Fotoelektrisches Refraktometer zum Messen des Brechungsindexes von
Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein fotoelektrisches- Refraktometer, das zum
Messen des Brechungsindexes von Flüssigkeiten mit Hilfe des Grenzwinkels der Totalreflexion
bestimmt ist; es besteht aus einem rrisma,-das mit der zu messenden Flüssigkeit
in Kontakt gebracht und von einer Lichtquelle bestrahlt wird; im Strahlengang des
von der Grenzfläche Prisma - Flitssigkeit reflektierten Lichtes liegen zwei Fotozellen
so, daß sie je nach Lage der Grenzlinie des total reflektierten Strahls einem angeschlossenen
Meßinstrument einen entsprechenden Strom liefern, der dem iBrechungsindex der zu
messenden Flüssigkeit. éntspricht.Photoelectric refractometer for measuring the refractive index of
Liquids The invention relates to a photoelectric refractometer that is used for
Measuring the refractive index of liquids using the critical angle of total reflection
is determined; it consists of a rrism, -that with the liquid to be measured
brought into contact and irradiated by a light source; in the beam path of the
The light reflected from the interface between prism and liquid lies in two photocells
so that, depending on the position of the boundary line of the totally reflected beam, they are connected to one
Measuring instrument deliver a current corresponding to the refractive index of the
measuring liquid. is equivalent to.
Bisher bekannte fotoelektrische Refraktometer zum Messen des Brechungsindexes
von Flüssigkeiten leiden unter dem grundsätzlichen Fehler, daß bei trüben, ausgesprochen
dicken oder teigigen Flüssigkeiten oder auch feste Substanzen in Suspension enthaltenden
Slüsigkeiten, die von einem Lichistrahl durchquert werden, jedes Fremdkörperchen
wegen optischer Reflexion Refraktion, Diffraktion oder Sekundäremission das eßergebnis
verfälscht, indem es Streulicht in andere Kichtungen erzeugt und so das Dunkelfeld
des Refraktometers aufhellt oder sogar den eigentlich abrupten hell - dunkel - 13bergang,
die eigentlich Iiießzone, verwischt, Es wurde bereits versucht, diesen Meßfehler
dadurch zu kompensieren, daß im Dunkelfeld eine zusätzliche Fotozelle angeordnet
wird, .die nur die Streustrahlung erfaßt und deren Strom das I"ießinstrument
in
entgegengesetzter Richtung zum Strom der eigentlichen Meßzelle durchfließt (Deutsche
Auslegeschrift Nr. 1 266 016). Bei dieser Anordnung wird der Einfluß der Streustrahlung
jedoch nur an einem Punkt des Neßbereiches kompensiert, Der Erfindung liegt die
aufgabe zugrunde, ein fotoelektrisches Refraktometer der oben beschriebenen Art
zu schaffen, das die Einflüsse von Streulicht auf das Meßergebnis über den gesamten
Meßbereich kompensiert0 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß drei
Fotozellen nebeneinander angeordnet werden, von denen eine, die Dunkelzelle, über
den gesamten Iseßbereich nur Streulicht erhält, die zweite, die Meßzelle, teils
im Hell-, teils im Dunkelfeld liegt, die dritte, die Hellzelle, ausschließlich im
Hellfeld liegt, Für die Zusammenschaltung der drei Fotozellen, die untereinander
gleiche Empfindlichkeit besitzen, bzw. deren Empfindlichkeit durch optische Blenden
oder elektrisch Schaltungsmaßnahmen aneinander angeglichen werden kann, gibt es
drei Moglichkeiten: 1. Die Ströme der Hell- und Dunkelzelle werden voneinander subtrahiert,
über eine Regelschaltung wird die Helligkeit der Lampe so nachgeführt, daß die Differenz
beider Ströme konstant ist Die Differenz zwischen dem Strom der Meßzelle und dem
der Hell-oder Dunkelzelle ist dann proportional zur Lage der Grenzlinie zwischen
Hell- und Dunkelfeld.Photoelectric refractometers known so far for measuring the refractive index
of liquids suffer from the fundamental flaw that in cloudy, pronounced
containing thick or pasty liquids or solid substances in suspension
Liquids crossed by a ray of Lichi, every foreign body
due to optical reflection refraction, diffraction or secondary emission the eating result
falsifies by creating scattered light in other directions and thus the dark field
of the refractometer or even the actually abrupt light - dark transition,
the actual pouring zone, blurred, Attempts have already been made to rectify this measurement error
to compensate by placing an additional photocell in the dark field
which only detects the scattered radiation and its current the flow instrument
in
opposite direction to the current of the actual measuring cell flows through (German
Interpretation document No. 1 266 016). With this arrangement, the influence of the scattered radiation
but only compensated at one point of the wet range
task is based on a photoelectric refractometer of the type described above
to create the influences of stray light on the measurement result over the whole
Measuring range compensated 0 This object is achieved according to the invention in that three
Photocells are placed side by side, one of which, the dark cell, is above
the entire Iseßbereich only receives scattered light, the second, the measuring cell, partly
is in the light field, partly in the dark field, the third, the light cell, is exclusively in the
Brightfield is for the interconnection of the three photocells that are among each other
have the same sensitivity or their sensitivity due to optical diaphragms
or electrical circuit measures can be matched to one another, there are
three possibilities: 1. The currents of the light and dark cells are subtracted from each other,
A control circuit adjusts the brightness of the lamp so that the difference
of both currents is constant The difference between the current of the measuring cell and the
the light or dark cell is then proportional to the position of the boundary line between
Light and dark field.
