DE1183712B

DE1183712B - Refraktometer mit automatischer Kompensation des Temperatureinflusses

Info

Publication number: DE1183712B
Application number: DEM42998A
Authority: DE
Inventors: Antonin Ruzicka
Original assignee: MEOPTA PREROV NARODNI PODNIK
Current assignee: MEOPTA PREROV NARODNI PODNIK
Priority date: 1959-10-09
Filing date: 1959-10-09
Publication date: 1964-12-17

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 02 d

Deutsche Kl.: 42 h-36

Nummer: 1183 712

Aktenzeichen: M 42998 IX a/42 h

Anmeldetag: 9. Oktober 1959

Auslegetag: 17. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft ein Grenzbrechungs- oder Totalreflexionswinkel-Refraktometer mit selbsttätiger Kompensation des Temperatureinflusses und mit einem Flüssigkeitsmeßprisma. Die Refraktivität von untersuchten Stoffen ändert sich nicht nur durch den Einfluß der chemischen Zusammensetzung, sondern auch durch den Einfluß einer Reihe von weiteren Faktoren, von denen einer die Temperatur ist. Um den gegenseitigen Vergleich der Refraktivität verschiedener Stoffe zu ermöglichen, wurden bestimmte Referenztemperaturen, z.B. 17,5, 20, 28° C u.dgl., festgelegt. Deshalb ist es bei der Messung der Refraktivität eines untersuchten Stoffes, und zwar auch mit dem auf dem Prinzip des Grenzbrechungswinkels oder des Grenztotalreflexionswinkels beruhenden Refraktometer, notwendig, gleichzeitig auch seine Temperatur zu messen und nach ihr dann die Angabe des Refraktometers auf die Referenztemperatur umzurechnen. Dies geschieht bisher entweder mittels einer bestimmten Gleichung, eines Nomogramms oder einer Umrechnungstabelle. Dieser Vorgang ist jedoch langwierig.

So ist eine ganze Reihe von Differential-Refraktometern bekanntgeworden, bei denen kleine Unterschiede der Brechungskoeffizienten von Flüssigkeiten durch den Vergleich mit dem Brechungskoeffizienten der Normalflüssigkeiten arbeiten. Für ein Arbeiten mit diesen Differential-Refraktometern ist die Temperatur im Laufe der durchzuführenden Messungen konstant zu halten, und zwar mit einer Genauigkeit von 0,1° C. Anschließend an die Messung ist eine Umrechung der bei einer bestimmten Meßtemperatur gemessenen Werte auf eine vereinbarte Bezugstemperatur notwendig. Diese Refraktometer arbeiten mit einer Küvette für die Meßflüssigkeit, eignen sich aber nur zur Messung kleiner Unterschiede der Brechungskoeffizienten. Für die Messung größerer Unterschiede des Brechungskoeffizienten ist ein anderes Refraktometer mit einem ganzen System von Küvetten und mit einer aufwendigen Mechanik bekanntgeworden. Die zu messende Flüssigkeit ist hier in Küvetten untergebracht, die die Form von Prismen haben. Auch bei diesem Refraktometer ist eine Konstanz der Meßtemperatur von 0,1° C und anschließende Umrechnung notwendig.

Die gleichen konstanten Meßtemperaturen sind bei Messungen der Brechungszahlen einer Flüssigkeit nach der Hallwachsschen Differential-Doppeltrogmethode notwendig. Hier wird für die Messung der Winkel der totalen Reflexion ausgenutzt.

