DE19855218A1 - Refraktometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer, das eine in einer Rahmenkonstruktion angeordnete Lichtquelle, ein in einer Prozeßlösung an­ zubringendes optisches Fenster, Mittel zum Steuern eines Strahlenbündels von der Lichtquelle zu einer Grenzfläche des optischen Fensters und der Pro­ zeßlösung, wobei ein Teil des Strahlenbündels teilweise in die Lösung absor­ biert wird und ein Teil völlig von der Lösung reflektiert wird, so daß ein Bild erzeugt wird, in dem die Lage der Grenze eines hellen und eines dunklen Be­ reichs von der Brechzahl der Prozeßlösung abhängig ist, sowie einen Bildde­ tektor aufweist, mittels dessen das auf die obige Weise erzeugte Bild beob­ achtet wird.

Das Arbeitsprinzip des Refraktometers ist schon seit über hundert Jahren bekannt. Zur Zeit werden Refraktometer ziemlich viel in mehreren ver­ schiedenen Bereichen verwendet. Als Beispiele von Verwendungsbereichen des Refraktometers können Lebensmittelindustrie, Holzindustrie, chemische Industrie und verschiedene Untersuchungen im allgemeinen erwähnt werden.

Das Arbeitsprinzip des Refraktometers kann allgemein auf die fol­ gende Weise beschrieben werden. Das Refraktometer mißt die Brechzahl der Prozeßlösung mittels einer an der Grenzfläche des optischen Fensters und der Lösung entstehenden Totalreflexion. Ein von der Lichtquelle kommendes Strahlenbündel wird zur Grenzfläche des optischen Fensters und der Prozeß­ lösung gesteuert. Ein Teil des Strahlenbündels wird völlig von der Lösung re­ flektiert, ein Teil wird teilweise in die Lösung absorbiert. Daraus entsteht ein Bild, in dem die Lage der Grenze eines hellen und eines dunklen Bereichs vom Grenzwinkel für Totalreflexion und somit von der Brechzahl der Prozeßlö­ sung abhängig ist.

Ein wesentlicher Umstand bei Refraktometermessung ist die Analy­ sierung eines aus der Lichtreflexion entstehenden Bildes. Die Aufgabe der obigen Bildanalyse ist es, den Grenzwinkel für Totalreflexion, d. h. die Grenze zu finden, an der der helle Bereich des auf die obige Weise entstehenden Bil­ des in den dunklen Bereich übergeht.

Wie aus den obigen Umständen hervorgeht, beruht die Funktion des Refraktometers auf einer sehr präzisen Winkelmessung, weil der Grenzwinkel für Totalreflexion nach der Brechzahl von zwei Substanzen be­ stimmt wird. Ein Problem mit den bekannten Refraktometern besteht oft in Winkeländerungen zwischen dem optischen Fenster und der Rahmenkon­ struktion des Geräts, weil das optische Fenster oft mittels eines elastischen Dichtungsmaterials an der Rahmenkonstruktion befestigt ist. Ist das optische Fenster steif an der Rahmenkonstrukton befestigt, soll das Dichtungsmaterial sehr elastisch sein, und demnach können gewisse schwach elastische Mate­ rialien, wie Teflon, nicht verwendet werden. In mehreren bekannten Refrakto­ metern sind die Optik und ein Lichtdetektor steif am Rahmen befestigt, wes­ halb ein zweites Problem durch einen Winkelmessungsfehler infolge einer Verwindung der Rahmenkonstruktion verursacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer zu­ standezubringen, mittels dessen die Nachteile des vorbekannten Standes der Technik eliminiert werden können. Diese Aufgabe wird durch ein erfindungs­ gemäßes Refraktometer gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lichtquelle, das optische Fenster, die Mittel zum Steuern des Strahlenbündels und der Bilddetektor in einem steifen Analysatormodul angeordnet sind, das auf eine zwischen der Rahmenkonstruktion und dem optischen Fenster ange­ ordnete, wesentlich unelastische Dichtung gestützt schwebend in der Rah­ menkonstruktion angeordnet ist, und zwar durch Pressen des Analysatormo­ duls mittels Federorganen gegen die Dichtung.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß eine fle­ xible Befestigung des optischen Fensters infolge des schwebenden steifen Analysatormoduls auch mittels einer schwach elastischen Dichtung möglich ist, ohne daß die Winkelmeßpräzision darunter leidet. Das erfindungsgemäße Refraktometer ist auch von seiner Konstruktion her einfach, weshalb die Inbe­ triebnahme der Erfindung vorteilhaft sein wird. Das erfindungsgemäße Re­ fraktometer ist außerdem sehr flexibel im Gebrauch, denn es kann auf viele verschiedene Weisen zum Beispiel in ein Prozeßrohrsystem eingebaut wer­ den.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele der beige­ fügten Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema des Arbeitsprinzips eines Refraktome­ ters,

Fig. 2 eine prinzipielle Schnittansicht der Konstruktion einer Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Refraktometers und

Fig. 3 bis 5 Beispiele von verschiedenen Einbaumöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Refraktometers.

