DE19831303A1 - Refraktometer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Refraktometer zur Messung des Brechungsindexes fluider Proben, insbesondere von relativ zum strömenden Meerwasser, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von moduliertem Licht, DOLLAR A einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten Probenraum (4) zur Aufnahme einer Probe, DOLLAR A einem im Strahlengang des Lichtes dem Probenraum (4) nachgeordneten Referenzkörper (6) mit einer ebenen, geneigt zur Lichtausbreitungsrichtung angeordneten Eintrittsfläche (14) und einer Austrittsfläche (16), und DOLLAR A einem dem Referenzkörper (6) im Strahlengang nachgeordneten positions-empfindlichen Detektor (15) zum Detektieren des Lichtes. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Referenzkörper (6) eine erste Spiegelfläche aufweist, welche Licht nach Durchlaufen der Probe und Eintritt durch die Eintrittsfläche (14) des Referenzkörpers zu dessen Austrittsfläche (16) reflektiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Refraktometer zur Messung des Brechungsindexes fluider Proben, insbesondere von relativ zum Refraktometer strömendem Meerwasser, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von moduliertem Licht, einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten Probenraum zur Aufnahme einer Probe, einem im Strahlen­ gang des Lichtes dem Probenraum nachgeordneten Referenzkörper mit einer ebenen, geneigt zur Lichtausbreitungsrichtung angeordneten Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche, und einem dem Referenzkörper im Strahlengang nachgeord­ neten positionsempfindlichen Detektor zum Detektieren des Lichtes.

Es ist bekannt, den Brechungsindex einer lichtdurchlässigen Probe durch Messung des Winkels der Totalreflexion bei streifendem Lichteinfall auf die Probe und Anwendung des Snelliusschen Brechungsgesetzes zu bestimmen. Zur Messung des Brechungsindexes einer Flüssigkeit kann bekanntermaßen ein als Abbe-Pulfrich- Refraktometer bekanntes Eintauchrefraktometer verwendet werden. Hierbei dringt Licht, beispielsweise in Form von monochromatischem Licht von einer Natrium­ dampflampe, einer Quecksilberlampe oder Laserlichtquelle, nach Durchlaufen der Flüssigkeit in ein Prisma mit bekanntem Brechungsindex ein. Gemäß dem Snelliuss­ chen Brechungsgesetz erhält man auf der Rückseite des Prismas einen Hell/Dunkel- Übergang, der charakteristisch für den Winkel der Totalreflexion ist. Das bekannte Abbe-Pulfrich-Refraktometer ist jedoch nur für den stationären Laboreinsatz ausge­ legt. Die Bestimmung einer schnellen und genauen Brechungsindexvariation im kon­ tinuierlichen Meßbetrieb entlang einer Meßstrecke ist nicht möglich.

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 gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Erfindung bekannt, das zur kontinuierlichen Meßwertaufnahme für den Unterwassereinsatz entwickelt wurde. Hierzu wird das Refraktometer über längere Meßstrecken, beispielsweise durch Meerwasser, bewegt und aus den ermittelten Brechungs­ indexvariationen auf Dichte- und Salzgehaltschwankungen rückgeschlossen.

Bei diesem bekannten Refraktometer, das prinzipiell ähnlich wie das Abbe-Pulfrich- Refraktometer arbeitet, wird Licht von einem einmodischen Laser (Lichtquelle) in eine Einmodenlichtleitfaser geleitet und tritt an dessen Ausgang punktförmig aus. Anschließend durchläuft das Licht eine in einem Probenraum befindliche bzw. diesen durchfließende Probe, welche das Licht in Abhängigkeit vom Probenbre­ chungsindex ablenkt. Danach fällt das Licht streifend auf einen als Prisma ausgebil­ deten Referenzkörper, tritt durch diesen hindurch und wird von einer Abbildungs­ anordnung auf einen positionsempfindlichen ein- oder zweidimensionalen Photo­ detektor abgebildet, welcher als Maß für die Brechung des Lichtes durch die Probe zwei positionsabhängige, analoge elektrische Stromsignale erzeugt. Aus diesen analogen Signale kann - nach Vorverstärkung, Filterung und Strom/Spannungs­ wandlung - die Auftreffposition des von der Probe charakteristisch gebrochenen Lichts auf den positionsempfindlichen Detektor erhalten werden, aus der dann auf den Brechungsindex rückgeschlossen werden kann.

