DE102014201079A1

DE102014201079A1 - Verfahren zur Messung eines Brechungsindexes und Refraktometer

Info

Publication number: DE102014201079A1
Application number: DE201410201079
Authority: DE
Inventors: Ville Voipio
Original assignee: Janesko Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-07-24
Also published as: FI20135064L; US9719919B2; US20140268115A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines Brechungsindexes an einem zu messenden Medium über ein optisches Fenster, bei welchem Verfahren das optische Fenster (1) in Kontakt mit dem zu messenden Medium angeordnet wird, Licht an eine Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium geführt wird, wo ein Teil des Lichts im zu messenden Medium absorbiert wird und ein Teil vom zu messenden Medium reflektiert wird, wobei ein Bild entsteht, in dem die Position der Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich den vom Brechungsindex des zu messenden Mediums abhängigen Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt, und das auf oben erwähnte Weise hergestellte Bild betrachtet wird. Das Licht wird zur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters (1) ausgebildeten ersten Struktur (2) geführt, mit der das Licht in gewünschten Winkeln an die Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium geführt wird. Das von der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium reflektierte Licht wird zur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters (1) ausgebildeten zweiten Struktur (3) geführt, mit der das Licht zur Analyse geführt wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Refraktometer. (4)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines Brechungsindexes an einem zu messenden Medium über ein optisches Fenster, bei welchem Verfahren das optische Fenster in Kontakt mit dem zu messenden Medium angeordnet wird, Licht an eine Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und dem zu messenden Medium geführt wird, wo ein Teil des Lichts im zu messenden Medium absorbiert wird und ein Teil vom zu messenden Medium reflektiert wird, wobei ein Bild entsteht, in dem die Position der Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich vom Brechungsindex des zu messenden Mediums abhängigen Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt, und das auf oben erwähnte Weise hergestellte Bild betrachtet wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Refraktometer zur Messung eines Brechungsindexes an einem zu messenden Medium, welches Refraktometer aufweist: ein mit dem zu messenden Medium in Kontakt anzuordnendes optisches Fenster, das eine mit dem zu messenden Medium in Kontakt stehende Oberfläche und eine dazu parallele, vom zu messenden Medium abgewandte Oberfläche besitzt, eine Lichtquelle, die ein Lichtstrahlenbündel emittiert, das angeordnet ist, an die vom zu messenden Medium abgewandte Oberfläche des optischen Fensters geführt zu werden, eine erste Struktur zur Führung des Strahlenbündels an eine Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und dem zu messenden Medium, wobei ein Teil des Strahlenbündels im zu messenden Medium absorbiert wird und ein Teil vom zu messenden Medium zurück reflektiert wird, wobei ein Bild entsteht, in dem die Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich den vom Brechungsindex des zu messenden Mediums abhängigen Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt, einen Bilddetektor zum Betrachten des auf oben erwähnte Weise hergestellten Bildes und eine zweite Struktur, die angeordnet ist, den totalreflektierten Teil zum Bilddetektor für die Analyse zu führen.
Es ist im Fachgebiet eine bekannte Technik, den Brechungsindex eines Materials anhand des Grenzwinkels der Totalreflexion zu bestimmen. Bei dem Messverfahren wird der Grenzwinkel der Totalreflexion von Licht an der Grenzfläche zwischen einem optischen Fenster, einem sog. Messfenster, und einem zu messenden Medium, zum Beispiel einer Flüssigkeit, gemessen. Dabei wird der zu messende Brechungsindex mittels des bekannten Schnelliusschen Gesetzes erhalten: n = n_isinα_c. (1)
In der Gleichung (1) bezieht sich n auf den Brechungsindex eines zu messenden Mediums, zum Beispiel einer Flüssigkeit, n_i auf den Brechungsindex des Messfenstermaterials und α_c auf den Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Brechungsindex des Messfensters muss immer größer als der Brechungsindex des zu messenden Mediums sein.
