EP0025448A1 - Anordnung zur messung der lokalen dichte und deren zeitlicher änderungen in kompressiblen medien - Google Patents

Anordnung zur messung der lokalen dichte und deren zeitlicher änderungen in kompressiblen medien

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EP0025448A1
EP0025448A1 EP19800900551 EP80900551A EP0025448A1 EP 0025448 A1 EP0025448 A1 EP 0025448A1 EP 19800900551 EP19800900551 EP 19800900551 EP 80900551 A EP80900551 A EP 80900551A EP 0025448 A1 EP0025448 A1 EP 0025448A1
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EP
European Patent Office
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measuring
detectors
measurement
refractive index
volume
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Withdrawn
Application number
EP19800900551
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Inventor
Bernhard Lehmann
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Individual
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Publication of EP0025448A1 publication Critical patent/EP0025448A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods

Definitions

  • the invention relates to an optically and optoelectronically acting device with which it is possible to locally measure the refractive index of an optically transparent medium and its rapid changes over time and thereby to the corresponding local density or its temporal change changes, for example within the flow of a compressible fluid.
  • the invention also relates to this radiation and to media which it penetrates largely without scattering.
  • a method that has recently been used frequently for the purpose of local density measurement is methods which use the Raman solution of narrowband light. Such methods require highly sensitive equipment and experienced scientific staff and will therefore mainly be reserved for use in the laboratory.
  • the invention described here permits the local measurement of the refractive index and its rapid changes over time with the aid of a device which, if necessary, can be combined in a compact measuring unit and transported to the location of the measurement as a closed unit. Since the refractive index of a medium is in many cases directly related to its density, a corresponding refractive index measurement makes it possible to measure and track the associated local density of the medium over time.
  • the invention takes advantage of a long-known but little-used fact.
  • a locally localized real interference fringe system is used as a sectional image through an interference layer system in the intersection area of two to one another - 3 - » -
  • the distance a 0 of the interference fringes depends on the convergence angle ___ 0 of both light bundles according to the relationship
  • ⁇ is the output wavelength of the laser light that is still unaffected by changes in the refractive index
  • n is the refractive index valid for this initial or reference state, which therefore prevails before irradiation into the measuring medium.
  • the non-indicated state is the state in the region of interest of the measurement volume, which is identical to the cutting volume of the light beam, the wavelength, the refractive index n and the cutting angle prevailing there - the light beam.
  • the distance between the interference fringes changes inversely proportional to the refractive index.
  • the invention now solves the problem in that the cutting volume of the beam bundles as a measurement volume with the aid of a sufficiently long focal length image is reproduced one or more times and is finally projected through a strongly magnifying micro-optics into the istrian area, in which there is sufficient integrity-sensitive optoelectronic Detectors.
  • the focal length of the first imaging optics should be chosen at least so large that the optics themselves do not mechanically influence the measurement object, for example a flow.
  • the intermediate image enables the micro-objective to be brought up for sufficient magnification right up to the image of the measurement volume itself, without having to be introduced into the flow, which would disturb it in an intolerable form.
  • the system exists strongly
  • optoelectronic detectors are used, which are provided with a pinhole, the diameter of which is small enough to detect only a small part of the flank of an intensity strip.
  • the pinhole can be replaced by a narrow slit, which must then be aligned parallel to the strip system.
  • Two such detectors which are expediently of approximately the same sensitivity, are aligned in such a way that their distance perpendicular to the strip direction actuates approximately half of the projected strip width or an odd multiple thereof.
  • the difference between the electrical signals of these two fixing detectors becomes zero when their diaphragms select areas of the same flank height of the intensity profile of the strips. If this is not the case, the differential voltage is used to generate a lateral displacement of the projected strip system in such a way that it occupies this excellent position and the differential signal thus becomes zero. In this way, the position of a reference point of a fixed phase position in the projected strip system is fixed locally, which is a prerequisite for the further measurement.
  • the interference strip offset to be compensated for in the manner described perpendicular to the strip direction can be any interference strip offset to be compensated for in the manner described perpendicular to the strip direction.
  • the lateral offset is compensated for by one or more electro-optical cells, for example Eckels or Kerr cells, which are inserted into one or both of the incident laser light bundles in front of the measuring location and controlled by the electrical difference signal of the two fixing detectors mentioned above via an electronic control system stem can be activated electrically.
  • the refractive index changes which can thus be generated in the cell produce corresponding phase shifts of the light waves of the two coherent laser light bundles with respect to one another, as a result of which the interference fringe system in the measurement volume undergoes the necessary position correction in the measurement volume due to lateral migration, which correction occurs both in the intermediate images and in the projected strip system ⁇ occurs.
