DE2548115C3 - Refraktometer - Google Patents

Description

Die Firfindiingbetrifft ein Refraktometer nachdem Keflexionsprin/ip von fresnel, mit einer 1 iiht-

,Ii quelle, deren Licht ein durchsichtiges Prisma durch strahlt derart, daß das durchgehende I iclilbiischcl all einer mit dem Meßgul in Kontakt su-hcndi/n ebenen Meßfläche des Prismas ι el Ie klier I wild, und mil einem Strahlungsdetektor/um Hmplau^ilcs das Prisma vcr

,, lassenden l.ichtluistlicls.

V.s ist bekannt, ι laß die St i nil Lu he eines (ίlas/v Nu ilers nut konvergentem odei diuiwulim I ichl bestrahlt wird. Der (ilas/vliudci ist um Μι-βμιιΐ Hinge

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Ixsn. Die aus der zweiten Stirnfläche des Glaszylinders austretende Lichtintensität hängt von der Brechzahl des MeUgutcs ah. Grundlage für die bekannten Konstruktionen sind die Fresnelschen Reflexionsformeln,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Grundlage der Fresnelschen Reflexionsformeln ein Gerät zu schaffen, welches es gestattet,, mit einer linearen Kennlinie zu arbeiten und den EünfluU der Trübung des MeBgutes auf ein vernachliissigbares Mali zu reduzieren, Außerdem soll die Nachweis- und Fehlergrenze gegenüber bekannten Refraktometern verbessert werden.

GeIiJSt wird diese Aufgabe bei einem Refraktometer nach dem Reflexionsprinzip von Fresnel dadurch, daß zwischen der Lichtquelle und dem Prisma ein optisches System vorgesehen ist, welches die Lichtquelle astigmatisch abbildet in der Weise, daß die erste Brennlinic in die Meßfläche und die zweite !kennlinie hinter das Prisma zu liegen kommt.

Die Vorteile der Erfindung sind:

Neben der Linearität der Kennlinie und der hohen Empfindlichkeit des erfindungsgemäüen Refraktometers ist vor allem die Austauschbarkeit tier Lichtquelle ohne Neujustierung der Optik zur Erhaltung der Kennlinie hervorzuheben. Ferner weist das erfindungsgemäße Refraktometer den Vorteil einer leichten Anpaßbarkeit, verschiedene Meßbereiche und nicht zuletzt einen einfachen Aufbau auf.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

In Abb. 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Refraktometers rein schematisch dargestellt.

Das von der Lichtquelle 1 emittierte Lichtbiischcl wird nach Durchlauf durch das Wärmefilter 2, das Farbfilter 3 und die Blende 4 durch den Kollimator parallelisiert. Das parallele l.ichtbiischel fällt auf die um den Winkel ti gedrehte optische Abbildungsall ordnungz. B. die Linse 6. Beispielsweise ist die Funktion derLir.:>e 6wiefolgt beschrieben: Die Schrägstellung der Linse 6 erzwingt die Ausbildung eines Astigmatismus, der sich infolge des einfallenden parallelen Lichtbüschels als zwei getrennte um ¹H)" verdrehte Brennlinien darstellt. Der Atistand der lieiden Brcnnlinien (die sogenannte astigmatischc D ifereiiz) ist eine Funktion des Drehwinkels «. Die Sihriigstcllungder Linse 6 und die Wahl des veränderbaren Abstandes A gestatten es, die erste Brennlinie W, senkrecht zur Zcichenelienc mit variablem Konvcrgcnzwinkcl zu verbinden und damit die Kennlinie (A bb. 2) zu beeinflussen. Die Brennlinie W₁ liegt somit auf der Meßfläche 13 mit /i,,„ */!.,_» Mit 12

ist die Durclifliißmeßkammer für das Meßgut bezeichnet. Die /weite Drcnnlinie H₁ liegt in der ZeichcucIx.¹ nc und ist um ¹H)" gegenüber der Brennlinie W₁ verdreht. W, winl auf die Schlitzblende 8 abgebildet und ausgeblendet. Durch die Blende H trifft das in der !kennlinie H₁ ander Meßfläche 13 reflektierte Licht auf den Fotocmpfüugcr 9 nir Signalverarbeitung. Die Bc/ugslichtiiitensitäl wird durch Reflexion an der Glasplatte 7. die als I iclitlcilcr wirkt, erhallen. Der I iclitteilcr 7 und alle anderen optischen Teile der Er-Ihulling können auih aus anderen lichtdurchlässigen Materialien wie /. II. Plexiglas hergestellt sein. Als I iclitleiler kann aVi am Ii wenigstens eine ()l>eifläclic der optischen Ahhiklungsanordnuiig / It. eine Olierllaclic del I inse Ci ilk i'.n Die lle/ugslichlinlcu-iilal erzeugt im Fiitoempfünger 10 das für die Auswertung notwendige elektrische Signal. Die Fotoempfäuger 9 und 10 können auch gemeinsam auf einen Block montiert sein. Die Fotospannungen der Empfänger 9 und

