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Refraktometer Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer zur
Messung von Brechungsunterschieden mit wenigstens einer Meßzelle mit parallelen
Ein- und Austrittswänden für das Licht und Zwischenwänden, die eine Anzahl von Teilprismen
bilden.
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Es sind bereits Refraktometer zur Messung von Brechungsindexunterschieden
bekannt, die eine Zelle aufweisen, bei der die Ein- und Austrittswände für das Licht
parallel sind und die aus drei Teilprismen bestehen. Diese Teilprismen sind durch
zwei Wände getrennt, die zu den Ein- und Austrittswänden den gleichen Winkel, jedoch
mit entgegengesetzten Vorzeichen, einschließen. Nachdem das Licht durch diese Zelle
geleitet worden ist, wird es dahinter von einem Spiegel zurückgeworfen und geht
noch einmal in rückwärtiger Richtung durch die Zelle.
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Das Licht passiert dadurch, zwischen Ein- und Austritt gesehen, sechs
Wände, von denen die mittleren mit den Ein- und Austrittswänden parallel sind.
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Im übrigen durchläuft das Licht aber, eben wegen der Spiegelung,
Wände, die zu den mittleren Wänden symmetrisch sind. Mit dieser Anordnung wird zwar
eine Verdoppelung des Ablenkungswinkels der Lichtstrahlen erreicht, eine Erweiterung
des linearen Meßbereiches ist damit aber nicht zu erzielen.
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Die Erfindung bezweckt, ein Refraktometer zu schaffen, dessen Meßbereich
bis zu beliebig großen Brechungsindexunterschieden linear ist.
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Das Refraktometer gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Ein- und Austrittswänden der Meßzelle fünf Zwischenwände angeordnet
sind, von welchen die mittlere Wand mit den Ein- und Austrittswänden parallel ist,
die erste und die fünfte Zwischenwand untereinander parallel sind und mit den Außenwänden
den gleichen Winkel bilden wie die untereinander parallele zweite und vierte Zwischenwand
mit der Mittelwand, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.
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Eine solche Zelle kann als zwei seriengeschaltete, in sich symmetrische
doppelprismatische Einzelzellen betrachtet werden. Der große lineare Meßbereich
der erfindungsgemäßen Zelle ist vor allem darauf zuriickzuführen, daß in der Potenzreihe
a' a +Be32 A6+B6ef C63f. . . (1) (worin a' - die Winkelablenkung der Zelle, 8 der
relative Brechungsindexunterschied und A, B, C...
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Koeffizienten sind) B=O für das zusammengesetzte Prisma, aber B 0
für die einfacheren Teilprismen ist. Für jedes Doppelprisma gibt es einen günstigsten
Einfallswinkel a, für den der lineare Meßbereich größer ist als für andere Einfallswinkel.
Für das zusammengesetzte Prisma gemäß der Erfindung ist dieser günstigste Einfallswinkel
gleich dem halben Ablenkungswinkel mit entgegengesetztem Vorzeichen.
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Das Refraktometer mit der erfindungsgemäßen Zelle kann daher so ausgeführt
sein, daß sich dieser günstigste Einfallswinkel bei der Messung automatisch einstellt.
Da zwischen dem Sinus des halben Ablenkungswinkels und dem Brechungsindexunterschied
eine weitergehende Linearität besteht als zwischen dem Ablenkungswinkel selbst und
dem Brechungsindexunterschied, kann der lineare Meßbereich noch weiter vergrößert
werden, wenn die Vorrichtung den Sinus des halben Ablenkungswinkels direkt mißt.
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So lange nur in kleinen Brechungsindexintervallen eine lineare Abhängigkeit
besteht, soll das Vergleichsmedium einen Brechungsindex nahe dem zu messenden haben.
Alle Teilprismen in dem zusammengesetzten Prisma können dann hohl sein, so daß man
als Vergleichsmedium eine entsprechend geeignete Flüssigkeit verwenden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Zelle ist es aber auch möglich, Brechungsindizes
von Flüssigkeiten zu messen, wenn das Vergleichsmedium Glas ist. Bei der erfindungsgemäßen
Zelle können also die Vergleichsprismen als massive Prismen oder als Hohlprismen
für die Einfüllung eines geeigneten Vergleichsmediums ausgebildet sein.
