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Einrichtung zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten oder Gasen,
insbesondere zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses mehrerer Komponenten solcher
Flüssigkeiten oder Gase.
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Die Erfindung betrifft Einrichtungen, zur Messung der Brechzahl von
Flüssigkeiten oder Gesen sowie Einrichtungen, welchs die Abhängigkeit der Brechzahl
von bestimmten physikalischen Größen zur Messung eben dieser physikalischen Größen
benutzen.
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Bekannte Einrichtungen dieser Art sind i@ wesentlichen so ausgebildet,
daß ein bestimmter Strahlengang durch den interessierenden Stoff untersucht wird
und geo@strisch genau ausgemessen wird.
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Ein Nachteil der bekannten Meßeinrichtungen ist es, daß eind definiertes
Lichtstrahlenbündel erzeugt werden muß und daß die@@@ Lichtstrahlenbündel eben@o
wie die Grenzflächen oder Oberflächen des zu untersuchenden Stoffes genau auf@inander
ausgerichtet werden müssen, wenn eine einigermaßen reproduzierbare Messung durchgeführt
werden soll. Die Oberflächen des bezüglich seiner Brechzahl zu untersuchenden Körpers
dürfen hier keinesweg beliemittel@ bige Gestalt besitzen. außer@ Strahlungsquellen
müssen/besonderer Hilfsmittel abg@schirmt werden, um eine Verfälschung des Meßergebnis@es
zu vermeidenn,
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden,
die Brechzahl von Flüssigkeiten oder Gasen ohne die Untersuchtung eines geometrischen
Strahlenganges vorn@hmen zu können. Über die Bestimmung der Brechzahlen sollen auch
die Mischungsverhältnisse von Flü@-sigkeits- oder Gasgemischen ermittelt werden
können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Str@@-lungsquelle
und ein fot@@mpfindliches Organ jewe@is mit S@@@flächenbersichen eines Lich@@@ters
gekoppe@@ sind, de @ich an @@@ Stirnflächenbereiche anschließende @@@@@fläche@@@@lle
aufwel@@@.
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mit stetig kleiner werdendem Krümnungsra@@us in einen Maß @@-Oberflächenbereich
des Lichtleiters übers@hen, ohne daf en @@-sem Meßstellen-Oberflä@henbereich der
Kr@mmungsradiu@ zu @@ (Kante oder Spitze) wird und daß Ph@@@engrenze im @@@@@@@
len-Oberfläch@nbersich ein Stoff mit der @@ bestimmende@ @r@@hzahl und ein Stoff
mit konstanter bzw be@annter Bre@hzah@ au@@@-andergrenzen.
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Es wurde gefunde, daß durch die so@@@n k@rz beschri@bene Oberflächengestalt
eines Lichtleiters errei@@t werden kann, daß ein ganz kleiner Meßst@llen-Oberflächenber@i@h
an di@@em Lichtleiter für die Übertragung des Lichtes von der Strahlungsquelle zu
dem fotoempfinglichen Organ bestimmend ist, während die Verhältnisse an den übrigen
Oberflächenteilen des Lichtleiters ver@ältnismäßig geringen Einfluß auf die Lichtübertragung
haben. Es @@t daher möglich, durch Änderung der Bedingungen für die Tot@@reflexion
in dem eng begrenzten Meßstellen-Oberflächenbereich d@s Li@ntleiters eine entsprechende,
meßwertabhängige Modulation des am fotoempfindlichen Organ eintraffenden Lichtstromes
zu erreichen, ohne d@ß das Meßergebnis von den Verhältnissen außerhalb @es Meßst@llen-Oberflächenbereiches
verfälscht werden kann.
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@i@ W@@@ntlicher vorteil de@ Ausbildung der an den Meßstell@@@ @b
@@äch@nb@reich angrenzenden Oberflächenteile des Licht@@@@@@@@ @@ zur Me@stelie
hin stetig @@@iner werdendem Krümmu@@@@@radius @ @@, @e@ @@@ @@@ den gesamiten,
@@@@@@leit@t@@ Lichtstrom
ein maximaler Lichtstrom über die Meßstelle
zum fotoemptindlichen Organ geleitet werden kann und für die Messung nutzbar wird.
