströmenden Probe erzeugt. Der positionsempfindliche Detektor 14 ist an ein Elektronikmodul 16 angeschlossen, welche eine Vorverstärkerschaltung und eine Signalaufbereitungsschaltung umfasst. Die Signalaufbereitungsschaltung enthält die Strom-Spannungswandler 54, die Bandpassfilter 56, die Nulldurchgangsdetektoren 58, die Abtast-Halteglieder 60, den Multiplexer 64, sowie den Analog-Digital-Wandler 66 (s. 3). Das Elektronikmodul 16 umfasst ebenfalls Platinen für die Strom- bzw. Spannungsversorgung der einzelnen Elemente.Between the cylindrical lens 12 and the laser 2 is the position sensitive detector 14 arranged, the two photocurrent signals depending on the current refractive index of the sample space 4 flowing sample generated. The position sensitive detector 14 is connected to an electronic module 16 connected, which comprises a preamplifier circuit and a signal conditioning circuit. The signal conditioning circuit contains the current-voltage converters 54 who have favourited Bandpass Filters 56 , the zero crossing detectors 58 , the sample and hold links 60 , the multiplexer 64 , as well as the analog-digital converter 66 (S. 3 ). The electronics module 16 also includes circuit boards for the current and voltage supply of the individual elements.

Claims

Refractometer for measuring the refractive index of a translucent sample, in particular for determining the density or salinity of sea water at different depths, with a laser for generating amplitude-modulated light, a sample space arranged in the beam path of the light ( 4 ) for receiving the sample, a translucent reference body arranged in the beam path of the light ( 6 ), a position sensitive detector ( 14 ), on which the light strikes and which, as a measure of the refraction of the light, generates two light position-dependent, analog electrical signals, with means of the analog electronics for sampling the two electrical signals at independently determined times, characterized by means for digitizing the two electrical signals and Calculation of the refractive index from the two digitized signals using an evaluation device.

Refractometer according to claim 1, characterized in that the Laser for generating amplitude-modulated light with sinusoidal alternating current is current modulatable.

Electronic circuit for determining the impact position an amplitude-modulated optical signal to a position-sensitive Detector that is dependent from the point of impact two light position-dependent, analog electrical Signals generated with means for sampling the electrical signals at definable times, characterized by means of digitization of the electrical signals independently from each other so that from the digitized signals by means of an evaluation device Impact position of the optical signal can be calculated.

Refractometer or electronic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the detector (sensitive to the light position) ( 14 ) generated two electrical signals are photocurrent signals, and that at least one current-voltage converter ( 54 ) is provided, which converts the photocurrent signals into voltage signals.

Refractometer or electronic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at least one zero crossing detector ( 58 ) is provided to detect the zero crossing of the two voltage signals.

Refractometer or electronic circuit according to claim 5, characterized in that the zero crossing detector ( 58 ) includes a Schmitt trigger.

Refractometer or electronic circuit according to claim 5 or 6, characterized in that a common zero crossing detector ( 58 ) is provided for both voltage signals, and that a channel switch for alternately connecting the two voltage signals to the zero crossing detector ( 58 ) is provided.

Refractometer or electronic circuit after a of claims 5 to 7, characterized in that a delay element for fixing the time of sampling the voltage signals after a zero crossing is provided.

Refractometer or electronic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at least one sample and hold element ( 60 ) is provided for sampling the voltage signals and temporarily storing the sampled voltage samples.

Refractometer or electronic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that for each of the two voltage signals a zero crossing detector ( 58 ) and one sample and hold element ( 60 ) is provided.

Refractometer or electronic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of two sample and hold elements a multiplexer ( 64 ) the sample and hold elements ( 60 ) is connected downstream, which the voltage samples from the sample and hold elements ( 60 ) sequentially to an analog-digital converter ( 66 ) forwards.

Refractometer or electronic circuit according to one of the preceding claims, characterized in that a central clock ( 50 ) is provided which has a modulator ( 52 ) for current modulation of the laser ( 1 ) and / or a digital control ( 62 ) clocks to control the recording of measured values.

Refractometer or electronic circuit according to claim 12, characterized in that the central clock ( 50 ) or the digital control ( 62 ) the delay elements, the sample and hold elements ( 60 ), the multiplexer ( 64 ) and / or the analog-digital converter ( 66 ) Taxes.

Method for measuring the refractive index of a translucent sample, in particular for determining the density or salinity of seawater and in particular with a refractometer or an electronic circuit according to one of Claims 1 to 13, in which with the aid of a laser ( 1 ) a modulated light signal is generated, the light signal penetrates the translucent sample through a translucent reference body ( 6 ) penetrates and onto a position sensitive detector ( 14 ), with the help of which two position-dependent, analog electrical signals are generated as a measure of the refraction of the light signal, and the generated electrical signals are sampled at predefinable times, characterized in that the generated electrical signals are digitized independently of one another, so that from the digitized signals with the help of an evaluation device the refractive index of the sample can be calculated.

A method according to claim 14, characterized in that the laser ( 1 ) is current modulated with sinusoidal alternating current and generates amplitude-modulated periodic light.

Method according to Claim 14 or 15, characterized in that current signals from the position-sensitive detector ( 14 ) are converted into voltage signals, that the voltage zero crossing of the voltage signals is determined, and that the voltage signals are sampled after a predetermined delay with respect to the voltage zero crossing.

A method according to claim 16, characterized in that the Voltage signals are sampled at their maximum.

Method according to claim 16 or 17, characterized in that the voltage samples under the control of a central clock ( 50 ) are digitized one after the other.

Method according to one of claims 14 to 18, characterized in that the refractive index of a sample space ( 4 ) flowing sample is continuously determined.

Imaging arrangement for a refractometer according to one of the preceding Claims 1, 2 and 4 to 13 for imaging light onto a position-sensitive detector, with a plurality of lenses arranged one behind the other in the beam path of the light, characterized in that in the order collecting lens ( 8th ) and microscope objective or achromatic lens ( 10 ) a converging lens ( 8th ) to create a real image and a microscope objective or an achromatic lens ( 10 ) for focusing the light are arranged one behind the other that a first cylindrical lens ( 12 ) to focus the light in the beam path after the microscope objective or the achromatic lens ( 10 ) is arranged, and that a second cylindrical lens ( 11 ) between the microscope objective or the achromatic lens ( 10 ) and the first cylindrical lens ( 12 ) is arranged.