Weiterhin ist im Fachgebiet bekannt, den Grenzwinkel der Totalreflexion als Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich aufzuzeigen, indem das von der Grenzfläche zwischen einem Fenster und einer Flüssigkeit reflektierte Licht anhand eines Linsensystems an die Zelle eines Bilddetektors wie einer Kamera geführt wird.
In der bekannten Technik ist das Linsensystem derart aufgestellt, dass es sich in einem Abstand seiner Brennweite von der Kamera befindet. Die bekannte Technik umfasst Refraktometer, in denen Licht über prismenartige Oberflächen an die zwischen einer zu messenden Flüssigkeit und einem Messfenster geführt wird.
Die bekannte Technik umfasst auch Refraktometer, in denen Licht über als Spiegel fungierende Prismenoberflächen an die Flüssigkeitsgrenzfläche geführt wird. Prismenartige Oberflächen verlaufen immer schräg zur Grenzfläche.
Die in verschiedenen Prozessen befindlichen zu messenden Flüssigkeiten sind oft mit Druck beaufschlagt. Das Messfenster muss somit gedichtet werden, so dass die zu messende Flüssigkeit nicht in das Innere des Messgeräts kommt. Um eine gute Druckfestigkeit zu leisten, sollte die Dichtung derart durchgeführt werden, dass der auf das Messfenster gerichtete Druck die Abdichtung an das Rahmenteil des Messgeräts drückt. Die in der bekannten Technik allgemein einzusetzenden, am Messfenster befindlichen schrägen prismenartigen Oberflächen machen die Dichtung des Messfensters in der Weise komplizierter, dass der Prozessdruck die Abdichtung fester drückt.
Prismenartige und auf schräg zur Messfläche verlaufenden Oberflächen basierende Lösungen sind weit bekannt im Fachgebiet. Als Beispiele für im Fachgebiet bekannte Lösungen können die Lösungen erwähnt werden, die in den Veröffentlichungen US 4 451 147 , EP 0 359 167 A3 , US 3 628 867 , GB 2 014 724 , FI 65496 , FI 96451 , US 6 760 098 , EP 0 836 092 , EP 0 281 337 und US 4 962 746 beschrieben sind.
Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Messgerät hervorzubringen, mit deren Hilfe die Nachteile der vorbekannten Technik eliminiert werden können. Dies wird durch die Erfindung erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle ankommende Licht zur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters ausgebildeten, etwa die Lichtwellenlänge aufweisenden ersten Struktur geführt wird, mit der das Licht in gewünschten Winkeln an die Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und dem zu messenden Medium geführt wird, und dass das von der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und dem zu messenden Medium reflektierte Licht zur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters ausgebildeten, etwa die Lichtwellenlänge aufweisenden zweiten Struktur geführt wird, mit der das Licht zur Analyse geführt wird. Das erfindungsgemäße Refraktometer ist seinerseits dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Struktur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Stirnfläche des optischen Fensters ausgebildet sind und dass die erste und/oder die zweite Struktur etwa die Lichtwellenlänge aufweisende Struktur/en ist/sind.
