DK158166B - Apparat til bestemmelse af taetheden, koncentrationen og massefylden af en vaeske - Google Patents

Description

i

DK 168166B

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til bestemmelse af tætheden, koncentrationen og massefylden af en væske ved anvendelse af et optisk system.

Et kendt apparat af denne art indbefatter et lystransmitterende 5 legeme, der er nedsænket i væsken, som skal prøves, og har en grænsevægflade i kontakt med væsken. Lys udsendes imod grænsevægfladen, og lyset, som reflekteres derpå, modtages af et lysmodtagende element. Mængden af det reflekterede lys anvendes til at bestemme tætheden, koncentrationen og massefylden af væsken. Appa-10 ratet er imidlertid unøjagtigt, da dets lysmodtagende element ikke kun modtager det reflekterede lys, men også udefra kommende lys og er stærkt påvirket af det udefra kommende lys, navnlig når mængden af det reflekterede lys er lille.

For at afhjælpe dette problem er det i den offentliggjorte 15 japanske patentansøgning nr. 139560/1978 foreslået at tilvejebringe et reflekterende spejl på grænsevægfladen for at bevirke total refleksion af det indfaldende lys for at minimere reduktionen i mængden af det reflekterede lys. Dette spejl er imidlertid vanskeligt at montere og har en fast indfaldsvinkel, som kun muliggør 20 total refleksi on af indfaldende lys under bestemte forhold. Der optræder følgelig kun en lille ændring i mængden af lys, og måleresultaterne er stærkt påvirket af udefra kommende lys. Dette nedsætter nøjagtigheden af apparatet. Endvidere er apparatet vanskeligt at fremstille til en rimelig pris.

25 Fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2807805 kendes et apparat af den i krav l's indledning angivne art. Dette kendte apparat har en lysemitterende diodelyskilde og en fotodiode anbragt på en trykt kredsløbsplade på steder med indbyrdes afstand. Et transparent, massivt, sprøjtestøbt legeme er anbragt på den trykte kredsløbsplade 30 på en sådan måde, at lyskilden, fotodioden og et lysstop er placeret deri. Den bueformede del af det transparente, sprøjtestøbte legeme er udført som en langstrakt halvsfæroide. Lys, som udsendes fra den lysemitterende diodelyskilde til den krumme del, opsamles af fotodioden via grænsefladerefleksion. Lyset, som udsendes fra 35 lyskilden, bliver imidlertid ikke parallelt, men udsendes over hele området af den krumme del med langstrakt halvsfæroideform. Lyset, som udsendes uden for vinkelområdet for de kritiske lysstråler, modtages derfor ikke af fotodioden, og lyset bliver derfor reduceret. Udformningen og fremstillingen af den krumme del, hvori lys 2

DK 158166 B

udsendt fra lyskilden til det kritiske vinkelområde opsamles i et punkt af fotodioden, er i øvrigt relativt kompliceret og dermed kostbar.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe et 5 apparat af den ovenfor angivne art, som har en grænsevægflade, der er udformet således, at den muliggør effektiv udnyttelse af total-refleksion for derved at forhindre en eventuel reduktion i mængden af reflekteret lys så meget som muligt, og som er let at fremstille.

Det er endvidere opfindelsens formål at tilvejebringe et apparat af 10 den ovenfor angivne art, som har en forøget grad af nøjagtighed.

Ifølge opfindelsen opnås dette ved at udforme apparatet som angivet i krav l's kendetegnende del.

