DE102019108561A1 - Refractometer and method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM), aufweisend:- mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen (21,22;LZ,LD1,LD2),- eine optische Detektoreinheit (7),- eine Regel-/Auswerteinheit (4) und- ein Messprisma (6) mit einem vorgegebenen Brechungsindex,wobei die Lichtquellen (21,22;LZ,LD1,LD2) von der Regel-/Auswerteinheit (4) jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) betreibbar ist, in denen- jeweils genau eine der mehreren Lichtquellen (21,22;LZ,LD1,LD2) Licht aussendet und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium (PM) und Messprisma (6) einstrahlt,- das Licht an der Grenzfläche Lichtbrechung und/oder Reflexion erfährt und zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums (PM) abhängiges optisches Signal (OS) erzeugt,- die optische Detektoreinheit (7) das zumindest eine erzeugte optische Signal (OS) erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit (4) übermittelt, welche das zu dem Betriebsmodus gehörige optische Signal (OS) speichert,und wobei die Regel-/Auswerteinheit (4) dazu ausgestaltet ist, anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale (OS) aus allen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas (6) den Brechungsindex des Prozessmediums (PM) zu bestimmen.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM) mit einem Refraktometer.The invention relates to a refractometer for determining the refractive index of a process medium (PM), having: - several, especially at least two, light sources (21,22; LZ, LD1, LD2), - an optical detector unit (7), - a control / Evaluation unit (4) and a measuring prism (6) with a predetermined refractive index, the light sources (21,22; LZ, LD1, LD2) being separately controllable by the control / evaluation unit (4) and the refractometer in different Operating modes (BM1, BM2; BM3) can be operated in which exactly one of the multiple light sources (21, 22; LZ, LD1, LD2) emits light and is connected to an interface between the process medium (OF) of the measuring prism that is in contact with the medium ( PM) and measuring prism (6) irradiates, - the light undergoes refraction and / or reflection at the interface and generates at least one optical signal (OS) dependent on the refractive index of the process medium (PM), - the optical detector unit (7) generates at least one optical signal (OS) is recorded and transmitted to the control / evaluation unit (4), which stores the optical signal (OS) associated with the operating mode, and the control / evaluation unit (4) is configured to use the totality of the stored optical signals (OS) to determine the refractive index of the process medium (PM) from all operating modes (BM1, BM2; BM3) and based on the specified refractive index of the measuring prism (6). Furthermore, the invention relates to a method for determining the refractive index of a process medium (PM) with a Refractometer.
Description
Die Erfindung betriff ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit zumindest einer Lichtquelle, einer optischen Detektoreinheit, einer Regel-/Auswerteinheit und einem Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Refraktometer.The invention relates to a refractometer for determining the refractive index of a process medium with at least one light source, an optical detector unit, a control / evaluation unit and a measuring prism with a predetermined refractive index. The invention also relates to a method for determining the refractive index of a process medium using a refractometer according to the invention.
Refraktometer werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft, Chemie, Biochemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umweltmesstechnik zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, bspw. 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, bspw. Zucker, 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, for example 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, for example sugar, or in a purity test.
Das Messprinzip eines Refraktometers beruht darauf, dass an einer durch eine medienberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma Licht eingestrahlt wird. Dabei wird mittels Brechung und/oder Reflexion des Lichts an der Grenzfläche ein optisches Signal erzeugt. Die Richtung und/oder Intensität der gebrochenen und/oder reflektieren Lichts an der medienberührende Oberfläche ist abhängig von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Prozessmedium und Messprisma. Anhand des optischen Signal und dem bekannten Brechungsindex des Messprismas kann somit der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt werden.The measuring principle of a refractometer is based on the fact that light is radiated into an interface between the process medium and the measuring prism that is formed by a surface of the measuring prism in contact with the medium. An optical signal is generated by means of refraction and / or reflection of the light at the interface. The direction and / or intensity of the refracted and / or reflected light on the surface in contact with the medium depends on the refractive index difference between the process medium and the measuring prism. Using the optical signal and the known refractive index of the measuring prism, the refractive index of the process medium can be determined.
