WO2016198182A1 - Interferometric device and system for measuring the refractive index of a medium - Google Patents

Interferometric device and system for measuring the refractive index of a medium Download PDF

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Definitions

  • Interferometric device and system for measuring the refractive index of a medium Interferometric device and system for measuring the refractive index of a medium
  • the invention relates to a simple and insensitive to contamination device for measuring the refractive index of a medium, in particular a working fluid for a motor vehicle.
  • the refractive index n is therefore suitable as a physical measured variable both for the determination of the urea concentration and for the detection of incorrect filling.
  • DE 10 2007 010 805 B3 discloses a method for measuring the
  • Refractive index n of a liquid in which the critical angle of total reflection between the liquid and a transparent element with a known refractive index is determined is determined.
  • EP 2 543 839 A1 discloses a simpler concept in which the Fresnel coefficient is determined at an interface between the liquid under investigation and another medium.
  • these methods appear to be less suitable for a rugged, maintenance-free sensor for the automotive industry because they are devoid of any light scattering
  • Deposits particles, deposits, microscopic air bubbles at the optical interfaces can be disturbed.
  • Deposits or suspended matter in the medium is generated.
  • this device comprises a white light interferometer with a light source, a beam splitter for splitting the light emitted by the light source into a reference beam and a detection beam that can be guided through the medium, a reference path with variable length L, on which the reference beam is guided, and a detector for Measurement of the reference beam and the
  • Evaluation unit provided for determining the refractive index n from the functional dependence of the interference product of the length L is formed.
  • the essential feature of a white light interferometer in the context of this invention is that the light emitted by the light source is not just one
  • Wavelength or a few discrete wavelengths but a continuum of wavelengths within a certain spectral width. If only one wavelength is used, the intensity of the interference product oscillates periodically with the length L of the reference path. If, on the other hand, a continuum of wavelengths is used, there is exactly one interval of lengths L of
  • Refractive index n of the medium can be uniquely determined. This happens in the device belonging to the evaluation.
  • white light interferometers are used in conjunction with spatially resolved imaging techniques such as microscopy or optical coherence tomography. Such devices are expensive, sensitive laboratory equipment. Prima facie is therefore a white light interferometer for use in a robust, inexpensive, mass production suitable sensor for the automotive sector not suitable.
  • the inventors have recognized that the crucial point of the white light interferometer in the context of the invention is the continuous wavelength spectrum and not the
  • Deposits on the interfaces with the medium weaken the intensity of the detection beam, but this has no influence on the position of the maximum, which assumes the intensity of the interference product.
  • the deposits have a refractive index n 2 , which fundamentally changes the optical path length of the detection beam.
  • these deposits are at most a few microns thick, while the distance that the detection beam travels within the medium is at least three orders of magnitude longer. The optical path length change of the detection beam through the refractive index n 2 of deposits is therefore negligibly small.
  • the present invention as a whole combines the advantages of a
  • Measuring method based on a volume effect within the medium instead of on an interfacial effect at interfaces of the medium, with a simple, inexpensive and robust apparatus realizability.
  • Automotive sector provided form factor space to find.
  • the detection beam is guided between the medium and the detector via the beam splitter, and / or the
  • Reference beam is passed between the reference path and the detector via the beam splitter.
  • Optical paths in the device can then be used by one beam bidirectionally or by two parallel beams. This makes the interferometer particularly compact.
  • an interface is provided at which the detection beam is reflected after a first passage of the medium on a path leading again through the medium to the beam splitter.
  • the optical path traveled by the detection beam within the medium is doubled.
  • the detection sensitivity for changes in the optical Path length which are caused by changes in the refractive index n of the medium, advantageously increased.
  • the light source, the reference path and the detector are arranged in a common housing.
  • All three components can then be sealed in one or more cavities against the medium under investigation and against contamination.
  • this housing for example, consist of a preferably transparent molded part, which is connected to a base plate and forms together with this sealed against the environment cavities.
  • Base plate also accommodate additional optical elements for beam shaping, such as lenses or diaphragms.
  • the light from the light source is guided through a collimator, for example a collimating lens, to the beam splitter.
  • the light then forms a parallel beam.
  • the detection beam and the reference beam are advantageously guided through a common concentrator, for example a focusing lens, to the detector. This maximizes the interaction between the two beams through the interference.
  • Detection beam passed through an area outside the housing.
  • an area may be provided on the path of the detection beam, in which a first wall of the housing is initially through the
  • Detection beam is guided on a second wall of this housing and then runs parallel to this second wall of the housing.
  • a physical or chemical change of the medium then propagates particularly quickly into the area in which the detection beam is passed through the medium.
  • the device then reacts very quickly to such changes.
  • all components of the device in particular the electronic and optical components, are enclosed in airtight, dry cavities.
  • the beam splitter can be equipped, for example, as a separate optical element on the base plate. In a particularly advantageous embodiment, however, it is part of the housing. As a result, the production of the device is further simplified.
  • the housing extends from a center in which, for example, the beam splitter can be located, in two mutually perpendicular spatial directions.
  • the housing extends in both directions equally far and / or in at least one of the two
  • the molding is transparent. It may for example be made of a transparent plastic. If the molded part is not transparent, for example because ambient light is to be shielded, transparency must be produced at all points at which light is to pass.
  • This relates in particular to an outer wall to an area outside the housing, through which the detection beam is guided, as well as the beam splitter, if it is part of the housing. Transparency can be produced, for example, by installing corresponding windows in the molded part.
  • an initially transparent molded part to be selectively colored where it should no longer be transparent.
  • the emission spectrum of the light source is at least partially in the wavelength range from 400 nm to 1100 nm, preferably from 500 nm to 900 nm.
  • Interference product can be used. In the range between 500 nm and 900 nm is an aqueous urea solution for use in one
  • the spectral width of the light determines its coherence length.
  • Coherence length is inversely proportional to the spectral width. The smaller this coherence length, the sharper the unique maximum of
  • the light source emits light having a spectral width of at least 10 nm, preferably from 20 nm to 50 nm.
  • the light source can be, for example, a superluminescent diode or a light-emitting diode, which can optionally be combined with a bandpass filter.
  • the light source can also be, for example, an incandescent lamp.
  • the light of a superluminescent diode is per se most suitable for carrying out the measurement, but a light-emitting diode is significantly cheaper and therefore an economic compromise for many applications.
  • the reference path advantageously includes a mirror that is movable by an actuator along the reference path.
  • the spatial resolution of this actuator determines in conjunction with the spectral width of the light, the accuracy with which changes in the refractive index n can be detected.
  • the measuring range ie the detectable interval of the refractive index n, is determined by the maximum displacement of the actuator or the mirror in interaction with the length on which the detection beam is guided through the medium. With the same maximum adjustment path of the actuator an extension of the path on which the detection beam is passed through the medium reduces the measuring range.
  • the actuator can be realized in different ways. It may be, for example, a stepper motor or a piezoelectric actuator.
  • a piezoelectric actuator is particularly reproducible and wear-free, but offers a lower displacement compared to a stepper motor.
  • the lifetime of the calibration between the set value for the length L at maximum interference on the one hand and the determined refractive index n on the other hand is given primarily by the long-term stability and reproducibility of the actuator.
  • a further particularly advantageous embodiment of the invention is the
  • Evaluation unit designed to determine the concentration C of at least one substance in the medium of the refractive index n.
