DE102018116409A1

DE102018116409A1 - Transmitted light refractometer

Info

Publication number: DE102018116409A1
Application number: DE102018116409.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Meinert; Benjamin Scherer
Original assignee: Endress and Hauser Process Solutions Deutschland GmbH
Current assignee: Endress+hauser Digital Solutions Deutschland De
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2020-01-09
Also published as: WO2020007781A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Durchlicht-Refraktometer und ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM), mit einem Durchlicht-Refraktometer. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Messprisma (4) und ein Umlenkelement (5) derart ausgestaltet und entlang einer optischen Achse (z) angeordnet sind, dass ein Strahlenbündel (SB) in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Prozessmedium (PM) und das Messprisma (4) durchquert, am Umlenkelement (5) umgelenkt wird, in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma (4) und das Prozessmedium (PM) durchquert, in einer zu einer Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium (PM) austritt, und mittels des optischen Systems (2) auf die optische Detektoreinheit (6) fokussiert wird, wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (7) den Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes (FP1;FP2) bestimmt.

The invention relates to a transmitted light refractometer and a method for determining the refractive index of a process medium (PM) with a transmitted light refractometer. The invention is characterized in that the measuring prism (4) and a deflecting element (5) are designed and arranged along an optical axis (z) in such a way that a beam (SB) is the first time the process medium (PM) and the Crosses the measuring prism (4), is deflected at the deflecting element (5), crosses the measuring prism (4) and the process medium (PM) a second time in a second pass, exits the process medium (PM) in a direction essentially opposite to an entry direction , and is focused on the optical detector unit (6) by means of the optical system (2), a control / evaluation unit (7) determining the refractive index on the basis of at least one focus point (FP1; FP2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: eine in einer Objektebene angeordnete Lichtquelle, die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der Objektebene heraus Licht aussendet, ein optisches System, das aus dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene im Wesentlichen senkrechten optischen Achse parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt, das in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt, ein in das Prozessmedium zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma, eine optische Detektoreinheit, und eine Regel-/Auswerteeinheit.The invention relates to a transmitted light refractometer for determining the refractive index of a process medium, comprising: a light source which is arranged in an object plane and which emits light when determining the refractive index from the object plane, an optical system which emits the light emitted by the light source along an optical axis which is parallel to the object plane and which is parallel to the object plane and which enters the process medium in an entry direction, a measuring prism at least partially introduced into the process medium, an optical detector unit, and a control / evaluation unit.

Refraktometer werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft, Chemie, Biochemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umweltmesstechnik zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, insbesondere einer Prozessflüssigkeit, eingesetzt. Der Brechungsindex wird zum Beispiel zur Bestimmung einer aus dem Brechungsindex ableitbaren Prozessgröße, wie etwa der Konzentration eines Stoffes in dem Prozessmedium, oder bei einer Reinheitsprüfung herangezogen.Refractometers are used in many areas of process measurement technology, for example in food technology, water management, chemistry, biochemistry, pharmacy, biotechnology and environmental measurement technology to determine the refractive index of a process medium, in particular a process liquid. The refractive index is used, for example, to determine a process variable that can be derived from the refractive index, such as the concentration of a substance in the process medium, or in a purity test.

Das Messprinzip eines Refraktometers beruht darauf, dass an einer Grenzfläche zwischen dem Prozessmedium und einem Messprisma Licht eingestrahlt wird. Anhand des Brechungsverhaltens an der Grenzfläche und dem bekannten Brechungsindex des Messprismas wird der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt.The measuring principle of a refractometer is based on the fact that light is irradiated at an interface between the process medium and a measuring prism. The refractive index of the process medium is determined on the basis of the refractive behavior at the interface and the known refractive index of the measuring prism.

Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise sogenannte Abbe-Refraktometer bekannt, die mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion arbeiten. In Abhängigkeit von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Messprisma und dem Prozessmedium sowie dem Einfallswinkel eines Strahlenbündels wird das Licht teilweise in das Prozessmedium gebrochen und reflektiert oder vollständig reflektiert. Der kritische Winkel der Totalreflexion wird mittels der reflektierten Lichtintensität in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel bestimmt und daraus der Brechungsindex des Prozessmediums ermittelt. Abbe-Refraktometer sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen beschrieben, beispielweise in der DE 1994 47 98 A1 .So-called Abbe refractometers are known from the prior art, for example, which work with the critical angle of total reflection. Depending on the refractive index difference between the measuring prism and the process medium and the angle of incidence of a beam, the light is partially refracted into the process medium and reflected or completely reflected. The critical angle of the total reflection is determined by means of the reflected light intensity as a function of the angle of incidence and the refractive index of the process medium is determined therefrom. Abbe refractometers are described in a wide variety of configurations in the prior art, for example in US Pat DE 1994 47 98 A1 ,

Im Gegensatz zu Abbe-Refraktometern werden bei Durchlicht-Refraktometern Messprisma und Prozessmedium von dem Strahlenbündel durchquert. Die Ablenkung des Strahlenbündels beim Durchqueren des Messprismas und des Prozessmediums ist dabei abhängig von deren Brechungsindexdifferenz. Der Ablenkungswinkel zwischen dem eingestrahlten und dem durchquerenden Strahlenbündel ist daher ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums. Der Ablenkungswinkel wiederum wird beispielsweise anhand der Position eines Fokuspunktes des durchquerenden Strahlenbündels auf einer zur optischen Achse des eingestrahlten Strahlenbündels senkrechten Detektorebene ermittelt. Nachteilig an bekannten Durchlicht-Refraktometern ist, dass sie in der Regel zwei Zugänge zum Prozessmedium benötigen. Dies ist in manchen Fällen unerwünscht bzw. nicht immer möglich.In contrast to Abbe refractometers, the prism and process medium are traversed by the beam in transmitted light refractometers. The deflection of the beam when crossing the measuring prism and the process medium depends on their refractive index difference. The angle of deflection between the incident and the traversing beam is therefore a measure of the refractive index of the process medium. The deflection angle in turn is determined, for example, on the basis of the position of a focal point of the beam bundle passing through on a detector plane perpendicular to the optical axis of the beam bundle irradiated. A disadvantage of known transmitted light refractometers is that they generally require two accesses to the process medium. In some cases this is undesirable or not always possible.

In der Patentschrift DE 10 2007 05 07 31 B3 wird dies gelöst, indem über einen einzigen Prozesszugang Licht eingestrahlt wird, das mittels einer Beleuchtungsoptik parallelisiert wird, an einer Umlenkoptik umgelenkt wird, anschließend das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, und durch eine Abbildungsoptik auf eine Detektorebene fokussiert wird. Dadurch ist die Detektorebene vorteilhaft auf der Einstrahlseite angeordnet, wodurch nur ein Zugang zum Prozessmedium notwendig ist. Nachteilig an der in der DE 10 2007 05 07 31 B3 beschriebenen Lösung ist, dass sowohl die Beleuchtungs- als auch die Abbildungsoptik in dem einseitigen Zugang zum Prozessmedium untergebracht werden müssen, wodurch entweder relativ große Gehäuse benötigt werden und/oder die Beleuchtungsoptik und Abbildungsoptik sehr kompakt dimensioniert sein müssen. Dies ist jedoch nicht immer möglich, beispielsweise weil der Zugang zum Prozessmedium an sich begrenzt ist und/oder die Ausgestaltung der Optiken nicht beliebig verkleinert werden kann.In the patent DE 10 2007 05 07 31 B3 This is solved by irradiating light via a single process access, which is parallelized by means of illumination optics, deflected at a deflection optics, then traversed the process medium and the measuring prism, and focused on a detector level by imaging optics. As a result, the detector level is advantageously arranged on the single-beam side, so that only access to the process medium is necessary. Disadvantage of the in the DE 10 2007 05 07 31 B3 The solution described is that both the illumination and the imaging optics have to be accommodated in the one-sided access to the process medium, as a result of which either relatively large housings are required and / or the illumination optics and imaging optics have to be of very compact dimensions. However, this is not always possible, for example because access to the process medium is limited per se and / or the design of the optics cannot be reduced as desired.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Durchlicht-Refraktometern mit einem platzsparenden einseitigen Zugang zum Prozessmedium anzugeben. The invention is therefore based on the object of specifying a transmitted light refractometer with space-saving one-sided access to the process medium.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: eine in einer Objektebene angeordnete Lichtquelle, die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der Objektebene heraus Licht aussendet, ein optisches System, das aus dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene im Wesentlichen senkrechten optischen Achse parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt, ein Prozessfenster, durch das das parallelisierte Strahlenbündel in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt, ein in das Prozessmedium zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma, ein Umlenkelement, eine optische Detektoreinheit und eine Regel-/Auswerteeinheit. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Messprisma und das Umlenkelement derart ausgestaltet und entlang der optischen Achse angeordnet sind, dass das Strahlenbündel in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, am Umlenkelement umgelenkt wird, in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, durch das Prozessfenster in einer zu einer Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium austritt, und mittels des optischen Systems auf die optische Detektoreinheit fokussiert wird, wobei die Regel-/Auswerteeinheit den Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes bestimmt.The object is achieved by a transmitted light refractometer for determining the refractive index of a process medium, comprising: a light source arranged in an object plane, which emits light when determining the refractive index from the object plane, an optical system which uses the light emitted by the light source generates a bundle of rays parallelized along an optical axis that is essentially perpendicular to the object plane, a process window through which the parallelized bundle of rays enters the process medium in an entry direction, a measuring prism at least partially introduced into the process medium, a deflection element, an optical detector unit and a control / evaluation. The invention is characterized in that
the measuring prism and the deflecting element are designed and arranged along the optical axis in such a way that the beam of rays crosses the process medium and the measuring prism for the first time in a first pass, on the deflecting element is deflected, passes through the measuring prism and the process medium a second time in a second pass, exits the process medium through the process window in a direction essentially opposite to an entry direction, and is focused on the optical detector unit by means of the optical system. / Evaluation unit determines the refractive index on the basis of at least one focus point.

Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die Erfindung also ein optisches System, das sowohl zum Parallelisieren als auch zum Fokussieren der aus zueinander entgegengesetzten Richtungen auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen dient: Zum einen erzeugt das optische System aus den aus einer ersten Richtung her auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen ein paralleles Strahlenbündel, zum anderen fokussiert das optische System das aus einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung her auf das optische System einfallende Strahlenbündel auf die Detektoreinheit. Dadurch können wesentlich kleinere Gehäuse als in der im Stand der Technik bekannten Lösung verwendet werden, bei gleichzeitigem einseitigem Zugang zum Prozess.In contrast to the prior art, the invention thus comprises an optical system which serves both to parallelize and to focus the light beams incident on the optical system from opposite directions: on the one hand, the optical system generates the light from a first direction optical system incident light rays a parallel beam, on the other hand, the optical system focuses the beam incident on the optical system from a second direction opposite to the detector unit. As a result, significantly smaller housings can be used than in the solution known in the prior art, with simultaneous one-sided access to the process.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die beiden Durchgänge des Strahlenbündels, nämlich den ersten und den zweiten Durchgang durch Messprisma und Prozessmedium, eine doppelte Brechung des Strahlenbündels an der Grenzfläche zwischen Messprisma und Prozessmedium stattfindet. Dadurch wird letztendlich eine höhere Genauigkeit bzw. eine feinere Auflösung erreicht, oder es können bei gleicher Genauigkeit Messprismen verwendet werden, bei denen durch die Brechung an der Grenzfläche zwischen Messprisma-Prozessmedium eine kleinere Ablenkung verursacht wird.Another advantage of the invention is that the two passages of the beam, namely the first and the second pass through the measuring prism and process medium, result in a double refraction of the beam at the interface between the measuring prism and the process medium. Ultimately, this results in a higher accuracy or a finer resolution, or measuring prisms can be used with the same accuracy, in which a smaller deflection is caused by the refraction at the interface between the measuring prism process medium.

Als optisches System wird im Rahmen dieser Anmeldung zumindest ein optisches Bauelement, etwa eine Linse, oder eine Vielzahl an zusammenwirkenden optischen Bauelementen, etwa ein Linsensystem, bezeichnet.In the context of this application, at least one optical component, for example a lens, or a multiplicity of interacting optical components, for example a lens system, is referred to as an optical system.

Das Umlenkelement ist dabei in Bezug auf die Richtung des das Prozessmedium und das Messprisma beim ersten Durchgang durchquerenden Strahlenbündels hinter dem Messprisma (und dem Prozessmedium) angeordnet.The deflecting element is arranged behind the measuring prism (and the process medium) in relation to the direction of the beam passing through the process medium and the measuring prism during the first pass.

Dabei ist es prinzipiell möglich, dass das Strahlenbündel bei dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium oder umgekehrt zunächst das Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert. Im zweiten Fall ist das Messprisma dann zwischen dem Prozessmedium und Umkehrelement angeordnet.In principle, it is possible for the beam of rays to first cross the measuring prism and then the process medium or, conversely, first the process medium and then the measuring prism during the first pass. In the second case, the measuring prism is then arranged between the process medium and the reversing element.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer weist das Messprisma zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen auf. Die ebenen Oberflächen sind jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Neigungsachse in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt, wobei die Neigungsachse senkrecht zur optischen Achse ist. Das Messprisma ist derart in das Prozessmedium eingebracht, dass die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen mediumberührend sind, wobei ein erster Anteil des Strahlenbündels bei einer der beiden Durchgänge durch das Messprisma über eine erste der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels bei diesem Durchgang durch das Messprisma über eine zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma eintritt.In a further development of the transmitted light refractometer according to the invention, the measuring prism has at least two flat and inclined surfaces. The flat surfaces are each inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis about an inclination axis in opposite directions, the inclination axis being perpendicular to the optical axis. The measuring prism is introduced into the process medium in such a way that the two mutually inclined surfaces come into contact with the medium, a first portion of the beam bundle in one of the two passes through the measuring prism through a first of the two mutually inclined surfaces and a second portion of the beam bundle in this passageway the measuring prism enters the measuring prism via a second of the two inclined surfaces.

Beispielsweise sind die gegeneinander geneigten Oberflächen auf einer Vorderfläche des Messprismas angeordnet, über welche das Strahlenbündel bei dem ersten Durchgang in das Messprisma eintritt. Selbstverständlich können die gegeneinander geneigten Oberflächen alternativ auch auf einer Rückfläche des Messprismas angeordnet sein, über welche das Strahlenbündel erst nach der Umlenkung durch das Umlenkelement in dem zweiten Durchgang in das Messprisma eintritt.For example, the mutually inclined surfaces are arranged on a front surface of the measuring prism, via which the beam of rays enters the measuring prism during the first pass. Of course, the mutually inclined surfaces can alternatively also be arranged on a rear surface of the measuring prism, via which the beam of rays only enters the measuring prism after the deflection by the deflecting element in the second pass.

Dabei wird insbesondere der erste Anteil des Strahlenbündels auf einen ersten Fokuspunkt und der zweite Anteil des Strahlenbündels auf einen davon verschiedenen, zweiten Fokuspunkt fokussiert. Die beiden Fokuspunkte liegen in einer zur optischen Achse senkrechten Detektorebene. Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten in der Detektorebene in einer zur optischen Achse und zur Neigungsachse senkrechten Richtung stellt ein Maß für den Betrag der Brechungsindexdifferenz zwischen Prozessmedium und Messprisma dar.In particular, the first portion of the beam is focused on a first focus point and the second portion of the beam is focused on a different, second focus point. The two focus points lie in a detector plane perpendicular to the optical axis. The distance between the two focus points in the detector plane in a direction perpendicular to the optical axis and the inclination axis represents a measure of the amount of the refractive index difference between the process medium and the measuring prism.

Die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen sind also jeweils gegenüber einer zur optischen Achse senkrechten Ebene derart geneigt, dass das Strahlenbündel bei dem beispielsweise ersten Durchgang jeweils über die erste und zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberfläche mit einem Eintrittswinkel in das Messprisma eintritt, der von einem lotrechten Eintrittswinkel verschieden ist. Dabei ist es selbstverständlich möglich, dass der Winkel zwischen den beiden gegeneinander geneigten Oberflächen kleiner oder größer 180° ist. Insbesondere ist die Neigung der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse. Dabei ist die betragsmäßige Abweichung von einem lotrechten Eintrittswinkel insbesondere kleiner gleich 30°.The two surfaces inclined towards each other are thus inclined relative to a plane perpendicular to the optical axis in such a way that the beam bundle enters the measuring prism at an entry angle that is from a perpendicular entry angle during the first passage, for example, via the first and second of the two surfaces inclined towards each other is different. It is of course possible that the angle between the two surfaces inclined towards each other is smaller or larger than 180 °. In particular, the inclination of the two surfaces inclined towards one another is essentially symmetrical to the optical axis. The amount of deviation from a perpendicular entry angle is in particular less than or equal to 30 °.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Messprisma eine kegelmantelförmige Oberfläche auf. Beispielsweise handelt es sich hier bei dem Messprisma um ein als kegelförmig ausgestaltetes Messprisma. Vorzugsweise handelt es sich bei der kegelmantelförmigen Oberfläche um eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas. Die kegelmantelförmige Oberfläche des Messprismas kann alternativ auch dadurch gebildet sein, dass das Messprisma als ein Negativ einer Kegelform ausgebildet ist. Das Messprisma weist im letzteren Fall also einen im Wesentlichen trichterförmigen Abschnitt auf. Im Unterschied zu der vorherigen Ausgestaltung werden hier nicht zwei Fokuspunkte erzeugt, sondern das Licht wird auf einen ellipsen- oder kreisringförmigen Fokuspunkt (bzw. Fokusring) abgebildet (schiefer/gerader Kegel). Anhand des Radius des ellipsen- oder kreisringförmigen Fokuspunktes lässt sich der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmen. Bei dem kegelförmig ausgestalteten Messprisma handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Axicon. In one embodiment of the invention, the measuring prism has a conical surface. For example, the measuring prism is a conical measuring prism. The surface in the form of a cone is preferably a surface of the measuring prism in contact with the medium. The conical surface of the measuring prism can alternatively also be formed in that the measuring prism is designed as a negative of a conical shape. In the latter case, the measuring prism therefore has an essentially funnel-shaped section. In contrast to the previous embodiment, two focus points are not generated here, but the light is mapped onto an elliptical or circular focus point (or focus ring) (slate / straight cone). The refractive index of the process medium can be determined on the basis of the radius of the elliptical or circular focal point. The conical measuring prism is, in particular, a so-called axicon.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Durchlicht-Refraktometer ein Prozessfenster, durch das das parallelisierte Strahlenbündel vor dem ersten Durchgang in der Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt und durch das das Strahlenbündel anschließend zu dem zweiten Durchgang in der Austrittsrichtung aus dem Prozessmedium austritt. Das Messprisma, das Prozessfenster und das Umlenkelement sind derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert. In Bezug auf den Weg des Strahlenbündels des ersten Durchgangs ist die Anordnung in dieser Ausgestaltung also Prozessfenster-Prozessmedium-Messprisma-Umlenkelement.In one embodiment of the invention, the transmitted light refractometer comprises a process window through which the parallelized beam enters the process medium before the first pass in the entry direction and through which the beam subsequently exits the process medium for the second pass in the exit direction. The measuring prism, the process window and the deflecting element are arranged with respect to one another in such a way that the beam of rays first crosses the process medium and then the measuring prism in the first pass, and crosses the measuring prism and then the process medium in the second pass in reverse order. With regard to the path of the beam of the first passage, the arrangement in this embodiment is thus process window, process medium, measuring prism deflection element.

