KR820000672B1 - Refractive-index responsive light-signal system - Google Patents

Abstract

The optical system enables a luminous signal to be produced which is characteristic of the index of refraction of the liquid. A typical arrangement comprises a long optical fiber with an entry section(15a) and an exit section(16a). The fiber has straight portions in the entry, intermediate & exit sections(10, 14, 16), and curved portions(12, 13) with smooth circular arc sections with radil of curvature selected according to the optical conditions required. The system depends on the loss of rays by total internal reflection round the bends, so that a dim pattern results when the optical conductor is immersed in a fluid with an index of refraction close to that of its own.

Description

유체의 굴절률에 대응하는 광신호 발생장치Optical signal generator corresponding to the refractive index of the fluid

제1a도 및 제1b도는 종래 기술로 알려진 두 장치의 개략 종단면도.1A and 1B are schematic longitudinal cross-sectional views of two devices known in the art.

제2도는 본 발명에 따른 제1실시예의 개략 종단면도.2 is a schematic longitudinal sectional view of the first embodiment according to the present invention;

제3도는 제1실시예의 변형 형태를 보인 부분적인 종단면도.3 is a partial longitudinal cross-sectional view showing a modification of the first embodiment.

제4도는 제2실시예를 제3도와 같이 보인 종단면도.4 is a longitudinal sectional view of the second embodiment as shown in FIG.

제5도는 제2실시예의 변형형태를 제4도와 같이 보인 종단면도.FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a modification of the second embodiment as shown in FIG.

제6도는 종래기술에 의한 장치의 결과와 본 발명에 따른 장치의 결과를 비교 표시한 그래프.6 is a graph comparing the results of the device according to the prior art with the results of the device according to the invention.

제7도는 본 발명에 따른 여러 장치를 이용하여 복수 레벨의 검출을 위한 장치의 종단면도.7 is a longitudinal cross-sectional view of a device for multiple levels of detection using various devices in accordance with the present invention.

본 발명은 유체매질의 굴절률에 대응하는 광신호를 발생하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 매우 우수한 감도를 가지고, 유체 상태의 불연속적인 변화와 유체의 굴절률에 관계되는 여러 가지 특성의 연속적인 변화를 검출할 수 있는 간단한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating an optical signal corresponding to the refractive index of a fluid medium. The present invention particularly has a very good sensitivity and detects discontinuous changes in fluid state and continuous changes in various properties related to the refractive index of the fluid. It's about a simple device that can do that.

많은 공정중에, 유체 매질의 상태변화, 즉 유체 상태의 불연속적인 변화(예를 들어 액체의 유무) 또는 이 유체의 물리적 또는 화학적인 특성의 연속적인 변화(에를 들어 용액의 농도 또는 혼합유체의 한 조성물의 농도, 유체의 온도 변화)를 검출하는 것이 요구되었다.In many processes, a change in the state of a fluid medium, ie a discontinuous change in the state of a fluid (for example with or without a liquid) or a continuous change in the physical or chemical properties of the fluid (for example a composition of a solution or a composition of mixed fluid) Concentration, the temperature change of the fluid).

유체 매질의 특성과 그 굴절률 사이에 상호관계가 나타날때 여러 가지 광학적인 방법에 의하여 이러한 굴절률의 변화를 검출함으로서 이러한 특성에서의 변화를 검출할 수 있도록 하는 것이 이미 제안되어 왔다.It has already been proposed to detect such a change in refractive index by various optical methods when there is a correlation between the properties of the fluid medium and its refractive index.

이들 광학적인 방법의 대부분은 임계각도 가까이에서 일어나는 반사와 굴절현상의 이용에 대부분 그 기초를 두고 있는 것으로, 이들 유체 매질내에 침지된 투명한 광전 구조체를 통하여 전달되도록 구성되어 있어 광선은 구조체의 벽면에서 복수의 내부 반사가 이루어진다. 복수 반사에 의하여 이와 같이 전달된 광선의 강도 측정과 임계각도 가까이에서 이 강도의 갑작스런 변화는 측정되기 위한 유체의 굴절률의 측정을 가능하게 한다.Most of these optical methods are largely based on the use of reflections and refractions that occur near critical angles, and are configured to be transmitted through transparent photoelectric structures immersed in these fluidic media so that light beams are plural at the wall of the structure. Internal reflection is made. The measurement of the intensity of the light thus transmitted by the multiple reflections and the sudden change of this intensity near the critical angle make it possible to measure the refractive index of the fluid to be measured.

연속적인 굴절률을 측정하기 위한 것으로 예를 든다면, 투명 봉체에 정확한 입사각으로 광속(光束)을 주입할 수 있도록 기계적인 광학장치를 일단에 가지고 타단에는 정확한 입사각으로 복수의 내부 반사에 의하여 봉체를 통하여 전달된 광선의 강도를 측정하기 위한 광전 검출기가 설치된 직선상의 투명 봉체로 구성되는 형태의 장치가 있다. 봉체가 측정키 위한 유체 매질내에 침지될 때에 봉체내로 주입된 광속의 입사 각도는 연속적으로 감소하여 복수반사의 입사각이 유체에 대한 임계 각도를 초과할 때에 일어나는 전달된 광선의 강도와 강도의 급강하를 측정하기 때문에 이러한 임계각과 유체의 굴절률이 결정된다. 그러나 이러한 형태의 장치는 이들이 어떤 것은 비교적 정밀한 광선 주입장치를 요구하므로서 매우 복잡한 결점을 가지며, 광학적인 수단에 의한 입사광의 평행한 광속과 기계적인 수단에 의한 이러한 광속의 입사각의 연속적인 변화가 확신되어야 한다.For example, to measure the continuous index of refraction, a mechanical optical device is provided at one end to inject a beam of light at an accurate angle of incidence into a transparent rod, and at the other end, a plurality of internal reflections are performed through the rod by means of a plurality of internal reflections. There is a device in the form of a straight transparent rod installed with a photoelectric detector for measuring the intensity of the transmitted light. When the rod is immersed in the fluid medium for measurement, the angle of incidence of the beam of light injected into the rod is continuously reduced to reduce the intensity and the drop in intensity of the transmitted light that occurs when the angle of incidence of multiple reflections exceeds the critical angle for the fluid. Because of the measurement, this critical angle and the refractive index of the fluid are determined. However, these types of devices have very complicated drawbacks, some of which require relatively precise light injection devices, and the parallel change of the incident light of the incident light by optical means and the continuous change of the incident angle of this light beam by mechanical means must be convinced. do.

더우기, 액위(液位)를 측정하기 위한 여러가지 공지의 장치로 측정키 위한 레벨의 액체가 들어 있는 용기 내에 삽입된 투명봉체의 저단부에 놓여진 프리즘(또는 코온)으로 구성된 형태의 것이 있으며, 이 액위의 표시는 봉체의 상단으로 광선을 주입하고 다시 상단(이 단부는 프리즘의 레벨에서 액체의 현존하에 반사된 광선에 의하여 조명되고 반대의 경우는 어두워진다)으로 되돌아오는 프리즘에 의하여 반사된 광선을 흡수함에 의하여 얻어진다.Furthermore, there are various known devices for measuring the liquid level, which consist of prisms (or coons) placed at the lower end of a transparent rod inserted in a container containing a liquid for measuring the level. Indicates that the beam is injected into the top of the rod and absorbed by the prism back to the top (this end is illuminated by the reflected light in the presence of the liquid at the level of the prism and vice versa). Obtained by

이러한 종류의 장치에는 몇가지의 결점을 아직 가지고 있는데, 먼저 측정되는 낮은 광선 대조(對照)만이(단일 또는 이중반사) 일어나는 소수의 반사가 일어나고 광선 전달이 비교적 낮으며, 이러한 장치의 구조는 더우기 복잡한 문제점이 있는 것이다. 그러나 이들 장치는 무엇보다도 고정된 광선의 입사에 의하여 단지 다른 두 유체상태에서만 그 기능을 발휘할 수 있는 결점이 있으므로 이들은 연속적인 굴절률 측정을 수행하기에 적합치 아니하고 이들의 사용은 액위 표시와 같은 유체 상태의 변화 검출에서는 거의 배타적으로 제한된다.There are still some drawbacks to this type of device: first, there is a small number of reflections, where only low light contrast (single or double reflection) is measured, and the light transmission is relatively low, and the structure of these devices is more complicated. Is there. However, since these devices have the drawback that they can only function in two different fluid states, first of all, by the incidence of a fixed beam of light, they are not suitable for performing continuous refractive index measurements and their use is due to the presence of fluids such as liquid level indicators. Change detection is almost exclusively limited.

