CN113767275A - 折光计和利用折光计来确定过程介质的折射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定过程介质(PM)的折射率的折光计，其具有用于在折光计的运行单元(1)和探头单元(5)之间建立光学连接的至少一个光学的光导(3、31、…)。此外，本发明还涉及利用根据本发明的折光计来确定过程介质(PM)的折射率的方法。

Description

折光计和利用折光计来确定过程介质的折射率的方法

技术领域

本发明涉及用于确定过程介质的折射率的折光计，该折光计具有至少一个光源、光学探测器单元、调整/评估单元和带有预先给定的折射率的测量棱镜。此外，本发明还涉及利用折光计来确定过程介质的折射率的方法。

背景技术

折光计在过程测量技术的诸多领域、例如在在食品技术、用水经济、化学、生物化学、医药、生物科技和环境测量技术中被用来确定过程介质、例如过程液体的折射率。例如为了确定能从折射率推导出的过程参量、如在过程介质中的物质(例如糖)的浓度而考虑折射率。

折光计的测量原理基于使光在由测量棱镜的接触介质的表面形成的过程介质与测量棱镜之间的边界面上射入。在此，借助光在边界面上的折射和/或反射产生光学信号。在接触介质的表面上折射和/或反射的光的方向和/或强度依赖于过程介质与测量棱镜之间的折射率差。因此，根据光学信号和测量棱镜的已知的折射率能够确定过程介质的折射率。

由现有技术已知例如所谓的阿贝折光计，阿贝折光计利用全反射的临界角工作。依赖于测量棱镜和过程介质之间的折射率差以及入射角，入射到过程介质与测量棱镜之间的边界面上的光被折射到过程介质中及被反射或全反射。借助经反射的光的强度依赖于入射角地来确定全反射的临界角并由此获知过程介质的折射率。在现有技术中以各种各样的设计方案描述了阿贝折光计，例如在DE 1994 47 98 A1中。

与阿贝折光计不同，在透射光折光计(也称之为：透射式折光计)的情况中，测量棱镜和过程介质被优选准直的射束穿过。射束在穿过测量棱镜和过程介质时的偏转在此依赖于它们的折射率差。因此，射入的射束与穿过的射束之间的偏转角是用于过程介质的折射率的度量。例如根据穿过的射束在垂直于射入的射束的光轴的探测器平面上的焦点位置又获知偏转角。已知的透射光折光计的不利之处在于：它们通常需要通往过程介质的两个访问口。

在专利文献DE 10 2007 05 07 31 B3中描述了带有单侧的过程访问口的透射光折光计。在其中所描述的折光计中，光经由唯一的过程访问口射入，光借助照明光学器件准直并在转向光学器件上转向，接着穿过过程介质和测量棱镜，并且通过成像光学器件聚焦到探测器平面上。探测器平面有利地布置在射入侧上，由此能够实现通往过程介质的单侧访问口。

在申请人的于本申请的申请日的时间点仍未公开的申请(申请号102018116409.2)中描述了具有单侧的过程访问口的透射光折光计，该透射光折光计使用共同的成像和照明光学器件。由此能够有利地缩小用于过程介质的访问口的直径。

所有的折光计在此的共同之处在于，它们都具有测量棱镜、光源、用于探测光学信号的光学探测器单元和用于调整和/或评估光学信号并接着获知过程介质的折射率的调整/评估单元。

在之前所提到的工业中，过程访问口通常具有非常小的直径。由于在现有技术中普遍地将光源和/或光学探测器单元(例如相机行)整合到折光计中，折光计通常在其部件的节省空间的布置和/或定规格的情况中本身就具有对于具有很小直径的过程访问口而言是成问题的尺寸。

发明内容

因此，本发明的任务在于：说明一种适合于小的过程访问口的折光计。

该任务通过用于确定过程介质的折射率的折光计以及通过利用根据本发明的折光计确定过程介质的折射率的方法来解决。

关于折光计，该任务通过用于确定过程介质的折射率的折光计来解决，该折光计具有：

-能布置在过程介质之外的运行单元，所述运行单元带有至少一个光源、光学探测器单元和调整/评估单元；

-至少能部分引入到过程介质中的探头单元，所述探头单元配备带有预先给定的折射率的测量棱镜；和

-用于建立运行单元与探头单元之间的光学连接的至少一个光学的光导，其中，光导分别以其第一端部区段通入到运行单元中并且以其第二端部区段分别通入到探头单元中，其中，运行单元、探头单元和一个/多个光导被设计成使得在确定过程介质的折射率时，

-至少一个光源发出光，

-一个/多个光导将由至少一个光源发出的光传导到探头单元，

-光在由测量棱镜的接触介质的表面形成的过程介质与测量棱镜之间的边界面上经历光折射和/或反射，其中，探头单元产生依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号，

-一个/多个光导将依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号导引回运行单元，

-光学探测器单元检测至少一个光学信号并将至少一个光学信号传送给调整/评估单元，

-调整/评估单元根据传送来的至少一个光学信号和测量棱镜的预先给定的折射率确定过程介质的折射率。

本发明的优点如下：

-借助至少一个光导使折光计分离成主动的发出光、接收光和评估光的运行单元和基本上被动测量的探头单元成为可能。仅探头单元必须被引入到过程介质中。运行单元能与探头单元剥离或者能在空间上分开地布置。由此，相较于现有技术中的折光计，能够以减小的直径来实现探头单元。因此，根据本发明的折光计也能应用在带有尤其是很小直径、特别是小于45mm的直径的过程访问口的情况中，所述过程访问口因而对于根据本发明的折光计而言也是可接近的。