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 wird das an eine Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma eingestrahlte 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
Im Gegensatz zu Abbe-Refraktometern werden bei Durchlichtrefraktometern (auch: Transmissionsrefraktometer) Messprisma und Prozessmedium von einem vorzugsweise kolliminierten 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. Oftmals werden Messprismen mit gegeneinander geneigten Oberflächen an der medienberührende Oberfläche des Messprismas verwendet. In diesem Fall werden zwei Fokuspunkte erzeugt, aus deren Abstand der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmbar ist.In contrast to Abbe refractometers, in transmitted light refractometers (also: transmission refractometers) the measuring prism and process medium are traversed by a preferably collimated beam. The deflection of the beam as it traverses the measuring prism and the process medium is dependent on their refractive index difference. The angle of deflection between the incident beam and the beam passing through it 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 traversing beam on a detector plane perpendicular to the optical axis of the incident beam. Measuring prisms with surfaces inclined towards one another are often used on the surface of the measuring prism that is in contact with the medium. In this case, two focal points are generated, from the distance between which the refractive index of the process medium can be determined.
Nachteilig an bekannten Durchlichtrefraktometern ist, dass sie in der Regel zwei Zugänge zum Prozessmedium benötigen. Ein Durchlicht-Refraktometer mit einem einseitigen Prozesszugang ist in der Patentschrift
In der zum Zeitpunkt des Anmeldetags dieser Anmeldung noch unveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit der Anmeldenummer 102018116409.2 ist ein Durchlicht-Refraktometer mit einseitigem Prozesszugang beschrieben, welches eine gemeinsame Abbildungs- und Beleuchtungsoptik verwendet. Dadurch kann vorteilhaft der Durchmesser eines Zugangs zum Prozessmedium verkleinert werden.In the application of the applicant with the application number 102018116409.2, which was still unpublished at the time of the filing date of this application, a transmitted light refractometer with one-sided process access is described, which uses a common imaging and illumination optics. As a result, the diameter of an access to the process medium can advantageously be reduced.
Allen Refraktometern ist dabei gemein, dass sie ein Messprisma, eine Lichtquelle, eine optische Detektoreinheit zur Detektion des optischen Signals und eine Regel-/Auswerteeinheit zur Reglung und/oder Auswertung des optischen Signal und anschließenden Ermittlung des Brechungsindex des Prozessmediums aufweisen. Der Messbereich des Refraktometers ist dadurch beschränkt, dass das bei der Brechung und/oder Reflexion erzeugte optische Signal von der optischen Detektoreinheit vollständig erfassbar ist.All refractometers have in common that they have a measuring prism, a light source, an optical detector unit for detecting the optical signal and a control / evaluation unit for regulating and / or evaluating the optical signal and then determining the refractive index of the process medium. The measuring range of the refractometer is limited by the fact that the optical signal generated during refraction and / or reflection can be fully detected by the optical detector unit.
Beispielsweise müssen im Falle der Erzeugung von zwei Fokuspunkten (siehe o.g. Durchlichtrefraktometer) beide Fokuspunkte von der optischen Detektoreinheit erfassbar sein. Für den Fall, dass oftmals starke Einschränkungen an die Dimension der optischen Detektoreinheit vorliegen, bspw. bedingt durch kleine Prozesszugänge, weisen aus dem Stand der Technik bekannte Refraktometer einen stark begrenzten Messbereich auf. Es ist daher wünschenswert, ein Refraktometer mit einem vergrößerten Messbereich anzugeben, ohne dabei die optische Detektoreinheit zu vergrößern und/oder die Sensitivität des Refraktometers zu verringern.For example, if two focus points are generated (see the above-mentioned transmitted light refractometer), both focus points must be detectable by the optical detector unit. In the event that there are often severe restrictions on the dimension of the optical detector unit, for example due to small process accesses, refractometers known from the prior art have a very limited measuring range. It is therefore desirable to specify a refractometer with an enlarged measuring range without enlarging the optical detector unit and / or reducing the sensitivity of the refractometer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer anzugeben, das einen vergrößerten Messbereich aufweist.The invention is based on the object of specifying a refractometer which has an enlarged measuring range.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Refraktometer.The object is achieved by a refractometer for determining the refractive index of a process medium and by a method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer according to the invention.
