DE102019108561A1 - Refractometer and method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer - Google Patents

Refractometer and method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer Download PDF

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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 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 as well as the angle of incidence, the light irradiated at an interface between the process medium and the measuring prism is partially refracted into the process medium and reflected or completely reflected. The critical angle of 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 from this. Abbe refractometers are described in the most varied of configurations in the prior art, for example in DE 1994 47 98 A1 .

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 DE 10 2007 05 07 31 B3 beschrieben. In dem darin beschriebenen Refraktometer wird über einen einzigen Prozesszugang Licht eingestrahlt, das mittels einer Beleuchtungsoptik kolliminiert wird, an einer Umlenkoptik umgelenkt wird, anschließend das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, und durch eine Abbildungsoptik auf eine Detektorebene fokussiert wird. Die Detektorebene ist vorteilhaft auf der Einstrahlseite angeordnet, wodurch der einseitige Zugang zum Prozessmedium ermöglicht wird.The disadvantage of known transmitted light refractometers is that they generally require two accesses to the process medium. A transmitted light refractometer with a one-sided process access is in the patent DE 10 2007 05 07 31 B3 described. In the refractometer described therein, light is radiated in via a single process access, which is collimated by means of illumination optics, is deflected by deflection optics, then crosses the process medium and the measuring prism, and is focused on a detector plane by imaging optics. The detector plane is advantageously arranged on the irradiation side, which enables one-sided access to the process medium.

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,
wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist, in denen
  • - 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,
und wobei die Regel-/Auswerteinheit dazu ausgestaltet ist, anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale aus allen Betriebsmodi und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas den Brechungsindex des Prozessmediums zu bestimmen.With regard to the refractometer, the object is achieved by a refractometer for determining the refractive index of a process medium, 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 in which
  • - 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,
and wherein the control / evaluation unit is designed to determine the refractive index of the process medium on the basis of the entirety of the stored optical signals from all operating modes and on the basis of the specified refractive index of the measuring prism.

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 .
In a further embodiment of the transmitted light refractometer, it has a deflecting element, the deflecting element and the optical system being arranged relative to one another along the optical axis in such a way that
  • - 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.
In an alternative embodiment to the transmitted light refractometer, the refractometer is a critical angle refractometer which is designed such that
  • - 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.
Show it:
  • 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 1 ist eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers zur Messung des Brechungsindex eines Prozessmediums PM dargestellt. Dieses weist zwei Lichtquellen 21,22 auf, die in entlang einer Lichtquellenrichtung y' versetzt angeordnet sind. In einem ersten Betriebsmodus BM1 wird das Licht einer ersten Lichtquelle 21 mittles eines optischen Systems 8 entlang dessen optischer Achse z kolliminiert und durchquert anschließend das Messprisma 6. Dieses weist auf einer in einem Messbetrieb medienberührenden Oberfläche OF zwei um eine Neigungsachse x gegeneinander geneigte Oberflächen OF1,OF2 auf. Das Strahlenbündel des kolliminierten Lichts weist dabei einen ersten Anteil SB1 auf, der an der ersten Oberfläche OF1 Lichtbrechung erfährt, und einen zweiten Anteil SB2 auf, der an der zweiten Oberfläche OF2 Lichtbrechung erfährt.In 1 is a first embodiment of a refractometer according to the invention for measuring the refractive index of a process medium PM shown. This has two light sources 21st , 22nd which are arranged offset along a light source direction y '. In a first operating mode BM1 becomes the light of a first light source 21st by means of an optical system 8th along its optical axis z collimates and then crosses the measuring prism 6th . This points to a surface that comes into contact with the medium in a measuring operation OF two around an axis of inclination x surfaces inclined against each other OF1 , OF2 on. The beam of the collimated light has a first component SB1 on that on the first surface OF1 Refraction experiences, and a second part SB2 on that on the second surface OF2 Experiences light refraction.

Beim Austritt aus dem Messprisma 6 über die medienberührenden Oberflächen OF1,OF2 findet eine erste, vom Brechungsindex des Prozessmediums PM abhängige Lichtbrechung statt. Nun wird mittels eines Umlenkelements 9 jeweils das gebrochene Strahlenbündel SB1,SB2 reflektiert und erfährt bei einem zweiten Übergang zwischen Prozessmedium PM und Messprisma 6 erneut Lichtbrechung. Anschließend werden die Strahlenbündel SB1,SB2 mittels des optischen Systems 8 auf eine auf der Einstrahlseite des Lichts angeordneten optischen Detektoreinheit 7 mit einer Kamera 5 zurückfokussiert, wobei in einer Detektorebene Fokuspunkte FF,FP1,FP2 erzeugt werden.When exiting the measuring prism 6th over the media-contacting surfaces OF1 , OF2 finds a first, from the refractive index of the process medium PM dependent refraction takes place. Now by means of a deflection element 9 each the refracted bundle of rays SB1 , SB2 reflects and experiences a second transition between process medium PM and measuring prism 6th again refraction. Then the bundles of rays SB1 , SB2 by means of the optical system 8th on an optical detector unit arranged on the incident side of the light 7th with a camera 5 focussed back, with focal points in a detector plane FF , FP1 , FP2 be generated.

Dabei werden jedem der Betriebsmodi BM1,BM2,BM3,.,, zwei äußere Fokuspunkte FP1,FP2 erzeugt, deren Abstand in Zeilenrichtung y ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt. Ferner wird ein zwischen den beiden Fokuspunkten FP1,FP2, zentral angeordneter Fix-Fokuspunkt FF erzeugt, dessen Position in Zeilenrichtung y unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums PM ist.Thereby each of the operating modes BM1 , BM2 , BM3 ,. ,, two outer focus points FP1 , FP2 generated, their spacing in line direction y a measure of the refractive index of the process medium PM represents. Furthermore, there is a between the two focal points FP1 , FP2 , centrally arranged fixed focus point FF its position in line direction y regardless of the refractive index of the process medium PM is.