Um ein gutes Strömungsverhalten des Refraktometers bei der mobilen Messung zu realisieren, ist dieses in Bewegungsrichtung länglich ausgebildet, wobei die An­ strömrichtung der fluiden Probe mit der Längsachse des Refraktometers sowie der optischen Achse der Abbildungsanordnung zusammenfällt. Dies bedingt bei dem bekannten Refraktometer, daß die Eintrittsfläche des Referenzkörpers einen spitzen Winkel mit der Anströmrichtung der fluiden Probe bildet, damit das schräg auf die Eintrittsfläche projizierte Licht von der Lichtleitfaser zur Abbildungsanordnung gebrochen wird. Hierdurch wird aufgrund von Strömungseffekten in (sog. Nachlau­ fen von nur langsam von der Eintrittsfläche ablaufenden Probenmengen) nacht­ eilhafterweise das zeitliche Antwortverhalten und die räumliche Auflösung der Auswerteschaltung beeinträchtigt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Refraktometer der eingangs genann­ ten Art derart weiterzubilden, daß die genannten nachteilhaften Effekte, insbeson­ dere Strömungseffekte in einfacher Weise vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei dem Refraktometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Referenzkörper eine erste Spiegelfläche aufweist, welche Licht nach Durchlaufen der Probe und Eintritt durch die Eintrittsfläche in den Referenzkö­ per zu dessen Austrittsfläche reflektiert.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß eine erste licht­ reflektierende Oberfläche - die erste Spiegelfläche - am Referenzkörper vorgesehen ist, welche Licht innerhalb des Referenzkörpers von der Eintrittsfläche zur Austritts­ fläche leitet. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die Ausrichtung der Eintrittsfläche bezüglich der Anströmrichtung in weiten Grenzen gewählt werden, da die Licht­ umlenkung mittels der lichtreflektierenden Oberfläche den Lichtstrahl zur Abbil­ dungsanordnung weiterleitet. Insbesondere läßt sich die Eintrittsfläche derart ausrichten, daß die relativ zum Refraktometer bewegte Probe nicht nur ungehindert den Referenzkörper anströmen kann, sondern daß diese auch frei abfließen kann. Nachlauf-Effekte durch nicht sofort ablaufendes fluides Medium werden wirksam vermieden, so daß das zeitliche Antwortverhalten und die räumliche Auflösung verbessert werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Eintrittsfläche im wesentli­ chen senkrecht zur Anströmrichtung der ersten und/oder der zweiten Probe an­ geordnet ist. Hierdurch werden die nachteiligen Strömungseffekte wie der oben angesprochene Nachlauf-Effekt gering gehalten.

