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Refraktometer für ,trübe Flüssigkeiten und breiige Stoffe Zur Bestimmung
des Drechungsvermögens von Flüssigkeiten benutzt man in der Regel die bekannten
Refraktometer, also Geräte, bei denen die Flüssigkeit in Berührung mit einer ebenen
Fläche, der sog. Meßfläche eines Meßprismas gebracht wird und im Gesichtsfelde eines
Fernrohrs die Grenzlinie der Totalreflexion des Lichtes an dieser Meßfläche aufgesucht
wird. Dabei sind zwei verschiedene Verfahren üblich, nämlich die Bestimmung der
Lage der Grenzlinie entweder mit durchfallendem oder mit reflektiertem Lichte. Das
erstere Verfahren eignet sich gut für die Untersuchung von farblosen oder nur sehr
schwach gefärbten Flüssigkeiten, während das zweite Verfahren bei der Untersuchung
stark gefärbter Flüssigkeiten vorgezogen wird. Der bei durchfallendem Lichte dunkle
Teil des Feldes wird bei reflektiertem Lichte hell, da er den Bereich der- Totalreflexion
an der Metallfläche darstellt. Der andere, bei durchfallendem Lichte helle Teil
des Feldes weist bei reflektiertem Lichte eine verminderte Helligkeit auf, da ein
Teil des in diesem Bereiche auf die Meßfläche fallenden Lichtes in die Flüssigkeit
eintritt und nicht in das Fernrohr gelangt.
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Es hat sich gezeigt, daß die bekannten Refraktometer einwandfreie
Ergebnisse liefern, wenn die zu untersuchenden Flüssigkeiten klar sind. Bei trüben
Flüssigkeiten ergeben sich dagegen Schwierigkeiten, und zwar aus dem Grunde, weil
eine Aufhellung des dunkleren Teils des Feldes infolge der Beugung des Lichts an
den die Trübung hervorrufenden, in der Flüssigkeit schwebenden Teilchen bewirkt
wird. Diese Aufhellung ist je nach dem Grade der Trübung und der Art der Beleuchtung
verschieden und kann in manchen Fällen den Helligkeitsunterschied des Feldes
zu
beiden Seiten der Grenzlinie vollständig ausgleichen und somit das Erkennen der
Grenzlinie unmöglich machen.
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Mit der Erfindung werden die genannten Schwierigkeiten vermieden und
auch trübe Flüssigkeiten der Untersuchung mit dem Refraktometer zugänglich gemacht.
Darüber hinaus kann auch das Brechungsvermögen breiiger und sogar fester plastischer
oder elastischer Stoffe, wie beispielsweise Wachs oder Weichgummi, mit dem Erfindungsgegenstande
bestimmt werden. Man geht dabei von dem Gedanken aus, das Licht, welches von den
im untersuchten Stoffe vorhandenen, die Trübung verursachenden Teilchen abgebeugt
wird, zur Messung auszunutzen, während total an der Meßfläche reflektiertes Licht
nicht in das Fernrohr gelangen kann. Das Refraktometer ist mit einem Meßprisma ausgestattet,
von dessen zu ein und derselben Ebene senkrechten Begrenzungsflächen eine dem Lichteintritt,
eine zweite dem Lichtaustritt und eine dritte als Meßfläche dient. Die letztere
ist dazu bestimmt, mit dem zu untersuchenden Stoff in Berührung gebracht zu «-erden.
Mit einem derartigen Refraktometer ist die Lösung der Aufgabe möglich, wenn man
dafür sorgt, daß gemäß der Erfindung die Lichteintrittsfläche des Meßprismas der
Meßfläche ungefähr parallel ist. Die angewandte Beleuchtungsart ist dann der aus
der Mikroskopie bekannten Dunkelfeldbeleuchtung vergleichbar.
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Bei gewissen Refraktometern, den sog. Betriebsfraktometern, die an
Gefäße, die mit der zu überwachenden Flüssigkeit gefüllt sind, fest angebaut sind,
ist es nicht erwünscht, daß die optische Achse des Fernrohres mit der Meßfläche
des Prismas, welches ein Fenster in der Gefäßwand bildet, einen spitzen Winkel bildet,
weil diese Lage vielfach nur unbequemes Beobachten zur Folge haben würde. Zur Vermeidung
solcher unerwünschter Winkel empfiehlt es sich, das Meßprisma so auszubilden, daß
eine vierte jener Begrenzungsflächen dazu dient, senkrecht zur Lichteintrittsfläche
in das Prisma eingetretene Lichtstrahlen nach ihrem Austritt aus dem zu untersuchenden
Stoff so abzulenken, daß sie den Lichteintrittsstrahlen ungefähr parallel sind.
Dabei ergibt sich eine besonders einfache Ausbildung des Meßprismas, wenn die Lichteintrittsfläche
und die Lichtaustrittsfläche Teile einer gemeinsamen Begrenzungsfläche des Meßprismas
sind.
