DE3400717A1 - Vorrichtung zur messung des brechungsindex von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Firma JErtUSALEw COLLEGE OF TECHNOLOGY

Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von

Flüssigkeiten.

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Messungen und insbesondere die kontinuierliche hessung des Brechungsindex von Flüssigkeiten mittels eines Lichtstromes, der durch einen in die Flüssigkeit eingetauchten optischen Lichtleiter hindurchgeleitet vi/ird.

Die Verwendung des Brechungsindex als Indikator für den Salzgehalt, den Grad Brix, die Lösungsmittelkonzentration, das spezifische Gewicht oder andere charakteristische Eigenschaften einer Flüssigkeit ist bekannt und seine Bestimmung wird mittels handelsüblicher Instrumente durchgeführt, die allgemein als Refraktometer bekannt sind und von denen die meisten das Grenzwinkelverfahren zur Bestimmung des Brechungsindex anwenden.

Bei einigen Ausführungsforrnen dieses Verfahrens wird Vielfachreflexion in einem Glasstab angewendet, beispielsweise in Vorrichtungen, die in der US-PS. 2 569 127 (Eltenton) und US-PS 3 311 014 (Witt) beschrieben sind.

Ein diesen Vorrichtungen gemeinsames Merkmal ist ein durchsichtiger optischer Stab (oder mehrere derartiger Stäbe), der als Lichtleiter wirkt, wenn er in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, deren Brechungsindex kleiner ist als sein eigener Brechungsindex. Licht,

das an einem Ende eines durchsichtigen Stabes eintritt, ist aufgrund der Erscheinung der inneren Totalreflexion eingefangen und tritt nach vielfachen Reflexionen innerhalb des Stabes am anderen Ende oder am gleichen Ende wieder aus. Da dies der gleiche Effekt ist, der in Faseroptiken verwendet wird, werden derartige Vorrichlü tungen Faseroptik-Refraktometer genannt, obwohl im allgemeinen eher ein Stab als eine Faser verwendet wird.

Der Anteil an Licht, der den Stab in der oben erwähnten Weise durchquert, hängt, neben anderen Faktoren, vom Brechungsindex der Flüssigkeit ab, in welche der Stab eingetaucht ist. Die Umwandlung des Lichtsignals in ein elektrisches Signal mittels eines Fotodetektors ermöglicht eine kontinuierliche Messung des Brechungsindex und damit der gesuchten charakteristischen Eigenschaft der Flüssigkeit. Es muß betont werden, daß der Lichteinfang durch innere Totalreflexionen nur auftritt, wenn der Brechungsindex des Stabes größer ist als der Brechungsindex der Flüssigkeit.

Die meisten der oben erwähnten Geräte verwenden eine spezielle Probenkammer, welche den Stab und die Flüssigkeit enthält. Dies hat zur Folge, daß die charakteristischen Eigenschaften des überprüften Bereiches der Flüssigkeit sich von den Eigenschaften des Hauptteils der Flüssigkeit unterscheiden können. Dies ist insbesondere bei temperaturabhängigen Eigenschaften der Fall, da der Brechungsindex eine Funktion der Temperatur ist. Bei jenen Vorrichtungen, in welchen der Stab in den Hauptteil der Flüssigkeit hineinragt (beispielsweise US-PS 3 311 014) muß das Eindringen von Flüssigkeit in die die Lichtquelle, den Fotodetektor und andere Komponenten enthaltende Meßkammer durch Anwendung von flüssigkeitsdichten Dichtungen, wie O-Ringen oder Klebemitteln,

verhindert werden. Derartige Dichtungen haben einen optischen Kontakt zwischen dem Stab und dem Dichtungsmittel zur folge, aufgrund dessen ein großer Anteil des im Stab eingefangenen Lichtes in den Kontaktbereichen austritt und auf diese Weise die Empfindlichkeit der Vorrichtung herabgesetzt wird. In einigen Fällen kann die Vorrichtung außerordentlich unempfindlich bei Flüssigkeiten werden, die einen Brechungsindex aufweisen, der kleiner ist als der Brechungsindex des Klebemittels. Da außerdem die Empfindlichkeit von Faseroptik-Refraktometern für einen Brechungsindex, der in der Nähe des Brechungsindex des Stabes liegt, am größten ist, ist der Bereich hoher Empfindlichkeit bei bekannten Instrumenten auf einen engen, durch das Stabmaterial vorgegebenen Bereich begrenzt.

