DE4135021A1 - Optische messsonde zur messung der lichttransmission von fluessigkeiten - Google Patents
Optische messsonde zur messung der lichttransmission von fluessigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Messung der Lichttransmission von
Flüssigkeiten und insbesondere eine optische Meßsonde zum
Eintauchen in Flüssigkeiten für die Messung.
Eine konventionelle Gruppe von Spektrophotometern wird zur
Messung der optischen Transmission flüssiger Proben in dem
Spektralbereich vom nahen Infrarot bis zum Ultraviolett ein
gesetzt. Es gibt ein ständiges Bedürfnis für Verbesserungen
der Genauigkeit und für ein leichtes Einbringen der Optik des
Instruments in jede Probe eines Satzes von Probenflüssigkei
ten. Die Meßgenauigkeit betrifft insbesondere die gleichför
mige Weglänge des optischen Weges in der flüssigen Probe,
und die Minimalisierung von Reflexions- und Beugungseffek
ten. Mechanisch sollte ein optisches Meßsondengerät klein
sein, tragbar, verläßlich und dauerhaft. Faseroptiken stel
len eine Basis für eine geeignete Meßsonde zur Verfügung,
die in flüssige Proben eingetaucht werden kann.
Der übliche Weg der Probenentnahme einer von mehreren Flüssig
keiten, die in getrennten Behältern enthalten sind, besteht
im Ansaugen der ausgewählten Flüssigkeit aus ihrem Behälter
in das Instrument. Typische Beispiele sind in den US-Paten
ten Nr. 42 29 179 (Lee) und 42 22 670 (Koshiishi) beschrie
ben. Das letztgenannte Patent erläutert weiterhin Überlegun
gen bezüglich optischer Präzisionsoberflächen in dem System
zur Messung der Lichttransmission der Flüssigkeit, und bezüg
lich der Entnahme von Flüssigkeit aus dem optischen System
in Vorbereitung für die nächste Probe. Im allgemeinen erfor
dert das Ansaugverfahren zusätzliche Zeit für den Vorgang und
ein beträchtliches Tunneln, bei welchem eine Verschmutzung
durch frühere Proben auftreten kann.
Das US-Patent Nr. 44 31 307 (Suovanieme) beschreibt die An
ordnung der Flüssigkeitsbehälter ("Küvetten") in einer Ma
trix, wobei jeder Behälter seine eigene Optik aufweist. Die
Verwendung in Flüssigkeit eingetauchter Faseroptiken ist im
US-Patent Nr. 44 03 861 (Boisde et al.) beschrieben, offen
bar mit einem einfachen Spalt zwischen den Faserenden, um
Licht durch einen Abschnitt der Flüssigkeit hindurchgelangen
zu lassen. Dieser Vorschlag löst möglicherweise einige der
voranstehend angegebenen Probleme, befaßt sich jedoch nicht
mit irgendeiner Anforderung zum Einbringen einer Präzisions
optik in die Flüssigkeit oder einem entsprechenden Verfahren.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer
neuen optischen Meßsonde zum Einführen in Flüssigkeiten, um
die Lichttransmissionseigenschaften der Flüssigkeit durch ein
Photospektrometer zu messen. Ein weiterer Vorteil liegt in
der Bereitstellung einer derartigen optischen Meßsonde, die
eine verbesserte optische Genauigkeit aufweist. Ein anderer
Vorteil besteht in der Bereitstellung einer derartigen Meß
sonde, die klein, tragbar, verläßlich und widerstandsfähig
ist.
Die voranstehenden und weitere Vorteile werden durch eine op
tische Meßsonde erzielt die ein röhrenförmiges Gehäuse mit
einer zylindrischen Wand aufweist, in welcher eine Öffnung
oder mehrere Öffnungen nahe beieinander vorgesehen sind. Ein
massives zylindrisches Teil ist aus einem transparenten Mate
rial gebildet und weist eine flache, transparente Endoberflä
che und eine gegenüberliegende gekrümmte Oberfläche auf, die
eine ausgewählte Krümmung hat und versilbert ist, um einen
inneren konkaven Reflektor auszubilden. Das zylindrische Teil
ist so in dem Gehäuse gehalten, daß sich die transparente End
oberfläche neben den Öffnungen befindet.
