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Vorrichtung zur Messung des optischen Brechungsindexes von
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flüssigen und gasförmigen Medien Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Messung des optischen Brechungsindexes von flüssigen und gasförmigen Medien
und vom Brechungsindex ableitbarer Größen, bei der mit einem Kollimator ein Parallellichtbündel
homogener konstanter Strahldichteverteilung erzeugt wird, dessen an einer vom zu
messenden Medium umgebenen strahlungsdurchlässigen Grenzfläche reflektierter Strahlungsfluß
ein Maß für den Brechungsindex bzw. daraus ableitbaren Größen bildet.
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Seit dem Ende des vergangenen Jahrhunderts sind Anordnungen bekannt,
die die Messung von optischen Brechungsindices gestatten. Eine häufig benutzte Anordnung
ist von Abbe angegeben worden, die als Kriterium der Einstellung den Grenzwinkel
der Totalreflexion benutzt. Durch die Abbildung einer durch den Grenzwinkel der
Totalreflexion erzeugten Kante zwischen reflektiertem und aus dem Prisma heraustretendem
Licht auf eine Skala, wird ein visuell ablesbares Maß für den Brechungsindex erzeugt.
Daher ist diese Art dr Messung nur in Verbindung mit dem menschlichen Auge möglich
und einer direkten Automation nicht zugänglich.
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Es sind Anordnungen automatisch arbeitender Refraktometer bekannt
geworden, die die Ablenkung eines Lichtstrahl es beim Durchgang durch ein mit Meßflüssigkeit
gefülltes Prisma dazu benutzten, um den Brechungsindex der Probe zu messen. Der
Nachteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß das Licht durch die Flüssigkeit
hindurchtreten muß und so auch andere optische Eigenschaften (Trübung, Absorption
etc.) diese Messung beeinflussen können. Daher sind solche Meßgeräte nicht universell
anwendbar.
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Andere Anordnungen benutzen Abtastscheiben UBWeg um die Lage des Grenzwinkels
der Totalreflexion zu ermitteln und um auf diese Weise in der Lichtstromänderung
beim Uberstreichen einer Kante ein Kennzeichen für den Brechungsindex zu gewinnen.
Grundsätzliche Nachteile solcher Anordnungen liegen in der Nlchtlinearität der Skala,
die zusätzliche Maßnahmen zur Linearisierung bzw. eine Meßwertumwandlung verlangt
und außerdem im Vorhandensein mechanisch bewegter Teile, die zusätzliche Fehlerquellen
darstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß damit ohne großen konstruktiven Aufwand lineare
Meßwerte erzeugt werden können, die auf einfache Weise über bekannte elektronische
Einrichtungen einem Datenabnehmer zuftihrbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grenzfläche
auf der Einfall seite der Strahlung aphYrisch oder zylindrisch konvex ausgebildet
ist.
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In weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes kann die Grenzfläche
in zwei oder mehr Flächen unterteilt sein.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Einfachheit
der neuen Konstruktion, die ohne komplizierte Einrichtungen in der Lage ist, lineare
Meßwerte zu erzeugen.
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Zwei Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Figur 1 eine zeichnerische Erläuterung der geometrischen
Zusammenhänge an der Grenzfläche, Figur 2 eine Prinzip- und Blockdarstellung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer einteiligen Grenzfläche und Figur 3 eine
der Figur 2 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform mit zweigeteilter Grenzfläche.
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Es wird zunächst das Meßprinzip allgemein erläutert, wobei auf Figur
1 bezug genommen wird.
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Mit einer annähernd punktförmigen Lichtquelle und einem aberrationsarmen
Kollimator wird ein quasiparalleles Lichtbündel erzeugt. Die Öffnung des Kollimators
ist so gewählt, daß ein Lichtbündel entsteht, dessen Lichtstromverteilung innerhalb
des Bündels homogen und konstant ist, d.h. es findet also insbesondere keine Abnahme
des Lichtstromes an den Rändern statt. Dieses parallele Lichtbündel trifft derart
auf eine konvexe sphärische Fläche aus passend gewähltem Glas, daß es parallel zur
Rotationsachse einfällt. Das auf diese Fläche treffende Licht fällt unter BerUcksichtigung
der Kaustik in die Umgebung des Brennpunktes. Mit einer passend dimensionierten
Empfängereinrichtung (z.B. mit einer großflächigen Fotodiode) wird der gesamte von
der sphärischen Grenzfläche reflektierte Lichtstrom in elektrische Signale umgewandelt
und nach Verstärkung von einem Meßinstrument
angezeigt. Der so gemessene
Lichtstrom ist dem Brechungsindex direkt proportional, wenn angenommen werden kann,
daß die Strahldichte über die Höhe H überall konstant ist. Der Strahlungsfluß tein
ist dann: #ein = K1 . H (1), wobei K1 eine Konstante ist Die Bedingung für den Grenzwinkel
der Totalreflexion lautet sinα = n/nx (2)f wobei α = Grenzwinkel der
Totalreflexion, nx = Brechungsindex der Meßlösung, n = Brechungsindex des Glases
ist.