Die Anordnung Messprisma- Prozessmedium-Umlenkelement ist selbstverständlich auch möglich. In einer alternativen Ausgestaltung sind daher das Messprisma und das Umlenkelement derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge zunächst das Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert, wobei das parallelisierte Strahlenbündel über das Messprisma in das Prozessmedium eintritt und über das Messprisma aus dem Prozessmedium austritt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass das Messprisma selbst als ein Prozessfenster dient, und daher kein zusätzliches Prozessfenster benötigt wird.The arrangement of the measuring prism process medium deflection element is of course also possible. In an alternative embodiment, the measuring prism and the deflecting element are therefore arranged with respect to one another in such a way that the beam of rays first passes through the measuring prism and then through the process medium in the first pass, and first through the process medium and subsequently through the measuring prism in the second pass, in which case parallelized beams enter the process medium via the measuring prism and exit from the process medium via the measuring prism. The advantage of this configuration is that the measuring prism itself serves as a process window and therefore no additional process window is required.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen Spiegel. Insbesondere liegt in diesem Fall vorteilhaft die optische Detektoreinheit in der Objektebene, so dass eine platzsparende Anordnung von Lichtquelle und Detektoreinheit möglich ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die Lichtquelle und das optische System derart ausgestaltet sind, dass die Objektebene mit der Lichtquelle entlang der optischen Achse von der Ebene der Detektoreinheit mit einem Versatz beabstandet ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Objektebene und der Ebene der Detektoreinheit um zwei im Wesentlichen zueinander parallele Ebenen.In a preferred development of the invention, the deflection element is a mirror. In this case, in particular, the optical detector unit advantageously lies in the object plane, so that a space-saving arrangement of the light source and detector unit is possible. Of course, however, it is also possible for the light source and the optical system to be configured such that the object plane with the light source is spaced apart from the plane of the detector unit along the optical axis. In this case, the object plane and the plane of the detector unit are two planes that are essentially parallel to one another.

Für den Fall eines Spiegels als Umlenkelement tritt insbesondere der erste Anteil des Strahlenbündels bei beiden Durchgängen über dieselbe, z.B. die erste, der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma ein (z.B. erster Durchgang) bzw. aus (z.B. zweiter Durchgang). Der zweite Anteil des Strahlenbündels tritt dann bei beiden Durchgängen über die zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma ein (z.B. erster Durchgang) bzw. aus (z.B. zweiter Durchgang).In the case of a mirror as a deflecting element, in particular the first portion of the beam passes over the same in both passes, e.g. the first, of the two inclined surfaces into the measuring prism (e.g. first pass) or out (e.g. second pass). The second portion of the beam then enters or exits (e.g., first passage) or exits (e.g., second passage) through the second of the two mutually inclined surfaces in both passes.

Ohne weitere Maßnahmen liegen in dieser Weiterbildung die Lichtquelle und der/die Fokuspunkt/e auf einer gemeinsamen, zur Neigungsachse senkrechten Geraden. Zu einer besseren räumlichen Trennung der/des Fokuspunkte/s von der Lichtquelle ist es wünschenswert, einen zusätzlichen Abstand zwischen der Lichtquelle und den/dem Fokuspunkt/en in einer zur Neigungsachse parallelen Richtung zu schaffen. Dies lässt sich mittels einer in den folgenden Ausgestaltungen beschriebenen Lösung erreichenIn this development, the light source and the focus point (s) lie on a common straight line perpendicular to the inclination axis without further measures. For a better spatial separation of the focus point (s) from the light source, it is desirable to create an additional distance between the light source and the focus point (s) in a direction parallel to the inclination axis. This can be achieved by means of a solution described in the following configurations

In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen ebenen Spiegel, dessen Spiegelebene in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse verkippt ist, und wobei die Verkippungsachse senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse ist. Bei der optischen Achse, der Neigungsachse und der Verkippungsachse handelt es sich also um drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems.In one embodiment of this development, the deflection element is a flat mirror, the mirror plane of which is tilted about a tilt axis with respect to a plane perpendicular to the optical axis, and the tilt axis being perpendicular to the optical axis and to the tilt axis. The optical axis, the inclination axis and the tilt axis are therefore three mutually perpendicular axes of a Cartesian coordinate system.

Dadurch werden beide Fokuspunkte in die gleiche, zur Neigungsachse parallelen Richtung in der gemeinsamen Detektor- und Objektebene von der Lichtquelle weg verschoben, wodurch eine bessere räumliche Trennung zwischen Fokuspunkten und Lichtquelle ermöglicht wird.As a result, both focus points are shifted away from the light source in the same direction, parallel to the inclination axis, in the common detector and object plane, which enables a better spatial separation between focus points and light source.

Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit zu einer räumlichen Trennung zwischen Fokuspunkten und Lichtquelle in der zur Neigungsachse parallelen Richtung in der Objektebene besteht in einer seitlichen Verschiebung der Lichtquelle selbst in Bezug auf eine zur optischen Achse parallelen und das Prozessfenster, das Messprisma und das Umlenkelement verbindenden, gedachten Gerade.An additional or alternative possibility for a spatial separation between focus points and light source in the direction parallel to the inclination axis in the object plane consists in a lateral displacement of the light source itself Reference to an imaginary straight line parallel to the optical axis and connecting the process window, the measuring prism and the deflecting element.

In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung handelt es sich daher um einen ebenen Spiegel, wobei die Lichtquelle zu einem Schnittpunkt zwischen der Objektebene und einer zur optischen Achse parallelen und das Prozessfenster, das Messprisma und das Umlenkelement verbindenden, gedachten Gerade in einer zur Neigungsachse parallelen Richtung beabstandet ist.In one embodiment of this development, it is therefore a flat mirror, the light source being spaced apart from an intersection between the object plane and an imaginary straight line connecting the process window, the measuring prism and the deflection element in a direction parallel to the inclination axis ,

Insbesondere beträgt der Abstand in der Objektebene in der zur Neigungsachse parallelen Richtung zumindest 50 % der Summe des Ausmaßes der optischen Detektoreinheit und der Lichtquelle in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung.In particular, the distance in the object plane in the direction parallel to the axis of inclination is at least 50% of the sum of the dimensions of the optical detector unit and the light source in the direction parallel to the axis of inclination.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Spiegel eine erste Spiegelebene auf, die den ersten Anteil des Strahlenbündels, welcher über die erste geneigte Oberfläche eingetreten ist, spiegelt, und eine zweite Spiegelebene, die den zweiten Anteil des Strahlenbündels, welcher über die zweite geneigte Oberfläche eingetreten ist, spiegelt. Die erste Spiegelebene ist gegenüber der zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse und die zweite Spiegelebene um die Verkippungsachse in die dazu entgegengesetzte Richtung verkippt. Die Verkippungsachse ist senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse. Es handelt sich also auch in dieser Ausgestaltung um drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems.In an advantageous development of the invention, the mirror has a first mirror plane, which reflects the first portion of the beam which has entered the first inclined surface, and a second mirror plane which represents the second portion of the beam, which has entered the second inclined surface has occurred, reflects. The first mirror plane is tilted relative to the plane perpendicular to the optical axis about a tilt axis and the second mirror plane about the tilt axis in the opposite direction. The tilt axis is perpendicular to the optical axis and to the tilt axis. In this embodiment, too, there are three mutually perpendicular axes of a Cartesian coordinate system.

Der erste und der zweite Anteil des Strahlenbündels werden an auf in entgegengesetzte Richtungen um die Verkippungsachse verkippte Spiegelebenen gespiegelt. Durch die Verkippung der Spiegelebenen in zueinander entgegengesetzte Richtungen befinden sich die beiden Fokuspunkte in der Detektor- und Objektebene auf sich gegenüberliegenden, unterschiedlichen Seiten der Lichtquelle in Bezug auf die zur Neigungsachse parallele Richtung. The first and the second portion of the beam are reflected on mirror planes tilted in opposite directions about the tilt axis. By tilting the mirror planes in mutually opposite directions, the two focus points in the detector and object planes are on opposite, different sides of the light source with respect to the direction parallel to the inclination axis.

Auf diese Weise können die beiden Fokuspunkte jeweils mit einer separaten Kamera der optischen Detektoreinheit detektiert werden, wobei die beiden Kameras auf den unterschiedlichen Seiten der Lichtquelle angeordnet sind. Die beiden Fokuspunkte in dieser Weiterbildung sind dadurch in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung klar getrennt. Damit können der erste und der zweite Fokuspunkt stets identifiziert werden, d.h. es kann immer klar unterschieden werden, über welche der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas der jeweilige Anteil des Strahlenbündels gebrochen wurde. Anhand dieser Information ist mit dem erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer zusätzlich bestimmbar, ob das Prozessmedium einen Brechungsindex größer oder kleiner als das Messprisma hat. Zusätzlich zum Betrag ist also das Vorzeichen der Brechungsindexdifferenz bestimmbar.In this way, the two focus points can each be detected with a separate camera of the optical detector unit, the two cameras being arranged on the different sides of the light source. The two focus points in this development are thus clearly separated in the direction parallel to the axis of inclination. This means that the first and second focus points can always be identified, i.e. it can always be clearly distinguished over which of the two mutually inclined surfaces of the measuring prism the respective portion of the beam was broken. On the basis of this information, the transmitted light refractometer according to the invention can also be used to determine whether the process medium has a refractive index larger or smaller than the measuring prism. In addition to the amount, the sign of the refractive index difference can also be determined.