Ein transparentes, massives Stangenteil weist eine flache er
ste Endoberfläche und eine flache zweite Endoberfläche paral
lel zu der ersten Endoberfläche auf. Das Stangenteil ist so
in dem Gehäuse gehalten, daß die zweite Endoberfläche neben
den Öffnungen liegt und von der transparenten Endoberfläche
parallel zu dieser beabstandet ist, um dazwischen einen Hohl
raum auszubilden. Beim Eintauchen der Meßsonde gelangt durch
die Öffnungen Flüssigkeit in den Hohlraum. Die erste Endober
fläche ist von dem konkaven Reflektor in Zusammenarbeit mit
der ausgewählten Krümmung beabstandet, wobei der Hohlraum und
die Brechungsindices des Reflektorteils, des Stangenteils und
der Flüssigkeit so ausgebildet sind, daß ein ausgewählter
erster und ein zweiter konjugierter Brennpunkt des konkaven
Reflektors sich quer beabstandet im wesentlichen auf der er
sten Endoberfläche befinden.
Eine erste optische Faser mit einem planaren Ende ist licht
durchlässig an der ersten Endoberfläche in Ausrichtung mit
dem ersten Brennpunkt befestigt, und eine zweite optische
Faser mit einem planaren Ende ist lichtdurchlässig (transpa
rent) an der ersten Endoberfläche in Ausrichtung mit dem
zweiten Brennpunkt befestigt.
Durch die erste optische Faser eintretendes Licht gelangt
hierdurch zweimal durch die Flüssigkeit in der Öffnung, wäh
rend es durch den konkaven Reflektor in die zweite optische
Faser mit minimalen Brechungs- und Beugungsverlusten reflek
tiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Zielrichtung weist die zylindrische
Wand in der Nähe des Hohlraumes drei gleich ausgebildete
Schenkel auf, so daß die Öffnungen als drei bogenförmig be
abstandete Öffnungen zum Hohlraum ausgebildet sind. Darüber
hinaus sollten das zylindrische Teil und das Stangenteil je
weils zylindrische Oberflächen aufweisen, die gegen äußere
Reflexionen geschwärzt sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell
ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich
weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine optische Meßsonde gemäß
der Erfindung; und
Fig. 2 einen Querschnitt entlang 2-2 von Fig. 1.
In Fig. 1 weist eine optische Meßsonde 10 ein röhrenförmiges
Gehäuse 12 mit einer zylindrischen Wand 14 aus Edelstahl auf,
in welcher drei gleiche und im Bogen beabstandete benachbar
te Öffnungen 16 vorgesehen sind. Diese Öffnungen sind vorzugs
weise so gebildet, daß die zylindrische Wand einen Abschnitt
aufweist, der mit drei gleichmäßig beabstandeten Schenkeln 80
versehen ist, wie im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist.
Im übrigen weist das Gehäuse einen gleichförmigen Innendurch
messer 20 abgesehen von einem Bodenende 22 auf, welches einen
geringeren Durchmesser 24 aufweisen kann, um eine ringförmige
Schulter 26 auszubilden. Der Boden kann geschlossen sein, das
andere Ende 28 ist jedoch offen.
Ein massives zylindrisches Teil 30 ist aus Glas oder geschmol
zenem Quarz oder einem anderen transparenten Material herge
stellt. An dieses Teil sind eine flache transparente Endober
fläche 32 und eine gegenüberliegende gekrümmte Oberfläche 33
angebondet. Die gekrümmte Oberfläche ist mit Aluminium oder
dergleichen versilbert und weist eine ausgewählte Krümmung
auf, um einen internen konkaven Reflektor auszubilden. Das
Teil 30 ist in dem Gehäuse 12 gegen die Schulter 26 so anze
mentiert, daß die transparente Oberfläche neben den Öffnun
gen 16 liegt.