Die Erfindung weist vor allem den Vorteil auf, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung schräge Oberflächen des optischen Fensters ausfallen können, die hinsichtlich der Dichtung des Fensters problematisch sind. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das optische Fenster durch die Wirkung des zu messenden Mediums gegen die Stützfläche am Rahmenteil des Geräts gedrückt, wobei die zwischen dem Fenster und der oben erwähnten Stützfläche angeordnete Abdichtung und somit die gesamte Dichtung des Fensters optimal fungieren. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ihre Einfachheit, die zum Beispiel auf die Eliminierung von in der bekannten Technik eingesetzten mehreren in verschiedenen Richtungen verlaufenden geglätteten Oberflächen zurückzuführen ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele genauer beschrieben, wobei in der Zeichnung
1 schematisch eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Lösung als Teil eines Messgeräts von der Seite zeigt,
2 die in einem Prozessrohr montierte erfindungsgemäße Lösung zeigt,
3 schematisch die Ausbreitung von Licht in einer diffraktiven Struktur zeigt, wenn das Licht in einem bestimmten Winkel eintrifft,
4 schematisch ein optisches Messfenster, in dem eine lichtrichtende Struktur nach der Grundidee der Erfindung eingesetzt wird,
4a schematisch eine Ansicht einer Anwendung, in der die lichtrichtende Strukturen an einer Beschichtung ausgebildet sind,
5 schematisch eine Schnittansicht von optischen Teilen, mit denen die Anordnung nach 4 ausgeführt werden kann,
6 schematisch eine Ansicht einer Anwendung, in der der kritische Winkel als Kreisring aufgezeigt wird,
7 schematisch eine Ansicht einer Anwendung, in der der kritische Winkel als Innendurchmesser von Sektoren aufgezeigt wird,
8 schematisch eine Ansicht einer Anwendung, in der der kritische Winkel als Abstand zwischen dem innersten Punkt der linienförmigen Bereichen und dem Mittelpunkt des optischen Messfensters aufgezeigt wird, und
9 schematisch eine Ansicht einer Anwendung, in der die auf der Oberfläche des optischen Fenster befindlichen Strukturen außerhalb des Mittelpunkts des optischen Messfensters sind.
Wie oben festgestellt wurde, hängen die Nachteile der vorbekannten Technik mit schrägen prismenartigen Oberflächen des optischen Fensters zusammen. In der Erfindung ist das Messfenster derart aufgebaut, dass es keine optischen Oberflächen besitzen muss, die zusammen mit der Oberfläche der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster, d. h. dem Messfenster, und dem zu messenden Medium schräg sind. Die mit dem zu messenden Medium in Kontakt stehende Oberfläche des optischen Fensters und die vom zu messenden Medium abgewandte Oberfläche des optischen Fensters sind parallele Flächen. Es gibt also gar keine optisch fungierenden Oberflächen, die in einer schrägen Position sind. Die erwähnte Einzelheit ist aus den Figuren klar ersichtlich. Diese Eigenschaft erleichtert die Bereitstellung einer guten Dichtung. 1 und 2 zeigen einen Aufschnitt der erfindungsgemäßen Lösung innerhalb eines Messgeräts und das durch eine Flanschverbindung 11 in einem Prozessrohr 12 montierte Messgerät.
Aus 1 und 2 wird die durch die Erfindung ermöglichte Dichtungslösung ersichtlich. In den Figuren bezieht sich die Bezugsnummer 10 auf eine konventionelle Abdichtung. In diesem Kontext ist es wesentlich zu sehen, dass die Abdichtung eine beliebige konventionelle Abdichtung, zum Beispiel ein normaler O-Ring, sein kann.
Infolge des Drucks eines zu messenden Mediums drückt ein optisches Fenster 1, d. h. ein Messfenster, den O-Ring an ein Rahmenteil 9 des Geräts. Das zu messende Medium ist in 2 schematisch mit Pfeil N dargestellt. Das zu messende Medium fließt im Falle der 2 unter Druck im Prozessrohr 12. Der Terminus ”zu messendes Medium” soll in diesem Kontext weit verstanden werden, d. h. dieser Terminus deckt alle möglichen Flüssigkeiten und Lösungen, die in verschiedenen Prozessen verwendet werden. Das zu messende Medium kann auch ein festes Medium sein, dessen Kontakt mit dem optischen Fenster kein Mittel aufweist. Ein solches festes Medium kann zum Beispiel ein Edelsteinmaterial, ein Mineral oder ein optisches Material sein.
Im Falle der 2 ist das Prozessrohr 12 ein Rohr, in dem das zu messende Medium, im Falle der 2 die zu messende Flüssigkeit, fließt. Der Terminus ”Prozessrohr” soll jedoch in diesem Kontext weit verstanden werden, d. h. so, dass er auch zum Beispiel den Behälter umfasst, in dem sich die zu messende Flüssigkeit befindet. etc.