Med en sådan udformning af apparatet bliver lige og parallelle lysstråler (ikke spredt lys) udsendt af lyskilden ind mod den 15 bueformede krumningsdel, der har den angivne valgte radius, og bliver total reflekteret på ethvert tidspunkt. Lysstråler, der reflekteres så meget som muligt, når derfor det lysmodtagende element under de givne betingelser, og målenøjagtigheden bliver forøget ved at kontrollere indflydelsen af uønsket spredt lys 20 udefra. Da endvidere krumningsdelen er en bueformet del med konstant radius, kan apparatet fremstilles lettere end det ovennævnte kendte apparat.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 25 30 35 3

DK 15 816 6 B

fig. 1 viser et lodret sidebillede af den væsentlige del af en udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen, 5 fig. 2 et snit efter linien X-X i fig. 1, fig. 3 et lodret sidebillede af en anden udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen, fig. 4 et snit efter linien X-X i fig. 3, fig. 5 et lodret sidebillede af en modificeret udfø-lo relsesform for det lystransmitterende legeme, som er en væsentlig del af apparatet ifølge opfindelsen, og fig. 6 et billede svarende til fig. 3, men visende en yderligere udførelsesform for apparatet ifølge 15 opfindelsen.

Der henvises først til fig. 1 og 2 på tegningen, hvor en væske 1, som skal undersøges, har et brydningsindeks n^, og et lystransmitterende legeme 2 er nedsænket deri og har et brydnings indeks τΐ2> som er større end væsken l's bryd-2o ningsindeks. Det lystransmitterende legeme 2 er fremstillet af optisk glas eller plast eller lignende materiale og har en lysindgang 3, en lysudgang 4 og en grænsevægflade 5 derimellem. Indgangen 3 vender mod en lyskilde 6, og en linse 7 er anbragt mellem indgangen 3 og lyskilden 6, medens 25 et lysmodtagende element 8 vender mod udgangen 4. Indgangen 3 har et par ledevægflader 9 og lo, medens udgangen 4 ligeledes har et par ledevægflader 11 og 12. Legemet 2 bestemmer således en lysbane med en reflekterende zone og transmitterende zoner. Lyset, som udsendes af kilden 6, omdannes 3o til parallelle stråler ved at passere gennem linsen 7, træder ind i legemet 2 gennem dets indgang 3 og reflekteres på grænsevægfladen 5. Det reflekterede lys forlader legemet 2 gennem dets udgang 4. Indgangen 3 og udgangen 4 kan danne integrerende dele af legemet 2 eller kan alternativt hver 35 omfatte et separat element dannet af en god lysleder, såsom optisk fiber,og være forbundet med legemet 2, f.eks. på en sådan måde, at lederne anbringes mellem indgangen 3 og kilden 6 og mellem udgangen 4 og det lysmodtagende element 8.

4

Γ\1{ i ι; «Η < < Q ^ Γλ . >. υ i ο Ο D

I sidstnævnte tilfælde kan legemet 2 mere effektivt opsamle lyset fra kilden 6.

Det lystransmitterende legeme 2 har en plan overflade 13 i et område mellem indgangen 3 og udgangen 4 og be-5 liggende i afstand fra grænsevægfladen 5. Denne plane over flade 13 tager ikke direkte del i målingen. Vægfladen 5 har en buet kontur, som danner en del af en imaginær cirkel, hvis centrum og radius vist ved 0 og R, og langs hvilken lyset bevæger sig til det lysmodtagende element 8, og som lo ledevæggene lo og 12 er tangentielle i forhold til.

Formen af vægfladen 5 er valgt således, at den sikrer, at alle de stråler, som forløber retliniet gennem indgangen 3, effektivt reflekteres under foreskrevne betingelser. Hvis lyset L, som bevæger sig retliniet langs ledevæggen 9, re-15 flekteres ved et punkt P på vægfladen 5, bestemmer en linie, som forbinder centerpunktet 0 og punktet P, en normal linie M, og lyset L og normallinien M danner en indfaldsvinkel β derimellem. Hvis vinklen /* er større end den kritiske vinkel, men mindre end en ret vinkel, bliver lyset L total-2o reflekteret i punktet P. Den buede form af vægfladen 5 skal være således udformet for at tilfredsstille disse betingelser.

Hvis lyset L', som bevæger sig retliniet langs ledevejen lo, derimod reflekteres i et punkt Q pa vægfladen 5, 25 bestemmer en ret linie, som forbinder punkterne 0 og Q, en normallinie N, og lyset L' og normallinien N fastlægger en indfaldsvinkel |*' derimellem. Lyset L' bliver totalreflekteret i punktet Q, hvis indfaldsvinklen β' ikke er større end en ret vinkel. Formen af vægfladen 5 skal også 3o opfylde disse betingelser.

