DE2137842C3

DE2137842C3 - Refraktometer

Info

Publication number: DE2137842C3
Application number: DE19712137842
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Chem. 8000 Muenchen Ulrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-07-28
Filing date: 1971-07-28
Publication date: 1981-11-05
Also published as: DE2137842A1; DE2137842B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer mit einem lichtleitenden Element, das folgende Merkmale aufweist:

a) es ist in das Fluid, dessen Brechzahl zu messen bzw. mit dessen Brechzahl ein Vergleich durchzuführen ist, eintauchbar,
b) es weist im eingetauchten Bereich gekrümmte Oberflächen auf,

3d c) es hat außerhalb des eingetauchten Bereiches eine Stirnfläche, durch welche Licht eingestrahlt wird, und

d) es hat eine weitere Stirnfläche oder einen weiteren Stirnflächenbereich, der bzw. dem ein Photoempfänger zur Messung der durch das Element

übertragenen Lichtintensität zugeordnet ist.
Ein derartiges, etwa aus der US-Patentschrift 3282149 bekanntes Refraktometer ermöglicht die Bestimmung des Brechungsindex eines an das lichtleitende Element angrenzenden Stoffes, vorausgesetzt, daß dieser Stoff einen Brechungsindex besitzt, der von demjenigen des lichtleitenden Elementes verschieden ist.

Abhängig vom Verhältnis der Brechzahlen des zu untersuchenden Fluids einerseits und des Materials, aus welchem das lichtleitende Elemeni gefertigt ist, andererseits, ändert sich der Anteil total reflektierter, zu dem Photoempfänger gelangender Strahlung relativ zu der in das lichtleitende Element eingebrachten so Strahlung, wobei an den gekrümmten Oberflächen des lichtleitenden Elementes eine vielfache Reflexionsmöglichkeit gegeben ist.

Aufgrund des Eintrittes der Strahlung in das lichtleitende Element nicht als Parallelstrahlenbündel, sondern in Form eines Bündels divergierender Strahlung und aufgrund der Oberflächenkrümmung treten die Reflexionen in einem weiten Winkelbereich auf, so daß der durch das Brechzahlenverhältnis bestimmte Winkel der Totalreflexion den Anteil der schließlich zum Photoempfänger gelangenden Strahlung bestimmt, woraus sich auf das Brechzahlenverhältnis rückschließen läßt.

Ein Nachteil bekannter Refraktometer der eingangs kurz beschriebenen Art ist es, daß sie nicht aus-' reichend empfindlich und genau sind und insbesondere das Meßergebnis von der Eintauchtiefe des lichtleitenden Elementes in das umgebende Fluid in starkem Maße abhängig ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Refraktometer der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß das Meßergebnis im wesentlichen keine Verfälschung durch eine Veränderung der Eintauchtiefe des lichtleitenden Elementes erfährt. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des anliegenden Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine Abrundung des in das umgebende Fluid einzutauchenden Endes des lichtleitenden Elementes in κι der Weise, wie in Merkmal g) des anliegenden Anspruches 1 angegeben, wird erreicht, wenn das lichtleitende Element ais hyperboloidischer oder paraboloidischer Körper oder als ein Körper entsprechend der langachsigen Hälfte eines Ellipsoids gestaltet wird.

Ein weiterer Vorteil der hier angegebenen Ausbildung des lichtleitenden Elementes ist es, daß, bezogen auf den gesamten eingeleiteten Lichtstrom ein maximaler Lichtstrom unter Reflexion am Scheitelbereich des lichtleitenden Elementes zum Photoempfänger gelangt und für die Messung nutzbar wird. Es ergibt sich dadurch eine außerordentlich empfindliche und zuverlässig arbeitende Meßeinrichtung, welche es insbesondere auch erlaubt, in praktisch verwertbarer Weise aus der Brechzahlmessung von der Brechzahl abhängige Größen abzuleiten.

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.

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 durchgeführt werden. Schließlich sei hier noch bemerkt, 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.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung bilden im übrigen Gegenstand der anliegenden Ansprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Reihe von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht des vorderen Teiles eines Lichtleiters einer Entrichtung nacli der Erfindung zur Erläuterung des Grundgedankens,

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform,

Fig. 3 eine schematische Abbildung einer Form des Lichtleiterelementes,

Fig. 4 eine perspektivische, schematische Abbil- so dung einer anderen Ausführungsform,

Fig. 5 eine perspektivische, schematische Abbildung einer nochmals anderen Ausführungsform,

Fig. 6 eine dreidimensionale, graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Einrichtung zur Bestimmung der Mischungsverhältnisse von Stoffmischungen aus drei Komponenten,

Fig. 7 eine stark vereinfachte Darstellung einer Einrichtung zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses und/oder der Temperatur einer Stoffmischung.

