DE4223840C2 - Refraktometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Refraktometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Durchlichtrefraktometer ist aus der älteren Anmeldung DE-P 41 02 376 A1 der Anmelderin bekannt. Es enthält eine sogenannte Differentialküvette mit zwei prismenförmigen Kammern, von denen eine zur Aufnahme der Probenflüssigkeit und die andere zur Aufnahme einer Referenzflüssigkeit dient. Die Trennung zwischen beiden Kammern erfolgt durch eine geneigt zur optischen Achse angeordnete Trennwand im Inneren der Küvette.

Des weiteren ist beispielsweise aus der DD-2 54 069 ein Durchlichtrefraktometer mit einer Küvette bekannt, die lediglich eine einzige prismatische Kammer aufweist. Die Brechzahlmessung erfolgt hier ohne eine Referenzflüssigkeit einfach anhand der Strahlablenkung innerhalb des prismenförmigen Probenvolumens.

Den vorbekannten Durchlichtrefraktometern ist gemein, daß die Brechzahl der Probe anhand der durch das prismatische Probenvolumen bewirkten Ablenkung des Meßlichtes relativ zu der bei einer vorher durchgeführten Kalibriermessung mit einer Flüssigkeit bekannter Brechzahl registrierten Ablenkung ermittelt wird. Eine zwischenzeitig eingetretene Dejustierung der Beleuchtungs- und Beobachtungsoptik führt dabei zu Meßfehlern.

In der DE 40 38 123 A1 ist ein Differentialrefraktometer beschrieben, bei dem die Küvette durch eine V-förmige Wand in eine Meß- und eine Referenzkammer geteilt ist, so daß auf dem Zeilensensor zwei Spaltbilder entstehen. Durch diese Unterteilung der Küvette ist das für die Probe zur Verfügung stehende Volumen bzw. der Querschnitt bei Durchflußmessungen sehr gering.

Desweiteren sind sogenannte Totalrefraktometer bekannt, bei denen das Meßlicht unter unterschiedlichen, den Grenzwinkel der Totalreflexion enthaltenden Winkeln auf die Probe fällt. Die Brechzahl wird anhand des Grenzwinkels der Totalreflexion ermittelt. Ein derartiges Refraktometer ist in der EP 0 184 911 A2 beschrieben. Auch hier führen nach der Kalibriermessung auftretende Dejustierungen der optischen Komponenten zu Meßfehlern. Ein darüber hinausgehender Nachteil ist, daß das Meßergebnis nur von einer äußerst dünnen Randschicht der Probe bestimmt ist. Diese Randschicht ist aber im allgemeinen, z. B. bei laminaren Störungen, nicht für die gesamte Probe repräsentativ. Ablagerungen oder Bläschen in der Randschicht wirken daher verfälschend auf das Meßergebnis.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Durchlichtrefraktometer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Nachteile der bekannten Durchlichtfraktometer bei gleichzeitig möglichst geringem zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand vermieden sind. Insbesondere soll bei jeder Messung an der Probe gleichzeitig eine Referenzmessung durchführbar sein.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß eines der Fenster der Hohlküvette über den Querschnitt des kollimierten Lichtstrahls mindestens zwei Bereiche aufweist und daß die Innenflächen der Fenster in den beiden Bereichen unter verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind.

Der Durchmesser des kollimierten Lichtstrahls ist dabei so gewählt, daß die zwei, drei oder vier Bereiche der Hohlküvette gleichzeitig ausgeleuchtet sind. Das in den verschiedenen Bereichen der Hohlküvette in unterschiedliche Richtungen abgelenkte Licht wird von einem einzigen Objektiv an verschiedenen Stellen auf den Zeilen- oder Flächensensor fokussiert. Eine Dejustierung der Abbildungsoptik und der Beleuchtungsoptik wirkt sich gleichzeitig auf die Lagen der Lichtpunkte aller Bereiche aus, so daß aus den Relativabständen der Lichtpunkte auf dem Sensor ein von Justierungsfehlern freier Meßwert ermittelt werden kann.

Der gerätetechnische Mehraufwand gegenüber dem Durchlichtrefraktometer aus der eingangs genannten Anmeldung der Anmelderin besteht lediglich darin, daß die Innenseite eines der Küvettenfenster mehrere unterschiedlich zueinander geneigte optische Flächen aufweist. Vorzugsweise hat die Küvette ein erstes Fenster mit zwei planparallelen Flächen und ein zweites Fenster, dessen Außenfläche parallel zu den Flächen des ersten Fensters ausgerichtet ist. Die Innenfläche des zweiten Fensters kann in einem Bereich ebenfalls parallel zur Innenfläche des ersten Fensters sein. Das durch diesen Teilbereich tretende Licht gibt dann auf dem Sensor die Nullage an.