-运行单元能够有利地与过程剥离地布置。在之前所提到的工业中经常具有非常高的温度。非常高的温度可能例如在定期地执行现场清洁和/或消毒(英文：原位清洁或消毒(Cleaning-or Sterilization-in-Process)，缩写：CIP或SIP)时出现。在此，温度超越至140℃。在根据本发明的解决方案中，运行单元配属有折光计的对温度敏感的部件，也就是具有电子和/或电气构件的部件如光源、光学探测器单元以及带有微处理器和用于处理的软件的调整/评估单元。这些对温度敏感的部件能布置在过程介质之外(尤其是布置在用于过程介质的过程容器之外)。由此，能够使对温度敏感的部件与过程介质或例如清洁介质热绝缘。否则，尤其是对于具有较小尺寸的折光计，即对于不能剥离的运行单元而言，充分的热绝缘将是非常困难的。

-原则上，探头单元本身不必具有用于确定折射率的电子结构元件。因为探头单元的接触介质的表面大多由本就化学惰性的且耐高温的材料、典型地由玻璃或蓝宝石组成，测量棱镜能毫无问题地经受高温和/或其它极端的过程和/或环境条件。同样适用于在通入到探头单元中的第二端部区段上的承受直至260℃的温度的光导。由此，根据本发明的折光计视设计方案而定地原则上也能经受这些非常高的温度。

-在至少一个光导的几何设计方面(长度、形状等)基本上几乎没有限制。该光导能够视具体布置方案而定地例如被设计成挠性的、刚性的或刚性-挠性的。在此，刚性-挠性的光导具有刚性和挠性的区段。

-借助至少一个光导的长度和/或走向或者说引导，折光计能匹配在折光计的各自的应用场地中存在的空间状况。这对于例如难以接近的过程或过程容器而言是有利的。

根据本发明的解决方案适用于开头描述的透射光折光计和临界角折光计。在透射光折光计中，在依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号的情况下例如涉及已经在接触介质的表面上经历了光折射的射束的至少一个焦点的定位。在临界角折光计中，在依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号的情况下例如涉及在边界面上反射的光的光强中的明暗过渡的定位以及与该定位相关的入射光的入射角，该入射角相应于全反射的临界角。

至少一个光源例如涉及LED。光学探测器单元包括例如带有预先给定的像素数量的相机。例如可能的是，相机包括恰好一行像素。

在折光计的一种设计方案中，一个/多个光学的光导被设计成带有多条纤维的纤维束，其中，光导中的一个光导包括与至少一个光源连接的至少一条照明纤维并且光导中的一个光导包括与光学探测器单元连接的至少两条成像纤维，并且其中，一条/多条照明纤维被设计成使得至少一个光源的光被导引到探头单元，并且成像纤维被设计成使得至少一个光学信号从探头单元被导引到光学探测器单元。

原则上，对光导的数量没有限制。针对照明纤维和成像纤维可以使用例如两个完全分开的光导。此外，光导可以被引导到探头单元的不同的输入端上。优选地，折光计具有大量的成像纤维，尤其是至少三条。优选地，折光计具有至少二十条、尤其优选至少四十条成像纤维。根据光学探测器单元的和成像纤维的设计方案，得到成像纤维的最优数量，以该数量的成像纤维使折光计具有尽可能大的敏感性。在此，成像纤维的数量相应于光学探测器单元的像素的数量。然而这不一定是这种情况。因为光在限定的角范围之下耦入到成像纤维中，所以还能够借助灵巧的设计有利地优化信噪比。

在折光计的优选设计方案中，光导或光导中的一个光导被设计成纤维束，所述纤维束包括一条/多条照明纤维和多条成像纤维，其中，纤维束在通入到运行单元的第一端部区段中分支成带有一条/多条照明纤维的第一纤维束支路和带有多条成像纤维的第二纤维束支路。

对于包括照明和探测纤维的共同的光导而言，能够借助在运行单元中分支成第一和第二纤维束支路有利地将各自的纤维束分开地引导向一个/多个光源和光学探测器单元。由此，一个/多个光源和光学探测器单元是能彼此分开的，尤其是彼此间能充分间隔开地布置。因此，简化了一个/多个光源与光学探测器单元之间的分开。在此，分支仅在第一端部区段处开始，从而在与之邻接的区域上照明纤维和一个/多条成像纤维在唯一的、共同的纤维束中受引导。

在本发明的设计方案中涉及透射光折光计，其探头单元配备带有在探头单元的纵向方向上延伸的光轴的光学系统，该光学系统被设计成从由一个/多个光导传导的光产生出准直的射束，其中，测量棱镜具有至少两个平坦且相互倾斜的表面，所述表面布置在测量棱镜的接触介质的表面处，并且其中，两个相互倾斜的表面分别关于垂直于光轴的平面绕着倾斜轴线且在彼此相反的方向上倾斜，其中，倾斜轴线垂直于光轴。两个相互倾斜的表面的倾斜度关于光轴基本上对称。

通过测量棱镜的两个相互倾斜的表面产生作为光学信号的两个焦点，它们的间距代表用于过程介质的折射率的度量。

在另外的设计方案中，探头单元具有转向元件，该转向元件关于光学系统沿着光轴布置成使得

-射束在第一行程中第一次穿过测量棱镜和过程介质，其中，射束在接触介质的表面上经历第一次光折射，

-射束在转向元件处转向，

-射束在第二行程中第二次穿过测量棱镜和过程介质，其中，射束在接触介质的表面上经历第二次光折射，并且

-光学系统接着将射束聚焦回到光导中的一个光导上并且

-光导中的这一个光导将依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号导引回运行单元。

转向元件例如涉及反光镜或后向反射器。

该设计方案的优点是：(参见带有申请号102018116409.2的仍未公开的申请)光学系统用作共同的成像和照明光学器件。借助转向元件将经折射的光转回入射方向。能够例如有利地将成像和照明纤维在探头单元的相同的端部区域处通入到探头单元中。