Dette betyder, at alle lysstrålerne mellem lyset L og lyset L' bliver totalreflekteret på vægoverfladen 5 under foreskrevne betingelser, hvis vægfladen 5 har en buet kontur, der danner en del af en imaginær cirkel, som går 35 gennem punkterne P og Q.

Normallinien N og lyset L' danner en ret vinkel derimellem, og normallinien N og lyset L danner også en ret vinkel derimellem. Normallinien N og lyset L har et skæ-

DK 158166 B

5 ringspunkt S. Afstanden OS mellem punkterne O og S er lig med R sin /* , og radius R af den imaginære cirkel er lig med afstanden OS mellem punkterne 0 og S plus tykkelsen t af legemet 2 mellem ledevæggene 9 og lo. Følgelig kan ra-5 dius R bestemmes ud fra følgende ligninger (1) og (2): R = R sinj* + t (1) R = t/ (1 - sin {&) (2) Længden 1 af buen PQ beliggende mellem punkterne P og Q lo er udtrykt ved følgende ligning: 1 = R · - £) (3) hvor ) er vinklen, som normallinierne M og N dan ner med hinanden i punktet 0.

15 Opfindelsen skal nu beskrives under henvisning til anvendelsen af et lystransmitterende legeme 2 fremstillet af glas ved en sukkeropløsning med en koncentration på 0 til ca. 65%. Glasset, hvoraf legemet 2 er fremstillet, har et brydningsindeks ϊ±2 på 1 ,520 ved 2o°C, medens en 2o sukkeropløsning med en koncentration på 0%, hvilket er rent vand, har et brydningsindeks n^ på 1,330 ved 2o°C.

Hvis indfaldsvinklen fifor lyset L er lig med den kritiske vinkel, og hvis tykkelsen t mellem ledevæggene 9 og lo er 3 mm, er den kritiske vinkel <t udtrykt ved føl-25 gende:

Brydningsindeks n^ af en sukkerop-løsning med en koncentration på 0% ^ = g - - — - - — - - — — — - ... — —

Brydningsindeks n2 af det lystransmitterende legeme Således fås % = sin”^ - 61,05 (vinkelgrader) 3o

Radius R, som bestemmer den buede kontur af vægoverfladen 5, kan fås ud fra ligning (2) således: R * 1 - sin 61,05 ' 24'1 35 Længden 1 af buen mellem punkterne P og Q er: = (90 - 61,05) x 24,01 x ||£ = 12,13 (mm)

DK 158166 B

6

Apparatet ifølge opfindelsen, som er egnet til bestemmelse af koncentrationen af en sukkeropløsning med en koncentration på 0 til 65%, kan således have en bueformet grænsevægflade, der danner en del af en imaginær cirkel 5 med en radius R på 24,01 mm og med en buelængde 1 på 12,13 mm og en lysindgang 3 og en lysudgang 4, der hver har en bredde på 3 mm og er forbundet med de respektive modstående ender af den buede flade tangentielt dertil.

Det næste er forklaringen af målingen af koncentra-lo tionen af den ovenfor angivne sukkeropløsning med det omhandlede apparat.

Den buede vægoverflade 5 af det lystransmitterende legeme 2 bringes i kontakt med eller neddyppes i væsken 1, som skal undersøges, og som i det foreliggende tilfælde er 15 en sukkeropløsning. Hvis sukkeropløsningen har en koncentration på 0%, bliver alle strålerne, som udsendes af lyskilden 6 og forløber retliniet gennem indgangen 3, total- Λ reflekteret på vægoverfladen 5 i området med en bue PQ med længden 12,13 mm mellem punkterne P og Q. Det reflekterede 2o lys passerer gennem udgangen 4 og når det lysmodtagende element 8. I dette tilfælde modtages den største mængde af reflekteret lys af elementet 8.