Die Montierung eines Messgeräts im Prozessrohr und die Konstruktion und Funktion des Messgeräts sind für einen Fachmann übliche Technik und deshalb werden diese Umstände in diesem Kontext nicht ausführlicher beschrieben.
Im Folgenden wird die Erfindung allgemein unter Bezugnahme auf insbesondere 3 betrachtet.
Das für die Messung eines Brechungsindexes erforderliche Licht wird in der Erfindung anstatt auf in der bekannten Technik eingesetzte schräge prismenartige Oberflächen zu einer auf der Oberfläche des Messfensters, d. h. auf der vom zu messenden Material abgewandten Oberfläche des Messfensters, befindlichen Struktur, die das Licht in gewünschten Messwinkeln führt, und zu einer zweiten Struktur geführt, die das Licht zur Analyse führt. Das optische Fenster, d. h. das Messfenster, kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden. Als Beispiele für geeignete Materialien können Mineralmaterialien wie Saphir erwähnt werden.
Die auf der Oberfläche des Messfensters befindlichen Strukturen sind etwa die Größe der Lichtwellenlänge aufweisende Strukturen, die ausgelegt sind, Licht auf gewünschte Weise zu brechen. Die brechende Eigenschaft kann durch eine diffraktive oder eine andere entsprechende Struktur bereitgestellt werden. Eine diffraktive Struktur kann auf die Oberfläche des Messfensters hergestellt werden, indem eine Maske gemäß der gewünschten Struktur auf der Oberfläche ausgebildet wird und indem Material aus den maskenfreien Bereichen zum Beispiel durch einen Ionenstrahl oder durch Ätzen entfernt wird. In ihrer einfachsten Ausführung kann die diffraktive Struktur zum Beispiel ein Diffraktionsgitter sein. Das Gitter soll derartig sein, dass ein erstes Diffraktionsmaximum in einem gewünschten Winkel zur Normale des Messfensters steht. Der Winkel wird derart ausgewählt, dass er dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht, der am Mittelpunkt des Messbereichs für den Brechungsindex erhalten wird.
Die diffraktiven Strukturen können direkt auf der Oberfläche des Materials des optischen Fensters ausgebildet werden, wie oben dargestellt wurde. Es ist jedoch auch möglich, die diffraktiven Strukturen an der auf die Oberfläche des optischen Fensters angeordneten Beschichtung auszubilden. Als Beschichtung kann zum Beispiel Titanoxid (TiO2) verwendet werden. Die Dicke der Beschichtung entspricht etwa der Wellenlänge, aber ist jedoch kleiner.
Die diffraktiven Strukturen können auch sowohl Material des optischen Fensters als auch an der Beschichtung ausgebildet werden.
In einer diffraktiven Struktur wie einem Diffraktionsgitter entsteht das Maximum in einem Winkel, in dem von den nebeneinander liegenden Öffnungen des Gitters die konstruktive Interferenz erhalten wird. Die Lichtwellen vereinigen sich konstruktiv, wenn das Licht, das durch verschiedene Öffnungen passiert hat, gleichphasig ist. Die Gleichphasigkeit erfolgt in gewissen Winkeln zur Normale des Gitters. In diesen Winkeln ist die Wegdifferenz des durch die nebeneinander liegenden Spalte passierten Lichts ein Mehrfaches der Wellenlänge. Für das senkrecht zum Diffraktionsgitter ankommende Licht werden die Winkel θ_m der Maximalintensitäten aus dem Abstand d zwischen den Spalten des Gitters und der Wellenlänge λ des einzusetzenden Lichts nach der folgenden Gleichung bestimmt: dsinθ_m = mλ (2)
In der Gleichung (2) ist m eine ganze Zahl, die für das Maximum erster Ordnung eins ist. Um das Maximum herum wird eine für die Messung ausreichende Winkelverteilung erreicht, indem das Licht auf das Gitter in verschiedenen Winkeln gerichtet wird.