Ein transparentes, massives Stangenteil 34 weist eine flache
erste Endoberfläche 36 und eine flache zweite Endoberfläche
38 parallel zu der ersten Endoberfläche auf. Diese Endober
flächen sind ebenso wie die transparente Oberfläche 32 des
zylindrischen Teils 30 poliert und exakt parallel zueinander
ausgerichtet. Das Stangenteil 34 wird durch Zement in dem
Gehäuse 12 so befestigt, daß die zweite Endoberfläche 38 be
nachbart den Öffnungen 16 liegt und von der transparenten
Oberfläche 32 beabstandet ist, um dazwischen einen Hohlraum
40 auszubilden. Der Hohlraum ist direkt durch die Öffnungen
16 zugänglich, so daß nach dem Eintauchen der Meßsonde in
eine Flüssigkeit 42 die Flüssigkeit durch die Öffnungen in
den Hohlraum gelangt. Es kann eine Öffnung oder irgendeine
sinnvolle Anzahl von Öffnungen vorgesehen sein, soweit ein
vernünftiger Zugang und Abfluß für die Flüssigkeit zum Hohl
raum und von diesem weg besteht. Die drei Schenkel 18 und
Öffnungen 16 sorgen für eine gute Halterung und einen ein
fachen Zugang zur Kammer zum Reinigen. Darüber hinaus kön
nen sich wie dargestellt die Öffnungen über die transparen
ten Teile 30, 34 erstrecken.
Die erste Endoberfläche 36 ist von dem konkaven Reflektor 33
um eine solche Entfernung beabstandet, die zusammenwirkend
mit der ausgewählten Krümmung und mit den Brechungsindices
des Reflektorteils, des Stangenteils und der Flüssigkeit aus
gewählt ist, so daß ausgewählte erste und zweite konjugierte
Brennpunkte 44, 46 des konkaven Reflektors 33 quer beabstan
det auf der ersten Endoberfläche 36 angeordnet sind.
Eine erste optische Faser 48 mit einem flachen Ende ist trans
parent an der ersten Endoberfläche 36 ausgerichtet mit dem er
sten Brennpunkt 44 befestigt. Eine zweite optische Faser 50
mit einem flachen Ende ist ähnlich an der ersten Endoberflä
che 52 ausgerichtet mit dem zweiten Brennpunkt 46 befestigt.
Festigkeit und Stärke können dadurch erreicht werden, daß zu
erst die Fasern durch Löcher in einer Scheibe 52 befestigt
werden, die in das Gehäuse 14 unter Berührung der Endoberflä
che 36 einzementiert ist. Vor der Befestigung können die ebe
nen Enden der Fasern in der Scheibe poliert werden. Die Fasern
an der Scheibe sollten jeweils im Winkel angeordnet sein, so
daß sie auf das optische Zentrum 53 der reflektierenden Ober
fläche 33 zielen.
Durch die erste optische Faser 48 eintretendes Licht 54 ge
langt aufeinanderfolgend durch die Stange 34, die Flüssig
keit 42 in der Kammer 40, und das zylindrische Teil 30. Dann
wird das Licht durch den konkaven Reflektor zurückreflektiert
durch die Folge des Teils, der Flüssigkeit und der Stange in
die zweite optische Faser 50 als Ausgangslicht 56. Die Licht
strahlen in der Meßsonde 10 sind allgemein durch Weglinien
58 dargestellt. Daher gelangt der Lichtstrahl zweifach durch
die Flüssigkeit 42 in dem Hohlraum 40, beim Eintritt und beim
Austritt, wodurch jegliche Lichtabsorption durch die Flüs
sigkeit verdoppelt wird. Hierdurch können Transmissionseigen
schaften der Flüssigkeit mit einem (nicht dargestellten)
Spektrometerinstrument gemessen werden, welches an die opti
schen Fasern angekuppelt ist, durch einfachen Vergleich des
Ausgangslichtes mit dem Eingangslicht. Vorzugsweise weist das
Stangenteil 34 in sich eine ringförmige Nut 60 auf, um eine
optische Apertur für das Licht auszubilden. Dies stellt eben
falls einen Verankerungsplatz für Zement 62 zur Verfügung.
Durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Meßsonde wird ein
hoher Genauigkeitsgrad erreicht mit einer gleichförmigen Weg
länge des Lichtes, welches durch die Flüssigkeit gelangt.
Brechungs- und Beugungsverluste werden bei der dargestellten
Konstruktion der Meßsonde minimalisiert, auch durch die paral
lelen Oberflächen, und infolge des Ausschlusses von Licht von
dem optischen Weg durch gleiche Brechungsindices von Glas oder
Quarz und den meisten Flüssigkeiten. Für eine höhere Genauig
keit kann ein Glas gewählt werden, welches einen Brechungs
index aufweist, der im wesentlichen derselbe ist wie der der
gewünschten Flüssigkeit. Darüber hinaus sind das zylindrische
Teil 30 und das Stangenteil 40 mit ihren jeweiligen zylindri
schen Grenzflächen 64, 66 geschwärzt ausgebildet gegen exter
ne Reflexionen, wodurch die Leistung weiter gesteigert wird.
Die Meßsonde ist recht stabil. Geeignete Abmessungen für die
Meßsonde sind ein Außendurchmesser von 8 mm und eine Länge
von etwa 2,5 cm, ohne die Ausdehnung der optischen Fasern.
Eine derartige Größe ist geeignet zum Einführen in Flüssig
keitsprobenbecher 68, die üblicherweise für Spektrophotometer
eingesetzt werden.
Zwar wurde die Erfindung voranstehend im einzelnen unter Be
zug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, jedoch wer
den Fachleuten auf diesem Gebiet zahlreiche Änderungen und
Modifikationen deutlich werden, die in den Umfang der Erfin
dung und den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche
fallen. Die Erfindung soll daher nur durch den Offenbarungs
gehalt der gesamten Unterlagen einschließlich der beigefüg
ten Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt sein.
Claims (8)
1. Optische Meßsonde zur Messung der Lichttransmission von
Flüssigkeiten gekennzeichnet durch:
ein röhrenförmiges Gehäuse, welches eine zylindrische Wand aufweist, in der eine oder mehrere benachbarte Öffnungen vorgesehen sind;
ein massives zylindrisches Teil, welches aus transparen tem Material besteht, und eine ebene transparente Endober fläche und eine gegenüberliegende gekrümmte Oberfläche aufweist, die eine ausgewählte Krümmung hat und versilbert ist, um einen innen konkaven Reflektor zu bilden, wobei das zylindrische Teil so in dem Gehäuse gehalten ist, daß sich die transparente Endoberfläche benachbart den Öffnun gen befindet;
ein transparentes, massives Stangenteil mit einer ebenen ersten Endoberfläche und einer zweiten ebenen Endoberflä che parallel zu der ersten Endoberfläche, wobei das Stan genteil so in dem Gehäuse gehaltert ist, daß die zweite Endoberfläche benachbart den Öffnungen angeordnet und von der zu ihr parallelen transparenten Endoberfläche beab standet ist, um dazwischen einen Hohlraum auszubilden, so daß nach Eintauchen der Meßsonde Flüssigkeit durch die Öffnungen in den Hohlraum gelangt, wobei die erste End oberfläche von dem konkaven Reflektor in Abstimmung mit der ausgewählten Krümmung, dem Hohlraum und Brechungsindi ces des Reflektorteils, des Stangenteils und der Flüssig keit beabstandet ist, so daß ausgewählte erste und zweite konjugierte Brennpunkte des konkaven Reflektors in quer beabstandeten Positionen im wesentlichen an der ersten Endoberfläche angeordnet sind;
eine erste optische Faser mit einem planaren Ende, wel ches transparent an der ersten Endoberfläche ausgerich tet mit dem ersten Brennpunkt befestigt ist; und
eine zweite optische Faser mit einem planaren Ende, wel ches transparent an der ersten Endoberfläche ausgerich tet mit dem zweiten Brennpunkt befestigt ist;
wodurch in das Stangenteil von der ersten optischen Faser eintretendes Licht zweifach durch die Flüssigkeit in der Öffnung gelangt, und durch den konkaven Reflektor in die zweite optische Faser reflektiert wird.