Der Fix-Fokuspunkt FF wird durch einen in der Mitte des Strahlenbündels SB angeordneten Anteil erzeugt, der bei dem ersten Durchgang an einer ersten der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1;OF2 das erste Mal Lichtbrechung und bei dem zweiten Durchgang an der zweiten der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF2;OF1 das zweite Mal Lichtbrechung erfährt. Diese beiden Brechungen heben sich für den Fall eines zu der optischen Achse z symmetrischen Messprismas 6 gegenseitig auf.The fixed focus point FF is through one in the middle of the beam SB arranged portion generated, which in the first pass on a first of the two mutually inclined surfaces OF1 ; OF2 the first time light refraction and the second pass on the second of the two mutually inclined surfaces OF2 ; OF1 experiences refraction the second time. These two refractions cancel each other out for the case of one about the optical axis z symmetrical measuring prism 6th each other up.

Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten FP1,FP2 in einer zu der Neigungsachse x und der optischen Achse z im Wesentlichen senkrechten Zeilenrichtung y stellt damit ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM dar. Hierbei umfasst die Kamera zumindest eine Pixelzeile PZ (vgl. 2a,2b), die entlang der Zeilenrichtung y angeordnet ist, welche senkrecht zur optischen Achse z und zu der Neigungsachse x ist. Die vorstehend erwähnte Lichtquellenrichtung y' ist wiederum parallel zur der Zeilenrichtung y.The distance between the two focal points FP1 , FP2 in one to the tilt axis x and the optical axis z essentially vertical line direction y thus represents a measure of the refractive index of the process medium PM Here the camera comprises at least one line of pixels PZ (see. 2a , 2 B) running along the line direction y is arranged which is perpendicular to the optical axis z and to the slope axis x is. The above-mentioned light source direction y ' is again parallel to the row direction y .

In der hier gezeigten Ausgestaltung ist das Material für das Messprisma 6 derart gewählt, dass dessen Brechungsindex nG größer ist als alle Werte für den Brechungsindex des Prozessmediums aus dem Messbereich des Refraktometers nM. Nach oben ist der Messbereich also durch die Wahl des Materials für das Messprisma begrenzt, welches typischerweise ein Glas oder Saphir umfasst.In the embodiment shown here, the material is for the measuring prism 6th chosen such that its refractive index nG is greater than all values for the refractive index of the process medium from the measuring range of the refractometer nM. The upper limit of the measuring range is therefore limited by the choice of material for the measuring prism, which typically comprises a glass or sapphire.

Je kleiner der Brechungsindex des Prozessmediums PM, desto größer ist der Abstand zwischen den äußeren Fokuspunkten FP1,FP2. Hierbei kann für kleine Brechungsindizes des Prozessmediums PM der Fall auftreten, dass die in dem ersten Betriebsmodus BM1 erzeugten Fokuspunkte FP1,FP2 nicht mehr von der Kamera erfassbar sind. Es wird dann nur noch der zwischen den Fokuspunkten F1,F2 angeordnete Fix-Fokuspunkt FF erfasst.The smaller the refractive index of the process medium PM the greater the distance between the outer focus points FP1 , FP2 . This can be used for small refractive indices of the process medium PM the case that occur in the first operating mode BM1 generated focus points FP1 , FP2 can no longer be detected by the camera. It will then only be the one between the focal points F1 , F2 arranged fixed focus point FF detected.

In einem weiteren Betriebsmodus BM2 mit der in der Lichtquellenrichtung y' versetzten, weiteren Lichtquelle 22 können weitere Fokuspunkte FP1,FP2,FF erzeugt werden, wodurch der Messbereich des erfindungsgemäßen Refraktometers nach unten vergrößert ist, im Vergleich zu einem ansonsten identisch ausgestalteten Refraktometer, welches nur die erste Lichtquelle 21 aufweist. Diese Vergrößerung des Messbereichs mittels der separat ansteuerbaren Lichtquellen 21,22 ist im Folgenden für ein Durchlichtrefraktometer im Zusammenhang mit 2a,2b detailliert erläutert.In another operating mode BM2 with the further light source offset in the light source direction y ' 22nd can add more focus points FP1 , FP2 , FF are generated, whereby the measuring range of the refractometer according to the invention is enlarged downwards, compared to an otherwise identically designed refractometer, which only the first light source 21st having. This enlargement of the measuring range by means of the separately controllable light sources 21st , 22nd is below related to a transmitted light refractometer 2a , 2 B explained in detail.

In 2a ist eine zentral angeordnete Lichtquelle als schwarz-gefüllter Punkt in einer Ansicht gezeigt, die in Bezug zu der in 1 gezeigten Ansicht um 90° um die Zeilenachse y gedreht ist. Die zentral angeordnete Lichtquelle LZ ist dabei an einem Schnittpunkt SP zwischen einer Parallelachse z' und der Lichtquellenrichtung y' angeordnet, wobei die Parallelachse z' in Neigungsrichtung x parallel zu der optischen Achse z verschoben ist. Die zentral angeordnete Lichtquelle LZ entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten ersten Lichtquelle 21.In 2a a centrally arranged light source is shown as a black-filled point in a view which is related to that in FIG 1 shown view by 90 ° around the line axis y is rotated. The centrally arranged light source LZ is at an intersection SP between a parallel axis z 'and the light source direction y ' arranged with the parallel axis z ' in the direction of inclination x parallel to the optical axis z is shifted. The centrally arranged light source LZ essentially corresponds to the in 1 shown first light source 21st .

Ferner weist das Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen LD1,LD2 auf, die entlang der Lichtquellenrichtung y' versetzt angeordnet sind und jeweils mit einen Abstand y1, y2 von der zentral angeordneten Lichtquelle LZ beabstandet sind. Die dezentral angeordneten Lichtquellen LD1,LD2 sind in 2a als verschieden schraffierte Kreise dargestellt. Bevorzugt stimmt der erste Abstand y1 mit dem zweiten Abstand y2 überein. Bei der optischen Detektoreinheit 7 handelt es sich um die Kamera 5 mit einer Pixelzeile PZ, die entlang der Zeilenrichtung y angeordnet ist. Die Pixel sind hier als ungefüllte Kreise dargestellt.The refractometer also has two decentrally arranged light sources LD1 , LD2 on that along the light source direction y ' are arranged offset and each with a distance y1 , y2 from the centrally arranged light source LZ are spaced. The decentralized light sources LD1 , LD2 are in 2a shown as different hatched circles. The first distance is preferably correct y1 with the second distance y2 match. With the optical detector unit 7th it is about the camera 5 with a line of pixels PZ running along the line direction y is arranged. The pixels are shown here as unfilled circles.