Es ergibt sich dadurch eine außerordentlich empfindliche und zuverlässig arbeitende
Meßeinrichtung.
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Handelt es sich bei dem Lichtleiter um einen gebogenen Lichtlei terstab,
welcher an einem Ende mit einer Strahlungsquelle und am anderen Ende mit dem fotoemnfindlichen
Organ nskonnalt ist so einer Kettenlinie.
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kann die Biegung entsprechend einer Hyperbel,/einer Parabel oder einer
Ellipsenhälfte gewählt sein, wobei sich der Meßstellen-Oberflächenbereich im Scheitel
der Biegung befindet0 Gemäß einer anderen, vorteilhaften Bauform hat der Lichtleiter
zumindest abschnittsweise die Form eines Rotationskörpers , bei spielsweise entsprechend
dem Teil eines Hyperboloids, Paraboloids oder Ellipsoids, wobei wiederum der Scheitel
dieses Körpers die Meßstelle bildet und sowohl Strahlungsquelle als auch fotoemp
findliches Organ an einer gegenüberliegenden Stirnfläche dieses Körpers angeordnet
sind.
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Die Erfindung umfaßt aber auch Ausführungsformen, beidenen der Lichtleiter
ein von dem zu untersuchenden Stoff verfüllter Hohlraum der zuvor beschriebenen
Gestalt oder Profilierung ist.
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Nachdem bekanntlich die Brechzahl einer Mischung aus mehreren Komponenten
von dem jeweiligen Mischungsverhältnis abhängig ist, kann aus dem Brechungszahl-Meßergebnis
für Systeme aus zwei Mischungskomponenten unmittelbar das Mischungsverhältnis errechnet
oder abgeleitet werden.
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Wegen der unterschiedlichen Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahlen
von Stoffgemischen lassen sich mit Einrichtungen nach der Erfindung auch die Mischungsverhältnisse
in Gemischen aus drei Komponenten ermitteln, indem abwechselnd oder gleichzeitig
Messungen bezüglich Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge durohgeführt werden.
Schließlich sei hier noch bæmerktf daß wegen der
Temperaturabhängigkeit
der Brechzahl die erfindungsgemäßen Einrichtungen dazu geeignet sind, gleichzeitig
zur oder anstelle der Angabe eines Mischungsverhältnisses auch einen Temperaturwert
angeben oder ableiten zu können.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung bilden im übrigen Gegenstand
der anliegenden Ansprüche.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Reihe von Adsführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.. Es stellen dar:
Figur 1 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht des vorderen
Teiles eines Lichtleiters einer Einrichtung nach der Erfindung zur Erläuterung des
Grundgedankens, Figur 2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
fer Erfindung, Figuren 2a und 2b schematische Abbildungen verschiedener Ausführungsformen
des Lichtleiters für eine Einriehtung nach der Erfindung entsprechend Figur 2, Figur
3 eine perspektivische, schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Figuren 3a und 3b schematische Abbildungen anderer Formen des Lichtleiters für eine
Einrichtung entsprechend Figur 3, Figur 4 eine perspektivische, schematische Abbildung
einer wieder anderen Ausführungsform der Erwindung, Figur 5 eine perspektivische,
schematische Abbildung einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung,
Figur
6 eine dreidimensionale, graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise
einer Binriohtung zur Bestimmung der Mischungsverhältnisse von Stoffmischungen aus
drei Komponenten, Figur 7 eine stark vereinfachte Darstellung einer Einrichtung
zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses und/oder der Temperatur einer Stoffmischung,
Figur 8 eine graphische Darstellung der Anzeige des Meßgerät es der Einrichtung
nach Figur 7 und Figuren 9 bis 12 weitere Ausführungsformen der Erfindung entsprechend
Figur 7.
