-
Flüssigkeitsprisma zur Orientierung eine. Licht-
-
strahlenbündels in eine vorgegebene Richtung Die Erfindung betrifft
ein Pliissigkeitsprisma zur Orientierung eines Lichtstrahlenbündels in eine vorgegebene
Richtung, das mindestens eine lichtdurchlässig verschlossene Lichteintrittsöffnung
und Lichtaustrittsöffnung sowie eine Kammer mit einer Flüssigkeit aufweist, auf
die ein transparenter Schwimmer aufgesetzt ist.
-
Die Eigenschaft von Flüssigkeiten, infolge der Schwerkraft in geneigten
Behältern eine horizontale Oberfläche auszubilden, ist bekannt und wird insbesondere
bei Füllstandsmessungen und bei der Bestimmung von horizontalen und vertikalen Bezugsebenen
genutzt. So besteht beispielsweise ein sogenanntes optisches Lot im wesentlichen
aus zwei übereinander angeordneten Glasküvetten, die zum Teil mit einer Flüssigkeit
der Brechzahl nDf =1,5 gefüllt sind, eo daß die Neigung des Lotes der Winkelabweichung
der optischen Achse entspricht. Die Konstruktion eines optischen Lotes ist so lange
unproblematisch, wie die hierfür verwendeten Küvetten einen Durchmesser von über
30 mm aufweisen. Schwierigkeiten entstehen erst dann, wenn die Küvettenmaße auf
Werte reduziert werden müssen, bei denen die Ausbildung einer horizontalen Flüssigkeitsoberfläche
infolge des Einflusses der an
den Wänden kapillar gehobenen Fldssigkeit
unmöglich ist.
-
Die Größe der Abweichung vom horizontalen Verlauf der Flüssigkeitsoberfläche
steht im direkten Zusammenhang mit der Oberflächenspannung der Küvettenflüssigkeit
und den energetischen Parametern des Materials, aus dem die Küvettenwände bestehen.
Um den Einfluß der kapillar gehobenen Flüssigkeit, die eine linsenförmig gestaltete
Oberfläche hervorruft, auszuschalten, sind verschiedene Lösungswege beschrieben
worden. So werden durch Variation des Küvettenmaterials, der Schräge der Küvettenwände
und der Oberflächenspannung der Küvettenflüssigkeit auch in kleinen Küvetten horizontal
ausgebildete Flüssigkeitsoberflächen erhalten. Folgende Nachteile sind bei den einzelnen
bekannten Lösungen zu berücksichtigen: - Läuft der innere Rand des Küvetteneinsatzes
in einem Winkel nahe Oo aus, so bereitet die richtige Dosierung der Kuvettenflüssigkeit
Schwierigkeiten bzw. ist unmöglich, da die Toleranz sehr klein bzw. das Flüssigkeitsvolumen
zu gering ist; die Anfertigung des erforderlichen Einsatzes bzw. Schwimmers ist
technisch kompliziert; - Selbst dann, wenn ein zylinderförmiger Küvetteneinsatz
aus niederenergetischen Polymeren besteht, sind nur Flüssigkeiten hoher Oberflächenspannung
geeignet, so daß organische Flüssigkeiten weitgehend ausgeschlossen werden messen
bzw. nur als wässrige Lösungen verwendet werden können; die bei solchen Systemen
auftretende Hysterese
macht die Einstellung eines konstanten Kontaktwinkels
unmöglich; - Weisen die aus niederenergetischen Polymeren hergestellten Küvetteneinsätze
schräge Begrenzungswände auf, so lassen sich Hystereseerscheinungen ebenfalls nicht
vollständig unterbinden und erschweren die Einstellung eines konstanten Kontaktwinkels;
die Ausbildung eines Kontaktwinkels ist wie bei der vorhergehenden Ausuhrung temperaturabhängig;
- Wird auf die Küvettenflüssigkeit ein Schwimmer in Form eines geschlossenen Glaszylinders
aufgesetzt, so entfallen zwar Hysterese und Abhängigkeit des sich einstellenden
Kontaktwinkels von der Temperatur, es treten aber andere Nachteile auf, die sich
vor allem bei Küvetten mit einem Innendurchmesser <10 mm bemerkbar mache. So
ist der Glasschwimmer (#s # 75 erg/cm²) leicht benetzbar; deshalb muß er so hoch