상기 언급한 결점을 타개하기 위하여 측정키 위한 액체 내에 침지시키기에 적합하도록 중간을 “U”자형으로 만곡한 부분을 구비한 간단한 투명봉체로 구성된 장치의 사용이 제안되었으며, 이러한 유체의 굴절율은 봉체의 일단에서 광선을 주입하고 그 타단에 전달된 광선을 흡수하므로서 측정될 수 있도록 하였다.In order to overcome the above-mentioned drawbacks, the use of a device consisting of a simple transparent rod with a curved “U” in the middle is proposed, which is suitable for immersion in a liquid for measurement. The light is injected at one end and absorbed at the other end so that it can be measured.

그러나 이러한 장치에서 봉체의 만곡부는 이 액체의 굴절률의 함수로 밝혀지는 광량이 액체 내로 반사하므로써 통로가 되며 봉체의 타단에 전달된 광량은 이 굴절률의 특성인 매개 변수로 구성된다(이러한 형태의 장치는 예를 들어 1946년 발간된 아메리카의 광학잡지, 통권 36, 제1호 42-46페이지에 발표한 캐러(E. Karrer)와 오르(R.Orr)의 “광전 굴절계” 항목에 서술되어 있다).In such a device, however, the bend of the rod becomes a path by which the amount of light found as a function of the refractive index of the liquid is reflected into the liquid, and the amount of light transmitted to the other end of the rod consists of parameters that are characteristic of this refractive index. See, for example, E. Karrer and R.Orr, “Photoelectric Refractometers,” published in 1946, American Optical Magazine, Vol. 36, No. 1, pages 42-46.

이러한 장치는 측정키 위한 액체의 특성에서 불연속적이거나 연속적인 변화를 검출할 수 있다는 원리를 이용한 사실과 함께 이들이 매우 간단하고 제조 비용이 저렴한 이점이 있다. 그러나, 이러한 장치는 매우 낮은 감도를 가지는 큰 결점이 있으므로 굴절계로서의 사용이 매우 제한되었으나(측정키 위한 액체의 굴절률의 가벼운 변화를 검출할 수 없기 때문에) 이들은 만족할 수 없는(측정되어야 할 낮은 대조 때문에) 간단한 액위 지시계로서 사용될 수는 있다.These devices use the principle that they can detect discontinuous or continuous changes in the properties of the liquid for measurement, with the advantage that they are very simple and inexpensive to manufacture. However, since these devices have a large drawback with very low sensitivity, their use as refractometers is very limited (because they cannot detect light changes in the refractive index of the liquid for measurement) but they are unsatisfactory (because of the low contrast to be measured). It can be used as a simple level indicator.

최근에 와서 만곡형 투명봉체로 구성되는 이들 장치의 다른 변형형태가 제안되었으나 현재까지 이들의 감도를 현저하게 개선할 수 있도록 제안 된 것이 없었다. 예를 들어 적어도 360°로 만곡된 봉체로서 “U”자형 봉체를 대신할 수 있도록 한 것(미국 특허 제3,282,149호)이 제안되었으나 이는 감도의 현저한 변화 없이 측정만이 간단히 될 수 있도록 되어 있다. 또한 만곡된 광섬유로서 투명 봉체를 대신할 수 있도록 하여(프랑스특허 제2,130,037호)장치의 간소화를 도모하였으나 이는 감도면에서 아무런 효과가 없었다.Recently, other variants of these devices, which consist of curved transparent rods, have been proposed, but none have been proposed to significantly improve their sensitivity. For example, it has been proposed to replace a “U” shaped bar with at least 360 ° curved bar (U.S. Patent No. 3,282,149), but this allows the measurement to be simplified without a significant change in sensitivity. In addition, it was possible to replace the transparent rod as a curved optical fiber (French Patent No. 2,130,037) to simplify the device, but this had no effect in terms of sensitivity.

따라서 본 발명의 목적은 감도를 현저하게 증가하여 유체의 굴절률과 관계된 유체의 불연속적인 상태변화와 이 유체의 연속적인 여러가지의 특성의 변화를 모두 검출할 수 있는 간단한 장치를 제공하므로써 상기 결점을 제거하는데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a simple device capable of detecting both discontinuous state changes of a fluid related to the refractive index of the fluid and various changes in the successive properties of the fluid related to the refractive index of the fluid, thereby eliminating this drawback. have.

이것 때문에 본 발명은 유체의 굴절률에 대응하는 광신호를 발생하는 장치로서 유체 내에 침지하도록 제작된 중간 만곡부에 연결된 각각의 양측에 입력부와 출력부를 구성하는 체장한 광전도 동체로 구성된 장치를 제공하게 되었으며, 광선이 입력부의 자유단으로 입사될 때 유체 내에서의 공정에 의한 광선통로는 유체의 굴절률의 함수이고 출력부의 자유단으로 나오는 광선은 유체의 굴절률에 대응하는 광신호를 제공하고, 장치는 중간 만곡부가 상호 반대방향으로 만곡되도록 연속된 다수의 만곡부로 구성됨을 특징으로 한 것으로, 여기에서 만곡부는 유체의 굴절률의 함수로서 변화하는 광량의 유체 내로 굴절함에 의한 통로를 제공하며, 이러한 변화는 광신호가 고감도로 제공되기 위한 단일 방향으로 만곡된 부분에서 얻어지는 것보다 매우 크다.To this end, the present invention provides a device that generates an optical signal corresponding to the refractive index of a fluid, and includes a photoconductive body that has an input part and an output part on each side connected to an intermediate curved part manufactured to be immersed in the fluid. When the light beam is incident on the free end of the input, the light path by the process in the fluid is a function of the refractive index of the fluid and the light exiting the free end of the output provides an optical signal corresponding to the refractive index of the fluid. Wherein the bend consists of a plurality of bends that are continuous to bend in opposite directions, wherein the bend provides a passage by refracting into the fluid of varying amount of light as a function of the refractive index of the fluid, the change being caused by the optical signal Much larger than that obtained in a single-curved section to provide high sensitivity .

또한, 본 발명은 유체의 유무 또는 유체의 굴절률에 관계된 특성을 측정하기 위한 장치의 사용을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to use a device for measuring properties related to the presence or absence of a fluid or to the refractive index of a fluid.

본 발명에 있어서, 용에 “체장한 광전도 동체” 또는 “광선 안내자”는 복수의 내부 반사에 의하여 광선을 운반할 수 있는 어떤 체장한 동체를 일컬음을 알 수 있다. 이들 표현은 또한 투명봉체 또는 광 섬유(양자 모두 요구된 형태를 가지는 중간 만곡부로 구성되도록 형성되어 있음)로 구성되는 보다 특별한 광선 안내를 위한 것이다.In the present invention, it can be seen that the "photoconductive body" or "ray guide" of the dragon refers to any length of the body that can carry light rays by a plurality of internal reflections. These representations are also for more specific light guidance consisting of transparent rods or optical fibers (both of which are formed to consist of intermediate bends with the required shape).

이와 같이 본 발명에 따른 장치의 실질적인 특성은 여러(적어도 둘 이상)다른 곡률이 중간 만곡부로 구성된 광선 안내자의 이용에 있다. 이와 같이 상이한 곡률을 가진 구조체는 특별한 고감도(이와 같은 구조체의 감도 정도는 측정키 위한 유체의 굴절률의 주어진 변화를 위한 전달된 광도의 변화에 의하여 예상될 수 있다)로서 본 발명의 장치에서 얻어질 수 있는 이점을 제공하며, 어떤 경우는 단일 만곡(“U”자 형태이거나 적어도 360°의 곡률을 가지는)의 구조체에서 얻어질 수 있는 것보다 매우 감도가 높은 것이다.As such, a practical feature of the device according to the invention lies in the use of a light guide having several (at least two) different curvatures consisting of intermediate bends. Such structures with different curvatures can be obtained in the device of the present invention as a particular high sensitivity (the degree of sensitivity of such a structure can be expected by the change in transmitted light intensity for a given change in the refractive index of the fluid to be measured). In some cases, it is much more sensitive than can be obtained in a structure of single curvature (“U” shape or at least 360 ° curvature).