  • a further route can be followed by displacing the micro-objective used for the enlargement of the strip perpendicular to the direction of the strip to the extent that a correction of the position of the projected strip system is necessary.
  • This can be achieved by mounting the micro-objective on, for example, a piezo body, which in turn is controlled by the differential voltage of the fixing detectors.
  • this position correction receives the minimum time constant necessary for the measurement problem in order to be able to follow the greatest occurring speed of change of position, which is possible with the help of modern electronic control technology without difficulty.
  • a differential voltage is then generated with two detectors, which is related to the strip spacing.
  • these two measuring detectors one of which can also be identical to one of the fixing detectors, are arranged at a distance of approximately half a strip spacing or an odd multiple thereof.
  • the electrical difference signal generated by the measuring detectors is then proportional to the strip spacing a.
  • Aligning the detectors to about half the height of the intensity edges is not absolutely necessary, but maximizes the sensitivity of the measuring device and the approximation to a linearity between the difference signal and the strip spacing.
  • the case of half the strip spacing of the measuring detectors or the odd multiple thereof is a way of maximizing the difference signal compared to all other cases.
  • One of the measuring detectors can be arranged on one side of the pair of fixing detectors, taking into account the criteria mentioned. - B -
  • the relationship between the difference signal of the measuring detectors and the strip spacing is generally not exactly linearly proportional, the actual relationship for the direct conclusion from the difference signal to the refractive index must be taken into account. This necessity can be avoided by using the measurement signal as a control signal for a zero method.
  • a further intermediate image of the measurement volume is generated within an electro-optical cell (e.g. Pockels or Kerr cell).
  • the refractive index of the cell which can be changed by the voltage applied to this cell, is controlled by the measuring voltage via an electronic control circuit so that it adjusts itself again to zero or to a fixed reference value. Then the stripe spacing of the intermediate image within the cell is equal to that of the value predetermined by the reference value of the difference signal.
  • the activation voltage for the cell is a measure of the current refractive index or the current density of the medium in the measurement volume.
  • the refraction is also based on a reference value - 9 -
  • Fig. 1 shows two at the angle "** ⁇ * overlapping mutually coherent laser light beams 1 and 1 • which form the measurement volume 2 in its sectional area. - 10- -
  • FIG. 2 shows the common cutting area of the light beams 1 and 1 ', the measuring volume 2, in a greatly enlarged form, with the stationary interference surfaces which are parallel to one another and which appear through the vertical cut with the plane of the drawing as interference strips 3 with the distance a from one another nen.
  • the refractive index n is present in the area of the measuring volume.
  • the piezzoelectric or magnetostrictive body 12 represents a possible alternative to the electro-optical cell 11 11 *
  • control circuit 10 can, likewise activated by the control circuit 10, shift the micro-optics 6 perpendicular to the strip system in such a way that undesired lateral displacements of the strip system in the registration area 7 are corrected by making the difference signal from 9 zero.
  • Another pair of detectors 8 ′′ and 8 ′ ′′ serves to register the desired measurement signal U (t). Both detectors can also be arranged separately on each side of the fixing detectors 8 and 8 1 . Alternatively, one of the registration detectors 8 "and 8 '" can be replaced by one of the fixing detectors 8 or 8'.
  • An electronic circuit 9 ' forms the electrical difference signal of the two measuring detectors 8 "and 8"', which is proportional to the strip spacing a and thus inversely proportional to the refractive index or the density of the medium in the area of the measuring volume 2. It is converted into the measurement signal U (t) by the electronics 13.
  • FIG. 4 again shows schematically the projected interference fringe system 3 "with the sinusoidal intensity curve and the arrangement of the detectors 8, 8", 8 "and 8 '” which is in principle optimal for this purpose, of which here the parallel to the slit diaphragms 17, 17 ', 17 “and 17'” aligned with the interference fringes between the maxima 15 and the mini a 16 of the intensity curve are indicated.
  • Strip system when changing the strip spacing a ".
  • the difference in intensity between the detector positions 8" and 8 "'or the corresponding electrical difference signal is then clearly related to the strip spacing. Because of the generally small change in the strip spacing, the uniqueness of the display is normally not clear at risk.
  • the distance between the detector pairs 8 and 8 'or 8 "and 8"' covered stripes can be used to adapt the measurement conditions to the respective measurement problem within wide limits and to optimally design the sensitivity of the measurement arrangement.
  • FIG. 5 essentially shows the arrangement according to FIG. 3, but with an additional intermediate image 2 ′′ of the measurement volume with the intensity stripe system 3 ′′, which is generated within an electro-optical cell 19.
  • the optics 18 then generate the intermediate image 2 'for the subsequent projection of the strip system by the micro objective 6.
