WO2020007781A1 - Durchlicht-refraktometer - Google Patents

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WO2020007781A1
WO2020007781A1 PCT/EP2019/067567 EP2019067567W WO2020007781A1 WO 2020007781 A1 WO2020007781 A1 WO 2020007781A1 EP 2019067567 W EP2019067567 W EP 2019067567W WO 2020007781 A1 WO2020007781 A1 WO 2020007781A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring prism
process medium
transmitted light
axis
measuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/067567
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias MEINERT
Benjamin Scherer
Original Assignee
Endress+Hauser Process Solutions (Deutschland) GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Process Solutions (Deutschland) GmbH filed Critical Endress+Hauser Process Solutions (Deutschland) GmbH
Publication of WO2020007781A1 publication Critical patent/WO2020007781A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential

Definitions

  • the invention relates to a transmitted light refractometer for determining the refractive index of a process medium, comprising: a light source which is arranged in an object plane and which emits light when determining the refractive index from the object plane, an optical system which emits the light emitted by the light source along an optical axis which is parallel to the object plane and which is parallel to the object plane, is generated and is directed in an entry direction into the
  • Process medium occurs, a measuring prism at least partially introduced into the process medium, an optical detector unit, and a control / evaluation unit.
  • 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 are used to determine the refractive index of a process medium, in particular a process liquid.
  • the refractive index is used, for example, to determine one that can be derived from the refractive index
  • Process size such as the concentration of a substance in the process medium, or used in a purity test.
  • the measuring principle of a refractometer is based on the fact that light is irradiated at an interface between the process medium and a measuring prism.
  • the refractive index of the process medium is determined on the basis of the refractive behavior at the interface and the known refractive index of the measuring prism.
  • So-called Abbe refractometers are known from the prior art, for example, which work with the critical angle of total reflection.
  • the light is partially refracted into the process medium and reflected or completely reflected.
  • Total reflection is determined by means of the reflected light intensity depending on the
  • Abbe refractometers Determines the angle of incidence and uses this to determine the refractive index of the process medium.
  • Abbe refractometers are described in a wide variety of configurations in the prior art, for example in DE 1994 47 98 A1. In contrast to Abbe refractometers, transmitted light refractometers are used
  • Measuring prism and process medium traversed by the beam The deflection of the beam when crossing the measuring prism and the process medium depends on their refractive index difference.
  • the angle of deflection between the incident and the traversing beam is therefore a measure of the refractive index of the process medium.
  • the angle of deflection in turn will for example, based on the position of a focal point of the crossing
  • Beam bundle is determined on a detector plane perpendicular to the optical axis of the irradiated beam bundle.
  • a disadvantage of known transmitted light refractometers is that they generally require two accesses to the process medium. In some cases this is undesirable or not always possible.
  • Process medium must be accommodated, which is either relatively large
  • Housing are required and / or the lighting optics and imaging optics must be dimensioned very compact. However, this is not always possible, for example because access to the process medium is limited per se and / or the design of the optics cannot be reduced as desired.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a transmitted light refractometer with space-saving one-sided access to the process medium.
  • the task is solved by a transmitted light refractometer for determining the
  • Refractive index of a process medium comprising: a light source arranged in an object plane, which is used in determining the refractive index from the
  • an optical system that uses the light emitted by the light source to generate a bundle of rays parallelized along an optical axis that is essentially perpendicular to the object plane, a process window through which the parallelized bundle of rays passes in an entry direction into the
  • Process medium occurs, a measuring prism at least partially introduced into the process medium, a deflection element, an optical detector unit and a control / evaluation unit.
  • the invention is characterized in that
  • the measuring prism and the deflecting element are designed and arranged along the optical axis in such a way that the beam passes through the process medium and the measuring prism for the first time in a first pass, is deflected at the deflecting element, and the measuring prism and that in a second pass
  • Crosses process medium exits the process medium through the process window in a direction essentially opposite to an entry direction, and is focused on the optical detector unit by means of the optical system, the The control / evaluation unit determines the refractive index on the basis of at least one focus point.