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Betrachtet man in dem in Figur 1 gezeigten dem Teil eines Ellipsoids
entsprechenden Lichtleiterkörper 1 ein Bündel von Strahlen, welches parallel zu
der Achs 2 nach abwärts gerichtet ist, so kann festgestellt werden, daß diejenigen,
nahe der Achse 2 verlaufenden Strahlen schon beim ersten Auftreffen auf die Phasengrenze
3 den Liohtleiterköper 1 verlassen5 bai wechen der Winkel a gegenüber der Normalen
zur Tangentialfläche T den Grenzwinkel der Totalreflexion unterschreitet, Alle unter
geringerem Winkel zur Tangentialebene an die Oberfläche 3 des Sorper@ i auftreffenden,
in größerem Abstand von der Achse 2 wer laufenden Strahlen erfahren zunächst einmal
eine erste Totalreflexion innerhalb des Lichtleiterkörpers 1, doch verbleibven sie
beim darauffolgenden Auftreffen von iflncn gegen die Oberfläche des Lichtleiterkörpers
1 wiederum nur dann in diesem, wenn auch jetzt die kritische Größe des Winkels a
nicht unterschritten wird.
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Es hat sich nun gezeigt, daß dann ein günstigstes Verhältnis von insgesamt
eingeleiteter Strahlung entsprechend dem Wert R zu der vollständig reflektierten
und wieder in Achsenirchtung zurückgeleiteten Strahlung entsprechend dem Wert r
erreicht wird, wenn die Oberfläche 3 des Lichtleiterkörpers 1 mit stetig kleiner
werdendem
Krümmungsradius in den Scheitel übergeht, ohne daß hier
eine Spitze oder Kante gebildet ist. Die angestellten Überlegungen gelten selbstverständlich
nicht nur für ellipsoidartige, hyperboloidartige oder parabollodartige Rotationskörper,
sondern auch für flache, scheibenartige Li@htleiterkörper, die etwa in Seitenansicht
eine der Figur i entspre@hende Gestalt zeigen oder aber für Lichtleiterstäbe, die
entsprechend einer Kegelschenittkurve oder einer Keti@nlinis oder dergliechen gebog@n
sind, worauf im Zusammenhang mit den Zei@hnungsfiguren 2, @@ und 2b noch eingegangen
wird. Jedenfalls ist di@@@n F@rmen des Lichtleiserkörpers gem@insam, daß für die
Refl@@ion einer in Richtung @@@ den Scheitel des Lichtleiterkörpors eing@brachten
Stra@l@ng die Verhältnisse an der Phasengrenze zwi@chen Lichtieiterkörp@@ und Umgebung
in einem eng begrenzten Meßstellen-Oberflächen@@@@euch 4 entscheidend sind, da sämtliche
norma@@@@@eise zu dem strahlungsempfinglichen Organ zurückgelqi@@@en Lichtstra@len
hier mindestens einmal eine innere Totalr@fl@xion erfahren wenn diese Totalreflexion
nicht durch bewußte Einflußnahme auf die Verhältnisse an der Phasengrenze in dies@@
Bereich verhindert wird.
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Bei der Ausführungsform nach Figur 2 hat der Lichtleiterkörper 1 die
Form eines entsprechend einem Parabelteil gebogenen Lichtleiterstabes, mit dessen
einem Ende eine Strahlungsquelle 5 und mit dessen anderem Ende ein strahlungsempfingliches
Grgan 6 gekuppelt sind. Das strahlungsempfindliche Organ 6, @@ispielsweise eine
Fotozelle, ist mit einem Meßgerät 7 verbunden. Ein V¢rstärker kann dem Meßgerät
vorgeschaltet sein oder sich in dem Meßgerät befinden.
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Unterhalb des Lichtleiterkörpers 1 befindet sich ein Behälter 8, in
welchen eine zu untersuchende Flüssigkeit über eine Rohrleitung 9 eingelassen werden
kann. Die Flüssigkeit benetzt den Maßstellen-Oberflächenbereich 4 des Lichtleiterkörpers
1 und @@ wirkt, daß sich der Ausschlag des Meßgerätes 7 abhängig von der Brechzahl
der im Behälter 8 befindlichen Flüssigkeit oder wegen
der Abhängigkeit
der Brechzahl von diesen Werten abhängig von der Temperatur oder dem Mischungsverhältnis
verändert, wobei in jedem Falle eine entsprechende Eichung des Meßgerätes 7 sorgenommen
werden kann.
