DE2807805A1

DE2807805A1 - Vorrichtung zur angabe des brechungsindex eines fluids

Info

Publication number: DE2807805A1
Application number: DE19782807805
Authority: DE
Inventors: Philip Henry Wisbey
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-02-23
Publication date: 1978-10-12
Also published as: GB1563374A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung für den Brechungsindex eines Fluids.

Es ist bekannt, daß das spezifische Gewicht eines Fluids mit seinem Brechungsindex verbunden ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeige des Brechungsindex eines Fluids zu bewirken, das beispielsweise ein Batterieelektrolyt sein kann.

Erfindungsgemäß umfaßt eine Anzeigevorrichtung für den Brechungsindex eines Fluids einen transparenten Körper mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des Fluids ist, der angegeben werden soll; der transparente Körper besitzt eine äußere Oberfläche, die von wenigstens einem Teilbereich eines gestreckten Sphäroids bzw. Ellipsoids gebildet wird, und weist damit zwei Brennpunkte auf; die Vorrichtung besitzt eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, die so an einem der Brennpunkte angeordnet ist, daß wenigstens ein Teil des Inneren der Oberfläche bestrahlt wird; zum Empfang elektromagnetischer Strahlung, die im Inneren von der Oberfläche totalreflektiert wird, ist ein Detektor beim anderen der Brennpunkte angeordnet; dadurch dient die Intensität der empfangenen Strahlung als Anzeige des Brechungsindex des Fluids, in das hinein bei Betrieb die Oberfläche eingetaucht wird.

Obwohl die elektromagnetische Strahlung im unsichtbaren Teil des Strahlungsspektrums liegen kann, stellt die Strahlungsquelle geeigneterweise eine Lichtquelle dar, während der Detektor ein Photodetektor ist.

Vorzugsweise bildet die Oberfläche einen Teil eines HaIbsphäroids, und die Exzentrizität der bestrahlten Oberfläche wird von demjenigen Bereich von Brechungsindi es bestimmt, die angezeigt werden sollen.

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Obwohl der transparente Körper eine transparente, mit Flüssigkeit gefüllte Schale darstellen kann, wird vorzugsweise ein transparenter Festkörper gewählt, der aus Glas, Epoxy-Kunststoff oder einem aus Kunststoff bestehender Formling wie beispielsweise Perspex hergestellt ist.

Geeigneterweise ist die Lichtquelle eine Licht emittierende Diode, während der Photodetektor eine Photodiode oder ein Phototransistor ist; sowohl die Lichtquelle als auch der Photodetektor sind auf einem Substrat so angeordnet, daß sie senkrecht zur Substratebene gerichtet sind. Vorzugsweise sind die Lichtquelle und der Photodetektor mit einem adhäsiven Mittel, das den gleichen Brechungsindex wie der Körper besitzt, an diesem angekittet.

Vorzugsweise besitzt das gestreckte Sphäroid folgende Abmessungen

b
a

wobei a die große Halbachse des Sphäroids b die kleine Halbachse des Sphäroids

η der maximale Brechungsindex des Fluids, der angezeigt werden soll, und

η der Brechungsindex des Körpers sind.

Vorteilhafterweise ist zwischen der Quelle elektromagnetischer Strahlung und dem Detektor eine Strahlungsabschirmvorrichtung vorgesehen, die so bemessen und so angeordnet ist, daß sie Strahlung, die von anderen Oberflächen des Körpers als vom gestreckten Sphäroid herrührt, am Erreichen des Detektors hindert. Normalerweise wird die Lichtquelle durch entweder eine Gleichstrom- oder eine Wechselstromversorgung erregt, während der Photodetektor an ein Amperemeter angeschlossen ist,

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht längs der Hauptachse einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2 eine Kompensationsschaltung zur Reduzierung der Einwirkung von Umgebungslicht.