본 발명에 따른 장치를 구성하는 광선 안내자의 다른 만곡부를 가지는 중간 부분은 이 중간부의 상이한 만곡부가 인접한 만곡부에 반대방향으로 향상 만곡되게 하는 방법으로 연속적이 되게 하는 여러가지 형태로 구성할 수 있다. 상상할 수 있는 가능한 형태 중에 하나는 이중으로 만곡된 구조체를 들 수 있는 바 여기에서 최종 만곡부는 제1만곡부에 대하여 반대 방향으로 만곡되거나, 삼중 만곡 구조체인 경우는 중간 만곡부가 제1 및 최종 만곡부에 대하여 반대 방향으로 만곡되며, 또한 보다 많은 만곡부를 가지는 구조체를 예로서 들 수 있겠다. 상기 언급된 모든 구조체에 있어서, 상이한 만곡부는 중간의 직선부에 의하여 상호 연결되거나 또는 직접(직선부에 의하여 상호 분리됨이 없이)연결될 수도 있다. 직선부에 의하여 상호 연결된 만곡부에 있어서, 이 직선부는 그들 길이가 그들이 연결된 만곡부의 크기보다 비교적 작은 크기를 가질 수 있도록 유리하게 선택될 수 있는 것이다.The intermediate part having the different bends of the light guide constituting the device according to the invention can be configured in various forms such that the different bends of this intermediate part are continuous in such a way as to improve and bend in the opposite direction to the adjacent bends. One conceivable form is a double curved structure in which the final curved portion is curved in the opposite direction to the first curved portion, or in the case of a triple curved structure the intermediate curved portion is in relation to the first and final curved portion. An example is a structure that curves in the opposite direction and also has more bends. In all the above-mentioned structures, the different curved portions may be interconnected by intermediate straight portions or directly (without being separated from each other by straight portions). For curved sections interconnected by straight sections, the straight sections can be advantageously selected such that their length can have a size that is relatively smaller than the size of the curved section to which they are connected.

이와 같이 상기한 바와 같이 상이한 만곡부를 가지는 구조체에 있어서, 각 만곡부는 충분히 설명한 바와 같이 어떠한 형태든지 취할수 있는 것으로, 만곡부의 가능성이 있는 형태의 하나로서 원호의 형태로 일정한 곡률반경을 가지는 만곡부가 제공될 수 있으며, 원호는 4분원, 반원 또는 정원과 같은 여러가지의 길이를 가지거나 곡률반경이 가변적일 수 있으며 점진적으로 증가된거나 감소될 수도 있다.As described above, in a structure having different curved portions, each curved portion may take any form as fully described, and one of the possible forms of the curved portion may be provided with a curved portion having a constant radius of curvature in the form of an arc. The arc may have various lengths such as quadrants, semicircles or gardens, or the radius of curvature may be variable and may be gradually increased or decreased.

상이한 만곡부의 곡률반경 R은 광선 안내자의 횡방향 치수에 대하여 작게 선택할 수 있으므로 현저한 효과(곡률의 작은 반경보다 큰 곡률에 의한 효과)가 제공된다. 이러한 상이한 또 다른 만곡부의 곡률 반경은 봉체의 반경 r의 원통상 광선 안내자가 주어진 경우 R/r비가 약 3∼5사이가 되게 선택하는 것이 좋다.The radius of curvature R of the different bends can be chosen smaller for the transverse dimension of the light guide, thus providing a noticeable effect (the effect of curvature greater than the small radius of curvature). The radius of curvature of these other different bends is preferably chosen such that the R / r ratio is between about 3-5, given the cylindrical ray guide of the radius r of the rod.

단일 투명 봉체로 구성하는 광선 안내자의 경우 이 봉체는 적당한 투명재질로 구성될 수 있으며, 또한 이러한 재질은 장치가 연속적인 굴절률 변화를 측정하도록 사용될 경우에 측정된 액체의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 재질로 선택할 수 있으며, 장치가 액위 표시기로 사용될 경우에는 측정된 액체보다 크거나 작은 어떠한 굴절률을 가지는 재질로 선택할 수 있다. 가능성 있는 투명재질의 하나로 폴리스틸렌(n=1.59), 폴리메틸메타크리레이트(n=1.49) 등이 플라스틱재질 또는 실리카(n=1.458), 봉규산 유리(n=1.5), 납유리(n=1.7), 플루오이드유리(n=1.35) 등의 유리의 사용을 들 수 있다.In the case of a light guide consisting of a single transparent rod, the rod may consist of a suitable transparent material, which is also a material having a refractive index greater than the measured refractive index of the liquid when the device is used to measure continuous refractive index changes. If the device is used as a liquid level indicator, it can be chosen to have any refractive index that is greater or less than the measured liquid. Among the possible transparent materials, polystyrene (n = 1.59), polymethyl methacrylate (n = 1.49), etc. are made of plastics or silica (n = 1.458), rod silicic acid glass (n = 1.5), and lead glass (n = 1.7). The use of glass, such as fluoride glass (n = 1.35), is mentioned.

본 발명에 따른 만곡부를 가진 광전도 봉체의 단면 크기는 그다지 중요치 않으나 요구된 효과를 얻기 위한 예정치로서 봉체의 반경(r)에 대하여 상이한 만곡부의 곡률반경 R은 R/r비를 가진다. 실제로 봉체가 매우 작은 단면을 가지거나 비교적 큰 단면을 가진 경우에도 봉체의 선택된 단면을 위한 곡률반경은 간단히 제작될 수 있다. 더우기 이러한 단면이 환상이 되거나 하는 문제는 별로 문제시되지 않으며, 단면의 한 형태로서 사각, 육각, 타원형(이러한 경우 곡률반경 R은 만곡부의 평면에서 봉체의 단면 크기에 대하여 실질적으로 작아야 한다)의 봉체를 사용할 수 있다.The cross-sectional size of the photoconductive rod having the curved portion according to the present invention is not very important, but the radius of curvature R of the curved portion different from the radius r of the rod as a predetermined value for obtaining the required effect has an R / r ratio. In fact, even if the rod has a very small cross section or a relatively large cross section, the radius of curvature for the selected cross section of the rod can be simply produced. Moreover, the problem that such a cross section becomes annular is not a problem, and as a form of cross section, a rectangular, hexagonal, or elliptical shape (in this case, the radius of curvature R should be substantially small with respect to the cross-sectional size of the bar in the plane of the bend) Can be used.

광섬유로 광선 안내자가 구성된 경우, 이는 본 발명을 수행할 수 있는 적당한 섬유(이들 섬유는 초자기초 물질 또는 플라스틱기초 물질로 제조될 수 있다)이면 가능하다. 그러나, 실제로는 소위 계단형 광섬유(step-index fiber)로 선택하는 것이 유리하다. 광섬유가 사용될 경우 광전도 코아를 피복하여 섬유의 비만곡부에서 일어날 수 있는 기생적인 매질의 교란 형상을 방지할 수 있는 부가적인 이점이 있다. 이들 섬유의 만곡부에 관하여, 만곡부는 이들의 클레딩(cladding)을 완전히 벗기어 측정되기 위한 유체매질과 중심 코아의 직접적인 접촉을 이용하거나 이들 클래딩에 의하여 완전히 보호된 섬유를 제거할 수 있다.In the case where the light guide is composed of the optical fiber, this is possible as long as it is a suitable fiber capable of carrying out the present invention (these fibers can be made of super- or super-based materials). In practice, however, it is advantageous to choose so-called step-index fibers. When an optical fiber is used, there is an additional advantage of covering the photoconductive core to prevent the parasitic shape of the parasitic medium which may occur in the bent portion of the fiber. With respect to the bends of these fibers, the bends can completely strip off their cladding to use direct contact of the fluid medium with the central core to be measured or to remove the fibers completely protected by these claddings.

이와 같이 하여 얻어진 결과는 섬유의 만곡부 주연의 클래딩에 의하여 이들 만곡부를 통한 통로에서 굴절에 의한 광손실 현상을 근본적으로 수정하지 않는다는 사실을 보여준다. 실제로 이 클래딩의 현존은 대조의 가벼운 감소만이 일어날 뿐이며, 전달된 광서의 감도는 항상 측정키 위한 주위 유체 매질의 특성을 유지한다. 그러나 이 마지막 경우에는 비교적 얇은 클래딩을 갖는 섬유를 이용하는 것이 좋다.The results thus obtained show that the cladding around the bend of the fiber does not fundamentally correct the phenomenon of light loss due to refraction in the passage through these bends. Indeed the presence of this cladding only results in a slight reduction in contrast, and the sensitivity of the transmitted photosphere always maintains the properties of the surrounding fluid medium for measurement. However, in this last case it is better to use fibers with relatively thin cladding.

본문에서 용어 “표면에서의 광선 입사 각도”는 사용상 정의에 따라 사용될 수 있는 바, 이 입사광선이 일반적으로 표면에 대하여 이루는 각도를 말한다. 이러한 정의에 따라서 표면에 대한 입사광선의 경사각도의 증가는 그 입사 각도의 감소와 동일하다.As used herein, the term “angle of light incident on the surface” can be used according to the definition of use, and refers to the angle that the incident light generally makes with respect to the surface. According to this definition, the increase in the inclination angle of the incident light with respect to the surface is equal to the decrease in the incidence angle.