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Will man mit demselben Gerät außer trüben auch klare Stoffe untersuchen
können, so läßt sich das in einfacher Weise ermöglichen, indem man das Meßprisina
mit einer zweiten, dem Lichteintritt dienenden Begrenzungsfläche versieht, die unter
einem spitzen Winkel zur Meßfläche geneigt ist. Man kann dann nach Bedarf neben
Untersuchungen mit abgebeugtem Lichte auch Messungen mit reflektiertem Lichte durchführen,
indem man die benutzte Lichteintrittsfläche jeweils etwa rechtwinklig zu den einfallenden
Lichtstrahlen anordnet. Es ist selbstverständlich, daß man im Falle einer solchen
Ausbildung des Geräts dafür sorgen muß, daß stets nur durch eine der beiden Eintrittsflächen
Licht in das Prisma gelangen kann, um eine deutliche, von unerwünschtem Lichte nicht
beeinflußte Grenzlinie im Fernrohr zu erhalten.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen des Meßprismas
und ein Betriebsrefraktometer als Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.
Abb. i zeigt die einfachste Form des Meßprismas zur Verdeutlichung des Meßvorganges.
Abb.2 gibt eine zweite Ausführungsform des 'Meßprismas an. Das Betriebsrefraktometer
ist in Abb. 3 im Grundriß und in Abb. q. im Seitenriß dargestellt.
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Das Prisma nach Abb. i hat viereckigen OOuerschnitt. Zwei seiner zum
Querschnitt rechtwinkligen Begrenzungsflächen sind parallel zueinander. Eine dieser
Flächen, die mit i bezeichnet ist, bildet die Meßfläche, während die mit 2 bezeichnete
parallele Fläche als Lichteintrittsfläche dient. Die Lichtaustrittsfläche 3 ist
unter einem spitzen Winkel zur Meßfläche i geneigt. Die vierte Begrenzungsfläche
d., deren Lage an sich beliebig ist, ist im Beispiel senkrecht zu den beiden parallelen
Flächen i und 2 angenommen.
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Das Licht tritt in der Pfeilrichtung etwa rechtwinklig zur Lichteintrittsfläche
2 ein und trifft nach Durchsetzen des Prismas die Meßfläche i unter demselben Winkel.
Abgesehen von geringen partiellen Reflexionen an beiden Flächen dringt das Licht
ungeschwächt in die mit der Meßfläche i in Berührung befindliche Flüssigkeit 5 ein,
deren Brechzahl bestimmt werden soll. Die in der Flüssigkeit 5 schwebenden Teilchen
beugen das Licht ab, und das abgebeugte Licht tritt wiederum in das Prisma ein.
Ein mittlerer Lichtstrahl 6 wird nach der Abbeugung in ein Strahlenbündel 7 zerstreut,
dessen Grenzstrahl 8 dem streifenden Lichteinfall an der Meßfläche aus der Flüssigkeit
5 in das Prisma entspricht. Die vom Lichtstrahle 6 herrührenden abgebeugten Lichtstrahlen
erhellen demnach den in der Abb. i vom Strahle 8 gelegenen Bereich, während in den
rechts von diesem Strahle 8 gelegenen Bereich kein abgebeugtes Licht gelangen kann.
In gleicher Weise wird das aus anderen einfallenden Strahlen 9 herrührende Liclit-in
der Flüssigkeit 5 abgebeugt, wobei sich für jeden Strahl 9 ein Grenzstrahl io ergibt,
der dem Grenzstrahle 8 parallel ist. Die
Strahlen 8 und io werden
mit Hilfe eines Fernrohrobj ektivs i i dergestalt zu einem Bilde der Grenzlinie
vereinigt, daß der auf einer Seite dieser Linie gelegene Teil des Feldes dunkel,
der auf der anderen Seite gelegene Teil dagegen hell erscheint. Der Winkel, welchen
das streifend aus der Flüssigkeit 5 in das Prisma eingetretene Licht mit der Meßfläche
i bildet, hängt bekanntlich von den Brechzahlen des Prismas und der Flüssigkeit
ab und ist ein Maß für diese letztere Brechzahl, da die Brechzahl des Prismas unveränderlich
ist. Handelt es sich um die Untersuchung eines breiigen Stoffes, dann wird eine
Probe dieses Stoffes auf die Meßfläche aufgetragen. Im übrigen geht die Messung
genau wie bei Flüssigkeiten vor sich.
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Die zweite Ausführungsform (Abb. 2) des Meßprismas hat fünfeckigen
Querschnitt. Die zum gezeichneten Querschnitt senkrechten Begrenzungsflächen sind
die Meßfläche 12, die dazu parallele Lichteintrittsfläche 13, eine Spiegelfläche
14, die Lichtaustrittsfläche 15 und die der Fläche 4 des Prismas nach Abb. i entsprechende
Begrenzungsfläche 16, die auf den Gang der Lichtstrahlen keinen Einfluß ausfibt.