  • the evaluation unit is adapted to additionally use this temperature T for determining the concentration C of the substance. If the refractive index n of the medium or a
  • Component herebefore is temperature dependent, can in this way between changes in the refractive index n due to the temperature T and changes of refractive index n can be distinguished by changing the composition of the medium.
  • the invention also relates to a system for measuring the concentration of urea in a solution containing at least urea and water for exhaust aftertreatment in a motor vehicle.
  • This system comprises the device according to the invention in the
  • the detection beam of the device is passed through a storage tank for the solution and / or through a line carrying the solution.
  • the device according to the invention combines a simple apparatus design and an acceptable price for mass production with good accuracy and a significantly improved tolerance to deposits on optical surfaces. This makes the system robust and maintenance-free for a long time.
  • FIG. 1 embodiment of the system according to the invention in supervision.
  • a light source 11 emits light 21, which is passed through a collimator 16 to a beam splitter 14.
  • the beam splitter 14 the light 21 in half in a detection beam 23 and in a reference beam 22nd
  • the reference beam 22 is guided on a reference path 13, which runs over an adjustable mirror 13a and is thus passed bidirectionally.
  • the detection beam 23 is guided in a region 33 through the medium 2. This region 33 ends at an interface 34, which is reflective for the detection beam 23. As a result, the region 33 is traversed twice by the detection beam 23, which doubles the optical path length. All that is required for this is that the material to which the medium 2 adjoins via the interface 34 has a refractive index n 3 sufficiently different from the medium 2.
  • the interface 34 may be blank or diffusely reflective. But it can also be advantageous mirrored.
  • the reference beam 22 is passed through the beam splitter 14 and the concentrator 17 to the detector 15.
  • Concentrator 17 also passed to the detector 15.
  • the reference beam 22 and the detection beam 23 are brought into interference; the measurement signal 100 of the detector 15 is proportional to the intensity of the interference product formed from both beams 22 and 23. As explained above, it comes only to interference when the reference beam 22 and the
  • Detection beam 23 have undergone comparable total optical path lengths. Since the wavelength spectrum of the light source 11 is continuous, there is exactly one length L of the reference path 13, for which a maximum of
  • the evaluation unit 101 determines the refractive index n of the medium 2 from the position of this maximum.
  • the medium 2 is a solution containing at least urea 2a and water 2b, which is used for exhaust gas aftertreatment in a motor vehicle 4. It is contained in a storage tank 41, from which a line 42 leads away.
  • White light interferometer 3 is completely immersed in the solution 2 in the storage tank 41.
  • Its housing 31, 32 comprises a transparent molding 31, which is designed so that the region 33 in which the detection beam 23 is guided through the medium 2, outside of the molding 31 and thus outside of the housing 31, 32 is arranged. In this area 33 is an additional
  • Temperature sensor 35 is arranged, which reports the temperature T of the medium 2 to the evaluation unit 101. From the with the help of the white light interferometer 3 determined refractive index n of the medium 2 and the temperature T of the
  • FIG. 1 shows the embodiment shown in Figure 1 in one
  • the transparent molded part 31 is a base plate 32 sealed and forms together with this base plate 32, the housing 31, 32nd
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment shown in FIG. 1 in a further sectional drawing along the line B-B.
  • This sectional view shows the light source 11 with associated collimator 16 as well as the beam path of the detection beam 23.
  • the detection beam 23 emerges from the beam splitter 14 through a least specular, ideally non-reflective,
  • Interface 36 on the molded part 31 in the region 33 via, which is arranged outside of the housing 31, 32.
  • This area 33 is filled with the medium 2.
  • the detection beam 23 is reflected back at an interface 34, which is arranged on the shaped part 31 at the end of the region 33, through the region 33 in the direction of the beam splitter 14.
  • the wall of the molded part 31 is guided directly onto the base plate 32.
  • the refractive index n of the medium 2 causes the speed of light c to be reduced to c / n. This corresponds to a geometric extension of the region 33 by the factor n.

Abstract

The invention relates to a device (1) for measuring the refractive index n of a medium (2, 2a, 2b), comprising: a white light interferometer (3), which has a light source (11), a beam splitter (14) for splitting the light (21) emitted by the light source (11) into a reference beam (22), and a detection beam (23), which detection beam can be guided through the medium (2, 2a, 2b), a reference path (13, 13a) having a variable length (L), on which reference path the reference beam (22) is guided, and a detector (15) for measuring the interference product (100) formed from the reference beam (22) and the detection beam (23); and an evaluating unit (101), which is designed to determine the refractive index n from the functional dependency of the interference product (100) on the length L. The invention further relates to a system (110) for measuring the concentration of urea (2a) in a solution (2) for the aftertreatment of exhaust gas in a motor vehicle (4), said solution containing at least urea (2a) and water (2b), comprising a device (1) according to the invention, wherein the detection beam (23) of the device (1) is guided through a storage tank (41) for the solution (2) and/or through a line (42) that conducts the solution.

Description

Beschreibung Titel:  Description Title:
Interferometrische Vorrichtung und System zur Messung des Brechungsindex eines Mediums  Interferometric device and system for measuring the refractive index of a medium
Die Erfindung betrifft eine einfache und gegen Verschmutzung unempfindliche Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex eines Mediums, insbesondere einer Betriebsflüssigkeit für ein Kraftfahrzeug. The invention relates to a simple and insensitive to contamination device for measuring the refractive index of a medium, in particular a working fluid for a motor vehicle.
Stand der Technik State of the art
Künftige verschärfte Abgasnormen für Dieselfahrzeuge werden sich nicht mehr allein mit innermotorischen Maßnahmen erfüllen lassen, sondern auch eine verbesserte Abgasnachbehandlung erfordern. Zur Reduzierung der Emissionen von Stickoxyden hat sich eine Nachbehandlung mit AdBlue, das laut DIN 70070 beziehungsweise ISO 22241 eine Lösung von Harnstoff in Wasser mit einer Harnstoffkonzentration von 31,8 % bis 33,2 % ist, sehr bewährt. Bei Alterung der Flüssigkeit ändert sich der Harnstoffgehalt, was das Future stricter emission standards for diesel vehicles will no longer be met by internal engine measures alone, but will also require improved exhaust aftertreatment. To reduce the emissions of nitrogen oxides, a post-treatment with AdBlue, which according to DIN 70070 or ISO 22241 is a solution of urea in water with a urea concentration of 31.8% to 33.2%, has proven very successful. As the liquid ages, the urea content changes
Abgasnachbehandlungssystem bei der Dosierung berücksichtigen muss. Da außerdem das Nachfüllen von AdBlue künftig nicht mehr nur in Werkstätten, sondern auch durch den Benutzer des Fahrzeugs erfolgen soll, ist es  Exhaust aftertreatment system must be considered in the dosage. In addition, as the refilling of AdBlue will not only be done in workshops, but also by the user of the vehicle, it is
wünschenswert, eine Fehlbefüllung des AdBlue-Tanks mit Kühlwasser, Öl, Kraftstoff oder anderen Substanzen detektieren zu können. desirable to be able to detect a faulty filling of the AdBlue tank with cooling water, oil, fuel or other substances.