Das Erfordernis konstanter Meßtemperatur und anschließender Umrechnung auf eine Bezugstempera-Refraktometer mit automatischer Kompensation
des Temperatureinflusses

Anmelder:

Meopta Prerov, nafodni podnik, Prerau

(Tschechoslowakei)

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,

Göttingen, Groner Str. 37

Als Erfinder benannt: »

Antonin Rüzicka, Prerau (Tschechoslowakei)

tür bei den bekannten Refraktometern macht die unmittelbare Gewinnung der richtigen Vergleichswerte der Refraktivität gänzlich unmöglich. Am meisten äußert sich dieser durch den Einfluß der veränderlichen Meßtemperatur verursachte Mangel bei der Messung der Refraktivität von strömenden Flüssigkeiten. In einem solchen Falle, solange die Messung nicht bei einer stabilisierten Referenztemperatur erfolgt, zeigt das Refraktometer, unrichtige Werte an, und ihre reibungslose Überführung auf die Referenztemperatur ist praktisch unmöglich. Aber gerade die Messung der unmittelbaren, nicht mehr zu korrigierenden Werte bei strömenden Flüssigkeiten ist für die Überwachung der laufenden Produktion in der Industrie von größter Bedeutung.

Das Streben nach der Beseitigung dieses Mangels ist aus einer Reihe von Veröffentlichungen ersichtlich, die verschiedene optisch-mechanische Kompensationseinrichtungen beschreiben, durch welche die Lage der Grenze gegenüber der Skala geändert wird. Alle diese Einrichtungen erfordern jedoch die Ermittlung der Meßtemperatur und werden erst durch diese gesteuert. Zu einer wesentlichen Vereinfachung der Arbeit mit dem Refraktometer oder zu einer Zeitersparnis tragen jedoch diese Einrichtungen nicht bei, da durch sie die Temperaturmessung nicht beseitigt wird und anstatt des Lesens in der Tabelle mit der Kompensationseinrichtung hantiert wird. In allen solchen Fällen ist der Preis des Gerätes gestiegen, und da dieser nicht durch hinreichende Vorteile aufgewogen war, wurde von der Erzeugung solcher Einrichtungen Abstand genommen.

409 758/180

Bei einem in neuerer Zeit bekanntgewordenen Gerät, dem sogenannten Koinzidenz-Refraktometer, wird die Temperaturmessung durch die Einführung eines weiteren optischen Zweiges für die Referenzflüssigkeit beseitigt. Die Koinzidenz beider Grenzen in eine einzige Gerade wird durch die Neigung einer in den Zweig für die Referenzflüssigkeit eingeschalteten Glasplatte erreicht. Die Neigung der Platte ist der Refraktivität der geprüften Flüssigkeit proportional,

F i g. 3 ein im gleitend auffallenden Licht messendes Refraktometer mit photoelektrischer Indikation der Refraktivität,

F i g. 4 das Prinzip des Refraktometers. Gemäß F i g. 1 tritt das Licht aus einer Quelle 1 in ein Beleuchtungsprisma 2 ein, geht durch die zu prüfende Flüssigkeit 3 durch und wird auf einer Meßfläche 4 unter dem Grenzwinkel in einen Keil 5 gebrochen. Darauf geht das Licht in ein Flüssigkeitswobei sich der Einfluß der veränderlichen Meßtem- io prisma 6 über, und nach Durchgang durch einen peratur nicht äußert, da sich beide Grenzen durch die Keil 7 tritt es in ein Objektiv 8 ein, das es auf einer Einwirkung der Temperatur in demselben Sinn ver- mit einer Skala versehenen Platte 9 vereinigt, wo sich schieben, bei der Erfüllung der Bedingung der Über- die Grenze des Lichtes und des Schattens in einer einstimmung des Temperaturgefälles des Brechungs- Lage bildet, die dem Refraktionswert der geprüften index beider Flüssigkeiten verschieben sie sich um 15 Flüssigkeit entspricht. Die Lage der Grenze auf der einen übereinstimmenden Abschnitt. Das auf diesem Skala wird mit einem Okular 10 abgelesen. Prinzip beruhende Gerät ist beträchtlich kostspieliger Gemäß Fig. 2 tritt das Licht aus einer Quelle 11