Die Spiegelfläche 14 ist so zur Meßfläche 12 geneigt, daß die ins Prisma eingetretenen
abgebeugten Lichtstrahlen unter einem stumpfen Winkel von solcher Größe zurückgeworfen
werden, daß die austretenden Strahlen nur verhältnismäßig kleine Winkel mit der
Richtung des einfallenden Lichtes bilden. Die Lichtaustrittsfläche 15 ist ungefähr
rechtwinklig zur Richtung des austretenden Lichtes, der die Lage des Fernrohrobjektivs
17 angepaßt ist. Durch geeignete Wahl der Neigung der Spiegelfläche 14 läßt sich
erreichen, daß die Lichteintrittsfläche 13 und die Lichtaustrittsfläche 15 Teile
einer gemeinsamen ebenen Begrenzungsfläche des Prismas werden.
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Dieser letztere Fall ist in dem in den Abb. 3 und 4 dargestellten
Betriebsrefraktometer verwirklicht. Das Meßprigma 18 hat wiederum viereckigen Querschnitt,
wobei eine Fläche ig als Meßfläche, eine dazu parallele Fläche 2o als Lichteintrittsfläche
und zugleich als Lichtaustrittsfläche, eine weitere Fläche 21 als Spiegelfläche
dient und schließlich die vierte Fläche 22 gleichfalls als Lichteintrittsfläche
benutzt werden kann. Diese letztere ist zu Prüfungen mit reflektiertem Lichte bestimmt
und ist deshalb so zur Meßfläche geneigt, daß bei der Prüfung einer Flüssigkeit
mit einer mittleren Brechzahl die senkrecht die Fläche 22 durchsetzenden, einfallenden
UchtstraMen mit der Meßfläche ungefähr den Winkel der totalen Reflexion bilden.
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Das Prisma 18 ist von einem Gehäuse 23 umschlossen, das über einem
Fenster 24 an der Wand eines Gefäßes 25 angeschraubt ist, welches die- zu untersuchende
trübe Flüssigkeit 26 enthält. Diese Flüssigkeit 26 berührt innerhalb des Fensters
24 die Meßfläche ig. Das Gehäuse 23 hat eine Öffnung 27 für das eintretende Licht
und eine Öffnung 28 für das austretende Licht an der die Fläche 2o bedeckenden Wand
und ferner eine Lichteintrittsöffnung 2g an der die Fläche 22 bedeckenden Wand.
Zum Abschluß einer von beiden Lichteintrittsöffnungen während des Gebrauchs des
Refraktometers dient ein Deckel 3o. Am Gehäuse 23 ist ein Zapfen 31 angebracht,
um den ein Arm 32 drehbar ist. Dieser Arm 32 trägt eine Hülse 33, in welcher mittels
einer Klemmschraube 34 ein Fernrohr 35 festgeklemmt ist. Die optischen Teile des
Fernrohrs sind ein Objektiv 36, eine in der hinteren Brennebene dieses Objektivs
angebrachte, mit einer Marke 37 versehene Glasplatte 38 und ein aus einer Augenlinse
und einer Feldlinse bestehendes Okular 39. Am Arm 32 ist ferner ein Bogen 4o angebracht,
dessen Achse in die Achse des Zapfens 31 fällt. Der Bogen 4o trägt eine Teilung
41, die nach Brechzahlen beziffert ist und zu der ein am Zapfen 31 befestigter Zeiger
42 gehört.
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Das Refraktometer ist sowohl zur Bestimmung der Brechzahl einer trüben
als auch einer klaren, vornehmlich gefärbten Flüssigkeit geeignet. Bei trüben Flüssigkeiten
wird die Öffnung 29 mittels des Deckels 30 verschlossen. Der Gang der Strahlen
entspricht dann, abgesehen von der zusätzlichen Spiegelung an der Fläche 2i, dem
in Verbindung mit Abb. i beschriebenen. Durch Schwenken des Arms 32 wird nunmehr
das Fernrohr 35 so eingestellt, daß die Grenzlinie, die in der hinteren Brennebene
des Objektivs 36 sichtbar ist, mit der Marke 37 zusammenfällt. Ist diese Einstellung
durchgeführt, dann zeigt der Zeiger 42 auf der Teilung 41 die Brechzahl der Flüssigkeit
26 an. Ist die Flüssigkeit 26 klar, dann entfernt man den Deckel 3o aus der Öffnung
2g und verschließt damit die Öffnung 27. Das durch die Öffnung 2,9 eintretende Licht
durchsetzt die Meßfläche ig, an der es eine Brechung erleidet und tritt in die Flüssigkeit
26 ein. Eine bestimmte Richtung der einfallenden Strahlen ergibt in der Flüssigkeit
streifend zur Meßfläche ig gebrochene Strahlen. Lichtstrahlen, die unter einem kleineren
Winkel zur Meßfläche ig einfallen, werden an dieser total reflektiert. Durch Vereinigung
der Grenzstrahlen -der totalen Reflexion durch das Fernrohrobjektiv 36 in der Ebene
der Marke 38 entsteht das Bild der Grenzlinie, die wieder, wie vorher beschrieben,
zur Bestimmung der Brechzahl der Flüssigkeit benutzt wird.