备选于该设计方案，在本发明的范畴内自然也可行的是：将探头单元被设计成不带有转向元件并因此带有分别独立的成像和照明电子器件。在该情况中，成像纤维在没有其它的措施时首先处于探头单元的与照明纤维相对置的端部区域上。然而，由于光导的挠性设计方案的可行性，包括成像纤维的光导能够被引导、尤其是被弯曲，使得该包括成像纤维的光导如包括照明纤维的光导那样在相同的端部区域处通入到探头单元中，以便如照明纤维那样将成像纤维引导到相同的端部区域处。因此，通过使用挠性的光导也能够在没有明确地使用转向元件时实现单侧的过程访问口。

此外，只要测量棱镜的相互倾斜的表面是接触介质的且如要求的那样存在过程介质-测量棱镜边界面，那么(针对带有或不带有转向元件的探头单元)就没有测量棱镜关于过程介质的布置方面的限制。

例如，探头单元可以包括过程窗，通过该过程窗，经准直的射束在第一行程之前沿入射方向入射到过程介质中，并且通过该过程窗，射束沿出射方向接着从过程介质出射至第二行程。测量棱镜、过程窗和转向元件彼此间布置成使得射束在第一行程中首先穿过过程介质并接着穿过测量棱镜，并且在第二行程中以相反的顺序穿过测量棱镜并接着穿过过程介质。关于第一行程的射束的路径，该设计方案中的布置为：过程窗-过程介质-测量棱镜-转向元件。

测量棱镜-过程介质-转向元件的布置方案自然也是可行的。因此，在备选的设计方案中，测量棱镜和转向元件相对彼此布置成使得射束在第一行程中首先穿过测量棱镜并且接着穿过过程介质，并且在第二行程中以相反的顺序首先穿过过程介质并且接着穿过测量棱镜，其中，经准直的射束经由测量棱镜入射到过程介质中并经由测量棱镜从过程介质出射。该设计方案的优点是：测量棱镜自身用作过程窗。因此不需要附加的过程窗。

针对不带有转向元件并且因此在接触介质的边界面处恰好发生一次穿过的探头单元，如下的布置方案是可行的，即，测量棱镜-过程介质-过程窗或者过程窗-过程介质-测量棱镜。

在前述的设计方案的优选变体中，折光计具有恰好一个光导，所述恰好一个光导被设计成将由至少一个光源发出的光传导到探头单元并将依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号导引回运行单元。恰好一个共同的光导包括成像纤维和照明纤维。

在折光计的改进方案中，多条成像纤维在通入到探头单元的第二端部区段处沿着基本上垂直于光轴的方向错开地布置，尤其是基本上等间隔地错开布置。

尤其地，多条成像纤维沿着基本上也垂直于倾斜轴线的方向布置。

因为对于透射光折光计而言在该方向上的焦点间的间距代表用于折射率的度量，所以通过成像纤维在通入探头单元的第二端部区段处的直径和/或布置来限界出透射光折光计的测量范围。

此外，如之前所提到的那样存在成像纤维的最优数量，所述成像纤维在第二端部区段处沿该方向错开地布置。此外，为了减少对探头单元或转向元件的部件的校准以及对其温度稳定性的要求，成像纤维能够在倾斜方向上附加地两倍、三倍或n倍地设计。

这同样适用于照明纤维。因此，在折光计的另外的改进方案中，该折光计具有多条、尤其是至少两条照明纤维，所述照明纤维与一个共同的光源或多个、尤其是至少两个光源连接，并且其中，所述照明纤维分别被设计成使得与之连接的光源的光从运行单元被导引向探头单元。

在之前提到的改进方案的设计中，多条照明纤维在通入探头单元的第二端部区段处沿着基本上垂直于光轴和倾斜轴线的方向错开地布置。

在该改进方案的另外的设计中，折光计具有多个、尤其是至少两个能分别由调整/评估单元单独驱控的光源和分别与光源连接的照明纤维。

尤其是与能单独驱控的光源连接的照明纤维在通入到探头单元中的第二端部区段处沿着基本上垂直于光轴和倾斜轴线的方向等间隔地错开布置。

借助能单独驱控的光源来实现对折光计的测量范围的扩大，其中，在此参考接下来提到的实施例。

在折光计的另外的设计方案中，其探头单元具有套筒形的包套，包套通过至少一个留空部被中断，借助留空部在确定过程介质的折射率时使过程介质能在测量棱镜的接触介质的表面上流动。

套筒形的包套优选具有高的化学和/或机械耐受性和/或针对过程介质温度波动的高的耐受性。为此，套筒形的包套例如由钢、尤其是不锈钢制成，或者也能由玻璃或特氟隆制成。

在折光计的另外的设计方案中，探头单元能应用在由最大温度限定的温度范围内，其中，所述最大温度大于200℃，尤其是大于250℃。探头单元或折光计能够用于过程介质并且/或者经受环境条件，其中，达到了超过260℃的高温。最大温度在一种设计方案中小于1000℃。

在折光计的一种设计方案中，该折光计具有至少一个温度传感器，该温度传感器被设计成获知过程介质的温度，并且其中，调整/评估单元被设计成确定过程介质的能从折射率推导出的过程参量并且在确定从折射率推导出的过程参量时考虑由一个/多个温度传感器获知的温度。

温度传感器优选安置在探头单元的邻接留空部的区域处，以便获知过程介质的温度。过程介质的能推导出的过程参量例如涉及材料浓度、如糖浓度。温度传感器例如被设计成基于电阻的温度计例如Pt100或Pt1000、或者被设计成基于热电压的温度计或热电偶、或者被设计成由现有技术已知的其它温度传感器。这类传感器通常仅需要联接到导体回路上，用以给温度传感器供应电能并用以将由温度传感器产生的测量信号传输给运行单元。因此，为此所需要的导体回路的联接金属线基本上平行于一个或多个光导地受引导。