Fig. 1 stellt ein Prinzipschema des Arbeitsprinzips eines Refrak­ tometers dar. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Lichtquelle und das Be­ zugszeichen 2 ein optisches Fenster, das zum Beispiel ein Prisma sein kann. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Prozeßlösung Wie schon früher erwähnt wurde, mißt das Refraktometer die Brechzahl der Prozeßlösung mittels der an der Grenzfläche des optischen Fensters 2 und der Prozeßlösung 3 entstehenden Totalreflexion. Das Ar­ beitsprinzip des Refraktometers stellt einem Fachmann den bekannten Stand der Technik dar, weshalb diese Umstände hierbei nicht näher erläutert werden. In diesem Zusammenhang wird nur das wesentliche Grundprinzip beschrieben.

Ein von der Lichtquelle 1 kommendes Strahlenbündel wird zur Grenzfläche des optischen Fensters 2 und der Prozeßlösung 3 gesteuert. In Fig. 1 wird das Strahlenbündel prinzipiell mittels Pfeilen dargestellt. Ein Teil des Strahlenbündels wird völlig von der Prozeßlösung 3 reflektiert, ein Teil wird teilweise in die Lösung absorbiert. Daraus entsteht ein Bild K, in dem die Lage der Grenze C eines hellen Bereichs A und eines dunklen Bereichs B vom Grenzwinkel für Totalreflexion und somit von der Brechzahl der Prozeßlö­ sung abhängig ist.

Die Funktion des Refraktometers beruht also auf einer sehr präzi­ sen Winkelmessung, weil der Grenzwinkel für Totalreflexion nach der Brech­ zahl von zwei Substanzen bestimmt wird. Wie oben schon festgestellt wurde, besteht ein Problem mit den vorbekannten Refraktometern oft in Winkelände­ rungen zwischen dem optischen Fenster und dem Geräterahmen, weil das optische Fenster in mehreren Lösungen mittels eines elastischen Dichtungs­ materials am Rahmen befestigt ist. Die Verwendung des elastischen Materials als Dichtung hängt davon ab, daß wenn das optische Fenster steif am Rah­ men befestigt ist, soll das Dichtungsmaterial sehr elastisch sein, und somit können schwach elastische Materialien nicht verwendet werden. In mehreren bekannten Refraktometern sind die Optik und ein Lichtdetektor steif am Rah­ men befestigt, weshalb ein zweites Problem durch einen Winkelmessungs­ fehler infolge einer Verwindung der Rahmenkonstruktion verursacht wird.

Man hat die Nachteile des obigen bekannten Standes der Technik mittels des erfindungsgemäßen Refraktometers eliminieren können. Ein we­ sentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Refraktometers ist, daß die Licht­ quelle 1, das optische Fenster 2, die Mittel zum Steuern des Strahlenbündels und der Bilddetektor 4 in einem steifen Analysatormodul 5 angeordnet sind. Das optische Fenster kann zum Beispiel ein Prisma sein. Der Bilddetektor kann zum Beispiel ein Reihen-CCD-Element sein. Das Analysatormodul 5 ist auf eine zwischen der Rahmenkonstruktion und dem optischen Fenster 2 an­ geordnete, wesentlich unelastische Dichtung gestützt schwebend in der Rah­ menkonstruktion angeordnet. Die Dichtung kann zum Beispiel eine Kegel­ dichtung sein oder sie kann beispielsweise eine kugelförmige Oberfläche bil­ den usw. Weil das Analysatormodul 5 gegenüber der Rahmenkonstruktion und der übrigen Mechanik des Geräts auf die Dichtung 6 gestützt schwebt, haben äußere Kräfte, wie durch Strömung der Prozeßlösung veranlaßte Kräf­ te, mechanische Spannungen im Rohrsystem, Wärmeausdehnung und Druck keinen Einfluß auf die Meßpräzision. Dank des schwebenden Analysatormo­ duls 5 können für die Dichtung 6 des Prismas auch schwach elastische Mate­ rialien, wie Teflon, verwendet werden.

Das Analysatormodul 5 wird mittels Federorganen 7 gegen die Dichtung 6 gepreßt, wobei die Preßkraft bei allen Temperaturen konstant ist. Demnach kompensieren die Federorgane 7 zusammen mit dem schwebenden Analysatormodul 5 die schwache Elastizität gewisser Dichtungsmaterialien. Die Federorgane 7 sind so installiert, daß keine Prozeßwärme durch sie ins Analysatormodul 5 fließt.