2. In diesem Fall wird die Helligkeit der Lichtquelle nicht geregelt.
Es werden - wie in Ausführung 1-die Differenz der Ströme der Meßzelle und einer
der beiden anderen und die Differenz der Ströme
der Hell- und Dunkelzelle
gebildet; das Verhältnis der ersten Differenz zur zweiten Differenz ist der Lage
der Grenzlinie proportionalO 3o Es wird die Differenz zwischen dem Strom der eßzelle
und dem Mittelwert der Ströme der Hell- und Dunkelzelle gebildet Diese Differenz
steuert eine mechanische Nachführung (zOBO beweglicher Schlitten, auf dem die Fotozellen
befestigt sind, oder ein bewegliches Prisma im Strahlengang) so, daß die Differenz
zu liull wird; Hierdurch wird erreicht, daß die mittlere Fotozelle, die Meßzelle,
halb im Hellfeld und halb im Dunkelfeld liegt0 In der Zeichnung ist ein fotoelektrisches
Refraktometer der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Art in einer möglichen. Ausführungsform
schematisch dargestellt: Fig, 1: Refraktometer im Querschnitt, Figo 2: Schaltschema
des elektrischen Teils bei Verwendung einer Lampenregelung (Schaltungsmöglichkeit
1), Fig. 3: Schaltschema des elektrischen Teils nach Schaltungsmöglichkeit 2, Fig,
4: Schaltschema des elektrischen Teils bei Ver-.wendung einer mechanischen Nachführung
nach Schaltungsmöglichkeit 30 Wie Figo 1 zu entnehmen ist, fließt die -Flüssigkeit
1 durch ein Rohr 2, an dem das Refraktometergehäuse 4 so angeflanscht ist, daß das
Prisma 7 eine Öffnung des Rohres abschließt und dort mit der Flüssigkeit in Kontakt
steht. Die Strahlung der Lichtquelle 5
wird durch eine Linse 6 fokussiert
und fällt nach Totalreflexion an der Grenzlinie Prisma - Flüssigkeit auf die Fotozelle
12 (Hellzelle) und einen - je nach Brechungsindex der Flüssigkeit unterschiedlichen
- Teil der Fotozelle 11 (Meßzelle); der andere Teil der Meßzelle und die Dunkelzelle
10 erhalten nur Streulicht0 Wenn der elektrische Teil der Anordnung nach Fig. 2
oder Fig. 3 aufgebaut ist, sitzt der Schlitten 8, auf dem die Fotozellen befestigt
sind, so im Gehäuse, daß er zur Aleßbereichsänderung manuell verstellt werden kann.
Der Stellmotor 9 und das mit der Stellspindel 13 gekoppelte Potentiometer 14 entfallen
dann. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 wird der Schlitten 8 vom Stellmotor
9 mit der Stellspindel 13 so nachgeführt, daß Mitte der Meßzelle 11 auf der Hell-Dunkel-Grenzlinie
liegt.2. In this case, the brightness of the light source is not regulated.
As in version 1, the difference between the currents of the measuring cell and one
the other two and the difference in currents
the light and dark cell
educated; the ratio of the first difference to the second difference is the position
the limit line proportionalO 3o It is the difference between the current of the measuring cell
and the mean value of the currents of the light and dark cells formed this difference
controls a mechanical tracking (zOBO movable slide on which the photocells
are attached, or a movable prism in the beam path) so that the difference
becomes too liull; This ensures that the middle photocell, the measuring cell,
is half in the brightfield and half in the darkfield0 In the drawing is a photoelectric
Refractometer of the type proposed according to the invention in a possible one. Embodiment
schematically shown: Fig, 1: Refractometer in cross section, Figo 2: Circuit diagram
of the electrical part when using a lamp control (switching option
1), Fig. 3: Circuit diagram of the electrical part according to circuit option 2, Fig,
4: Circuit diagram of the electrical part when using mechanical tracking
according to circuit option 30 As can be seen in FIG. 1, the liquid flows
1 through a tube 2 to which the refractometer housing 4 is flanged so that the
Prism 7 closes an opening in the tube and there it is in contact with the liquid
stands. The radiation from the light source 5
is focused through a lens 6
and falls on the photocell after total reflection at the boundary line between prism and liquid
12 (light cell) and one - different depending on the refractive index of the liquid
- Part of the photocell 11 (measuring cell); the other part of the measuring cell and the dark cell
10 only receive scattered light 0 If the electrical part of the arrangement according to Fig. 2
or Fig. 3 is constructed, sits the carriage 8 on which the photocells are attached
are so in the housing that it can be adjusted manually to change the eating range.