  • An additional electronic control circuit 14 is now controlled by the differential signal of the measuring detectors from the circuit 9 1 and in turn activates the cell 1. Via the refractive index which is variable by the activation voltage in the cell 19, the strip spacing in the strip system 3 '' can be influenced in such a way that it is always kept constant, which is achieved by adjusting the difference signal from 9 'to zero or a predetermined reference value.
  • the voltage V ⁇ t) taken from FIG. 14 and used to activate the cell 19 is then a measure of the deviation of the refraction ' 1 3 "
  • the zero method acting in this way enables a large temporal resolution of the refractive index changes to be measured and thus the density changes in the measurement volume, is distinguished by a high sensitivity and is independent of the non-linearities of the intensity curve on the flanks of the interference fringes used.

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Description

-. 1 -
Anordnung zur Messung der lokalen Dichte und deren zeitlicher Änderungen in kompressiblen Medien
Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch und opto-elektro- nisσh wirkende Vorrichtung mit welcher es möglich ist, den Brechungsindex eines optisch durchsichtigen Mediums sowie des¬ sen schnelle zeitliche Änderungen lokal zu messen und dadurch auf die entsprechende örtliche Dichte bzw. deren zeitliche Än¬ derungen, beispielsweise innerhalb der Strömung eines kompres¬ siblen Fluids, zu schliessen. Soweit kohärente elektromagne¬ tische Strahlung auch ausserhalb des optischen Wellenlängen¬ bereichs zur Verfügung steht, bezieht sich die Erfindung auch auf diese Strahlung und auf Medien, welche, von ihr weitgehend streuungsfrei durchdrungen werden.
In vielen Bereichen der Forschung und Technik, insbesondere auf dem Gebiet der Strömungstechnik und -forschung kompressibler Medien, entsteht häufig der Bedarf nach einer Messmethode, mit welcher die Messung möglichst der örtlichen Dichte des unter¬ suchten Mediums bzw. deren oft schneller zeitlicher Änderungen möglich ist. Solche Fragestellungen sind typisch, beispiels¬ weise für Probleme der schallnahen und Überschallströmungen, der Strömung von Medien mit Temperaturgradienten sowie für das Gebiet der Strömungsakustik.
Dichtemessungen sind auf diesen Gebieten bisher überwiegend auf dem Wege schattenoptischer, schlierenoptischer, interferometri-
OV-?I - 2 ~~
scher und in neuerer Zeit auch holographischer Methoden mög¬ lich. Diese Methoden werden in vielen speziellen Modifikati¬ onen verwendet, von denen die Methode der Differentialinter- ferometrie hier besonders zu erwähnen ist. Sie stellen alle integrale Messmethoden dar, das bedeutet, dass ihr zur Mes¬ sung ausgenutzter Effekt ein integraler Effekt längs der ver¬ wendeten optischen Durchstrahlungswege ist. Sie lassen des¬ halb eine örtliche Dichtemessung nicht zu.
Ein in neuerer Zeit zum Zweck der lokalen Dichtemessung häufig begangener Weg sind Methoden, welche die Raman-S rsuung von schmalbandigem Licht verwenden. Solche Methoden benötigen hoch¬ empfindliche Geräte und versiertes wissenschaftliches Personal und werden deshalb hauptsächlich der Verwendung im Laborbereich vorbehalten bleiben.
Die hier geschilderte Erfindung lässt die lokale Messung des Brechungsindex und dessen schneller zeitlicher Änderungen mit Hilfe einer Vorrichtung zu, die im Bedarfsfall in einer kom¬ pakten Messeinheit zusammengefasst und als geschlossene Einheit zum Ort der Messung transportiert werden kann. Da der Brechungs¬ index eines Mediums in vielen Fällen in direktem Zusammenhang zu seiner Dichte steht, ist durch eine entsprechende Brechungs¬ indexmessung die Messung und zeitliche Verfolgung der zugehö¬ rigen örtlichen Dichte des Mediums möglich.
Die Erfindung nutzt eine seit langem bekannte aber bisher wenig genutzte Tatsache aus. Wird, wie heute beispielsweise in der Laser-Doppler-Anemometrie üblich, ein örtlich lokalisiertes reelles Interferenzstreifensystem als Schnittbild durch ein Interferenzschichtensystem im Schnittbereich zweier zueinander - 3 -»-
kohärenter Laserlichtbündel erzeugt, so hängt der Abstand a0 der Interferenzstreifen vom Konvergenzwinkel ___0 beider Licht¬ bündel ab nach der Beziehung
λ ist die durch Brechungsindexänderungen noch unbeeinflusste Ausgangswellenlänge des Laserlichtes, n ist der für diesen Ausgangs- oder Bezugszustand gültige Brechungsindex, welcher also vor der Einstrahlung in das Messmedium herrscht. Der nicht indizierte Zustand ist der Zustand im interessierenden Bereich des Messvolumens, welches mit dem Schnittvolumen der Lichtbün¬ del identisch ist, mit der Wellenlänge , , dem Brechungsindex n und dem dort herrschenden Schnittwinkel«- der Lichtbündel. Mit dem Brechungsgesetz der Optik gilt dann:
bzw.
