DE3726412A1

DE3726412A1 - Faseroptisches refraktometer

Info

Publication number: DE3726412A1
Application number: DE19873726412
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Niewisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1987-08-07
Publication date: 1989-02-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faseroptisches Refraktometer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

In vielen Gebieten der Meß- und Regelungstechnik werden Detektoren zur Messung und Überwachung der Eigenschaften von Flüssigkeiten benötigt. Insbesondere kann hierzu der Brechungsindex der Flüssigkeit herangezogen werden. Dabei bieten sich insbesondere faseroptische Sensoren an, die eine Reihe von Vorteilen haben. Diese bestehen beispielsweise in der möglichen Miniaturisierung der Bauform, in der problemlosen Handhabung im Ex-Bereich, ihrer Hochdruckbeständigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer möglichen kurzen Reaktionszeit.

Es ist beispielsweise ein faseroptischer Füllstandssensor bekannt (J. Niewisch, Siemens Forsch.- und Entwickl.-Ber., Band 15 (1986) 3, Seiten 115-119), bei dem das freie Ende eines Lichtwellenleiters zugleich als Sensorkopf ausgebildet ist. Eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger sind in dieser Anordnung über einen Faserkoppler mit einem Lichtwellenleiter verbunden, der sowohl das von der Lichtquelle emittierte Licht als auch das von seinem freien Ende teilweise reflektierte Licht transportiert. Das freie Ende des Lichtwellenleiters hat die Gestalt eines Rotationskörpers mit stetig verlaufender Hüllkurve. Dieser Rotationskörper stellt somit dem eigentlichen Sensorkopf dar. Eine Änderung der Brechzahldifferenz zwischen dem Lichtwellenleiter und der Umgebung beeinflußt den Anteil des an der Spitze in den Lichtwellenleiter zurückreflektierten Lichtes und somit das Signal am Empfänger. Dieser Sensortyp ist insbesondere für Messungen unter räumlich beengten Verhältnissen geeignet, da die Größe des Sensorkopfes den Durchmesser des Lichtwellenleiters nicht überschreitet. Ein für das System Wasser-Luft-PMMA optimal gestalteter Sensorkopf hat eine Hüllkurve, deren Kurvenform sich mittels eines Polynoms dritten Grades mathematisch beschreiben läßt. Bei der optimalen Gestaltung eines Füllstandsdetektors ist dabei jedoch nur der Signalhub von Interesse, der sich zwischen dem eingetauchten und nichteingetauchten Zustand des Sensorkopfes unter zusätzlicher Berücksichtigung der Benetzungseigenschaften des Sensorkopfes ergibt.

Es ist weiterhin ein faseroptisches Refraktometer bekannt (Spenner, K., Singh, M. D., Schulte, H., Boehnel, H. J., First International Conference on Optical Fibre Sensors, London, IEE (1983), Seiten 96-99), dessen Sensorkopf aus einer U-förmig gebogenen Lichtleitfaser besteht. Es konnte im Brechungsindexbereich von n = 1.33 bis n = 1.41 eine lineare Abhängigkeit des Fotostroms im Detektor vom Brechungsindex für Glasfasern beobachtet werden, deren Durchmesser zwischen 0,4 mm und 1 mm und deren Krümmungsradius zwischen 1 mm und 3 mm beträgt.

Ein derartiges Refraktometer hat jedoch den Nachteil, daß einerseits der Miniaturisierung des Sensorkopfes durch die erforderlichen Krümmungsradien Grenzen gesetzt sind und daß andererseits die mechanische Stabilität des Sensorkopfes unbefriedigend ist, da die gebogene Strecke der Lichtleitfaser dem Meßmedium frei zugänglich sein muß. Außerdem ist dieses Refraktometer empfindlicher gegen Temperaturschwankungen, da eine thermische Ausdehnung der Lichtleitfaser und der Halterungen zu einer Veränderung des Krümmungsradius des Sensorkopfes führen kann.