Besonders bevorzugt weist der Referenzkörper eine zweite Spiegelfläche auf, welche bezüglich der ersten Spiegelfläche geneigt ist. Diese zweite Spiegelfläche kann vorteilhafterweise zu Kalibrierzwecken wie folgt verwendet werden: Soll beispielsweise der Brechungsindex einer flüssigen Probe wie Meerwasser kon­ tinuierlich bis zu einer vorgegebenen Wassertiefe gemessen werden, ist eine genaue Kenntnis der Druckabhängigkeit des Refraktometers wünschenswert. Für Flüssigkeiten und insbesondere auch für Wasser liegen keine zuverlässigen für die vorliegende Meßaufgabe ausreichend genauen Referenzwerte, etwa in Form von Tabellen vor, so daß der Einfluß der Druckveränderung auf die Messung bei ver­ schiedenen Tiefen nicht eindeutig bestimmbar ist. Hingegen ist die Druckabhängig­ keit des Brechungsindexes von Luft sehr genau bekannt. Man mißt somit mittels des erfindungsgemäßen Refraktometers den Brechungsindex von Luft in Abhängig­ keit vom Druck und kalibriert das Refraktometer anhand der genannten bekannten Meßreihen von Luft. Diese Kalibrierung erfolgt zweckmäßigerweise vor der eigentli­ chen Messung; eine Kalibrierung im Anschluß an die Messungen in der Flüssigkeit ist jedoch auch möglich. Aufgrund des Brechungsindexunterschiedes von Luft und beispielsweise Meerwasser werden die Lichtstrahlen vor Eintritt in den Referenzkör­ per in beiden Fällen unterschiedlich stark gebrochen und würden demnach - wenn nur eine Spiegelfläche vorhanden wäre - an unterschiedlichen Stellen auf diese erste Spiegelfläche auftreffen. Die Umleitung der Lichtstrahlen in die Abbildungs­ anordnung würde somit erschwert werden. Hier schafft die gegenüber der ersten Spiegelfläche geneigte zweite Spiegelfläche Abhilfe, an welcher der beispielsweise durch Luft hindurchlaufende Lichtstrahl reflektiert wird, während der durch die Flüssigkeit hindurchtretende Lichtstrahl an der ersten Spiegelfläche gespiegelt wird. Da der Referenzkörper üblicherweise aus Glas hergestellt wird, wird im Falle von Luft der Lichtstrahl stärker an der Eintrittsfläche gebrochen wird als im Falle von Wasser. Dies erfordert, daß die zweite Spiegelfläche gegenüber der Eintrittsfläche stärker geneigt ist als die erste Spiegelfläche.

Da die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes von Luft gleichfalls wesent­ lich genauer vermessen ist als diejenige von Wasser, kann mittels der zuvor be­ schriebenen Vorgehensweise das Refraktometer vor oder nach dem Einsatz bei ozeanischen Messungen auch bezüglich der Temperatur kalibriert werden.

Damit sowohl das an der ersten (nach Durchlaufen der einen Probe) als auch an der zweiten Spiegelfläche (nach Durchlaufen der anderen Probe) reflektierte Licht auf den Detektor fokussiert wird, sind vorteilhafterweise die beiden optischen Wege des an der ersten und an der zweiten Spiegelfläche reflektierten Lichtes von der Lichtquelle durch das Prisma als Referenzkörper annähernd gleich lang und die optischen Abbildungsverhältnisse für die beiden an der ersten und zweiten Spiegel­ fläche reflektierten Lichtstrahlen gleich sind. Dies erfordert eine Abstimmung der relativen Neigung der beiden Spiegelflächen zueinander in Abhängigkeit von der zu vermessenden Probe und der zu Kalibrierzwecken herangezogenen Probe. Es versteht sich zudem, daß - ebenfalls zu Fokussierzwecken auf den Detektor - die erste und die zweite Spiegelfläche vorteilhafterweise jeweils senkrecht zu der vom Strahlengang des Lichts ausgespannten Ebene angeordnet sind.

Die erste und/oder die zweite Spiegelfläche sind bevorzugt eben ausgebildet, da die einerseits die optischen Verhältnisse hierbei klar definiert sind und andererseits die hierzu notwendigen, bekannten Schleiftechniken zur Bearbeitung der entsprechen­ den Oberfläche/n des Referenzkörpers unproblematisch sind. Allerdings ist es auch möglich, daß die erste und/oder die zweite Spiegelfläche gekrümmt ausgebildet sind und beispielsweise ineinander übergehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzen die erste und die zweite Spiegelfläche aneinander an und schließen einen Winkel innerhalb des Referenzkörpers zwischen 165° und 177° ein. Für den Fall, daß der druckabhängi­ ge Brechungsindex von Wasser - insbesondere Meerwasser in Ozeanen - vermes­ sen und das Refraktometer mit Brechungsindex-Messungen in Luft kalibriert wer­ den soll, beträgt der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Spiegelfläche vorzugsweise 171°.