Ist das Refraktometer wie schon in 1 gezeigt ausgestaltet, werden in jedem der Betriebsmodi BM1,BM2,BM3 die zwei äußeren Fokuspunkte FP1,FP2 in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugt, deren Abstand in y-Richtung ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt. Die erste dezentral angeordnete Lichtquelle LD1 wird in diesem Ausführungsbeispiel im zweiten Betriebsmodus BM2 und die zweite dezentral angeordnete Lichtquelle LD2 im dritten Betriebsmodus BM3 verwendet. Zur besseren Identifikation der Fokuspunkte FP1,FP2, FF mit den Betriebsmodi BM1,BM2,BM3 sind in 2b in der unteren Bildhälfte die jeweiligen Fokuspunkte FP1;FP2; FF entsprechend der jeweils bei ihrem Erzeugen verwendeten Lichtquelle LZ;LD1;LD2 dargestellt, nämlich als schwarz gefüllte bzw. als unterschiedlich schraffierte Kreise. Der Abstand y1,y2 ist nun so gewählt, dass für alle Lichtquellen LZ;LD1;LD2 deren Fix-Fokuspunkt FF auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar ist und für alle dezentralen Lichtquellen LD1,LD2 und alle Brechungsindizes des Prozessmediums PM aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte FP1, FP2 der dezentralen Lichtquellen LD1,LD2 auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar ist.Is the refractometer like in 1 shown are configured in each of the operating modes BM1 , BM2 , BM3 the two outer focus points FP1 , FP2 in the plane of the optical detector unit 7th generated whose distance in the y-direction is a measure of the refractive index of the process medium PM represents. The first decentralized light source LD1 is in this embodiment in the second operating mode BM2 and the second decentrally arranged light source LD2 in the third operating mode BM3 used. For better identification of the focus points FP1 , FP2 , FF with the operating modes BM1 , BM2 , BM3 are in 2 B in the lower half of the picture the respective focus points FP1 ; FP2 ; FF according to the light source used in their creation LZ ; LD1 ; LD2 shown, namely as filled black or as differently hatched circles. The distance y1 , y2 is now chosen so that for all light sources LZ ; LD1 ; LD2 their fixed focus point FF on the pixel line PZ the camera 5 can be mapped and for all decentralized light sources LD1 , LD2 and all refractive indices of the process medium PM at least one of the outer focus points from the measuring range of the refractometer FP1 , FP2 of decentralized light sources LD1 , LD2 on the pixel line PZ the camera 5 is mappable.

Die in dem ersten Betriebsmodus BM1 in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugten äußern Fokuspunkte FP1,FP2 der zentralen Lichtquelle LZ müssen dabei nicht mehr unbedingt für alle Brechungsindizes des Prozessmediums PM aus dem Messbereich des Refraktometers auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sein. Je nach Brechungsindex des Prozessmediums kann gegebenenfalls nur jeweils ein äußerer Fokuspunkt FP1;FP2 aus dem zweiten und dritten Betriebsmodus BM2,BM3 auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sein.Those in the first mode of operation BM1 in the plane of the optical detector unit 7th generated outward focus points FP1 , FP2 the central light source LZ no longer necessarily have to be used for all refractive indices of the process medium PM from the measuring range of the refractometer to the pixel line PZ the camera 5 be mappable. Depending on the refractive index of the process medium, only one outer focal point may be possible FP1 ; FP2 from the second and third operating mode BM2 , BM3 on the pixel line PZ the camera 5 be mappable.

Dies ist hier für den ersten Betriebsmodus BM1 gezeigt. Hier sind die in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugten äußern Fokuspunkte FP1, FP2 der zentralen Lichtquelle LZ nicht mehr auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar, so dass in dem ersten Betriebsmodus BM1 nur der zentral angeordnete Fix-Fokuspunkt FF von der optischen Detektoreinheit 7 erfasst wird. Da die beiden äußeren Fokuspunkte FP1,FP2 (gefüllte schwarze Kreise) nicht mehr auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sind, lässt sich daher aus dem ersten Betriebsmodus BM1 alleine nicht mehr der Brechungsindex des Prozessmediums PM bestimmen.This is here for the first mode of operation BM1 shown. Here are those in the plane of the optical detector unit 7th generated outward focus points FP1 , FP2 the central light source LZ no longer on the pixel line PZ the camera 5 mapable so that in the first operating mode BM1 only the centrally arranged fixed focus point FF from the optical detector unit 7th is captured. Because the two outer focus points FP1 , FP2 (filled black circles) no longer on the pixel line PZ the camera 5 can therefore be mapped from the first operating mode BM1 alone no longer the refractive index of the process medium PM determine.

Durch die Verwendung der äußeren Fokuspunkte FP1,FP2 aus einem der weiteren Betriebsmodi BM2,BM3 lässt sich ein Abstand d3= 2*d31 oder d3= 2*d32 zu jeweils dem mittleren Fix-Fokuspunkte FF aus diesem Betriebsmodus BM2;BM3 bestimmen. Der Abstand d3 stellt dann ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM dar. Gegebenenfalls kann auch über die beiden Betriebsmodi BM2 und BM3 gemittelt werden, und ein Abstand d3= ½(2*d31+2*d32) = d31 + d32 verwendet werden.By using the outer focus points FP1 , FP2 from one of the other operating modes BM2 , BM3 a distance d3 = 2 * d31 or d3 = 2 * d32 to the respective central fixed focus point can be achieved FF from this operating mode BM2 ; BM3 determine. The distance d3 then represents a measure of the refractive index of the process medium PM If necessary, you can also use the two operating modes BM2 and BM3 are averaged, and a distance d3 = ½ (2 * d31 + 2 * d32) = d31 + d32 is used.