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Statt der parabolisohen Form kann der Lichtleiterkörper 1 auf entsprechend
einem Hyperbelast oder entsprechend der Hälfte einer Ellipse gebogen sein, wie die
Zeichnungsfiguren 2a bzwO 2b erkennen lassen.
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Der Behälter 8 der Ausführungsform nach Figur 2 kann auch den Meßstellen-Oberflächenbereich
4 des Lichtleiterkörpere i derart umsohließen, daß die Anordnung zur Untersuchung
gasförmiger oder dampfförmiger Stoffe geeignet ist. Zu diesem Zwecks kann der Bei
hälter 8 mit entsprechenden Anschlüssen 10 bzw. 11 versehen sein, wie schematisch
bei der Ausführungsfor nach Figur 3 gezeigt 1stO Hier besitzt jedooh der Lichtleiterkörper
im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Figur 2 die Gestalt eines Rotations-Ellipsoids
12, dessen dem Scheitel gegenüberliegende Stirnfläche 13 sowohl mit der Strahlungsquelle
5 als auch mit dem strahlungsempfindlichen Organ 6 gekoppelt ist. Selbstverständlich
ist die Anordnung der Strahlungsquelle und des strahlungsempfindlichen Organes mit
Bezug auf die Stirnfläche bzw, die Stirnflächen des Lichtleiterkörpers nur schematisch
angegeben Die genannten Teile können in Bohrungen oder Ausnehmungen des Lichtleiterkörpers
eingebettet sein, so daß die abgegebene bzw. empfangene Strahlung vollständig ausgenutzt
bzw. so vollständig wie möglich erfaßt wird.
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Die Strahlungsquelle 5 und das strahlungsempfindliche Organ 6 brauchen
nicht in unmittelbarer Nachbarschaft des Meßstellen-Oberflächenbereiches 4 gelegen
zu sein, sondern können sich am Ende eines verlängerten, stabartigen Abschnittes
des Lichtleiterkörpers 1 befinden. Wichtig ist jedoch, daß sich der an den stabartigen,
zylindrischen Teil des Lichtleiterkörpers anschließende,
den Meßstellen-Oberflächenbereich
auiweisende Teil stetig anschließt, wie in Figur 3b gezeigt, oder nur mit einem
sanften Knick angesetzt ist, wie Figur 3a verdeutlicht. Lichtleiterkörper für Einrichtungen
nach der Erfindung können also auch zylindrisohe oder kegelstumpfförmige Abschnitte
besitzen, an welche sich die Oberflächenteile mit stetig kleiner werdendem Krümmungsradius
in Riohtung auf einen Scheitel hin anschließen.
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In Figur 4 ist -eine Einrichtung gezeigt, bei welcher der Lichtleiterkörper
14 die Form eines Hohlraums hat, welcher in einem aus Werkstoff bekannter oder konstanter
Brechzahl bestehenden Gefäß 15 vorgesehen ist. Der Hohlraum 14 kann über eine Zuleitung
16 und eine Ableitung 17 in den Strom eines Stoffes eingestaltet werden, welcher
bezüglich seiner Brechzahl bzw. bezüglich des Mischungsverhältuisses seiner Komponenten
untersucht werden soll. Im unteren Bereich des Gefäßes 15 ist dieses außen mit einer
lichtabsorbierenden Schicht 18 versehen.
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Der mit dem zu untersuchenden Stoff gefüllte Hohlraum 14, welcher
mit seiner oberen Öffnung der Strahlungsquelle 5 und dem strahlungsempfindlichen
Organ 6 mit dem daran angeschlossenen Meßgerät 7 zugewandt ist, entspricht in seiner
Wirkungsweise dem Lichtleiterkörper 12 der Ausführungsform nach Figur 3. -Die in
Figur 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 4
nur dadurch, daß die Form des Gefäßes 15 der Gestalt des inneren Hohlraumes 14 angepaßt
ist und daß demgemäß auch die lichtabsorbierende Sohicht 18 unmittelbar der Form
des Hohlraumes 14 entspricht.
