DE3408417C1 - Faseroptische Meßvorrichtung - Google Patents

Description

• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem erten Lichtwellenleiter-Sensor ein ebenfalls in die Flüssigkeit eintauchbarer zweiter Lichtwellenleiter-Sensor mit einem gegenüber dem lichtreflektierenden Ende des ersten Lichtwellenleiter-Sensors unterschiedlich geformten lichtreflektierenden Ende und mit einem zweiten Eingangslichtwellenleiter sowie einem zweiten Ausgangslichtwellenleiter zugeordnet ist, der an einen zweiten Lichtdetektor angekoppelt ist, und daß die Ausgangssignalleitungen beider Lichtdetektoren an eine Auswerteschaltung zur Auswertung der an den beiden Enden der beiden Lichtwellenleiter-Sensoren reflektierten Lichtintensitäten angeschlossen ist Dadurch, daß zwei unterschiedlich auf die Brechzahl und die Trübung von Flüssigkeiten empfindliche Lichtwellenleiter-Sensoren vorgesehen sind, ist es durch Auswerten der von den beiden Lichtwellenleiter-Sensoren gelieferten Lichtintensitäten möglich, bei der Bestimmung der Brechzahl den Trübungseinfluß zu eliminieren und bei der Bestimmung der Trübung den Brechzahleinfluß so zu berücksichtigen, daß ein korrekter Wert für die Trübung ermittelt wird.
• Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind beide Lichtwellenleiter-Sensoren über jeweils einen Lichtwellenleiter-Koppler an eine gemeinsame Lichtquelle angeschlossen, so daß die eingangsseitigen Lichtintensitäten für beide Lichtwellenleiter-Sensoren gleich sind, bzw. gleichen Schwankungen unterliegen. Die von den Lichtdetektoren erfaßten Lichtintensitäten speisen jeweils einen Analog/Digitalwandler, so daß die Lichtintensitätswerte in einem Mikroprozessor verarbeitet werden können, der die jeweiligen Brechzahlen und Trübungswerte aufgrund einer vorgegebenen Gleichung berechnet oder unter Einsatz einer vorher abgespeicherten Tabelle den jeweiligen Paaren von Lichtintensitäten einen Brechzahlwert und einen Trübungswert zuordnet.
• Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• in der eine Figur umfassenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung teilweise schematisch in einer Seitenansicht und teilweise in einem Blockschaltbild dargestellt.
• Die in der Zeichnung dargestellte faseroptische Meßvorrichtung dient zur gleichzeitigen Bestimmung der Brechzahl und der Trübung einer Flüssigkeit 1, die sich in einem Behälter 2 befindet. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist ein erster Lichtwellenleiter-Sensor 3 vorgesehen, dessen vorderes, reflektierendes Ende 4 eine flache rechtwinklig zur Längsachse des ersten Lichtwellenleiter-Sensors 3 verlaufende Stirnfläche 5 aufweist.
• Der erste Lichtwellenleiter-Sensor 3 ist an den Ausgang eines ersten Lichtwellenleiter-Kopplers 6 angeschlossen, der in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Verdrillen zweier Lichtleitfasern hergestellt sein kann.
• Eingangsseitig geht der Lichtwellenleiter-Koppler 6 in einen Eingangslichtwellenleiter 7 über, dessen Stirnfläche 8 durch eine Leuchtdiode 9 bestrahlt wird.
• Das von der Leuchtdiode 9 als Lichtquelle ausgesandte Licht gelangt über den Eingangslichtwellenleiter 7 und den Lichtwellenleiter-Koppler 6 zum ersten Lichtwellenleiter-Sensor 3 und dessen Stirnfläche 5. Je nach der Trübung und der Brechzahl der Flüssigkeit 1 wird ein entsprechender Anteil des eingekoppelten Lichtes an der Stirnfläche 5 reflektiert und über den Lichtwellenleiter-Koppler 6 in einen Ausgangslichtwellenleiter 10 eingespeist. Am Ausgang 11 des Ausgangslichtwellenleiters 10 ist ein erster Lichtdetektor 12, beispielsweise eine Fotodiode, angeordnet, um die Intensität des an der Stirnfläche 5 des Lichtwellenleiter-Sensors 3 reflektierten Lichtes zu erfassen. Der Lichtdetektor 12 erzeugt entsprechend der einfallenden Lichtintensität ein elektrisches Ausgangssignal, das in einer analog oder digital arbeitenden Auswerteschaltung verarbeitet wird. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Ausgangssignal des ersten Lichtdetektors 12 digitalisiert und in einer Mikroprozessoranordnung aus einem ersten Mikroprozessor 13 und einem zweiten Mikroprozessor 14 verarbeitet. Statt zwei parallel arbeitende Mikroprozessoren 13 und 14 kann auch ein einzelner Mikroprozessor vorgesehen sein, der abwechselnd zwei unterschiedliche Auswerteprogramme ausführt.
• Wie man in der Zeichnung erkennt, erhalten beide Mikroprozessoren 13 und 14 zusätzlich zu dem Ausgangssignal des ersten Lichtdetektors 12 noch das Ausgangssignal eines zweiten Lichtdetektors 15. Aufgrund der Werte der beiden Lichtdetektorausgangssignale berechnet der erste Mikroprozessor 13 die Brechzahl der Flüssigkeit 1 und der zweite Mikroprozessor 14 die Trübung der Flüssigkeit 1. Die errechnete Brechzahl und die errechnete Trübung werden dann auf einer gemeinsamen oder auf einer ersten Anzeigevorrichtung 16 und einer zweiten Anzeigevorrichtung 17 dargestellt. Zusätzlich ist es auch möglich, die errechneten Werte zur Prozeßsteuerung weiterzuverarbeiten oder an einen weiteren Prozessor zu übertragen.