Når koncentrationen af sukkeropløsningen, som væsken 1, der skal undersøges, vokser, varierer den kritiske vin-25 kel OL, som afhænger af det lystransmitterende legeme 2 og koncentrationen af opløsningen. Den kritiske vinkel <* vokser med en forøgelse af sukkerkoncentrationen i opløsningen, og der fås en gradvis reduktion i det område i delen PQ af vægoverfladen 5, hvori indfaldsvinklen for lyset over-3o stiger den kritiske vinkel. Lyset bliver gradvist ude af stand til at opfylde forlangendet om totalrefleksion begyndende med strålerne i nærheden af lyset 1, som bevæger sig retliniet langs ledevæggen 9. Følgelig udviser mængden af reflekteret lys, som modtages af elementet 8, en gradvis 35 reduktion. Disse ændringer er vist i tabel 1. De deri angivne data bekræfter apparatets nøjagtighed, da en ændring i sukkerkoncentrationen i opløsningen giver anledning til en stor ændring i den elektromotoriske kraft (mV), som 7

DK 15 816 6 B

frembringes i det lysmodtagende element, der reagerer på ændringen i koncentrationen. Tabel 1 viser relationen mellem koncentrationen af sukker i opløsningen og den elektromotoriske kraft (mV), som frembringes i det lysmodtagen-5 de element. Disse resultater er tilvejebragt ved anvendelse af en National MB-22N lampe (varenavn) med en tilført spænding på 2 volt som lyskilden 6 og en OMRON EE-66 anordning (varenavn), der har en impedans på 15o ohm som det lysmodtagende element 8. lo

Tabel 1

Koncentration af rørsukker og elektromotorisk kraft frembragt i det lysmodtagende element (mV, 2o°C) 15 __ . _ l^ålerække \ Middelværdi *

1 2 3 4 5 ^standardafvigelse J

Koncentråv \ ! ti on__N__;___V _i 0 119,4 119,0 119,3 119,1 119,4 119,24 + 0,18 ! 2o 9,8 101,2 101,5 101,6 101,5 101,8 101,52 * 0,22 21.2 81,6 82,0 82,1 81,8 82,3 81,96 * 0,27 25 31,8 65,3 65,1 65,1 64,8 65,2 65,10 * 0,19 42,0 49,3 49,2 49,3 48,8 48,8 49,08 * 0,26 51.6 33,8 34,2 34,1 33,7 33,9 33,94 * 0,21 3o ' _;_______ 62.7 18,0 18,5 18,2 18,2 18,3 18,24 * 0,18 67.3 11,9 11,8 12,3 12,2 12,0 12,04 * 0,21

Udformningen af det ovenfor som eksempel beskrevne apparat er baseret på den kritiske vinkel Pi , som fås på 35 8

DK 168166B

grundlag af brydningsindekset n^ for en sukkeropløsning med minimumskoncentrationen, dvs. 0%, som i virkeligheden er rent vand. Dette er imidlertid ikke altid tilfældet, men udformningen af det lystransmitterende legeme skal 5 eventuelt baseres på den kritiske vinkel ty , som fås på grundlag af brydningsindekset n2 svarende til minimumsværdien af koncentrationsområdet, der skal måles. I det tilfælde hvor kun en bestemt koncentrationsværdi skal måles, kan brydningsindekset n-j svarende dertil anvendes som lo grundlag for udformningen af det lystransmitterende legeme.

Apparatet ifølge opfindelsen, som er udformet og anvendes som beskrevet ovenfor, tilsikrer en høj nøjagtighed ved bestemmelsen af en eller anden ukendt koncentrationsværdi, hvis den elektromotoriske kraft, som frembringes i 15 det lysmodtagende element, tidligere er blevet opnået for hver koncentrationsværdi, der skal bestemmes.