Der veränderte Interferenzstreifenabstand ist dann
« ■ λ n sin β /2
womit sich ergibt n o ao
O PI
/,. WIPO ,.*. Der Abstand der Interferenzstreifen ändert sich also umgekehrt proportional zum Brechungsindex.
Dabei ist es ohne Bedeutung, ob die Brechungsindexänderung sprunghaft an einer Phasengrenzfläche oder infolge eines end¬ lichen Brechungsindexgradienten erfolgt.
Die Erfindung löst nun die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Schnittvolumen der Strahlenbündel als Messvolumen mit Hilfe eine hinreichend langbrennweitigen Optik ein- oder mehrfach abgebilde und zum Schluss durch eine stark vergrössernde Mikrooptik in den istrierbereich projiziert wird, in welchem sich ausreichend inte sitätsempfindliche opto-elektronische Detektoren befinden.
Die Brennweite der ersten Abbildungsoptik ist mindestens so gross zu wählen, dass die Optik selbst das Messobjekt, beispielsweise eine Strömung, mechanisch nicht beeinflusst. Die Zwischenabbil¬ dung ermöglicht das Heranführen des Mikroobjektivs zwecks aus¬ reichender Vergrösserung bis dicht an die Abbildung des Mess¬ volumens selbst, ohne in die Strömung eingeführt werden zu müs¬ sen, welche sie in nicht zu tolerierender Form stören würde.
Weitere Zwischenabbildungen können beispielsweise für das Ein¬ bringen einer solchen Abbildung in eine elektrooptische Zelle dienen, welche, wie später noch erläutert wird, für eine Bre¬ chungsindexkompensation in Form eines Nullverf hrens benutzt werden kann.
In dem Registrierbereich, welcher zum Beispiel eine geeignete Projektionsfläche enthalten kann, existiert das System stark
OMf 5 -
vergrössterter, bei guter Justierung paralleler Interferenz¬ streifen, in welchem der Streifenabstand durch absolut oder 'relativ wirkende Methoden bestimmt bzw. dazu ausgenutzt wird, um ein dem Streifenabstand und damit dem Brechungsindex ent¬ sprechendes, also der Dichte im Messvolumen proportionales elektrisches Signal zu erzeugen.
Zu diesem Zweck dienen opto-elektronische Detektoren, die mit einer Lochblende versehen sind, deren Durchmesser klein genug ist, um nur einen kleinen Teil der Flanke eines Intensitäts¬ streifens zu erfassen. Um die Signalstärke zu vergrössern, kann die Lochblende durch eine schmale Schlitzblende ersetzt werden, welche dann parallel zum Streifensystem auszurichten ist.
Zwei solche Detektoren von zweckmässigerweise etwa gleicher Empfindlichkeit werden so ausgerichtet, dass ihr Abstand senk¬ recht zur Streifenrichtung etwa die Hälfte der projizierten Streifenbreite oder ein ungerades Vielfaches davon betätigt. Die Differenz der elektrischen Signale dieser, beiden Fixier- Detektoren wird zu null, wenn deren Blenden Bereiche gleicher Flankenhöhe des Intensitiätsverlaufs der Streifen selektieren. Ist dies nicht der Fall, so wird die Differenzspannung dazu ge¬ nutzt, um eine seitliche Verschiebung des projizierten Strei¬ fensystems so zu erzeugen, dass es diese ausgezeichnete Lage einnimmt und damit das Differenzsignal zu null wird. Auf diese Weise wird die Lage eines Bezugspunktes fester Phasenlage im projizierten Streifensystem örtlich fixiert, was eine Voraus¬ setzung fürdie weitere Messung ist.
Der in der beschriebenen Weise zu kompensierende Interferenz¬ streifenversatz senkrecht zur Streifenrichtung kann durch Bre-
Θ-nAfl - _ . -
chungsindexschwankungen längs des Weges der Laserlichtbündel bis zum Messvolumen erzeugt werden, aber auch durch geringfü¬ gige mechanische Schwingungen der Messanordnung selbst.