2Ü Es ist eine der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben, die Begrenzungen und Nachteile der bekannten Refraktometer zu überwinden und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung und Aufzeichnung des Brechungsindex einer Flüssigkeit zu schaffen, die über einen relativ weiten durch die Geometrie eines Lichtleiter-Sensors bestimmten Bereich eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten vor, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch einen im wesentlichen U-förmig gebogenen, in die Flüssigkeit eintauchbaren Sensorstab aus durchsichtigem Material, dessen gebogener Abschnitt einen Krümmungsdurchmesser aufweist, der mindestens fünfmal größer als der Stabdurchmesser ist und ein Gehäuse, mit dem die beiden Enden des U-förmigen Sensorstabes verbindbar sind sowie eine innerhalb des Gehäuses ange-

-G-

ordnete Lichtquelle, die optischen Zugang zur Stirnfläche an einem der.Enden des Sensorstabes hat und mindestens eine innerhalb des Gehäuses angeordnete erste Lichtempfangsvorrichtung, die optischen Zugang zur Stirnfläche an dem anderen Ende des Sensorstabes hat.

Der Gegenstand der Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit einer bestimmten bevorzugten Ausf ührungsforrn und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, so daß er noch besser verständlich wird.

Unter besonderem Hinvi/eis auf die Figuren im einzelnen wird betont, daß die gezeigten Einzelheiten lediglich Beispiele darstellen und zum Zweck einer anschaulichen Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen und in der Absicht dargestellt sind, die Prinzipien und planerischen Aspekte der Erfindung in. besonders nützlicher und leicht verständlicher Weise zu beschreiben. Im Hinblick darauf ist" kein Vesuch gemacht worden, strukturelle Details der Erfindung detaillierter darzustellen als es für das grundsätzliche Verständnis der Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen dem Fachmann offenbart, wie die verschiedenen Ausfiührungsformen der Erfindung in der Praxis verwirklicht werden können.

3D In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1. in teilweise schematischer Darstellung einen Teilquerschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Refraktometers nach der 35· Erfindung und

Fig. 2 in stark vergrößerter Ansicht im Querschnitt die Anschlußstücke und optischen Komponenten der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform zeigt in Fig. 1 einen im wesentlichen U-förmig gebogenen,aus durchsichtigem Material, beispielsweise aus Glas, hergestellten Stab 2. Dieser Stab dient als Sensor und ist während der Messung in die Flüssigkeit 4 eingetaucht, deren Brechungsindex gemessen werden soll. Es

lü wurde herausgefunden, daß, um eine maximale Empfindlichkeit zu erzielen, der gebogene Abschnitt des Sensorstabes 2 einen Krümmungsdurchmesser D haben soll, der mindestens fünfmal so groß ist wie der Durchmesser d des Sensorstabes. Mit einem so großen oder sogar größeren Verhältnis D/d wird der mit einem einzigen Sensorstab überdeckbare Bereich des Brechungsindex η weit genug, um die Brechungsindizes der meisten interessierenden Flüssigkeiten einzuschließen. Flüssigkeiten mit besonders hohem Brechungsindex können einen speziellen Sensorstab 2 erforderlich machen, der aus Glas mit einem Brechungsindex, der höher ist als der Brechungsindex der in Frage stehenden Flüssigkeit, hergestellt ist.