Det vil af den foreliggende beskrivelse ses, at apparatet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at det lystransmitterende legeme, som er neddyppet i eller bragt 2o i kontakt med væsken, der skal undersøges, har en bueformet grænsevægflade med en radius R, der er valgt således i forhold til den kritiske vinkel <1 bestemt ud fra brydningsindekset n^ af væsken og brydningsindekset n2 af det lystransmitterende legeme, at der fastlægges en indfaldsvinkel 25 /i, som muliggør den maksimale refleksion af lys på grænsevægfladen. Ved apparatet vist i fig. 1 bliver lyset, som reflekteres på grænsevægfladen 5, direkte modtaget i det lysmodtagende element. Det er alternativt muligt at udforme apparatet ifølge opfindelsen således, at det bestemmer 3o koncentrationen af en væske ved sammenligning af lyset, som reflekteres på vægoverfladen 5, og lyset, som ikke passerer gennem det lystransmitterende legeme 2, således som det f.eks. er vist i fig. 3 og 4.

I fig. 3 og 4 danner en masse af optisk fiber 14 en 35 lysindgang,og en masse af optisk fiber 15 danner en lysudgang. De er forbundet med respektive modstående ender af det lystransmitterende legeme 2. Den optiske fiber 14 har en anden ende, som er forbundet med en lyskilde 6. Den op-

DK 158166 B

9 tiske fiber 15 har en anden ende, -som er forbundet med en del 16a i et lysmodtagende element 16. En masse af optisk fiber 17 strækker sig mellem lyskilden 6 og en anden del 16b i elementet 16. En lysreducerende anordning 2o er an-5 bragt foran lyskilden 6 med det formål at korrigere forskellen i lystæthed mellem lyset 18, som passerer gennem legemet 2, og reflekteres på vægoverfladen 5 og når den ene del 16a, og lyset 19, som passerer direkte fra lyskilden 6 til den anden del 16b. Koncentrationen af væsken bestemmes lo på grundlag af størrelsen af denne korrektion. Apparatet vist i fig. 3 og 4 tilvejebringer en højere grad af nøjagtighed ved bestemmelsen af koncentrationen, tætheden og massefylden af en væske.

I fig. 5 har det lystransmitterende legeme 2 en græn-15 sevægflade 5 med en halvcirkulær form i retning af lysets bevægelsesbane og har derfor en kompakt konstruktion.

Der skal nu henvises til fig. 6, som viser en modificeret udførelsesform for apparatet vist i fig. 3. Apparatet har et par husdele 21 og 22, der er anbragt ovenpå hin-2o anden, og som er åbneligt forbundet med hinanden ved hjælp af et hængsel 23. Husdelen 22 har en fordybning 24, som er komplementær med den buede vægoverflade 5 af det lystransmitterende legeme 2 for at indeholde væsken 1, som skal undersøges. Et batteri 25 til indkobling af lyskilden 6, 25 og en spændingsregulator 26 er anbragt i husdelen 22. Henvisningstallet 27 betegner en ledning for lyskilden. I dette apparat bliver væsken 1, som skal undersøges, udtrukket og fyldt i udsparingen 24. Dette apparat er kompakt i sin konstruktion og bærbart.

3o Selv om opfindelsen ovenfor er blevet beskrevet ved hjælp af forskellige udførelsesformer, vil det forstås, at yderligere modifikationer eller variationer kan udføres.

De følgende modifikationer er f.eks. mulige: 1. Hele vægfladen undtagen området mellem punkterne P og 35 Q kan behandles på en sådan måde, at den ikke forhindrer refleksion af lys, f.eks. afdækkes eller beklædes med en maling, medens kun området mellem punkterne P og Q kan være transparent. Dette arrangement bidrager til at forhindre

DK 158166 B

lo eventuel reduktion i mængden af reflekteret lys i højere grad.

2. Selv om indfaldsvinklen β beliggende mellem lyset L

og normallinien M i de ovenfor beskrevne udførelsesformer 5 er lig med den kritiske vinkel<fc, er det muligt at anvende en indfaldsvinkel $ , som er større end den kritiske vinkel (SU.