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Anzeige des Meßgerätes der Einrichtung nach Fig. 7, und

Fig. 9 bis 12 weitere Ausführungsformen entsprechend Fig. 7.

Betrachtet man in dem in Fig. 1 gezeigten, dem Teil eines Ellipsoids entsprechenden Lichtleiterkörper 1 ein Bündel von Strahlen, weiches parallel zu der Achse 2 nach abwärts gerichtet ist (der parallele Strahlenverlauf ist nicht notwendig, jedoch zur Vereinfachung der Darstellung gewählt), so kann festgestellt werden, daß diejenigen, nahe der Achse 2 verlaufenden Strahlen schon beim ersten Auftreffen auf die Phasengrenze 3 den Lichtleiterkörper 1 verlassen, bei welchen der Winkel α gegenüber der normalen zur Tangentialfläche T den Grenzwinkel der Totalreflexion unterschreitet. Alle uner geringerem Winkel zur Tangentialebene an die Oberfläche 3 des Körpers 1 auftreffenden, in größerem Abstand von der Achse 2 verlaufenden Strahlen erfahren zunächst einmal eine erste Totalreflexion innerhalb des Lichtleiterkörpers 1, doch verbleiben sie beim darauffolgenden Auftreffen von innen gegen die Oberfläche des Lichtleiterkörpers 1 wiederum nur dann in diesem, wenn auch jetzt die kritische Größe des Winkels a nicht unterschritter.¹ wird.

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 Achsenrichtung 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 paraboloidartige Rotationskörper, sondern auch für flache, scheibenartige Lichtleiterkörper, die etwa in Seitenansicht eine der Fig. 1 entsprechende Gestalt zeigen. Jedenfalls ist diesen Formen des Lichtleiterkörpers gemeinsam, daß für die Reflexion einer in Richtung auf den Scheitel des Lichtleiterkörpers eingebrachten Strahlung die Verhältnisse an der Phasengrenze zwischen Lichtleiterkörper und Umgebung in einem eng begrenzten Meßstellen-Oberflächenbereich 4 entscheidend sind, da sämtliche normalerweise zu dem strahlungsempfindlichen Organ zurückgeleiteten Lichtstrahlen hier mindestens einmal eine innere Totalreflexion erfahren, wenn diese Totalreflexion nicht durch bewußte Einflußnahme auf die Verhältnisse an der Phasengrenze in diesem Bereich verhindert wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann ein Behälter 8 den Meßstellen-Oberflächenbereich des Lichtleiterkörpers derart umschließen, daß die Anordnung zur Untersuchung gasförmiger oder dampfförmiger Stoffe geeignet ist. Zu diesem Zwecke kann der Behälter 8 mit entsprechenden Anschlüssen 10 bzw. 11 versehen sein. Hier besitzt der Lichtleiterkörper 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 Organs 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 angegebene bzw. empfangene Strahlung vollständig ausgenutzt bzw. so vollständig wie möglich erfaßt wird.

Die Strahlu ngsquelle S 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 aufweisende Teil stetig anschließt, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Lichtleiterkörper für Einrichtungen nach der Erfindung können also auch zylindrische oder kegelstumpfförmige Abschnitte besitzen, an welche sich die Oberflächenteile mit stetig kleiner werdendem Krümmungsradius in Richtung auf einen Scheitel hin anschließen.

In Fig. 4 ist eine Einrichtung gezeigt, bei welcher der Lichtleitcrkörper 14 die Form eines Hohlraumes 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 Brechzahz bzw. bezüglich des Mischunrsverhältnisscs seiner Komponenten untersucht werden soll. Im unteren Bereich des Gefäßes 15 ist dieses außen mit einer lichtabsorbierenden Schicht 18 versehen.

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 Lichtlcitcrkörper 12 der Ausführungsform nach Fig. 3.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 4 nur dadurch, daß die Form des Gefäßes 15 der Gestalt des inneren Hohlraumes 14 angepaßt ist und daß demgemäß auch die lichtabsorbierende Schicht 18 unmittelbar der Form des Hohlraumes 14 entspricht.