  • the invention thus comprises an optical system which serves both to parallelize and to focus the light beams incident on the optical system from opposite directions: on the one hand, the optical system generates the light from a first direction optical system incident light rays a parallel beam, on the other hand, the optical system focuses the beam incident on the optical system from a second direction opposite to the
  • Interface between the measuring prism process medium causes a smaller deflection.
  • At least one optical component for example a lens, or a multiplicity of interacting optical components, for example a lens system, is referred to as an optical system.
  • the deflecting element is arranged behind the measuring prism (and the process medium) in relation to the direction of the beam passing through the process medium and the measuring prism during the first pass.
  • the beam of rays it is possible for the beam of rays to first cross the measuring prism and then the process medium or, conversely, first the process medium and then the measuring prism during the first pass.
  • the measuring prism is then arranged between the process medium and the reversing element.
  • the measuring prism has at least two flat and inclined surfaces.
  • the flat surfaces are each perpendicular to the optical axis Plane inclined about an inclination axis in opposite directions, the inclination axis being perpendicular to the optical axis.
  • the measuring prism is introduced into the process medium in such a way that the two mutually inclined surfaces come into contact with the medium, a first portion of the beam bundle in one of the two passes through the measuring prism through a first of the two mutually inclined surfaces and a second portion of the beam bundle in this passageway the measuring prism enters the measuring prism via a second of the two inclined surfaces.
  • the mutually inclined surfaces are arranged on a front surface of the measuring prism, via which the beam of rays enters the measuring prism during the first pass.
  • Surfaces can alternatively also be arranged on a rear surface of the measuring prism, via which the beam of rays only enters the measuring prism in the second passage after being deflected by the deflecting element.
  • the first portion of the radiation beam is a first
  • Focus point and the second portion of the beam focused on a different, second focus point lie in a detector plane perpendicular to the optical axis.
  • the distance between the two focal points in the detector plane in a direction perpendicular to the optical axis and the inclination axis represents a measure of the amount of the refractive index difference between
  • the two mutually inclined surfaces are each inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis in such a way that the beam of rays in the first passage, for example, in each case over the first and second of the two
  • the surface inclined towards one another enters the measuring prism at an entry angle that is different from a perpendicular entry angle. It is of course possible that the angle between the two surfaces inclined towards each other is smaller or larger than 180 °. In particular, the inclination of the two surfaces inclined towards one another is essentially symmetrical to the optical axis. The amount of deviation from a perpendicular entry angle is in particular less than or equal to 30 °.
  • the measuring prism has a conical surface.
  • the measuring prism is a conical measuring prism.
  • the cone-shaped surface is preferably a medium-contacting surface of the
  • the conical surface of the measuring prism can alternatively also be formed in that the measuring prism is designed as a negative of a conical shape. In the latter case, the measuring prism therefore has an essentially funnel-shaped section.
  • two focus points are not generated here, but the light is mapped onto an elliptical or circular focus point (or focus ring) (slate / straight cone).
  • the refractive index of the process medium can be determined on the basis of the radius of the elliptical or circular focal point.
  • the conical measuring prism is, in particular, a so-called axicon.
  • the transmitted light refractometer comprises a
  • Process window through which the parallelized beam of rays enters the process medium before the first pass in the entry direction and through which the beam of rays subsequently leads to the second pass in the exit direction from the
  • the measuring prism, the process window and the deflecting element are arranged with respect to one another in such a way that the beam of rays first crosses the process medium and then the measuring prism in the first pass, and crosses the measuring prism and then the process medium in the second pass in reverse order.
  • the arrangement in this embodiment is thus process window, process medium, measuring prism deflection element.
  • measuring prism process medium deflection element is of course also possible.
  • the measuring prism and the measuring prism are of course also possible.
  • Deflecting element arranged in relation to one another in such a way that the beam of rays first passes through the measuring prism and then through the process medium in the first pass, and first in the second pass in reverse order
  • the deflection element is a mirror.
  • the optical is advantageous
  • Light source and detector unit is possible.