Die in Fig. 1 wiedergegebene Vorrichtung besitzt, in der Form eines Teils eines gestreckten Halbsphäroids 1, einen transparenten, aus Perspex bestehenden Spritzguß-Vollkörper, der auf einer gedruckten Leiterplatte 2 angeordnet ist; die Endteile 3, 4 des Halbsphäroids 1 sind durch den Spritzguß-Formprozeß erforderlich. An einem der Brennpunkte des gestreckten Halbsphäroids ist eine Licht emittierende, als Lichtquelle dienende Diode 5 vorgesehen, während am anderen der zwei Brennpunkte des gestreckten Halbsphäroids eine Photodiode 6 angeordnet ist. Sowohl die lichtemittierende Diode als auch die Photodiode sind in (nicht wiedergegebenen) Öffnungen in der flachen Oberfläche (die als Grundfläche zu sehen ist) des Halbsphäroids angeordnet und an diesem durch ein Bindemittel mit dem gleichen Brechungsindex wie Perspex angekittet. Die lichtemittierende Diode ist an eine Gleichstromquelle 7 angeschlossen, während die Photodiode so geschaltet ist, daß sie für ein Amperemeter 8 ein Ausgangssignal bereitstellt. An der gedruckten Schalterplatte 2 längs der Nebenachse des gestreckten Halbsphäroids 1 ist eine Blende angebracht, deren oberer Teil den gleichen sphärischen Teilumriß wie das HaIbsphäroid aufweist, unter dem sie angeordnet ist. Die Blende soll verhindern, daß die von den Endbereichen 3, 4 reflektierte Strahlung die Photodiode 6 erreicht.

Das gestreckte Halbsphäroid 1 stellt einen Teil eines Rotationsellipsoids dar, dessen Abmessungen gemäß der Gleichung

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1 -

η \ 2

max \

gegeben sind, wobei a die Abmessung der großen Halbachse des Sphäroids,

b die Abmessung der kleinen Halbachse des Sphäroids,

η der maximale Brechungsindex des Fluids, max

der angezeigt werden soll, und
sind.

η der Brechungsindex des Halbsphäroids 1

Bei Betrieb wird wenigstens die gekrümmte Oberfläche des gestreckten Halbsphäroids 1 in ein (nicht dargestelltes) Fluid eingetaucht, dessen Brechungsindex angegeben werden soll; die Funktionsweise der Vorrichtung steht in Abhängigkeit von der inneren Totalreflexion von Licht innerhalb des Halbsphäroids 1. Bezüglich der inneren Totalreflexion sei hervorgehoben, daß der Brechungsindex η des Fluids kleiner als der Brechungsindex η des Perspex-Materials sein muß, aus dem das HaIbsphäroid 1 gebildet ist, und daß der Winkel der kritischen Lichtstrahlen, die mit Pfeillinien 10 angedeutet wurden, mit einer Änderung des Brechungsindex η des Fluids variiert; je kleiner der kritische Winkel ist, desto niedriger ist der Brechungsindex η des Fluids und, als Folge davon, desto größer die Intensität des Lichts,das die Photodiode erregt; daraus ergibt sich, daß der Anzeigewert, der vom Amperemeter 8 wiedergegeben ist, erhöht wird. Wenn der Brechungsindex des Fluids

ein Maximum (n ) erreicht, dann erreicht auch der kritische max

Winkel, wie es durch die unterbrochene, mit Pfeilen versehene Linie 11 angedeutet ist, ein Maximum, während der vom Amperemeter 8 erfaßte Strom seinen niedrigsten Wert besitzt.