The servomotor 9 and the potentiometer 14 coupled to the setting spindle 13 are omitted
then. In the circuit arrangement according to FIG. 4, the slide 8 is controlled by the servomotor
9 adjusted with the adjusting spindle 13 so that the center of the measuring cell 11 is on the light-dark boundary line
lies.
Im Schaltbild Figo 2 sind alle unwesentlichen Teile (Stromversorgung,
Frequenzgangkorrektur der Operationsverstärker) weggelassen, um die tbersichtlichkeit
zu erhöhen. Die Fotozelle 12 treibt einen Strom -Spannungs - Wandler, bestehend
aus dem (invertierenden) Operationsverstärker 20 mit dem einstellbaren Widerstand
21. In gleicher Weise dient der Operationsverstärker 35 und der einstellbare Widerstand
36 als Strom-Spannungs-Wandler für die Fotozelle 11 und der Operationsverstärker
33 mit dem einstellbaren Widerstand 34 für die Fotozelle 10, Mit den Widerständen
21, 34 und 36 wird bei leerem Rohr 2, doh. fehlendem Dunkelfeld, die durch Fertigungsstreuungen
bedingte unterschiedliche Empfindlichkeit der Fotozelle so abgeglichen, daß am Punkt
B und am Meßinstrument 25 jeweils Null Volt gegen Içlasse gemessen werden. Das
schwarze
Dreieck im Symbol der Fotozellen gibt jeweils ihre Anode an, Die Ausgangsspannungen
der Operationsverstärker 20 und 35 werden über die gleich großen Widerstände 23
und 27 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 zugeführt, Der Widerstand
26 bestimmt die Verstärkung dieses Operationsverstärkers, dessen Ausgangsspannung
mit dem Voltmeter 25 gemessen wird; diese Spannung ist der Lage der Hell-Dunkel-Grenzlinie
proportional; Zur Temperaturkompensation des Refraktometers kann am Punkt A ein
temperaturabhängiger Strom eingespeist werden, der sich in bekannter Weise gewinnen
läßt; dieser Strom muß beim Abgleich der Fotozellen jedoch Null sein, Die Ausgangsspannung
der Operationsverstärker 20 und 33 wird über die beiden gleich großen Widerstände
22 und 32 auf den nicht invertierenden Eingang des Beistungsoperationsverstärkers
30 gegeben (Punkt B); der Operationsverstärker 30 arbeitet wegen der Beschaltung
durch den Kondensator 28 und den Widerstand 31 als PI- Regler, er regelt die Bstriebsspannung
der Lichtquelle 5 so, daß die Spannung am Punkt 3 gleich der Spannung der Spannungsquelle
37 ist.In the circuit diagram Figo 2 all insignificant parts (power supply,
Frequency response correction of the operational amplifiers) omitted for clarity
to increase. The photocell 12 drives a current-voltage converter, consisting of
from the (inverting) operational amplifier 20 with the adjustable resistor
21. The operational amplifier 35 and the adjustable resistor serve in the same way
36 as a current-voltage converter for the photocell 11 and the operational amplifier
33 with the adjustable resistor 34 for the photocell 10, with the resistors
21, 34 and 36, if the pipe is empty, 2, doh. lack of dark field caused by manufacturing variations
conditional different sensitivity of the photocell so adjusted that at the point
B and on the measuring instrument 25 each zero volts against Içlasse are measured. That
black
The triangle in the symbol of the photocells indicates their anode, the output voltages
the operational amplifiers 20 and 35 are connected via the resistors 23 of the same size
and 27 fed to the inverting input of operational amplifier 24, the resistor
26 determines the gain of this operational amplifier, its output voltage
is measured with the voltmeter 25; this tension is the position of the cut-off line
proportional; To compensate the temperature of the refractometer, a
temperature-dependent electricity are fed in, which can be obtained in a known manner
leaves; However, this current must be zero when calibrating the photocells. The output voltage
the operational amplifier 20 and 33 is via the two equal resistors
22 and 32 to the non-inverting input of the auxiliary operational amplifier
30 given (point B); the operational amplifier 30 works because of the wiring
through the capacitor 28 and the resistor 31 as a PI controller, it regulates the operating voltage
the light source 5 so that the voltage at point 3 is equal to the voltage of the voltage source
37 is.