Für den Fall, dass es sich um ein getrübtes Prozessmedium PM handelt, kann der mittlere Fix-Fokuspunkt FF, je nach Brechungsindex des Prozessmediums PM, nur von geringer Lichtintensität und damit sehr schwach ausgeprägt sein. Um nicht auf den mittleren Fix-Fokuspunkt FF angewiesen sein zu müssen, kann alternativ oder zusätzlich auch ein Abstand d3' zwischen den äußeren Fokuspunkten FP2,FP1 aus jeweils unterschiedlichen Betriebsmodi BM2,BM3 verwendet werden. Der Abstand d3, welcher das Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt, ergibt sich nun über d3 = d3' + y1 + y2. In diesem Fall muss der Abstand der dezentralen Lichtquellen LD1, LD2 voneinander, d.h. y1 + y2, jedoch sehr genau bekannt sein, da sich jeder Drift dieses Abstands im Messergebnis wiederspiegelt.In the event that the process medium is cloudy PM the central fixed focus point FF , depending on the refractive index of the process medium PM , only of low light intensity and therefore very weak. So as not to be on the central fixed focus point FF Alternatively or additionally, a distance d3 'between the outer focal points can also be instructed FP2 , FP1 from different operating modes BM2 , BM3 be used. The distance d3, which is the measure of the refractive index of the process medium PM is now obtained from d3 = d3 '+ y1 + y2. In this case, the distance between the decentralized light sources must be LD1 , LD2 from each other, ie y1 + y2, must be known very precisely, since every drift of this distance is reflected in the measurement result.

Ungeachtet der Tatsache, dass in dem Ausführungsbeispiel die Erfindung mit drei Lichtquellen LZ,LD1,LD2 erläutert wurde, sind also zwei Lichtquellen ausreichend für die Ausgestaltung als Durchlicht-Refraktometer mit erweitertem Messbereich, bspw. eine zentrale Lichtquelle LZ und eine dezentrale Lichtquelle LD1 oder zwei dezentrale Lichtquellen LD1,LD2.Notwithstanding the fact that in the embodiment the invention with three light sources LZ , LD1 , LD2 has been explained, two light sources are sufficient for the design as a transmitted light refractometer with an extended measuring range, for example a central light source LZ and a decentralized light source LD1 or two decentralized light sources LD1 , LD2 .

In der in 1 gezeigten Ausgestaltung als Durchlichtrefraktometer können das Messprisma 6 und das Prozessmedium PM wie bspw. in der 102018116409.2 gezeigt auch in umgekehrter Reihenfolge zueinander angeordnet sein, wobei in diesem Fall ein zusätzliches Prozessfenster benötigt wird.In the in 1 The embodiment shown as a transmitted light refractometer can use the measuring prism 6th and the process medium PM As shown, for example, in 102018116409.2, they can also be arranged in the reverse order to one another, in which case an additional process window is required.

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 PM und übermittelt diese an die Regel-/Auswerteeinheit 4. Die vom Temperatursensor gemessene Temperatur wird vorteilhaft z.B. bei der Berechnung einer vom Brechungsindex abhängigen Zuckerkonzentration des Prozessmediums PM berücksichtigt.Furthermore, the refractometer can optionally also include a temperature sensor not explicitly shown here and configured, for example, as a Pt100. This also measures the temperature of the process medium PM and transmits this to the control / evaluation unit 4th . The temperature measured by the temperature sensor is advantageous, for example, when calculating a sugar concentration in the process medium that is dependent on the refractive index PM considered.

Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer kann durch die Verwendung von mehreren, separat ansteuerbaren Lichtquellen 21,22,23, insb. zumindest zweier Lichtquellen, eine Erweiterung des Messbereichs erreicht werden. Dies ist in den 3 bis 5 näher dargestellt.Even in the embodiment as a critical angle refractometer, the use of several separately controllable light sources 21st , 22nd , 23 , especially at least two light sources, an expansion of the measuring range can be achieved. This is in the 3 to 5 shown in more detail.

3 erläutert das im Stand der Technik bekannte Messprinzip eines Grenzwinkelrefraktometers, bei dem das Licht einer Lichtquelle, bspw. mittels eines optischen Systems 81, unter verschiedenen Winkeln α auf eine Prozessmedium PM- berührende Grenzfläche OF eines Messprismas 6 eingestrahlt wird. Die Beleuchtung (d.h. Lichtquelle 21 und das optische System 81) sind dabei so ausgelegt, dass an unterschiedlichen Orten das Licht in unterschiedlichen Winkeln auf die Grenzfläche OF trifft (ortsaufgelöstes Winkelspektrum). An einem hell-dunkel Übergang des reflektierten Lichts ist der Grenzwinkel der Totalreflexion und daraus der Brechungsindex des Prozessmediums PM bestimmbar. In dem hier gezeigten Beispiel wird Licht unter den Winkeln α eingestrahlt, die zwischen dem Winkeln α1 und α2 liegen. Im Beispiel in 3 wächst der Einstrahlwinkel α innerhalb der beleuchteten Fläche von links nach rechts an. Um den Grenzwinkel zu bestimmen, muss dieser Einstrahlwinkel α zwischen α1 und α2 liegen. Die Winkel α1 und α2 begrenzen somit den Messbereich des Refraktometers. Eine Erweiterung des Messbereich, bei der die ausgeleuchtete Grenzfläche OF nicht vergrößert werden muss, wird dadurch erreicht, dass separat ansteuerbare Lichtquellen 21,22,23 verwendet werden. Diese beleuchten die im wesentlichen gleiche Fläche auf der Grenzfläche OF, aber aus jeweils unterschiedlichen Winkelbereichen α1-α2, β1-β2 und γ1-γ2. Hierbei ist mittels eines leichten Überlappens von benachbarten Winkelbereichen (also z.B. indem α2 > β1 und β2 > γ1 ist) sichergestellt, dass es keine Lücken im Messbereich gibt, wobei der Überlapp bspw. mindestens 5% aufweist. Für den Fall, dass die Winkelbereiche α1- α2, β1- β2 und γ1- γ2 unterschiedlich groß sind, ist als Bezugsgröße für die relative Angabe für den Überlapp bspw. der größte Winkelbereich zu nehmen. 3 explains the measuring principle of a critical angle refractometer known in the prior art, in which the light from a light source, for example by means of an optical system 81 , at different angles α on a process medium PM - contacting interface OF a measuring prism 6th is irradiated. The lighting (i.e. light source 21st and the optical system 81 ) are designed in such a way that the light hits the interface at different locations at different angles OF hits (spatially resolved angular spectrum). At a light-dark transition of the reflected light is the critical angle of total reflection and from this the refractive index of the process medium PM determinable. In the example shown here, light is irradiated at the angles α, which is between the angles α1 and α2 lie. In the example in 3 the angle of incidence α increases from left to right within the illuminated area. In order to determine the critical angle, this angle of incidence α must be between α1 and α2 lie. The angles α1 and α2 thus limit the measuring range of the refractometer. An extension of the measuring range in which the illuminated interface OF does not have to be enlarged, is achieved in that separately controllable light sources 21st , 22nd , 23 be used. These illuminate essentially the same area on the interface OF , but from different angular ranges α1-α2 , β1-β2 and γ1-γ2 . A slight overlap of adjacent angular ranges (i.e., for example, where α2> β1 and β2> γ1) ensures that there are no gaps in the measuring range, the overlap being at least 5%, for example. In the event that the angular ranges α1- α2 , β1- β2 and γ1- γ2 are of different sizes, the largest angular range, for example, is to be taken as the reference value for the relative information for the overlap.