Die Vorrichtung, die in Fig. 1 wiedergegeben ist, sollte unter Bedingungen verwendet werden, bei denen eine vernachlässigbare

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Hintergrunds-ümgebungsstrahlung vorhanden ist, welche vom Photodetektor 6 aufgenommen werden könnte. Jedoch kann die Vorrichtung sogar bei Anwesenheit beträchtlicher, aus dem Hintergrund stammender ümgebungsstrahlung verwendet werden, wenn eine geeignete Schaltungsanordnung verwendet wird, die es ermöglicht, daß das Licht von der Lichtquelle 5 von der unerwünschten Hintergrundsbeleuchtung separiert wird. Eine Vorrichtung, die eine derartige Schaltungsanordnung besitzt, ist in Fig. 2 wiedergegeben.

Nach Fig. 2 ist ein gestrecktes Halbsphäroid 1 mit einer Quelle 5 und einem Detektor 6 auf ähnliche Weise wie in Fig.· 1 ausgestattet.

Die Quelle 5 wird in diesem Falle nicht kontinuierlich betrieben, sondern mit Hilfe eines Signals ein- und ausgeschaltet, das von Taktimpulsen, welche an einem Anschluß 21 angelegt werden, abgeleitet wird. Die Taktimpulse besitzen Rechteckform mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis von Eins. Der Anschluß 21 ist an eine bistabile Schaltung 22 mit Q- und Q-Ausgängen verbunden. Wie allgemein üblich, ist der Q-Ausgang der bistabilden Schaltung zum Q-Ausgang der inverse Ausgang. Der Q-Ausgang ist an eine Treiberschaltung 23 angeschlossen und mit dem Gate-Anschluß einer ersten Abtast- und Halteschaltung 24 verbunden. Die Treiberschaltung 23 ist lediglich ein Leistungsverstärker, der ausre'ichend Energie bereitstellt, um erforderlicherweise die Quelle 5 zu erregen. Das von der Quelle 5 emittierte Licht wird nach Reflexion innerhalb des gestreckten Halbspäroids 1 vom Detektor 6 erfaßt. Das Ausgangssignal des Detektors 6 wird durch einen Verstärker 25 verstärkt und zu einem Eingang der Abtast- und Halteschaltung 24 und auch zum Eingang einer zweiten Abtast- und Halteschaltung 26 geführt. Der Gate-Anschluß der Abtast- und Halteschaltung empfängt das Signal vom Q-Ausgang der bistabilen Schaltung Die Ausgänge der Abtast- und Halteschaltungen 24 und 26 sind mit den zwei Eingängen eines Differentialverstärkers 27 verbunden .

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Ein Taktimpuls mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis von Eins an den Anschluß 21 angelegt, so daß das Signal, das vom Q-Ausgang der bistabilen Schaltung 22 erhalten wird, die Quelle 5 zu 50 % der Zeit anschaltet. Während die Quelle 5 eingeschaltet ist, ergibt das vom Detektor 6 erfaßte Licht ein Signal, das in der Abtast- und Halteschaltung 24 eingegeben und gespeichert wird; während dieser Zeit wird die Abtast- und Halteschaltung 24 durch das Signal vom Q-Ausgang aktiviert. Wenn die bistabile Schaltung 22 unter der Wirkung des Taktsignals ihren Zustand ändert, wird das von der Abtast- und Halteschaltung 24 gehaltene Signal unverändert aufrechterhalten, während stattdessen das vom Verstärker 25 erhaltene Signal in die Abtast- und Halteschaltung 26 eingegeben wird. Während dieser Zeit ist die Quelle 5 abgeschaltet, so daß das einzige Licht, das vom Detektor 6 empfangen wird, seine Ursache im umgebenden Hintergrundslicht hat. Wenn die bistabile Schaltung 22 als nächstes ihren Zustand ändert, wird der Eingang zur Abtast- und Halteschaltung 26 unter der Wirkung des Signals an ihrem Gate-Anschluß geschlossen, und der bereits festgehaltene Abtastwert wird konstant aufrechterhalten.