Die Kompensation des seitlichen Versatzes erfolgt durch eine oder mehrere elektrooptische Zellen, beispielsweise Eckels- oder Kerrzellen, welche in eines oder auch in beide einfallen¬ den Laserlichtbündel vor dem Messort eingesetzt werden und durch das erwähnte elektrische Differenzsignal der beiden Fixierdetektoren gesteuert über ein elektronisches Regelsy¬ stem elektrisch aktiviert werden. Die damit in der Zelle er¬ zeugbaren Brechungsindexänderungen erzeugen entsprechende Phasenverschiebungen der Lichtwellen beider kohärenter Laser¬ lichtbündel gegeneinander, wodurch das Interferenzstreifensy¬ stem im Messvolumen durch seitliches Auswandern die notwendige Lagekorrektur erfährt, die gleichermassen sowohl in den Zwi¬ schenabbildungen als auch im projizierten Streifensystem auf¬ tritt.
Ein weiterer Weg kann begangen werden, indem das für die Strei- fenvergrösserung benutzte Mikroobjektiv senkrecht zur Streifen¬ richtung in dem Masse versetzt wird, wie eine Lagekorrektur des projizierten Streifensystems notwendig ist. Dies kann durch Mon¬ tage des Mikroobjektivs auf beispielsweise einen Piezzokörper erreicht werden, welcher wiederum durch die Differenzspannung der Fixierdetektoren gesteuert wird.
Wesentlich ist, dass diese Lagekorrektur die jeweils für das Messproblem notwendige Mindestzeitkonstante erhält, um den grössten auftretenden Lageänderungsgeschwindigkeiten folgen zu können, was mit Hilfe moderner elektronischer Regeltechnik ohne Schwierigkeiten möglich ist.
, IPO An dem auf die beschriebene Weise örtlich fixierten Interfe¬ renzstreifensystem wird nun mit wiederum zwei Detektoren eine DifferenzSpannung erzeugt, welche mit dem Streifenabstand zu¬ sammenhängt. Zu diesem Zweck werden diese beiden Messdetek¬ toren, von denen auch einer mit einem der Fixierdetektoren iden¬ tisch sein kann, im Abstand von etwa einem halben Streifenab¬ stand oder einem ungeraden Vielfachen davon untereinander an¬ geordnet. Das mit den Messdetektoren erzeugte elektrische Differenzsignal ist dann dem Streifenabstand a proportional.
Die Ausrichtung der Detektoren auf die etwa halbe Höhe der Intensitätsflanken ist nicht unbedingt notwendig, maximiert jedoch die Empfindlichkeit der Messvorrichtung und die Annähe¬ rung an eine Linearität zwischen Differenzsignal und Streifen¬ abstand. Ausserdem ist der Fall des halben Streifenabstandes der Messdetektoren oder des ungeraden Vielfachen davon eine Mög¬ lichkeit, das Differenzsignal gegenüber allen anderen Fällen zu maximieren. Die Verwendung von Positionen für die Messdetektoren, welche gegenüber denen der Fixierdetektoren über möglichst viele Streifenbreiten diestanziert sind, erhöhen die Empfindlichkeit der Messanordnung proportional zu diesem Abstand und sind des¬ halb unter diesem Gesichtspunkt zu optimieren.
Ausserdem wird der Einfluss von im Verlauf der Fixier-Regelung auftretenden kleinen Lageänderungen des Streifensystems auf das Meßsignal umso geringer, je grδsser die zwischen dem Festpunkt des Streifensystems und den Messdetektoren liegende Anzahl von Interferenzstreifen ist. Dabei kann unter Beachtung der genannten Kriterien auch je einer der Messdetektoren auf je einer Seite des Fixierdetektorenpaares angeordnet sein. - B -
Da der Zusammenhang des Differenzsignales der Messdetektoren mit dem Streifenabstand im allgemeinen nicht exakt linear pro¬ portional ist, ist der tatsächliche Zusammenhang für den direk¬ ten Schluss vom Differenzsignal auf den Brechungsindex zu be¬ achten. Dieser Notwendigkeit kann aus dem Weg gegangen werden, indem das Meßsignal als Steuersignal für eine Nullmethode ver¬ wendet wird.
Zu diesem Zweck wird eine weitere Zwischenabbildung des Mess- volumens innerhalb einer elektrooptischen Zelle (Pockels- oder Kerrzelle z.B.) erzeugt. Der durch die an diese Zelle angelegte Spannung veränderbare Breσhungsindex der Zelle wird durch die Meßspannung über einen elektronischen Regelkreis o gesteuert, dass diese sich selbst wieder zu null oder auf einen festen Bezugswert einregelt. Dann ist der Streifenabstand der Zwischen¬ abbildung innerhalb der Zelle gleich dem des durch den Bezugs¬ wert des Differenzsignales vorgegebenen Wert.
Um diesen Streifenabstand aufrechtzuerhalten, ist ein genügend schnelles Nachregeln der Spannungsbeaufschlagung der elektro¬ optischen Zelle durch die Abweichung des elektrischen Differenz¬ signales vom Sollwert notwendig. Sie muss schnell genug sein, um den Brechungsindexänderungen im tatsächlichen Messvolumen zu fol gen. Ist dies der Fall, so ist die AktivierungsSpannung für die Zelle ein Mass für den momentanen Brechungsindex bzw. für die momentane Dichte des Mediums im Messvolumen.