Dies ermöglicht einen Messbereich des Durchlicht-Refraktometers, der Werte oberhalb und unterhalb des Brechungsindexes des Messprimas umfasst. Bei dem eingangs erwähnten und in der DE 10 2007 05 07 31 B3 beschriebenen Durchlicht-Refraktometer mit einseitigem Prozesszugang und Doppelprisma ist dagegen nur die betragsmäßige Brechungsindexdifferenz bestimmbar, so dass der Messbereich hier prinzipiell durch den Brechungsindex des Messprismas beschränkt ist und daher wie darin beschrieben oftmals stark brechende Saphirgläser verwendet werden müssen.This enables a measuring range of the transmitted light refractometer that includes values above and below the refractive index of the measuring primate. In the aforementioned and in the DE 10 2007 05 07 31 B3 In contrast, the transmitted light refractometer described with one-sided process access and double prism can only determine the refractive index difference in terms of amount, so that the measuring range here is principally limited by the refractive index of the measuring prism and therefore, as described therein, it is often necessary to use strongly refractive sapphire glasses.

Die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht dagegen eine große Auswahl an Materialen für das Messprisma. Es können z.B. auch niedrig brechendere Gläser, wie beispielsweise leichter zu bearbeitende Quarzgläser, als Messprisma eingesetzt werden.In contrast, the advantageous development of the invention enables a large selection of materials for the measuring prism. For example, lower-refractive glasses, such as quartz glasses that are easier to process, can also be used as measuring prisms.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine dem Prozessmedium abgewandte Vorderfläche, über die das Strahlenbündel in das Prozessmedium eintritt, nämlich eine Vorderfläche des Prozessfensters oder eine Vorderfläche des Messprismas, in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse verkippt, wobei die Verkippungsachse senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse ist.In a further embodiment, a front surface facing away from the process medium, via which the beam of rays enters the process medium, namely a front surface of the process window or a front surface of the measuring prism, is tilted about a tilting axis with respect to a plane perpendicular to the optical axis, the tilting axis being perpendicular to optical axis and to the inclination axis.

Insbesondere für den Fall, dass kein separates Prozessfenster eingesetzt wird, sondern dass das Strahlenbündel über das Messprisma in das Messmedium eintritt, wird in dieser Ausgestaltung eine sehr kompakte Möglichkeit der bereits beschriebenen Trennung der/des Fokuspunktes von der Lichtquelle in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung erreicht. Für diesen Fall der verkippten Vorderfläche des Messprismas bleibt die durch das unverkippte Messprisma definierte Neigungsachse von der Verkippung selbstverständlich unberührt, so dass die optische Achse, die Neigungsachse und die Verkippungsachse auch hier drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bilden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen Retroreflektor.In particular, in the event that no separate process window is used, but rather that the beam of rays enters the measuring medium via the measuring prism, this configuration provides a very compact possibility of separating the focal point (s) from the light source in the direction parallel to the inclination axis reached. For this case of the tilted front surface of the measuring prism, the tilt axis defined by the non-tilting measuring prism naturally remains unaffected by the tilt, so that the optical axis, the tilt axis and the tilt axis also form three mutually perpendicular axes of a Cartesian coordinate system.
In a further embodiment of the invention, the deflection element is a retroreflector.

Insbesondere sind der Retroreflektor und das Messprisma derart ausgestaltet, dass der erste Anteil des Strahlenbündels bei dem ersten Durchgang über eine erste der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen eintritt, am Retroreflektor umgelenkt wird, und anschließend bei dem zweiten Durchgang über die zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen austritt. Der zweite Anteil des Strahlenbündels tritt dann beim ersten Durchgang über die zweite Oberfläche ein, wird am Retroreflektor umgelenkt und tritt beim zweiten Durchgang über die erste Oberfläche aus.In particular, the retroreflector and the measuring prism are designed in such a way that the first portion of the beam enters the first pass through a first of the two surfaces inclined towards one another, is deflected at the retroreflector, and then in the second pass emerges via the second of the two surfaces inclined towards one another. The second portion of the beam then passes through the second surface during the first pass, is deflected at the retroreflector and exits through the first surface during the second pass.

In einer Weiterbildung der Erfindung tritt das Strahlenbündel in dem zweiten Durchgang über eine Rückfläche des Messprismas in das Messprisma ein, wobei das Umlenkelement unmittelbar angrenzend zu der Rückfläche angeordnet ist. Vorteilhaft an dieser Weiterbildung ist, dass durch die unmittelbare angrenzende Anordnung vom Umlenkelement zu dem Messprisma kaum Streuverluste auftreten.In a development of the invention, the beam of rays enters the measuring prism in the second pass through a rear surface of the measuring prism, the deflecting element being arranged directly adjacent to the rear surface. An advantage of this development is that hardly any scattering losses occur due to the immediately adjacent arrangement from the deflecting element to the measuring prism.

Insbesondere ist das zur Rückfläche unmittelbar angrenzend angeordnete Umlenkelement als zumindest eine auf die Rückfläche des Messprismas aufgebrachte reflektierende Schicht ausgebildet ist. Beispielsweise handelt es sich um eine oder zwei auf der Rückfläche des Messprismas aufgebrachte Spiegelschicht/en. Dadurch wird eine sehr einfache und kompakte Fertigung des Messprismas und des Umlenkelements ermöglicht.In particular, the deflection element arranged directly adjacent to the rear surface is designed as at least one reflective layer applied to the rear surface of the measuring prism. For example, there is one or two mirror layers applied to the rear surface of the measuring prism. This enables a very simple and compact production of the measuring prism and the deflection element.

In Kombination mit der Ausgestaltung des um die Verkippungsachse verkippten Spiegels ist es hier entweder möglich, nur die verspiegelte Rückfläche als verkippt auszugestalten, oder das Messprisma mit der verspiegelten Rückfläche insgesamt zu verkippen. In letzterem Fall bleibt die Definition der durch das unverkippte Messprisma definierte Neigungsachse selbstverständlich unberührt, so dass die optische Achse, die Neigungsachse und die Verkippungsachse in jedem Fall ein kartesisches Koordinatensystem bilden.In combination with the configuration of the mirror tilted about the tilt axis, it is either possible here to design only the mirrored rear surface as tilted, or to tilt the measuring prism with the mirrored rear surface as a whole. In the latter case, the definition of the tilt axis defined by the untilted measuring prism naturally remains unaffected, so that the optical axis, the tilt axis and the tilt axis in each case form a Cartesian coordinate system.

In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Brechungsindex des Messprismas innerhalb des Messbereichs des Durchlicht-Refraktometers. Die Erfindung ermöglicht damit, wie vorstehend erwähnt, den Einsatz von unterschiedlichen Materialen für das Messprisma, ohne dass dadurch der Messbereich des Durchlicht-Refraktometers beschränkt ist. Insbesondere beträgt der Brechungsindex des Messprismas 1,3 bis 1,8.In one embodiment of the invention, the refractive index of the measuring prism lies within the measuring range of the transmitted light refractometer. As mentioned above, the invention thus makes it possible to use different materials for the measuring prism without thereby restricting the measuring range of the transmitted light refractometer. In particular, the refractive index of the measuring prism is 1.3 to 1.8.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Lichtquelle und dem optischen System ein Strahlteiler angeordnet.In a development of the invention, a beam splitter is arranged between the light source and the optical system.

Der Strahlteiler dient dabei insbesondere der Trennung der von der Lichtquelle her (d.h. aus einer ersten Richtung) auf das optische System einfallenden von den aus einer dazu entgegengesetzten zweiten Richtung her auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen. Der Strahlteiler ist beispielsweise dazu eingerichtet, die Richtung eines (idealerweise größeren) Anteils der von der ersten Richtung auf den Strahlteiler einfallenden Strahlen unbeeinflusst zu lassen und einen (idealerweise größeren) Anteil der aus der zweiten Richtung auf den Strahlteil einfallenden Lichtstrahlen abzulenken. Der Stahlteiler bewirkt daher beispielsweise eine Richtungsänderung des Anteils des vom optischen System fokussierten Strahlenbündels, nicht aber des Anteils der vom optischen System zu parallelisierenden Lichtstrahlen. Dadurch ist die Detektoreinheit in einer in Bezug zu der Objektebene um diese Richtungsänderung gedrehte Detektorebene angeordnet.The beam splitter serves in particular to separate the light beams incident on the optical system from the light source (i.e. from a first direction) from the light beams incident on the optical system from a second direction opposite thereto. The beam splitter is set up, for example, to leave the direction of a (ideally larger) portion of the rays incident on the beam splitter from the first direction unaffected and to deflect a (ideally larger) portion of the light rays incident on the beam portion from the second direction. The steel divider therefore causes, for example, a change in the direction of the portion of the beam focused by the optical system, but not the portion of the light rays to be parallelized by the optical system. As a result, the detector unit is arranged in a detector plane rotated with respect to the object plane about this change in direction.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Detektoreinheit zumindest eine Kamera mit zumindest einer Zeile mit Pixeln, die entlang einer Achse angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse ist. Die Detektoreinheit erstreckt sich also in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene. Es ist auch möglich, dass die Kamera genau eine Zeile mit Pixeln umfasst. Durch eine derartige, minimale Auslegung der Detektoreinheit mit genau einer Kamerazeile werden zum einen Kosten gespart und die Genauigkeit erhöht, da mehr Pixel pro Kamerazeile verfügbar sind. Zum anderen führt dies zu einem schnelleren Auslesen und damit einer beschleunigten bzw. vereinfachten Auswertung und zu einem geringeren Platzbedarf.In an advantageous development of the invention, the optical detector unit comprises at least one camera with at least one line with pixels that are arranged along an axis that is perpendicular to the optical axis. The detector unit thus extends in a plane perpendicular to the optical axis. It is also possible for the camera to comprise exactly one line with pixels. Such a minimal design of the detector unit with exactly one camera line saves costs and increases accuracy because more pixels are available per camera line. On the other hand, this leads to faster reading and thus an accelerated or simplified evaluation and to a smaller space requirement.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Detektoreinheit zumindest zwei Kameras mit jeweils zumindest einer Zeile mit Pixeln, die jeweils entlang einer zur optischen Achse senkrechten Achse derart angeordnet sind, dass das optische System den ersten Anteil des Strahlenbündels auf eine erste der beiden Kameras und den zweiten Anteil des Strahlenbündels auf eine zweite der beiden Kameras fokussiert.In an advantageous development of the invention, the optical detector unit comprises at least two cameras, each with at least one line with pixels, which are each arranged along an axis perpendicular to the optical axis in such a way that the optical system points the first portion of the beam onto a first of the two cameras and focuses the second portion of the beam onto a second of the two cameras.