Würde man in 3 wie in der in 1 gezeigten Ausgestaltung mehrere in einer Lichtquellenrichtung versetzt angeordnete Lichtquellen 21,22,23 verwenden, so würden zwar wie gewollt überlappende Winkelbereiche α1- α2, β1- β2 und γ1- γ2 auftreten, jedoch würde gleichzeitig eine Verschiebung im Ortsraum auftreten, d.h. gleichzeitig eine größere Kamera 5 benötigt werden. Dies lässt sich z.B. durch eine Blende 10 vermeiden. In 4, 4a, 4b ist ein Beispiel mit 3 LEDs gezeigt. Es handelt sich um LED Chips ohne Kollimatoroptik, welche als Lambert-Strahler beschrieben werden können, d.h. sie strahlen in alle Richtungen ab, jedoch passiert nur ein bestimmter Teil des Lichts mit Winkeln aus einem bestimmten Bereich des Winkelspektrums die Blende 10, der Rest des Lichts wird absorbiert. Wird nun die Blende 10 mittels eines optischen Systems 81 auf die Grenzfläche OF des Messprismas 6 abgebildet, kann über die Position der Lichtquelle 21,22,23 im Bezug zu der Blende 10 der Winkelbereich α1- α2, β1- β2, bzw. γ1- γ2 eingestellt werden. Die Position der Lichtquelle 21,22,23 in Bezug auf die Blende 10 bestimmt, welcher Teil des ursprünglichen Winkelspektrums der Lichtquelle 21,22,23 die Blende 10 passiert. Die Position des Lichtflecks bleibt jedoch konstant, da er über die im Ortsraum fixierte Position der Blende 10 definiert ist. Der Winkelbereich α1- α2 der ersten Lichtquelle 21 ist in 4, 4a mit Hilfe einer gepunktet-gestrichelten Linie, der Winkelbereich β1- β2 der zweiten Lichtquelle 22 ist in 4, 4b mit Hilfe einer durchgezogenen Linie, und der Winkelbereich γ1- γ2 der dritten Lichtquelle 23 ist in 4, 4c mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt.Would you be in 3 as in the in 1 embodiment shown several light sources arranged offset in a light source direction 21st , 22nd , 23 use, overlapping angular ranges would be used as intended α1- α2 , β1- β2 and γ1- γ2 occur, but at the same time a shift in the spatial area would occur, ie at the same time a larger camera 5 are needed. This can be done, for example, through a cover 10 avoid. In 4th , 4a , 4b an example with 3 LEDs is shown. These are LED chips without collimator optics, which can be described as Lambert radiators, ie they emit in all directions, but only a certain part of the light with angles from a certain range of the angular spectrum passes the aperture 10 , the rest of the light is absorbed. Will now be the aperture 10 by means of an optical system 81 on the interface OF of the measuring prism 6th pictured can be about the position of the light source 21st , 22nd , 23 in relation to the aperture 10 the angular range α1- α2 , β1- β2 , or. γ1- γ2 can be set. The position of the light source 21st , 22nd , 23 in terms of aperture 10 determines what part of the original angular spectrum of the light source 21st , 22nd , 23 the aperture 10 happens. The position of the light spot remains constant, however, since it is determined by the position of the diaphragm fixed in the local area 10 is defined. The angular range α1- α2 the first light source 21st is in 4th , 4a with the aid of a dotted-dashed line, the angular range β1-β2 of the second light source 22nd is in 4th , 4b with the help of a solid line, and the angular range γ1- γ2 the third light source 23 is in 4th , 4c shown with the help of a dashed line.

Nachteilig an einer Verwendung einer Blende 10 ist die geringere Lichtausbeute. Um ohne Blende 10 auszukommen müssen die Lichtquellen 21,22,23 nicht nur zueinander verschoben, sondern auch zueinander verkippt werden (hier nicht explizit dargestellt).A disadvantage of using a diaphragm 10 is the lower light output. To without a bezel 10 The light sources have to get by 21st , 22nd , 23 not only shifted to each other, but also tilted to each other (not explicitly shown here).