Da die unterschiedlichen Bereiche über die Gestaltung der Innenflächen des Ein- bzw. Austrittsfensters realisiert sind, steht ein maximales Volumen zur Aufnahme der Probe bzw. ein maximaler Querschnitt zur Durchleitung der Probe bei Durchflußmessungen bei möglichst kleinen Küvettenabmessungen zur Verfügung.

Bei einem vorteilhafteren Ausführungsbeispiel weist die Innenfläche des zweiten Fensters zwei Bereiche auf, in denen diese Innenfläche entgegengesetzt zueinander unter betragsmäßig gleichen Winkeln zur Innenfläche des ersten Fensters geneigt ist. Der Abstand der Lichtpunkte auf dem Sensor ist dann unabhängig von einer eventuellen Dejustierung der Optiken. Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß aufgrund der durch das Doppelprisma bewirkten Ablenkung des Lichtes in entgegengesetzte Richtungen die Meßempfindlichkeit verdoppelt ist.

Da bei dem erfindungsgemäßen Refraktometer die Brechzahl der Probe aus der geometrischen Lage der Lichtpunkte auf dem Sensor bestimmt wird, ist es durch zusätzliche Auswertung der transmittierten Lichtintensität möglich, die Transmission der Probe zu bestimmen. Zur Gewinnung eines hierfür erforderlichen Referenzwertes kann ein zusätzlicher, von der Probe unbeeinflußter Lichtweg, beispielsweise in der Seitenwand der Küvette, vorgesehen sein.

Nach entsprechender Auswertung der Sensorsignale können dann Brechzahl und Absorption der Probe simultan und ohne großen optisch-mechanischem Mehraufwand auf einer Anzeigeeinheit dargestellt werden.

Das Refraktometer kann eine Single-Pass-Anordnung sein, bei der das Meßlicht die Küvette nur einmal transmittiert. Der Sensor ist dann in der Brennebene eines zwischen der Küvette und dem Sensor zwischengeschalteten Objektivs angeordnet.

Eine verdoppelte Meßgenauigkeit bei gleichzeitig geringerem Aufwand ergibt sich jedoch, wenn der Sensor in der beleuchtungsseitigen Brennebene der Beleuchtungsoptik angeordnet ist, und auf der der Beleuchtungsoptik abgewandten Seite der Küvette eine reflektierende Fläche vorgesehen ist. Dazu kann die Außenfläche des zweiten Küvettenfensters verspiegelt sein.

Zur Einstellung unterschiedlicher Meßbereiche kann das zweite Küvettenfenster oder die gesamte Küvette gegen solche auswechselbar angeordnet sein, bei denen der Neigungswinkel der Bereiche zur optischen Achse unterschiedlich ist. Außerdem kann die Küvette als Durchflußküvette ausgebildet sein.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlenganges in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des sensorseitigen Bereichs des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einer Durchflußküvette;

Fig. 4a eine Küvette für die gleichzeitige Messung von Brechzahl und Absorption im Schnitt und

Fig. 4b eine weitere Küvette mit auswechselbarem Austrittsfenster im Schnitt.

Das Refraktometer in Fig. 1 hat eine Laserdiode (1) als monochromatische Lichtquelle, deren Licht über einen Kollektor (2) eine Spaltblende (3) gleichförmig ausleuchtet. Die Spaltblende (3) ist in der Brennebene eines Kondensors (4) angeordnet, der die Spaltblende (3) somit ins Unendliche abbildet.

Hinter dem Kondensor (4) ist die Hohlküvette (7) im telezentrischen Strahlengang (6) angeordnet. Die Hohlküvette (7) hat ein beleuchtungsseitiges Eintrittsfenster (8), eine planparallele Glasplatte, deren planparallelen Flächen (8a, 8b) senkrecht zur optischen Achse (5) des Kondensers (4) ausgerichtet sind. Die Küvette (7) hat ein zweites Glasfenster (9), das dem Lichtaustritt dient. Die Außenfläche (9a) des zweiten Fensters (9) sowie der zentrale Bereich (9c) der Innenfläche sind ebenfalls senkrecht zur optischen Achse (5) ausgerichtet. Das Austrittsfenster (9) hat zwei Randbereiche (9b, 9d), in denen die Innenfläche jeweils entgegengesetzt um den betragsmäßig gleichen Winkel zur optischen Achse (5) geneigt ist.