AdBlue hat bei normgerechten Harnstoffkonzentrationen einen Brechungsindex n im Bereich von 1,380 bis 1,385. Dies ist deutlich höher als der Brechungsindex n=l,33 von reinem Wasser und zugleich niedriger als der Brechungsindex n>1 ,4 der meisten Kraftstoffe. Der Brechungsindex n ist daher als physikalische Messgröße sowohl für die Bestimmung der Harnstoffkonzentration als auch für die Erkennung einer Fehlbefüllung geeignet. Die DE 10 2007 010 805 B3 offenbart ein Verfahren zur Messung des AdBlue has a refractive index n in the range of 1.380 to 1.385 at standard urea concentrations. This is significantly higher than the refractive index n = l, 33 of pure water and at the same time lower than the refractive index n> 1, 4 of most fuels. The refractive index n is therefore suitable as a physical measured variable both for the determination of the urea concentration and for the detection of incorrect filling. DE 10 2007 010 805 B3 discloses a method for measuring the
Brechungsindex n einer Flüssigkeit, bei dem der Grenzwinkel der Totalreflexion zwischen der Flüssigkeit und einem transparenten Element mit einem bekannten Brechungsindex bestimmt wird. Die EP 2 543 839 AI offenbart ein einfachereres Konzept, bei dem der Fresnel- Koeffizient an einer Grenzfläche zwischen der untersuchten Flüssigkeit und einem anderen Medium ermittelt wird. Diese Verfahren erscheinen jedoch für einen robusten, wartungsfreien Sensor für den Automobilbereich wenig geeignet, weil sie von jeglichen lichtstreuenden Refractive index n of a liquid in which the critical angle of total reflection between the liquid and a transparent element with a known refractive index is determined. EP 2 543 839 A1 discloses a simpler concept in which the Fresnel coefficient is determined at an interface between the liquid under investigation and another medium. However, these methods appear to be less suitable for a rugged, maintenance-free sensor for the automotive industry because they are devoid of any light scattering
Ablagerungen (Partikel, Beläge, mikroskopische Luftblasen) an den optischen Grenzflächen gestört werden können. Deposits (particles, deposits, microscopic air bubbles) at the optical interfaces can be disturbed.
Um dieses Problem zu überwinden, wird in der DE 10 2010 041 136 B4 vorgeschlagen, den Brechungsindex n durch Lichtbrechung an einer To overcome this problem, it is proposed in DE 10 2010 041 136 B4, the refractive index n by refraction on a
prismenförmigen Messzelle zu ermitteln. Geringfügige Ablagerungen an den Grenzflächen schwächen dann zwar die Lichtintensität, ändern aber nicht die Richtung, in die das Licht gebrochen wird. Dies wird mit hohen Anforderungen an die Fertigungspräzision beziehungsweise Justage der optischen Komponenten erkauft und ist dadurch verhältnismäßig teuer. Weiterhin muss das gebrochene Licht einen relativ großen Intensitätsabstand zu Streulicht haben, das an to determine prism-shaped measuring cell. Minor deposits at the interfaces then weaken the light intensity, but do not change the direction in which the light is refracted. This is bought with high demands on the manufacturing precision or adjustment of the optical components and is therefore relatively expensive. Furthermore, the refracted light must have a relatively large intensity distance to scattered light, the
Ablagerungen beziehungsweise Schwebstoffen im Medium generiert wird. Deposits or suspended matter in the medium is generated.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Vorrichtung zur Messung des In the context of the invention, a device for measuring the
Brechungsindex n eines Mediums entwickelt. Diese Vorrichtung umfasst erfindungsgemäß ein Weißlichtinterferometer mit einer Lichtquelle, einem Strahlteiler zur Aufspaltung des von der Lichtquelle emittierten Lichts in einen Referenzstrahl und in einen durch das Medium führbare Nachweisstrahl, einem Referenzweg mit variabler Länge L, auf dem der Referenzstrahl geführt ist, und einem Detektor zur Messung des aus dem Referenzstrahl und dem Refractive index n of a medium developed. According to the invention, this device comprises a white light interferometer with a light source, a beam splitter for splitting the light emitted by the light source into a reference beam and a detection beam that can be guided through the medium, a reference path with variable length L, on which the reference beam is guided, and a detector for Measurement of the reference beam and the
Nachweisstrahl gebildeten Interferenzprodukts. Weiterhin ist eine Detection beam formed interference product. Furthermore, one is
Auswerteeinheit vorgesehen, die zur Bestimmung des Brechungsindex n aus der funktionalen Abhängigkeit des Interferenzprodukts von der Länge L ausgebildet ist. Evaluation unit provided for determining the refractive index n from the functional dependence of the interference product of the length L is formed.
Das wesentliche Merkmal eines Weißlichtinterferometers im Kontext dieser Erfindung ist, dass das von der Lichtquelle emittierte Licht nicht nur eine The essential feature of a white light interferometer in the context of this invention is that the light emitted by the light source is not just one
Wellenlänge oder einige wenige diskreten Wellenlängen aufweist, sondern ein Kontinuum von Wellenlängen innerhalb einer gewissen spektralen Breite. Wird nur eine Wellenlänge verwendet, oszilliert die Intensität des Interferenzprodukts periodisch mit der Länge L des Referenzwegs. Wird hingegen ein Kontinuum von Wellenlängen verwendet, gibt es genau ein Intervall von Längen L des  Wavelength or a few discrete wavelengths, but a continuum of wavelengths within a certain spectral width. If only one wavelength is used, the intensity of the interference product oscillates periodically with the length L of the reference path. If, on the other hand, a continuum of wavelengths is used, there is exactly one interval of lengths L of
Referenzwegs, in dem überhaupt ein Interferenzprodukt auftritt. Innerhalb dieses Intervalls nimmt die Intensität des Interferenzprodukts bei genau einer Länge L ein Maximum an. Die Lage dieses Maximums auf der Achse der Länge L ist durch die optische Weglängenveränderung festgelegt, die der Nachweisstrahl auf seinem Weg durch das Medium aufgrund des Brechungsindex n des Mediums erfährt. Im Umkehrschluss kann aus der Lage des Maximums der  Reference path in which an interference product occurs at all. Within this interval, the intensity of the interference product assumes a maximum at exactly one length L. The position of this maximum on the axis of length L is determined by the optical path length change experienced by the detection beam on its way through the medium due to the refractive index n of the medium. Conversely, from the position of the maximum of
Brechungsindex n des Mediums eindeutig bestimmt werden. Dies geschieht in der zur Vorrichtung gehörenden Auswerteeinheit. Gemäß Stand der Technik werden Weißlichtinterferometer im Zusammenhang mit ortsaufgelösten Abbildungsverfahren, wie beispielsweise Mikroskopie oder optische Kohärenztomographie, eingesetzt. Derartige Geräte sind teure, empfindliche Laborgeräte. Prima facie ist daher ein Weißlichtinterferometer für eine Anwendung in einem robusten, preiswerten, massenfertigungstauglichen Sensor für den Automobilbereich nicht geeignet. Die Erfinder haben erkannt, dass der entscheidende Punkt des Weißlichtinterferometers im Kontext der Erfindung das kontinuierliche Wellenlängenspektrum ist und nicht die Refractive index n of the medium can be uniquely determined. This happens in the device belonging to the evaluation. In the prior art, white light interferometers are used in conjunction with spatially resolved imaging techniques such as microscopy or optical coherence tomography. Such devices are expensive, sensitive laboratory equipment. Prima facie is therefore a white light interferometer for use in a robust, inexpensive, mass production suitable sensor for the automotive sector not suitable. The inventors have recognized that the crucial point of the white light interferometer in the context of the invention is the continuous wavelength spectrum and not the
Ortsauflösung. Es wird lediglich eindimensional die Länge L des Referenzwegs gemessen. Das kontinuierliche Wellenlängenspektrum schafft eine eindeutige Verbindung zwischen dieser Länge L und dem Brechungsindex n; es ist daher der Schlüssel zur Bestimmung des Brechungsindex n mit einer Spatial resolution. Only one-dimensionally the length L of the reference path is measured. The continuous wavelength spectrum provides a clear link between this length L and the refractive index n; it is therefore the key to determining the refractive index n with a
interferometrischen Methode. Dabei sind die Anforderungen an die interferometric method. Here are the requirements of the
Fertigungspräzision beziehungsweise Justage der optischen Komponenten niedrig. Der entscheidende Faktor für die Genauigkeit des Messergebnisses ist die genaue Kenntnis der Länge L des Referenzwegs. Mittel zur Einstellung beziehungsweise Messung dieses Weges mit sehr hoher Präzision sind am Markt allgemein verfügbar. Im Prinzip reicht es jedoch, im Rahmen einer Zweipunktkalibrierung die variable Länge L auf zwei in den Nachweisstrahl eingebrachte Referenzflüssigkeiten oder Prüfkörper mit bekannten, voneinander verschiedenen Brechungsindizes abzugleichen. Manufacturing precision or adjustment of the optical components low. The decisive factor for the accuracy of the measurement result is the exact knowledge of the length L of the reference path. Means for adjustment or measuring this path with very high precision are generally available on the market. In principle, however, it suffices, in the context of a two-point calibration, to match the variable length L to two reference liquids or test specimens introduced into the detection beam with known refractive indexes which differ from one another.