Über Anschlußstücke 6, die im einzelnen in Fig. 2 dargestellt und weiter unten beschrieben sind, sind die geraden und zueinander parallelen Endabschnitte des U-förmigen Sensorstabes 2 in die Bodenplatte 8 eines hermetisch abdichtbaren Gehäuses 10 hineingeführt, welches mit einer thermisch isolierenden inneren Auskleidung 12 versehen ist und folgende Komponenten enthält: ·

Eine Eingangs-Lichtquelle in Form einer Leuchtdiode (LED) 14, die elektronisch gepulst wird, um das Herausfiltern von Umgebungslicht zu ermöglichen. Die verwendete Leuchtdiode erzeugt ein quasi-monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 585 nm (5850 Aj, wodurch die Dispersionseffekte des Brechungsindex ininimalisiert werden (es wird darauf hingewiesen, daß

der Brechungsindex auch eine Funktion der Wellenlänge ist). Leuchtdioden sind u/eiterhin bekannt für ihren niedrigen Leistungsverbrauch und. ihren kompakten Aufbau, der, ii/ie weiter unten gezeigt wird, ihre optische Ankopplung an den Sensorstab 2 erleichtert.

. Die Leuchtdiode 14 ist in einem Sockel 16 montiert, der außerdem einen Referenz-Fotodektör 18 enthält, der dazu dient, den von der Leuchtdiode'erzeugten eintretenden Lichtstrom zu messen. Das vom Fotodetektor 18 erzeugte Signal wird über einen Referenzsignal-Verstärker 20 einer Anschlußklemme A zugeführt.

Von der Leuchtdiode 14 ausgehendes Licht wird durch den Sensorstab 2 hindurchgeleitet. In Abhängigkeit von den jeweiligen Einfallswinkeln an den Stabwänden wird ein Teil des von der Leuchtdiode ausgehenden Lichtes innerhalb des Stabes total reflektiert und erreicht bei Vernachlässigung gewisser Absorptionsverluste das andere Ende des Sensorstabes weitgehend ungeschwächt. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen den jeweiligen · Brechungsindizes des Stabmaterials und des den Sensorstab 2 umgebenden Mediums wird ein anderer Teil des Lichtstromes aus.dem Stab 2 hinaus und in die Flüssigkeit 4 hinein gebrochen.' Zur Ermittlung dieses "verlorenen" Anteils des Lichtstromes und dadurch in Verbindung mit dem Referenzsignal und einer Eichkurve des Brechungsindex der Flüssigkeit 4 ist innerhalb des Gehäuses 10 weiterhin angeordnet:

Ein Austrittslicht-Detektor in Form eines Fotodetektors 22, der in einem Sockel 24 montiert ist. Das Ausgangssignal dieses Detektors wird über einen Ausgangssignal-Verstärker 26 einer Anschluf3klemme D zugeführt.

Weiterhin ist im Gehäuse lü eine Stromversorgungseinheit 23 für die Leuchtdiode 14 angeordnet. Diese Einheit kann selbst ein Impulsgenerator sein oder sie kann über die Anschlußklemme C an einen externen Impulsgenerator sowie über die Anschlußklemme B an eine externe Stromversorgungseinheit angeschlossen sein.

Da, wie bereits erwähnt, der Brechungsindex auch eine Funktion der Temperatur ist, müssen die Temperaturen sowohl der Flüssigkeit 4 als auch des Stabes 2 (welche wegen der geringen thermischen Kapazität des Stabes immer im wesentlichen gleich .sein werden) kontinuierlich gemessen werden. Dies wird durch ein Thermoelement bewirkt, dessen heiße Lötstelle 30 in die Flüssigkeit 4 eintaucht und mit einer externen kalten Lötstelle und einem Digital-Voltmeter über die Anschlußklemme E verbunden ist.

Ein Schutzstreifen 31 sichert die physikalische Unversehrtheit des Sensorstabes 2.