Zwischen der Innenfläche (8b) des Eintrittsfensters (8) und des Austrittsfensters (9) ist die zu analysierende Probenflüssigkeit eingeschlossen. Durch die unterschiedliche Neigung der Innenfläche des Austrittsfensters in den Bereichen (9b, 9c, 9d) entstehen im Inneren der Küvette unterschiedliche prismenförmige Teilvolumina, in denen das Licht in unterschiedlichen Richtungen abgelenkt wird, wie weiter unten noch anhand der Fig. 2 näher erläutert wird.

Hinter der Küvette (7) ist ein zeilenförmiger Sensor (11), eine Diodenzeile, in der Brennebene eines Objektivs (10) angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Prismenformen der Teilvolumina im Inneren der Küvette (7) entstehen auf dem Sensor (11) insgesamt drei Bilder der Spaltblende (3). In einer nachgeschalteten Auswerteeinheit (12) wird aus den Lagen der Spaltbilder die Brechzahl der Probe berechnet und das Ergebnis auf einer Anzeige (13b) dargestellt.

Die Anzeigeeinheit (13) hat noch eine zweite Anzeige (13a), die zur Darstellung der Probenabsorption dient. Diese zweite Anzeige kommt zur Anwendung, wenn die Küvette (7) gegen die Küvette aus Fig. 4a ausgetauscht wird.

Zur näheren Erläuterung ist in der Fig. 2 jeder unterschiedlich geneigten Innenfläche (9b, 9c, 9d) des Austrittsfensters (9) ein entsprechend mit (6b, 6c, 6d) bezeichnetes Teilstrahlenbündel des kollimierten Lichtstrahls (6) zugeordnet. Das mittlere Teilstrahlenbündel (6c), das durch den mittleren, zu den Flächen (8a, 8b) des Eintrittsfensters parallelen Bereich (9c) hindurchtritt, erzeugt durch das Objektiv (10) ein Spaltbild (11c) auf der optischen Achse (5). Die beiden äußeren Teilstrahlen (6b, 6d) werden an den Teilflächen (9b, 9d) des Austrittsfensters um gleiche Winkel in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Das Objektiv erzeugt aus diesen abgelenkten Strahlen zwei weitere Spaltbilder (11b, 11d) auf dem Sensor (11).

Bei einer eventuellen Änderung der Ausrichtung des Objektivs (10) relativ zu dem hier nicht dargestellten Kondensor ändern sich die Lagen der Spaltbilder (11b, c, d) gleichermaßen. Ihre Abstände relativ zueinander bleiben jedoch konstant. Die nachfolgende Auswertung dieser Abstände ist daher nicht mit solchen Dejustierungsfehlern behaftet.

Bei einer Verdrehung der Küvette (7) um eine zur Zeichenebene senkrechten Achse bleibt das Spaltbild (11c) lagefest, während sich die Abstände der Spaltbilder (11b, 11d) zum Spaltbild (11c) unterschiedlich ändern. Durch Berücksichtigung dieser unterschiedlichen Abstandsänderungen ist die berechnete Brechzahl frei von Fehlern, die durch eine fehlerhafte Ausrichtung der Küvette (7) zur optischen Achse (5) verursacht werden.

Das in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet in Autokollimation. Die Durchflußküvette (27), deren Zu- und Ableitungen mit (30) bzw. (31) bezeichnet sind, entspricht im wesentlichen den zuvor beschriebenen Küvetten. Allerdings ist hier die zu den beiden Flächen des Eintrittsfensters (28) parallele Austrittsfläche (29a) des zweiten Fensters (29) verspiegelt. In der beleuchtungsseitigen Brennebene des Kondensors (24) sind übereinander eine Spaltblende (23) und eine Diodenzeile (32) auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Die Spaltblende ist durch Lichtquelle (21) und Kollektor (22) gleichförmig ausgeleuchtet.

Der Kondensor (24) bildet wiederum den Spalt (23) ins Unendliche ab. Der kollimierte Lichtstrahl durchläuft nach Reflexion an der Außenfläche (29a) des zweiten Küvettenfensters die Probe ein zweites Mal in umgekehrter Richtung. Der Kondensor (24), der hier gleichzeitig als Abbildungsobjektiv dient, erzeugt auf der Diodenzeile (32) drei voneinander beabstandete Spaltbilder. Die Auswertung selbst erfolgt analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß aufgrund des zweimaligen Durchganges die Lichtablenkung verdoppelt ist.