Ablagerungen auf den Grenzflächen zum Medium schwächen die Intensität des Nachweisstrahls, was aber ohne Einfluss auf die Lage des Maximums ist, das die Intensität des Interferenzprodukts annimmt. Zwar haben auch die Ablagerungen einen Brechungsindex n2, der die optische Weglänge des Nachweisstrahls prinzipiell ändert. Dies Ablagerungen sind jedoch höchstens einige Mikrometer dick, während die Strecke, die der Nachweisstrahl innerhalb des Mediums zurücklegt, um mindestens drei Größenordnungen länger ist. Die optische Weglängenänderung des Nachweisstrahls durch den Brechungsindex n2 von Ablagerungen ist also vernachlässigbar klein. Deposits on the interfaces with the medium weaken the intensity of the detection beam, but this has no influence on the position of the maximum, which assumes the intensity of the interference product. Although the deposits have a refractive index n 2 , which fundamentally changes the optical path length of the detection beam. However, these deposits are at most a few microns thick, while the distance that the detection beam travels within the medium is at least three orders of magnitude longer. The optical path length change of the detection beam through the refractive index n 2 of deposits is therefore negligibly small.
Somit vereint die vorliegende Erfindung insgesamt die Vorteile einer Thus, the present invention as a whole combines the advantages of a
Messmethode, die auf einem Volumeneffekt innerhalb des Mediums statt auf einem Grenzflächeneffekt an Grenzflächen des Mediums aufsetzt, mit einer einfachen, preiswerten und robusten apparativen Realisierbarkeit. Die Measuring method based on a volume effect within the medium instead of on an interfacial effect at interfaces of the medium, with a simple, inexpensive and robust apparatus realizability. The
Vorrichtung ist kompakt genug zu bauen, um im für Sensoren im  Device is compact enough to build in for sensors in
Automobilbereich vorgesehenen Formfaktor Platz zu finden. Automotive sector provided form factor space to find.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Nachweisstrahl zwischen dem Medium und dem Detektor über den Strahlteiler geführt, und/oder derIn a particularly advantageous embodiment, the detection beam is guided between the medium and the detector via the beam splitter, and / or the
Referenzstrahl ist zwischen dem Referenzweg und dem Detektor über den Strahlteiler geführt. Optische Wege in der Vorrichtung können dann von einem Strahl bidirektional beziehungsweise von zwei parallel verlaufenden Strahlen genutzt werden. Dadurch wird das Interferometer besonders kompakt. Reference beam is passed between the reference path and the detector via the beam splitter. Optical paths in the device can then be used by one beam bidirectionally or by two parallel beams. This makes the interferometer particularly compact.
Vorteilhaft ist eine Grenzfläche vorgesehen, an der der Nachweisstrahl nach einem ersten Passieren des Mediums auf einem erneut durch das Medium führenden Weg zum Strahlteiler reflektiert wird. Dadurch wird der optische Weg, den der Nachweisstrahl innerhalb des Mediums zurücklegt, verdoppelt. Advantageously, an interface is provided at which the detection beam is reflected after a first passage of the medium on a path leading again through the medium to the beam splitter. As a result, the optical path traveled by the detection beam within the medium is doubled.
Dementsprechend ist die Nachweisempfindlichkeit für Änderungen der optischen Weglänge, die durch Änderungen des Brechungsindex n des Mediums bewirkt werden, vorteilhaft erhöht. Accordingly, the detection sensitivity for changes in the optical Path length, which are caused by changes in the refractive index n of the medium, advantageously increased.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtquelle, der Referenzweg und der Detektor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the light source, the reference path and the detector are arranged in a common housing.
Alle drei Komponenten lassen sich dann in einem oder mehreren Hohlräumen gegen das untersuchte Medium und gegen Verschmutzungen abdichten. All three components can then be sealed in one or more cavities against the medium under investigation and against contamination.
Weiterhin kann dieses Gehäuse beispielsweise aus einem vorzugsweise transparenten Formteil bestehen, das mit einer Grundplatte verbunden ist und gemeinsam mit dieser gegen die Umgebung abgedichtete Hohlräume bildet. DieFurthermore, this housing, for example, consist of a preferably transparent molded part, which is connected to a base plate and forms together with this sealed against the environment cavities. The
Grundplatte kann dann beispielsweise gleichzeitig eine elektronische Platine sein, auf der die Lichtquelle, der Detektor, Mittel zur Änderung der Länge L des Referenzwegs, der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis (ASIC) beziehungsweise das Embedded-System zur Steuerung der Vorrichtung sowie weitere elektronische Komponenten integriert sein können. Weiterhin kann dieThe baseplate may then be, for example, simultaneously an electronic board on which the light source, the detector, means for changing the length L of the reference path, the application specific integrated circuit (ASIC) or the embedded system for controlling the device and other electronic components may be integrated , Furthermore, the
Grundplatte auch zusätzliche optische Elemente zur Strahlformung, wie Linsen oder Blenden, beherbergen. Vorteilhaft ist das Licht von der Lichtquelle durch einen Kollimator, beispielsweise eine kollimierende Linse, zum Strahlteiler geführt. Das Licht bildet dann ein paralleles Strahlenbündel. Vorteilhaft sind der Nachweisstrahl und der Referenzstrahl durch einen gemeinsamen Konzentrator, beispielsweise eine bündelnde Linse, zum Detektor geführt. Dies maximiert die Wechselwirkung zwischen den beiden Strahlen durch die Interferenz. Base plate also accommodate additional optical elements for beam shaping, such as lenses or diaphragms. Advantageously, the light from the light source is guided through a collimator, for example a collimating lens, to the beam splitter. The light then forms a parallel beam. The detection beam and the reference beam are advantageously guided through a common concentrator, for example a focusing lens, to the detector. This maximizes the interaction between the two beams through the interference.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der In a particularly advantageous embodiment of the invention is the
Nachweisstrahl durch einen Bereich außerhalb des Gehäuses geführt. Detection beam passed through an area outside the housing.