Die zumindest zwei Kameras sind dabei in einer zur optischen Achse im Wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet. Beispielsweise umfasst das Durchlicht-Refraktometer genau zwei Kameras, die für den Fall eines als Spiegel ausgebildeten Umlenkelements in der Objektebene auf sich gegenüberliegenden Seiten der Lichtquelle angeordnet sind.The at least two cameras are arranged in a plane substantially perpendicular to the optical axis. For example, the transmitted light refractometer comprises exactly two cameras, which are arranged in the object plane on opposite sides of the light source in the case of a deflecting element designed as a mirror.

Auch hier ist es möglich, die zumindest zwei Kameras mit jeweils genau einer Pixelzeile auszustatten, um die vorstehend erwähnten Vorteile zu erreichen.Here, too, it is possible to equip the at least two cameras with exactly one pixel line each in order to achieve the advantages mentioned above.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Lichtquelle eine LED.In one embodiment of the invention, the light source comprises an LED.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Lichtquelle einen Laser.In one embodiment of the invention, the light source comprises a laser.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Durchlicht-Refraktometer zumindest einen Temperatursensor auf, der dazu ausgestaltet ist, die Temperatur des Prozessmediums zu ermitteln. Die Regel-/Auswerteeinheit ist dazu ausgestaltet, eine aus dem Brechungsindex ableitbare Prozessgröße des Prozessmediums zu bestimmen und die von dem/den Temperatursensor/en ermittelte Temperatur bei der Bestimmung der aus dem Brechungsindex ableitbaren Prozessgröße des Prozessmediums zu berücksichtigen.In one embodiment of the invention, the transmitted light refractometer has at least one temperature sensor, which is designed to: Determine the temperature of the process medium. The control / evaluation unit is designed to determine a process variable of the process medium that can be derived from the refractive index and to take into account the temperature determined by the temperature sensor (s) when determining the process variable of the process medium that can be derived from the refractive index.

Bei der ableitbaren Prozessgröße des Prozessmediums handelt es sich um eine Stoffkonzentration, beispielsweise die Zuckerkonzentration. Der Temperatursensor ragt beispielsweise in das Prozessmedium hinein, und/oder ist auf das Messprisma und/oder das Prozessfenster und/oder das Umlenkelement aufgebracht. Da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt, ist die Berücksichtigung der von dem Temperatursensor ermittelten Temperatur vorteilhaft. Der Temperatursensor kann zum Beispiel als ein widerstandsbasiertes Thermometer wie beispielsweise ein Pt100 oder Pt1000, oder als ein thermospannungsbasiertes Thermometer bzw. Thermoelement, oder ein anderer aus dem Stand der Technik bekanntes Temperatursensor ausgestaltet sein.The derivable process variable of the process medium is a substance concentration, for example the sugar concentration. The temperature sensor projects into the process medium, for example, and / or is applied to the measuring prism and / or the process window and / or the deflection element. Since the refractive index depends on the temperature, it is advantageous to take into account the temperature determined by the temperature sensor. The temperature sensor can be configured, for example, as a resistance-based thermometer such as a Pt100 or Pt1000, or as a thermo-voltage-based thermometer or thermocouple, or another temperature sensor known from the prior art.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer, bei dem aus der Objektebene heraus Licht ausgesendet wird,
ein parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt wird und das parallelisierte Strahlenbündel in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium und das Messprisma in einem ersten Durchgang ein erstes Mal von dem Strahlenbündel durchquert wird, am Umlenkelement umgelenkt wird, das Messprisma und das Prozessmedium in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal von dem Strahlenbündel durchquert wird, das Strahlenbündel in einer zur Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium austritt, mittels des optischen Systems auf die optische Detektoreinheit fokussiert wird, und von der Regel-/Auswerteeinheit der Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes des Strahlenbündels bestimmt wird.The invention also relates to a method for determining the refractive index of a process medium with a transmitted light refractometer according to the invention, in which light is emitted from the object plane,
a parallelized beam is generated and the parallelized beam enters the process medium in an entry direction. The method according to the invention is characterized in that the process medium and the measuring prism are passed through the beam for the first time in a first pass, are deflected at the deflecting element, the measuring prism and the process medium are passed through the beam a second time in a second pass, which Beams exit the process medium in a direction essentially opposite to the entry direction, are focused on the optical detector unit by means of the optical system, and the refractive index is determined by the control / evaluation unit on the basis of at least one focal point of the beam.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Lichtquelle eine LED verwendet, wobei bei der Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes die Frequenz und/oder Phase einer Abbildung einer periodischen Struktur eines Bauelements der LED-Lichtquelle verwendet wird. Insbesondere wird vorteilhaft mittels der Verwendung der Frequenz und/oder Phase der periodischen Abbildung ein Signal-/Rauschverhältnis vergrößert.In one embodiment of the method, an LED is used as the light source, the frequency and / or phase of an image of a periodic structure of a component of the LED light source being used when determining the position of the at least one focal point. In particular, a signal / noise ratio is advantageously increased by using the frequency and / or phase of the periodic mapping.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet. Es zeigt:

1: Einen Strahlengang einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht-R efraktometers;
2a: Einen Strahlengang einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;
2b: Eine Ausgestaltung des Messprismas und des Umlenkelements in der zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;
3a,3b Ausgestaltungen eines Messprimas eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;
3c: Eine weitere Ausgestaltung eines Messprimas und einer optischen Detektoreinheit eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;
4 a-c : Verschiedene perspektivische Ansichten einer weiteren Ausgestaltung eines Messprismas eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers; und
5: Eine Abbildung eines periodischen Bauelements der Lichtquelle in einer Ausgestaltung der Lichtquelle des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers.

The invention is explained in more detail with reference to the following figures, which are not to scale, the same reference symbols denoting the same features. If the clarity requires it or if it appears otherwise useful, reference symbols already mentioned are omitted in the following figures. It shows:

1 : A beam path of a first embodiment of a transmitted light refractometer according to the invention;
2a : A beam path of a second embodiment of a transmitted light refractometer according to the invention;
2 B : An embodiment of the measuring prism and the deflecting element in the second embodiment of the transmitted light refractometer according to the invention;
3a . 3b Embodiments of a measurement primate of a transmitted light refractometer according to the invention;
3c : Another embodiment of a measuring primate and an optical detector unit of a transmitted light refractometer according to the invention;
4 ac : Different perspective views of a further embodiment of a measuring prism of a transmitted light refractometer according to the invention; and
5 : An image of a periodic component of the light source in an embodiment of the light source of the transmitted light refractometer according to the invention.

1 zeigt eine Seitenansicht eines Strahlengangs einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers. Hierbei ist eine LED-Lichtquelle 1 in der Objektebene OE auf einer Einstrahlseite angeordnet. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht wird von dem optischen System 2 entlang der optischen Achse z parallelisiert, welche hier entlang der Horizontalen verläuft. Das optische System 2 ist hier aufgrund der einfacheren Darstellung als eine einzige Linse dargestellt, kann aber wie vorstehend erwähnt ein Linsensystem aus mehreren Linsen, beispielsweise drei, umfassen. 1 shows a side view of a beam path of a first embodiment of a transmitted light refractometer according to the invention. Here is an LED light source 1 in the object level OE arranged on a single-beam side. That from the light source 1 emitted light is from the optical system 2 along the optical axis z parallelized, which runs here along the horizontal. The optical system 2 is shown here as a single lens due to the simpler representation, but, as mentioned above, can comprise a lens system comprising a plurality of lenses, for example three.

Anschließend tritt das parallelisierte Strahlenbündel SB durch ein Prozessfenster 3 in das Prozessmedium PM ein. Bei einem ersten Durchgang findet eine erste Brechung an der Prozessmedium PM- Messprisma 4 Grenzfläche statt. Anschließend wird das Strahlenbündel SB an einem angrenzend zur Rückfläche des Messprismas 4 angeordneten Umlenkelement 5 gespiegelt, so dass das Strahlenbündel SB in einem zweiten Durchgang eine weitere Brechung an der Messprisma 4- Prozessmedium PM Grenzfläche erfährt, um dann über das Prozessfenster 3 aus dem Prozessmedium PM auszutreten. Schließlich wird mit dem optischen System 2 das Strahlenbündel SB auf zwei verschiedene Fokuspunkte FP1,FP2 in der in dieser Ausgestaltung mit der Objektebene OE zusammenfallenden Detektorebene fokussiert.The parallelized beam then emerges SB through a process window 3 into the process medium PM on. In a first pass, there is a first refraction on the process medium PM - measuring prism 4 Interface instead. Then the beam of rays SB on one adjacent to the back surface of the measuring prism 4 arranged deflecting element 5 mirrored so that the beam of rays SB in a second pass, another refraction on the measuring prism 4 - process medium PM Interface experiences, then over the process window 3 from the process medium PM withdraw. Finally, with the optical system 2 the bundle of rays SB on two different focus points FP1 . FP2 in this configuration with the object level OE coincident detector plane focused.