Da der physikalische Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex einer elektrooptischen Zelle und ihrer Aktivierspannung bekannt ist, ist somit auch, von einem Bezugswert ausgehend, der Brechun - 9 -
index und damit die Dichte im Messvolumen innerhalb des Mess¬ objektes bekannt.
Abschätzungen ergeben, dass beispielsweise die relative Ände¬ rung der Streifenbreite des Interferenzstreifensystems inner¬ halb des Mediums Luft und in der Nähe des Normalzustandes fol¬ gende Grössenordnungen besitzt:
Abhängigkeit vom Druck;
_Q ___| da/dp /_=. 3 . 10 ( mWs)
Abhängigkeit von der Temperatur:
da/dT r =έ> 1 . 1θ"6 (grd)"1
Berücksichtigt man, dass eine Steigerung der Empfindlichkeit der Messung gegenüber diesen Werten durch die Anordnung der Messde¬ tektoren an zwei benachbarten Flanken des Streifensystems um den Faktor 4, bei Messung über beispielsweise 100 Streifenbreiten zu¬ sätzlich;um den Faktor 100, also insgesamt eine Empfindlichkeits¬ steigerung um den Faktor 400 durchaus realistisch ist, so rückt mit den heute verfügbaren opto-elektronischen Detektoren die Auf¬ lösung einer Dichteänderung infolge 1 grd Temperaturdifferenz oder infolge geringer Druckschwankungen am Beispiel der Luft in den Be¬ reich des Möglichen.
Das Wesen der Erfindung soll an Hand der Figuren 1 bis 5 erläu¬ tert werden.
Fig. 1 zeigt zwei sich unter dem Winkel«**^* schneidende zueinander kohärente Laserlichtbündel 1 und 1 • , die in ihrem Schnittbereich das Messvolumen 2 bilden. - 10- -
Fig. 2 zeigt den gemeinsamen Schnittbereich der Lichtbündel 1 und 1', das Messvolumen 2, in stark vergrösserter Form, mit den ortsfesten zueinander parallelen Interferenzflächen, wel¬ che durch den senkrechten Schnitt mit der Zeichenebene als Interferenzstreifen 3 mit dem Abstand a untereinander erschei¬ nen. Im Bereich des Messvolumens liegt der Brechungsindex n vor.
Fig. 3 zeigt das durch die Laserlichtbündel 1 und 1 ' inner¬ halb des Messobjektes 4 mit dem veränderlichen Brechungsindex n erzeugte Messvolumen 2 mit den Interferenzstreifen 3, seine mit Hilfe der ausserhalb des Messobjektes befindlichen Optik 5 erzeugte Zwischenabbildung 2' mit 3', welche mittels der Mikro¬ optik 6 auf die Registrierfläche 7 projiziert wird und dort den durch 3" angedeuteten sinusähnlichen Intensitätsverlauf der Intensitätsstreifen in stark gedehnter Form darstellt. Zwei opto-elektronische Detektoren 8 und 8' sind im Abstand von etwa einer halben Streifenbreite voneinander positioniert, in 9 wird ihr elektrisches Differenzsignal gebildet, welches den elektronischen Regelkreis 10 ansteuert. Dieser aktiviert die elektro-optische Zelle 11 , welche durch Phasenschiebung des sie durchlaufenden Laserlichtbündels einen ggf. entstandenen seitlichen Versatz des Streifensystems 3 senkrecht zur Rich¬ tung der Interferenzstreifen so ausregelt, dass die in 9 er¬ zeugte Differenzspannung zu null wird. Dadurch wird das Inter¬ ferenzstreifensystem 3" im Registrierbereich 7 örtlich fixiert, was eine Voraussetzung für die weitere Messung darstellt.
Der piezzoelektrische oder auch magnetostriktive Körper 12 stell eine mögliche Alternative zur elektrooptischen Zelle 11 dar. Er 11*
kann, ebenfalls durch die Regelschaltung 10 aktiviert, die Mikrooptik 6 senkrecht zum Streifensystem so verschieben, dass unerwünschte seitliche Versetzungen des Streifensystems im Registrierbereich 7 ausgeregelt werden, indem das Diffe¬ renzsignal aus 9 zu null gemacht wird.
Ein weiteres Detektorpaar 8" und 8'" dient der Registrierung des angestrebten Meßsignales U (t) . Beide Detektoren können auch getrennt auf je einer Seite der Fixierdetektoren 8 und 81 angeordnet werden. Auch kann alternativ einer der Regi¬ strierdetektoren 8" und 8'" durch einen der Fixierdetektoren 8 oder 8' ersetzt werden.