Einem kompakten Aufbau der Referenzkörpers kommt es zugute, wenn die Ein­ trittsfläche an die erste Spiegelfläche und die Austrittsfläche an die zweite Spiegel­ fläche angrenzt. Hierbei bilden beispielsweise die erste und die zweite Spiegelfläche einen seitlichen Abschnitt des Referenzkörpers und sind als Mindestwinkel unge­ fähr 28° (erste Spiegelfläche) bzw. 19° (zweite Spiegelfläche) gegenüber der Anströmrichtung der fluiden Probe/n geneigt, während die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche bevorzugt parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht zur Anströmrichtung und zur optischen Achse der Abbildungsanordnung angeordnet ist.

Bevorzugt ist die erste und/oder die zweite Spiegelfläche mit einem Metall aus beispielsweise Titan, Gold, Silber, Aluminium oder Platin beschichtet. Prinzipiell ist jedes Material zur Verspiegelung geeignet, welches das Licht in möglichst großem Maße reflektiert.

Die mit einem Metall beschichtete Spiegelfläche ist bevorzugt zusätzlich mit einer Schutz-Schicht aus Silizimdioxyd überzogen, um die Metallschicht vor Korrosion zu schützen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter­ ansprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Refrak­ tormeters;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Referenzkörpers für ein Refraktormeter gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den in Fig. 2 dargestellten Referenzkörper;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines positionsempfindlichen De­ tektors;

Fig. 5 ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines amplitudenmodulierten Span­ nungssignals zur Ermittlung von dessen Nulldurchgang; und

Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein Refraktometer.

Das in Fig. 1 mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellte erfindungsgemäße Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindexes von Proben und insbesonde­ re zur Bestimmung der Dichte oder des Salzgehaltes von Seewasser umfaßt eine mit einem - nicht dargestellten - Laser gekoppelte Lichtleitfaser 2, bei der es sich um eine einmodische polarisationserhaltende Faser handelt, einen Probenraum 4, in dem eine flüssige oder gasförmige Probe, insbesondere Meerwasser einbringbar ist, einen Referenzkörper 6 in Form eines Prismas sowie einem im dargestellten Strahlengang des Lichtes dem Referenzkörper 6 nachgeordneten, positionsempfind­ lichen Detektor 15 (in Fig. 5 dargestellt) zum Detektieren des Lichtes. In nicht dargestellter Weise können im Strahlengang im Bereich des sogenannten Tubus 12 zwischen dem Referenzkörper 6 und dem Detektor Linsen und/oder Filter angeord­ net sein, um das Licht zu fokussieren, um es mit Hilfe des Detektors 15 besonders gut detektieren zu können. Die Komponenten des Refraktometers sind in nicht dargestellter Weise an einem Gehäuse befestigt.