Das schwebende Analysatormodul 5 steht in Kontakt mit der Pro­ zeßlösung 3 und einer Spitze 8a der Rahmenkonstruktion, d. h. mit dem Teil der Rahmenkonstruktion, der nur durch das optische Fenster 2 mit dem Pro­ zeß in Berührung ist. Die Kontaktfläche an dem Prozeß und der Spitze der Rahmenkonstruktion ist minimiert, um Wärmeleitung zu verhindern. Zwischen dem optischen Fenster 2 und der Spitze befindet sich die Dichtung 6. Die Kontaktfläche soll kleine Winkeländerungen zwischen der Achse des Analy­ satormoduls und den Achsen der Spitze ermöglichen. Wie oben erwähnt wur­ de, kann die Kontaktfläche der Dichtung beispielsweise kegelförmig oder ku­ gelig sein. Dank des schwebenden Analysatormoduls 5 ist es auch leicht, das Gerät herzustellen und zu warten. Der Analysator kann schon vor dem eigent­ lichen Anschluß an die übrige Mechanik geprüft werden.

In Prozeßmeßgeräten muß der Wärmeübergang vom Prozeß in die Elektronik und in andere wärmeempfindliche Komponenten minimiert werden, und anderseits muß die Kühlung dieser Teile maximiert werden. Eine präzise Gehaltsmessung setzt auch eine präzise und schnelle Temperaturmessung der Prozeßlösung voraus. Im erfindungsgemäßen Refraktometer geht die Wärme sowohl über-die Rahmenkonstruktion als auch über das Analysator­ modul zur Elektronik über. Die Wärmeleitung über die Rahmenkonstruktion wird dadurch verhindert, daß die Wandstärke der Spitze 8a dünner gemacht wird und eine Wärmeisolierung 9 zwischen der Spitze 8a und der übrigen Rahmenkonstruktion, zum Beispiel einem Deckelteil 8b, angeordnet wird. Ein geeignetes Material für die Wärmeisolierung 9 ist zum Beispiel Teflon.

Wärme kann nur über das optische Fenster 2 und die Dichtung 6 ins Analysatormodul 5 geleitet werden. Durch die Wände der Spitze 8a kommt Strahlungswärme. Der Wärmeübergang durch das Analysatormodul 5 zur Elektronik wird mittels eines separaten steifen Isolierteils 10 verhindert, der einen Teil des Analysatormoduls bildet. Der Isolierteil 10 soll steif sein, wes­ halb zum Beispiel gewisse keramische Werkstoffe geeignete Isolierungen sind.

Die durch den Isolierteil 10 des Analysatormoduls 5 dringende Wärme wird mittels eines flexiblen, zum Beispiel plattenförmigen Wärmeleiters 11 effektiv zur Rahmenkonstruktion geleitet. Der zwischen dem Analysator­ modul 5 und der Rahmenkonstruktion anzubringende Wärmeleiter 11 besteht aus einem sehr wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel aus Kupfer oder Alu­ minium, und seine Konstruktion läßt eine axiale Bewegung des Analysator­ moduls 5 zu. Die Wärme wird von der Rahmenkonstruktion zur Umgebung des Geräts mittels einer großen Außenfläche der Rahmenkonstruktion geleitet. Die Außenfläche der Rahmenkonstruktion kann zum Beispiel mittels einer geeig­ neten Rippung des Deckelteils 8b vergrößert werden, wie die Figuren zeigen.

Beim erfindungsgemäßen Refraktometer kann die Temperaturmes­ sung der Prozeßlösung auf eine besonders vorteilhafte Weise durchgeführt werden. Die Temperatur der Prozeßlösung wird mittels eines elektrischen Temperaturfühlers 12 gemessen. Der Wärmekontakt des Temperaturfühlers 12 ist in der Richtung der Spitze 8a maximiert und in der Richtung der übrigen Mechanik minimiert. Der Temperaturfühler 12 ist mit einem geeigneten Iso­ liermaterial, zum Beispiel Teflon, vom Analysatormodul 5 isoliert. Auf die Ge­ schwindigkeit der Temperaturmessung wirkt, außer der Masse des Fühlers, auch die Masse der Spitze 8a ein. Um eine ausreichend schnelle Tempera­ turmessung zustandezubringen, kann die Masse der Spitze in zwei verschie­ dene Teile eingeteilt werden. Der Temperaturfühler steht in direktem Kontakt mit dem leichteren Teil. Die Wärmeleitung zwischen dem kleinen und dem großen Teil kann dadurch reduziert werden, daß die Wand dünner gemacht wird, ohne die mechanische Preßsteife der Spitze abzuschwächen.