Beispielsweise kann auf dem Weg des Nachweisstrahls ein Bereich vorgesehen sein, in dem eine erste Wandung des Gehäuses zunächst durch den  For example, an area may be provided on the path of the detection beam, in which a first wall of the housing is initially through the
Nachweisstrahl auf eine zweite Wandung dieses Gehäuses geführt ist und anschließend parallel zu dieser zweiten Wandung des Gehäuses verläuft. Eine physikalische oder chemische Veränderung des Mediums pflanzt sich dann besonders schnell in den Bereich fort, in dem der Nachweisstrahl durch das Medium geführt ist. Die Vorrichtung reagiert dann besonders schnell auf derartige Veränderungen. Zugleich sind alle Komponenten der Vorrichtung, insbesondere die elektronischen und optischen Komponenten, in luftdichten, trockenen Hohlräumen eingeschlossen. Der Strahlteiler kann beispielsweise als eigenes optisches Element auf der Grundplatte bestückt sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist er jedoch Teil des Gehäuses. Dadurch wird die Fertigung der Vorrichtung weiter vereinfacht. Detection beam is guided on a second wall of this housing and then runs parallel to this second wall of the housing. A physical or chemical change of the medium then propagates particularly quickly into the area in which the detection beam is passed through the medium. The device then reacts very quickly to such changes. At the same time, all components of the device, in particular the electronic and optical components, are enclosed in airtight, dry cavities. The beam splitter can be equipped, for example, as a separate optical element on the base plate. In a particularly advantageous embodiment, however, it is part of the housing. As a result, the production of the device is further simplified.
Vorteilhaft erstreckt sich das Gehäuse ausgehend von einem Zentrum, in dem sich beispielsweise der Strahlteiler befinden kann, in zwei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen. Vorteilhaft erstreckt sich das Gehäuse in beiden Raumrichtungen gleich weit und/oder in mindestens einer der beiden Advantageously, the housing extends from a center in which, for example, the beam splitter can be located, in two mutually perpendicular spatial directions. Advantageously, the housing extends in both directions equally far and / or in at least one of the two
Raumrichtungen symmetrisch zum Zentrum. Vorteilhaft hat der Teil des  Spatial directions symmetrical to the center. Advantageously, the part of the
Gehäuses, durch den der Nachweisstrahl vom Strahlteiler weg und wieder zu ihm hin geführt ist, die gleichen Außenmaße wie der Teil des Gehäuses, durch den der Referenzstrahl vom Strahlteiler weg und wieder zu ihm hin geführt ist. Thermische Längenänderungen in beiden Teilen des Gehäuses, die Housing through which the detection beam is guided away from the beam splitter and back to him, the same outer dimensions as the part of the housing through which the reference beam is guided away from the beam splitter and back to him. Thermal length changes in both parts of the housing, the
beispielsweise durch die Temperatur des untersuchten Mediums verursacht werden können, kompensieren sich dann und bleiben ohne Einfluss auf das Messergebnis für den Brechungsindex n. Vorteilhaft ist das Formteil transparent. Es kann beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff hergestellt sein. Ist das Formteil nicht transparent, beispielsweise weil Umgebungslicht abgeschirmt werden soll, muss Transparenz an allen Stellen hergestellt werden, an denen Licht hindurchtreten soll. Dies betrifft insbesondere eine Außenwand zum einem Bereich außerhalb des Gehäuses, durch den der Nachweisstrahl geführt ist, sowie den Strahlteiler, sofern er ein Teil des Gehäuses ist. Transparenz kann beispielsweise durch den Einbau entsprechender Fenster in das Formteil hergestellt werden. Es kann aber auch beispielsweise umgekehrt ein zunächst transparentes Formteil selektiv dort eingefärbt werden, wo es nicht mehr transparent sein soll. For example, be caused by the temperature of the medium under investigation, then compensate and remain without influence on the measurement result for the refractive index n. Advantageously, the molding is transparent. It may for example be made of a transparent plastic. If the molded part is not transparent, for example because ambient light is to be shielded, transparency must be produced at all points at which light is to pass. This relates in particular to an outer wall to an area outside the housing, through which the detection beam is guided, as well as the beam splitter, if it is part of the housing. Transparency can be produced, for example, by installing corresponding windows in the molded part. However, it is also possible, for example, conversely, for an initially transparent molded part to be selectively colored where it should no longer be transparent.
Vorteilhaft liegt das Emissionsspektrum der Lichtquelle zumindest teilweise im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1.100 nm, bevorzugt von 500 nm bis 900 nm. Im Wellenlängenbereich unterhalb von 1.100 nm können vorteilhaft preiswerte Siliziumdetektoren, wie etwa eine Photodiode, für das Advantageously, the emission spectrum of the light source is at least partially in the wavelength range from 400 nm to 1100 nm, preferably from 500 nm to 900 nm. In the wavelength range below 1100 nm advantageously inexpensive silicon detectors, such as a photodiode for the
Interferenzprodukt eingesetzt werden. Im Bereich zwischen 500 nm und 900 nm ist eine wässerige Harnstoff lösung für den Einsatz in einem Interference product can be used. In the range between 500 nm and 900 nm is an aqueous urea solution for use in one
Abgasnachbehandlungssystem besonders transparent. Exhaust after-treatment system particularly transparent.
Die spektrale Breite des Lichts bestimmt dessen Kohärenzlänge. Die The spectral width of the light determines its coherence length. The
Kohärenzlänge ist umgekehrt proportional zur spektralen Breite. Je geringer diese Kohärenzlänge ist, desto schärfer ist das eindeutige Maximum der Coherence length is inversely proportional to the spectral width. The smaller this coherence length, the sharper the unique maximum of
Intensität des Interferenzprodukts definiert. Je schärfer dieses Maximum definiert ist, desto steiler hängt im Umkehrschluss der ermittelte Wert für den Intensity of the interference product defined. The sharper this maximum is defined, the steeper depends on the determined value for the opposite
Brechungsindex n von der Länge L des Referenzwegs ab. Dementsprechend steigen die Genauigkeitsanforderungen für die Messung beziehungsweiseRefractive index n of the length L of the reference path from. Accordingly, the accuracy requirements for the measurement or increase
Einstellung dieser Länge L. Vorteilhaft emittiert die Lichtquelle Licht mit einer spektralen Breite von mindestens 10 nm, bevorzugt von 20 nm bis 50 nm. Setting this length L. Advantageously, the light source emits light having a spectral width of at least 10 nm, preferably from 20 nm to 50 nm.
Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Superlumineszenzdiode oder eine Leuchtdiode sein, welche optional mit einem Bandpassfilter kombiniert werden kann. Die Lichtquelle kann aber beispielsweise auch eine Glühlampe sein. Das Licht einer Superlumineszenzdiode ist per se für die Durchführung der Messung am besten geeignet, jedoch ist eine Leuchtdiode deutlich preiswerter und damit für viele Anwendungen ein wirtschaftlicher Kompromiss. The light source can be, for example, a superluminescent diode or a light-emitting diode, which can optionally be combined with a bandpass filter. The light source can also be, for example, an incandescent lamp. The light of a superluminescent diode is per se most suitable for carrying out the measurement, but a light-emitting diode is significantly cheaper and therefore an economic compromise for many applications.