在另外的设计方案中，温度传感器被设计成测量相对湿度。因此有利地涉及组合的温度和湿度传感器。在对此备选的设计方案中使用附加的湿度传感器。(利用组合的温度和湿度传感器或附加的湿度传感器)对湿度的测量例如用于探测过程介质在探头单元的邻接留空部的区域处的泄漏。

在折光计的一种设计方案中，探头单元的直径、尤其是套筒形的包套的直径小于45mm、尤其是小于20mm、优选小于15mm。

在折光计的一种设计方案中，折光计至少部分地、尤其是其探头单元能够置入到能移动至过程介质中的闸阀安装支架(Schleusenarmatur)里。

在开头所提到的工业中，闸阀安装支架、尤其是所谓的可伸缩式安装支架被广泛应用，借助所述可伸缩式安装支架手动或自动地在轴向上在过程位置与服务位置之间移动例如电化学传感器。因为可伸缩式安装支架在过程位置中和在服务位置中流体密封地封闭用于过程介质的过程容器，所以能够在不必中断进行中的过程的情况下将电化学传感器引入和/或取出。

关于方法，该任务通过用于确定过程介质的折射率的方法来解决，该方法利用根据本发明的折光计，其中，

-由至少一个光源发出光，

-由一个/多个光导将由至少一个光源发出的光传导到探头单元，

-使光在由测量棱镜的接触介质的表面形成的过程介质与测量棱镜之间的边界面上折射，其中，由探头单元产生依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号，

-由一个/多个光导将依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号导引回运行单元，

-由光学探测器单元将至少一个光学信号传送给调整/评估单元，并且

-由调整/评估单元根据传送来的至少一个光学信号和测量棱镜的预先给定的折射率来确定过程介质的折射率。

在该方法的设计方案中，折光计具有多个、尤其是至少两个分别由调整/评估单元单独驱控的光源，其中，使折光计在时间上依次地在不同的运行模式中运行，在所述不同的运行模式中，

-分别使用折光计的多个光源中的恰好一个光源，

-存储属于各自的运行模式的光学信号，

并且其中，由调整/评估单元根据得自所有运行模式的所存储的光学信号的总体并且根据测量棱镜的预先给定的折射率来确定过程介质的折射率。

借助折光计在不同的运行模式中利用多个能单独驱控的光源中的各自的光源的运行来增大折光计的测量范围，其中，在此参考接下来所提到的实施例。

附图说明

根据接下来的、不按比例的附图详细阐述本发明，其中，相同的附图标记标识相同的特征。当要求清晰或出于其它有意义的原因时，取消在接下来的附图中已经提到的附图标记。其中：

图1a～1e以剖面图示出根据本发明的折光计的不同的设计方案；

图2示出根据本发明的折光计的一种设计方案的立体图；

图3a、b在根据本发明的折光计的不同的设计方案中示出照明纤维和成像纤维的不同布置；

图4a、b示出根据本发明的带有能单独驱控的光源的折光计的设计方案。

具体实施方式

在图1a至1e中示出了根据本发明的用于测量过程介质PM的折射率的折光计的不同设计方案。该折光计具有探头单元5，该探头单元借助至少一个光导(图1a：恰好一个光导)与运行单元1连接。在运行单元1中布置有至少一个光源2(参见图2)，所述光源的光通过光导3(图1a)或其中一个光导(图1b～d)被导引到探头单元5上。探头单元配备带有接触介质的表面OF的测量棱镜6(参见图2)。在测量运行中，也就是说针对探头单元5引入或探入到过程介质PM的情况，通过探头单元5上的留空部11，接触介质的表面OF能被流经。探头单元5在此针对极端的工作条件例如高的过程温度是稳定的。

在被进一步导引的光于接触介质的表面OF上反射和/或折射之后，探头单元5产生光学信号OS，该光学信号通过第一光导3(图1a)或另外的光导中的一个光导31(图1b～d)被导引回运行单元1，在那里被探测并被再处理。探头单元5基本上是被动地测量的，而运行单元用于在测量过程介质的折射率时主动运行折光计。

根据折光计的测量原理或探头单元5的设计方案得到针对一个或多个光导3、31的不同的、可能的布置方案。因此，在图1b中针对透射光折光计所示出的那样，例如能够利用第一光导3将光导引在探头单元5的第一端部区域上并且在测量棱镜6的表面OF上折射之后利用第二光导31将在折射时产生的光学信号OS导引回运行单元，其中，第二光导31在探头单元5的与第一端部区域相对置的第二端部处与探头单元5连接。

必要时，该第二光导31也能够在探头单元5的内部引导或弯曲，使得该第二光导如在图1c中所示出的那样与第一光导3通入到相同的端部区域中。

针对在探头单元5中具有转向元件(参见图2中的设计方案)的透射光折光计(参照申请人的带有申请号102018116409.2的仍未公开的申请，该申请涉及带有单侧的过程访问口的透射光折光计)，或者针对临界角折光计，光学信号OS又朝射入侧的方向被导引回去，从而在图1c或1a(针对带有不同纤维的唯一光导3的情况)中示出的设计方案是可行的。一个或多个光导3；31能够挠性地(图1a～1c)、刚性地(图1d)或刚性-挠性地(未明确示出)设计。

必要时，折光计还具有包覆一个/多个光导3；31的引导件14。光导3、31能够实现折光计的邻接传感器单元5的区域的可变的长度并因此能够实现传感器单元5与运行单元1之间的简单的热绝缘。

根据设计方案而定，探头单元5的长度典型地处于3cm至30cm之间。其直径优选选择为在过程自动化中通常的标准直径，例如40mm或12mm。

在图1e中示出了置入到闸阀安装支架13中的折光计。折光计优选置入到闸阀安装支架13中，使得在闸阀安装支架13的移入位置中使探头单元5或其具有留空部11的端部区段与过程介质PM接触。