  • the light source and the optical system are configured such that the
  • Detector unit is spaced with an offset. In this case it is the Object level and the level of the detector unit around two essentially parallel planes.
  • the first portion of the beam passes over the same in both passes, e.g. the first, of the two inclined surfaces into the measuring prism (e.g. first pass) or out (e.g. second pass).
  • the second portion of the beam then enters or exits (e.g., first passage) or exits (e.g., second passage) through the second of the two mutually inclined surfaces in both passes.
  • the light source and the focus point (s) lie on a common straight line perpendicular to the inclination axis without further measures.
  • the deflection element is a flat mirror, the mirror plane of which is tilted about a tilting axis with respect to a plane perpendicular to the optical axis, and wherein the
  • Tilt axis is perpendicular to the optical axis and to the axis of inclination.
  • the optical axis, the inclination axis and the tilt axis are therefore three mutually perpendicular axes of a Cartesian coordinate system.
  • Object level consists in a lateral displacement of the light source itself with respect to an imaginary straight line parallel to the optical axis and connecting the process window, the measuring prism and the deflection element. In one embodiment of this training, it is therefore a level
  • the light source being spaced apart from an intersection between the object plane and a straight line parallel to the optical axis and connecting the process window, the measuring prism and the deflecting element in a direction parallel to the inclination axis.
  • the distance in the object plane in the direction parallel to the axis of inclination is at least 50% of the sum of the dimensions of the optical
  • the mirror has a first one
  • the first mirror plane that reflects the first portion of the beam that has entered the first inclined surface, and a second mirror plane that reflects the second portion of the beam that entered the second inclined surface.
  • the first mirror plane is tilted relative to the plane perpendicular to the optical axis about a tilt axis and the second mirror plane about the tilt axis in the opposite direction.
  • the tilt axis is perpendicular to the optical axis and to the tilt axis. In this embodiment, too, there are three mutually perpendicular axes of a Cartesian coordinate system.
  • the first and the second portion of the beam are reflected on mirror planes tilted in opposite directions about the tilt axis.
  • the two focus points in the detector and object planes are on opposite, different sides of the light source with respect to the direction parallel to the inclination axis.
  • the two focus points can each be detected with a separate camera of the optical detector unit, the two cameras being arranged on the different sides of the light source.
  • the two focus points in this development are thus clearly separated in the direction parallel to the axis of inclination.
  • the first and second focus points can always be identified, i.e. it can always be clearly distinguished over which of the two mutually inclined surfaces of the measuring prism the respective portion of the beam was broken.
  • the transmitted light refractometer according to the invention can also be used to determine whether the process medium has a refractive index larger or smaller than the measuring prism. So in addition to the amount
  • a front surface facing away from the process medium, via which the beam of rays enters the process medium namely a front surface of the process window or a front surface of the measuring prism, is tilted about a tilting axis with respect to a plane perpendicular to the optical axis, the tilting axis being perpendicular to optical axis and to the inclination axis.
  • this configuration provides a very compact possibility of separating the focal point (s) from the light source in the direction parallel to the inclination axis reached.
  • the tilt axis defined by the untilted measuring prism naturally remains unaffected by the tilt, so that the optical axis, the tilt axis and the tilt axis also form three mutually perpendicular axes of a Cartesian coordinate system.
  • the deflection element is a retroreflector.
  • the retroreflector and the measuring prism are designed such that the first portion of the beam enters the first pass through a first of the two mutually inclined surfaces, is deflected at the retroreflector, and then exits during the second pass through the second of the two mutually inclined surfaces , The second portion of the beam then passes through the second surface during the first pass, is deflected at the retroreflector and exits through the first surface during the second pass.
  • the beam of rays enters the measuring prism in the second pass through a rear surface of the measuring prism, the
  • Deflection element is arranged immediately adjacent to the rear surface.
  • Deflection element is designed as at least one reflective layer applied to the rear surface of the measuring prism. For example, there is one or two mirror layers applied to the rear surface of the measuring prism. This will make one enables very simple and compact production of the measuring prism and the deflection element.