Die Anschlußstücke 6 und die mit ihnen verbundenen Komponenten sind stark vergrößert in Fig. 2 dargestellt, wobei der rechte Teil der Fig. die "Eingangsseite" und der linke Teil der Fig. die "Ausgangs-Seite" der Vorrichtung darstellt. Es ist unmittelbar zu sehen, daß die parallellaufenden Endabschnitte des U-förmigen Sensorstabes 2 nicht bis ganz an die Leuchtdiode 14 und den Fotodetektor 22 jeweils herangeführt sind, sondern an einem viel tiefer liegenden Punkt enden, in einer Ebene, die bei der speziellen Ausführungsform irgendwo durch die Grundplatte 8 läuft. Von dort bis zur Leuchtdiode 14 und zum Detektor 22 wird der Lichtstrom jeweils durch Verbindungsstäbe 4ü und 42 geleitet. Eine innige Verbindung zwischen der Leuchtdiode 14 und der oberen End-

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fläche des eingangsseitigen Verbindungsstabes 40 wird durch Abschleifen der gewöhnlich konvexen Spitze der Leuchtdiode und Ankitten der oberen Endfläche des Verbindungsstabes 40 an die so erhaltene flache Oberfläche erreicht, wobei ein durchsichtiger Epoxy-Kitt 44 verwendet wird. Die optische Verbindung zwischen den unteren Endflächen der Verbindungsstäbe 40 und 42 und den jeweiligen oberen Stirnflächen des Sensorstabes 2 wird durch sorgfältiges Anpressen dieser Flächen aneinander nach Aufbringen eines Tropfens eines geeigneten OeIs hergestellt.. Die Herstellung der hierfür notwendigen Kontaktkraft ist eine der Aufgaben der Anschlußstücke

Das Grundelement der· beiden identischen Anschlußstücke ist ersichtlich eine Metallhülse 32, die zwei mit Außengewinde versehene Enden besitzt sowie einen Kragen 34, welcher, wie aus Fig. 1 ersichtlich, vorzugsweise einen hexagonalen Umriß aufweist. Diese Hülse 32 ist in geeignet dimensionierte und eingearbeitete Bohrungen in der Grundplatte 8 eingesetzt und auf dieser unter Zwischenschaltung von dichtenden Unterlegscheiben 36 (wie in Fig. 2 dargestellt) dicht festgeklemmt; In die Hülsen passen im Gleitsitz untere Ringbeschläge 46 und obere Ringbeschläge 48, in welche die geraden Endabschnitte des Sensorstabes 2 und die unteren Abschnitte der Verbindungsstäbe 40 und 42 jeweils eingekittet sind, wobei die Endflächen der Stäbe - sowohl bei den Verbindungs,-stäben als auch beim Sensorstab - im wesentlichen bündig zu den Rändern 50 der jeweiligen Ringbeschläge angeordnet sind. In einer vorgegebenen Entfernung von diesen Rändern 50 sind die Ringbeschläge 46 und 48 jeweils mit Kragen 52 und 54 versehen, die jeweils von Überwurfmuttern 56 und 58 umfaßt sind, die an die Endgewinde der Hülsen 32 angepaßt sind. Beim Zuschrauben dieser Überwurfmuttern 56 und 58 werden der Sensorstab 2 und die

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Verbindungsstäbe 40 und 42 aneinander angepreßt, wie dies aus Fig. 2 zu entnehmen ist. In umgekehrter Weise kann durch Aufschrauben der beiden unteren Überwurfmuttern 56 der Sensorstab 2 leicht aus den Hülsen 32 herausgezogen werden zur Reinigung oder zum Austausch. Ein O-Ring 60 im unteren schwereren Abschnitt des Ringbeschlags 46 wirkt als Abdichtung gegen jeden Zutritt von Flüssigkeit in das Innere des Gehäuses 10, was von Bedeutung ist in Fällen, wo die gesamte Vorrichtung eingetaucht werden muß und nicht nur der Sensorstab 2, beispielsweise wenn der Salzgehalts-Gradient in solaren Teichen gemessen werden soll. In derartigen Fällen müssen die Leitungsdurchführung zu den Anschlußklemmen A bis E und die Durchführung 62 für das Thermoelement 30 (Fig. 1) offensichtlich ebenfalls flüssigkeitsdicht ausgeführt sein.