结合在图2中展示出的折光计的设计方案的立体图，示出了探头单元5和运行单元1的其它细节。(在下方的图边缘处的)运行单元1包括光源2、在这里是LED，和带有相机的光学探测器单元7。光学探测器单元7和光源2与运行单元1的调整/评估单元4连接，该调整/评估单元用于调整光源2和/或评估光学信号OS并接着获知过程介质PM的折射率。在该设计方案中，优选使用唯一的光导3。该光导在此挠性地设计，但如已经提及的那样也能够刚性-(挠性)地设计。在光导3的通入运行单元1的第一端部区段3a中，该光导分支成第一纤维束支路FB1和第二纤维束支路FB2。第一纤维束支路FB1在该设计方案中包括照明纤维B1并且在运行单元1中与被设计成LED的光源2连接。第二纤维束支路FB2在该设计方案中包括多条成像纤维A1、A2、A3、A4并且与光学探测器单元7的相机连接。通过分支成两个纤维束支路FB1、FB2，光源2和光学探测器单元7的相机能够彼此分开地布置。由此，优选避免由于例如光源2的散射光对光学探测器单元7造成不希望的影响。用于在运行单元1这侧上将照明与探测分开的这种Y-分配器的设计方案是有利的、然而却不是强制必需的。

第二端部区段3b在光导3的与第一端部区段3a相对置的第二端部区段3b上以纤维头通入到探头单元5中，其中，照明纤维B1和成像纤维A1、A2、A3、A4布置在纤维头的纤维前侧FS处。为了概览，在此示出了四条成像纤维A1、A2、A3、A4。关于纤维的数量，在本发明中没有限制。结合接下来要阐述的图3a、b示出关于纤维的布置或设计的其它细节。

照明纤维B1的光借助光学系统8被沿着其光轴z准直并接着穿过测量棱镜6。该测量棱镜在接触介质的表面处具有两个关于倾斜轴线x彼此倾斜的表面OF1、OF2。针对探头单元5引入或探入到过程介质PM的情况，过程介质能经由留空部11流经接触介质的表面OF1、OF2。

在经由接触介质的表面OF1、OF2从测量棱镜6射出的情况下发生依赖于过程介质的折射率的第一次光折射。在这里所示出的变体(参见图1a)中，经折射的射束SB当前借助转向元件9被反射并经历重新在过程介质PM与测量棱镜6之间第二次过渡时的光折射。接着借助光学系统8又聚焦回到纤维前侧FS。测量棱镜6和过程介质PM如已经在前面提及且例如在申请102018116409.2中示出那样也能够以相反的次序相对于彼此地布置，其中，在该情况中需要附加的过程窗。

备选地，结合如前面提及的在图1b～1e中示出的设计方案，本发明的没有转向元件的变体也是可行的，其中，射束仅在接触介质的表面OF上经历一次折射。

(在成像纤维A1、A2、A3、A4的纤维前侧FS上产生的)两个焦点FP1、FP2之间的在基本上垂直于倾斜轴线x和光轴z的方向y上的间距在图2示出的设计方案中代表过程介质PM的折射率的度量。

在此被设计成Pt100的温度传感器12附加地还测量过程介质PM的温度并经由平行于光导2引导的测量传输路段将该温度传送给调整/评估单元4。由温度传感器12测量的温度有利地例如在计算过程介质的依赖于折射率的糖浓度时被考虑。

探头单元5具有由钢、优选由不锈钢制成的套筒形的包套10，在该包套中引入有留空部11。由此，仅套筒形的包套10、测量棱镜6以及必要时过程窗和/或转向元件9与过程介质PM和必要时清洁介质发生接触。由此，探头单元5能有利地毫无问题地经受极端的过程条件和/或环境条件。

照明纤维B1和成像纤维A1、A2、……能够具有相同的或不同的直径。纤维头通常是平整地磨削的。然而，为了校正例如场曲率，纤维头也能够被球状地磨削或磨削成自由曲面。

所有常用的折光计(基于全反射和透射光)由如下部件构建：光源2(例如LED)、光学系统8、测量棱镜6和带有优选一个线扫描相机的探测器单元7。这意味着：之前所描述的本发明原则上能够应用在所有常用的折光计中。在图2所描述的设计方案中，光源2和探测必须处于同一平面中，以便能够替换带有纤维束的光导3。并非所有的折光计都是这种情况，然而能够通过光学匹配来实现。备选地，两个分开的光导3、31能够作为带有成像纤维A1、A2、……和照明纤维B1、……的纤维束FB来使用或者纤维束FB的端部能够如下地设计(也就是说在纤维前侧FS上)，即，照明纤维B1、……的和成像纤维A1、……的端部处在不同的平面上。

针对成像纤维A1、A2、……的详细的布置方案也能想到不同的变体，现在结合图3a～3b和图4中所示出的设计方案进一步对这些变体进行阐述。图3a～3b示出被设计成纤维束FB的光导3的剖面。分别示出了纤维前侧FS，即，纤维束FB的通入探头单元5的第二端部区段3b处的纤维头的横截面和纤维束FB的通入运行单元1的第一端部区段3a处的横截面。在图3a、b的横截面图中，所有的照明纤维B1、B2、……分别显示为未填充的圆并且所有的成像纤维A1、A2、……显示为划了阴影线的圆。

如在图3a的左边的图形半部所示出的那样，成像纤维A1、……、A8在通入到探头单元5的第二端部区段3b处沿着方向y、也就是例如在基本上垂直于倾斜轴线x和光轴z的方向y上布置，两个焦点FP1、FP2在该方向上的间距代表用于过程介质的折射率的度量。