3 zeigt schematisch, wie das Licht in einem Winkel θ_i ankommt. Im Falle der 3 wird angenommen, dass das Mittel auf beiden Seiten des Gitters Luft ist. Auch jetzt wird das Intensitätsmaximum in einem Winkel erreicht, in dem sich die Lichtwellen konstruktiv vereinigen. Das passiert, wenn die Wegdifferenz L₁ + L₂ für das durch die nebeneinander liegenden Öffnungen passierende Licht ein Mehrfaches der Wellenlänge ist.
Der Winkel θ_i ist positiv, wenn er sich gleichen Seite der Asche wie der Winkel θ_m befindet, und negativ, wenn er sich auf der gegenüberliegenden Seite befindet. Somit ändert sich die Gleichung (2) für das im Winkel θ_i ankommende Licht in die Form: d(sinθ_i + sinθ_m) = mλ. (3)
Aus dieser Gleichung ist es leicht, den Winkel θ_m der Maximalintensität für das im Winkel θ_i ankommende Licht zu lösen: θ_m = arcsin( mλ / d – sinθ_i). (4)
Wenn auf der auf der anderen Seite des Gitters ein anderes Material als Luft vorhanden ist, muss die Weglänge L₂ in eine optische Weglänge umgewandelt werden, indem sie mit dem Brechungsindex des Mittels multipliziert wird. Falls der Brechungsindex des Messfensters n_s ist, erhält die Gleichung (4) die Form:
4 zeigt die Winkel θ_i und θ_m am Messfenster. Der Winkel θ_m und somit auch der Winkel θ_i sollen derart ausgewählt werden, dass sie dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der unteren und der oberen Grenze des Messbereichs für den Brechungsindex entsprechen. Somit wird Licht an die Grenzfläche des Messfensters in allen denjenigen Winkeln erhalten, für die man entsprechende Brechungsindizes messen will. In 4 sind die Winkel an der unteren Grenze des Messbereichs dargestellt. Der Brechungsindex des zu messenden Mediums, zum Beispiel einer Flüssigkeit, ist in 4 ungefähr auf die Mitte des Messbereichs ausgewählt worden und die Figur zeigt sowohl den totalreflektierten Teil des Lichts als auch den in die Flüssigkeit gebrochenen Teil des Lichts.
Die Erfindung wird im Folgenden mittels 4, 4a und 5 ausführlicher beschrieben. 4a zeigt eine Anwendung, in der eine erste und eine zweite Struktur an einer Beschichtung 20 ausgebildet sind. Die Anwendungen nach 4 und 4a funktionieren miteinander ähnlich.
4, 4a und 5 zeigen schematisch ein optisches Fenster, d. h. ein Messfenster 1, und seine Funktion sowie andere mit der Messung zusammenhängende Komponenten.
In der Erfindung kann als Lichtquelle eine geeignete monochromatische Lichtquelle verwendet werden, die zum Beispiel eine Laserdiode 8 sein kann, die sich in einem Abstand vom optischen Fenster 1 befindet. Von der Lichtquelle wird das Licht zum Beispiel mit einer geeigneten Linsenoptik 5 zu einer auf dem Messfenster 1 befindlichen ersten Struktur 2 gebracht.
Das Licht wird von der auf der Oberfläche des optischen Fensters befindlichen ersten Struktur 2 in gewünschten Winkeln an die Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster 1 und dem zu messenden Medium gebrochen. An der Grenzfläche wird ein Teil des Lichts totalreflektiert und ein Teil in die zu messende Flüssigkeit gebrochen. Die Totalreflexion findet in Winkeln, die größer als ein bestimmter kritischer Winkel α_c ist, statt. Das totalreflektierte Licht kommt an der gegenüberliegenden Oberfläche des Messfensters zurück, d. h. an der Oberfläche des optischen Fensters, die vom zu messenden Medium abgewandt ist. Auf dieser Oberfläche befindet sich eine zweite Struktur 3.