Die jeweilige Anordnung der Leuchtdiode 14, des Referenz-Fotodetektors 18 und des Ausgangs-Fotodetektors ist in sich selbst erläuternder Weise aus Fig. 2 zu entnehmen. Während die Funktion des Referenz-Detektors 18 bei der Bestimmung des Brechungsindex bereits weiter oben erläutert wurde, sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei der Prozeßsteuerung der absolute Wert des Brechungsindex von geringerem Interesse ist als seine Konstanz. In diesem Falle reduziert sich die Aufgabe des Referenz-Detektors 18 auf das Messen der Konstanz des einfallenden Lichtstromes und im Falle von Fluktuationen die Ansteuerung entsprechender elektronischer Ausgleichvorrichtungen. Bei bekannten Vorrichtungen konnte dieses Problem nur durch sehr viel kompliziertere Anordnungen mit Differential-Refraktometern gelöst werden.

Es dürfte für den Fachmann ersichtlich ' sein,.- dab die Erfindung nicht, auf die Details des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels beschränkt ist und daiJ die vorliege nde Erfindung in anderen spezifiziertenAusführungsformen verwirklichbar ist, ohne daß von ihren wesentlichen Merkmalen abgewichen vi/ird und es wird daher gell) ■ wünscht, daü die vorliegenden Ausführungsbeispiele in jeder Hinsicht nur als beschreibend und nicht als beschränkend angesehen werden, wobei mehr noch als auf die oben angegebene Beschreibung auf die vorangestellten Patentansprüche verwiesen wird. Alle Änderungen, die sich aufgrund der Bedeutung und dem Aquivalenzbereich der Ansprüche ergeben, sollen daher in die Erfindung eingeschlossen sein. ...

- Leerseite -

Claims (1)

1. 40

   Patentansprüche

   Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Flüssigkeiten, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen unförmig gebogenen, in die Flüssigkeit (4) eintauchbaren Sensorstab (2) aus durchsichtigem Material, dessen gebogener Abschnitt einen Krümmungsdurchmesser (D) aufweist, der mindestens fünfmal größer als der Stabdurchmesser (d) ist, und ein Gehäuse (10), mit dem die beiden Enden des U-förmigen Sensorstabes (2) verbindbar sind, sowie eine innerhalb des Gehäuses (10) angeordnete Lichtquelle (14), die optischen Zugang zur Stirnfläche an einem der Enden des Sensorstabes (2) hat und mindestens eine innerhalb des Gehäuses (10) angeordnete erste Lichtempfangsvorrichtung (22), die optischen Zugang zur Stirnfläche an dem anderen Ende des Sensorstabes (2) hat.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Zugang der Lichtquelle (14) durch einen im wesentlichen geraden Verbindungsstab (40) aus durchsichtigem Material bewirkt wird, wobei eine Endfläche des Verbindungsstabes (40) sich in innigem Kontakt mit

   der Stirnfläche an einem der Enden des Sensorstabes (2)

   und die andere Endfläche des Verbindungsstabes (40) sich

   in innigem Kontakt mit einer Endfläche an der Lichtquelle (14) befindet.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Zugang der Lichtempfangsvorrichtung (22) durch einen im wesentlichen geraden Verbindungsstab (42) aus durchsichtigem Material.bewirkt wird, wobei eine Endfläche des Verbindungsstabes (42) sich in innigem Kontakt mit der Stirnfläche an dem anderen Ende des Sensorstabes (2) befindet, und' die andere Endfläche des Verbindungsstabes (42) optischen Zugang zur ersten Lichtempfangsvorrichtung (22) hat.

   4. Vorrichtung· nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

   eine zweite Lichternpfangsvorrichtung (18), die in der Nähe der Lichtquelle (14) angeordnet ist und optischen Zugang zu.ihr hat.

   5.. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,» daß die Lichtquelle (14) eine Leuchtdiode ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) eine pulsierend arbeitende Lichtquelle ist zur Erleichterung des Ausfilterns von Umgebungslicht.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Lichtempfan-gsvorrichtung (22, 18) ein Fotodetektor ist.
   35

   8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) hermetisch abdichtbar ist.