Bezüglich des Refraktometers wird die Aufgabe gelöst durch ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend:
- - mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen,
- - eine optische Detektoreinheit,
- - eine Regel-/Auswerteinheit und
- - ein Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex,
- - jeweils genau eine der mehreren Lichtquellen Licht aussendet und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma einstrahlt,
- - das Licht an der Grenzfläche Lichtbrechung und/oder Reflexion erfährt und zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges optisches Signal erzeugt,
- - die optische Detektoreinheit das zumindest eine erzeugte optische Signal erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit übermittelt, welche das zu dem Betriebsmodus gehörige optische Signal speichert,
- - several, especially at least two, light sources,
- - an optical detector unit,
- - a control / evaluation unit and
- - a measuring prism with a given refractive index,
- - in each case exactly one of the multiple light sources emits light and irradiates it at an interface between the process medium and the measuring prism formed by a surface of the measuring prism that is in contact with the medium
- - the light undergoes refraction and / or reflection at the interface and generates at least one optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium,
- the optical detector unit detects the at least one generated optical signal and transmits it to the control / evaluation unit, which stores the optical signal associated with the operating mode,
Je nach Betriebsmodus d.h. der darin verwendeten Lichtquelle und dem Brechungsindex des Prozessmediums ist das erzeugte optische Signal aus dem jeweiligen Betriebsmodus auf die optische Detektoreinheit abbildbar, nur teilweise abbildbar oder nicht abbildbar. In der Erfindung ist dabei für zumindest einen der Betriebsmodi ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges und mit darin verwendeten Lichtquelle erzeugtes optisches Signal zumindest teilweise von der optischen Detektoreinheit erfassbar. Falls beispielsweise das optische Signal zwei Fokuspunkte umfasst, deren Position vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängt, wird zumindest in einem der Betriebsmodi zumindest einer dieser Fokuspunkte erfasst. Bei der Verwendung der optischen Signale aus allen Betriebsmodi weist das Refraktometer einen vergrößerten Messbereich auf im Vergleich zu einem Refraktometer mit nur einer Lichtquelle, das sonst vergleichbar ausgestaltet ist. Durch diese Vergrößerung des Messbereichs kann das Refraktometer ohne weitere bauliche Maßnahmen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Prozessmedien eingesetzt werden, auch bei vergleichsweise kleinen Prozesszugängen.Depending on the operating mode i.e. the light source used therein and the refractive index of the process medium, the generated optical signal from the respective operating mode can be mapped onto the optical detector unit, only partially mapped or not mapped. In the invention, for at least one of the operating modes, an optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium and generated with the light source used therein can be at least partially detected by the optical detector unit. If, for example, the optical signal comprises two focus points, the position of which depends on the refractive index of the process medium, at least one of these focus points is detected in at least one of the operating modes. When using the optical signals from all operating modes, the refractometer has an enlarged measuring range compared to a refractometer with only one light source, which is otherwise designed in a comparable manner. As a result of this enlargement of the measuring range, the refractometer can be used for a large number of different process media without further structural measures, even with comparatively small process accesses.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich sowohl für die eingangs beschriebenen Durchlicht- als auch Grenzwinkelrefraktometer. Bei Durchlichtrefraktometern handelt es sich bei dem zumindest einen von dem Brechungsindex des Prozessmediums abhängigen optisches Signal bspw. um die Position zumindest eines Fokuspunktes eines Strahlenbündels, welches an der medienberührenden Oberfläche Lichtbrechung erfahren hat. Bei Grenzwinkelrefraktometern handelt es sich bei dem zumindest einen von dem Brechungsindex des Prozessmediums abhängigen optisches Signal bspw. um die Position eines hell-dunkel Übergangs in der Intensität des an der Grenzfläche reflektierten Lichts und einem zu dieser Position gehörigen Einfallswinkel des eingestrahlten Lichts, der dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht.The solution according to the invention is suitable for both the transmitted light and critical angle refractometers described above. In transmitted light refractometers, the at least one optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium is, for example, the position of at least one focal point of a beam which has undergone refraction on the surface in contact with the medium. In critical angle refractometers, the at least one optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium is, for example, the position of a light-dark transition in the intensity of the light reflected at the interface and an angle of incidence of the incident light associated with this position, which is the critical angle corresponds to total reflection.
Bei der zumindest einen Lichtquelle handelt es sich beispielsweise um eine LED.The at least one light source is, for example, an LED.