Die Schaltung nach Fig. 3 entspricht der nach Figo 2 in vielen Punkten;
Temperaturkompensation und Abgleich müssen jedoch anders vorgenommen werden: zum
Abgleich wird nicht die Spannung am Voltmeter 25 auf Null getrimmt, sondern die
Spannung am Punkt A, die übrigen Punkte des Abgleichs bleiben; zur Temperaturkompensation
wird eine temperaturabhängige Spannung 41 auf das Voltmeter 25 gegeben. Der Divisionsbaustein
40 arbeitet folgendermaßen: die Spannung am Punkt C ist proportional zum Verhältnis
der Spannung
am Punkt A zur Spannung am Eunkt B: U= UA~UBo Hierdurch
wird die Spannung am Meßinstrument 25 proportional zur Lage der Grenzlinie zwischen
Hell-und Dunkelfeld0 Die Schaltung nach Fig. 4 enthält ebenfalls drei Strom-Spannungs-Wandler,
die Fotozelle 12 ist jedoch entgegengesetzt zur Schaltung nach Fig. 2 gepols, Der
Abgleich (wieder bei entleertem Rohr 2) wird so vorgenommen, daß die Ausgangsspannungen
der Operationsverstärker 20 und 33 untereinander gleich groß sind, jedoch die doppelte
Höhe der des Operationsverstärkers 35 haben. Über die gleich großen Widerstände
22 und 32 gelangen die Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 20 und 33 auf
den invertierenden Eingang des Leistungsoperationsverstärkers DO; der Gegenkopplungswiderstand
45 hat den halben Wert des Widerstandes 22. Für den Stellmotor 9 bildet der Operationsverstärker
30 durch seine Beschaltung mit den Widerständen 45 und 46 eine gesteuerte Stromquelle;
sobald sich die Summe der Spannungen der Punkte D und E von der doppelten Spannung
des Punktes F unterscheidet, läuft der Motor 9 an und stellt den Schlitten 8 so
nach, daß diese Spannungsdifferenz zu Null wird0 Gleichzeitig mit dem Schlitten
wird das Potentiometer 14 nachgestellt, so daß die Spannung an seinem Abgriff, die
mit Hilfe der Spannungsquelle 47 erzeugt wird, der Stellung des Schlittens entspricht0
Die Spannung am Abgriff des Potentiometers wird vom Voltmeter 25 angezeigt, Zur
Temperaturkompensation der Anzeige kann zusätzlich eine temperaturabhängige Spannungsquelle
41 eingefügt werden, so daß das Instrument die Differenz zwischen der Spannung am
Potentiometerabgriff und derjenigen der Quelle 41 anzeigt,The circuit of FIG. 3 corresponds to that of FIG. 2 in many respects;
However, temperature compensation and adjustment must be carried out differently: for
Adjustment is not the voltage at the voltmeter 25 is trimmed to zero, but the
Voltage at point A, the remaining points of the adjustment remain; for temperature compensation
a temperature-dependent voltage 41 is applied to the voltmeter 25. The division building block
40 works as follows: the voltage at point C is proportional to the ratio
the tension
at point A to the voltage at point B: U = UA ~ UBo As a result
the voltage on the measuring instrument 25 is proportional to the position of the boundary line between
Light and dark field 0 The circuit according to Fig. 4 also contains three current-voltage converters,
However, the photocell 12 is opposite to the circuit according to FIG
Adjustment (again with empty pipe 2) is carried out in such a way that the output voltages
the operational amplifiers 20 and 33 are equal to each other, but twice as much
Height of the operational amplifier 35 have. About the same great resistance
22 and 32 reach the output voltages of the operational amplifiers 20 and 33
the inverting input of the power operational amplifier DO; the negative feedback resistance
45 has half the value of resistor 22. The operational amplifier forms the servomotor 9
30 a controlled current source due to its connection with the resistors 45 and 46;
as soon as the sum of the voltages at points D and E is twice the voltage
of the point F differs, the motor 9 starts up and sets the carriage 8 so
after that this voltage difference becomes zero0 Simultaneously with the slide
the potentiometer 14 is readjusted so that the voltage at its tap, the
is generated with the aid of the voltage source 47, the position of the slide corresponds to 0
The voltage at the tap of the potentiometer is indicated by the voltmeter 25, Zur
Temperature compensation of the display can also be a temperature-dependent voltage source
41 can be inserted so that the instrument can determine the difference between the voltage at
Potentiometer tap and that of the source 41,