Um die Länge L des Referenzwegs zu variieren, enthält der Referenzweg vorteilhaft einen Spiegel, der durch einen Aktor entlang des Referenzwegs bewegbar ist. Die Ortsauflösung dieses Aktors bestimmt dann im Zusammenspiel mit der spektralen Breite des Lichts die Genauigkeit, mit der Änderungen des Brechungsindex n erfasst werden können. Der Messbereich, also das erfassbare Intervall des Brechungsindex n, wird durch den maximalen Verstellweg des Aktors beziehungsweise des Spiegels im Zusammenspiel mit der Länge, auf der der Nachweisstrahl durch das Medium geführt ist, festgelegt. Bei gleichem maximalem Verstellweg des Aktors vermindert eine Verlängerung des Weges, auf dem der Nachweisstrahl durch das Medium geführt ist, den Messbereich. To vary the length L of the reference path, the reference path advantageously includes a mirror that is movable by an actuator along the reference path. The spatial resolution of this actuator then determines in conjunction with the spectral width of the light, the accuracy with which changes in the refractive index n can be detected. The measuring range, ie the detectable interval of the refractive index n, is determined by the maximum displacement of the actuator or the mirror in interaction with the length on which the detection beam is guided through the medium. With the same maximum adjustment path of the actuator an extension of the path on which the detection beam is passed through the medium reduces the measuring range.
Umgekehrt erhöht eine Verlängerung des Weges, auf dem der Nachweisstrahl durch das Medium geführt ist, die Empfindlichkeit der Vorrichtung. Das bedeutet, dass die minimal detektierbare Änderung des Brechungsindex n kleiner wird. Je länger der Weg, auf dem der Nachweisstrahl durch das Medium geführt ist, desto größeren Verstellwegen des Spiegels entspricht eine gegebene Änderung des Brechungsindex n. Conversely, extending the path on which the detection beam passes through the medium increases the sensitivity of the device. This means that the minimum detectable change in the refractive index n becomes smaller. The longer the path on which the detection beam is passed through the medium, the more larger displacement paths of the mirror corresponds to a given change in the refractive index n.
Werden beispielsweise der noch nicht durch das Medium geführte For example, if not yet guided by the medium
Nachweisstrahl und der Referenzstrahl so aufeinander abgeglichen, dass dasDetection beam and the reference beam aligned so that the
Interferenzprodukt zwischen Nachweisstrahl und Referenzstrahl eine maximale Intensität hat, und wird anschließend der Nachweisstrahl auf einer Länge von 10 mm durch ein Medium mit dem Brechungsindex n=l,4 geführt, so muss die Länge L des Referenzwegs um 4 mm verlängert werden, um dieses Maximum wieder herzustellen. Interference product between the detection beam and reference beam has a maximum intensity, and then the detection beam is passed over a length of 10 mm through a medium with refractive index n = l, 4, the length L of the reference path must be extended by 4 mm to this maximum restore.
Der Aktor auf verschiedene Arten realisiert werden. Er kann beispielsweise ein Schrittmotor oder auch ein piezoelektrischer Aktor sein. Ein piezoelektrischer Aktor arbeitet besonders reproduzierbar und verschleißfrei, bietet jedoch gegenüber einem Schrittmotor einen geringeren Verstellweg. Die Lebensdauer der Eichung zwischen dem eingestellten Wert für die Länge L bei maximaler Interferenz einerseits und dem ermittelten Brechungsindex n andererseits ist primär durch die Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit des Aktors gegeben. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dieThe actuator can be realized in different ways. It may be, for example, a stepper motor or a piezoelectric actuator. A piezoelectric actuator is particularly reproducible and wear-free, but offers a lower displacement compared to a stepper motor. The lifetime of the calibration between the set value for the length L at maximum interference on the one hand and the determined refractive index n on the other hand is given primarily by the long-term stability and reproducibility of the actuator. In a further particularly advantageous embodiment of the invention is the
Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die Konzentration C mindestens einer Substanz in dem Medium aus dem Brechungsindex n zu ermitteln. Evaluation unit designed to determine the concentration C of at least one substance in the medium of the refractive index n.
Beispielsweise kann es für ein Medium, das ein Gemisch aus zwei Komponenten ist, für die Konzentration C einer der Komponenten zumindest auf einem Intervall dieser Konzentration C eine eindeutige Zuordnung zwischen dem ermitteltenFor example, for a medium that is a mixture of two components, for the concentration C of one of the components, at least at an interval of this concentration C, an unambiguous association between the one determined
Brechungsindex n und der Konzentration C geben. Dies trifft beispielsweise auf AdBlue zu, dessen Brechungsindex bei normgerechten Harnstoffkonzentrationen von 31,8 % bis 33,2 % im Bereich von n=l,380 bis n=l,385 variiert. Vorteilhaft ist ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur T des Refractive index n and the concentration C. This applies, for example, to AdBlue, whose refractive index varies from 31.8% to 33.2% in the range from n = 1.380 to n = 1.385 at standard urea concentrations. Advantageously, a temperature sensor for measuring the temperature T of
Mediums vorgesehen, und die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, diese Temperatur T zur Bestimmung der Konzentration C der Substanz zusätzlich heranzuziehen. Falls der Brechungsindex n des Mediums oder einer  Medium provided, and the evaluation unit is adapted to additionally use this temperature T for determining the concentration C of the substance. If the refractive index n of the medium or a
Komponente hiervor temperaturabhängig ist, kann auf diese Weise zwischen Änderungen des Brechungsindex n aufgrund der Temperatur T und Änderungen des Brechungsindex n durch Änderung der Zusammensetzung des Mediums unterschieden werden. Component herebefore is temperature dependent, can in this way between changes in the refractive index n due to the temperature T and changes of refractive index n can be distinguished by changing the composition of the medium.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein System zur Messung der Konzentration von Harnstoff in einer mindestens Harnstoff und Wasser enthaltenden Lösung zur Abgasnachbehandlung in einem Kraftfahrzeug. Dieses System umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in der In the light of the above, the invention also relates to a system for measuring the concentration of urea in a solution containing at least urea and water for exhaust aftertreatment in a motor vehicle. This system comprises the device according to the invention in the
Ausführungsform, in der die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Embodiment in which the evaluation unit is designed to, the
Konzentration von Harnstoff in der Lösung aus dem Brechungsindex n zu ermitteln. Der Nachweisstrahl der Vorrichtung ist durch einen Vorratstank für die Lösung und/oder durch eine die Lösung führende Leitung geführt. Die To determine concentration of urea in the solution of the refractive index n. The detection beam of the device is passed through a storage tank for the solution and / or through a line carrying the solution. The
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereint einen einfachen apparativen Aufbau und eine für die Massenfertigung akzeptablen Preis mit einer guten Genauigkeit sowie einer wesentlich verbesserten Toleranz gegenüber Ablagerungen auf optischen Flächen. Dadurch wird das System robust und für lange Zeit wartungsfrei. Use of the device according to the invention combines a simple apparatus design and an acceptable price for mass production with good accuracy and a significantly improved tolerance to deposits on optical surfaces. This makes the system robust and maintenance-free for a long time.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispiele embodiments
Es zeigt: It shows:
Figur 1 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems in Aufsicht. Figure 1 embodiment of the system according to the invention in supervision.
Figur 2 Schnitt durch das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel entlang der 2 shows a section through the embodiment shown in Figure 1 along the
Linie A-A.  Line A-A.
Figur 3 Schnitt durch das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel entlang der 3 shows a section through the embodiment shown in Figure 1 along the
Linie B-B.  Line B-B.