Die optische Detektoreinheit umfasst bspw. eine Kamera mit einer vorgegeben Anzahl von Pixeln. Es ist z.B. möglich, dass die Kamera genau eine Zeile mit Pixeln umfasst.The optical detector unit includes, for example, a camera with a predetermined number of pixels. It is e.g. possible that the camera comprises exactly one line of pixels.
In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Refraktometer um ein Durchlicht-Refraktometer, aufweisend ein optisches System, mit einer optischen Achse, wobei das optische System und das Messprisma entlang der optischen Achse versetzt zueinander angeordnet sind, und das optische System dazu ausgestaltet ist, aus dem von der jeweiligen Lichtquelle erzeugten Licht ein kolliminiertes Strahlbündel zu erzeugen, wobei das Messprisma zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen aufweist, die an der mediumberührenden Oberfläche des Messprismas angeordnet sind, und wobei die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Neigungsachse und in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, wobei die Neigungsachse senkrecht zur optischen Achse ist.In one embodiment of the invention, the refractometer is a transmitted light refractometer, having an optical system, with an optical axis, the optical system and the measuring prism being offset from one another along the optical axis, and the optical system being configured for this purpose to generate a collimated bundle of rays from the light generated by the respective light source, the measuring prism having at least two flat and mutually inclined surfaces, which on the medium-contacting surface of the measuring prism are arranged, and wherein the two mutually inclined surfaces are each inclined in relation to a plane perpendicular to the optical axis about an inclination axis and in opposite directions, the inclination axis being perpendicular to the optical axis.
Durch die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas werden als optisches Signal zwei Fokuspunkte erzeugt, deren Abstand ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums darstellt. Insbesondere ist die Neigung der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse.The two mutually inclined surfaces of the measuring prism generate two focal points as an optical signal, the distance between them representing a measure of the refractive index of the process medium. In particular, the inclination of the two mutually inclined surfaces is essentially symmetrical to the optical axis.
In einer weiteren Ausgestaltung des Durchlicht-Refraktometers weist dieses ein Umlenkelement auf, wobei das Umlenkelement und das optische System derart entlang der optischen Achse zueinander angeordnet sind, dass
- - das Strahlenbündel in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, wobei das Strahlenbündel an der medienberührende Oberfläche ein erstes Mal Lichtbrechung erfährt,
- - das Strahlenbündel am Umlenkelement umgelenkt wird,
- - das Strahlenbündel in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, wobei das Strahlenbündel an der medienberührende Oberfläche ein zweites Mal Lichtbrechung erfährt, und
- - das optische System anschließend das Strahlenbündel auf die optische Detektoreinheit fokussiert .
- - the bundle of rays crosses the measuring prism and the process medium for the first time in a first pass, the bundle of rays experiencing light refraction for the first time on the surface in contact with the medium,
- - the beam of rays is deflected at the deflection element,
- the bundle of rays traverses the measuring prism and the process medium a second time in a second pass, the bundle of rays experiencing light refraction a second time on the surface in contact with the medium, and
- - The optical system then focuses the beam on the optical detector unit.
Bei dem Umlenkelement handelt es sich beispielsweise um einen Spiegel oder einen Retroreflektor.The deflecting element is, for example, a mirror or a retroreflector.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass (siehe die noch unveröffentlichte Anmeldung mit der Anmeldenummer 102018116409.2) das optische System als eine gemeinsame Abbildungs- und Beleuchtungsoptik dient. Mittels des Umlenkelements wird vorteilhaft das gebrochene Licht in Einstrahlrichtung zurückgelenkt.One advantage of this configuration is that (see the as yet unpublished application with application number 102018116409.2) the optical system serves as a common imaging and illumination optics. By means of the deflection element, the refracted light is advantageously deflected back in the direction of incidence.
Dabei herrschen keine Einschränkungen an die Anordnung des Messprismas im Bezug zu dem Prozessmedium, solange die gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas mediumberührend sind und wie erforderlich die Grenzfläche Prozessmedium-Messprisma vorliegt.There are no restrictions on the arrangement of the measuring prism in relation to the process medium as long as the mutually inclined surfaces of the measuring prism are in contact with the medium and the process medium-measuring prism interface is present, as required.