Das Messprisma 4 umfasst hier zwei gegeneinander im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse z geneigte Oberflächen OF1, OF2 und ist also als ein Doppelprisma ausgestaltet. Die Neigungsachse x, um welche die beiden ebenen Oberflächen OF1,OF2 in Bezug zu einer zur optischen Achse z senkrechten Ebene geneigt sind, zeigt hier in die Bildfläche hinein.The measuring prism 4 here comprises two mutually essentially symmetrical to the optical axis z inclined surfaces OF1 . OF2 and is therefore designed as a double prism. The axis of inclination x around which the two flat surfaces OF1 . OF2 with respect to one to the optical axis z vertical plane, points into the picture area.

Ein erster Anteil des Strahlenbündels (durchgezogene Linie) SB1 tritt dabei über die erste Oberfläche OF1 in das Messprisma 4 ein, und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels (gestrichelte Linie) SB2 tritt dabei über die zweite Oberfläche OF2 in das Messprisma 4 ein.A first portion of the beam (solid line) SB1 occurs over the first surface OF1 into the measuring prism 4 one, and a second portion of the beam (dashed line) SB2 occurs over the second surface OF2 into the measuring prism 4 on.

Wie bereits erwähnt ist es auch möglich, das Messprisma 4 an das Prozessfenster 3 angrenzend anzuordnen und/oder die gegeneinander geneigten Oberflächen OF1,OF2 an einer Rückenfläche 41 des Messprismas 4 anzuordnen, solange die gegeneinander geneigten Oberflächen OF1, OF2 mediumberührend sind und wie erforderlich die Grenzfläche Prozessmedium PM -Messprisma 4 vorliegt.As already mentioned, it is also possible to use the measuring prism 4 to the process window 3 to be arranged adjacent and / or the mutually inclined surfaces OF1 . OF2 on a back surface 41 of the measuring prism 4 to be arranged as long as the surfaces inclined towards each other OF1 . OF2 are in contact with the medium and, as required, the process medium interface PM -Messprisma 4 is present.

Das in 1 in einer Schnittansicht dargestellte Messprisma 4 ist auch in 3a in einer perspektivischen Ansicht näher gezeigt. Alternativ zu dem in 3a gezeigten Winkel kleiner 180° zwischen den beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1,OF2 ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass wie in 3b gezeigt die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1,OF2 einen Winkel größer als 180° bilden.This in 1 measuring prism shown in a sectional view 4 is also in 3a shown in more detail in a perspective view. Alternatively to that in 3a angle shown less than 180 ° between the two mutually inclined surfaces OF1 . OF2 it is also possible within the scope of the invention that as in 3b shown the two inclined surfaces OF1 . OF2 form an angle greater than 180 °.

Beim ersten Übergang von Prozessmedium PM ins Messprisma 4 findet eine erste, vom Brechungsindex des Prozessmedium PM abhängige Brechung statt. Beim zweiten Übergang von Messprisma 4 ins Prozessmedium PM erfährt das reflektierte Licht eine erneute vom Brechungsindex des Prozessmediums PM abhängige Brechung, jeweils für beide Anteile des Strahlenbündels SB1, SB2 an derselben Oberfläche OF1,OF2. Diese zweite Brechung verstärkt den Effekt der ersten Brechung, sodass im Vergleich zu einer einfachen Brechung eine doppelt so große Winkeländerung bei gleichem Neigungswinkel α und Brechungsindex des Messprismas 4 erzielt wird.At the first transition from process medium PM into the measuring prism 4 finds a first one, from the refractive index of the process medium PM dependent refraction instead. At the second transition from measuring prism 4 into the process medium PM the reflected light experiences a new one from the refractive index of the process medium PM dependent refraction, in each case for both parts of the beam SB1 . SB2 on the same surface OF1 . OF2 , This second refraction enhances the effect of the first refraction, so that, compared to a simple refraction, the angle changes twice as large at the same angle of inclination α and refractive index of the measuring prism 4 is achieved.

Das Umlenkelement 5 ist hier vorteilhaft als eine verspiegelte Rückfläche 41 des Messprismas 4 ausgebildet, d.h. eine verspiegelte Schicht ist direkt auf die Rückfläche aufgebracht. Der Vorteil dieser Variante ist zum einen die einfache Fertigung, zum anderen gibt es bei Messprismen 4 wie in 3a gezeigt einen zentralen Bereich des Messprismas 4, aus dem kein brauchbares Messsignal gewonnen werden kann. Da dieser Bereich schrumpft, je kleiner die Distanz zwischen Messprisma 4 und Umlenkelement 5 ist, liegt bei der unmittelbar angrenzenden Anordnung eine maximale Signalausbeute vor.The deflecting element 5 is advantageous here as a mirrored back surface 41 of the measuring prism 4 formed, ie a mirrored layer is applied directly to the back surface. The advantage of this variant is on the one hand the simple production, on the other hand there are measuring prisms 4 as in 3a shown a central area of the measuring prism 4 , from which no usable measurement signal can be obtained. As this area shrinks, the smaller the distance between the measuring prism 4 and deflecting element 5 there is a maximum signal yield in the immediately adjacent arrangement.

Für den Fall eines ebenen Spiegels werden die Fokuspunkte FP1,FP2 auf eine mit der Lichtquelle 1 gemeinsame Gerade in der Detektor- und Objektebene OE abgebildet, die senkrecht zu der Neigungsachse x ist, d.h. parallel zu der hier vertikal verlaufenden y-Achse. Da die beiden Fokuspunkte FP1,FP2 auf einer gemeinsamen und auf einer zur vertikal verlaufenden y-Richtung parallelen Gerade liegen, kann in dieser Ausgestaltung eine optische Detektoreinheit 6 mit nur einer Kamera 91, ggf. mit nur einer Pixelzeile PZ1 verwendet werden.In the case of a flat mirror, the focus points FP1 . FP2 on one with the light source 1 common straight line in the detector and object plane OE mapped perpendicular to the axis of inclination x is, ie parallel to the one running vertically here y -Axis. Because the two focus points FP1 . FP2 on a common one and on a vertical one y Direction parallel straight line, can be an optical detector unit in this embodiment 6 with just one camera 91 , possibly with only one line of pixels PZ1 be used.

Je nach Lage des Brechungsindex des Prozessmediums PM in Bezug zu dem Messprisma 4 laufen die beiden Strahlenbündel SB1,SB2 entweder (wie hier dargestellt) über Kreuz oder nicht. Damit ist nicht weiter erkennbar, ob der obere der beiden Fokuspunkte FP2,FP1 über die erste Oberfläche OF1 oder, wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt die zweite Oberfläche OF2 gebrochen wurde.Depending on the location of the refractive index of the process medium PM in relation to the measuring prism 4 the two beams run SB1 . SB2 either crosswise (as shown here) or not. It is therefore no longer possible to tell whether the upper of the two focus points FP2 . FP1 over the first surface OF1 or, as shown in this embodiment, the second surface OF2 was broken.

Um zusätzlich vorteilhaft eine räumliche Trennung in der Objektebene OE in Richtung der Neigungsachse x zwischen der LED-Lichtquelle 1 und den Fokuspunkten FP1,FP2 zu erreichen ist gegebenenfalls entweder die verspiegelte, ebene Rückfläche 41 des Messprismas 4 als um die vertikale Verkippungsachse y verkippt ausgebildet, oder das ganze Messprisma 4 ist verkippt. Alternativ oder zusätzlich ist die Lichtquelle 1 selbst in der Objekt- und Detektorebene OE in die Neigungsrichtung x mit einem Versatz verschoben.To additionally advantageous spatial separation in the object level OE in the direction of the inclination axis x between the LED light source 1 and the focus points FP1 . FP2 If necessary, either the mirrored, flat rear surface can be reached 41 of the measuring prism 4 than about the vertical tilt axis y tilted, or the whole measuring prism 4 is tilted. Alternatively or additionally, the light source 1 even at the object and detector level OE in the direction of inclination x shifted with an offset.

Eine andere Möglichkeit stellt die Verkippung einer Vorderfläche, über die das Strahlenbündel SB in das Prozessmedium PM eintritt, dar. Bei der Vorderfläche handelt es sich entweder um eine Vorderfläche des Prozessfensters 3 oder über eine Vorderfläche des Messprismas 4. Letzteres ist der Fall, wenn kein separates Prozessfenster 3 verwendet wird und das Strahlenbündel SB wie vorstehend erwähnt die Anordnung Messprisma 4-Prozessmedium PM -Umlenkelement 5-Prozessmedium PM- Messprisma 4 durchläuft.Another possibility is the tilting of a front surface over which the beam of rays SB into the process medium PM occurs. The front surface is either a front surface of the process window 3 or via a front surface of the measuring prism 4 , The latter is the case if there is no separate process window 3 is used and the beam SB as mentioned above, the arrangement of the measuring prism 4 -Prozessmedium PM -Direction element 5 process medium PM - measuring prism 4 passes.

Der Abstand der beiden Fokuspunkte FP1,FP2 in der vertikal verlaufenden y-Richtung ist ein Maß für die betragsmäßige Brechungsindexdifferenz zwischen Prozessmediums PM und Messprisma 4, welche von der Regel-/Auswerteeinheit 7 bestimmt wird. Die Regel-/Auswerteeinheit 7 dient der Regelung und/oder Auswertung der von der optischen Detektoreinheit 6,91,92 (optische Detektoreinheit 6 siehe 2) erfassten Signale, und/oder der LED-Lichtquelle 1 sowie gegebenenfalls der von den/dem Temperatursensor/en 11 ermittelten Temperaturen.The distance between the two focus points FP1 . FP2 in the vertical y-direction is a measure of the absolute refractive index difference between process medium PM and measuring prism 4 which are from the control / evaluation unit 7 is determined. The control / evaluation unit 7 is used for the regulation and / or evaluation of the optical detector unit 6 . 91 . 92 (optical detector unit 6 please refer 2 ) detected signals, and / or the LED light source 1 and, if applicable, that of the temperature sensor (s) 11 determined temperatures.