  • the axis of inclination and the axis of tilt are Cartesian in every case
  • the refractive index of the measuring prism lies within the measuring range of the transmitted light refractometer.
  • the invention thus makes it possible to use different materials for the measuring prism without thereby restricting the measuring range of the transmitted light refractometer.
  • the refractive index of the measuring prism is 1.3 to 1.8.
  • a beam splitter is arranged between the light source and the optical system.
  • the beam splitter is used in particular to separate those incident on the optical system from the light source (i.e. from a first direction) from those incident on the optical system from an opposite second direction
  • the beam splitter is set up, for example, to leave the direction of a (ideally larger) portion of the rays incident on the beam splitter from the first direction unaffected and to deflect a (ideally larger) portion of the light rays incident on the beam portion from the second direction.
  • the steel divider therefore causes, for example, a change in the direction of the portion of the beam focused by the optical system, but not the portion of the light rays to be parallelized by the optical system.
  • the detector unit is arranged in a detector plane rotated with respect to the object plane about this change in direction.
  • the optical detector unit comprises at least one camera with at least one line with pixels that are arranged along an axis that is perpendicular to the optical axis.
  • the detector unit thus extends in a plane perpendicular to the optical axis.
  • the camera also possible for the camera to comprise exactly one line with pixels.
  • Such a minimal design of the detector unit with exactly one camera line saves costs and increases accuracy because more pixels are available per camera line. The other leads this leads this leads to faster reading and thus an accelerated or simplified evaluation and to a smaller space requirement.
  • the optical detector unit comprises at least two cameras, each with at least one line with pixels, which are each arranged along an axis perpendicular to the optical axis in such a way that the optical system points the first portion of the beam onto a first of the two cameras and focuses the second portion of the beam onto a second of the two cameras.
  • the at least two cameras are arranged in a plane substantially perpendicular to the optical axis.
  • the transmitted light refractometer comprises exactly two cameras, which are arranged in the object plane on opposite sides of the light source in the case of a deflecting element designed as a mirror.
  • the light source comprises an LED. In one embodiment of the invention, the light source comprises a laser.
  • the transmitted light refractometer has at least one temperature sensor, which is designed to determine the temperature of the process medium.
  • the control / evaluation unit is designed to include one from the
  • the derivable process variable of the process medium is a
  • the temperature sensor projects into the process medium, for example, and / or is applied to the measuring prism and / or the process window and / or the deflection element. Since the refractive index depends on the temperature, it is advantageous to take into account the temperature determined by the temperature sensor.
  • the temperature sensor can be configured, for example, as a resistance-based thermometer such as a Pt100 or Pt1000, or as a thermo-voltage-based thermometer or thermocouple, or another temperature sensor known from the prior art.
  • the invention also relates to a method for determining the refractive index of a process medium with a transmitted light refractometer according to the invention, in which light is emitted from the object plane, a parallelized beam is generated and the parallelized beam enters the process medium in an entry direction.
  • the method according to the invention is characterized in that the process medium and the measuring prism are passed through the beam for the first time in a first pass, are deflected at the deflecting element, the measuring prism and the process medium are passed through the beam a second time in a second pass, which Beams exit the process medium in a direction essentially opposite to the entry direction, are focused on the optical detector unit by means of the optical system, and the refractive index is determined by the control / evaluation unit on the basis of at least one focal point of the beam.
  • an LED is used as the light source, the frequency and / or phase of an image of a periodic structure of a component of the LED light source being used when determining the position of the at least one focal point.
  • a signal / noise ratio is advantageously increased by using the frequency and / or phase of the periodic mapping.
  • Fig. 1 A beam path of a first embodiment of an inventive
  • 2a A beam path of a second embodiment of a D i rch I icht refractometer
  • 2b An embodiment of the measuring prism and the deflecting element in the second embodiment of the transmitted light refractometer according to the invention
  • FIG. 4 ac Different perspective views of a further embodiment of a measuring prism of a transmitted light refractometer according to the invention.
  • Fig. 5 An illustration of a periodic component of the light source in a
  • Figure 1 shows a side view of a beam path of a first embodiment of a transmitted light refractometer according to the invention.