Nach Figur 1 emittiert eine Lichtquelle 11 Licht 21, das durch einen Kollimator 16 zu einem Strahlteiler 14 geleitet wird. Durch diesen Strahlteiler 14 wird das Licht 21 hälftig in einen Nachweisstrahl 23 und in einen Referenzstrahl 22 According to FIG. 1, a light source 11 emits light 21, which is passed through a collimator 16 to a beam splitter 14. By this beam splitter 14, the light 21 in half in a detection beam 23 and in a reference beam 22nd
aufgespaltet. Der Referenzstrahl 22 ist auf einem Referenzweg 13 geführt, der über einen verstellbaren Spiegel 13a läuft und somit bidirektional durchlaufen wird. Der Nachweisstrahl 23 ist in einem Bereich 33 durch das Medium 2 geführt. Dieser Bereich 33 endet an einer Grenzfläche 34, die für den Nachweisstrahl 23 spiegelnd ist. Dadurch wird der Bereich 33 zweimal vom Nachweisstrahl 23 durchlaufen, was die optische Weglänge verdoppelt. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass das Material, an das das Medium 2 über die Grenzfläche 34 angrenzt, einen vom Medium 2 hinreichend verschiedenen Brechungsindex n3 aufweist. Die Grenzfläche 34 kann blank oder diffus reflektierend sein. Sie kann aber auch vorteilhaft verspiegelt sein. split. The reference beam 22 is guided on a reference path 13, which runs over an adjustable mirror 13a and is thus passed bidirectionally. The detection beam 23 is guided in a region 33 through the medium 2. This region 33 ends at an interface 34, which is reflective for the detection beam 23. As a result, the region 33 is traversed twice by the detection beam 23, which doubles the optical path length. All that is required for this is that the material to which the medium 2 adjoins via the interface 34 has a refractive index n 3 sufficiently different from the medium 2. The interface 34 may be blank or diffusely reflective. But it can also be advantageous mirrored.
Der Referenzstrahl 22 wird durch den Strahlteiler 14 und den Konzentrator 17 zum Detektor 15 geleitet. Der Nachweisstrahl 23, der durch die Grenzfläche 34 zurück zum Strahlteiler 14 reflektiert wurde, wird von diesem durch den gleichenThe reference beam 22 is passed through the beam splitter 14 and the concentrator 17 to the detector 15. The detection beam 23, which has been reflected by the interface 34 back to the beam splitter 14, by the same
Konzentrator 17 ebenfalls zum Detektor 15 geleitet. Am Detektor 15 werden der Referenzstrahl 22 und der Nachweisstrahl 23 zur Interferenz gebracht; das Messsignal 100 des Detektors 15 ist proportional zur Intensität des aus beiden Strahlen 22 und 23 gebildeten Interferenzprodukts. Wie eingangs erläutert, kommt es nur dann zur Interferenz, wenn der Referenzstrahl 22 und der Concentrator 17 also passed to the detector 15. At the detector 15, the reference beam 22 and the detection beam 23 are brought into interference; the measurement signal 100 of the detector 15 is proportional to the intensity of the interference product formed from both beams 22 and 23. As explained above, it comes only to interference when the reference beam 22 and the
Nachweisstrahl 23 insgesamt vergleichbare optische Weglängen durchlaufen haben. Da das Wellenlängenspektrum der Lichtquelle 11 kontinuierlich ist, gibt es genau eine Länge L des Referenzwegs 13, für die sich ein Maximum der  Detection beam 23 have undergone comparable total optical path lengths. Since the wavelength spectrum of the light source 11 is continuous, there is exactly one length L of the reference path 13, for which a maximum of
Intensität des Interferenzprodukts 100 einstellt. Die Auswerteeinheit 101 bestimmt aus der Lage dieses Maximums den Brechungsindex n des Mediums 2.Intensity of the interference product 100 sets. The evaluation unit 101 determines the refractive index n of the medium 2 from the position of this maximum.
Das Medium 2 ist eine mindestens Harnstoff 2a und Wasser 2b enthaltende Lösung, die zur Abgasnachbehandlung in einem Kraftfahrzeug 4 dient. Sie ist in einem Vorratstank 41 enthalten, von dem eine Leitung 42 wegführt. Das The medium 2 is a solution containing at least urea 2a and water 2b, which is used for exhaust gas aftertreatment in a motor vehicle 4. It is contained in a storage tank 41, from which a line 42 leads away. The
Weißlichtinterferometer 3 ist komplett in die Lösung 2 im Vorratstank 41 eingetaucht. Sein Gehäuse 31, 32 umfasst ein transparentes Formteil 31, das so gestaltet ist, dass der Bereich 33, in dem der Nachweisstrahl 23 durch das Medium 2 geführt ist, außerhalb des Formteils 31 und damit außerhalb des Gehäuses 31, 32 angeordnet ist. In diesem Bereich 33 ist zusätzlich ein White light interferometer 3 is completely immersed in the solution 2 in the storage tank 41. Its housing 31, 32 comprises a transparent molding 31, which is designed so that the region 33 in which the detection beam 23 is guided through the medium 2, outside of the molding 31 and thus outside of the housing 31, 32 is arranged. In this area 33 is an additional
Temperaturfühler 35 angeordnet, der die Temperatur T des Mediums 2 an die Auswerteeinheit 101 meldet. Aus dem mit Hilfe des Weißlichtinterferometers 3 ermittelten Brechungsindex n des Mediums 2 und der Temperatur T des Temperature sensor 35 is arranged, which reports the temperature T of the medium 2 to the evaluation unit 101. From the with the help of the white light interferometer 3 determined refractive index n of the medium 2 and the temperature T of the
Mediums 2 ermittelt die Auswerteeinheit 101 die Konzentration C von Harnstoff 2a in der Lösung 2. Medium 2 determines the evaluation unit 101, the concentration C of urea 2a in the solution. 2
Figur 2 zeigt das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer Figure 2 shows the embodiment shown in Figure 1 in one
Schnittzeichnung entlang der Linie A-A. In dieser Schnittzeichnung sind der Lichtweg zum Detektor 15 und der Referenzweg 13 sichtbar. Es tritt zutage, dass der Spiegel 13a, der das Ende des Referenzwegs 13 bildet, durch einen Aktor 12 entlang des Referenzwegs 13 verschiebbar ist. Dieser Aktor 12 wird von der Auswerteeinheit 101 angesteuert, so dass der Auswerteeinheit 101 die Länge L des Referenzwegs 13 stets bekannt ist. Der Referenzweg 13 sowie der Sectional drawing along the line A-A. In this sectional drawing, the optical path to the detector 15 and the reference path 13 are visible. It turns out that the mirror 13a forming the end of the reference path 13 is slidable along the reference path 13 by an actuator 12. This actuator 12 is driven by the evaluation unit 101, so that the evaluation unit 101, the length L of the reference path 13 is always known. The reference path 13 and the
Strahlengang zum Detektor sind vom Medium 2 abgekapselt. Zu diesem Zweck ist das transparentes Formteil 31 eine Grundplatte 32 abgedichtet und bildet zusammen mit dieser Grundplatte 32 das Gehäuse 31, 32. Beam path to the detector are encapsulated by the medium 2. For this purpose, the transparent molded part 31 is a base plate 32 sealed and forms together with this base plate 32, the housing 31, 32nd
Figur 3 zeigt das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer weiteren Schnittzeichnung entlang der Linie B-B. Diese Schnittdarstellung zeigt die Lichtquelle 11 mit zugehörigem Kollimator 16 sowie den Strahlengang des Nachweisstrahls 23. Der Nachweisstrahl 23 tritt ausgehend vom Strahlteiler 14 durch eine möglichst wenig spiegelnde, idealerweise nicht spiegelnde, FIG. 3 shows the exemplary embodiment shown in FIG. 1 in a further sectional drawing along the line B-B. This sectional view shows the light source 11 with associated collimator 16 as well as the beam path of the detection beam 23. The detection beam 23 emerges from the beam splitter 14 through a least specular, ideally non-reflective,
