DE3302089C2 - Vorrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Meßvorrichtung zur Bestimmung der Brechzahl von Flüssigkeiten besteht aus einem ersten einer Lichtquelle zugeordneten Lichtwellenleiter und einem zweiten, der einem Detektor zugeordnet ist. Beide Lichtwellenleiter sind über einen Faserkoppler mit einem dritten Lichtwellenleiter verbunden, dessen angeschliffenes und poliertes Ende den Meßfühler darstellt. In Abhängigkeit von der Brechzahl der das Ende umgebenden Flüssigkeit wird mehr oder weniger Licht, das über den Lichtwellenleiter, den Koppler und den Lichtwellenleiter zum Ende gelangt, zum Detektor zurückreflektiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten mit einem faseroptischen System, bestehend aus einem ersten einer Lichtquelle zugeordneten Lichtwellenleiter und einem zweiten einem Lichtdetektor zugeordneten Lichtwellenleiter, wobei der erste und zweite Lichtwellenleiter über einen Faserkoppler mit einem dritten mit seinem Ende in den Behälter der zu messenden Flüssigkeit eintauchenden Lichtwellenleiter verbunden sind.

In der DE-OS 21 37 842 ist eine Vorrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten mit den wesentlichen Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Dabei wird in den in die Flüssigkeit eintauchenden Lichtwellenleiter ein Bündel von parallel verlaufenden Strahlen eingekoppelt. Der Lichtwellenleiter ist an dem in die zu messende Flüssigkeit eintauchenden Ende als Rotationskörper in Gestalt eines Hyperboloids, eines Paraboloids oder eines Ellipsoids ausgebildet. Der Scheitel derartig ausgebildeter Rotationskörper dient als Meßstelle. Die Oberfläche des Rotationskörpers hat in Richtung auf den Scheitel einen stetig kleiner werdenden Krümmungsradius ohne scharfe Spitze oder Kante. Der Meßstellen-Oberflächenbereich ist aufgrund des Strahlenweges im Lichtwellenleiter ganz klein und eng begrenzt, weshalb die aktive Gesamtfläche, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommt, ebenfalls sehr klein ist, wodurch die Empfindlichkeit der bekannten Vorrichtung leidet. Außerdem nimmt an der meßwertabhängigen Modulation praktisch nur das am Rand des Lichtwellenleiters parallel eingestrahlte Licht teil.

Aus den oben erörterten Gründen ist der Modulationsgrad der meßwertabhängigen Modulation beim ■ Einsatz der Vorrichtung als-Refraktometer gering, so daß auch die Empfindlichkeit und Genauigkeit leiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten zu schaffen, die es gestattet, den Brechungsindex einer Flüssigkeit mit großer Empfindlichkeit genau und gemäß einer linearen Kennlinie zu mes-Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ende des dritten Lichtwellenleiters als angeschliffene und polierte Spitze mit im Querschnitt geradliniger Berandung ausgebildet ist, die im eingetauchten Zustand von der zu messenden Flüssigkeit benetzt ist.

Die geradlinige Berandung des spitz zulaufenden Endes des in die Flüssigkeit eintauchbaren Lichtwellenleiters bewirkt, daß die Wechselwirkungsfläche, drs keilförmig oder konisch sein kann, wesentlich größer ist, so daß der Meßstellen-Oberflächenbereich nicht mehr eng begrenzt und ganz klein ist, wie dies bei der bekannten Vorrichtung der Fall ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nimmt eine sehr große Zahl von Moden an der meßwertabhängigen Modulation teil, so daß sich nicht nur eine hohe Empfindlichkeit, sondern auch eine äußerst geradlinige Charakteristik für die meßwertabhängige Modulation erzielen läßt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig.! eine Vorrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht und

F i g. 2 den Verlauf der Kurve der gemessenen Lichtintensität in Abhängigkeit von der Brechzahl der Flüssigkeit.