In der europäischen Patentschrift 00 00 319 ist ein faseroptisches Refraktometer vorgeschlagen worden, dessen Sensorkopf anstelle einer einfachen U-förmig gekrümmten Lichtleitfaser aus abwechselnd konkav und konvex gekrümmten Lichtleiterstrecken besteht. In dieser Schrift findet sich der Hinweis, daß ein derartiges Refraktometer insbesondere zum Messen des Ladezustandes eines Bleiakkumulators geeignet ist, da zwischen dem Ladezustand des Bleiakkumulators und dem Brechungsindex n der Akkumulatorflüssigkeit ein Zusammenhang besteht, der eine refraktometrische Ladezustandsmessung ermöglicht. Der Brechungsindex einer vollgeladenen Batterie ist dort mit n = 1.378 und der Brechungsindex einer leeren Batterie mit n = 1.348 angegeben.

Ein derartiges Refraktometer ist in "Harmer A. L.; First Int. Conf. on Opt. Fibre Sensors, London IEE (1983), Seiten 104 bis 108" näher ausgeführt. Dieses Refraktometer ist in die Schraubkappe eines Standardakkus integriert. Außerdem sind in dieser Druckschrift mehrere Möglichkeiten zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex der Akkumulatorflüssigkeit angegeben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer anzugeben, das sowohl im Brechungsindexbereich zwischen n = 1.33 und n = 1.38 eine hohe Empfindlichkeit hat, als auch bei möglichst geringen geometrischen Abmessungen einen einfachen und mechanisch stabilen Aufbau ermöglicht.

Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein entsprechend dem Hauptanspruch gestaltetes Ende des dritten Lichtwellenleiters nicht nur als Sensorkopf für einen Füllstandsdetektor, bei dem es nur auf einen großen Signalhub zwischen den Zuständen n = 1.33 (Wasser) und n = 1.0 (Luft) ankommt, sondern auch als Refraktometer im Bereich zwischen n = 1.33 und n = 1.38 besonders geeignet ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform hat die Hüllkurve wenigstens die Gestalt

wobei für a die Bedingung 1.5 a 2.5, insbesondere a ≈ 2 erfüllt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein Refraktometer gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist und deren

Fig. 2 den Sensorkopf im Schnitt zeigt. In

Fig. 3 ist das Verhältnis der Intensität des reflektierten Lichtes zur Intensität des gesendeten Lichtstrahles gegen den Brechungsindex für eine besonders bevorzugte Form des Sensorkopfes aufgetragen.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Refraktometer 1 eine Lichtquelle 4 und einen Lichtempfänger 6. Die Lichtquelle 4 und der Lichtempfänger 6 sind jeweils mit dem einen Ende eines ersten Lichtwellenleiters 8 und eines zweiten Lichtwellenleiters 10 optisch verbunden. Die anderen Enden der Lichtwellenleiter 8 und 10 sind mit einem Faserkoppler 12 optisch gekoppelt. Der Faserkoppler 12 verknüpft die beiden Lichtwellenleiter 8 und 10 mit einem Ende eines dritten Lichtwellenleiters 14. Der Lichtwellenleiter 14 hat ein freies Ende 16, das die Gestalt eines Rotationskörpers hat. Die Lichtwellenleiter 8, 10 und 14 sind bis auf das freie Ende 16 in einer bevorzugten Ausführungsform außerdem durch eine in der Figur nicht dargestellten optisch undurchlässigen Mantel gegen Beschädigung und Fremdlichteinfluß geschützt. Das freie Ende 16 des Lichtwellenleiters 14 befindet sich in einer Flüssigkeit 20, beispielsweise Batteriesäure, deren Brechungsindex n geringer ist als der Brechungsindex n₁ des Lichtleitermaterials. Ein Teil des sich von der Lichtquelle 4 in Richtung zum freien Ende 16 ausbreitenden Lichtes wird dort reflektiert und über den Faserkoppler 12 und den Lichtwellenleiter 10 zum Lichtempfänger 6 weitergeleitet. Die Intensität des reflektierten Lichtes hängt dabei von der Differenz der Brechungszahlen n₁-n ab und nimmt mit wachsender Differenz stetig zu. Eine Verringerung der Brechungszahl n bewirkt somit eine Erhöhung der auf den Lichtempfänger 6 auftreffenden Lichtmenge und des am Lichtempfänger 6 gemessenen elektrischen Signals ist entsprechend erhöht.

