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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 Strahlengang des Lichtes dem Probenraum nachgeordneten
Referenzkörper mit
einer ebenen, geneigt zur Lichtausbreitungsrichtung angeordneten
Eintrittsfläche
und einer Austrittsfläche,
und einem dem Referenzkörper
im Strahlengang nachgeordneten positionsempfindlichen Detektor zum
Detektieren des Lichtes.
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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
Natriumdampflampe, einer Quecksilberlampe oder Laserlichtquelle,
nach Durchlaufen der 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 bekannte Abbe-Pulfrich-Refraktometer
ist jedoch nur für
den stationären
Laboreinsatz ausgelegt. Die Bestimmung einer schnellen und genauen
Brechungsindexvariation im kontinuierlichen Meßbetrieb entlang einer Meßstrecke
ist nicht möglich.
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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 C. Waldmann, erschienen in Oceans '88, IEEE publ. Nr. CH 25.85-8/88/0000,
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
Brechungsindexvariationen auf Dichte- und Salzgehaltschwankungen
rückgeschlossen.
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Bei
diesem bekannten Refraktometer, das prinzipiell ähnlich wie das Abbe-Pulfrich-Refraktometer arbeitet,
wird Licht von einem einmodigen 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 Probenbrechungsindex ablenkt. Danach fällt das Licht streifend auf
einen als Prisma ausgebildeten Referenzkörper, tritt durch diesen hindurch
und wird von einer Abbildungsanordnung auf einen positionsempfindlichen ein-
oder zweidimensionalen Photodetektor abgebildet, welcher als Maß für die Brechung
des Lichtes durch die Probe zwei positionsabhängige, analoge elektrische
Stromssignale erzeugt. Aus diesen analogen Signale kann – nach Vorverstärkung, Filterung und
Strom/Spannungswandlung – die
Auftreffposition des von der Probe charakteristisch gebrochenen Lichts
auf den positionsemfindlichen Detektor erhalten werden, aus der
dann auf den Brechungsindex rückgeschlossen
werden kann.
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Um
ein gutes Strömungsverhalten
des Refraktometers bei der mobilen Messung zu realisieren, ist dieses
in Bewegungsrichtung länglich
ausgebildet, wobei die Anströmrichtung
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. Nachlaufen von nur langsam von der Eintrittsfläche ablaufenden
Probenmengen) nachteilhafterweise das zeitliche Antwortverhalten
und die räumliche
Auflösung
der Auswerteschaltung beeinträchtigt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Refraktometer der eingangs
genann ten Art derart weiterzubilden, daß die genannten nachteilhaften
Effekte, insbesondere Strömungseffekte
in einfacher Weise vermieden werden.
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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 Referenzköper
zu dessen Austrittsfläche
reflektiert.
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Die
Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß eine erste
lichtreflektierende Oberfläche – die erste
Spiegelfläche – am Referenzkörper vorgesehen
ist, welche Licht innerhalb des Referenzkörpers von der Eintrittsfläche zur
Austrittsfläche
leitet. Augrund dieser Ausgestaltung kann die Ausrichtung der Eintrittsfläche bezüglich der
Anströmrichtung
in weiten Grenzen gewählt
werden, da die Lichtumlenkung mittels der lichtreflektierenden Oberfläche den
Lichtstrahl zur Abbildungsanordnung 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.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Eintrittsfläche im wesentlichen
senkrecht zur Anströmrichtung
der ersten und/oder der zweiten Probe angeordnet ist. Hierdurch
werden die nachteiligen Strömungseffekte
wie der oben angesprochene Nachlauf-Effekt gering gehalten.
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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 kontinuierlich 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 verschiedenen Tiefen nicht eindeutig bestimmbar
ist. Hingegen ist die Druckabhängigkeit
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 eigentlichen
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 Referenzkörper 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 Abbildungsanordnung
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.
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Da
die Temperaturabhängigkeit
des Brechungsindexes von Luft gleichfalls wesentlich genauer vermessen
ist als diejenige von Wasser, kann mittels der zuvor beschriebenen
Vorgehensweise das Refraktometer vor oder nach dem Einsatz bei ozeanischen
Messungen auch bezüglich
der Temperatur kalibriert werden.
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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 Spiegelfläche
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.
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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.
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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
druckabhängige
Brechungsindex von Wasser – insbesondere
Meerwasser in Ozeanen – vermessen
und das Refraktometer mit Brechungsindex-Messungen in Luft kalibriert
werden soll, beträgt
der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Spiegelfläche vorzugsweise
171°.
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Einem
kompakten Aufbau der Referenzkörpers
kommt es zugute, wenn die Eintrittsfläche an die erste Spiegelfläche und
die Austrittsfläche
an die zweite Spiegelfläche
angrenzt. Hierbei bilden beispielsweise die erste und die zweite
Spiegelfläche
einen seitlichen Abschnitt des Referenzkörpers und sind als Mindestwinkel
ungefähr
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.
