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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer, das eine Lichtquelle,
ein in einer Prozessflüssigkeit
anzuordnendes optisches Fenster, Mittel zum Richten eines Strahlenbündels von
der Lichtquelle auf eine Grenzfläche
zwischen der Prozessflüssigkeit
und dem optischen Fenster und zum Zurückleiten eines Teils des von
der Grenzfläche
in das optische Fenster gebrochenen Strahlenbündels und Mittel zum Betrachten
eines auf vorgenannte Weise erzeugten Bildes aufweist.
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Das
Arbeitsprinzip des Refraktometers ist schon seit über hundert
Jahren bekannt. Zur Zeit werden Refraktometer ziemlich viel in mehreren
verschiedenen Bereichen verwendet. Als Beispiele von Verwendungsbereichen
des Refraktometers können Lebensmittelindustrie,
Holzindustrie, chemische Industrie und verschiedene Untersuchungen
im allgemeinen, in denen ein Refraktometer für Konzentrationsmessungen verwendet
wird, erwähnt
werden.
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Die
Operation von heutzutage allgemein benutzten Prozessrefraktometern
basiert auf der Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion auf
der Grenzfläche
zwischen dem optischen Fenster und der zu messenden Flüssigkeit.
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Das
Arbeitsprinzip der vorgenannten Prozessrefraktometer kann grundsätzlich auf
folgende Weise beschrieben werden. Ein von der Lichtquelle eintreffendes
Strahlenbündel
wird durch ein optisches Fenster auf die Grenzfläche zwischen dem optischen
Fenster und der Prozessflüssigkeit
gerichtet. Ein Teil des Strahlenbündels wird völlig von
der Flüssigkeit
reflektiert, ein Teil wird teilweise in die Flüssigkeit absorbiert. Daraus
entsteht ein Bild, in dem die Lage der Grenze eines hellen und eines
dunklen Bereichs vom Grenzwinkel der Totalreflexion und somit von
der Brechzahl der Prozessflüssigkeit
abhängig ist.
Ein wesentlicher Faktor bei Refraktometermessung ist die Analysierung
eines aus der Lichtreflexion entstehenden Bildes. Die Aufgabe der
obigen Bildanalyse ist, den Grenzwinkel der Totalreflexion, d. h. die
Grenze zu finden, an der der helle Bereich des auf obige Weise entstehenden
Bildes in den dunklen Bereich übergeht.
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Als
Beispiele für
die vorgenannten Prozessrefraktometer können die in Finnischen Patenten 108259
und 113566 beschriebenen Lösungen
erwähnt
werden.
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Das
Arbeitsprinzip der vorgenannten bekannten Refraktometer ist gut,
weil das für
das Messsignal verwendete Licht durch die Prozessflüssigkeit nicht
passiert, d.h. die Farbe, Partikeln und Blasen der Prozessflüssigkeit
haben keine Wirkung auf die Messung. Nachteilig ist jedoch die Ungenauigkeit des
Grenzwinkels, da die Grenze zwischen Licht und Schatten im optischen
Bild nicht senkrecht ist, weshalb die steilste Stelle mathematisch
gesucht worden ist.
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Aus
Laborrefraktometern ist ein anderes bei Refraktometermessungen angewendetes
Prinzip bekannt. Nach diesem Prinzip triff das Licht von der Seite
der zu messenden Flüssigkeit
auf der Grenzfläche zwischen
der Flüssigkeit
und dem optischen Fenster ein und ein Teil des Lichts wird von der
Grenzfläche in
das optische Fenster gebrochen. Eine bei der Messung zu messende
Probe wird auf die Oberfläche
des optischen Fensters derart gestellt, dass sich die Probe zwischen
der Oberfläche
des optischen Fensters und einer Mattscheibe oberhalb der Oberfläche befindet.
Das Licht wird über
die Mattscheibe in die Probe geleitet.