als das klassische Modell desselben Typs des Refrakto- durch eine Platte 12 in ein Flüssigkeitsprisma 13 ein, meters mit eingebautem Thermometer, und seine geht dann in einen Keil 14 über, und auf der Meß-Handhabung ist nicht einfacher. Statt der Temperatur- 20 fläche 15 des Keiles 14 wird es vor der zu prüfenden messung wird zwischen die Prismen die Referenz- Flüssigkeit 16 unter dem Grenzwinkel in das Flüssigflüssigkeit aufgetragen, und statt die Temperaturkor- keitsprisma 13 zurückgeworfen. Nach dem Durchrektion nach der Tabelle vorzunehmen, wird die gang durch eine Platte 17 tritt das Licht in ein Objek-Überführung der Teilstriche der gleichförmigen Skala tiv 18 ein, welches es auf einer mit einer Skala verder Neigung der Glasplatte auf die Refraktivitäts- 35 sehenen Mattscheibe 19 vereinigt. Die Lage der werte, und zwar ebenfalls nach der Tabelle, ausge- Grenze auf der Skala wird mit bloßem Auge abgeführt, lesen.

Die Erfindung schafft ein Refraktometer, das völlig Gemäß Fig. 3 tritt das Licht aus einer Quelle 10

automatisch den Einfluß der veränderlichen Tempe- in die zu prüfende Flüssigkeit so ein, daß es in knapratur der geprüften Flüssigkeit in einem solchen Maße 30 per Nähe der Meßfläche 22 durchgeht und unter dem kompensiert, daß der Restfehler unterhalb der Grenze Grenzwinkel in eine Platte 23 gebrochen wird. Von seines Unterscheidungsvermögens liegt. Dabei besitzt dort aus geht das Licht in ein Flüssigkeitsprisma 24 dieses Refraktometer keine bewegliche Kompensa- über und tritt nach Durchgang durch eine Platte 25 tionseinrichtung. Seine optische Anordnung ist ein- in ein Objektiv 26 ein, das es auf die empfindliche fach und stimmt mit der klassischen Anordnung über- 35 Schicht eines Fotoelementes 27 konzentriert. Der

elektrische Strom des Fotoelementes 27 wird nach erforderlicher Verstärkung im Verstärker 28 in einen Indikator 29 geführt, der dann das Fernlesen der Refraktivität der geprüften Flüssigkeit ermöglicht.

In F i g. 4 ist schematisch das Prinzip des erfindungsgemäßen Refraktometers dargestellt. Der Grenzwinkel ε ist durch die Beziehung sin · e = "'- gegeben, wobei /I₁ der Brechungsindex der zu messenden Flüs-

Die Erfindung besteht darin, daß bei dem erfindungsgemäßen Refraktometer der brechende Winkel des Flüssigkeitsmeßprismas unter Berücksichtigung des Temperaturgefälles der zju messenden Flüssigkeit 40 derart bestimmt ist, daß die Temperaturdispersion des Meßprimas und die der zu messenden Flüssigkeit im Meßbereich gleich sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Refraktometer kann

man also im ganzen geforderten Meßbereich und im 45 sigkeit und n_t der Brechungsindex der Kompensaganzen geforderten Temperaturbereich messen, ohne tionsflüssigkeit im Flüssigkeitsprisma ist. Bezeichnet die Temperatur zu kontrollieren und die Temperatur- man die Änderung des Brechungsindex eines betraebwerte im Meßergebnis zu berücksichtigen, und zwar teten Stoffes, bezogen auf die Temperatur als Tempedadurch, daß der brechende Winkel des Flüssigkeits- raturgefälle, so ist ^₁ das Temperaturgefälle der zu prismas mit Rücksicht auf den Temperaturgradienten 50 messenden Flüssigkeit und §._z dasjenige des Flüssigder zu messsenden Flüssigkeit so gewählt ist, daß die keitsmeßprismas. Werden /I₁ und n_t durch den EinUnterschiede des Temperaturgefälles des Meßprismas - - - — - - - - und des Temperaturgefälles der zu messenden Flüssigkeit im Rahmen der geforderten Meßgenauigkeit
so klein sind, daß diese sich außerhalb des Auf- 55
lösungsvermögens des Refraktometers befinden.