Eine Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist mit dem in 3c dargestellten Messprisma 4 und der optischen Detektoreinheit 6 gezeigt. Hier wird eine räumliche Trennung von Lichtquelle 1 und optischer Detektoreinheit 6 in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung, hier x-Richtung, dadurch gelöst, dass die verspiegelte Rückfläche 41 des Messprismas 4 zwei verschiedene Spiegelebenen SE1,SE2 aufweist, die jeweils in unterschiedliche Richtungen um eine Verkippungsachse y verkippt sind. Die zur optischen Achse z und zur Neigungsachse x senkrechte Verkippungsachse y verläuft hier in vertikaler Richtung. Dadurch treffen der erste Anteil des Strahlenbündel SB1 und der zweite Anteil des Strahlenbündels SB2 auf Spiegelflächen SE1, SE2, deren Verkippung sich im Vorzeichen unterscheidet. Somit werden in der Detektor- und Objektebene OE die beiden Strahlenbündel SB1,SB2 in einer zu der Neigungsachse x parallelen Richtung auf unterschiedliche Seiten der Lichtquelle 1 abgebildet.A further development of the first embodiment of the invention can be found in 3c measuring prism shown 4 and the optical detector unit 6 shown. Here there is a spatial separation of the light source 1 and optical detector unit 6 in the direction parallel to the axis of inclination, here x -Direction, solved by the mirrored back surface 41 of the measuring prism 4 two different mirror levels SE1 . SE2 has, each in different directions about a tilt axis y are tilted. The one to the optical axis z and to the axis of inclination x vertical tilt axis y runs here in the vertical direction. This will hit the first portion of the beam SB1 and the second portion of the beam SB2 on mirror surfaces SE1 . SE2 , the tilt of which differs in sign. Thus, in the detector and object level OE the two beams SB1 . SB2 in one to the axis of inclination x parallel direction on different sides of the light source 1 displayed.

Auf diese Weise können die beiden Fokuspunkte FP1,FP2 jeweils mit einer separaten Kamera 91;92 detektiert werden, welche jeweils hier als eine Pixelzeile PZ1;PZ2 ausgebildet sind. Somit kann stets unterschieden werden , an welcher der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1,OF2 der jeweilige Fokuspunkt FP1,FP2 gebrochen wurde, bzw. ob die beiden Teilstrahlen über Kreuz verlaufen oder nicht. Dies ermöglicht ein Durchlicht-Refraktometer mit einem Messbereich, der Werte oberhalb und unterhalb des Brechungsindexes des Messprimas 4 umfasst, und damit eine größere Freiheit bei der Wahl des Materials für das Messprisma 4. Auch hier handelt es sich um eine verspiegelte Rückfläche 41, bei der die beiden gegeneinander verkippten Spiegelebenen SE1,SE2 als verspiegelte Schichten auf die Rückfläche aufgebracht sind.
Ein Strahlengang einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers ist in 2a,b näher dargestellt. Im Unterschied zu dem als Spiegel ausgebildeten Umkehrelement 5 der vorherigen Ausgestaltung ist dieses nun als Retroreflektor ausgebildet. Retroreflektoren werden bevorzugt verwendet, da sie sehr unkritisch in der Justage sind. Bei Retroreflektoren findet eine wie in 2b dargestellte Umlenkung statt, bei der ein Strahl, der schräg von oben über die erste Oberfläche OF1 des Messprismas 4 einläuft, auch schräg nach oben austritt.In this way, the two focus points FP1 . FP2 each with a separate camera 91 ; 92 are detected, each of which here as a pixel line PZ1 ; PZ2 are trained. It is therefore always possible to distinguish on which of the two surfaces inclined towards one another OF1 . OF2 the respective focus point FP1 . FP2 was broken, or whether the two partial beams cross or not. This enables a transmitted light refractometer with a measuring range that has values above and below the refractive index of the measuring primate 4 includes, and thus greater freedom in the choice of material for the measuring prism 4 , This is also a mirrored back surface 41 , where the two mirror planes tilted against each other SE1 . SE2 are applied as mirrored layers on the back surface.
A beam path of a second embodiment of a transmitted light refractometer according to the invention is shown in FIG 2a, b shown in more detail. In contrast to the reversing element designed as a mirror 5 In the previous embodiment, this is now designed as a retroreflector. Retroreflectors are preferred because they are very uncritical to adjust. With retroreflectors one finds like in 2 B shown deflection takes place, in which a beam that is obliquely from above over the first surface OF1 of the measuring prism 4 enters, also exits diagonally upwards.

Zusätzlich wird bei einem Retroreflektor der Eintrittspunkt beim Austritt punktsymmetrisch um die Mitte des Retroreflektors gespiegelt, wodurch die zweite Brechung auf der zweiten Oberfläche OF2 stattfinden kann. Dadurch wird die räumliche Trennung von Lichtquelle 1 und optischer Detektoreinheit 6 erschwert bzw. kann nicht mit den vorstehend genannten Lösungen erfolgen. Daher ist eine von der Objektebene OE getrennte Detektorebene bevorzugt. Dies wird durch den in 2a gezeigten zusätzlichen Strahlteiler 8 erreicht.In addition, in the case of a retroreflector, the entry point is mirrored point-symmetrically around the center of the retroreflector, as a result of which the second refraction on the second surface OF2 can take place. This creates the spatial separation of the light source 1 and optical detector unit 6 difficult or can not be done with the above solutions. Therefore, one is from the object level OE separate detector level preferred. This is done by the in 2a additional beam splitter shown 8th reached.

Der Strahlteiler 8 lässt die Richtung eines Anteils der von der Einstrahlseite auf den Strahlteiler 8 einfallenden Strahlen unbeeinflusst und lenkt einen Anteil der aus dem Prozessfenster 3 ausgetretenen und von dem optischen System 2 fokussiertem Lichtstrahlen ab. Dadurch ist wie in 2a gezeigt die optische Detektoreinheit 6 in einer in Bezug zu der Objektebene OE um diese Richtungsänderung gedrehte Detektorebene angeordnet.The beam splitter 8th leaves the direction of a portion of that from the single beam side to the beam splitter 8th incident rays are unaffected and deflects a portion of the process window 3 leaked and from the optical system 2 focused light rays. This is like in 2a shown the optical detector unit 6 in a related to the object plane OE detector plane rotated about this change in direction.

Eine weitere Ausgestaltung des Messprismas 4 ist in verschiedenen perspektivischen Ansichten in 4a-c dargestellt. Hierbei handelt es sich um den bereits erwähnten Fall, dass das Messprisma 4 gleichzeitig als Fenster zu dem Prozessmedium PM dient, so dass kein separates Prozessfenster verwendet wird. Die Rückfläche (in Bezug auf die Richtung des Strahlenbündels SB) des Messprismas 4 ist dabei ähnlich wie die Vorderfläche des in 3b dargestellten Messprismas 4 ausgestaltet. Die beiden auf der Rückflächen des Messprismas 4 angeordneten medienberührenden Oberflächen OF1,OF2 weisen einen Neigungswinkel α von ca. 18° auf. Gleichzeitig ist die Vorderfläche des Messprismas 4, über die das Strahlenbündel SB in das Prozessmedium PM eintritt, in Bezug auf eine zur optischen Achse z senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse y verkippt. Der Verkippungswinkel β beträgt dabei insbesondere weniger als 10°, vorzugsweise weniger als 5°.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Abbildung AB eines Bauelements 10 (siehe auch 1) der LED-Lichtquelle 1 zur Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes verwendet.Another configuration of the measuring prism 4 is in different perspective views in 4a-c shown. This is the case already mentioned that the measuring prism 4 at the same time as a window to the process medium PM serves so that no separate process window is used. The back surface (in relation to the direction of the beam SB ) of the measuring prism 4 is similar to the front surface of the in 3b measuring prism shown 4 designed. The two on the back of the measuring prism 4 arranged surfaces in contact with the media OF1 . OF2 have an angle of inclination α from approx. 18 °. At the same time is the front surface of the measuring prism 4 over which the beam of rays SB into the process medium PM occurs with respect to an optical axis z vertical plane around a tilt axis y tilted. The tilt angle β is in particular less than 10 °, preferably less than 5 °.
In one embodiment of the invention, an image AB of a component 10 (see also 1 ) of the LED light source 1 used to determine the position of the at least one focus point.

Durch die Elektrodenstruktur der LED-Lichtquelle 1 wird auf einfache und kostengünstige Weise eine periodische Struktur gebildet, welche in 5 gezeigt ist, hier als Beispiel die Abbildung AB der LED „SYNIOS P2720, KY DMLS31.23“ des Herstellers Osram.Through the electrode structure of the LED light source 1 a periodic structure is formed in a simple and inexpensive manner, which in 5 is shown here, as an example, the illustration AB of the LED "SYNIOS P2720, KY DMLS31.23" from the manufacturer Osram.

Die Positionsbestimmung des Fokuspunktes FP1,FP2 erfolgt unter Verwendung der Abbildung AB der periodischen Struktur in zwei Schritten. Zunächst erfolgt eine grobe Bestimmung der Position des LED Bildes. Die Positionsbestimmung sollte eine Genauigkeit von etwa einer halben Periode erreichen. Bei der in 4 gezeigten LED beträgt die Periode beispielsweise 100 µm. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit 50 µm bzw. 7 Pixel für eine Kamera 91,92 mit einer Pixelgröße vom 7 µm betragen muss.The position determination of the focus point FP1 , FP2 takes place in two steps using the mapping AB of the periodic structure. First, the position of the LED image is roughly determined. The position determination should achieve an accuracy of about half a period. At the in 4 shown LED, the period is for example 100 microns. This means that the accuracy is 50 µm or 7 pixels for a camera 91 . 92 with a pixel size of 7 µm.