Enthält ein bezüglich Brechzahl oder Mischungsverhältnis seiner Komponenten zu untersuchender Stoff mehr als zwei Mischungskomponenten, so ist die vom Meßgerät 7 gelieferte Anzeige nicht mehr eindeutig, sondern entspricht im Falle von drei Mischungskomponenten einer unendlichen Anzahl von Kombination, welche bei einer bestimmten Wellenlänge des Lichtes der Strahlungsquelle 5 zu einer gewissen Stärke des an dem strahlungscmpfindlichen Organ 6 empfangenen Lichtstromes und damit zu einem gewissen, das Meßgerät 7 erregenden, elektrischen Strom führen.Trägt man, wie in Fig. ft 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 F, und für eine andere Wellenlänge ergibt sich beispielsweise eine charakteristische Fläche F₁.

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 charakteristischen Fläche F₁ bzw. F_n. 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 in einem Zeitdiagramm etwa die in Fig. 8 gezeigte Gestalt besitzt. Dies bedeutet, daß man durch Messung mit zwei verschiedenen Wellenlängen entweder aufeinanderfolgend

in oder gleichzeitig denjenigen Punkt der Höhenlinien gemäß Fig. ft bestimmen kann, welcher dem tatsächlichen Mischungsverhältnis des zu untersuchenden Stoffes zugeordnet ist. Es handelt sich um den Schnittpunkt der Höhenlinien der charakteristischen Flächen

!5 F₁ und F₁ in einer Aufsicht.

Anstelle der Konzentration oder des Mischungsverhältnissesbezüglich dreier Komponenten kann mit derselben Anordnung auch das Mischungsverhältnis bezüglich zweier Komponenten und zusätzlich die

zn Temperatur eines aus zwei Mischungskomponenten bestehenden Stoffes ermittelt werden, da die Temperatur ebenso wie eine dritte Mischungskomponente die Größe der Brechzahl beeinflußt.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Einrichtung, bei der zwei Strahlungsquellen 5a und Sb 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.

»π Das Meßgerät 7 liefert dann die in Fig. S schematisch wiedergegebene Folge von Anzeigewerten, aus denen sich entsprechend den obigen Überlegungen die Mischungsverhältnisse und/oder die Temperatur bestimmen lassen.

.15 Eine abwechselnde Beaufschlagung des Lichtlciterkörpers 12 mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge kann gemäß der Ausführungsform nach Fig. 9 auch durch eine von einem Motor in Umdrehung versetzte Filterscheibe 20 mit Filtersektoren 21<? und 21/' er-

4Ii reicht werden, welche beim Umlauf der Filterscheibe abwechselnd in den Strahlungsgang zwischen der Strahlungsquelle 5 und dem Lichtlciterkörper 12 gelangen.

Wie in den Fig. H) bis 12 gezeigt ist. kann aber auch eine Strahlungsquelle 5 verwende! werden, welche den Lichtlcitcrkörper 12 mit einer Strahlung beaufschlagt, welche mehrere, verschiedene Wellenlängen enthält, welche gleichzeitig auftreten. Zur Ableitung von zwei Anzeigen, die jeweils untei-

fiu schiedlichen Wellenlängen entsprechen, sind in diesen Fällen anstelle eines einzigen, strahlungsempfindlichen Organs zwei solche strahiungsemptindiiehe organe 6a bzw. 6/> vorgesehen. Bei der Ausführungsform nach Fig. U) handelt es sich beispielsweise um Fotozellen mit bezüglich der Wellenlänge unterschiedlicher Ansprcchcmpfindlichkcit. beispielsweise also um eine Germaniumdiode und eine Siliziumdiode.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 sind jeweils

mi Fotozellen gleicher Empfindlichkeit gewählt, doch sind jeweils unterschiedliche Farbfilter vorgeschaltet, so daß sich wiederum ein bezüglich der Wellenlängen unterschiedliches Ansprechverhalten der einzelnen strahlungsempfindlichen Organe ergibt. Die Ausfüh-

(.5 rungsform nach Fig. 11 kann aber auch so abgewandelt werden, daß ähnlich wie bei Fig. ¹J bezüglich der Strahlungsquelle erläutert, hier dem strahlungscmpfindlichen Organ eine rotierende Filterscheibe vorge-

schaltet wird, so daß an einem einzigen Meßinstrument in zeitlicher Folge zwei jeweils einem Wellenlängenwert zugeordnete Anzeigen auftreten.

Fig. 12 schließlich zeigt eine Anordnung, bei welcher die strahlungsempfindlichen Organe 6« und 6b von fotoempfindlichen Widerständen mit unterschiedlichem Empfindlichkeitsmaximum gebildet sind.