  • an LED light source 1 is arranged in the object plane OE on a single-beam side.
  • the light emitted by the light source 1 is parallelized by the optical system 2 along the optical axis z, which here runs along the horizontal.
  • the optical system 2 is shown here as a single lens due to the simpler representation, but, as mentioned above, can comprise a lens system composed of a plurality of lenses, for example three.
  • the parallelized beam SB then enters the process medium PM through a process window 3.
  • a first refraction takes place at the process medium PM measuring prism 4 interface. Then that will
  • the beam SB is directed to two different focal points FP1, FP2 in the embodiment with the
  • the measuring prism 4 here comprises two surfaces OF1, OF2 which are inclined with respect to one another essentially symmetrically to the optical axis z and is therefore designed as a double prism.
  • a first portion of the beam (solid line) SB1 enters the measuring prism 4 via the first surface OF1
  • a second portion of the beam (dashed line) SB2 enters the measuring prism 4 via the second surface OF2.
  • the measuring prism 4 adjacent to the process window 3 and / or to arrange the mutually inclined surfaces OF1, OF2 on a back surface 41 of the measuring prism 4, as long as the mutually inclined surfaces OF1, OF2 are in contact with the medium and as required Interface process medium PM measuring prism 4 is present.
  • the measuring prism 4 shown in a sectional view in FIG. 1 is also shown in more detail in a perspective view in FIG. 3a.
  • the angle of less than 180 ° between the two mutually inclined surfaces OF1, OF2 shown in FIG. 3a it is also possible within the scope of the invention that the two mutually inclined surfaces OF1, OF2 have an angle greater than 180 as shown in FIG. 3b ° form.
  • the deflection element 5 is advantageous here as a mirrored rear surface 41 of the
  • Measuring prism 4 formed i.e. a mirrored layer is applied directly to the back surface.
  • the advantage of this variant is, on the one hand, the simple manufacture, on the other hand, with measuring prisms 4, as shown in FIG. 3a, there is a central region of the measuring prism 4 from which no usable measuring signal can be obtained. As this area shrinks, the smaller the distance between measuring prism 4 and
  • the focal points FP1, FP2 are mapped onto a straight line in the detector and object plane OE which is common to the light source 1 and which is perpendicular to the inclination axis x, i.e. parallel to the vertical y-axis here. Since the two focus points FP1, FP2 lie on a common straight line and on a straight line parallel to the vertical y direction, an optical detector unit 6 with only one camera 91, possibly with only one pixel line PZ1, can be used in this embodiment.
  • Embodiment shown the second surface OF2 was broken.
  • the object plane OE in the direction of the inclination axis x between the LED light source 1 and the focal points FP1, FP2
  • either the mirrored, flat rear surface 41 of the measuring prism 4 is designed as tilted about the vertical tilting axis y, or the entire measuring prism 4 is tilted.
  • the light source 1 itself is shifted with an offset in the inclination direction x in the object and detector plane OE.
  • Beam bundle SB enters the process medium PM.
  • the front surface is either a front surface of the process window 3 or one
  • Process window 3 is used and the beam of rays SB, as mentioned above, passes through the arrangement of measuring prism 4 process medium PM deflecting element 5 process medium PM measuring prism 4.
  • the distance between the two focus points FP1, FP2 in the vertical y direction is a measure of the amount of refractive index difference between process medium PM and measuring prism 4, which is determined by the control / evaluation unit 7.
  • the control / evaluation unit 7 is used to regulate and / or evaluate the signals detected by the optical detector unit 6, 91, 92 (optical detector unit 6 see FIG. 2) and / or the LED light source 1 and, if appropriate, the one or the
  • Temperature sensor / s 1 1 determined temperatures.
  • FIG. 3c A development of the first embodiment of the invention is shown with the measuring prism 4 shown in FIG. 3c and the optical detector unit 6.
  • a spatial separation of light source 1 and optical detector unit 6 in the direction parallel to the axis of inclination, here x-direction, is achieved in that the mirrored rear surface 41 of the measuring prism 4 has two different mirror planes SE1, SE2, each of which rotates in different directions a tilt axis y are tilted.