Bspw. kann das Refraktometer ein Prozessfenster umfassen, durch das das kolliminierte Strahlenbündel vor dem ersten Durchgang in einer 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.E.g. The refractometer can include a process window through which the collimated beam enters the process medium in an entry direction before the first passage and through which the beam subsequently exits the process medium to the second passage 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 bundle of rays first crosses the process medium and then the measuring prism in the first pass, and in the second pass it crosses the measuring prism and then the process medium in reverse order. In relation to the path of the beam of rays of the first passage, the arrangement in this embodiment is therefore the process window-process medium-measuring prism-deflecting 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 kolliminierte 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. Es wird also kein zusätzliches Prozessfenster benötigt.The arrangement of the measuring prism, the 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 bundle of rays first crosses the measuring prism and then the process medium in the first passage, and in the second passage in the reverse order first crosses the process medium and then the measuring prism, whereby The collimated bundle of rays enters the process medium via the measuring prism and exits the process medium via the measuring prism. The advantage of this embodiment is that the measuring prism itself serves as a process window. So there is no need for an additional process window.
In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers umfasst die optische Detektoreinheit eine Kamera mit zumindest einer in einer Detektorebene angeordneten Pixelzeile, deren Pixel entlang einer zu einer zur optischen Achse und zur Neigungsachse im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Zeilenrichtung angeordnet sind, und wobei die mehreren Lichtquellen entlang einer Lichtquellenrichtung versetzt angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Zeilenrichtung ist.In a further development of the transmitted light refractometer, the optical detector unit comprises a camera with at least one pixel line arranged in a detector plane, the pixels of which are arranged along a line direction that is essentially perpendicular to the optical axis and the inclination axis, and wherein the multiple light sources are arranged along a Light source direction are arranged offset, which is substantially parallel to the row direction.
In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers ist eine der Lichtquellen als eine zentral angeordnete Lichtquelle ausgestaltet, die im Wesentlichen an einem gedachten Schnittpunkt einer zu der optische Achse entlang des Neigungsachse parallel verschobenen Parallelachse mit der Lichtquellenrichtung angeordnet ist. Insbesondere wird das von der zentral angeordneten Lichtquelle ausgesandte Licht entlang der optischen Achse des optischen Systems kolliminiert.In a further development of the transmitted light refractometer, one of the light sources is designed as a centrally arranged light source, which is essentially arranged at an imaginary intersection of a parallel axis displaced parallel to the optical axis along the inclination axis and the light source direction. In particular, the light emitted by the centrally arranged light source is collimated along the optical axis of the optical system.
In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers ist zumindest eine der Lichtquellen als eine dezentral angeordnete Lichtquelle ausgestaltet, die in der Lichtquellenrichtung in Bezug auf einen gedachten Schnittpunkt einer zu der optische Achse entlang der Neigungsachse parallel verschobenen Parallelachse mit der Lichtquellenrichtung von dem Schnittpunkt in Lichtquellenrichtung mit einem Abstand angeordnet ist.In a further development of the transmitted light refractometer, at least one of the light sources is designed as a decentrally arranged light source, which in the light source direction with respect to an imaginary point of intersection of one to the optical Axis parallel axis displaced in parallel with the light source direction is arranged at a distance from the point of intersection in the light source direction.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung weist das Durchlicht-Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen auf, wobei insbesondere ein erster Abstand zwischen der ersten dezentral angeordneten Lichtquelle und dem gedachten Schnittpunkt mit einem zweiten Abstand zwischen der zweiten dezentral angeordneten Lichtquelle und dem gedachten Schnittpunkt übereinstimmt, so dass die beiden dezentral angeordneten Lichtquellen um den gedachten Schnittpunkt in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch angeordnet sind.In one embodiment of this development, the transmitted light refractometer has two decentrally arranged light sources, in particular a first distance between the first decentrally arranged light source and the imaginary intersection point coincides with a second distance between the second decentrally arranged light source and the imaginary intersection point, so that the two decentrally arranged light sources are arranged symmetrically around the imaginary intersection point in opposite directions.