借助纤维束FB也能将照明纤维B1整合到成像纤维A1、……、A8的在y方向上的行中(图3a的左边的图形半部、上方的图形)。非常有趣的是，折光计被被设计成带有作为转向元件9的后向反射器的透射光折光计，这是因为照明与探测在空间上的分离通常是困难的。另外(图3a的左边的图形半部、下方的图形)，照明纤维B1也可以相对于成像纤维A1、……、A8在倾斜方向x上略微错开地布置。

在运行单元1侧上，也就是说在光导3的第一端部区段3a处(图3a、右边的图形半部、下方的图形)，成像纤维A1、……、A8也可以布置为行，例如针对使用带有相机行的光学探测器单元7的情况。在该情况中，纤维可以是分类的或未分类的。在未分类的情况中，映射必须由调整/评估单元4来执行，例如借助为此设计的软件。光学探测器单元7至成像纤维A1、……、A8的耦接可以经由光学器件来实现。备选地，相机芯片可以直接被接触或者相对于第二纤维束支路FB2中的成像纤维A1、……、A8的端部以很小的间距引入。

在使用单独的照明纤维B1的情况中，该照明纤维与单独的光源2或耦联纤维的LED联接(图3a、右边的图形半部、上方的图形)。

为了减少对转向的校准和对其温度稳定性的要求，照明和/或探测可以两倍、三倍或n倍地设计，其中，n＞3。这在图3b中详细示出。在此使用与相同的或不同的光源耦接的多条照明纤维B1、……、B6(左侧、上方的图形)。在此，多条照明纤维B1、……、B6可以在第一纤维束支路FB1中在第一端部区段3a处例如以尽可能少的空间来布置(右侧、上方的图形)。由此，使单独的LED与相应的大的芯片面的耦接成为可能。为了避免成像纤维A1、……、A8在耦接到光学探测器单元7上时的串扰，相比较于在光学探测器单元的纤维前侧FS处，在第二纤维束支路FB2中成像纤维A1、……、A8能够以更大的间距布置在光学探测器单元7的一侧上(FB2、右侧、下方的图形)。也能想到的是：实现在图3b下方的图形于FB2中所示出的成像纤维的圆形的布置方案以及耦接到通常的相机(也就是说不是线扫描相机)上。在该情况中由调整/评估单元4借助例如软件来映射成像纤维也是必需的。原则上，任意的经由这类映射的布置方案都是可行的。

成像纤维A1、……、A16也可以多倍地设计。这在图3b左侧下方的图形中示出。一共使用了16条成像纤维A1、……、A16，这些成像纤维被划分成在倾斜方向x上彼此平行的沿y方向的两行。由此，针对成像纤维A1、……、A16也简化了校准或者提高了温度稳定性。

在使用多个能通过调整/评估单元4彼此分开驱控的光源2、21的情况下，通过使用不同的运行模式BM1、BM2、BM3能够扩展测量范围。该功能也能够通过对第一纤维束支路FB1的另外的拆分来实现，其中，每条照明纤维B1、……、B6各使用一个单独的接口。如已经在图3a、b中示出的那样，在图4a中，所有的照明纤维B1、……、B6分别表示成未填充的圆并且所有的成像纤维A1、……、A8表示成划了阴影线的圆。接下来，针对透射光折光计结合图4b详细地阐述借助能单独驱控的光源2、21来增大测量范围，其中，在上方的图形中示出在纤维前侧FS处的三条照明纤维B1、B2、B3，通过这三条照明纤维在时间上依次的运行模式BM1、BM2、BM3中分别将光传导给探头单元5。尤其是涉及到在纤维前侧FS处非中央地布置的两条照明纤维B3、B2和在它们之间布置于中央的一条照明纤维B1。布置于中央的照明纤维B1在图4b中表示成以黑色填充的圆，而第一/第二非中央地布置的照明纤维B3/B1分别不同地划阴影线。

优选地，非中央地布置的第一照明纤维B3与布置于中央的照明纤维B1之间的第一间距y1和非中央地布置的第二照明纤维B2与布置于中央的照明纤维B1之间的第二间距y2相一致。成像纤维(未填充的圆)A1、……、A9如已经在图3a、3b中示出的那样在纤维前侧FS处布置为行ZA。

如果探头单元5如已经在图2中那样设计，那么在其中每个运行模式BM1、BM2、BM3中都在纤维前侧FS的平面中产生两个外部的焦点FP1、FP2，它们在y方向上的间距代表用于过程介质PM的折射率的度量。此外，产生在两个焦点FP1、FP2之间布置于中央的固定焦点FF，其在y方向上的定位依赖于过程介质PM的折射率。固定焦点FF通过布置在射束的中央的份额来产生，该份额在第一次穿过两个相互倾斜的表面OF1；OF2中的第一表面时经历第一次光折射并且在第二次穿过两个相互倾斜的表面OF2；OF1中的第二表面时经历第二次光折射。这两次折射在针对相对于光轴对称的测量棱镜的情况中相互抵消。

为了更好地伴随着运行模式BM1、BM2、BM3识别到焦点FP1、FP2、FF，在图4b的下方的图形半部中，各个焦点FP1；FP2；FF相应于分别在产生它们的情况中所使用的照明纤维B1；B2；B3地被划阴影线。当前如下地选择间距y1、y2，即，针对所有的照明纤维B3、B2、B1，它们的固定焦点FF能在纤维前侧FS的成像纤维A1、……、A9(未填充的圆)的行ZA上成像，并且针对所有非中央的照明纤维B3、B2和过程介质PM的出自折光计测量范围的所有折射率，非中央的照明纤维B3、B2的外部的焦点FP1、FP2中的至少一个焦点能在纤维前侧FS处的成像纤维A1、……、A9的行上成像。