  • SE1, SE2 The perpendicular to the optical axis z and the inclination axis x
  • Tilt axis y runs in the vertical direction here.
  • Mirror surfaces SE1, SE2 the tilt of which differs in sign.
  • the two beams SB1, SB2 are imaged on different sides of the light source 1 in a direction parallel to the axis of inclination x.
  • the two focus points FP1, FP2 can each be detected with a separate camera 91; 92, which are each designed here as a pixel line PZ1; PZ2. It is therefore always possible to distinguish on which of the two surfaces OF1, OF2 inclined relative to one another the respective focus point FP1, FP2 was broken, or whether the two partial beams cross or not.
  • This enables a transmitted light refractometer with a measuring range, which includes values above and below the refractive index of the measuring primate 4, and thus greater freedom in the choice of the material for the measuring prism 4.
  • there is a mirrored rear surface 41 in which the two tilted against each other
  • Mirror planes SE1, SE2 are applied as mirrored layers to the rear surface.
  • a beam path of a second embodiment of a transmitted light refractometer according to the invention is shown in more detail in FIGS. 2a, b.
  • this is now designed as a retroreflector.
  • Retroreflectors are preferred because they are very uncritical to adjust. In the case of retroreflectors, there is a deflection as shown in FIG. 2b, in which a beam which runs in obliquely from above over the first surface OF1 of the measuring prism 4 also emerges obliquely upwards.
  • the entry point is mirrored point-symmetrically around the center of the retroreflector, as a result of which the second refraction can take place on the second surface OF2.
  • a detector level that is separate from the object level OE is preferred. This is achieved by the additional beam splitter 8 shown in FIG. 2a.
  • the beam splitter 8 leaves the direction of a portion of the rays incident on the beam splitter 8 from the incident beam unaffected and directs a portion of the rays that have emerged from the process window 3 and are focused by the optical system 2
  • the optical detector unit 6 is arranged in a detector plane rotated by this change in direction in relation to the object plane OE.
  • FIGS. 4a-c A further embodiment of the measuring prism 4 is shown in different perspective views in FIGS. 4a-c. This is the case already mentioned that the measuring prism 4 simultaneously serves as a window to the process medium PM, so that no separate process window is used.
  • the rear surface (in relation to the direction of the beam SB) of the measuring prism 4 is similar to that
  • the two media-contacting surfaces OF1, OF2 arranged on the rear surfaces of the measuring prism 4 have an inclination angle a of approximately 18 °. At the same time it is
  • the tilt angle ⁇ is in particular less than 10 °, preferably less than 5 °.
  • an image AB of a component 10 (see also FIG. 1) of the LED light source 1 is used to determine the position of the at least one focus point.
  • the electrode structure of the LED light source 1 forms a periodic structure in a simple and cost-effective manner, which is shown in FIG. 5, here the example AB of the LED “SYNIOS P2720, KY DMLS31 .23” from the manufacturer Osram.
  • the position of the focal point FP1.FP2 is determined in two steps using the image AB of the periodic structure. First, the position of the LED image is roughly determined. The positioning should be a
  • the period is, for example, 100 pm. This means that the accuracy must be 50 gm or 7 pixels for a camera 91, 92 with a pixel size of 7 pm.
  • the area of the camera 91, 92 with the LED image is then cut out and processed by a filter in such a way that only the spatial frequencies of the LED structure (1 / 100pm) remain. This way the influence of stray light and
  • optical detector unit 7 control / evaluation unit

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Abstract

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

Description

Durchlicht-Refraktometer
Die Erfindung betrifft ein Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: eine in einer Objektebene angeordnete Lichtquelle, die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der Objektebene heraus Licht aussendet, ein optisches System, das aus dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene im Wesentlichen senkrechten optischen Achse parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt, das in einer Eintrittsrichtung in das
Prozessmedium eintritt, ein in das Prozessmedium zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma, eine optische Detektoreinheit, und eine Regel-/Auswerteeinheit.