Die erste Struktur 2 und die zweite Struktur 3 können zum Beispiel diffraktive Strukturen sein.
Die oben erwähnten Strukturen können in der Weise hergestellt werden, dass sie das Licht auf gewünschte Weise richten. Beispielsweise wird die zweite Struktur 3 derart ausgebildet, dass sie das Licht auf einen geeigneten Bilddetektor wie einen Bilddetektor/eine Kamera 7 zur Analyse richtet. Dabei entsteht auf der Kamera ein Bild, in dem der Grenzwinkel α_c der Totalreflexion als Grenze zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich aufgezeigt wird. Die richtende Struktur kann zum Beispiel derartig sein, dass sie wie eine Linse fungiert und die parallelen Strahlen auf denselben Punkt auf dem Bilddetektor 7 richtet. Wenn die Struktur 3 die oben beschriebene richtende Eigenschaft aufweist, kann die Struktur 2 auch diffundierend oder fluoreszierend sein. Wenn die Struktur 3 eine richtende Eigenschaft hat, sind Linsenstrukturen 6 nicht unbedingt erforderlich. Falls die Struktur 2 diffundierend oder fluoreszierend ist, hängt die Messgenauigkeit des Brechungsindexes von der Größe des Lichtpunktes auf der Struktur 2 ab.
Die zweite Struktur 3 kann auch diffundierend oder fluoreszierend sein. Dabei wird der Grenzwinkel der Totalreflexion als Grenze zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich an der auf der Oberfläche des Fensters befindlichen Struktur aufgezeigt. Zwischen der Struktur 3 und der Kamera/dem Bilddetektor 7 können die Linsenstrukturen 6 angeordnet werden, die ein Bild Grenze zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich auf dem Bilddetektor ausbilden.
Die Erfindung kann also auch derart angewandt werden, dass die beiden Strukturen 2 und 3 diffundierend oder fluoreszierend sind.
Für die Messung ist vorteilhaft, dass die Grenze zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich durch bekannte Methoden der Bildanalyse leicht analysierbar ist. Hinsichtlich der Analyse ist eine vorteilhafte Form für diese Grenze ein Kreis. Dabei sollte das Licht von der Struktur 2 um die Achse des Fensters strahlen. Eine solche Situation ist als Aufschnitt in 6 dargestellt worden. Dabei ist der Innendurchmesser des vom Licht auf der Oberfläche des Messfensters gebildeten Kreisrings die Erscheinungsform des zu messenden Grenzwinkels. Der Innendurchmesser des Kreises wird zum Beispiel derart gemessen, dass ein Bild davon mit der Kamera 7 aufgenommen wird und dieses auf der Kamera erhaltene Bild durch bekannte Methoden der Bildanalyse analysiert wird. In dieser Situation ist die erste Struktur 2 komplexer als im Falle eines einfachen Gitters. Die um die Achse des Messfensters 1 strahlende diffraktive Struktur kann jedoch mit rechnerischen Verfahren zum Beispiel durch Maxwell-Gleichungen ermittelt werden.
7 zeigt eine zweite Anordnung der Erfindung. Darin sind die auf der Oberfläche des Messfensters 1 ausgebildeten beleuchteten Bereiche Kreissektoren. Der kritische Winkel wird in dieser Ausführungsform als Innendurchmesser der Sektoren aufgezeigt. Diese Situation entsteht, wenn das Licht von der ersten Struktur 2 um die Achse des Messfensters 1 in bestimmten Winkeln ein Punktmuster strahlt.