In der Fig. 4b ist eine Küvette (34) mit auswechselbarem Austrittsfenster (36) dargestellt. Das Austrittsfenster (35) hat einen verbreiterten Randbereich (36), mit dem es an den Stirnflächen der Seitenwände (38) der Küvette (34) befestigt ist. Zwischen dem Randbereich (36) und den Seitenwänden (38) ist ein Dichtungsring (37) vorgesehen.

Das Austrittsfenster (35) ist je nach der Meßaufgabe gegen andere Austrittsfenster austauschbar, bei denen beispielsweise die Innenflächen (35a, 35b) unter einem anderen Winkel zueinander geneigt sind, wodurch ein anderer Meßbereich und eine andere Meßauflösung einstellbar ist. Insbesondere können Austrittsfenster vorgesehen sein, bei denen die geneigten Innenflächen ähnlich einem Echelettegitter ausgebildet sind, wobei der Furchenabstand jedoch wesentlich größer als die Lichtwellenlänge, bis hin zu einigen mm gewählt sein kann. Die optische Weglänge in der Probe und damit die Absorption ist dann über den gesamten Küvettenquerschnitt annähernd konstant.

Die Küvette (14) in Fig. 4a hat ein Austrittsfenster (15) mit einer zu den Flächen des Eintrittsfensters (16) parallelen Innenfläche (15b) und einer dazu geneigten Innenfläche (15a). Eine Seitenwand (14a) der Küvette (14) ist dicker ausgebildet. Durch diese Seitenwand (14a) gelangt ein Teilbündel unbeeinflußt von der Probenflüssigkeit auf den Zeilensensor. Die Intensität des zugehörigen Spaltbildes dient als Referenz für die Absorptionsmessung. Die Absorption selbst wird anhand der Intensität des durch den Bereich (15b) transmittierten Lichtes bestimmt. Gleichzeitig dient die Lage dieses Spaltbildes als Referenz für die Brechzahlmessung. Zur räumlichen Trennung der einzelnen Spaltbilder sind die Stirnflächen (14b, 14c) der als Referenzstrahlengang dienenden Seitenwand zueinander geneigt.

Da die Brechzahl von Flüssigkeiten stark temperaturabhängig ist, sollte an der Küvette eine Temperaturmessung erfolgen. Die Probentemperatur kann dann ebenfalls an der Anzeigeeinheit (13) (Fig. 1) dargestellt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, die Temperatur der Küvette über einen an sich bekannten Regelkreis konstant zu halten.

Claims (10)

1. Refraktometer mit einer Lichtquelle (1), einer Beleuchtungsoptik (4) zur Erzeugung eines kollimierten Lichtstrahls, einer Hohlküvette (7) mit zwei transparenten, dem Lichteintritt und dem Lichtaustritt dienenden Fenstern (8, 9), wobei der zwischen den Innenflächen (8b, 9b, 9c, 9d) eingeschlossene Raum zur Aufnahme oder zur Durchführung der zu analysierenden Probe dient, und mit einem eine Vielzahl unabhängig registrierende Bereiche aufweisenden Zeilen- oder Flächensensor (11) zur Detektion von Ablenkungen des durch die Hohlküvette (7) transmittierten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Fenster (8, 9) der Hohlküvette über den Querschnitt des kollimierten Lichtstrahls (6) mindestens zwei Bereiche aufweist und daß die Innenflächen (9b, 9c, 9d) des Fensters (9) in den beiden Bereichen unter verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (8b, 9c) der beiden Fenster (8, 9) in einem Bereich parallel zueinander angeordnet sind.

3. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (9b, 9c) des Fensters (9) in beiden Bereichen unter entgegengesetzten, betragsmäßig gleichen Winkeln angeordnet sind.

4. Refraktometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Bereich mit zueinander parallelen Innenflächen (9c) der beiden Fenster (8, 9) vorgesehen ist.

5. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlengang (14a) mit von der Probe unbeeinflußtem Lichtweg vorgesehen ist.

6. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilen- oder Flächensensor (11) in der Brennebene eines vorgeschalteten Objektivs (10) angeordnet ist.

7. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilen- oder Flächensensor (32) in der lichtquellenseitigen Brennebene der Beleuchtungsoptik (24) angeordnet ist und daß eine reflektierende Fläche (29a) auf der der Beleuchtungsoptik (24) abgewandten Seite der Küvette (27) vorgesehen ist.

8. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Fenster (35) der Küvette (34) auswechselbar angeordnet ist.

9. Refraktometer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerte- (12) und Anzeigeeinheit (13) zur simultanen Darstellung der Brechzahl und der Absorption der Probe vorgesehen ist.

10. Refraktometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette eine Durchflußküvette (27) ist.