在此，中央的照明纤维B1在第一运行模式BM1中于纤维前侧FS的平面中所产生的外部焦点FP1、FP2对于过程介质PM的出自折光计的测量范围的所有折射率而言不一定能成像到成像纤维A1、……、A9的行上。根据过程介质的折射率，必要时仅第二和第三运行模式BM2、BM3的外部的焦点FP1；FP2能够分别成像到纤维前侧FS处的成像纤维A1、……、A9的行上。

这在图4b的针对第一运行模式BM1的下方的图形中示出。在此，第一照明纤维的在纤维前侧FS的平面中产生的外部焦点FP1、FP2不再能成像到成像纤维A1、……、A9的行上，从而在第一运行模式BM1中仅由成像纤维A1、……、A9检测到布置于中央的固定焦点FF。因此，仅从第一运行模式BM1中不再能够确定过程介质PM的折射率，这是因为两个外部的焦点FP1、FP2(填充黑色的圆)不再能成像到纤维前侧上。通过使用另外的运行模式BM2、BM3的外部焦点FP1、FP2能够确定与所述运行模式BM2、BM3的中央的固定焦点FF的间距d3＝2*d31或d3＝2*d32。间距d3代表用于过程介质PM的折射率的度量。必要时也可以经由两个运行模式BM2和BM3来获知，并且使用间距d3＝1/2(2*d31+2*d32)＝d31+d32。

针对涉及浑浊的过程介质PM的情况，中央的固定焦点FF视过程介质PM的折射率而定地可以仅具有很小的光强并且因此是非常弱的。为了不必依赖于中央的固定焦点FF，备选或附加地也能够使用各不同的运行模式BM2、BM3的外部焦点FP2、FP1之间的间距d3’。代表用于过程介质PM的折射率的度量的间距d3当前经由d3＝d3’+y1+y2得出。然而，在该情况中，外部的照明纤维B1、B3彼此间的间距、即y1+y2必须非常精准地已知，这是因为该间距的浮动会在测量结果中有所反映。

当然，在本发明的范畴中，在图3b和图4a中示出的设计方案的组合也是可行的。

附图标记列表

1 运行单元

2、21、22 光源

3、31 光导

3a/3b 第一/第二端部区段

4 调整/评估单元

5 探头单元

6 测量棱镜

7 光学探测器单元

8 光学系统

9 转向元件

10 套筒形的包套

11 留空部

12 温度传感器

13 闸阀安装支架

14 引导件

PM 过程介质

OS 光学信号

z 光轴

x 倾斜轴线

y 垂直于光轴和倾斜轴线的轴线

OF 接触介质的表面

OF1、OF2 相互倾斜表面

FB 纤维束

FB1、FB2 第一、第二纤维束支路

B1、B2、…… 照明纤维

A1、A2、…… 成像纤维

BM1、BM2、…… 运行模式

FF、FP1；FP2 焦点

FS 纤维前侧

Tmax 最大温度

Claims (17)

1.用于确定过程介质(PM)的折射率的折光计，所述折光计具有：

-能布置在所述过程介质(PM)之外的运行单元(1)，所述运行单元带有至少一个光源(2、21、22、……)、光学探测器单元(7)和调整/评估单元(4)；

-至少能部分引入到所述过程介质(PM)中的探头单元(5)，所述探头单元配备带有预先给定的折射率的测量棱镜(6)；和

-用于建立所述运行单元(1)与所述探头单元(5)之间的光学连接的至少一个光学的光导(3、31、……)，其中，光导(3、31、……)分别以其第一端部区段(3a、31a、……)通入到所述运行单元(1)中并且以其第二端部区段(3b、31b、……)分别通入到所述探头单元(5)中，并且其中，所述运行单元(1)、所述探头单元(5)和一个/多个光导(3、31、……)被设计成使得在确定过程介质(PM)的折射率时，

-所述至少一个光源(2、21、22、……)发出光，

-所述一个/多个光导(3、31、……)将由所述至少一个光源(2、21、22、……)发出的光传导到所述探头单元(5)，

-光在由所述测量棱镜(6)的接触介质的表面(OF)形成的过程介质(PM)与测量棱镜(6)之间的边界面上经历光折射和/或反射，其中，所述探头单元(5)产生依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号(OS)，

-所述一个/多个光导(3、31、……)将所述依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号导引回所述运行单元(1)，

-所述光学探测器单元(7)检测所述至少一个光学信号(OS)并将所述至少一个光学信号传送给所述调整/评估单元(4)，

-所述调整/评估单元(4)根据传送来的所述至少一个光学信号(OS)和所述测量棱镜(6)的预先给定的折射率确定所述过程介质(PM)的折射率。

2.根据权利要求1所述的折光计，其中，一个/多个光学的光导(3、31、……)被设计成带有多条纤维(B1；B2；A1、A2)的纤维束(FB)，其中，所述光导(3；31、……)中的一个光导包括与所述至少一个光源(2、21、22、……)连接的至少一条照明纤维(B1；B2、……)并且所述光导(3；31、……)中的一个光导包括与所述光学探测器单元(7)连接的至少两条成像纤维(A1、A2、……)，并且其中，一条/多条照明纤维(B1；B2、……)被设计成使得所述至少一个光源(2、21、22、……)的光被导引到所述探头单元(5)，并且所述成像纤维(A1；A2、……)被设计成使得所述至少一个光学信号从所述探头单元(5)被导引到所述光学探测器单元(7)。