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Aus der Figur 1 ergibt sich mit R als Radius der konvexen Fläche:
sinα = H (3) Aus (2) und (3) erhält man H nx R = und H = nx R n n Eingesetzt
in (1) ergibt sich sinngemäß
Der Lichtstrom jaus ist also unter den angegebenen Bedingungen eine lineare Funktion
des Brechungsindexes inder Meßflüssigkeit.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 trifft die divergente Strahlung
einer fadenförmigen Glühlampe 1 auf die Öffnung eines Kollimators 2, hinter dem
das nunmehr parallele Bündel auf eine
optische Anordnung 3 fällt,
deren wesentlicher Bestandteil ihre konvexe sphärische Grenzfläche 3 A (optisches
Glas gegen die zu messende Lösung) zum Probenbehälter 4 ist.
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An dieser Grenzfläche wird, abhängig vom gegenseitigen Brechungsindex
"Glas-Probenlösung", ein Teil des Biindels reflektiert, das an der schmalsten Stelle
der Kaustik von einem Photoempfänger 5 absorbiert wird. Dessen dem Strahlungsfluß
und damit dem Brechungsindex proportionales elektrisches Signal wird in einem Meßverstärker6
verstärkt. Dieses Meßsignal wird einem Analog/Digitalwandler 7 zugeführt, der mit
einer Anzeigeeinrichtung 8 und einem Datenausgang 9 gekoppelt ist. Diese drei Baugruppen
7,8 und 9 sind üblicherweise in einem Digitalvoltmeter vereinigt. Um eine ausreichende
zeitliche Konstanz der Lampenemission sicherzustellen, wird der Betriebsstrom der
Lampe 1 einem strahlungsgeregelten Netzgerät 10 entnommen, das über einen Photoempfänger
11 den Strahlungsfluß der Lampe kontinuierlich mißt und gegebenenfalls nachregelt.
Da der zu messende Brechungsindex nx wesentlich von der Probentemperatur abhängt,
ist ein Temperaturfühler 12 im Probenbehälter angebracht, dessen der Probentemperatur
proportionales elektrisches Signal einer Korrektureinrichtung 13 zugeführt wird,
die in geeigneter Weise den vom Datenausgang 9 abgegebenen Meßwert entsprechend
der Probentemperatur modifiziert und von dem dieser korrigierte Meßwert dann an
den Datenabnehmer abgegeben wird. Zur Aussonderung von bestimmten Spektralbereichen
werden bei genauen Messungen Spektralfilter 14 dem Kollimator 2 vorgeschaltet.
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Für den Betrieb bei wechselnden Umweltbedingungen, wie sie speziell
bei Betriebskontrollen, d. h. bei laufenden Messungen in der Produktion vorliegen,
ist eine Relativmessung des Photostromes mit Hilfe eines zusätzlichen Photoempfängers
15 vorgesehen, der umweltbedingte Schwankungen, z.B. der Betriebsspannung etc.
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eliminiert.
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Die Anordnung nach Figur 2 läßt sich, wie Figur 3 zeigt, nach den
Anforderungen z.B. einer Betriebskontrolle soweit erweitern, daß die Lichtquelle
1 zwei gleiche, aber spiegelbildlich angeordnete sphärische Grenzflächen 3 A, 3
B beleuchtet, sodaß die eine Fläche in der geschilderten Weise an die zu messende
Flüssigkeit grenzt, während die zweite Grenzfläche an eine Vergleichsflüssigkeit
4 A mit bekanntem optischem Brechungsindex als Referenzmedium (2 reif = const) grenzt.
Ein zweiter Photoempfänger 16 fängt den vom Referenzmedium nicht absorbierten Strahlungsfluß
auf. Das dem Strahlungsfluß proportionale elektrische Signal wird einem zu 6 analogen
zusätzlichen Meßverstärker 17 zugeführt, von wo es in geeigneter Weise einer Rechenoperation
unterworfen wird, um je nach Aufgabenstellung entweder die Differenz oder das Verhältnis
beider Brechungsindices zu erhalten. Der so erhaltene Meßwert wird in vorbeschriebener
Weise einem internen Datenausgang zugeführt. Mit dieser Anordnung kann die Annäherung
an eine gegebene Referenzlösung gemessen bzw. kontrolliert werden, ohne daß sich
der Aufwand wesentlich erhöht. Das Spektralfilter 14 kann dabei zweckmäßigerweise
vor den gemeinsamen Strahleneintritt, d.h. den Kollimator 2 gesetzt werden.
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- Patentansprüche -
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