Grenzfläche 36 am Formteil 31 in den Bereich 33 über, der außerhalb des Gehäuses 31, 32 angeordnet ist. Dieser Bereich 33 ist mit dem Medium 2 gefüllt. Der Nachweisstrahl 23 wird an einer Grenzfläche 34, die am Formteil 31 am Ende des Bereichs 33 angeordnet ist, durch den Bereich 33 zurückreflektiert in Richtung des Strahlteilers 14. Im Bereich 33 ist die Wandung des Formteils 31 unmittelbar auf die Grundplatte 32 geführt. Beim Durchlaufen des Bereichs 33 bewirkt der Brechungsindex n des Mediums 2, dass die Lichtgeschwindigkeit c auf c/n verringert ist. Dies entspricht einer geometrischen Verlängerung des Bereichs 33 um den Faktor n. Interface 36 on the molded part 31 in the region 33 via, which is arranged outside of the housing 31, 32. This area 33 is filled with the medium 2. The detection beam 23 is reflected back at an interface 34, which is arranged on the shaped part 31 at the end of the region 33, through the region 33 in the direction of the beam splitter 14. In the region 33, the wall of the molded part 31 is guided directly onto the base plate 32. When passing through the region 33, the refractive index n of the medium 2 causes the speed of light c to be reduced to c / n. This corresponds to a geometric extension of the region 33 by the factor n.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur Messung des Brechungsindex n eines Mediums (2, 2a, 2b), umfassend ein Weißlichtinterferometer (3) mit einer Lichtquelle (11), einem Strahlteiler (14) zur Aufspaltung des von der Lichtquelle (11) emittierten Lichts (21) in einen Referenzstrahl (22) und einen durch das Medium (2, 2a, 2b) führbaren Nachweisstrahl (23), einem Referenzweg (13, 13a) mit variabler Länge L, auf dem der Referenzstrahl (22) geführt ist, und einem Detektor (15) zur Messung des aus dem Referenzstrahl (22) und dem Nachweisstrahl (23) gebildeten Interferenzprodukts (100), weiterhin umfassend eine Auswerteeinheit (101), die zur Bestimmung des Brechungsindex n aus der funktionalen 1. Device (1) for measuring the refractive index n of a medium (2, 2a, 2b), comprising a white light interferometer (3) with a light source (11), a beam splitter (14) for splitting the light emitted by the light source (11) (21) into a reference beam (22) and through the medium (2, 2a, 2b) feasible detection beam (23), a reference path (13, 13a) with variable length L, on which the reference beam (22) is guided, and a detector (15) for measuring the interference product (100) formed from the reference beam (22) and the detection beam (23), further comprising an evaluation unit (101) for determining the refractive index n from the functional
Abhängigkeit des Interferenzprodukts (100) von der Länge L ausgebildet ist. Dependency of the interference product (100) of the length L is formed.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der2. Device (1) according to claim 1, characterized in that the
Nachweisstrahl (23) zwischen dem Medium (2, 2a, 2b) und dem Detektor (15) über den Strahlteiler (14) geführt ist und/oder der Referenzstrahl (22) zwischen dem Referenzweg (13, 13a) und dem Detektor (15) über den Strahlteiler (14) geführt ist. Detection beam (23) between the medium (2, 2a, 2b) and the detector (15) via the beam splitter (14) is guided and / or the reference beam (22) between the reference path (13, 13a) and the detector (15) is guided over the beam splitter (14).
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grenzfläche (34) vorgesehen ist, an der der Nachweisstrahl (23) nach einem ersten Passieren des Mediums (2, 2a, 2b) auf einem erneut durch das Medium (2, 2a, 2b) führenden Weg zum Strahlteiler (14) reflektiert wird. 3. Device (1) according to claim 2, characterized in that an interface (34) is provided, on which the detection beam (23) after a first passage of the medium (2, 2a, 2b) on a again through the medium (2 , 2a, 2b) leading to the beam splitter (14) is reflected.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 4. Device (1) according to one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11), der Referenzweg (13, 13a) und der Detektor (15) in einem gemeinsamen Gehäuse (31, 32) angeordnet sind. in that the light source (11), the reference path (13, 13a) and the detector (15) are arranged in a common housing (31, 32).
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der5. Device (1) according to claim 4, characterized in that the
Nachweisstrahl (23) durch einen Bereich (33) außerhalb dieses Gehäuses (31, 32) geführt ist. Detection beam (23) through a region (33) outside this housing (31, 32) is guided.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch 6. Device (1) according to one of claims 4 to 5, characterized
gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (14) Teil des Gehäuses (31, 32) ist. in that the beam splitter (14) is part of the housing (31, 32).
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch 7. Device (1) according to one of claims 1 to 6, characterized
gekennzeichnet, dass das Emissionsspektrum der Lichtquelle (11) zumindest teilweise im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1100 nm, bevorzugt von 500 nm bis 900 nm, liegt. characterized in that the emission spectrum of the light source (11) is at least partially in the wavelength range from 400 nm to 1100 nm, preferably from 500 nm to 900 nm.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (11), die Licht (21) mit einer spektralen Breite von mindestens 10 nm, bevorzugt von 20 nm bis 50 nm, emittiert. 8. Device (1) according to one of claims 1 to 7, characterized by a light source (11) which emits light (21) having a spectral width of at least 10 nm, preferably from 20 nm to 50 nm.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 9. Device (1) according to one of claims 1 to 8, characterized
gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (101) dazu ausgebildet ist, die Konzentration C mindestens einer Substanz (2a) in dem Medium (2, 2a, 2b) aus dem Brechungsindex n zu ermitteln. in that the evaluation unit (101) is designed to determine the concentration C of at least one substance (2a) in the medium (2, 2a, 2b) from the refractive index n.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein10. Device (1) according to claim 9, characterized in that a
Temperatursensor (35) zur Messung der Temperatur T des Mediums (2, 2a, 2b) vorgesehen ist und dass die Auswerteeinheit (101) dazu ausgebildet ist, diese Temperatur T zur Bestimmung der Konzentration C der Substanz (2a) zusätzlich heranzuziehen. Temperature sensor (35) for measuring the temperature T of the medium (2, 2a, 2b) is provided and that the evaluation unit (101) is adapted to additionally use this temperature T for determining the concentration C of the substance (2a).
11. System (110) zur Messung der Konzentration von Harnstoff (2a) in einer mindestens Harnstoff (2a) und Wasser (2b) enthaltenden Lösung (2) zur Abgasnachbehandlung in einem Kraftfahrzeug (4), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9-10 umfasst, wobei der Nachweisstrahl (23) der Vorrichtung (1) durch einen Vorratstank (41) für die Lösung (2) und/oder durch eine die Lösung führende Leitung (42) geführt ist. 11. System (110) for measuring the concentration of urea (2a) in a solution (2) containing at least urea (2a) and water (2b) for exhaust gas aftertreatment in a motor vehicle (4), characterized in that it comprises a device (1 ) according to one of claims 9-10, wherein the detection beam (23) of the device (1) through a storage tank (41) for the solution (2) and / or through a solution leading line (42) is guided.
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