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Enthält ein bezüglich Br@chzahl oder Mischungsverhältnis-seiner Komponenten
zu untersuchender Stoff mehr als zwei Mischungskomponenten, so ist die vom Meßgerät
7 gelieferte Anzeige nicht mehr eindeutig, sondern entspricht ii Falle von drei
Misohungskomponenten einer unendlichen Anzahl von Kombinationen, welche bei einer
bestimmten Wellenlänge des Lichtes der Strahlungsquelle 5
zu einer
gewissen Stärke des an dem strahlungsempfindlichen Organ 6 empfangenen Lichtstromes
und damit zu einem gewissen, das Meßgerät 7 erregenden, elektrischen Strom führen0
Trägt man, wie in Figur 6 gezeigt, das Mischungsverhältnis bezüglich der Komponenten
A und B einerseits und bezüglich der Komponenten A und C andererseits in einer Ebene
auf und ordnet den einzelnen Punkten als Höhe die Stromanzeige des Meßgerätes 7
für das betreffende Mischungsverhältnis zu, so ergibt sich für jeweils eine bestimmte
Wellenlänge eine charakteristische Fläche F1 und für eine andere Wellenlänge ergibt
sich beispielsweise eine charateristische Fläche F2.
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Erhält man bei Verwendung einer bestimmten Wellenlänge der Strahlungsquelle
5 an dem Meßgerät 7 eine bestimmte Anzeige, so bedeutet dies die Festlegung einer
Höhenlinie auf der charakteristisohen Fläche F1 bzw. F2. Wenn jetzt von der Strahlungsquelle
5 abwechselnd einmal die eine Wellenlänge und einmal eine andere Wellenlänge in
den Lichtleiterkörper ausgesandt wird, so erhält man am Meßgerät 7 eine Anzeige,
welche inveinem Zeitdiagramm etwa die in Figur 8 gezeigte Gestalt besitzt. Dies
bedeutet, daß man durch Messung mit zwei verschiedenen Wellenlängen entweder aufeinanderfolgend
oder gleichzeitig denjenigen Punkt der Höhenlinien gemäß Figur 6 bestimmen kann,
welcher dem tatsächlichen Mischungsverhältnis des zu untersuchenden Stoffes zugeordnet
ist.
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Es handelt sich um den Schnittpunkt der Höhenlinien der charakteristischen
Flächen F1 und F2 in einer Aufsicht.
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Anstelle der Konzentration oder des Mischungsverhältnisses bezüglioh
dreier Komponenten kann mit derselben Anordnung auch das Mischungsverhältnis bezüglich
zweier Komponenten und zusätzlich die Temperatur eines aus zwei Mischungskomponenten
bestehenden Stoffes ermittelt werden, da die Temperatur ebenso wie eine dritte Mischungskomponente
die Größe der Brechzahl beeinflußte Figur 7 zeigt schematisch eine Einrichtung,
bei der zwei Strahlungsquellen 5a ra und 5b vorgesehen sind, welche abwechselnd
an eine
Spannungsquelle 19 gelegt werden, so daß der Lichtleiterkörper
12 einmal mit Licht einer ersten Welle und darauffolgend mit Licht einer zweiten
Wellenlänge beaufschlagt wird. Das Meßgerät 7 liefert dann die in Figur 8 schematisch
wiedergegebene Folge von Anzeigewerten, aus denen sich entsprechend den obigen Überlegungen
die MischungsverhäLtnisse und/oder die Temperatur bestimmen lassen.
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Eine abwechselnde Beaufschlagung des Lichtleiterkörpers 12 mit Licht
unterschiedlicher Wellenlänge kann gemäß der Ausfuhrungsform nach Figur 9 auch durch
eine von einem Motor in Umdrehung versetzte Filterscheibe 20 mit Filtersektoren
21a und 2Lb erreicht werden, welche beim Umlauf der Filtersoheibe abwechselnd in
den Strahlungsgang zwischen der Strahlungsquelle 5 und dem Lichtleiterkörper 12
gelangen.