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Die
oben beschriebene Lösung
weist den Nachteil auf, dass die Lösung als solche in der Praxis nur
für Laboranwendungen
geeignet ist, weil es schwierig ist, die empfindliche Lichtquelle
in anspruchsvollen Prozessverhältnissen
unterzubringen. Das Grundprinzip der Lösung, d.h. die Lichtbrechung in
das optische Fenster, ist vorteilhaft als solche, weil die Grenze
zwischen Licht und Schatten im optischen Bild deutlich steiler ist
als bei Lösungen,
die auf der Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion basieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer bereitzustellen,
durch das die Nachteile des Standes der Technik derart gelöscht werden
können,
dass die Vorteile des Standes der Technik auch in anspruchsvollen
praktischen Verhältnissen,
zum Beispiel in schwierigen Prozessverhältnissen, ausgenutzt werden
können.
Dies wird durch ein erfindungsgemäßes Refraktometer erreicht.
Das erfindungsgemäße Refraktometer
ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle eintreffende
Strahlenbündel
auf die Grenzfläche
zwischen der Prozessflüssigkeit
und dem optischen Fenster von der Seite der Prozessflüssigkeit
in Richtung der Grenzfläche
geleitet wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung weist
vor allem den Vorteil auf, dass das vorher an sich bekannte Grundprinzip
anhand der Erfindung auch in Prozessverhältnissen angewendet werden
kann. Ein Vorteil der Erfindung ist weiterhin die Einfachheit der
Lösung,
was die Einführung
und Verwendung der Erfindung vorteilhaft macht. Die Erfindung weist
auch den Vorteil auf, dass das Grundprinzip der Erfindung vorteilhaft
auf viele verschiedene Weisen modifiziert werden kann, d.h. die
Erfindung kann vorteilhaft nach jeweiligen situationsbedingten Anforderungen
modifiziert werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnung
beschriebenen Beispiels ausführlicher
erläutert.
Es zeigen
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1 ein
Prinzip eines auf der Messung des Brechungswinkels basierenden Refraktometers,
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2 ein
optisches Bild, das durch Lichtbrechung in das optische Fenster
auf in 1 gezeigte Weise erzeugt wird,
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3 eine
Kurve, die die Lichtverteilung im Bild gemäß 2 veranschaulicht,
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4 eine
prinzipielle Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Refraktometers,
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5 das
Arbeitsprinzip des Refraktometers gemäß 4,
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6 eine
prinzipielle Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers,
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7 eine
prinzipielle Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers,
und
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8 prinzipiell
eine Einzelheit der Ausführungsformen
gemäß 6 und 7 in
größerem Maßstab.
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1 veranschaulicht
das Grundprinzip eines auf der Messung des Brechungswinkels basierenden
Refraktometers. Ein optisches Fenster, das zum Beispiel ein Prisma
sein kann, wird mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Eine
zu messende Flüssigkeit,
in dieser Erfindung eine Prozessflüssigkeit, wird mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.
Eine Grenzfläche
zwischen der Prozessflüssigkeit
und dem optischen Fenster wird in 1 mit dem
Bezugszeichen RP bezeichnet.
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Licht
wird auf die Grenzfläche
RP über
die zu messende Flüssigkeit 2 geleitet,
wie es in 1 mithilfe von Pfeilen V gezeigt
wird. Ein Teil des auf der Grenzfläche eingetroffenen Lichts wird
von der Grenzfläche
zurück
in die zu messende Flüssigkeit reflektiert.
Dieser Teil des Lichts ist in 1 mithilfe von
Pfeilen H bezeichnet. Ein Teil des auf der Grenzfläche eingetroffenen
Lichts wird in das optische Fenster gebrochen. Dieser Teil wird
in 1 mithilfe von Pfeilen T bezeichnet. Aus der oben
beschriebenen Erscheinung entsteht ein Bild, das in 2 gezeigt
wird. Die Lage der Grenze C zwischen einem hellen Bereich A und
einem dunklen Bereich B hängt von
der Brechzahl der zu messenden Flüssigkeit ab. 3 zeigt
eine Kurve, die die Lichtverteilung in dem in 2 gezeigten
Bild veranschaulicht. Wie aus 3 ersichtlich
wird, ist die Grenze zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich
sehr steil, und somit kann die Lage der Grenze C zwischen dem hellen und
dem dunklen Bereich einfacher bestimmt werden als bei auf der Messung
des Grenzwinkels der Totalreflexion basierenden Refraktometern,
in denen mathematische Hilfsmittel verwendet werden müssen, wie
oben erwähnt
wurde.