Das erfindungsgemäße Refraktometer wird normalerweise in die Hauptströmung eingebaut, d. h. es ist ein sog. In-line-Meßgerät. Wegen der optischen Meßmethode soll das optische Fenster rein bleiben. Was Reinblei­ ben betrifft, ist die Einbaustelle des Geräts wichtig. In Rohrsystemen mit einer relativ großen Strömungsgeschwindigkeit bleiben die Biegungen des Rohrsystems rein. Somit ist es vorteilhaft, gerade eine Rohrbiegung zur Ein­ baustelle des erfindungsgemäßen Geräts zu wählen. Ist die Rohrgröße klein, kann ein besonderes Strömungsgefäß 13 verwendet werden, das an die Stelle einer Standardbiegung des Rohres installiert wird. Fig. 3 stellt ein solches Strömungsgefäß dar. Das Strömungsgefäß besteht aus einem Halbkugel, dessen Mittelpunkt das optische Fenster des Meßgeräts ist. Ein- und Austritts­ rohre 14, 15 des Strömungsgefäßes sind auf den Mittelpunkt des Halbkugels gerichtet und bilden einen Winkel von 90 Grad miteinander. Will man die durch Strömung veranlaßte Reinigungswirkung steigern, kann das Eintrittsrohr 14 etwas verengt werden, wie das Beispiel der Fig. 3 zeigt. Das Strömungsge­ fäß ist selbstentleerend, wenn es in die Position der Fig. 3 aufgestellt wird. Was die Strömungstechnik betrifft, ist es leicht, das Ein- und Austrittsrohr an den Halbkugel anzuschließen, weil die Kontaktfläche des Kugels und des Zy­ linders ein Kreis ist.

Das erfindungsgemäße Refraktometer kann auf die Weise nach Fig. 4 in größere Rohre an eine Rohrbiegung 16 eingebaut werden. Das erfin­ dungsgemäße Refraktometer kann natürlich auch direkt in ein Rohr 17 einge­ baut werden, wie Fig. 5 zeigt. Die Strömungsrichtungen der Prozeßlösung sind mittels Pfeilen in den Fig. 3-5 bezeichnet.

Die oben angeführten Ausführungsbeispiele sollen keineswegs da­ zu dienen, die Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken, sondern die Erfindung kann völlig frei im Rahmen der Patentansprüche modifiziert werden. Somit ist es klar, daß das erfindungsgemäße Refraktometer nicht notwendi­ gerweise dem in den Figuren gezeigten genau zu entsprechen braucht, son­ dern auch andere Lösungen möglich sind.

Claims (5)

1. Refraktometer, das eine in einer Rahmenkonstruktion angeord­ nete Lichtquelle (1), ein in einer Prozeßlösung (3) anzubringendes optisches Fenster (2), Mittel zum Steuern eines Strahlenbündels von der Lichtquelle zu einer Grenzfläche des optischen Fensters (2) und der Prozeßlösung (3), wobei ein Teil des Strahlenbündels teilweise in die Lösung (3) absorbiert wird und ein Teil völlig von der Lösung (3) reflektiert wird, so daß ein Bild (K) erzeugt wird, in dem die Lage der Grenze (C) eines hellen (A) und eines dunklen Be­ reichs (B) von der Brechzahl der Prozeßlösung (3) abhängig ist, sowie einen Bilddetektor (4) aufweist, mittels dessen das auf die obige Weise erzeugte Bild (K) beobachtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1), das optische Fenster (2), die Mittel zum Steuern des Strahlenbündels und der Bilddetektor (4) in einem steifen Analysatormodul (5) angeordnet sind, das auf eine zwischen der Rahmenkonstruktion und dem optischen Fenster (2) angeordnete, wesentlich unelastische Dichtung (6) gestützt schwebend in der Rahmenkonstruktion angeordnet ist, und zwar durch Pressen des Analysa­ tormoduls (5) mittels Federorganen (7) gegen die Dichtung (6).

2. Refraktometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rahmenkonstruktion aus einer Spitze (8a) und einem Deckelteil (8b) gebildet ist und daß zwischen der Spitze (8a) und dem Dec­ kelteil (8b) eine Wärmeisolierung (9) angeordnet ist.

3. Refraktometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein steifer, Wärmeleitung verhindernder Isolierteil (10) im Analysatormodul (5) angeordnet ist.

4. Refraktometer nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Wärmeleiter (11) zwischen dem Analysatormo­ dul (5) und dem Deckelteil (8b) angeordnet ist.

5. Refraktometer nach Patentanspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmeleiter (11) ein in der Achsenrichtung des Analy­ satormoduls (5) flexibler Teil ist.