ι 10 werden elektronisch in bekannter Weise als Signal weitergegeben und verarbeitet. Auch eine Rechnergesteuerte Auswertung und ein Ausdrucken von Einzelwerten oder Kurven auf einem Schieber ist möglich. Abb. 2 zeigt die Abhängigkeit einer Kennlinie

ι l_r = /f«_A,,.«_gu,J vom Konvergenzwinkel (/' des Lichtbüschels bei /, = konstant und /ί,_ι4ιν = konstant.

Die Linearität der Kennlinie wird mit Hilfe der Blende 4 erreicht, die nach Abb. 3 aus dem in die Linse 6 einfallenden Parallel-Lichtbüschel einen bestimmten Querschnitt ausblendet. Die Begrenzung der Blende 4 kann geradlinig oder in Kurvenform gestaltetsein und, falls gewünscht, veränderbar sein. Die Verschwenkung der optischen Achse 14 des Lichtbüschels beeinflußt Meßbereich und Lage der !kennlinie

ι W₁. Das Prisma 11 ist in der gezeichneten Lage mit drei inneren Reflexionen dargestellt. Selbstverständlich kann das Prisma auch um seine viorizontalc Achse gedreht werden. Dann steht die optische Achse des Linsensystems senkrecht jeweils auf den beiden Dachflächen des Prismas 11, wie es in Abb. 4 dargestellt ist. Das gesamte Refraktometer ist lichtdicht und luftdicht in ein Gehäuse eingebaut. Störende Reflexionen können in bekannter Weise durch rcllexvcrinindernde Schichten oder Schwarzlack lx-'scitigt werden.

Die Blende 8 weist noch folgenden Vorteil auf: Da das Meßgut auch trübe sein kann, bilden sieh an der Meßfläche 13 in der Brennlinic W₁ zwangsweise Lichtverteilungen durch das Streugut in Form der Ix:- kannten kugel- oder keulenförmigen Strcuiiuiikafrk aus. Im parallelen Lichlbiischel leduziert ein Bündel enger paralleler Röhrchen (die bekannte Sollerblendc) das störende Streulicht. Im divergenten oder konvergenten Lichtbüschel sind solche Anordnungen wohl Ικ-kannt alier schwer herstellbar. Lrfindimgsgcmäß läßt die Blende 8 aus der aus dem geometrischen Strahlengang herausfallenden Streuinteiisilät nur den äußerst kleinen Anteil entsprechend der Blendenöffnung 8 auf den Fotoempfänger 9 auftreffen. Dadurch wird der Einfluß dieses störenden Streueffekles auf die Kennlinie erheblich reduziert. Versuchscrgybnissc haben bewiesen, daß dieser Störanteil gemäß der Erfindung innerhalb der Fehlergrenze bleibt.

Das Prisma 11 kann entweder, wie in Abb. I dargestellt, mit seiner schmalen Parallelscite dem Meßgut zugekehrt sein oiler aber mit seiner breiten Piirallclseite wie in Abb. I. Der Abstand A bezieht sich auf die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt der Linse 6 bis zur Oberkante der der Meßflache 13 abgekehrten Seite des Prismas 11. Das Prisma 11 ist leicht austauschbar in dem Refraktometergehäuse untergebracht. Durch den Austausch können in einfacher Weise lx:i Verwendung von Prismen mit unterschiedlichen Basiswinkeln, d. h. verschiedener Steilheit der dachförmigen Sci'cnflächen, andere MelSlicrcichc erzielt werden. Die Lichtquelle 1 ist bevor/ugt lichtiniensitatsinal.ligstabilisiert und genau justiert. Sie kalili durch eine stabilisierte optoelektronische ί ichlqucllc gegcbenciifalls im Impulsbetrieb ersel/t weiden Der Uc/ugslichlslrom kann auch unter Umgehung del linse 6 oder der I ;',isciikomliinatioii unmittclbai ilci Lichtquelle entnommen werden. Die Blende K kanu als einstellbaie Sp.iltNendc· ausgebildet siin Aus ili ι

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von der Lichtquelle iiusgcsandtcn Strahlung werden bevorzugt licstimmtc SpcktrallTcrciche ausgefiltert. Anstelle von je einem Wanne- und Farbfilter können selbstverständlich mehrere verwendet werden. Der Meß- und Be/ugslichtstrom können gleich/eilig über zwei Fotocmpfiinger verarbeitet werden oder periodisch so gesteuert werden, daß im Wechsel die I.ichtbüschel nur jeweils auf einen Potoempfanger fallen.