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4 zeigt
eine prinzipielle Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Refraktometers.
Das in 1 gezeigte Refraktometer weist eine in der Rahmenkonstruktion
angeordnete Lichtquelle 3 und ein in einer Prozessflüssigkeit
anzuordnendes optisches Fenster 1 auf. Das Refraktometer
weist auch Mittel 4 zum Richten eines Strahlenbündels von
der Lichtquelle auf die Grenzfläche
zwischen der Prozessflüssigkeit
und dem optischen Fenster und Mittel 5 zum Zurückleiten
eines Teils des von der Grenzfläche
in das optische Fenster gebrochenen Strahlenbündels und weiterhin Mittel 6 zum
Betrachten eines auf vorgenannte Weise erzeugten Bildes auf. Die
Mittel 4 zum Richten des Strahlenbündels von der Lichtquelle 3 vorwärts können zum
Beispiel Lichtfasern, Spiegelelemente oder andere ähnliche
Elemente aufweisen. Die Mittel 5 zum Leiten des in das
optische Fenster gebrochenen Lichts können zum Beispiel Linsenelemente,
Lichtfasern und andere ähnliche
Elemente aufweisen. Die Mittel 6 zum Betrachten des Bildes können zum
Beispiel einen Lichtdetektoren aufweisen.
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Es
ist vorgesehen, dass das Refraktometer gemäß 4 derart verwendet
wird, dass in Messsituationen das optische Fenster in Kontakt mit
der zu messenden Flüssigkeit,
z.B. der Prozessflüssigkeit, steht.
In diesem Fall entsteht zwischen dem optischen Fenster 1 und
der Prozessflüssigkeit
eine Grenzfläche
RP, auf der das von der Lichtquelle 3 eintreffende Licht
nach dem in 1 gezeigten Grundprinzip gebrochen
wird.
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Nach
der wesentlichen Idee der Erfindung wird das von der Lichtquelle 3 eintreffende
Strahlenbündel
auf die Grenzfläche
RP zwischen der Prozessflüssigkeit
und dem optischen Fenster in Richtung der Grenzfläche geleitet.
Die oben erwähnte
wesentliche Grundidee der Erfindung wird prinzipiell in 5 dargestellt.
Die Anwendung gemäß 4 funktioniert
nach dem Prinzip der 5. Bei der Anwendung gemäß 4 ist
die Lichtquelle 3 innerhalb der Rahmenkonstruktion des
Refraktometers angeordnet, und Licht wird durch die Mittel 4 neben
das optische Fenster geleitet und von der Seite des Prozessflüssigkeit
auf die Grenzfläche
RP auf in 5 gezeigte Weise von der Seite
des optischen Fensters geleitet. Es ist klar, dass die Lichtquelle 3 auch
derart positioniert werden kann, dass sie sich direkt auf der Seite
des optischen Fensters 1 befindet. Die Mittel 4 werden
derart angeordnet, dass die zu messende Flüssigkeit nicht daran verhindert
wird, auf dem optischen Fenster einzutreffen, beispielsweise derart, dass
sich das optische Fenster 1 nicht in einer sehr tiefen
Vertiefung befindet, wobei die zu messende Prozessflüssigkeit
ungehindert auf dem optischen Fenster eintreffen kann.
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Wie
oben mithilfe der 4 und 5 gezeigt
wurde, befindet sich die Lichtquelle ausserhalb des Prozesses und
innerhalb der Messeinrichtung. In der Ausführungsform der 4 ist
das Licht zu einem aus einem optischen Material hergestellten Ringelement 7 geleitet.