Eine elektronische Schaltung 9' bildet das elektrische Diffe¬ renzsignal der beiden Messdetektoren 8" und 8"', welches pro¬ portional dem Streifenabstand a und damit umgekehrt proporti¬ onal zum Brechungsindex bzw. zur Dichte des Mediums im Bereich des Messvolumens 2 ist. Es wird durch die Elektronik 13 in das Meßsignal U(t) gewandelt.
Fig. 4 stellt noch einmal zur Verdeutlichung schematisch das projizierte Interferenzstreifensystems 3" mit dem sinusähnli¬ chen Intensitätsverlauf und der dazu im Prinzip optimalen An¬ ordnung der Detektoren 8, 8", 8" und 8'" dar, von welchem hier die parallel zu den Interferenzstreifen ausgerichteten Schlitz¬ blenden 17, 17', 17" und 17'" zwischen den Maxima 15 bzw. den Mini a 16 des Intensitätsverlaufs angedeutet sind.
Durch Nullregelung des Differenzsignales zwischen 8 und 8' wird das zwischen ihnen liegende spezielle Internsitätsextremum räum¬ lich fixiert und dient so als Bezugspunkt für die Ausdehnung des
OMPΓ Λ. WIPO - 1 2 "
Streifensystems bei Änderung des Streifenabstandes a". Die Intensitätsdifferenz zwischen den Detektorpositionen 8" und 8"' bzw. das entsprechende elektrische Differenzsignal hängt dann eindeutig mit dem Streifenabstand zusammen. Wegen der im .allgemeinen geringen Änderung der Streifenabstände ist die Eindeutigkeit der Anzeige im Normalfall nicht gefährdet.
Durch Variation der tatsächlichen Streifenbreite a mittels der
Wahl des Winkels 06 o sowie durch die Variation der durch den
Abstand der Detektorpaare 8 und 8' bzw. 8" und 8"' überdeckten Streifenzahl kann man die Messbedingungen in weiten Grenzen dem jeweiligen Messproblem anpassen und die Empfindlichkeit der Mess¬ anordnung optimal gestalten.
Fig. 5 zeigt im wesentlichen die Anordnung nach Fig. 3, jedoch mit einer zusätzlichen Zwischenabbildung 2"' des Messvolumens mit dem Intensitätsstreifensystem 3"', welches innerhalb einer elektrooptischen Zelle 19 erzeugt wird. Die Optik 18 erzeugt dann die Zwischenabbildung 2' für die anschliessende Projek¬ tion -des Streifensystems durch das Mikroobjektiv 6. Eine zu¬ sätzliche elektronische Regelschaltung 14 wird jetzt durch das Differenzsignal der Messdetektoren aus der Schaltung 91 angesteuert und aktiviert ihrerseits die Zelle 1 . über den durch die AktivierungsSpannung in der Zelle 19 veränderlichen Brechungsindex kann der Streifenabstand im Streifensystem 3'" so beeinflusst werden, dass er stets konstant gehalten wird, was durch Einregelung des Differenzsignals aus 9' auf null oder einen vorgegebenen Bezugswert erreicht wird.
Die aus 14 entnommene, zur Aktivierung der Zelle 19 verwendete Spannung V{t) ist dann ein Mass für die Abweichung des Brechungs- '1 3 "
index im tatsächlichen Messvolumen von einem am Anfang der Messung festgelegten Bezugswert. Bekannte physikalische Zu¬ sammenhänge zwischen dem Brechungsindex der Zelle 19 und der Aktivierungsspannung lassen den Schluss auf den Brechungsin¬ dex und dessen Änderung im tatsächlichen Messvolumen zu.
Die auf diese Weise wirkende Nullmethode ermöglicht eine grosse zeitliche Auflösung der zu messenden Brechungsindex¬ änderungen und somit der Dichteänderungen im Messvolumen, zeichnet sich durch eine grosse Empfindlichkeit aus und ist von den Nichtlinearitäten des Intensitätsverlaufs an den ge¬ nutzten Flanken der Interferenzstreifen unabhängig.