In den Probenraum 4 strömt, wie Fig. 1 veranschaulicht, die zu untersuchende Probe. Das aus der Lichtleitfaser 2 austretende Licht wird in dem Probenraum 4 in Abhängigkeit von dem Brechungsindex der in dem Probenraum 4 befindlichen Probe unterschiedlich stark gebrochen und tritt in den Referenzkörper 6 ein. Das Licht wird an einer ersten Spiegelfläche 8 oder einer zweiten Spiegelfläche 10, welche an dem Referenzkörper 6 ausgebildet sind, reflektiert und tritt in den sogenannten Tubus 12 ein, bevor es im weiteren Durchlauf auf den Detektor 15 auftrifft. Dort trifft das Licht in Abhängigkeit von dem jeweiligen Brechungsindex der in dem Probenraum 4 befindlichen Probe an unterschiedlichen Orten auf einer aktiven Detektions-Fläche auf und erzeugt dort elektrische abtastbare Signale, die ein Maß für den jeweiligen Ort des Auftreffens des Lichtes und letztlich ein Maß für den Brechungsindex der Probe sind. Mit Hilfe einer elektronischen Auswertungsein­ richtung kann der Brechungsindex und weitere Eigenschaften der Probe wie etwa die Dichte oder der Salzgehalt bestimmt werden, wie unten näher erläutert ist.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen im Detail den erfindungsgemäßen Referenzkör­ per 6 in Form eines Prismas. Der aus Glas bestehende Referenzkörper 6, der auch als Prismenkörper bezeichnet werden kann, weist eine ebene Licht-Eintrittsfläche 14 und eine parallel zu dieser angeordnete Licht-Austrittsfläche 16 auf, welche senkrecht zur in Fig. 2 durch einen Pfeil 18 veranschaulichten Anströmrichtung der zu untersuchenden Proben angeordnet sind und einen Abstand zueinander von 14 mm aufweisen. Der Tubus 12 schließt sich an die Austrittsfläche 16 an.

Im oberen Bereich des Referenzkörpers 6 schließt sich an die Eintrittsfläche 14 die erste Spiegelfläche 8 an, die eben ist und relativ zu der Eintrittsfläche 14 in einem Winkel α von etwa 118° angeordnet ist. An die erste Spiegelfläche 8 grenzt eine zweite, ebene Spiegelfläche 10 des Referenzkörpers 6 an, die in einem Winkel β relativ zu der Eintrittsfläche 14 angeordnet ist. Die erste Spiegelfläche 8 und die zweite Spiegelfläche 10 sind relativ zueinander geneigt und schließen einen in dem Referenzkörper 6 liegenden Winkel γ von etwa 171° zwischen sich ein. Im oberen Abschnitt des Referenzkörpers 6 liegt eine sich in Fig. 2 vertikal erstreckende Fläche 20 den ersten und zweiten Spiegelflächen 8, 10 gegenüber.

An der ersten Spiegelfläche 8 und/oder der zweiten Spiegelfläche 10 ist im darge­ stellten Ausführungsbeispiel eine Beschichtung 20, 22 aus einem lichtreflektieren­ den Material aufgebracht, um den gemäß Fig. 1 in den Referenzkörper eindringen­ den Lichtstrahl, der auf die erste oder zweite Spiegelfläche 8, 10 fällt, in Richtung auf die Austrittsfläche 16 zu reflektieren. Als Material für die Beschichtung kommt vorzugsweise ein Metall wie Titan, Gold oder Platin in Betracht, welches zusätzlich zu guten Reflexionseigenschaften eine hohe Beständigkeit auch gegenüber aggres­ siven Medien wie Seewasser aufweist. Die Beschichtung 20, 22 ist im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel auf die gesamte Spiegelfläche 8, 10, aufgetragen.

Im untersten Bereich kann der Referenzkörper 6 mit Hilfe von Befestigungsmitteln, die an dem nicht dargestellten Gehäuse des Refraktormeters vorgesehen sind, an dem Gehäuse befestigt werden, beispielsweise indem der Referenzkörper 6 in eine Hülse eingesetzt und durch Klemm-Mittel gesichert wird.

Anhand der Fig. 4 bis 6 ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Refrak­ tometers erläutert.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Referenzkörpers 6 kann die Probe ungehindert in Richtung auf die Eintrittsfläche 4 - vgl. Fig. 1 - anströmen und abströmen, ohne daß Befestigungselemente zum Halten der Lichtleitfaser die Strö­ mung beeinflussen, da die Lichtleitfaser, wie Fig. 1 veranschaulicht, in einem Winkel relativ zu der Eintrittsfläche in den Referenzkörper 6 eintreten. Diese da­ durch bedingte winklige Einleitung des Lichtstrahls in den Referenzkörper 6 bedingt die Anbringung der ersten und/oder zweiten Spiegelfläche 8, 10 an dem Referenz­ körper 6, durch die die Lichtstrahlen in den optischen Tubus 12 hineinreflektiert werden.

Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Referenzkör­ pers 6 zusätzlich die Messung des Brechungsindexes einer gasförmigen Probe, insbesondere Luft. Hierzu ist die zweite Spiegelfläche 10 geneigt gegenüber der ersten Spiegelfläche 8 angeordnet. Mit Hilfe des Gases, vorzugsweise der Luft, kann eine sehr genaue Kalibrierung des Refraktometers vorgenommen werden. Ferner kann eine präzise Ermittlung des Druckverhaltens des Refraktometers vorgenommen werden, da die Temperatur- und Druckabhängigkeit des Brechungs­ indexes von Luft bekannt ist und genaue empirische Daten über die Temperatur- und Druckabhängigkeit des Brechungsindexes von Luft vorliegen. Dieses ist für Wasser oder andere Flüssigkeiten nicht der Fall.

Das Refraktometer erzeugt ein reelles Bild, das aus einem flächigen Lichtmuster besteht, 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 15 abgebildet.

Das Blockschaltbild der Fig. 4 bietet einen Überblick über den Funktionszusammen­ hang der optischen Elemente des Refraktometers sowie der Meß- und Auswerteele­ mente und veranschaulicht das Auswerteverfahren.

Ein zentraler Taktgeber 50 steuert einen Modulator 52 zur Wechselstrommodula­ tion des Lasers 1. Nach Durchlaufen der Probe in dem Probenraum 4 und der an­ schließenden Abbildungsoptik (Fig. 1, 2) entstehen am positionsempfindlichen Detektor 15 zwei amplitudenmodulierte Stromsignale, deren Amplituden vom Ort des Auftreffens des Lichtstrahls auf die Detektorfläche und damit vom Brechungs­ index 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 Nulldurch­ gangsdetektor 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 Verzöge­ rungsglied (nicht dargestellt) legt den Zeitpunkt der Meßwertabtastung in bezug auf den Nulldurchgang des Spannungssignals fest.

Zur Abtastung dienen Abtast-Halteglieder 60 (Sample-and-Hold-Verstärker), welche die Spannungsabtastwerte solange gespeichert halten, bis eine 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-Halteglie­ der 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 15 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.

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 15 erzeugten Ströme - die Auftreffposition des gebrochenen Lichtstrahls auf dem Detektor 15 und daraus der Brechungsindex der Probe n_W unter Einbeziehung des Brechungsindexes des Referenzkörpers 6 n_G berechnet wird.

Die erfindungsgemäßen Mittel zur Abtastung der elektrischen Signale zu vorgebba­ ren Zeiten sowie zur Digitalisierung der elektrischen Signale unabhängig vonein­ ander umfassen im wesentlichen den Taktgeber 50, den Modulator 52, den oder die Nulldurchgangsdetektoren 58, die Abtast-Haltglieder 60 sowie den Analog- Digital-Wandler 66.

Statt der Verwendung eines Nulldurchgangsdetektors 58 für jeden Kanal ist alter­ nativ lediglich nur ein Nulldurchgangsdetektor 58 einsetzbar, auf den die Span­ nungssignale der beiden Kanäle wechselweise mit Hilfe eines Kanalumschalters aufgeschaltet werden.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den positionsempfindlichen Detektor 15. Dieser wird von einem Halbleiterkristall 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 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 15 abgegriffen und zu den Strom- Spannungs-Wandlern 54 weitergeleitet werden (s. Fig. 4). 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 Fig. 5 ersichtlich ist, gilt näherungsweise:

Daraus folgt:

Durch entsprechende Umformung erhält man die Position s und aus dieser - wie oben ausgeführt - den Brechungsindex der Probe unter Einbeziehung der Ab­ bildungsoptik.