Eine Möglichkeit, denselben Effekt ohne eine explizite Verkippung der Lichtquellen 21,22,23 zu erreichen, ist die Verwendung eines Lichtleiters 11 umfassend mehrere Fasern F1,F2,F3, wobei jede der Fasern F1,F2,F3mit einer der separat ansteuerbaren Lichtquellen 21,22,23 verbunden ist. Ein derartiges Beispiel ist in 5 gezeigt. Die Austrittsflächen der äußeren Fasern F1,F2, F3 sind dabei derart angeschrägt, dass das Licht in einem bestimmten Winkelbereich α1- α2, β1- β2, bzw. γ1- γ2 austritt. Hierbei ist zu beachten, dass das Anschrägen der Fasern F1,F2,F3 in Bezug auf den Lichtkegel des aus den Fasern F1,F2,F3 austretenden Lichts derart abgestimmt ist, dass ein leichter Überlapp der Winkelbereiche α1- α2, β1- β2 und γ1- γ2 gewährleistet ist. Zum anderen muss der Faserabstand d so gewählt sein, dass für alle Lichtquellen 21,22,23 bzw. Fasern F1,F2,F3 die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der medienberührenden Oberfläche OF des Messprismas 6 ausgeleuchtet wird. Wie schon vorstehend ist auch in 5 der Winkelbereich α1- α2 der ersten Lichtquelle 21 mit Hilfe einer gepunktet-gestrichelten Linie dargestellt, der Winkelbereich β1- β2 der zweiten Lichtquelle 22 mit Hilfe einer durchgezogenen Linie dargestellt, und der Winkelbereich γ1- γ2 der dritten Lichtquelle 23 mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt.A possibility to achieve the same effect without explicitly tilting the light sources 21st , 22nd , 23 to achieve is the use of a light guide 11 comprising multiple fibers F1 , F2 , F3 , each of the fibers F1 , F2 , F3 with one of the separately controllable light sources 21st , 22nd , 23 connected is. One such example is in 5 shown. The exit surfaces of the outer fibers F1 , F2 , F3 are beveled in such a way that the light is in a certain angular range α1- α2 , β1- β2 , or. γ1- γ2 exit. It should be noted that the bevelling of the fibers F1 , F2 , F3 in terms of the cone of light coming from the fibers F1 , F2 , F3 exiting light is coordinated so that a slight overlap of the angular ranges α1- α2 , β1- β2 and γ1- γ2 is guaranteed. Second, the fiber spacing must be d be chosen so that for all light sources 21st , 22nd , 23 or fibers F1 , F2 , F3 essentially the same area on the media-contacting surface OF of the measuring prism 6th is illuminated. As above, in 5 the angular range α1- α2 the first light source 21st represented by a dotted-dashed line, the angular range β1- β2 the second light source 22nd represented by a solid line, and the angular range γ1- γ2 the third light source 23 shown with the help of a dashed line.

Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer umfasst die Erfindung also eine Anordnung von mindesten 2 separat ansteuerbaren Lichtquellen 21,22;23. Mit diesen wird auf der medienberührenden Grenzfläche OF durch jede der Lichtquellen 21;22,23 ein Lichtfleck erzeugt, der ein ortsaufgelöstes Winkelspektrum aufweist. Je nach Grenzwinkel wird die Lichtquelle 21,22,23 mit dem entsprechenden Winkelbereich zur Bestimmung verwendet.In the embodiment as a critical angle refractometer, the invention thus also comprises an arrangement of at least 2 separately controllable light sources 21st , 22nd ; 23 . These are used on the interface in contact with the media OF through each of the light sources 21st ; 22nd , 23 generates a light spot which has a spatially resolved angular spectrum. Depending on the critical angle, the light source is 21st , 22nd , 23 with the corresponding angular range used for determination.

Die Lichtflecken der einzelnen Lichtquellen 21,22;23 überlappen im Ortsraum nahezu komplett und sind im Winkelraum verschoben, mit jeweils leichtem Überlapp. Dadurch ist eine kontinuierliche Bestimmung des Grenzwinkels möglich. Abhängig vom Brechungsindex des Prozessmediums PM liegt der Grenzwinkel in einem (oder zwei, falls im überlappenden Bereich, bspw. zwischen β1 und α2) der Winkelbereiche α1- α2, β1- β2 und γ1- γ2, welche jeweils in einem der Betriebsmodi BM1,BM2,BM3 verwendet werden. Der/die entsprechende/n Betriebsmodus/i BM1;BM2;BM3 wird dann zur Bestimmung des Brechungsindex verwendet. Um den gleichzeitigen Überlapp im Ortsraum und die Verschiebung im Winkelraum zu erreichen, wird wie vorstehend erwähnt bspw. eine Blende 10, eine Verkippung der Lichtquellen 21,22,23 oder einem Lichtleiter 11 mit angeschrägten Austrittsflächen verwendet.The light spots of the individual light sources 21st , 22nd ; 23 overlap almost completely in the local area and are shifted in the angular space, each with a slight overlap. This enables the critical angle to be determined continuously. Depending on the refractive index of the process medium PM is the critical angle in one (or two, if in the overlapping area, for example between β1 and α2 ) the angular ranges α1- α2 , β1- β2 and γ1- γ2 , each in one of the operating modes BM1 , BM2 , BM3 be used. The corresponding operating mode / i BM1 ; BM2 ; BM3 is then used to determine the refractive index. In order to achieve the simultaneous overlap in the spatial space and the shift in the angular space, a diaphragm is used, for example, as mentioned above 10 , a tilting of the light sources 21st , 22nd , 23 or a light guide 11 used with beveled exit surfaces.

In der hier erläuterten Ausgestaltung wurde eine Erweiterung der Winkelbereichs auf Seiten der Beleuchtung diskutiert. Selbstverständlich muss auch die optische Detektoreinheit 7 auf einen erweiterten Messbereich ausgelegt sein. Das Bildfeld bleibt zwar im Idealfall identisch, die Apertur (d.h. die Winkel, die die Abbildungsoptik erfasst oder das „Bildfeld im Winkelraum“) muss also entsprechend erweitert werden.In the embodiment explained here, an expansion of the angle range on the part of the lighting was discussed. Of course, the optical detector unit must also 7th be designed for an extended measuring range. In the ideal case, the image field remains identical, the aperture (ie the angles recorded by the imaging optics or the “image field in angular space”) must therefore be expanded accordingly.