Als Lichtwellenleiter 14 können Fasern mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 mm oder Stäbe mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 bis 10 mm verwendet werden. Ein Vorteil bei der Verwendung von Stäben besteht darin, daß Biegeverluste praktisch vernachlässigbar sind. Anstelle eines Faserkopplers 12 kann auch ein optoelektronisches Bauteil vorgesehen sein, bei dem sowohl die Lichtquelle 4 als auch der Lichtdetektor 6 ohne weitere optische Zwischenstrecke mit dem Lichtwellenleiter 14 gekoppelt sind (deutsche Patentanmeldung P 37 16 772.3). Die Lichtwellenleiter 8, 10, 14 und der Faserkoppler 12 können aus einem transparenten Kunststoff, beispielsweise Polymethylmethacrylat PMMA, Polycarbonat PC oder Polystyrol PS oder aus Glas bestehen. Als Material für den Lichtwellenleiter 14 kann aus Gründen der chemischen Widerstandsfähigkeit zweckmäßig sein.

Gemäß Fig. 2 ist das freie Ende 16 des Lichtwellenleiters 14 in Form eines Rotationskörpers derart gestaltet, daß seine in Richtung der Drehachse 18 gemessene Höhe h größer als der Radius r des Lichtwellenleiters 14 ist. Die Spitze S des freien Endes 16 ist der Schnittpunkt der Drehachse 18 mit der Oberfläche des Rotationskörpers. Im Bereich der Spitze S hat die Hüllkurve 22 des Rotationskörpers einen glatten, stetig differenzierbaren Verlauf. Der von der Spitze S des freien Endes 16 zur Seitenfläche 24 des Lichtwellenleiters 14 verlaufende Teil der Hüllkurve 22 läßt sich mathematisch durch ein Polynom wenigstens dritten Grades beschreiben

Die Ordinate y wird durch die Drehachse 18 gebildet und die Abszisse x liegt senkrecht dazu in der durch die Stirnfläche des zylindrischen Teils des Lichtwellenleiters 14 definierten Ebene. Eine besonders vorteilhafte Form hat die Gestalt

für die sich die Höhe h zu 2 r ergibt.

Die Empfindlichkeit eines derart geformten Sensorkopfes ist entsprechend Fig. 3, in der das Verhältnis von reflektierter Intensität I _r zur gesendeten Intensität I gegen den Brechungsindex der Flüssigkeit aufgetragen ist, im Bereich zwischen n = 1.33 und n = 1.38 weitgehend linear. Ein Maß für die Empfindlichkeit ist die Differenz Δ R zwischen dem Intensitätsverhältnis I _r/I bei n = 1.38 und n = 1.33. Für einen Sensorkopf aus einem PMMA-Lichtleiter mit einem Brechungsindex im Kernbereich von n₁ = 1.49, einer numerischen Apertur von N _A = 0,5 und einer geometrischen Gestalt gemäß Gleichung (2) erhält man Δ R = 0.070. Dabei hat sich gezeigt, daß auch Sensorköpfe mit anderen kubischen Parabelformen, beispielsweise entsprechend

mit Δ R = 0.053 und entsprechend

mit Δ R =0,066
durchaus noch eine befriedigende Empfindlichkeit haben und deutlich besser sind als Formen, deren Hüllkurven beispielsweise die mathematische Gestalt einer quadratischen Parabel haben. So ergibt sich beispielsweise ein Sensorkopf mit einer Gestalt gemäß

Δ R zu 0,005 und somit eine um mehr als eine Zehnerpotenz geringere Empfindlichkeit.

Claims

1. Refraktometer (2) für Flüssigkeiten mit einem Brechungsindex zwischen n = 1.33 und n = 1.38, insbesondere zur Messung des Ladezustandes eines Bleiakkumulators mit folgenden Merkmalen:

a) Ein Ende eines Lichtwellenleiters (14) ist mit einem Lichtempfänger (6) und einer Lichtquelle (4) optisch gekoppelt,
b) das andere Ende (16) des Lichtwellenleiters (14) ist frei,
c) das freie Ende (16) des Lichtwellenleiters (14) hat die Gestalt eines Rotationskörpers mit gekrümmter glatter Hüllkurve,
d) der vom Schnittpunkt der Drehachse (18) des Rotationskörpers mit seiner Oberfläche (14) zur Seitenfläche (24) des Lichtwellenleiters (14) verlaufende Teil der Hüllkurve hat die Gestalt eines Polynoms dritten Grades.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Polynom durch die mathematische Formel darstellen läßt, wobei der Parameter a die Bedingung
1,5 a 2,5
erfüllt.

3. Refraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtwellenleiter (14) ein starrer Stab vorgesehen ist.