3.根据权利要求2所述的折光计，其中，所述光导(3、31、……)或所述光导中的一个光导被设计成包括一条/多条照明纤维(B1；B2……)和多条成像纤维(A1；A2、……)的纤维束(FB)，并且其中，所述纤维束(FB)在通入到所述运行单元(1)的第一端部区段(3a、31a、……)中分支成带有一条/多条照明纤维(B1；B2……)的第一纤维束支路(FB1)和带有所述多条成像纤维(A1；A2、……)的第二纤维束支路(FB2)。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述折光计涉及透射光折光计，所述透射光折光计的探头单元(5)配备带有在所述探头单元(5)的纵向方向上延伸的光轴(z)的光学系统(8)，所述光学系统构造成从由所述一个/多个光导传导的光产生出准直的射束(SB)，其中，所述测量棱镜(6)具有平坦且相互倾斜的至少两个表面(OF1、OF2)，所述至少两个表面布置在所述测量棱镜(6)的接触介质的表面(OF)处，并且其中，两个相互倾斜的表面(OF1、OF2)关于垂直于所述光轴(z)的平面分别绕着倾斜轴线(x)且在彼此相反的方向上倾斜，其中，所述倾斜轴线(x)垂直于光轴(z)。

5.根据权利要求4所述的折光计，其中，所述探头单元(5)具有转向元件(9)，所述转向元件关于所述光学系统(8)沿着所述光轴(z)错开地布置，使得

-所述射束(SB)在第一行程中第一次穿过所述测量棱镜(6)和所述过程介质(PM)，其中，所述射束(SB)在所述接触介质的表面(OF)上经历第一次光折射，

-所述射束(SB)在所述转向元件(9)处转向，

-所述射束(SB)在第二行程中第二次穿过所述测量棱镜(6)和所述过程介质(PM)，其中，所述射束(SB)在所述接触介质的表面(OF)上经历第二次光折射，且

-所述光学系统(8)接着将所述射束(SB)聚焦回到所述光导(3、31、……)中的一个光导上，并且

-所述光导(3、31、……)中的这一个光导将所述依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号(OS)导引回所述运行单元(1)。

6.根据权利要求5所述的折光计，其中，所述折光计具有恰好一个光导(3)，所述恰好一个光导被设计成将由所述至少一个光源(2、21、22、……)发出的光传导到所述探头单元(5)并将所述依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号(OS)导引回所述运行单元(1)。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述多条成像纤维(A1、A2、……)在所述第二端部区段(3b、31b、……)处沿着基本上垂直于光轴(z)的方向(y)错开地布置，尤其是基本上等间隔地错开布置。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述折光计具有多条、尤其是至少两条照明纤维(B1、B2)，所述照明纤维与一个共同的光源或多个、尤其是至少两个光源(2；21、22、……)连接，并且其中，所述照明纤维(B1、B2、……)分别被设计成使得与之连接的光源(2；21；22、……)的光从所述运行单元(1)被导引向所述探头单元(5)。

9.根据权利要求8所述的折光计，其中，所述多条照明纤维(B1、B2、……)在通入到所述探头单元(5)中的第二端部区段(3b、31b、……)处沿着基本上垂直于光轴(z)且垂直于倾斜轴线(x)的方向(y)错开地布置。

10.根据权利要求8或9所述的折光计，其中，所述折光计具有多个、尤其是至少两个能分别由所述调整/评估单元(4)单独驱控的光源(2、21、……)和分别与所述光源(2、21、……)连接的照明纤维(B1、B2、……)，并且其中，尤其是与能单独驱控的光源(2、21、……)连接的照明纤维(B1、B2、……)在通入到所述探头单元(5)中的第二端部区段(3b、31b、…)处沿着基本上垂直于光轴(z)且垂直于倾斜轴线(x)的方向(y)等间隔地错开布置。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述探头单元(5)具有套筒形的包套(10)，所述包套通过至少一个留空部(11)被中断，借助所述留空部在确定过程介质(PM)的折射率时使所述过程介质(PM)能在所述测量棱镜(6)的接触介质的表面(OF)上流动。

12.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述探头单元(5)能应用在通过最大温度(Tmax)限定的温度范围内，并且其中，所述最大温度大于200℃，尤其是大于250℃。

13.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，所述折光计具有至少一个温度传感器(12)，所述温度传感器被设计成获知所述过程介质(PM)的温度，并且其中，所述调整/评估单元(4)被设计成确定所述过程介质(PM)的能从折射率推导出的过程参量并且在确定过程介质(PM)的从折射率推导出的过程参量时考虑由一个/多个温度传感器(12)获知的温度。

14.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述探头单元(5)的直径、尤其是套筒形的包套(10)的直径小于45mm、尤其是小于20mm、优选小于15mm。

15.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述折光计至少部分地、尤其是其探头单元(5)能够置入到能移动到所述过程介质(PM)中的闸阀安装支架(13)内。

16.用于确定过程介质(PM)的折射率的方法，所述方法利用根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，

-由至少一个光源(2、21、22、…)发出光，

-由一个/多个光导(3、31、…)将由所述至少一个光源(2、21、22、…)发出的光传导到探头单元(5)，

-使光在由测量棱镜(6)的接触介质的表面(OF)形成的过程介质(PM)与测量棱镜(6)之间的边界面上折射，其中，由所述探头单元(5)产生依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号(OS)，

-由所述一个/多个光导(3、31、…)将所述依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号(OS)导引回运行单元(1)，

-由光学探测器单元(7)将所述至少一个光学信号(OS)传送给调整/评估单元(4)，并且

-由所述调整/评估单元(4)根据传送来的所述至少一个光学信号(OS)和所述测量棱镜(6)的预先给定的折射率来确定所述过程介质(PM)的折射率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述折光计具有多个、尤其是至少两个分别由所述调整/评估单元(4)单独驱控的光源(2、21、…)，其中，使所述折光计在时间上依次地在不同的运行模式(BM1、BM2、…)中运行，在所述不同的运行模式中，

-分别使用所述折光计的多个光源(2；21；22、…)中的恰好一个光源并且存储属于各自的运行模式(BM1、BM2、…)的光学信号(OS)，其中，由所述调整/评估单元(4)根据得自所有运行模式(BM1、BM2、…)的所存储的光学信号(OS)的总体并且根据所述测量棱镜(6)的预先给定的折射率来确定所述过程介质(PM)的折射率。

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