두 매개변수의 정의는 다음과 같이 가끔 사용되는데, 본 발명에 따른 장치의 만곡부에 의하여 제공된 효과, 즉 장치의 “대기중의 전달 계수”와 “대조 계수”로 표현되기 위하여 최종적으로 주어진다. 그 점에 있어서 Io는 만곡된 광성 안내자의 입력에서 입사된 광선 감도를 나타내고, Ita는 만곡부 주위의 매질이 공기일 때에 이 안내자에 의하여 전달된 광선 감도를 나타내며, Itl은 만곡부 주위 매질이 굴절률 n을 가지는 액체(이 액체는 측정키 위한 액체이거나 기준 액체)일 때에 이 안내자에 의하여 전달된 광선 강도를 나타낸다. “대기중의 전달 계수”는 안내자로 주입된 광선 강도, 즉 광도(光度) Io에 대한 대기중에서 안내자에 의하여 전달된 광도 Ita의 Ita/Io비이고(이 계수는 대기 중에서 굴절에 의한 광손실의 형태로 정의된다), “대조” 또는 “대조 계수” 는 액체 내에서 전달된 광도 Ita에 대한 대기 중에서 전달된 광도 Ita의 Ita/Itl의 비로 나타낼 수 있다. 이러한 정의에 따라서, 본 발명 장치의 “감도”는 굴절률의 예정된 변화를 위하여 얻어진 대조의 변화크기에 의해 나타나는 바와 같이 정의될 수 있을 것이다(제6도의 그래프에서 곡선에 대응하는 감도).The definitions of the two parameters are sometimes used as follows, finally given to represent the effects provided by the bend of the device according to the invention, ie the "transmission coefficient in the air" and "control coefficient" of the device. In that respect, Io represents the light sensitivity incident on the input of the curved photoconductor, Ita represents the light sensitivity transmitted by this guide when the medium around the bend is air, and Itl represents the refractive index n of the medium around the bend. The branch has a light intensity transmitted by this guide when it is a liquid (this liquid is the liquid to be measured or the reference liquid). The “transmission coefficient in the air” is the light intensity injected into the guide, that is, the Ita / Io ratio of the light intensity Ita transmitted by the guide in the atmosphere to the light intensity Io (the coefficient of light loss due to refraction in the atmosphere "Contrast" or "contrast coefficient" can be expressed as the ratio Ita / Itl of the light Ita delivered in the atmosphere to the light Ita delivered in the liquid. In accordance with this definition, the “sensitivity” of the device of the present invention may be defined as indicated by the change size of the contrast obtained for the predetermined change in refractive index (the sensitivity corresponding to the curve in the graph of FIG. 6).

본 발명은 첨부된 예시 도면에 의하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

제1a도 및 제1b도는 종래 기술로 알려진 두 공지의 장치를 보인 것으로, 먼저 이 두 실례에서 종래 장치와 이후 설명되는 본 발명에 따른 장치의 상이한 실시예 사이에 나타나는 주요 차이점이 설명된다. 제1a도에서 보인 장치는 직선부(3)(4)로서 양단이 연장 구성된 반원상의 만곡부(2)로 구성되는 투명한 “U”자형 봉체(1)로 구성되며, 직선부(3)의 자유단(3a)에는 봉체(1)내로 광선을 주입하는데 사용하고 반면에 다른 직선부(4)의 자유단(4a)는 봉체(1)를 통하여 전달된 광선을 검출하는데 이용된다(도면에서는 화살표로서 출입부를 표시하였다). 만곡부(2)는 측정키 위한 액체(9)내에 침지되며, 단부로 나오는 광량은 액체(9)의 굴절률의 함수임을 알 수 있다 제1b도에서 보인 장치는 반원부 형태의 만곡부(2)가 360°로 만곡된 부분(2')로 대체된 사실 말고는 제1a도와 유사하다.Figures 1a and 1b show two known devices known in the prior art, the main differences being first shown in these two examples between the conventional device and the different embodiments of the device according to the invention described hereinafter. The device shown in FIG. 1a consists of a transparent “U” shaped rod 1 composed of semicircular curved portions 2 extending from both ends as straight portions 3 and 4, and a free end of the straight portion 3. (3a) is used to inject light into the rod (1), while the free end (4a) of the other straight portion (4) is used to detect the light beam transmitted through the rod (1) (in the drawing as an arrow Wealth is indicated). The curved portion 2 is immersed in the liquid 9 for measurement, and the amount of light exiting the end is a function of the refractive index of the liquid 9. The device shown in FIG. 1b shows that the curved portion 2 in the shape of a semicircle is 360 It is similar to FIG.

제2도는 본 발명에 따른 장치의 제1실시예를 보인 것으로 대향된 방향으로 만곡된 두 만곡부를 가진 간단한 투명 봉체로 구성되는 광선 안내자로 구성된 것을 보이고 있다. 이 도면에서 보인 장치는 중간 만곡부, “S”자형 만곡부(11)와, 이 만곡부(11)의 양단의 각각으로부터 수직으로 연장한 두 직선부(15)(16)으로 구성되는 투명재질의 봉체(10)을 가진다. 직선부(15)(16)은 봉체(10)의 입력부와 출력부로서 각각 이용되고, 이 두 만곡부(12)(13)은 실제로 각각에 대하여 대칭적으로 설치하여 있는 반면에 상호 반대 방향으로 만곡되어 있다. 투명 봉체(0)는 반경(r)의 환상 단면을 가지는 반면에 만곡부(12)(13)는 일정한 곡률반경(R)을 가진다.FIG. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention, which shows that it consists of a light guide consisting of a simple transparent rod with two bends curved in opposite directions. The device shown in this figure is a transparent rod composed of an intermediate curved portion, an “S” shaped curved portion 11, and two straight portions 15, 16 extending vertically from each end of the curved portion 11 ( 10) The straight portions 15 and 16 are used as the input and output portions of the rod 10, respectively, and the two curved portions 12 and 13 are actually symmetrically installed with respect to each other, while being curved in opposite directions. It is. The transparent rod 0 has an annular cross section of radius r, while the curved portions 12, 13 have a constant radius of curvature R. As shown in FIG.

입력부(15)의 평면상 단부면(15a)의 부근에는 투명봉체(10)으로 광선을 주입키 위한 광원(5)이 배설되어 있고, 출력부(16)의 단부면(16a) 부근에는 봉체(10)에 의하여 전달된 광도를 측정하기 위한 검출장치(6)가 배설되어 있다. 예를 들어, 이 검출장치(6)는 측정 또는 표시 장치(8)에 전기적으로 연결된 광전 검출기(7)로 구성된다. 본 발명 장치의 만곡부는 측정키 위한 굴절률에 관계된 특성의 하나로 굴절률(n)을 가지는 액체(9)에 침지될 수 있도록 되어 있으며, 봉체(10)의 투명재질은 측정키 위한 액체의 굴절률 n보다 큰 굴절률 n1을 가지는 것으로 선택된다.A light source 5 for injecting light into the transparent rod 10 is disposed near the planar end surface 15a of the input unit 15, and a rod body near the end surface 16a of the output unit 16. A detection device 6 for measuring the luminous intensity transmitted by 10 is provided. For example, the detection device 6 consists of a photoelectric detector 7 electrically connected to the measurement or display device 8. The curved portion of the device of the present invention can be immersed in a liquid 9 having a refractive index n as one of the characteristics related to the refractive index for measuring keys, and the transparent material of the rod 10 is larger than the refractive index n of the liquid for measuring keys. It is selected to have a refractive index n1.

이와 같은 이중 만곡의 기하학적인 구조는 실제로 세 개의 매개 변수에 의하여 조절된다. 즉 만곡부(12)(13)의 각 곡률 반경 R(또는 R/r, 여기에서 r은 봉체의 반경을 나타낸다), 이들 만곡부의 곡률 중심의 거리 D, 그리고 두 중실 높이차이 H이다. 만률반경 R은 봉체의 반경 r과 같이 작게 취함으로써 본 발명 장치의 대비와 감도의 최적한 증가를 확신할 수 있도록 하는 것이 좋다. 이 곡률반경 r은 R/r비가 약 3∼5사이가 되도록 선택하는 것이 좋으며, 같은 이유로서 거리 D도 곡률 반경에 의하여 허용되는 한 최소치, 즉 약 2R+2r 정도로 유지되도록 하는 것이 좋다. 대조와 감도의 동일한 이유로서, 최종적으로 높이 차이는 없도록 하거나 아주 작게 정(政)의 차이로(제2도에서의 경우)로 나타나게 선택한다.This double curvature geometry is actually controlled by three parameters. That is, the radius of curvature R (or R / r, where r represents the radius of the rod body) of the curved portions 12 and 13, the distance D between the centers of curvature of these curved portions, and the two solid height differences H. The yield radius R is preferably taken as small as the radius r of the rod to ensure an optimum increase in contrast and sensitivity of the device of the present invention. The radius of curvature r is preferably selected so that the ratio R / r is between about 3 and 5, and for the same reason, the distance D should be kept at a minimum value, that is, about 2R + 2r, as allowed by the radius of curvature. For the same reason for contrast and sensitivity, the final choice is to have no height difference or to appear as a very small difference (in case of FIG. 2).