aus der Flüssigkeit herausragen, daß die Deckplatte des Schwimmers von der Flüssigkeit
nicht erreicht werden kann. Weitere Nachteile bestehen in der Reibung zwischen Schwimmer
und Küvettenwand, die vor allem bei Schwimmern geringer Masse zu Funktionsstörungen
führt, und in der hoben Dichte des Schwimmermaterials, die ein relativ großes Volumen
des Schwimmers bedingt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkeitsprisma zu
entwickeln, das die bei bekannten Konstruktionen
vorhandenen Mängel
nicht aufweist und darüber hinaus funktionstüchtig bei transportablen Geräten und
extremen Temperaturen ist.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit eine Brechzahl
1,4 nDf / 1,5 und eine Dichte # hat, daß der Schwimmer als planparallele Kunststoffscheibe
ausgebildet ist, deren Dicke 0,1 bis 2,0 mm beträgt und deren Durchmesser 0,5 bis
2,0 mm kleiner als der Innendurchmesser der Kammer ist, daß die Brechzahl der Kunatstoffscheibe
1,3<nDs<1,6 und ihre Dichte #s##f oder #s >#f (bei Scheiben aus extrem
niederenergetischen Kunststoffen) ist. Das Prisma umfaßt vorteilhafterweise zwei
Kammern. Der Wert für die Oberflächenenergie #s der Kunststoffscheibe ist kleiner
als derjenige der Oberflächenspannung #f der Flüssigkeit, damit die Deckfläche der
Kunststo£fscheibe praktisch nicht benetzt wird und sich ein endlicher Kontaktwinkel
einstellt (#s < #f). Das Material der Prismenwand dagegen soll möglichst einen
höheren Wert der Oberflächenenergie aufweisen (Glas, Metall) als der des Schwimmers.
Bei Einhaltung dieser Bedingungen wird die Flüssigkeit an der Prismenwand maximal
gehoben, von der Kunststoffscheibe dagegen abgestoßen, so daß diese stets zentriert
und reibungslos in der Mitte der Kammer verbleibt und Meßfehler ausgeschlossen sind.
Das für den Deckel des Prismas und für den Schwimmer geeignetste Material ist ein
Polyolefin,
insbesondere Polyäthylen oder Polypropylen, da dieser
Kunststoff wegen seiner niedrigen Oberflächenenergie (25 bis 30 erg/cm2) sehr schlecht
benetzt wird, wobei die Brechzahl- und Dichtswerte günstig liegen. Polyolefine ermöglichen
außerdem die Verwendung rein organischer Flüssigkeiten.
-
Um Störungen durch am Prismendeckel anhaftende Flüssigkeit zu vermeiden,
wird dieser ebenfalls aus transparentem niederenergetischen Kunststoff oder aus
einem mit niederenergetischem Kunststoff der geforderten Brechzahl beschichteten
transparentem Mateiial angefertigt.
-
Die Wahl der Küvettenflüssigkeit wird von dem verwendeten Kunststoff
maßgeblich beeinflußt. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß hierfür polymere
Kunststoffe geeignet sind, die einen Brechungsindex von nD = 1,3 bis 1,6 aufweisen.
-
Im folgenden sind einige der wesentlichsten Kenngrößen von in Frage
kommenden Kunststoffen zusammengefaßt: Kunststoff
nD Polyolefine 25 - 30 0,1 - 1,0 1,51 Polymethacrylsäuremethylester 39 1,2 1,49
Polystyrol 33 1,06 1,59 Polyvinylchlorid 38 1,41 1,54 Polytetrafluoräthylen 19 2,2
1,30 Polyäthylenglykol 39 1,2 1,55 therephthalat
Geeignete Küvettenflüssigkeiten,
die die erforderlichen Bedingungen erfüllen, sind beispielsweise: Flüssigkeit dDf
Glycerin 1,4755 63,4 1,2613 Glykol 1,4310 47,7 1,1131 Formamid 1,4427 58,2 1,1339
Glycerinchlorhydrin1,4820 42,2 1,3214 1.2-Propylenglykol 1,4324 34,7 1,0403 2.2-Thiodiäthanol
1,519 54,0 1,2214 Die genannten Flüssigkeiten lassen sich mit Wasser oder organischen
Flüssigkeiten so abmischen, daß sie die geforderte Brechzahl und einen niedrigen
Eispunkt besitzen, somit auch bei tiefen Temperaturen A - 300 C funktionstüchtig
bleiben.