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Zur besonders zweckmäßigen Verwirklichung des Erfindungsgedankens
können noch einzelne zusätz-
liche Maßnahmen getroffen werden, für
die jedoch nur in Verbindung mit dem vorstehend gekennzeichneten Hauptgedanken der
Erfindung Schutz beansprucht wird. So können z. B. zwei oder mehrere erfindungsgemäße
Zellen in Serie geschaltet und so zueinander angeordnet werden, daß das Licht die
Meßzellen nacheinander passiert und in derselben Richtung abgelenkt wird. Dadurch
kann in einem beliebig großen Brechungsindexintervall Proportionalität zwischen
Brechungsindexunterschied und Lichtablenkung erzielt werden, falls der Eintrittswinkel
des Lichtes in jeder Zelle gleich deren eigenen halben Winkelablenkung mit entgegengesetztem
Vorzeichen ist. Bei der hierfür benutzten Vorrichtung werden bei der Messung die
verschiedenen seriengeschalteten Zellen automatisch um die Winkel gedreht, die für
die Erfüllung dieser Bedingung notwendig sind. Der lineare Meßbereich von x in dieser
Weise seriengeschalteten Zellen ist x-mal größer als der von einer einzigen Zelle.
Man kann also in dieser Weise ein Refraktometer herstellen, das innerhalb jedes
beliebigen Brechungsindexintervalls einen proportionalen Ausschlag besitzt. Es ist
dabei nicht notwendig, Hohlprismen für ein flüssiges Vergleichsmedium vorzusehen,
sondern statt dessen können massive Glasprismen verwendet werden, was die Zellenkonstruktion
sehr vereinfacht.
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Anstatt zwei erfindungsgemäße Zellen in Serie zu schalten, wird dasselbe
Resultat in einfacher Weise durch Parallelschaltung erreicht. Man kann dafür dieselbe
Anordnung wie die in Fig. 2 verwenden, mit dem Unterschied, daß zwei Zellen neben
oder übereinander angeordnet werden. Die Zellen sollen gegenseitig parallele Außenwände
haben, aber so angeordnet sein, daß sie das Licht in entgegengesetzten Richtungen
ablenken. Man erhält dann in der Ebene des Haarkreuzes zwei Spaltbilder, die nacheinander
mit dem Haarkreuz in Übereinstimmung gebracht werden. Bei diesen beiden Einstellungen
befindet sich jeweils dasjenige der Prismen, dessen Spaltbild beobachtet wird, unter
optimalem Einfallswinkel, und die lineare Verschiebung der Achse S zwischen den
beiden Einstellungen ist dem Brechungsindexunterschied in den Prismen proportional.
Bei einer solcilen Vorrichtung kommt auf jedes Prisma die Hälfte der gewünschten
Empfindlichkeit und optischen Auflösung, und man erhält dann einen linearen Meßbereich,
der doppelt so groß ist wie derjenige, den man mit einem einzigen Prisma derselben
Empfindlichkeit und optischen Auflösung erhalten würde.
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Da der vorteilhafteste Einfallswinkel der erfindungsgemäßen Zelle
gleich dem halben Ablenkungswinkel ist, kann das Refraktometer so ausgebildet werden,
daß die Zelle stets zusammen mit einem Spiegel um den halben Ablenkungswinkel geschwenkt
wird, so daß man für jede Probeflüssigkeit immer automatisch den besten Einfallswinkel
erhält. Außerdem kann das Refraktometer noch so abgewandelt werden, daß bei der
Ablesung der Sinus des halben Lichtablenkungswinkels der Zelle direkt ablesbar wird,
wodurch die störenden Glieder von der 3. Potenz an vermindert werden.
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In der Zeichnung sind beispielhafte Ausführungsformen an der Erfindung
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Refraktometerzelle mit paralleler
Ein-, Austritts- und Mittelwand.
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Von den Zwischenwänden sind jeweils die äußeren und die inneren untereinander
parallel und schließen
mit der Ein-, Austritts- und Mittelwand den gleichen Winkel,
jedoch mit verschiedenem Vorzeichen ein.