In einer Ausgestaltung des Durchlichtrefraktometers erzeugt jede der Lichtquellen auf der Detektorebene
- - zwei äußere Fokuspunkte, deren Position in Zeilenrichtung abhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums ist und
- - einen zwischen den beiden Fokuspunkten zentral angeordneten Fix-Fokuspunkt, dessen Position in Zeilenrichtung unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums ist,
wobei die dezentralen Lichtquellen derart angeordnet sind, insbesondere deren Abstand so gewählt ist, dass
- - für alle dezentralen Lichtquellen deren Fix-Fokuspunkt auf die Pixelzeile abbildbar ist und
für alle dezentralen Lichtquellen und alle Brechungsindizes des Prozessmediums aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte der dezentralen Lichtquellen auf die Pixelzeile abbildbar ist.In one embodiment of the transmitted light refractometer, each of the light sources generates on the detector plane
- - two outer focus points, the position of which in the line direction depends on the refractive index of the process medium and
- - a fixed focus point located centrally between the two focus points, the position of which in the line direction is independent of the refractive index of the process medium,
wherein the decentralized light sources are arranged, in particular their spacing is chosen so that
- - for all decentralized light sources whose fixed focus point can be mapped onto the pixel line and
for all decentralized light sources and all refractive indices of the process medium from the measuring range of the refractometer at least one of the outer focus points of the decentralized light sources can be mapped onto the pixel line.
In einer zu dem Durchlicht-Refraktometer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Refraktometer um ein Grenzwinkel-Refraktometer, das derart ausgestaltet ist, dass
- - eine erste der Lichtquellen das Licht auf die mediumberührende Oberfläche des Messprismas unter einem ersten Winkelbereich einstrahlt,
- - eine zweite der Lichtquellen das Licht auf die mediumberührende Oberfläche des Messprismas unter einem zweiten Winkelbereich einstrahlt,
- - wobei der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich einen Überlapp aufweisen, insbesondere einen Überlapp von zumindest 5% der Spanne des ersten und/oder zweiten Winkelbereichs,
- - und wobei alle Lichtquellen die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der mediumberührenden Oberfläche des Messprismas ausleuchten.
- - a first of the light sources radiates the light onto the medium-contacting surface of the measuring prism at a first angular range,
- - a second of the light sources radiates the light onto the medium-contacting surface of the measuring prism at a second angular range,
- - wherein the first angular range and the second angular range have an overlap, in particular an overlap of at least 5% of the span of the first and / or second angular range,
- - and wherein all light sources illuminate essentially the same area on the medium-contacting surface of the measuring prism.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem Refraktometer, insbesondere einem erfindungsgemäßen Refraktometer, aufweisend:
- - mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen,
- - eine optische Detektoreinheit,
- - eine Regel-/Auswerteinheit und
- - ein Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex,
wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist,
und wobei das Refraktometer zeitlich aufeinanderfolgend in verschiedenen Betriebsmodi betrieben wird, in denen
- - jeweils von genau einer der mehreren Lichtquelle Licht ausgesandt und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma eingestrahlt wird,
- - das Licht an der Grenzfläche gebrochen und/oder reflektiert wird, wobei zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges optisches Signal erzeugt wird,
- - das zumindest eine erzeugte optische Signal von der optischen Detektoreinheit erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit übermittelt, wird, wobei das zu dem jeweiligen Betriebsmodi gehörige optische Signal gespeichert wird,
und wobei von der Regel-/Auswerteinheit anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale aus allen Betriebsmodi und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt wird.With regard to the method, the object is achieved by a method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer, in particular a refractometer according to the invention, having:
- - several, especially at least two, light sources,
- - an optical detector unit,
- - a control / evaluation unit and
- - a measuring prism with a given refractive index,
wherein the light sources can each be controlled separately by the control / evaluation unit and wherein the refractometer can be operated in different operating modes,
and wherein the refractometer is operated successively in time in different operating modes in which
- - Light is emitted from exactly one of the multiple light sources and irradiated to an interface between the process medium and the measuring prism formed by a surface of the measuring prism that is in contact with the medium
- - the light is refracted and / or reflected at the interface, with at least one optical signal dependent on the refractive index of the process medium being generated,
- the at least one generated optical signal is detected by the optical detector unit and transmitted to the control / evaluation unit, the optical signal associated with the respective operating mode being stored,
and wherein the control / evaluation unit determines the refractive index of the process medium based on the entirety of the stored optical signals from all operating modes and based on the specified refractive index of the measuring prism.
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.The invention is explained in more detail with reference to the following figures, which are not true to scale, wherein the same reference symbols denote the same features. If it is necessary for clarity or if it appears to be useful in some other way, the already mentioned reference symbols are dispensed with in the following figures.