Das Ringelement 7 ist angeordnet, das optische Fenster 1 umzugeben,
wie in 4 gezeigt. In der Messsituation steht das Ringelement 7 in
Kontakt mit der Prozessflüssigkeit.
Das aus einem optischen Material hergestellte Ringelement 7 ist
angeordnet, das Licht als zur Grenzfläche parallele Strahlen auf
die Grenzfläche
RP zu leiten. Das Ringelement 7 dient auch als Hülsenmaterial
und einen mechanischen Teil des Refraktometers. Das Material des
Ringelements 7 kann zum Beispiel aus Saphir bestehen, wobei
die Vorrichtung bei Messungen der Halbleiterindustrie benutzt werden
kann, bei denen Metalle auf Prozessoberflächen nicht verwendet werden
dürfen.
Das Ringelement 7 kann auch derart ausgebildet werden,
dass es die Reinhaltung des optischen Fensters 1 anhand
einer Prozessflüssigkeitsströmung sowie
die Probenwechsel auf der Oberfläche
des optischen Fensters fördert.
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In
der in 4 und 5 dargestellten Ausführungsform
wird eine Lichtquelle 3 verwendet. Diese ist jedoch nicht
die einzige mögliche
Ausführungsform
der Erfindung. 6 zeigt eine andere Ausführungsform
der Erfindung, bei der zwei Lichtquellen 3 verwendet werden.
In dieser Ausführungsform
werden als Lichtquellen LED-Komponenten verwendet, die im aus einem
optischen Material hergestellten Ringelement 7 untergebracht
sind. Die LED-Komponenten
sind an einer Leiterplatte 8 befestigt und in Löchern 9 im
aus einem optischen Material hergestellten Ringelement 7 angeordnet.
Die oben erwähnten
Einzelheiten können
deutlich in 8 gesehen werden. Die Böden der
Löcher 9 können konische
oder kugelförmige
Oberflächen
sein. Die konischen oder kugelförmigen
Oberflächen
können
geglättete
oder ungeglättete
Oberflächen
sein.
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In
der Ausführungsform
der 6 weisen die Mittel 5 zum Leiten des
in das optische Fenster gebrochenen Lichts ein Linsenelement 10 auf.
In dieser Ausführungsform
ist das Linsenelement 10 angeordnet, eine integrale optische
Komponente mit dem optischen Fenster 1 zu bilden. Das Linsenelement 10 kann
an das optische Fenster 1 geklebt werden oder das Linsenelement
kann als ein integraler Teil mit dem optischen Fenster 1 ausgebildet
werden. Somit wird ein integrales optisches Element bereitgestellt, das
nicht schwierig zu montieren ist und keine Probleme wegen Winkeländerungen
verursacht.
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In
der Ausführungsform
gemäß 6 wird das
aus einem optischen Material hergestellte Ringelement 7 für bidirektionale
Belichtung verwendet, indem zwei Lichtquellen 3 mit dem
Ringelement verbindet werden. Somit entsteht ein Differentialbild
auf dem Lichtdetektoren 6, was als Differentialrefraktometer
bezeichnet werden kann. Das Messsignal des Differentialrefraktometers
ist die Differenz zweier auf dem optischen Fenster gebrochener Grenzwinkelbilder,
was bedeutet, dass nicht der Winkel zwischen dem optischen Fenster
und dem Lichtdetektoren kritisch ist, sondern nur die Entfernung.
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Es
können
auch mehr als zwei Lichtquellen geben. Die Lichtquellen können auch
auf unterschiedlichen Wellenlängen
strahlen.
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7 zeigt
ein drittes Beispiel der Erfindung. Das Beispiel der 7 benutzt
zwei Linsenelemente 11, 12 anstatt eines Linsenelements 10 der 6.
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Die
oben beschriebenen Beispiele dienen auf keine Weise zur Beschränkung der
Erfindung, sondern die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche völlig frei
modifiziert werden. Somit ist es klar, dass das erfindungsgemäße Refraktometer oder
seine Teile denen der Figuren nicht unbedingt genau ähneln müssen, sondern
dass andere Lösungen
auch möglich
sind.