Wie man aus F i g. 1 erkennt, handelt es sich bei der Vorrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten um einen Reflexionssensor mit einem in eine Flüssigkeit 1 eintauchbaren dritten Lichtwellenleiter 13, der an seinem vorderen Ende 3 schräg oder konisch angeschliffen und poliert ist. Der Winkel zwischen der Längsachse des dritten Lichtwellenleiters 13 und der Endfläche 3 ist kleiner oder gleich dem Winkel der Totalreflexion für den betreffenden Lichtwellenleiter 13 in Luft

Wie man in F i g. 1 weiter erkennt, wird in einen ersten Lichtwellenleiter 11 am oberen Ende das Licht einer Lichtquelle 6, beispielsweise ei-.er Laserdiode im

Puls- oder Dauerbetrieb, eingekoppelt. Ober einen Faserkoppler 10 gelangt das Licht zur Endfläche 3 des dritten Lichtwellenleiters 13. Der Anteil des an dieser Endfläche 3 reflektierten Lichtes hängt von den Eigenschaften der umgebenden Flüssigkeit 1 ab. Durch geeignete Formgebung der Endfläche 3 wird erreicht, daß im nicht eingetauchten Zustand, wenn die Endfläche 3 von Luft umgeben ist, eine Totalreflexion auftritt und die Lichtleistung über einen zweiten Lichtwellenleiter 12 zu einem Detektor 9 gelangt.

Das eingespeiste Licht regt eine Vielzahl (einige Tausend) von Moden in den Lichtwellenleitern 11,12 und 13 an Die verschiedenen den Moden zugeordneten Strahlen bilden verschiedene Winkel mit der Endfläche 3. Wenn die Endfläche 3 in die Flüssigkeit 1 eintaucht, tritt dort Licht aus, weil die Voraussetzungen für die Totalreflexion für einige Moden fehlen, so daß die intensität des mit Hilfe des Detektors 9 erfaßten Lichtes absinkt. Die Intensität des reflektierten Lichtes hängt von der Brechzahl der Flüssigkeit 1 ab.

In F i g. 2 ist die am Detektor 9 gemessene Lichtinten-. "sitat gegen die entsprechende Brechzahl derFlüssigkeit

• 1 dargestellt Es zeigtsich ein lineares Verhalten.

Setzt man die oben erwähnten Halbleiterlichtemitter als Sendequelle ein, so wird die Brechzahl für das nahe Infrarotspektrum bestimmt. In der Optik ist man jedoch an der Brechzahl im Sichtbaren bei bestimmten Wellenlängen interessiert. In diesem Fall kann eine Weißlichtquelle als Sender eingesetzt werden. Die Wellenselek-

tion erfolgt dann am Detektor 9 durch geeignete optische Filter.

Da eine analoge Auswertung des Signals vorgesehen ist, muß die Lichtquelle stabil arbeiten. Hierzu kann ein geeigneter Regelkreis vorgesehen werden. Um die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung zu erhöhen, kann die elektronische Auswertung vorzugsweise nach dem lock-in-Verfahren erfolgen

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der optischen Brechzahl von Flüssigkeiten mit einem faseroptischen System, bestehend aus einem ersten einer Lichtquelle zugeordneten Lichtwellenleiter und einem zweiten einem Lichtdetektor zugeordneten Lichtwellenleiter, wobei der erste und zweite Lichtwellenleiter über einen Faserkoppler mit einem dritten mit seinem Ende in den Behälter der zu messenden Flüssigkeit eintauchenden Lichtwellenleiter verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (3) des dritten Lichtwellenleiters (13) als angeschliffene und polierte Spitze mit im Querschnitt geradliniger Berandung ausgebildet ist, die im eingetauchten Zustand von der zu messenden Flüssigkeit benetzt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daüdas Ende (3) des Lichtwellenleiters (13) keilförmig angeschliffen und poliert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (3) des Lichtwellenleiters (13) konisch angeschliffen und poliert ist.