Alternativ lassen sich auch die digitalisierten Spannungssignale U₁, U₂ zur Berech­ nung 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 bezeich­ nen. Eine Verstärkungskorrektur ist notwendig, da beide Spannungen in unter­ schiedlichen Verstärkerstufen verstärkt werden und deshalb mit einem numerischen Faktor korrigiert werden müssen. In dieser Vorgehensweise liegt ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen 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 durch­ geführt werden.

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

wobei K₁, K₂, . . . , K_i empirisch bestimmte Kalibrierfaktoren sind.

Anhand eines in Fig. 6 dargestellten Spannungs-Zeit-Diagramms wird nachfolgend die Abtastung der Spannungssignale näher erläutert. Der vom Nulldurchgangs­ detektor 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 Ver­ zögerungszeit abgetastet wird. In diesem Fall entspricht dieser Zeitpunkt ungefähr 1/4 der Signalperiode, so daß im oder um das Maximum ein oder mehrere Span­ nungsabtastwerte 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.

Claims (13)

1. Refraktometer zur Messung des Brechungsindexes fluider Proben, insbeson­ dere von relativ zum Refraktometer strömendem Meerwasser, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von moduliertem Licht, einem im Strahlengang des Lichtes angeordneten Probenraum (4) zur Auf­ nahme einer Probe, einem im Strahlengang des Lichtes dem Probenraum (4) nachgeordneten Referenzkörper (6) mit einer ebenen, geneigt zur Lichtausbreitungsrichtung angeordneten Eintrittsfläche (14) und einer Austrittsfläche (16), und einem dem Referenzkörper (6) im Strahlengang nachgeordneten positions­ empfindlichen Detektor (15) zum Detektieren des Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper (6) eine erste Spiegelfläche aufweist, welche Licht nach Durchlaufen der Probe und Eintritt durch die Eintrittsfläche (14) des Referenzköpers zu dessen Austrittsfläche (16) reflek­ tiert.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (14) im wesentlichen senk­ recht zur Anströmrichtung der ersten und/oder der zweiten Probe angeordnet ist.

3. Refraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper (6) eine zweite Spiegel­ fläche aufweist, welche relativ zu der ersten Spiegelfläche geneigt ist und Licht nach Durchlaufen einer weiteren, vorzugsweise gasförmigen Probe mit einem von der ersten Probe verschiedenen Brechungsindex von der Eintritts­ fläche (14) des Referenzkörpers (6) zu dessen Austrittsfläche (16) reflektiert.

4. Refraktometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wege des an der ersten und an der zweiten Spiegelfläche (8, 10) reflektierten Lichtes von der Lichtquelle durch den Referenzkörper annähernd gleich lang sind.

5. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Spiegelfläche (8, 10) eben ausgebildet ist.

6. Refraktometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Spiegelfläche (8, 10) aneinander angrenzen und einen Winkel (α) innerhalb des Referenzkörpers (6) zwischen 165° und 177° einschließen.

7. Refraktometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen der ersten und der zweiten Spiegelfläche 171° beträgt.

8. Refraktometer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (14) an die erste Spiegel­ fläche (8) angrenzt.

9. Refraktometer nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (14) und die erste Spiegel­ fläche (8) einen Winkel (β) von etwa 118° einschließen.

10. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (14) und die Austrittsfläche (16) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

11. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Spiegelfläche (8, 10) mit einem Metall aus beispielsweise Titan, Gold, Silber, Aluminium oder Platin beschichtet ist.

12. Optischer Referenzkörper, insbesondere für ein Refraktormeter nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer ebenen Licht-Eintrittsfläche (14) und einer Licht-Austrittsfläche (16), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eintrittsfläche (14) und der Austrittsfläche (16) im Strahlengang mindestens eine erste Spiegelfläche (8) ausgebildet ist, die Licht nach dem Eintreten in die Eintrittsfläche (14) in Richtung auf die Austrittsfläche (16) reflektiert.

13. Referenzkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10 ausge­ bildet ist.