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Die sich bildenden Teilprismen enthalten abwechselnd das Vergleichsmedium
mit dem bekannten Brechungsindex n und das Medium mit dem zu messenden Brechungsindex
n (1+8). ). Das Licht fällt unter dem von der Senkrechten auf der Eintrittswand
abweichenden Winkel ein und verläßt die Zelle unter dem von der Senkrechten auf
der Austrittswand abweichenden Winkels. Die Winkelablenkung der Zelle beträgt somit
a' - a.
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Fig. 2 zeigt ein vollständiges Refraktometer mit einer einzelnen
erfindungsgemäßen Zelle mit dem unter optimalem Einfallswinkel gegen die Zelle gearbeitet
wird und bei dem der Sinus des halben Ablenkungswinkels direkt abzulesen ist. A
ist die Lichtquelle, B ein Kondensorlinsensystem, das die Lichtquelle in dem Spalt
D abbildet, und C ein Lichtfilter.
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Der Spalt steht in der Fokusebene der Kollimatorlinse E, von welcher
also paralleles Licht auf die Zelle F einfällt. Nachdem das Licht die Zelle passiert
hat, wird es zuerst von dem drehbaren Spiegel G, dann von dem festen Spiegel reflektiert
und fällt in die Fernrohrlinse I ein. In deren Fokusebene J wird ein optisches Bild
des Spaltes gebildet, das durch das Okular K betrachtet werden kann.
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Die Zelle F und der drehbare Spiegel G sind auf einem Tisch L fest
montiert. Dieser Tisch ist mittels des Armes.M um eine zur Zeichenebene senkrechte
Achse durch die Mitte der Zelle drehbar. An dem freien Ende des Armes M ist an der
Unterseite eine Spitze N befestigt, die in der Rille P im Block R gleitet. Dieser
ist mit der Achse S fest verbunden, die in der Richtung senkrecht zu Rille P bewegbar
und in den Lagern T1 und T2 geführt ist.
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Durch Drehung des Spiegels G um den halben Ablenkungswinkel erscheint
das Spaltbild im Haarkreuz J des Fernrohres. Gleichzeitig wird die Zelle in derselben
Richtung gedreht, wodurch der optimale Einfallswinkel automatisch erhalten wird.
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Mit Hilfe der die Teile M, N, P, R, S, T, und T2 umfassenden Vorrichtung
kann durch Messung der linearen Verschiebung der Achse S mit einer geeigneten, in
der Figur nicht dargestellten Meßanordnung der Sinus des halben Ablenkungswinkels
direkt abgelesen werden.
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Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung für drei seriengeschaltete erfindungsgemäße
Zellen, jede mit Minimumablenkung arbeitend. Das mittlere Prisma F2 steht auf dem
Tisch L2, der auch den Spiegel G trägt und der mit der Achse A fest verbunden ist.
Der Tisch L, mit dem Prismas ist mit der Hohlachse und der Tisch L, mit dem Prisma
mit der Hohlachse C verbunden. Die Achsen A, B und C haben somit denselben Drehpunkt,
aber verschiedene relative Drehwinkel, welche durch die Zahnradsysteme 01-02,P1-P2,
M,-M., und Ns-No bestimmt werden. Um das Spaltbild im Haarkreuz des Fernrohrs erscheinen
zu lassen, ist erforderlich, daß die Achsen und damit auch das Prisma, und der Spiegel
G um den halben Ablenkungswinkel, die Achse B und damit das PrismaF, um ein Sechstel
und die Achse C mit dem Prisma Fa um fünf Sechstel desselben Winkels gedreht werden.
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Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Achsen A und B muß also 3:
1 und das zwischen den Achsen A und C 3:5 betragen. Mit dieser Anordnung fällt auf
jedes Prisma ein Drittel der gewünschten Empfindlichkeit und ein Drittel des gewünschten
optischen
Auflösungsvermögens, und man erhält einen linearen Meßbereich,
der dreimal größer als derjenige ist, den man mit einem einzigen Prisma derselben
Empfindlichkeit und optischen Auflösung erhalten würde.