-
Die Dichte der Flüssigkeitsmischungen, deren Brechzahl und Eispunkt
lassen sich außerdem durch Zusätze geeigneter organischer Salze auf die erforderlichen
Werte einstellen. Als hierfür besonders günstig erweisen sich folgende Verbindungen:
Substanz nD 100 g H2O lösen bei 20°C bei 20 C HJ03 1,95 310 Li Br 1,78 145 (4°C)
LiJ 1,96 165 ZnC12 1,69 447 CaJ2 1,98 757
Das erfindungagemäße
Flüssigkeitsprisma läßt sich in kleinen Dimensionen ausführen und erweist sich auch
nach hohen ransportbeanspruchungen und bei extremen Betriebstemperaturen als funktionstüchtig.
Bei entsprechender Wahl des Kunststoffes ist die obere Seite des Schwimmers im wesentlichen
unbenetzbar und zwischen Prismentandung und Schwimmer kommt es auf Grund der bleibenden
Zentrierung des Schwimmers in der Mitte der Küvettenflüssigkeit zu keinerlei Reibung,
Die Erfindung wird an Hand der schematischen Zeichnung, die ein Prisma im Längsschnitt
zeigt, näher erläutert.
-
Das Prisma mit der Achse 1-1 besteht aus einer zylindrischen Wandung
1 mit einem Deckel 2 und einem Boden 3. Eine Trennwand 4 läßt im Innenraum des Prismas
zwei Kammern 5; 6 entstehen, die beide eine Flüssigkeit 7; 8 (Formamid) enthalten.
Auf die freie FlUsgigkeitsoberfläche in jeder Kammer 5; 6 ist eine Kunststoffscheibe
9 bzw. 10 aufgesetzt. Infolge des Verhältnisses der Oberflächenenergien der Flüssigkeit
7; 8, der Wandung 1 und der Kunststoffscheiben 9; 10 zieht sich die Flüssig keit
7; 8 zwischen der Wandung 1 und den Kunststoffscheiben 9; 10 hoch, ohne diese an
den Oberflächen zu benetzen. Die für die einzelnen Bauteile verwendeten Materialien
und deren Eigenschaften sind der folgenden Tabelle entnehmbar:
Bestandteil
Material
Deckel Polymethacrylsäure- 1,49 1,18 39 - -methylester Trennwand " 1,49 1,18 39
- -Boden " 1,49 1,18 39 - -Wandung Glas 1,50 2,5 75 - -Flüssig- Formamid keit (in
20 g/ZnCl2 16 g 1,498 1,52 - 51,0 -30 beiden Kammern) Kunststoff Polymethacrylsäure-
1,49 1,18 39 - -scheibe methylester (in beiden Kammern) Der Tabelle ist entnehmbar,
daß im Ausführungsbeispiel wegen der Genauigkeit der vorzunehmenden Orientierung
die Toleranzen für die Brechzahlen relativ eng bemessen sind. Aber auch für die
Brechzahl nDf selbst gilt eine enge Tolerierung nDf = 1,50 + 0,01.
-
Das dargestellte Prisma wird im Durchlicht verwendet, d. h. ein vertikal
oder in eine vorgegebene Richtung zu orientierendes Lichtstrahlenbündel durchsetzt
das Prisma im wesentlichen parallel zur Achse X-X. Die Erfindung erfaßt aber auch
Prismen, in denen das zu orientierende Lichtbündel reflektiert wird.
-
Hierzu ist das Prisma nicht an die zylindrische Form gebunden.
-
So ist es beispielsweise möglich, dem Prisma im Längsschnitt eine
Form zu geben, die aus einem Rechteck und einem Dreieck oder Trapez zusammengesetzt
ist. Das Prisma kann auch nur eine oder mehrere Kammern umfassen.