Dabei ist der brechende Winkel des Meßprismas zweckmäßig kleiner als 75°.

Die Anordnung des erfindungsgemäßen Refraktometers ist in der Zeichnung in drei verschiedenen 60 völlige Übereinsthnmung des Temperaturzuwachses Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt Es bei beiden Flüssigkeiten sichergestellt: A i₂ = A t{, zeigt gleichfalls sind die Temperaturgefälle beider Flüssig-

F ig. 1 ein im durchgehenden Licht messendes Re- keiten praktisch übereinstimmend: &₂ — &_v Dann gilt

allerdings: $» At = #j Δ t und somjt sin · ε = .

Vergleicht man die Gleichung für den Grenzwinkel ε und die Gleichung für den Grenzwinkel e, so stellt man fest, daß sie unter den oben angeführten Bedin-

fluß der Temperaturänderung um den Wert des Zuwachses des Brechungsindex geändert, kann man für den veränderten Grenzwinkel

sin · ε =

O_xAt₁)

schreiben.
Bei einer geeigneten Anordnung des Gerätes ist die

F i g. 2 ein im reflektierten Licht messendes Refraktometer, dessen Skala mit bloßem Auge betrachtet wird,

gungen übereinstimmend sind; folglich sind auch beide Grenzwinkel übereinstimmend. In der Praxis bedeutet das, daß sich die Lage der Grenze bei der Temperaturänderung um A t nicht verändert, wodurch die automatische Kompensation des Einflusses der veränderlichen Temperatur erreicht wird.

Bezeichnet man den Ausdruck ϋ-At als Temperaturdispersion, d. h. als Brechungsindexveränderung eines Stoffes bei einer Temperaturveränderung um A t, dann kann gesagt werden, daß die Lage der Grenze unverändert bleibt, falls die Temperaturdispersion der zu messenden Flüssigkeit und die des Flüssigkeitsmeßprismas gleich sind. Es ist aus verfahrenstechnischen Gründen unvorteilhaft, als Kompensationsflüssigkeit eine Flüssigkeit zu wählen, die der zu mes- senden Flüssigkeit gleich ist. Bei einer Messung des Zuckergehaltes kann beispielsweise bei einem Meßwert von 7O°/o die Zuckerlösung kristallisieren. Es wird deshalb gemäß der Erfindung die Kompensationsflüssigkeit bezüglich ihrer chemischen Eigenschäften ausgewählt, wobei das Temperaturgefälle dieser Flüssigkeit unterschiedlich vom Temperaturgefälle der zu messenden Flüssigkeit sein kann. Durch eine geeignete Wahl des brechenden Winkels ψ des Meßprimas kann sichergestellt werden, daß die Temperaturdispersion des Meßprismas im wesentlichen der Temperaturdispersion der zu messenden Flüssigkeit gleich ist.

Unter dem brechenden Winkel ist bei allen Typen von refraktometrischen Meßprismen ein Winkel zu verstehen, der durch die Fläche, auf die die gemessene Substanz gelegt wird (sogenannte Meßfläche), und durch die Fläche, aus der die schon gebrochenen Lichtstrahlen in der Richtung zum Refraktometerobjektiv austreten (sogenannte Austrittsfläche), einge- schlossen wird. Bei Veränderung des brechenden Winkels verändern sich auch die Fehlerfunktionen bei den verschiedenen Temperaturen gegenüber dem Nullfehler bei der Referenztemperatur. Es ist nun immer möglich, bei einer geeigneten Referenzflüssigkeit einen brechenden Winkel zu finden, bei dem für den geforderten Konzentrationsbereich die Fehlerfunktionen für die höchste und für die niedrigste Meßtemperatur in einem Bereich liegen, in dem die geforderten Meßgenauigkeitsbedingungen erfüllt werden. Denn die von der Konzentration und von dem brechenden Winkel abhängigen Fehlerfunktionen weisen Schnittpunkte mit der Nullfehlerlinie (Fehler bei Referenztemperatur) und untereinander auf. In der Nähe dieser Schnittpunkte sind dann die gewünschten geringen Abweichungen zu finden.