본 발명 장치의 작용은 다음과 같다.The operation of the device of the present invention is as follows.

본 장치의 만곡부(11)는 측정키 위한 액체(9)내에 침지되고 광선은 광원(5)에 의하여 투명봉체(10)내로 주입된다. 광원에 의하여 방출된 광선은 투명봉체의 “구경치수”에 의하여 투명봉체(10)에 의한 수광량에 따라 발산될 수 있도록 되어 있으며, 입사광선 빔의 발산에 의하여 정하여지는 것이 아니다. 봉체에 수광되는 입사광선은 주위 매질에 대한 그 임계각보다 큰 입사각도로 그 벽면에 부딪치는 것은 잘 알려진 사실이며, 입사각보다 작은 다른 광선은 직선부(15)로부터 굴절되어 나간다.The curved part 11 of this apparatus is immersed in the liquid 9 for a measurement key, and a light ray is injected into the transparent rod body 10 by the light source 5. As shown in FIG. The light rays emitted by the light source may be diverted according to the amount of light received by the transparent rod 10 by the “diameter” of the transparent rod, and are not determined by the emission of the incident light beam. It is well known that the incident light received by the rod hits the wall at an angle of incidence larger than its critical angle with respect to the surrounding medium, and other light rays smaller than the angle of incidence are refracted from the straight portion 15.

투명봉체(10)내에 수광된 광선은 직선부(15)를 통하여 특수의 내부 반사로 전달되어 측정키 위한 액체(9)내에 침지된 만곡부(11)에 이르른다.The light rays received in the transparent bar 10 are transmitted to the special internal reflection through the straight portion 15 to reach the curved portion 11 immersed in the liquid 9 for measurement.

이 만곡부(11)의 제1만곡부(12)는 그 벽면에 부딪치는 광선의 입사를 수정하도록 작용하는 반면에 그 외측면에 부딪치는 광선들의 입사각도를 감소케 하여(이러한 입사각의 감소는 만곡부 크기의 기능이다) 각도가 주위의 액체(9)에 대한 임계각도를 초과하는 입사광선은 액체내로 굴절해 나간다(도면에서는 광선 p1으로 표시하였다). 이러한 입사광선의 감소는 이 만곡부(12)에 입사되는 모든 광선에서 동일하게 일어나는 것이 아니며, 이들 광선이 그의 측면에 부딪치기 전에 이 만곡부 내로 관통될 수 있는 깊이에 따르므로 다만 동일 입사각도로 입사되는 광선의 일부만 이주위의 액체 내로 굴절에 의하여 봉체(10)로부터 떠나가는 것이다. 이와 같이 주위 액체내로 굴절해 나가는 광선의 과소는 이 액체의 굴절률의 함수에 해당하므로 총 반사의 임계각도는 이 굴절률에 따른다. 만곡부상에서의 이러한 첫 번째 입사에서 봉체를 떠나지 않고 남이 있는 광선은 모두 봉체 내부에서 반사되어 제2만곡부(13)으로 연속 내부 반사하여 전달된다(제1입사가 주위 매질내로 광선이 통과할 수 있도록 측정된 만곡부상에서 일어남을 알 수 있으며, 이 제1입사후 반사된 총 광선은 실제로 일정한 입사각도로 제만곡부를 따라 반사되고, 제1입사 각도와 동일하며 다음 만곡부에 다달을 때까지 광선이 더 이상 매질 내로 떠나가는 것을 허용하지 아니한다).The first curved portion 12 of the curved portion 11 acts to correct the incidence of the rays hitting the wall, while reducing the angle of incidence of the rays hitting the outer surface (the reduction of the incident angle is the size of the curved portion). The incident light whose angle exceeds the critical angle with respect to the surrounding liquid 9 is refracted into the liquid (indicated by light beam p1 in the drawing). This reduction in incident light does not occur equally in all the light rays incident on the curved portion 12, but depends on the depth that these light rays can penetrate into the curved portion before hitting its sides, so that only the light incident at the same angle of incidence Only part of is leaving the rod 10 by refraction into the liquid above two weeks. Thus, the undershoot of the rays refracting into the surrounding liquid corresponds to a function of the refractive index of the liquid, so the critical angle of the total reflection depends on this refractive index. At this first incidence on the bend, all remaining rays that do not leave the rod are reflected inside the rod and are continuously reflected internally to the second bend 13 (measured so that the first incidence can pass through the surrounding medium). The total rays reflected after the first incidence are actually reflected along the incidence at the constant incidence angle, equal to the first incidence angle, and the rays no longer enter the medium until they reach the next bend. Not allowed to leave).

이러한 제1만곡부의 방사상 외측면을 따라 복수반사에 의하여 전달되는 제1만국부에 의하여 반사된 모든 광선은 역방향으로 제1만곡부(12)에 도달하여 광선의 대부분이 매우 낮은 입사각으로 그 벽면에 투사되고 여기에서 주위 매질로의 굴절에 의한 통과가 일어난다(도면에서는 광선 p2로 표시하였다. 주위의 액체 내로 굴절하여 통과하는 대부분의 광선은 총 반사광선의 임계각도가 굴절률에 따라 주어지는 이 액체의 굴절률에 해당한다. 제2만곡부(13)상에서의 이 제1입사 동안에 봉체로부터 벗어나지 않은 잔여광선은 모두 봉체 내부에서 반사되며 (실제 입사각도는 제1입사각도와 동일하다) 봉체의 타단(16a)에 도달할때까지 연속 내부 반사로 전달된다(도면에서는 광선 t로 표시하였다).All the light rays reflected by the first mandrel, which is transmitted by plural reflections along the radially outer surface of the first bent portion, reach the first bent portion 12 in the reverse direction, and most of the light rays are projected onto the wall at a very low incident angle. Where a refraction through the refraction into the surrounding medium takes place (indicated by the rays p2 in the drawing. Most of the rays refracting into the surrounding liquid pass through the refractive index of this liquid, where the critical angle of the total reflected ray is given by the index of refraction). During this first incidence on the second curved portion 13, all remaining rays which do not deviate from the body are reflected inside the body (the actual angle of incidence is equal to the first angle of incidence) to reach the other end 16a of the body. Until a continuous internal reflection (indicated by ray t in the figure).

따라서 만곡부(12)(13)내에서 일어난 굴절에 의하여 손실된 봉체 내에 주입된 광선의 강도와 동일한 봉체 타단(16a)로 방출되는 광선의 강도는 만곡부 주위의 매질의 굴절률의 함수와 같다. 그리고 이렇게 전달된 광선의 강도는 봉체의 만곡부 주위의 매질의 특성이고 굴절률에 대응하는 광신호를 발생하는 것이다.Thus, the intensity of the light rays emitted to the other end of the rod 16a equal to the intensity of the light injected into the rod lost by the refraction occurring in the bends 12 and 13 is a function of the refractive index of the medium around the bend. In addition, the intensity of the transmitted light is a characteristic of the medium around the curved portion of the rod and generates an optical signal corresponding to the refractive index.

이와 같이 서술된 장치에 의하여 발생된 광신호는 제1a도 및 제1b도의 공지된 장치에 의하여 발생된 광신호와는 본 발명 장치에 의하여 발생된 광신호가 매우 높은 감도를 가진다는 사실에 의하여 근본적으로 상이하고, 이러한 예시치 못한 결과는 제1만곡부(12)의 반대방향으로 만곡되고 제1만곡부를 통과하는 동안 얻어진 효과가 증폭된다고 말할 수 있는 제2만곡부(13)에 의한 것이라 할 수 있다.The optical signal generated by the apparatus described above is fundamentally due to the fact that the optical signal generated by the apparatus of the present invention has a very high sensitivity from the optical signal generated by the known apparatus of FIGS. 1A and 1B. The different, non-exemplary results can be attributed to the second bend 13, which can be said to be amplified in the opposite direction of the first bend 12 and the effect obtained while passing through the first bend 12.