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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.
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Die
mit einem Metall beschichtete Spiegelfläche ist bevorzugt zusätzlich mit
einer Schutz-Schicht aus Silizimdioxyd überzogen, um die Metallschicht vor
Korrosion zu schützen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Refraktormeters;
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2 eine
Seitenansicht eines Referenzkörpers
für ein
Refraktormeter gemäß 1;
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3 eine
Draufsicht auf den in 2 dargestellten Referenzkörper;
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4 eine
schematische Darstellung eines positionsempfindlichen Detektors;
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5 ein
Spannungs-Zeit-Diagramm eines amplitudenmodulierten Spannungssignals
zur Ermittlung von dessen Nulldurchgang; und
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6 einen
Längsschnitt
durch ein Refraktometer.
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Das
in 1 mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellte
erfindungsgemäße Refraktometer
zur Bestimmung des Brechungsindexes von Proben und insbesondere
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 einmodige 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,
positionsempfindlichen Detektor 15 (in 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 angeordnet 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.
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In
den Probenraum 4 strömt,
wie 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 Auswertungseinrichtung
kann der Brechungsindex und weitere Eigenschaften der Probe wie
etwa die Dichte oder der Salzgehalt bestimmt werden, wie unten näher erläutert ist.
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Die 2 und 3 veranschaulichen
im Detail den erfindungsgemäßen Referenzkörper 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 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.
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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 2 vertikal erstreckende Fläche 20 den ersten
und zweiten Spiegelflächen 8, 10 gegenüber.
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An
der ersten Spiegelfläche 8 und/oder
der zweiten Spiegelfläche 10 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Beschichtung 20, 22 aus einem lichtreflektierenden
Material aufgebracht, um den gemäß 1 in
den Referenzkörper
eindringenden 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 agressiven
Medien wie Seewasser aufweist. Die Beschichtung 20, 22 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
auf die gesamte Spiegelfläche 8, 10,
aufgetragen.
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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.
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Anhand
der 4 bis 6 ist die Funktionsweise des
erfindungsgemäßen Refraktometers erläutert.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Referenzkörpers 6 kann
die Probe ungehindert in Richtung auf die Eintrittsfläche 4 – vgl. 1 – anströmen und
abströmen,
ohne daß Befestigungselmente
zum Halten der Lichtleitfaser die Strömung beeinflussen, da die Lichtleitfaser,
wie 1 veranschaulicht, in einem Winkel relativ zu
der Eintrittsfläche
in den Referenzkörper 6 eintreten.
Diese dadurch bedingte winklige Einleitung des Lichtstrahls in den
Referenzkörper 6 bedingt
die Anbringung der ersten und/oder zweiten Spiegelfläche 8, 10 an
dem Referenzkörper 6,
durch die die Lichtstrahlen in den optischen Tubus 12 hineinreflektiert
werden.
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Darüber hinaus
ermöglicht
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Referenzkörpers 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 Brechungsindexes 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.
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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.
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Das
Blockschaltbild der 4 bietet einen Überblick über den
Funktionszusammenhang der optischen Elemente des Refraktometers
sowie der Meß-
und Auswerteelemente und veranschaulicht das Auswerteverfahren.
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Ein
zentraler Taktgeber 50 steuert einen Modulator 52 zur
Wechselstrommodula tion des Lasers 1. Nach Durchlaufen der
Probe in dem Probenraum 4 und der anschließenden Abbildungsoptik
(1, 2) entstehen am positionsempfindlichen
Detektor 15 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.
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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-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 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.
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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 nW unter Einbeziehung
des Brechungsindexes des Referenzkörpers 6 nG berechnet
wird.
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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.
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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.
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5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den positionsempfindlichen
Detektor
15. 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 in einem lateralen
Abstand s von der linken Seitenkante des positionsempfindlichen
Detektors auf und erzeugt zwei Photoströme I
1 und
I
2, die an gegenüberliegenden Seiten des Detektors
15 abgegriffen
und zu den Strom-Spannungs-Wandlern
54 weitergeleitet werden
(s.
4). Mit Hilfe der von der Auswerteeinheit berechneten
Ströme
I
1, I
2 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
5 ersichtlich ist, gilt näherungsweise:
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Durch
entsprechende Umformung erhält man
die Position s und aus dieser – wie
oben ausgeführt – den Brechungsindex
der Probe unter Einbeziehrung der Abbildungsoptik.
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Alternativ
lassen sich auch die digitalisierten Spannungssignale U
1,
U
2 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 U
1,
U
2 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 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 durchgeführt werden.
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Eine
erweiterte Formel, die auch die Nichtlinearitäten des Positionssensors beinhaltet,
lautet wie folgt:
wobei K
1,
K
2, ... , K
i empirisch
bestimmte Kalibrierfaktoren sind.
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Anhand
eines in 6 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.