Die Wahl der Flüssigkeit zum Ausfüllen des Meßprismas kann innerhalb weiter Grenzen beliebig sein, sofern diese nur den üblichen refraktometrischen Bedingungen mit Rücksicht auf die Eigenschaften der gemessenen Flüssigkeit im geforderten Meßbereich entspricht. Erst nach der Wahl dieser Flüssigkeit ist es möglich, den entsprechenden brechenden Winkel ψ der Küvette zu bestimmein. Diese relative Unbestimmtheit ergibt sich daraus, daß die Anwendung von Refraktometern auf dem ganzen Gebiet der Chemie sehr umfangreich ist, entsprechend der großen Mannigfaltigkeit der Chemie.

Die Wahl des entsprechenden brechenden Winkels ψ mit Rücksicht auf die oben gestellte Bedingung und mit Rücksicht auf die Eigenschaften der gemessenen und verglichenen Substanz ist dann nur eine übliche mathematische Aufgabe.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips der automatischen Kompensation des Temperatureinflusses auf die Messung der zu prüfenden Flüssigkeit ist bei den verschiedensten Typen der Refraktometer: Laboratorium-, Betriebs-, ortsfeste und ortsbewegliche Refraktometer, möglich, überall dort, wo es sich um häufige Messungen derselben Flüssigkeit bei veränderlicher Temperatur handelt. Ein besonderer Vorteil erscheint bei der Messung der Refraktivität strömender Flüssigkeiten, wo die Angaben des erfindungsgemäßen Refraktometers innerhalb der Genauigkeitsgrenzen direkt der wirklichen Refraktivität entsprechen und deshalb nach Umwandlung in elektrische Signale für die Regulierung des Herstellungsprozesses ausgenutzt werden können.

Die erreichbare Genauigkeit des erfindungsgemäßen Refraktometers ist unter gewissen Bedingungen höher als bei den bisher bekannten klassischen Refraktometern desselben Typs. Das erfindungsgemäße Refraktometer schließt die Notwendigkeit der Ermittlung der Meßtemperatur und der Durchführung der Umrechnung der Angabe des Refraktometers auf die Referenztemperatur aus und ermöglicht die unmittelbare Ablesung der wirklichen und augenblicklichen Refraktivität der zu prüfenden Flüssigkeit, auch wenn diese im industriellen Betrieb durch die Küvette fließt, und bei sich ändernder Meßtemperatur.

Claims

Patentansprüche:

1. Grenzbrechungs- oder Totalreflexionswinkel-Refraktometer mit selbsttätiger Kompensation des Temperatureinflusses und mit einem Flüssigkeitsmeßprisma, dadurch gekennzeichnet, daß der brechende Winkel (ψ) des Flüssigkeitsmeßprismas (6, 13, 24) unter Berücksichtigung des Temperaturgefälles der zu messenden Flüssigkeit derart bestimmt ist, daß die Temperaturdispersion (dA t) des Meßprismas und die der zu messenden Flüssigkeit im Meßbereich gleich sind.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der brechende Winkel (ψ) des Meßprismas (6, 13, 24) kleiner als 75° ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschriften Nr. 750723, 756 626;

USA.-Patentschrift Nr. 2 851920;

Handbuch der Physik, herausgegeben von H. Geiger und K. Scheel, Bd. XVIII, Verlag von Julius Springer, Berlin 1927, S. 668 und 696;

Journ. of the Opt. Soc. Amer., Vol. 41, 1951, S. 1033 bis 1037; Vol. 44, 1954, S. 140 bis 146, und Vol. 48, 1958, S. 581;

Physikalische Berichte, 31, 1952, S. 1295;

Technisch-Wissenschaftl. Ber. Osram, 1959, S. 190.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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