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Wie in den Figuren 10 bis 12 gezeigt ist, kann aber auch eine Strahlungsquelle
5 verwendet werden, welche den Lichtleiterkörper 12 mit einer Strahlung beaufschlagt,
welche mehrere, verschiedene Wellenlängen enthält, welche gleichzeitig auftreten.
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Zur Ableitung von zwei Anzeigen, die jeweils untsrschiedliohen Wellenlängen
entsprechen, sind in diesen Fällen anstelle eines einzigen, strahlungsempfindlichen
Organes zwei solche strahlungsempfindliche Organe 6a bzw. 6b vorgesehen. Bei der
Ausführungsform nach Figur 10 handelt es sich beispielsweise um Fotozellen mit bezüglich
der Wellenlänge unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit, beispielsweise also um
eine Germaniumdiode und eine Siliziumdiode.
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Bei der Ausführungsform nach Figur 11 sind jeweils Fotozellen gleicher
Empfindlichkeit gewählt, doch sind jeweils untersohiedliche Farbfilter vorgeschaltet,
so daß sich wiederum ein bezüglich der Wellenlängen unterschiedliches Ansprechverhaiten
der einzelnen strahlungsempfindiichen Organe ergibt. Die Ausführungsform nach Figur
ii kann über auch so abgewandelt werden, daß ähnlich wie bei Figur 9 bezüglich der
Strutllurgsquelle erläutert,
hier dem strahlungsempfindlichen Organ
eine rotierende Filterscheibe vorgeschaltet wird, so daß an einem einzigen Meßinstruy
ment in zeitlicher Folge zwei jeweils einem Wellenlängenwert zugeordnete Anzeigen
auftreten.
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Figur 12 schließlich zeigt eine Anordnung, bei welcher die strahlungsempfindlichen
Organe 6a und 6b von fotoempfindlichen Wider ständen mit unterschiedlichem Emptindlichkeitsmaximum
gebildet sind.
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Abschließend sei noch auf einige Vorteile der erxindnngsgemäßen Einrichtungen
besonders hingewiesen. Wegen der anhand von Figur 1 erläuterten Profilierung der
Oberfläche stabartiger oder scheibenartiger oder auch rotationssymmetrischer Lichtleiterkdrper
wird erreicht, daß führe die Schwächung des Liohtstromes von einer Strahlungsquelle
zu einem liehtemptindlichen oder strahlungsempfindlichen Organ die Verhältnisse
an der Phasengrenze in einem ganz eng begrenzten Oberflächenbereich entscheidend
sind, in welchem sämtliche Strahlen, welche überhaupt die Möglichkeit haben, von
der Strahlungsquelle zum strahlungsempfindlichen Organ reflektiert zu werden, mindestens
einmal auftreffen und so für die Messung ausgenutzt werden. Dadurch erhält man jeweils
eine sehr deutliche Anzeige, eine hohe Empfindlichkeit der Anordnung und eine geringe
Anfälligkeit gegen Störungen bei spielsweise durch unterschiedliche Eintauchtiefe
oder wegen Schrägstellung oder dergleichen.
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Die Messungen können wegen der einfachen Gestalt des Lichtleiterkörpers
und wegen der Möglichkeit, in Richtung auf die Strahlungsquelle und die strahlungsempfindliche
Einrichtung einen längeren Lichtleitungsabschuitt zwischenzuschalten, in Umgebungen
mit extremen Temperatur- und/oder Druckbedingungen sowie auch in explosionsgefährdeter
Umgebung durchgeführt werden, Aufgrund dieser Eigenschaften gibt die erfindungsgemäße
Einriohtung auch die Möglichkeit, mit minimalem, technischem Aufwand
beispielsweise
den Dampf zustand in Hochdruckkesseln zu bestimmen, wobei eine einfache Stabdurchführung
für den Lichtleiterkörper den einzigen Verbindungsweg zu einer Umgebung mit extremen
Bedingungen darstellt.