• Der zweite Lichtdetektor 15 wird über einen Ausgang 18 eines zweiten Ausgangslichtwellenleiters 19 bestrahlt, der in einen zweiten Lichtwellenleiter-Koppler 20 übergeht. Eingangsseitig ist der Lichtwellenleiter-Koppler 20 über einen zweiten Eingangslichtwellenleiter 21 mit der Leuchtdiode 9 gekoppelt, deren Licht über die Stirnfläche 22 in den zweiten Eingangslichtwellenleiter 21 gelangt.
• Die Leuchtdiode 9, die vorzugsweise zum Beleuchten beider Stirnflächen 8, 22 eingesetzt wird, ist an eine Stromquelle 23 angeschlossen, deren Ausgangsstrom eine konstante Leuchtintensität der Leuchtdiode 9 sicherstellt. Wenn die Leuchtkraft der Leuchtdiode 9 variiert oder wenn verschiedene Lichtquellen für die Eingangslichtwellenleiter 7 und 21 verwendet werden, können diese unterschiedlichen Verhältnisse durch die Mikroprozessoren 13 und 14 berücksichtigt werden, wenn zusätzlich zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel lntensitätsmeßvorrichtungen vorgesehen werden, deren Ausgangssignale den Mikroprozessoren 13 und 14 zugeführt werden.
• Das über den zweiten Eingangslichtwellenleiter 21 eingespeiste Licht gelangt über den Lichtwellenleiter-Koppler 20 zu einem zweiten Lichtwellenleiter-Sensor 24, dessen vorderes reflektierendes Ende 25 als konische Spitze mit einer Konusfläche 26 ausgebildet ist. Die Konusfläche 26 bewirkt je nach der Brechzahl und der Trübung der Flüssigkeit 1, daß ein Teil des über den Lichtwellenleiter-Koppler 20 eingekoppelten Lichtes reflektiert wird und schließlich zum zweiten Lichtdetektor 15 gelangt.
• Da die Empfindlichkeit des reflektierenden Endes 25 auf Trübungseinflüsse und Brechzahleinflüsse sich von der Empfindlichkeit auf Trübungsänderungen und Brechzahländerungen des vorderen reflektierenden Endes 4 des ersten Lichtwellenleiter-Sensors 3 unterscheidet, gelingt es, die Trübungseinflüsse und die Brechzahleinflüsse auf die an den Enden 4 und 25 reflektierten Lichtmengen zu separieren und getrennt anzuzeigen. Wenn eine Änderung in der Trübung der Flüssigkeit 1 ohne Änderung der Brechzahl der Flüssigkeit 1 stattfindet, ändern sich die an den Enden 4 und 25 reflektierten Lichtintensitäten. Entsprechendes gilt bei einer Änderung der Brechzahl der Flüssigkeit 1 und konstanter Trübung. Infolge der unterschiedlichen Empfindlichkeiten des Lichtwellenleiter-Sensors 3 und des Lichtwellenleiter-Sensors 24 ist es jedoch durch Lösen zweier Gleichungen mit zwei Unbekannten mit Hilfe der Mikroprozessoren 13 und 14 möglich, die sich beim Einsatz eines einzelnen Lichtwellenleiter-Sensors ergebenden unerwünschten Querempfindlichkeiten unwirksam zu machen.
• Bezeichnet man den brechzahlabhängigen Signalanteil am ersten Lichtdetektor 12 mit Sgl und den trübungsabhängigen Signalanteil am ersten Lichtdetektor 12 mit Sol2, so ergibt sich unter der vereinfachten Annahme, daß zwischen den Detektorsignalen S1 bzw. S2 und der Brechzahl bzw. der Trübung ein linearer Zusammenhang besteht, für das gesamte Detektorsignal S am ersten Lichtdetektor 12 folgende Gleichung: wobei iidie zu messende Brechzahl, Tdie zu bestimmende Trübung und flt, Tl, al und b1 Konstanten sind, die die jeweilige Sensorcharakteristik wiedergeben und durch die Sensorkonfiguration, d. h. durch die Form des vorderen reflektierenden Endes 4, vorgegeben und damit bekannt sind.
• Bezeichnet man den brechzahlabhängigen Anteil des Detektorsignals des zweiten Lichtdetektors mit S21 und den trübungsabhängigen Anteil dieses Signals mit S22,so ergibt sich für das insgesamt am zweiten Lichtdetektor 15 zur Verfügung stehende Signal S2 folgende Gleichung: wobei n2, T2, a2 und b2 wieder Konstanten sind, die von der Sensorcharakteristik des zweiten Lichtwellenleiter-Sensors 24 abhängig sind. Die durch den Mikroprozessor 13 zu errechnende Brechzahl ergibt sich durch Auflösung der obigen Gleichungen nach n: Die Auflösung der Gleichungen für die beiden oben genannten Detektorsignale nach Tergibt: In dieser Gleichung stellen S und S2 die von den Lichtdetektoren 12 und 15 gelieferten Detektorsignale dar.
• Alle übrigen Größen sind Konstanten, die beispielsweise durch Eichen ermittelt werden können. Durch Verarbeiten der beiden Detektorsignale S1 und S2 gemäß den obigen nach n bzw. Taufgelösten Gleichungen kann mit Hilfe des die Gleichung für n berechnenden Mikroprozessors 13 die Brechzahl n ausgerechnet und auf der ersten Anzeigevorrichtung 16 dargestellt werden, während mit Hilfe des die Gleichung für Tverarbeitenden zweiten Mikroprozessors 14 die Trübung berechnet und auf der Anzeigevorrichtung 17 dargestellt werden kann. Da beide Mikroprozessoren 13, 14 sowohl das Detektorsignal S als auch das Detektorsignal S2 benötigen, sind diese, wie in der Zeichnung dargestellt ist, mit ihren Eingängen jeweils sowohl an den ersten Lichtdetektor 12 als auch an den zweiten Lichtdetektor 15 unter Zwischenschaltung eines Analog/Digitalwandlers angekoppelt.