사실상 반대방향으로 만곡한 이 제2만곡부는 제1만곡부(12)를 지나는 동안 얻어진 효과를 입증하는 것으로, 이는 제2만곡부 내로 투사하는 광선이 제1만곡부를 통과하는 동안 이미 그들의 진로가 변경되어 있으므로 큰 경사(작은 입사각)를 가지고 제2만곡부에 부딪치고, 이러한 큰 경사는 제2만곡부의 레벨에서 굴절에 의하여 이들 광선의 대부분이 봉체를 떠난다는 사실에 기인한다(다른 한편으로 큰 경사는 제1만곡부로 투사되는 동안에는 투명 봉체의 입력부(15)의 제한된 “구경치수”에 의하여 이루어지지 않는다). 본 발명에 따른 이와 같은 장치는 다른 실시예에서는 고감도(그리고 고대조)가 이루어질 수 있음이 명백하다.This second curved portion, which is actually curved in the opposite direction, demonstrates the effect obtained while passing through the first curved portion 12, since their path has already been altered while the light beam projecting into the second curved portion passes through the first curved portion. It hits the second bend with a large inclination (small angle of incidence), which is due to the fact that most of these rays leave the rod by refraction at the level of the second bend (on the other hand, the large inclination is the first While projecting to the curved part is not made by the limited “diameter” of the input part 15 of the transparent bar). It is evident that such a device according to the invention can be made highly sensitive (and high contrast) in other embodiments.

이와 같이 제1만곡부의 입구에서의 제1입사 만곡부에서의 굴절 손실을 측정케하며, 이 제1입사 후 모두 반사된 광선은 작고 일정한 입사각도하에서 만곡부의 방사상 외측면을 따라 반사되는 복수 반사작용에 의하여 전달된다. 또한 이 만곡부의 길이는 동일 방향으로(제1b도에서 보인 공지의 장치인 경우) 여러번 역행하므로서 대조나 감도를 증가함이 없이 광전도의 감소(투명재질에서 증가된 흡수에 의한)의 결과를 가져오므로 증가시킬 필요가 없다. 다만 특별히 증가한 대조와 강도의 효과를 가지는 그 크기는 반대방향으로 만곡된 적어도 제2만곡부에 따라서 상기 제1만곡부를 제공하는 본 발명에 따른 것일 뿐이다.As such, the refractive loss at the first incidence bend at the inlet of the first bend is measured, and the reflected rays after all of the first incidence are subjected to a plurality of reflection actions reflected along the radial outer surface of the bend under a small and constant incidence angle. Delivered by. In addition, the length of this bend is reversed several times in the same direction (in the case of the known device shown in FIG. 1b), resulting in a decrease in photoconductivity (due to increased absorption in the transparent material) without increasing contrast or sensitivity. There is no need to increase. However, the size with the effect of particularly increased contrast and strength is only in accordance with the present invention providing the first curved portion in accordance with at least the second curved portion curved in the opposite direction.

만곡부의 효과에 관한 상기 성질상의 설명은 사실상 개략적이고 본질적으로는 자오면광선(즉 광선 안내자의 축선을 따라 주입되는 광선)에 적용되는 것으로 이 축선을 따라 주입되지 않는 경사진 광선군은 투명봉체로 주입된 대부분의 빛을 수렴케 한다. 또한 실제로 이들 경사광선의 형태는 매우 복잡하므로 현상의 이론적인 전체분석은 불가능하다. 이러한 경사광선의 형태를 고려하여 이론적으로 보다 완전에 가깝도록 하기 위한 시도가 투명봉체 내의 상이한 전달형태를 분석함에 기초를 둔 수리적인 시험 방법에 의하여 이루어지게 되었다. 그러나 이러한 방법은 일정하게 분배된 방사선의 침투가 이루어지는 단일 만곡부의 경우 그 방법의 설정에 곤란을 가져왔으며 다른 제2만곡부의 경우는 제2만곡부로 주입하는 광선의 공간 분배의 불균일에 의하여 매우 곤란하거나 불가능하였다(이 만곡부의 방사상 외측면 가까이에서 광에너지의 집중에 따르는 제1만곡부의 효과에 의한 불균일 때문에).The above description of the nature of the effect of the curvature is, in fact, rough and essentially applicable to meridians (ie rays injected along the axis of the light guide), in which the inclined group of rays not injected along this axis is injected into the transparent rod. Converges most of the light. Also, in fact, the shape of these inclined rays is very complex, so a theoretical full analysis of the phenomenon is impossible. In view of this form of oblique light, attempts to bring it closer to theoretically closer to perfection have been made by a mathematical test method based on analyzing different modes of transmission in the transparent enclosure. However, this method has a difficulty in setting the method in the case of a single curved portion where the constant penetration of radiation is made, and in the case of the other second curved portion, it is very difficult due to the uneven distribution of light rays injected into the second curved portion. It was impossible (because of the nonuniformity due to the effect of the first bend along the concentration of the light energy near the radially outer surface of this bend).

상술한 내용이 비록 개략적일지라도 실제로 전달된 광도의 측정에 의하여 얻어진 상이한 실험적인 결과에 의하여 충분히 확증되었으며, 이는 서술된 다른 실시예에서 보다 명확히 설명된다.Although the foregoing is schematic, it is fully confirmed by the different experimental results obtained by the measurement of actually transmitted luminosity, which is more clearly explained in the other examples described.

제3도는 제2도에 따라 설명된 실시예의 변형 형태를 보인 것으로 세 개의 만곡부를 가지는 투명 봉체(21)로 구성되어 있다. 봉체(21)의 형태는 일반적으로 “W”형태이며, 각각 두중간부(25)(26)에 의하여 상호 연결된 원호의 형태로서 세 만곡부(22)(23)(24)로 구성되며(중간 만곡부(23)은 외측 만곡부(22)(24)에 비하여 반대방향으로 만곡되어 있다), 외측 만곡부(22)(24)의 자유단에는 직선부(27)(28)이 연장되어 있다.FIG. 3 shows a variant of the embodiment described in accordance with FIG. 2 and consists of a transparent rod 21 having three curved portions. The shape of the rod 21 is generally in the form of a “W”, which is composed of three curved portions 22, 23, and 24, each in the form of an arc connected to each other by two middle portions 25 and 26 (middle curved portion ( 23 is bent in the opposite direction as compared with the outer curved portions 22 and 24), and the straight portions 27 and 28 extend at the free ends of the outer curved portions 22 and 24. As shown in FIG.

제4도는 본 발명에 따른 장치의 제2실시 형태를 보인 것으로 이중 만곡부를 가지는 광섬유로 구성되어 있다. 이 구조는 제2도와 유사하다. 단일 재질로 된 투명봉체(10)대신에 광섬유(31)로 대체되었으며 섬유의 전길이를 따라 얇은 두께의 클래딩(33)에 의하여 코아(32)가 외장되어 있다. 이러한 구조는 기하학상 제2도에서 보인 것과는 만곡부(12)(13)이 직접 연결된 점(즉 만곡부 사이에 중간부가 없는 연결이다)이 다르고, 만곡부는 반원형태이며 높이 차이 H는 영(零)과 같게 선택된다.4 shows a second embodiment of the device according to the invention, which is composed of an optical fiber having a double bend. This structure is similar to FIG. Instead of the transparent rod 10 made of a single material is replaced by the optical fiber 31 and the core 32 is sheathed by a cladding 33 of a thin thickness along the entire length of the fiber. This structure differs from that shown in FIG. 2 by the point where the bends 12 and 13 are directly connected (that is, the connection without the middle part between the bends), the bends are semicircular and the height difference H is zero and Selected equally.

제5도는 제4도 장치의 변형 형태를 보인 것으로 여기에서 광섬유(31)는 4개의 다른 만곡부(제4도는 두개 대신에)로 구성된 만곡부(35)를 가지며, 이 만곡부(35)는 클래딩(33)이 완전히 벗겨져 있다(코아(32)가 노출되어 있다).FIG. 5 shows a variant of the FIG. 4 device wherein the optical fiber 31 has a curved portion 35 composed of four different curved portions (FIG. 4 is instead of two), the curved portion 35 having a cladding 33 ) Is completely peeled off (the core 32 is exposed).

[실시예1]Example 1

본 실시예는 본 발명에 따른 장치와 종래 기술로 알려진 장치 사이에서 얻어지는 본질적인 차이점을 비교하기 위한 것이다.This embodiment is for comparing the essential differences obtained between the device according to the invention and a device known in the art.