Daraus läßt sich erkennen, daß die Abtast- und Halteschaltung 24 ein Signal speichert, das für die von der Quelle 5 herstammende Beleuchtung plus umgebende Hintergrundsbeleuchtung repräsentativ ist, wogegen die Abtast- und Halteschaltung 26 ein Signal speichert, das lediglich für die umgebende Hintergrundsbeleuchtung repräsentativ ist. Der Differentialver^ stärker 27 verstärkt folglich nur die Differenz zwischen diesen zwei Signalen und liefert an einem Ausgangsanschluß 28 ein Signal, bei dem die Auswirkung der Hintergrundsumgebungsbeleuchtung reduziert oder ausgeschaltet wurde. In jedem Falle, wo die Vorrichtung in rauher, korrosiver Umgebung betrieben werden soll, kann bei Bedarf ihre äußere Oberfläche des gestreckten Halbsphäroids mit einem inerten transparenten überzug geschützt werden.

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Claims

PATENTA NWA LTE MANITZ5 FiNSTERWALD & GRÄMKOW THE MARCONI COMPANY LIMITED München, den 23.2.1978 Marconi House, New Street p/4/Rii-m Chelmsford, Essex, England *v*/ku " Vorrichtung zur Angabe des Brechungsindex eines Fluids Patentansprüche :

1.\ Vorrichtung zur Angabe des Brechungsindex eines Fluids, dadurch gekennzeichnet , daß ein transparenter Körper einen Brechungsindex besitzt, der größer als der Brechungsindex des Fluids ist, welcher angegeben werden soll, und eine äußere Oberfläche aufweist, die von wenigstens einem Teilbereich eines gestreckten Sphäroids bzw. Rotationsellipsoids gebildet ist und damit zwei Brennpunkte besitzt, daß auf einem der Brennpunkte eine Quelle elektromagnetischer Strahlung zur Bestrahlung wenigstens eines Teils des Inneren der Oberfläche angeordnet ist, und daß ein Detektor beim anderen der Brennpunkte zur Aufnahme derjenigen elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, die im Inneren von der Oberfläche total reflektiert wurde, womit die Intensität der empfangenen Strahlung als Anzeige für den Brechungsindex eines Fluids dient, in das hinein die Oberfläche bei Betrieb eingetaucht ist.

0R. G. MANITZ · DIPL.-INO. M. FINSTERWALD D I P L . Ql Q Q. 8^4 <3 i/aQiS 2¹O ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

θ MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE 1 7 STUTTGART SO. (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-N UMM.ER 727Ο

TEL. (089) 22 42 Il · TELEX 5-29672 PATMF SEELBERCSTR. 23/25.TEL.(07ll)S6726l POSTSCHECKi MÖNCHEN 77062-8OS

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Lichtquelle darstellt, während der Detektor ein Photodetektor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche einen Teil eines Halbsphäroids darstellt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der transparente Körper ein Festkörper ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode und der Photodetektor eine Photodiode oder ein Phototransistor sind, wobei sowohl die Lichtquelle als auch der Photodetektor auf einem Substrat so angeordnet sind, daß sie senkrecht zur Ebene des Substrats gerichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle und der Photodetektor mit einem Bindemittel von gleichem Brechungsindex wie der Körper an den Körper gekittet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessungen des gestreckten Sphäroids gemäß

η \2 max \

gegeben sind, wobei a die Abmessung der großen Halbachse des Sphäroids r

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b die Abmessung der kleinen Halbachse des Sphäroids,

η der maximale Brechungsindex des Fluids, der angezeigt werden soll, und

η der Brechungsindex des Körpers sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Quelle elektromagnet!scher Strahlung und dem Detektor eine Strahlungsabschirmung vorgesehen ist, deren Abmessungen und deren Anordnung so gewählt ist, daß diejenige Strahlung, die von anderen Oberflächen des Körpers als vom gestreckten Sphäroid herrührt, den Detektor erreicht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Kompensation des Einflusses von umgebender elektromagnetischer Strahlung auf den Detektor Mittel vorgesehen sind.

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