Als f'otocmpfiingcr sind Siliziumfotoelemente besonders geeignet, die in Zusammenschaltung mit Operationsverstärkern im Kurzschlußverfahren betrieben werden können.

Es hat sieh licsonclcrs liewührt, die gesamte Meßanordnung, inslicsondere aber die Teile, die mit dem thermostatisicrtcn Meßgut in Berührung koirmen. ebenfalls zu temperieren und zu klimatisieren

Hierzu 1 HIiHt Zeichnungen

Claims (26)

Patentansprüche:

1. Refraktometer nach dem Reflexionsprinzip von Fresnei, mit einer Lichtquelle, deren Licht ein durchsichtiges Prisma durchstrahlt, derart, daß das durchgehende Lichthüschel an einer mit dem Meßgut in Kontakt stehenden ebenen Meßfläche des Prismas reflektiert wird, und mit einem Strahlungsdetektor zum Empfang des das Prisma verlassenden Lichtbüschels, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle und dem Prisma ein optisches System vorgesehen ist, welches die Lichtquelle astigmatisch abbildet in der Weise, daß die erste Brennlinie in die Meßfläche und die zweite Brennlinie hinter das Prisma zu liegen kommt.

2. Refraktometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatisch abbildende System eine mit ihrer optischen Achse schräg zum Lichtbüschel gestellte konvexe Linse ist.

3. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse plankonvex ist und die Planfläche der Lichtquelle abgekehrt ist.

4. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatisch abbildende System eine Linsenkombinat;on ist.

5. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatisch abbildende System ein Hohlspiegel ist.

fi. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die erste Brennweite des astigmatisch abbildenden Systems veränderbar ist.

7. Refraktometer nach An-pruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatisch abbildende System um eine Achse quer zur Achse des Lichlbüschels drehbar ist.

S. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma drehbar ist.

'). Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dai astigmatisch abbildende System einschließlich der Lichtquelle um die erste [kennlinie als Drehachse drehbar ist.

K). Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dall zwischen der Lichtquelle und dem astigmatisch abbildenden System eine Hinrichtung zum Parallelrichten des Lichtbüschels vorgesehen ist.

11. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die astigmatische Abbildung ohne Kollimator erfolgt.

12. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß tlas auf die Mcßflächc auftreffeiule l.ichthiischcl durch davor angeordnete Blenden begrenzt wird.

13. Refraktometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, iliiiltirdi gekennzeichnet, ünü /wischen Prisma und Strahlungsdetektor wenigstens eine Blende zur Begrenzung des von der Mel.iHiiche reflektierten I .iclithüschcls angeordnet ist.

I I. Refraktometer nach Anspruch 12 oiler 1.'. dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Hliiuli. η veränderbar ist.

15. Refraktometer nach Anspruch IZ, ΙΛ oder

14, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Blenden geradlinig und/oder kurvenförmig ist.

16. Refraktometer nach Anspruch 13, 14 oder

15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Brennlinie in die Ebene der zwischen Meßprisma und Strahlendetektor angeordneten Blende zu liegen kommt.

17. Refraktometer nach Anspruch 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste- Blendensystem auf die Meßfläche mit der ersten Brennlinie abgebildet wird.

18. Refraktometer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem astigmatisch abbildenden System und deni Prisma veränderbar ist.

19. Refraktometer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle und Prisma eine Lichtteileranordnung vorgesehen ist.

20. Refraktometer nach Anspruch I¹J, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtteileranordnung aus einer planparallelen Glasplatte licstehl.

21. Refraktometer nach Anspruch I¹J, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Oberfläche des astigmatisch abbildenden Systems als Lichtteiler dient.

22. Refraktometer nach Anspruch \^l>, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Teilstrahlen als Referenzstrahl dient.

23. Refraktometer nach einem oiler mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang /wischen Lichtquelle und Prisma wenigstens ein Wärmefilter und/oder ein Farbfilter angeordnet sind.

24. Refraktometer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma im (₄ nersihnitt trapezförmig ist.

25. Refraktometer nach einem oiler mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Hinfallswinkels das trapezförmige Prisma gegen ein solches mit einem vorgegebenen anderen Basiswinkel austauschbar ist.

26. Refraktometer nach einem oiler mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle lichtintensitätsmiißig stabilisiert ist.