ein röhrenförmiges Gehäuse, welches eine zylindrische Wand aufweist, in der eine oder mehrere benachbarte Öffnungen vorgesehen sind;
ein massives zylindrisches Teil, welches aus transparen tem Material besteht, und eine ebene transparente Endober fläche und eine gegenüberliegende gekrümmte Oberfläche aufweist, die eine ausgewählte Krümmung hat und versilbert ist, um einen innen konkaven Reflektor zu bilden, wobei das zylindrische Teil so in dem Gehäuse gehalten ist, daß sich die transparente Endoberfläche benachbart den Öffnun gen befindet;
ein transparentes, massives Stangenteil mit einer ebenen ersten Endoberfläche und einer zweiten ebenen Endoberflä che parallel zu der ersten Endoberfläche, wobei das Stan genteil so in dem Gehäuse gehaltert ist, daß die zweite Endoberfläche benachbart den Öffnungen angeordnet und von der zu ihr parallelen transparenten Endoberfläche beab standet ist, um dazwischen einen Hohlraum auszubilden, so daß nach Eintauchen der Meßsonde Flüssigkeit durch die Öffnungen in den Hohlraum gelangt, wobei die erste End oberfläche von dem konkaven Reflektor in Abstimmung mit der ausgewählten Krümmung, dem Hohlraum und Brechungsindi ces des Reflektorteils, des Stangenteils und der Flüssig keit beabstandet ist, so daß ausgewählte erste und zweite konjugierte Brennpunkte des konkaven Reflektors in quer beabstandeten Positionen im wesentlichen an der ersten Endoberfläche angeordnet sind;
eine erste optische Faser mit einem planaren Ende, wel ches transparent an der ersten Endoberfläche ausgerich tet mit dem ersten Brennpunkt befestigt ist; und
eine zweite optische Faser mit einem planaren Ende, wel ches transparent an der ersten Endoberfläche ausgerich tet mit dem zweiten Brennpunkt befestigt ist;
wodurch in das Stangenteil von der ersten optischen Faser eintretendes Licht zweifach durch die Flüssigkeit in der Öffnung gelangt, und durch den konkaven Reflektor in die zweite optische Faser reflektiert wird.
2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
dem Stangenteil eine ringförmige Nut ausgebildet ist, wel
che eine optische Apertur für das Licht festlegt.
3. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
der zylindrischen Wand drei benachbarte Öffnungen vorge
sehen sind.
4. Meßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
zylindrische Wand nahe dem Hohlraum drei gleich ausgebil
dete Schenkel aufweist, so daß die Öffnungen als drei
bogenförmig beabstandete Öffnungen zu dem Hohlraum ausge
bildet sind.
5. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das zylindrische Teil und das Stangenteil jeweils mit zu
gehörigen zylindrischen Oberflächen versehen ist, welche
gegen externe Reflexionen geschwärzt sind.
6. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das zylindrische Teil und das Stangenteil aus Glas oder
geschmolzenem Siliziumoxid bestehen.
7. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brechungsindices des zylindrischen Teils und des röh
renförmigen Teils im wesentlichen dieselben sind wie der
der Flüssigkeit.
8. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der konkave Reflektor ein optisches Zentrum aufweist,
und daß die optischen Fasern jeweils winklig angeordnet
sind, so daß sie auf das optische Zentrum zielen.
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