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Faseroptische Meßvorrichtung zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten mit einem mit seinem vorderen lichtreflektierenden Ende in die zu untersuchende Flüssigkeit eintauchbaren ersten Lichtwellenleiter-Sensor, in den über einen ersten Eingangslichtwellenleiter das Licht einer Lichtquelle einkoppelbar und aus dem über einen ersten Ausgangslichtwellenleiter das am vorderen Ende des ersten Lichtwellenleiter-Sensors reflektierte Licht zu einem ersten Lichtdetektor auskoppelbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß dem ersten Lichtwellenleiter-Sensor (3) ein ebenfalls in die Flüssigkeit eintauchbarer zweiter Lichtwellenleiter-Sensor (24) mit einem gegenüber dem lichtreflektierenden Ende (4J 5) des ersten Lichtwellenleiter-Sensors (3) unterschiedlich geformten lichtreflektierenden Ende (25, 26) und mit einem zweiten Eingangslichtwellenleiter (21) sowie einem zweiten Ausgangslichtwellenleiter (19) zugeordnet ist, der an einen zweiten Lichtdetektor (15) angekoppelt ist, und daß die Ausgangssignalleitungen beider Lichtdetektoren (12, 15) an eine Auswerteschaltung (13, 14) zur Auswertung der an den beiden Enden (4, 5, 25, 26) der beiden Lichtwellenleiter-Sensoren (3, 24) reflektierten Lichtintensitäten angeschlossen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (4, 25) der beiden Lichtwellenleiter-Sensoren (3,24) als kegelförmige Spitzen (25) mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln ausgebildet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (4,25) der beiden Lichtwellenleiter-Sensoren (3,24) als Kegelstümpfe ausgebildet sind, deren Formen sich voneinander unterscheiden.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende (4) des ersten Lichtwellenleiter-Sensors (3) als Lichtaustrittsfläche eine scheibenförmige Stirnfläche (5) vorgesehen ist, während die Lichtaustrittsfläche am Ende (25) des zweiten Lichtwellenleiter-Sensors (24) eine Kegelmantelfläche ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (25) des zweiten Lichtwellenleiter-Sensors (24) ein Kegelstumpf ist
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Kegels 30 Grad bis 120 Grad beträgt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Kegels 90 Grad beträgt.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangslichtwellenleiter (7, 21) und die Ausgangslichtwellenleiter (10, 19) jeweils über Lichtwellenleiter-Koppler (6, 20) mit den Lichtwellenleiter-Sensoren (3,24) verbunden sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingangslichtwellenleiter (7,21) durch eine gemeinsame Lichtquelle (9) gespeist sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoren (12, 15) an eine Mikroprozessoranordnung (13, 14) angeschaltet sind, so daß aus den Ausgangssignalen (sol, S2) der Lichtdetektoren (12, 15) die Brechzahl und die Trübung der Flüssigkeit berechenbar sind, in die die vorderen Enden (4,25) der Lichtwellenleiter-Sensoren (3,24) eingetaucht sind.