Anschließend wird der Bereich der Kamera 91,92 mit dem LED Bild ausgeschnitten und durch einen Filter derart bearbeitet, dass nur die Raumfrequenzen der LED-Struktur (1/100µm) übrigbleiben. Auf diese Weise wird der Einfluss von Streulicht und Kamerarauschen sehr stark reduziert. Anhand der Phasenlage der Abbildung AB der periodischen Struktur wird somit vorteilhaft eine exakte Bestimmung der Position des Fokuspunktes FP1,FP2 ermöglicht, und somit die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers weiter erhöht. Then the area of the camera 91 . 92 cut out with the LED image and processed by a filter in such a way that only the spatial frequencies of the LED structure (1 / 100µm) remain. In this way, the influence of stray light and camera noise is greatly reduced. Based on the phase position of the mapping AB of the periodic structure, an exact determination of the position of the focal point is advantageously advantageous FP1 . FP2 enables, and thus further increases the accuracy of the transmitted light refractometer according to the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Lichtquellelight source
22: Optisches SystemOptical system
33: Prozessfensterprocess window
44: Messprismameasuring prism
4141: Rückfläche des MessprismasBack surface of the measuring prism
55: Umlenkelementdeflecting
66: optische Detektoreinheitoptical detector unit
77: Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
88th: Strahlteilerbeamsplitter
91,9291.92: erste und zweite Kamerafirst and second camera
1010: Bauelementmodule
1111: Temperatursensor temperature sensor
OEOE: Objektebeneobject level
SBSB: Strahlenbündelray beam
SB1SB1: erster Anteil des Strahlenbündelsfirst portion of the beam
SB2SB2: zweiter Anteil des Strahlenbündelssecond part of the beam
zz: optische Achseoptical axis
xx: Neigungsachsetilt axis
yy: Verkippungsachsetilt axis
PMPM: Prozessmediumprocess medium
OF1OF1: erste Oberflächefirst surface
OF2OF2: zweite Oberflächesecond surface
SE1SE1: erste Spiegelebenefirst mirror level
SE2SE2: zweite Spiegelebenesecond mirror level
FP1 ;FP2FP1; FP2: Fokuspunktefocal points
PZ1;PZ2PZ1, PZ2: Pixelzeilenpixel lines
αα: Neigungswinkeltilt angle
ββ: Verkippungswinkeltilt
ABFROM: AbbildungIllustration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 19944798 A1 [0004]
DE 102007050731 B3 [0006, 0032]

Claims

Transmitted light refractometer for determining the refractive index of a process medium (PM), comprising: -a light source (1) arranged in an object plane (OE), which emits light when determining the refractive index from the object plane (OE), -an optical system ( 2), which generates a bundle of rays (SB) parallel to an optical axis (z) substantially perpendicular to the object plane (OE) from the light emitted by the light source (1), - a measuring prism at least partially introduced into the process medium (PM) ( 4), a deflection element (5), an optical detector unit (6), and a control / evaluation unit (7), characterized in that the measuring prism (4) and the deflection element (5) are designed in this way and along the optical axis (z) are arranged in such a way that - the beam (SB) enters the process medium in an entry direction and crosses the process medium (PM) and the measuring prism (4) for the first time in a first pass, - on the deflecting element nt (5) is deflected, - passes through the measuring prism (4) and the process medium (PM) a second time in a second pass, - emerges from the process medium (PM) in a direction essentially opposite to the entry direction, and - by means of the optical one System (2) is focused on the optical detector unit (6), the control / evaluation unit (7) determining the refractive index on the basis of at least one focus point.

Transmitted light refractometer after Claim 1 , wherein the measuring prism (4) has at least two flat and mutually inclined surfaces (OF1, OF2), each inclined in relation to a plane perpendicular to the optical axis (z) around an inclination axis (x) and in opposite directions, the axis of inclination (x) is perpendicular to the optical axis (z), the measuring prism (4) being introduced into the process medium (PM) in such a way that the two surfaces (OF1, OF2) inclined towards one another are in contact with the medium, and a first portion of the Beam bundle (SB1) in one of the two passes through the measuring prism (4) over a first of the two mutually inclined surfaces (OF1) and a second portion of the beam bundle (SB2) during this passage through the measuring prism (4) over a second of the two against one another inclined surfaces (OF2) enters the measuring prism (4).

Transmitted light refractometer after Claim 1 , wherein the measuring prism (4) has a conical surface, and wherein the measuring prism (4) is designed in particular as an axicon.

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, comprising a process window (3) through which the parallelized beam (SB) enters the process medium (PM) before the first pass in the entry direction and through which the beam (SB) subsequently leads to the second passage emerges from the process medium (PM) in the exit direction, the process window (3), the measuring prism (4) and the deflecting element (5) being arranged relative to one another along the optical axis (z) such that the beam (SB) in first passes through the process medium (PM) and then through the measuring prism (4), and in the second pass in reverse order through the measuring prism (4) and then through the process medium (PM).

Transmitted light refractometer according to at least one of the Claims 1 to 3 , wherein the measuring prism (4) and the deflecting element (5) are arranged such that the beam (SB) first passes through the measuring prism (4) and then the process medium (PM) in the first pass, and vice versa in the second pass Sequence first passes through the process medium (PM) and then through the measuring prism (4), and the parallelized beam (SB) enters the process medium (PM) via the measuring prism (4) and out of the process medium (PM) via the measuring prism (4) exit.

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein the deflection element (5) is a mirror, and in particular the optical detector unit (6) lies in the object plane (OE).

Transmitted light refractometer after Claim 6 , wherein it is a flat mirror, the mirror plane of which is tilted with respect to a plane perpendicular to the optical axis (z) about a tilt axis (y), and wherein the tilt axis (y) is perpendicular to the optical axis (z) and to the tilt axis (x) is.

Transmitted light refractometer after Claim 6 or 7 , wherein it is a flat mirror, and the light source (1) to an intersection between the object plane (OE) and a parallel to the optical axis (z) and the process window (3), the measuring prism (4), and the deflecting element (5) connecting, imaginary straight line in a direction parallel to the inclination axis (x), in particular by at least 50% of the sum of the dimensions of the optical detector unit (6) and the Light source (1) in the direction parallel to the inclination axis (x).

Transmitted light refractometer after Claim 6 , wherein the mirror has a first mirror plane (SE1) which reflects the first portion of the beam (SB1) which has entered the first inclined surface (OF1), and wherein the mirror has a second mirror plane (SE2) which reflects the second portion of the beam (SB2) which has entered the second inclined (OF2) surface, the first mirror plane (SE1) relative to the plane perpendicular to the optical axis (z) about a tilt axis (y) and the second mirror plane ( SE2) is tilted in the opposite direction about the tilt axis (y), and wherein the tilt axis (y) is perpendicular to the optical axis (z) and to the tilt axis (x).

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein a front surface facing away from the process medium (PM), via which the beam of rays (SB) enters the process medium (PM), namely a front surface of the process window (3) or a front surface of the measuring prism (4 ), is tilted about a tilt axis (y) with respect to a plane perpendicular to the optical axis (z), and wherein the tilt axis (y) is perpendicular to the optical axis (z) and to the tilt axis (x).

Transmitted light refractometer according to at least one of the Claims 1 to 5 , wherein the deflecting element (5) is a retroreflector.

Transmitted light refractometer according to at least one of the Claims 1 to 10 , In the second pass the beam (SB) enters the measuring prism (4) via a rear surface (41) of the measuring prism (4) and the deflecting element (5) is arranged directly adjacent to the rear surface (41), and in particular that the deflecting element (5) which is arranged directly adjacent to the rear surface (41) is designed as at least one reflective layer applied to the rear surface (41) of the measuring prism (4).

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein the refractive index of the measuring prism (4) lies within the measuring range of the transmitted light refractometer, and in particular the refractive index of the measuring prism (4) is 1.3 to 1.8.

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein a beam splitter (8) is arranged between the light source (1) and the optical system (2).

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein the optical detector unit (6) comprises at least one camera (91; 92) with at least one line with pixels (PZ1; PZ2) which run along a line perpendicular to the optical axis (z) Axis (y) are arranged.

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein the optical detector unit (6) comprises at least two cameras (91, 92), each with at least one line with pixels (PZ1; PZ2), each along a line perpendicular to the optical axis (z) Axis (y) are arranged such that the optical system (2) the first portion of the beam (SB1) onto a first of the two cameras (91) and the second portion of the beam (SB2) onto a second of the two cameras (92) focused.

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein the light source (1) comprises an LED and / or a laser.

Transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, wherein the transmitted light refractometer has at least one temperature sensor (11) which is designed to determine the temperature of the process medium, and wherein the control / evaluation unit (7) is designed to determine a process variable of the process medium (PM) that can be derived from the refractive index and the temperature determined by the temperature sensor (s) (11) when determining the process variable derived from the refractive index the process medium (PM).

Method for determining the refractive index of a process medium (PM), with a transmitted light refractometer according to at least one of the preceding claims, in which - light is emitted from the object plane (OE), - a parallelized beam (SB) is generated, - the parallelized one Beam (SB) enters the process medium (PM) in an entry direction, characterized in that - the process medium (PM) and the measuring prism (4) are traversed by the beam (SB) for the first time in a first pass, - on the deflecting element (5) is deflected, - the measuring prism (4) and the process medium (PM) are crossed a second time by the beam (SB), - the beam (SB) in a direction essentially opposite to the direction of entry from the Process medium (PM) emerges - is focused on the optical detector unit (6) by means of the optical system (2), and - the refractive index is determined by the control / evaluation unit (7) on the basis of a focal point (FP1; FP2) of the beam (SB).

Procedure according to Claim 19 , An LED being used as the light source (1), and the frequency and / or phase of an image (AB) of a periodic structure of a component (10) of the LED when determining the position of the at least one focal point (FP1; FP2). Light source (1) is used.