8 zeigt eine dritte Anordnung, in der die auf der Oberfläche des Messfensters 1 ausgebildeten beleuchteten Bereiche linienförmig sind. Der kritische Winkel wird in diesem Fall als Abstand des innersten Punktes der Linien vom Mittelpunkt des Messfensters 1 aufgezeigt. Diese Situation entsteht, wenn die erste Struktur 2 das Licht auf zwei in entgegengesetzten Richtungen liegende Punkte emittiert und das an der ersten Struktur 2 ankommende Licht in zur Messrichtung senkrechter Richtung eine enge Winkelverteilung hat.
5 bis 8 zeigen Ausführungsformen, in denen die von der ersten und der zweiten Struktur 2, 3 ausgebildete Anordnung symmetrisch mit dem Mittelpunkt des optischen Fensters ist. Dies ist aber nicht die einzige mögliche Lösung, sondern nach der wesentlichen Idee der Erfindung möglich ist, die erste und die zweite Struktur 2, 3 auch anders, d. h. außerhalb des Mittelpunkts des optischen Fensters, gestellt werden können, d. h. so dass sowohl die erste als auch die zweite Struktur 2, 3 zur Seite vom Mittelpunkt des optischen Fensters gestellt sind. 9 zeigt schematisch eine solche Anwendung.
In der Anwendung der 9 sind die erste Struktur 2 und die zweite Struktur 3 nebeneinander auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters gestellt. Von seiner Funktion her entspricht das Beispiel gemäß 9 den Anwendungen gemäß 5 bis 8, die oben erläutert wurden.
In allen Figuren beziehen sich die gleichen Bezugsnummern auf die gleichen Einzelheiten.
Die oben dargestellten Anwendungsbeispiele sind auf keine Weise als Begrenzung der Erfindung zu verstehen, sondern die Erfindung kann völlig frei im Rahmen der Patentansprüche variiert werden. Somit ist klar, dass das erfindungsgemäße Refraktometer nicht unbedingt genau gleich wie in den Figuren sein muss, sondern auch andere Lösungen möglich sind. Die Figuren sollten also nur als prinzipielle Figuren, und nicht als detaillierte Strukturen darstellende Figuren, verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4451147 [0008]
EP 0359167 A3 [0008]
US 3628867 [0008]
GB 2014724 [0008]
FI 65496 [0008]
FI 96451 [0008]
US 6760098 [0008]
EP 0836092 [0008]
EP 0281337 [0008]
US 4962746 [0008]

Claims

Verfahren zur Messung eines Brechungsindexes an einem zu messenden Medium über ein optisches Fenster, bei welchem Verfahren das optische Fenster (1) in Kontakt mit dem zu messenden Medium angeordnet wird, ein von einer in einem Abstand vom optischen Fenster (1) befindlichen Lichtquelle (8) ankommendes Licht an eine Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium geführt wird, wo ein Teil des Lichts im zu messenden Medium absorbiert wird und ein Teil vom zu messenden Medium reflektiert wird, wobei ein Bild entsteht, in dem die Position der Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich den vom Brechungsindex des zu messenden Mediums abhängigen Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt, und das auf oben erwähnte Weise hergestellte Bild betrachtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (8) ankommende Licht zur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters (1) ausgebildeten, etwa die Lichtwellenlänge aufweisenden ersten Struktur (2) geführt wird, mit der das Licht in gewünschten Winkeln an die Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium geführt wird, und dass das von der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) dem zu messenden Medium reflektierte Licht zur auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters (1) ausgebildeten, etwa die Lichtwellenlänge aufweisenden zweiten Struktur (3) geführt wird, mit der das Licht zur Analyse geführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtbrechende Eigenschaft der ersten und/oder der zweiten Struktur (2, 3) durch eine diffraktive Struktur bereitgestellt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahlenbündel geführt wird, mittels der ersten Struktur (2) um die Normale des optischen Fensters (1) derart gebrochen zu werden, dass das von der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und dem zu messenden Medium reflektierte Licht ein kreisförmiges Muster, ein sektorenförmiges kreisförmiges Muster oder ein aus linienförmigen Bereichen bestehendes Muster auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters (1) ausbildet, wobei der Innendurchmesser der Muster oder die Abstände zwischen den Innenrändern der gegenüberliegenden Sektorteile/linienförmigen Teile eine Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich ausbilden, die den Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtbrechenden Eigenschaften der ersten und/oder der zweiten Struktur (2, 3) derart ausgewählt werden, dass sie den Grenzwinkeln der Totalreflexion an der unteren und der oberen Grenze der Brechungsindexmessung entsprechen.