Abschließend sei noch auf einige Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtungen besonders hingewiesen. Wegen der anhand von Fig. 1 erläuterten Profilierung der Oberfläche stabartiger oder scheibenartiger oder auch rotationssymmetrischer Lichtlciterkörper wird erreicht, daß für die Schwächung des Lichtstromes von einer Strahlungsquelle zu einem lichtempfindlichen oder strahiungsempiindlichen 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 strahlungsempfindlichcn 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, beispielsweise durch unterschiedliche Eintauchtiefe oder wegen Schrägstellung oder dergleichen.

Die Messungen können wegen der einfachen Gestalt des Lichtleiterkörpers und wegen der Möglichkeit, in Richtung auf die Strahlungsquelle und die

κι strahlungsempfindliche Einrichtung einen längeren Lichtleitungsabschnitt zwischenzuschalten, in Umgebungen mit extremen Temperatur- und/oder Druckbedingungen sowie auch in explosionsgefährdeter Umgebung durchgeführt werden.

is Aufgrund dieser Eigenschaften gibt die erfindungsgemäße Einrichtung auch die Möglichkeit, mit minimalem, technischem Aufwand beispielsweise den Dampfzustand in Hochdruckkesseln zu bestimmen, wobei eine einfache Stabdurchführung für den Licht-

2(i leiterkörper den einzigen Verbindungsweg zu einer Umgebung mit extremen Bedingungen darstellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Refraktometer mit einem lichtleitenden Element, das folgende Merkmale aufweist:

a) es ist in das Fluid, dessen Brechzahl zu messen bzw. mit dessen Brechzahl ein Vergleich durchzuführen ist, eintauchbar,

b) es weist im eingetauchten Bereich gekrümmte Oberflächen auf,

c) es hat außerhalb des eingetauchten Bereiches eine Stirnfläche, durch welche Licht eingestrahlt wird,

d) es hat eine weitere Stirnfläche, der ein Photoempfänger zur Messung der durch das Element übertragenen Lichtintensität zugeordnet ist, dadurch gekannzeichnet, daß das lichtleitende Element folgende weitere Merkmale aufweist:

e) es ist einstückig bezüglich einer geraden Achse symmetrisch,

f) es weist an einem Ende bezüglich der Achse eine Stirnfläche auf, die die Funktionen der Merkmale c) und d) gemeinsam erfüllt,

g) das andere Ende ist abgerundet in der Weise, daß sich der Querschnitt, ausgehend von einem bezüglich der Achse senkrechten Scheitel mit der größten Krümmung der Oberfläche unter stetiger Abnahme der Krümmung in Richtung auf das Ende nach f) erweitert und daß der Bereich um den Scheitel eintauchbar ist.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element rotationssymmetrisch ist.

3. Refraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich sich ändernden Querschnittes des lichtleitenden Elementes stetig in einen Bereich konstanten Querschnittes übergeht (Fig. 3).

4. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element die Form eines Hohlraumes (14) hat, in welchen der bezüglich der Brechzahl zu untersuchende Stoff einfüllbar ist (Fig. 4).

5. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Element (12) zumindest im Bereich (4) um den Scheitel herum an einen Raum (8) angrenzt, in welchen der bezüglich der Brechzahl zu untersuchende Stoff einfüllbar ist.

6. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des lichtleitenden Elementes (12) von zwei Strahlungsquellen (Sa, Sb bzw. 5, 20, 21a, 21b) mit bezüglich der Wellenlänge unterschiedlichem Emissionsmaximum abwechselnd in zeitlicher Folge beaufschlagt wird.

7. Refraktometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquellen zwei abwechselnd einschaltbare Strahler (5a, Sb) unterschiedlichen Emissionsmaximums vorgesehen sind (Fig. 7).

8. Refraktometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlungsquellen von einer Baueinheit (5, 20, 21a, 21b) gebildet sind, welche einen Strahlung mehrerer Wellenlängen erzeugenden Strahler sowie diesem abwech-

selnd vorschaltbare Farbfilter enthält (Fig. 9).

9. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des lichtleitenden Elementes (12) von einer Strahlungsquelle (5) beaufschlagt wird, welche Strahlung mehrerer Wellenlängen aussendet und daß außer dem Photoempfänger ein weiteres photoempfindliches Organ vorgesehen ist, welches eine bezüglich der Wellenlänge unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit besitzt (Fig. 10 bis 12).

10. Refraktometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit des Photoempfängers und des weiteren photoempfindlichen Organs durch Vorschalten unterschiedlicher Farbfilter erzeugt ist (Fig. 11).