3. Afstanden t mellem ledevæggene 9 og lo i lysindgangen kan ændres på passende måde.

lo Som det vil fremgå af den foregående beskrivelse, kan apparatet ifølge opfindelsen udføre en nøjagtig bestemmelse af tæthed, koncentration og massefylde af en væske da den totale refleksion af indfaldende lys på den buede vægoverflade under foreskrevne betingelser minimerer en 15 reduktion i mængden af reflekteret lys for derved at sikre en stor ændring i mængden af lys, som modtages af det lysmodtagende element. Endvidere er apparatet let at fremstille.

Claims (11)

1. Apparat til bestemmelse af tætheden, koncentrationen og massefylden af en væske (1), hvilket apparat indbefatter et lys- 5 transmitterende legeme (2) med en grænsevægflade (5), en lyskilde (6) anbragt ved den ene side af det lystransmitterende legeme og et lysmodtagende element (8) anbragt ved den anden side af det lystransmitterende legeme, hvilket legeme har et brydningsindeks, som er højere end brydningsindekset for væsken, der skal undersøges, 10 hvor lys udsendes imod vægoverfladen, og lys, som reflekteres på vægoverfladen, modtages af det lysmodtagende element (8), kendetegnet ved, at lyskilden (6) og det lysmodtagende element (8) er anbragt uden for det lystransmitterende legeme (2), at det lystransmitterende legeme har en lysindgang (3) ved lyskildesiden og 15 en lysudgang (4) ved det lysmodtagende elements (8) side, at indgangen og udgangen har henholdsvis en øverste ledevægoverflade (9, 11. og en nederste ledevægoverflade (10, 12), at formen af grænse-vægoverfladen (5) på det lystransmitterende legeme (2) er udformet med en konstant radius (R), hvilken konstant radius er valgt på en 20 sådan måde, at en indfaldsvinkel /3, hvor lysstråler forløber langs den øverste ledevæg (9) af lysindgangen (3) og forløber i parallel med den hen mod grænsevægoverfladen (5), er større end en kritisk vinkel a for totalrefleksion, som er bestemt af brydningsindekset for væsken (1), der skal undersøges, og brydningsindekset for det 25 lystransmitterende legeme (2) og er mindre end en ret vinkel.

2. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at grænsevægoverfladen (5) har en halvcirkulær kontur.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at grænsevægoverfladen er afmasket undtagen i et område i nærheden 30 af lysindgangen.

4. Apparat ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at der findes optisk fiber (14, 15) mellem en kilde (6) for lys og lysindgangen henholdsvis mellem lysudgangen og det lysmodtagende element (16).

5. Apparat ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, ken detegnet ved, at legemet er fremstillet af optisk glas.

6. Apparat ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kendetegnet ved, at legemet er fremstillet af plastmateriale.

7. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det DK 153166 B har et lysreducerende organ (20) anbragt i nærheden af en kilde (6) for lyset, og optisk fiber (17), som forbinder det lysreducerende organ med det lysmodtagende element (16), så at lyset, som når det lysmodtagende element gennem legemet (5), og lyset, som når det 5 Tysmodtagende element gennem den optiske fiber (17), kan sammenlignes kvantitativt for bestemmelse af tætheden, koncentrationen og massefylden.

8. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at en kendt tæthed, koncentration og massefylde af væsken opnås udtrykt 10 ved den elektromotoriske kraft, som frembringes i det lysmodtagende element (6, 16) for bestemmelse af en ukendt tæthed, koncentration og massefylde af en væske, der skal måles.

9. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at legemet (5) er neddyppet i væsken (1).

10. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at det har et par husdele (21, 22) anbragt oven på hinanden, og som er åbneligt forbundet med hinanden, og at det optiske system er anbragt i den øverste (21) af husdelene, medens en strømkilde (25) og et rum (24), som indeholder væsken, er anbragt i den nederste husdel 20 (22).

11. Apparat ifølge krav 10, kendetegnet ved, at husdelen har en kontur, som er komplementær til grænsevægoverfladen. 25 30 35