Refraktometer zur Messung eines Brechungsindexes an einer Flüssigkeit, welches Refraktometer aufweist: ein mit einem zu messenden Medium in Kontakt anzuordnendes optisches Fenster (1), das eine mit dem zu messenden Medium in Kontakt stehende Oberfläche und eine dazu parallele, vom zu messenden Medium abgewandte Oberfläche besitzt, eine in einem Abstand vom optischen Fenster (1) befindliche Lichtquelle (8), die ein Lichtstrahlenbündel emittiert, das angeordnet ist, an die vom messenden Medium abgewandte Oberfläche des optischen Fensters (1) geführt werden, eine erste Struktur zur Führung des Strahlenbündels an eine Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium, wobei ein Teil des Strahlenbündels im zu messenden Medium absorbiert wird und ein Teil vom zu messenden Medium zurück reflektiert wird, wobei ein Bild entsteht, in dem die Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich den vom Brechnungsindex des zu messenden Mediums abhängigen Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt, einen in einem Abstand vom optischen Fenster (1) befindlichen Bilddetektor (7) zum Betrachten des auf oben erwähnte Weise hergestellten Bildes und eine zweite Struktur, die angeordnet ist, den reflektierten Teil zum Bilddetektor (7) für die Analyse zu führen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Struktur (2, 3) auf der vom zu messenden Medium abgewandten Stirnfläche des optischen Fensters (1) ausgebildet sind und dass die erste und/oder die zweite Struktur (2, 3) etwa die Lichtwellenlänge aufweisende Struktur/en ist/sind.
Refraktometer nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Struktur (2, 3) an einem Herstellungsmaterial des optischen Fensters (1) und/oder einer auf der Oberfläche des Herstellungsmaterials des optischen Fensters (1) angeordneten Beschichtung (20) ausgebildet sind.
Refraktometer nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Struktur (2, 3) diffraktive Strukturen ist/sind.
Refraktometer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Struktur (2, 3) (ein) Diffraktionsgitter ist/sind, deren erstes Diffraktionsmaximum in einem gewünschten Winkel zur Normale des optischen Fensters steht.
Refraktometer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtbrechenden Eigenschaften der ersten und/oder zweiten Struktur (2, 3) derart ausgewählt werden, dass sie dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der unteren und der oberen Grenze der Brechungsindexmessung entsprechen.
Refraktometer nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel derart ausgewählt wird, dass er dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht, der am Mittelpunkt des Messbereichs für den Brechungsindex erhalten wird.
Refraktometer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Struktur (2) angeordnet ist, ein Lichtstrahlenbündel um die Normale des optischen Fensters (1) derart zu führen, dass das von der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster (1) und dem zu messenden Medium reflektierte Licht ein kreisförmiges Muster, ein sektorenförmiges kreisförmiges Muster oder ein aus linienförmigen Bereichen bestehendes Muster auf der vom zu messenden Medium abgewandten Oberfläche des optischen Fensters ausbildet, wobei der Innendurchmesser der Muster oder die Abstände zwischen den Innenrändern der gegenüberliegenden Sektorteile/linienförmigen Teile eine Grenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich ausbilden, die den Grenzwinkel der Totalreflexion aufzeigt.
Refraktometer nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Struktur (2, 3) symmetrisch mit dem Mittelpunkt des optischen Fensters (1) angeordnet sind.
Refraktometer nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Struktur (2, 3) außerhalb des Mittelpunkts des optischen Fensters (1) angeordnet sind.