    Die Erfindung betrifft eine faseroptische Meßvorrichtung zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten mit einem mit seinem vorderen lichtreflektierenden Ende in die zu untersuchende Flüssigkeit eintauchbaren ersten Lichtwellenleiter-Sensor, in den über einen ersten Eingangslichtwellenleiter das Licht einer Lichtquelle einkoppelbar und aus dem über einen ersten Ausgangslichtwellenleiter das am vorderen Ende des ersten Lichtwellenleiter-Sensors reflektierte Licht zu einem ersten Lichtdetektor auskoppelbar ist.

    Eine derartige Meßvorrichtung ist beispielsweise aus der DE-PS 21 37 842 bekannt und verfügt über ein lichtreflektierendes Ende, dessen Stirnfläche in der Weise abgerundet ist, daß der Querschnitt der Stirnfläche unter stetiger Abnahme der Krümmung zum Lichtwellenleiter erweitert ist. Bei der Änderung der Brechzahl der untersuchten Flüssigkeit ändert sich der Anteil der an der abgerundeten Spitze total reflektierten Strahlung. Der durch das Brechzahlverhältnis bestimmte Winkel der Totalreflektion bestimmt den Anteil der zum Lichtdetektor gelangenden Strahlung, woraus sich auf das Brechzahlenverhältais und damit auf die Brechzahl der untersuchten Flüssigkeit rückschließen läßt.

    Die bekannte Meßvorrichtung liefert jedoch nur dann reproduzierbare und korrekte Werte für die Brechzahl der untersuchten Flüssigkeit, wenn diese völlig klar und ungetrübt ist. Beim Einsatz der bekannten Meßvorrichtung für Emulsionen, Dispersionen oder Suspensionen ergeben sich völlig falsche Meßwerte.

    Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Meßvorrichtung zu schaffen, die es gestattet, die Brechzahl einer Flüssigkeit auch bei Vorliegen einer Trübung der Flüssigkeit korrekt zu bestimmen. Weiterhin soll die Meßvorrichtung auch eine brechzahlunabhängige Trübungsmessung ermöglichen.