한 실시형태로는 폴리스틸렌(굴절률 1.59)로 된 직경 1.03㎜의 코아와 폴리메틸메타크릴레이트(굴절률 1.49)로 된 두께 60미크론의 클래딩으로 구성되는 외경 1.55㎜의 합성 수지제 광섬유 PS/PMMA가 출발물질로 사용되었다. 이 섬유는 다음 구조(이들 모든 구조는 만곡부에 피복층이 형성되어 있다)들로 되어 있다.In one embodiment, a synthetic resin optical fiber PS / PMMA having an outer diameter of 1.55 mm consisting of a core having a diameter of 1.03 mm of polystyrene (refractive index of 1.59) and a cladding of 60 microns of thickness of polymethyl methacrylate (refractive index of 1.49) starts. Used as a substance. This fiber has the following structures (all of which have a coating layer formed on the bend).

a) 180°의 간단한 만곡부(제1a도의 것과 기하학상 유사한)로 구성되고 곡률반경 R이 1.75㎜인 제1구조,a) a first structure consisting of a simple bend of 180 ° (similar in geometry to that of FIG. 1a) and a radius of curvature R of 1.75 mm,

b) 360°의 단일 만곡부(이는 제1b도와 유사하다)로 구성되는 곡률반경이 역시 1.75㎜인 제2구조,b) a second structure having a radius of curvature of 1.75 mm, which is composed of a 360 ° single bend (similar to that of FIG. 1B),

c) 이중 만곡부(제2도와 유사)로 구성되고, D=4.65㎜(2R+2r), H=+0.97㎜인 제3구조c) a third structure consisting of double bends (similar to FIG. 2), with D = 4.65 mm (2R + 2r) and H = + 0.97 mm

d) 네 개의 만곡부(제5도와 유사)로 구성되고, R=1.75㎜ D=4.65㎜(2R+2r), H=O인 제4구조,d) a fourth structure consisting of four curved portions (similar to FIG. 5), wherein R = 1.75 mm D = 4.65 mm (2R + 2r), H = O,

상기 언급한 구조들은 100°∼200℃의 온도로 섬유를 가열하여 적당한 크기(특히 외경 1.75㎜인)의 원통상 심체 주위에 가열된 섬유층이 형성되어 있다.The above-mentioned structures heat the fiber at a temperature of 100 ° to 200 ° C. to form a heated fiber layer around a cylindrical core of a suitable size (especially an outer diameter of 1.75 mm).

이들 구조를 통과한 빛의 전달은 150W의 수정-옥소램프로 구성된 광원과 스펙트럼 감응이 400∼950㎚이고 최고 감응이 700㎚인 실리콘 포토다이오우드 검파기에 의하여 측정되었으며, 연속 측정이 상이하게 알려진 굴절률(1.33∼1.47)의 유체 내에 상기 구조들을 침지하여 수행하였다. 그 결과는 제6도의 그래프에서 주어졌으며, 그래프는 상기 언급된 상이한 구조를 침지한 유체의 굴절률 n의 함수로서 대조계소 「의 변화를 나타내고 있다. 제6도의 곡선 A와 B는 각각 종래 기술로 알려진 제1 및 제2구조로서 측정된 측정치에 대응하며, 고건 C 및 D는 본 발명에 따른 제3 및 제4구조로 측정된 측정치에 대응한다(곡선 A와 B는 실제로 도면상 구별할 수 없다). 이 그래프는 종래기술에 의한 것보다 본 발명에 따른 구조의 기능의 우수성을 명확하게 나타내었을 뿐만 아니라 실제로 본 발명에 따른 만곡부 형성에 의하여 이루어진 예기치 않은 상승 효과를 얻을 수 있었다.The transmission of light through these structures was measured by a light source consisting of a 150 W crystal-oxo lamp and a silicon photodiode detector with a spectral response of 400 to 950 nm and a peak response of 700 nm. 1.33-1.47) to immerse the structures in the fluid. The results are given in the graph of FIG. 6, which shows the change of control station "as a function of the refractive index n of the fluid immersed in the different structures mentioned above. Curves A and B in FIG. 6 correspond to measurements measured as the first and second structures known in the art, respectively, and conditions C and D correspond to the measurements measured with the third and fourth structures according to the invention ( Curves A and B are actually indistinguishable in the drawing). This graph not only clearly shows the superiority of the function of the structure according to the present invention than that according to the prior art, but in fact it is possible to obtain unexpected synergistic effects made by the formation of the bend according to the present invention.

[실시예2]Example 2

본 실실예는 본 발명에 따른 장치에 의하여 전달된 광도가 광전도 봉체의 만곡부 크기의 함수록서 어떻게 변화하는 것인가를 알아보기 위한 것이다.This practical example is intended to show how the luminous intensity transmitted by the device according to the invention changes as a function of the size of the bend of the photoconductive rod.

출발물질로서는 외경 1㎜의 광섬유(캄파니 듀퐁 데 네모아로부터 CROFON 상표로 시판되고 있음)가 사용되었고 굴절률이 1.49인 제1합성수지 재질(폴리메틸메타크릴레이트)로 된 코아와 굴절률 1.39(클래딩 두께 50미크론 이하)의 제2합성 수지재질로 구성된 클래딩으로 구성되어 있다.As a starting material, an optical fiber with an outer diameter of 1 mm (commercially available from the company Dupont de Nemoa under the CROFON trademark) and a first synthetic resin material having a refractive index of 1.49 (polymethyl methacrylate) and a refractive index of 1.39 (cladding thickness) were used. It is composed of a cladding composed of a second synthetic resin material of 50 microns or less).

세 개의 광학섬유 구조체가 제4도에서 보인 바와 동일한 이중 만곡부로 형성되었다(즉, D=2R+2r, H=O).Three optical fiber structures were formed with the same double bends as shown in FIG. 4 (ie, D = 2R + 2r, H = O).

이들 만곡부는 각각 곡률반경 R이 상이하게, 즉 2㎜, 1.75㎜ 그리고 1.5㎜로 주어졌다(D=5㎜, 4.5㎜, 4㎜).These curved portions were given different curvature radii R, that is, 2 mm, 1.75 mm and 1.5 mm (D = 5 mm, 4.5 mm, 4 mm), respectively.

이들 각 구조체는 대기와 굴절률 1.39의 기준 액체(벤진)에 침지되었으며 각 시간마다 이들 구조체를 통하여 전달된 광선을 측정하였다. 그 측정 결과는 대조계수가 각각 8,18 및 75이었고, 대기 중의 전달계수는 55%, 50% 및 43%이었다. 이는 대조가 곡률 정도의 함수로서 크게 증가한 것을 보이고 있으며, 대조에 관한 이러한 증가는 대기중 전달계수의 비교적 가벼운 감소에 위하여 이루어졌다.Each of these structures was immersed in the atmosphere and a reference liquid (benzine) with a refractive index of 1.39 and measured the light transmitted through these structures at each time. The measurement results were control coefficients of 8, 18 and 75, respectively, and the transmission coefficients in the air were 55%, 50% and 43%, respectively. This shows that the contrast increased significantly as a function of the degree of curvature, and this increase in contrast was made for a relatively light decrease in atmospheric transfer coefficients.

본 발명에 따른 장치에 의하여 발생된 광신호는 유체의 불연속적인 상태 변화를 검출하고 그 굴절률에 관계된 유체의 상이한 특성을 측정하기 위하여 또는 이들 특성의 연속적인 변화)침지한 유체의 굴절률의 특성을 나타내는 것이다.The optical signal generated by the device according to the invention is used to detect the discontinuous state change of the fluid and to measure different properties of the fluid in relation to its refractive index or a continuous change in these properties) to indicate the properties of the refractive index of the immersed fluid. will be.

이와 같이 본 발명에 따른 장치는 주어진 장소에서 유체의 유무를 검출하기에 유리하며, 특히 주어진 용기내의 액위를 검출하기에 유리하고, 상이한 만곡부는 검출하기 위한 레벨에 놓인 광선 안내자의 만곡된 단부로 구성되는 것이다. 레벨 표시기로서 사용할 경우, 본 장치는 매우 간단하여지는데, 단지 두 상이한 상태를 검출하는 경우에, 그 하나는 전달된 광선을 검출하기 위한 장치를 완전히 제거하고 여기에 간단한 가시 측정기를 대체할 수 있다. 만곡부의 곡률은 유체가 없을 때에 빛의 손실이 최소가 되도록 선택됨으로써 광선 유도자의 검출단은 유체가 요구된 레벨일 경우 검게 나타난다. 또한 광선 유도자의 입력단에 연속적으로 착설되는 광원은 제거되며 대신에 간단한 보조광원(예를 들어 후라쉬와 같은 포터블 램프)으로 대체할 수 있다. 이 액의 검출에 관하여는 더우기 불연속적인 검출(단일 레벨의 측정)과 준연속적인 검출(동일 용기 내의 여러 레벨의 측정, 예를 들어 최대 및 최소 레벨)을 수행할 수 있고 검출되는 각 레벨에 본 발명 장치를 설치할 수 있다.As such, the device according to the invention is advantageous for detecting the presence or absence of a fluid at a given place, in particular for detecting the liquid level in a given container, and the different bends consist of the curved ends of the light guides placed at the level for detection. Will be. When used as a level indicator, the device becomes very simple, in the case of detecting only two different states, one can completely eliminate the device for detecting the transmitted light beam and replace it with a simple visible meter. The curvature of the curvature is chosen such that the loss of light is minimal when there is no fluid such that the detector stage of the light guide is black when the fluid is at the required level. In addition, the light source continuously installed at the input terminal of the light guide is removed and can be replaced by a simple auxiliary light source (for example, a portable lamp such as a flashlight). Regarding the detection of this liquid, furthermore, discontinuous detection (single level measurement) and semi-continuous detection (several levels of measurement in the same container, for example maximum and minimum levels) can be performed and The invention device can be installed.