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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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 19944798 A1 [0004]DE 19944798 A1 [0004]
  • DE 102007050731 B3 [0006]DE 102007050731 B3 [0006]

Claims (10)

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 (6) 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 (BM1 ;BM2;BM3) 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.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 being in different operating modes (BM1, BM2; BM3) is operable in which - in each case exactly one of the multiple light sources (21, 22; LZ, LD1, LD2) emits light and radiates it onto an interface between the process medium (PM) and the measuring prism (6) formed by a surface (OF) of the measuring prism (6) in contact with the medium, - the light undergoes refraction and / or reflection at the interface and generates at least one optical signal (OS) that is dependent on the refractive index of the process medium (PM), - The optical detector unit (7) detects the at least one generated optical signal (OS) and transmits it to the control / evaluation unit (4), which stores the optical signal (OS) associated with the operating mode (BM1; BM2; BM3), and wherein the control / evaluation unit (4) is designed to use the totality of the stored optical signals (OS) from all operating modes (BM1, BM2; BM3) and the specified refractive index of the measuring prism (6) to determine the refractive index of the process medium (PM) to determine. Refraktometer nach Anspruch 1, wobei es sich um ein Durchlicht-Refraktometer handelt, aufweisend ein optisches System (8) mit einer optischen Achse (z), wobei das optische System (8) und das Messprisma (6) entlang der optischen Achse versetzt zueinander angeordnet sind, und das optische System dazu ausgestaltet ist, aus dem von der jeweiligen Lichtquelle (21;22;LZ;LD1:LD2) erzeugten Licht ein kolliminiertes Strahlbündel (SB) zu erzeugen, wobei das Messprisma (6) zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen (OF1,OF2) aufweist, die an der mediumberührenden Oberfläche des Messprismas (6) angeordnet sind, und wobei die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen (OF1,OF2) jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse (z) senkrechten Ebene um eine Neigungsachse (x) und in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, wobei die Neigungsachse (x) senkrecht zur optischen Achse (z) ist.Refractometer Claim 1 , which is a transmitted light refractometer, comprising an optical system (8) with an optical axis (z), the optical system (8) and the measuring prism (6) being arranged offset from one another along the optical axis, and that optical system is designed to generate a collimated beam (SB) from the light generated by the respective light source (21; 22; LZ; LD1: LD2), the measuring prism (6) having at least two flat surfaces (OF1, OF2), which are arranged on the surface of the measuring prism (6) in contact with the medium, and wherein the two mutually inclined surfaces (OF1, OF2) each in relation to a plane perpendicular to the optical axis (z) about an axis of inclination (x) and in directions opposite to each other are inclined, the inclination axis (x) being perpendicular to the optical axis (z). Refraktometer nach Anspruch 2, aufweisend ein Umlenkelement (9), wobei das Umlenkelement (9) und das optische System (8) derart entlang der optischen Achse (z) zueinander angeordnet sind, dass - das Strahlenbündel (SB) in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Messprisma (6) und das Prozessmedium (PM) durchquert, wobei das Strahlenbündel an der Grenzfläche ein erstes Mal Lichtbrechung erfährt, - das Strahlenbündel (SB) am Umlenkelement (5) umgelenkt wird, - das Strahlenbündel (SB) in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma (6) und das Prozessmedium (PM) durchquert, wobei das Strahlenbündel an der Grenzfläche ein zweites Mal Lichtbrechung erfährt, und - das optische System (8) anschließend das Strahlenbündel (SB) auf die optische Detektoreinheit (7) fokussiert.Refractometer Claim 2 , having a deflecting element (9), wherein the deflecting element (9) and the optical system (8) are arranged along the optical axis (z) to one another in such a way that - the beam (SB) in a first pass the measuring prism ( 6) and traverses the process medium (PM), whereby the bundle of rays experiences light refraction for the first time at the interface, - the bundle of rays (SB) is deflected at the deflecting element (5), - the bundle of rays (SB) in a second passage a second time Measuring prism (6) and the process medium (PM) traverses, whereby the beam is refracted a second time at the interface, and - the optical system (8) then focuses the beam (SB) on the optical detector unit (7). Refraktometer nach zumindest einem der Ansprüchen 2 oder 3, wobei die optische Detektoreinheit (7) eine Kamera (5) mit zumindest einer in einer Detektorebene angeordneten Pixelzeile (PZ) umfasst, deren Pixel entlang einer zu einer zur optischen Achse (z) und zur Neigungsachse (x) im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Zeilenrichtung (y) angeordnet sind, und wobei die mehreren Lichtquellen (LZ,LD1,LD2) entlang einer Lichtquellenrichtung (y') versetzt angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Zeilenrichtung (y) ist.Refractometer according to at least one of the Claims 2 or 3 , wherein the optical detector unit (7) comprises a camera (5) with at least one pixel line (PZ) arranged in a detector plane, the pixels of which are along a line direction that is essentially perpendicular to the optical axis (z) and the inclination axis (x) ( y) are arranged, and wherein the plurality of light sources (LZ, LD1, LD2) are arranged offset along a light source direction (y ') which is essentially parallel to the row direction (y). Refraktometer nach Anspruch 4, wobei eine der Lichtquellen (LZ;LD1;LD2) als eine zentral angeordnete Lichtquelle (LZ) ausgestaltet ist, die im Wesentlichen an einem gedachten Schnittpunkt (SP) einer zu der optischen Achse (z) entlang der Neigungsachse (x) parallel verschobenen Parallelachse (z') mit der Lichtquellenrichtung (y') angeordnet ist.Refractometer Claim 4 , wherein one of the light sources (LZ; LD1; LD2) is designed as a centrally arranged light source (LZ) which is essentially at an imaginary point of intersection (SP) of a parallel axis displaced parallel to the optical axis (z) along the inclination axis (x) (z ') is arranged with the light source direction (y'). Refraktometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5 , wobei zumindest eine der Lichtquellen (LZ;LD1;LD2) als eine dezentral angeordnete Lichtquelle (LD1,LD2) ausgestaltet ist, die in der Lichtquellenrichtung (y') in Bezug auf einen gedachten Schnittpunkt (SP) einer zu der optischen Achse (z) entlang der Neigungsachse (x) parallel verschobenen Parallelachse (z') mit der Lichtquellenrichtung (y') von dem Schnittpunkt (SP) in Lichtquellenrichtung mit einem Abstand (y1,y2) angeordnet ist.Refractometer according to one of the Claims 2 to 5 , wherein at least one of the light sources (LZ; LD1; LD2) is designed as a decentrally arranged light source (LD1, LD2) which in the light source direction (y ') with respect to an imaginary point of intersection (SP) of a to the optical axis (z ) is arranged along the inclination axis (x) parallel axis (z ') with the light source direction (y') of the intersection (SP) in