Es zeigen:
-
1 : Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Refraktometers als Durchlichtrefraktometer in einer Schnittansicht; -
2a ,2b : Ein Detail einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Refraktometers in einer weiteren Ansicht; -
3 : Ein Grenzwinkelrefraktometer nach dem Stand der Technik; -
4 ,4a, b ,c : Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers als Grenzwinkelrefraktometer; -
5 : Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers als Grenzwinkelrefraktometer.
-
1 : A first embodiment of the refractometer according to the invention as a transmitted light refractometer in a sectional view; -
2a ,2 B : A detail of a further embodiment of the refractometer according to the invention in a further view; -
3 : A critical angle refractometer according to the prior art; -
4th ,4a, b ,c : Another embodiment of a refractometer according to the invention as a critical angle refractometer; -
5 : Another embodiment of a refractometer according to the invention as a critical angle refractometer.
In
Beim Austritt aus dem Messprisma
Dabei werden jedem der Betriebsmodi
Der Fix-Fokuspunkt
Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten
In der hier gezeigten Ausgestaltung ist das Material für das Messprisma
Je kleiner der Brechungsindex des Prozessmediums
In einem weiteren Betriebsmodus
In
Ferner weist das Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen
Ist das Refraktometer wie schon in
Die in dem ersten Betriebsmodus
Dies ist hier für den ersten Betriebsmodus
Durch die Verwendung der äußeren Fokuspunkte
Für den Fall, dass es sich um ein getrübtes Prozessmedium
Ungeachtet der Tatsache, dass in dem Ausführungsbeispiel die Erfindung mit drei Lichtquellen
In der in
Ferner kann das Refraktometer ggf. noch einen hier nicht explizit gezeigten und bspw. als Pt100 ausgestalteten Temperatursensor umfassen. Dieser misst zusätzlich die Temperatur des Prozessmediums
Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer kann durch die Verwendung von mehreren, separat ansteuerbaren Lichtquellen
Würde man in
Nachteilig an einer Verwendung einer Blende
Eine Möglichkeit, denselben Effekt ohne eine explizite Verkippung der Lichtquellen
Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer umfasst die Erfindung also eine Anordnung von mindesten 2 separat ansteuerbaren Lichtquellen
Die Lichtflecken der einzelnen Lichtquellen
In der hier erläuterten Ausgestaltung wurde eine Erweiterung der Winkelbereichs auf Seiten der Beleuchtung diskutiert. Selbstverständlich muss auch die optische Detektoreinheit
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 21,22,2321,22,23
- LichtquellenLight sources
- 44th
- Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
- 55
- Kameracamera
- 66th
- MessprismaMeasuring prism
- 77th
- optische Detektoreinheitoptical detector unit
- 88th
- optisches Systemoptical system
- 8181
- optisches Systemoptical system
- 99
- UmlenkelementDeflection element
- 1010
- Blendecover
- 1111
- LichtleiterLight guide
- PMPM
- ProzessmediumProcess medium
- OSOS
- optisches Signaloptical signal
- zz
- optische Achseoptical axis
- z'z '
- ParallelachseParallel axis
- xx
- NeigungsachseSlope axis
- y zury to
- optischen Achse und Neigungsachse senkrechte Achseoptical axis and tilt axis vertical axis
- y'y '
- LichtquellenrichtungLight source direction
- PZPZ
- PixelzeilePixel line
- OFOF
- medienberührende Oberflächemedia-contacting surface
- OF1,OF2OF1, OF2
- gegeneinander geneigte Oberflächensurfaces inclined against each other
- SB,SB1,SB2SB, SB1, SB2
- Strahlenbündel, erster/zweiter Anteil StrahlenbündelBeams, first / second portion of beams
- SPSP
- SchnittpunktIntersection
- LZLZ
- zentral angeordnete Lichtquellecentrally arranged light source
- LD1, LD2LD1, LD2
- dezentral angeordnete Lichtquellendecentrally arranged light sources
- BM1,BM2,BM3BM1, BM2, BM3
- BetriebsmodiOperating modes
- FF,FP1;FP2FF, FP1; FP2
- FokuspunkteFocus points
- α1- α2, β1- β2,γ1 - γ2α1- α2, β1- β2, γ1 - γ2
- WinkelbereicheAngular ranges
- F1,F2,F3F1, F2, F3
- FasernFibers
- dd
- FaserabstandFiber spacing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- DE 102007050731 B3 [0006]DE 102007050731 B3 [0006]
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