제7도는 용기(40)내에 세가지의 레벨(최대, 중간 및 최소레벨)을 측정하기 위한 장치의 실시형태를 보인 것으로 이러한 장치는 용기(40)내에 침지된 튜우브(44)내에 위치하는 본 발명에 따른 세 개의 광섬유(41)(42)(43)으로 구성되어 있다.FIG. 7 shows an embodiment of an apparatus for measuring three levels (maximum, intermediate and minimum levels) in the vessel 40, which apparatus is located in a tub 44 immersed in the vessel 40. It consists of three optical fibers 41, 42, 43.

이들 개개의 광섬유는 측정키 위한 액위의 높이에 배열된 “W”형태의 만곡부(41a)(42a)(43a)를 가지며, 이 장치에서 받은 간단하고 일반적인 광원(45)에 의하여 섬유의 입력부측에 주입되는 반면에, 레벨의 값은 이들 섬유의 출력부측의 자유단에 설치한 간단한 가시 측정기에 이하여 얻어진다. 예를 들어 도면에 표시한 바와 같이 용기내에 용액 3/4이 채워져 있다는 섬유(41)의 출력단만이 조명될 것이고 다른 두 섬유(42)(43)의 출력단은 어둡게 나타날 것이다.These individual optical fibers have "W" shaped bends 41a, 42a, 43a arranged at the level of the liquid level for the measurement key, and are provided on the input side of the fiber by a simple and common light source 45 received from this apparatus. On the other hand, the value of the level is obtained following a simple visual measuring device provided at the free end on the output side of these fibers. For example, as shown in the figure, only the output end of the fiber 41 that the solution 3/4 is filled in the vessel will be illuminated and the output end of the other two fibers 42, 43 will appear dark.

본 발명에 따른 장치는 액위 표시기와 같이 다용도로 사용할 수 있는 것으로 원유 탱크, 모우터 또는 트랜스 미션 오일, 브레이크 유체, 축전지 전해 용액, 차창세척액체 등의 액위와 같은 레벨을 검출 측정하는데 사용할 수 있다. 이들 액위 검출에 사용될 광섬유의 상이한 출력단은 예를 들어 차량의 계기판에 설치할 수 있다. 또한 이러한 액위 표시기는 다른 많은 분야, 예를 들어 액화개스의 저장과 화학 물질의 저장분야에도 이용할 수 있을 것이다.The apparatus according to the present invention can be used for various purposes such as liquid level indicator, and can be used for detecting and measuring the level of liquid level such as crude oil tank, motor or transmission oil, brake fluid, battery electrolyte, windshield cleaning liquid and the like. The different output ends of the optical fibers to be used for these liquid level detections can be installed, for example, on the instrument cluster of the vehicle. Such level indicators may also be used in many other fields, such as the storage of liquefied gas and the storage of chemicals.

또한 본 발명에 따른 장치는 직접 유체의 굴절률 또는 그 굴절률에 관계된 유체의 특성, 용액의 농도, 조성물 중 한 비율, 액화 유체의 온도 등과 같은 특성을 측정하기 위한 굴절계로서 사용될 수 있다. 굴절계로서의 이와 같은 응용에 있어서, 전달된 광선을 검출하기 위한 장치는 예를 들어 측정장치에 연결된 포토트랜지스터로 구성되는 전기적인 장치(이 경우 측정키 위한 특성이 직접적으로 나타날 수 있다)로 구성되며, 한편 간단 한가시장치로 강도의 감쇠 또는 색깔의 변화를 관찰할 수 있다.The device according to the invention can also be used as a refractometer for measuring properties such as the refractive index of the fluid directly or the properties of the fluid related to the refractive index, the concentration of the solution, the proportion of the composition, the temperature of the liquefied fluid and the like. In such an application as a refractometer, the device for detecting the transmitted light consists of an electrical device, in which case the properties for the measuring key can be directly represented, for example, consisting of a phototransistor connected to the measuring device, On the other hand, a simple visual device can observe the intensity decay or color change.

이러한 굴절계의 응용분야는 화학산업, 의학산업, 일반적인 기구 또는 자동차 및 항공기의 계기 등에 다양하게 사용될 수 있는데, 연축전지의 충전상태의 측정 또는 부동 혼합물의 농도 측정 등에도 응용할 수 있다. 이러한 응용에서 축전지에 이용할 경우는 전해액의 굴절률의 변화를 측정함으로써 일반적인 연축전지의 충전상태를 측정할 수 있는 것으로 축전지가 방전시에 이 굴절률은 만충전시의 1.378에서 1.348로 굴절률이 떨어진다. 제6도의 그래프는 굴절률의 이 변화가 곡선 D에 해당하는 광섬유에서 대조 계수가 약 88에서 35로 변화하는 바와 일치한다고 본다(곡선 C에 일치하는 광섬유인 경우 약 35에서 19로 대조계수의 변화가 있다. 부동 혼합물에 응용할 경우는 일반적으로 프로필렌글리콜이 그 높은 독성 때문에 많은 국가에서 사용을 금지하고 있는 에틸렌글리콜 대신 사용하고 있는 바, 농도계에 의한 에틸렌글리콜의 비율 측정은 프리필렌 글리코올에서 적용하는 것보다 적당치 않다. 그 농도는 매우 물에 가까우므로 본 발명에 따른 장치는 이 경우 다른 용제인 때 적합하다.The field of application of the refractometer may be used in a variety of applications, such as the chemical industry, medical industry, general instruments or instruments of automobiles and aircrafts, it may be applied to the measurement of the state of charge of the lead-acid battery or the concentration of the floating mixture. In this application, it is possible to measure the state of charge of a typical lead-acid battery by measuring the change in refractive index of the electrolyte. When the battery is discharged, the refractive index drops from 1.378 at full charge to 1.348. The graph in FIG. 6 shows that this change in refractive index is consistent with the change of the contrast coefficient from about 88 to 35 in the optical fiber corresponding to curve D (for the optical fiber corresponding to curve C, the change in the contrast coefficient is about 35 to 19). When applied to antifreeze mixtures, propylene glycol is generally used instead of ethylene glycol, which is banned in many countries because of its high toxicity. Therefore, the ratio of ethylene glycol by a densitometer is applied to pre- ethylene glycol. The concentration according to the invention is suitable in this case when it is another solvent.

이와 같이 본 발명 장치는 액위 측정기(또는 굴절계로서 유리하게 사용할 수 있으며 그 구조 및 조작이 간단하고, 저렴하며, 액위 표시기로서 사용할 경우 특히 고대조로서 적합하고 고성능 굴절계로서 굴절률 변화에 탁월한 감도를 보이는 것이다.As such, the device of the present invention can advantageously be used as a level gauge (or refractometer), its structure and operation are simple, inexpensive, and especially suitable as a high contrast when used as a level indicator, and exhibits excellent sensitivity to refractive index changes as a high performance refractometer. .

Claims (1)

유체내(9)에 침지시킬 수 있도록 된 중간 만곡부(12)(13)에 의하여 각각 연결된 입력부(15a)와 출력부(16a)로 구성된 체장한 광전도 봉체(10)로 구성되고 광선의 입력부(15a)의 자유단으로 주입될 때에 유체에서의 굴절에 의한 광선 통과가 유체의 굴절률의 함수이고 출력부(16a)의 자유단으로 방출하는 광선은 유체의 굴절률에 대응하는 광신호를 발생하도록 구성되어 중간만곡부가 서로 다른 반대 방향으로 만곡되기 위하여 연속적으로 배열된 다수의 만곡부(12)(13)(22)(23)(24)(32)(35)로 구성되는 형태이며, 이에 의하여 만곡부 모두가 유체의 굴절률의 함수로서 변화하는 광량의 유체로의 굴절에 의한 통로를 제공하는 고감도의 광신호를 발생함을 특징으로 하는 유체 굴절률에 대응하는 광신호 발생장치.It consists of a long photoconductive rod 10 composed of an input portion 15a and an output portion 16a, respectively connected by intermediate curved portions 12, 13, which can be immersed in the fluid 9, Passing light rays by refraction in the fluid when injected into the free end of 15a) is a function of the refractive index of the fluid and the light rays emitted to the free end of the output 16a are configured to generate an optical signal corresponding to the refractive index of the fluid. The intermediate curved portion is formed of a plurality of curved portions 12, 13, 22, 23, 24, 32, and 35 arranged in series to be curved in different opposite directions, whereby both curved portions Generating a high sensitivity optical signal providing a passage by means of refraction into the fluid of varying amount of light as a function of refractive index of the fluid.

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