the light source direction at a distance (y1, y2). Refraktometer nach Anspruch 6, aufweisend zwei dezentral angeordnete Lichtquellen (LD1,LD2), wobei insbesondere ein erster Abstand (y1) zwischen der ersten dezentral angeordneten Lichtquelle (LD1) und dem gedachten Schnittpunkt (SP) mit einem zweiten Abstand (y2) zwischen der zweiten dezentral angeordneten Lichtquelle (LD2) und dem gedachten Schnittpunkt (SP) übereinstimmt, so dass die beiden dezentral angeordneten Lichtquellen (LD1,LD2) um den gedachten Schnittpunkt (SP) in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch angeordnet sind.Refractometer Claim 6 , having two decentrally arranged light sources (LD1, LD2), wherein in particular a first distance (y1) between the first decentrally arranged light source (LD1) and the imaginary intersection point (SP) with a second distance (y2) between the second decentrally arranged light source ( LD2) and the imaginary point of intersection (SP) coincides, so that the two decentrally arranged light sources (LD1, LD2) around the imaginary point of intersection (SP) are arranged symmetrically in opposite directions. Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 7, wobei jede der Lichtquellen (LZ,LD1,LD2) auf der Detektorebene - zwei äußere Fokuspunkte (FP1,FP2), deren Position in Zeilenrichtung (y') abhängig von der Brechungsindex des Prozessmediums (PM) ist und - einen zwischen den beiden Fokuspunkten (FP1,FP2) zentral angeordneten Fix-Fokuspunkt (FF), dessen Position in Zeilenrichtung (y') unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums (PM) ist, erzeugt, und wobei die dezentralen Lichtquellen (LD1,LD2) derart angeordnet sind, insbesondere deren Abstand (γ1; γ2) so gewählt ist, dass - für alle dezentralen Lichtquellen (LD1 ;LD2) deren Fix-Fokuspunkt (FF) auf die Pixelzeile abbildbar ist und - für alle dezentralen Lichtquellen (LD1 ;LD2) und alle Brechungsindizes des Prozessmediums (PM) aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte der dezentralen Lichtquellen (LD1 ;LD2) auf die Pixelzeile abbildbar ist.Refractometer according to at least one of the previous ones Claims 2 to 7th , whereby each of the light sources (LZ, LD1, LD2) on the detector plane - two outer focus points (FP1, FP2), the position of which in the line direction (y ') depends on the refractive index of the process medium (PM) and - one between the two focus points (FP1, FP2) centrally arranged fixed focus point (FF), the position of which in line direction (y ') is independent of the refractive index of the process medium (PM), and the decentralized light sources (LD1, LD2) are arranged in this way, in particular whose distance (γ1; γ2) is chosen so that - for all decentralized light sources (LD1; LD2) their fixed focus point (FF) can be mapped onto the pixel line and - for all decentralized light sources (LD1; LD2) and all refractive indices of the process medium (PM) from the measuring range of the refractometer at least one of the outer focus points of the decentralized light sources (LD1; LD2) can be mapped onto the pixel line. Refraktometer nach Anspruch 1, wobei es sich um ein Grenzwinkel-Refraktometer handelt, das derart ausgestaltet ist, dass - eine erste der Lichtquellen (21) das Licht auf die mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas (6) unter einem ersten Winkelbereich (α1- α2) einstrahlt, - eine zweite der Lichtquellen (22) das Licht auf die mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas (6) unter einem zweiten Winkelbereich (β1- β2) einstrahlt, - wobei der erste Winkelbereich (α1 - α2) und der zweite Winkelbereich (β1- β2) einen Überlapp aufweisen, insbesondere einen Überlapp von zumindest 5% der Spanne des ersten (α1- α2) Winkelbereichs und/oder zweiten Winkelbereichs (β1- β2), - und wobei alle Lichtquellen (21,22) die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der mediumberührenden Oberfläche (OF) des Messprismas (6) ausleuchten.Refractometer Claim 1 This is a critical angle refractometer which is designed in such a way that - a first of the light sources (21) radiates the light onto the surface (OF) of the measuring prism (6) in contact with the medium in a first angular range (α1- α2), - a second of the light sources (22) irradiates the light onto the medium-contacting surface (OF) of the measuring prism (6) at a second angular range (β1- β2), - the first angular range (α1 - α2) and the second angular range (β1- β2) have an overlap, in particular an overlap of at least 5% of the span of the first (α1- α2) angle range and / or second angle range (β1- β2), - and wherein all light sources (21,22) have essentially the same area illuminate the surface (OF) of the measuring prism (6) in contact with the medium. Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM) mit einem Refraktometer, insbesondere einem Refraktometer nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, 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 von der Regel-/Auswerteinheit (4) jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) betreibbar ist, und wobei das Refraktometer zeitlich aufeinanderfolgend in verschiedenen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) betrieben wird, in denen - jeweils von genau einer der mehreren Lichtquelle Licht ausgesandt und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas (6) gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma (6) eingestrahlt wird, - das Licht an der Grenzfläche gebrochen und/oder reflektiert wird, wobei zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums (PM) abhängiges optisches Signal (OS) erzeugt wird, - das zumindest eine erzeugte optische Signal (OS) von der optischen Detektoreinheit (7) erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit (4) übermittelt, wird, wobei das zu dem jeweiligen Betriebsmodus (BM1;BM2;BM3) gehörige optische Signal (OS) gespeichert wird, und wobei von der Regel-/Auswerteinheit (4) anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale (OS) aus allen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas (6) der Brechungsindex des Prozessmediums (PM) bestimmt wird.Method for determining the refractive index of a process medium (PM) with a refractometer, in particular a refractometer according to one of the previous ones Claims 1 to 9 , comprising: several, in particular 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 being separately controllable by the control / evaluation unit (4) and the refractometer being operable in different operating modes (BM1, BM2; BM3), and the refractometer being operated in different operating modes (BM1, BM2; BM3) is operated 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 (6) formed by a surface (OF) of the measuring prism (6) in contact with the medium, - the light at the interface is refracted and / or reflected, with at least one optical signal (OS) dependent on the refractive index of the process medium (PM) being generated, the at least one generated optical signal (OS) from the optical detector unit (7) is recorded and transmitted to the control / evaluation unit (4), the optical signal (OS) associated with the respective operating mode (BM1; BM2; BM3) being stored, and the control / evaluation unit ( 4) using the totality of the stored optical signals (OS) from all operating modes (BM1, BM2; BM3) and using the specified refractive index of the measuring prism (6), the refractive index of the process medium (PM) is determined.
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