Claims

1 4 -Anordnung zur Messung der lokalen Dichte und deren zeitlicher Änderungen in kόmpressiblen MedienP a t e n t a n s p r ü c h e
1. Anordnung zur Messung der örtlichen Dichte, und deren zeit¬ licher Änderungen, insbesondere von kompressiblen Medien durch Messung des lokalen Brechungsindex, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Interferenzstreifen eines I terferenzStreifen¬ systems, welches in dem Schnittvolumen zweier zueinander kohären ter Laser-Lichtbündel entsteht, als Mass für den im Bereich die¬ ses Schnittvolumens vorliegenden Brechungsindex gemessen bzw. au genutzt wird, indem mittels einer vom Messort hinreichend entfer ten lichtstarken Optik eine optische Zwischenabbildung des Mess¬ volumens erzeugt und anschliessend mittels eines Mikroobjektivs ein stark vergrössertes Bild eines Querschnittes dieses Messvolu mens in Form eines Systems paralleler Interferenzstreifen in den Registrierbereich projiziert wird, in welchem die für die Messun verwendeten intensitätsempfindlichen Sensoren, beispielsweise el trooptische Empfänger, positioniert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stark vergrösserte Abbildung des Interferenzstreifensystems in
•^JREX OMPI 5"
den Registrierbereich auch über mehr als nur eine Zwischenab¬ bildung erfolgen kann.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Registrierung der Interferenzstreifenbreite im Registrier¬ bereich opto-elektronische Detektoren hoher Intensitätsempfing- lichkeit und grosser Zeitauflösung, wie beispielsweise Fotodio¬ den oder Fotoelektronenvervielfacher verwendet werden.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausreichende räumliche Auflösung der Intensitätsmessung an den Flanken der Interferenzstreifen durch Lochblenden kleinen Durchmessers oder, zur Vergrösserung der Signalstärke, durch schmale Schlitzblenden erzielt wird, welche vor die opto-elek¬ tronischen Detektoren gesetzt werden, die Schlitzblenden dabei parallel zu den Interferenzstreifen ausgerichtet.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Differenzsignal zweier Detektoren, welche im ge¬ genseitigen Abstand von etwa einer halben Interferenzstreifen¬ breite oder einem ungeraden Vielfachen davon positioniert sind, als Regelgrösse für die elektronische Ausregelung dient, mittels welcher der Versatz des Interferenzstreifensystems senkrecht zur Streifenrichtung kompensiert wird, der durch zeitliche Brechungs¬ indexänderungen längs der optischen Wege verursacht werden kann, das Streifensystem wird dadurch insbesondere im Registrierbe¬ reich räumlich fixiert.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die seitliche Fixierung des Streifensystems durch eine elektronisch geregelte und durch die DifferenzSpannung gesteuerte elektrische - 1 6-
Beaufschlagung einer oder mehrerer opto-elektronischer Zellen erfolgt, beispielsweise Pockels- oder Kerrzellen, welche in einen oder beide Strahlengänge der auf das Messvolumen einfal¬ lenden Laserlichtbündel eingesetzt werden.
7. -Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die seitliche Fixierung des Streifensystems durch eine elektronisch geregelte und durch die Differenzspannung gesteuerte elektrische Beaufschlagung eines Piezzokörpers erfolgt, welcher das Mikroob¬ jektiv senkrecht zur Richtung der Interferenzstreifen geringfü¬ gig verschiebt und dadurch die seitliche Lage des projizierten Streifensystems im Registrierbereich entsprechend korrigiert.
8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere opto-elektronische Detektoren, von denen einer auch mit einem der Fixierdetektoren nach Anspruch 5 identisch sein kan als Messdetektoren wiederum mit etwa einem halben Streifenabstand oder einem ungeraden Vielfachen davon untereinander distanziert und ungefähr auf den mittleren Bereich der Flanken der Intensi¬ tätsstreifen im Registrierbereich justiert, ein elektrisches Dif- fere-rrz-signal liefern, welches proportional der Änderung der In¬ terferenzstreifenbreite und umso grösser ist,je grösser die An¬ zahl der zwischen den Fixierdetektoren und den Messdetektoren liegenden Streifenzahl ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Zwischenabbildung des Messvolumens in eine elektro- optische Referenzzelle gelegt wird, welche, angesteuert und ge¬ regelt durch die DifferenzSpannung der Messdetektoren, elektrisch so beaufschlagt wird, dass ihre eigenen Brechungsindexänderungen den Abstand der Interferenzstreifen in der eigenen und allen
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darauf folgenden Zwischenabbildungen konstant hält, dass sie somit die am Messort vorhandenen Brechungsindexänderungen nach der Art einer Nullmethode kompensiert und dabei ihre Aktivie¬ rungsspannung ein Mass für den momentanen Brechungsindex im tatsächlichen Messvolumen darstellt.
10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Messvolumen eingestrahlten kohärenten Licht¬ bündel in Rohren möglichst geringen Durchmessers oder in Glas¬ stäben bis möglichst dicht an den Messort herangeführt werden, um die Lichtbündel vor optischen Verzerrungen durch Brechungs- indexfluktuationen des sie umgebenden Mediums längs ihres We¬ ges bis zum Messvolumen zu schützen und somit die Querfluktua¬ tionen des Streifensystems im Messvolumen zu reduzieren.
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