Refraktometer werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft, Chemie, Biochemie, Pharmazie,
Biotechnologie und Umweltmesstechnik zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, insbesondere einer Prozessflüssigkeit, eingesetzt. Der Brechungsindex wird zum Beispiel zur Bestimmung einer aus dem Brechungsindex ableitbaren
Prozessgröße, wie etwa der Konzentration eines Stoffes in dem Prozessmedium, oder bei einer Reinheitsprüfung herangezogen. Das Messprinzip eines Refraktometers beruht darauf, dass an einer Grenzfläche zwischen dem Prozessmedium und einem Messprisma Licht eingestrahlt wird. Anhand des Brechungsverhaltens an der Grenzfläche und dem bekannten Brechungsindex des Messprismas wird der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise sogenannte Abbe-Refraktometer bekannt, die mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion arbeiten. In Abhängigkeit von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Messprisma und dem Prozessmedium sowie dem Einfallswinkel eines Strahlenbündels wird das Licht teilweise in das Prozessmedium gebrochen und reflektiert oder vollständig reflektiert. Der kritische Winkel der
Totalreflexion wird mittels der reflektierten Lichtintensität in Abhängigkeit von dem
Einfallswinkel bestimmt und daraus der Brechungsindex des Prozessmediums ermittelt. Abbe-Refraktometer sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen beschrieben, beispielweise in der DE 1994 47 98 A1 . Im Gegensatz zu Abbe-Refraktometern werden bei Durchlicht-Refraktometern
Messprisma und Prozessmedium von dem Strahlenbündel durchquert. Die Ablenkung des Strahlenbündels beim Durchqueren des Messprismas und des Prozessmediums ist dabei abhängig von deren Brechungsindexdifferenz. Der Ablenkungswinkel zwischen dem eingestrahlten und dem durchquerenden Strahlenbündel ist daher ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums. Der Ablenkungswinkel wiederum wird beispielsweise anhand der Position eines Fokuspunktes des durchquerenden
Strahlenbündels auf einer zur optischen Achse des eingestrahlten Strahlenbündels senkrechten Detektorebene ermittelt. Nachteilig an bekannten Durchlicht-Refraktometern ist, dass sie in der Regel zwei Zugänge zum Prozessmedium benötigen. Dies ist in manchen Fällen unerwünscht bzw. nicht immer möglich.
In der Patentschrift DE 10 2007 05 07 31 B3 wird dies gelöst, indem über einen einzigen Prozesszugang Licht eingestrahlt wird, das mittels einer Beleuchtungsoptik parallelisiert wird, an einer Umlenkoptik umgelenkt wird, anschließend das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, und durch eine Abbildungsoptik auf eine Detektorebene fokussiert wird. Dadurch ist die Detektorebene vorteilhaft auf der Einstrahlseite angeordnet, wodurch nur ein Zugang zum Prozessmedium notwendig ist. Nachteilig an der in der DE 10 2007 05 07 31 B3 beschriebenen Lösung ist, dass sowohl die
Beleuchtungs- als auch die Abbildungsoptik in dem einseitigen Zugang zum
Prozessmedium untergebracht werden müssen, wodurch entweder relativ große
Gehäuse benötigt werden und/oder die Beleuchtungsoptik und Abbildungsoptik sehr kompakt dimensioniert sein müssen. Dies ist jedoch nicht immer möglich, beispielsweise weil der Zugang zum Prozessmedium an sich begrenzt ist und/oder die Ausgestaltung der Optiken nicht beliebig verkleinert werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Durchlicht-Refraktometern mit einem platzsparenden einseitigen Zugang zum Prozessmedium anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des
Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: eine in einer Objektebene angeordnete Lichtquelle, die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der
Objektebene heraus Licht aussendet, ein optisches System, das aus dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene im Wesentlichen senkrechten optischen Achse parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt, ein Prozessfenster, durch das das parallelisierte Strahlenbündel in einer Eintrittsrichtung in das
Prozessmedium eintritt, ein in das Prozessmedium zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma, ein Umlenkelement, eine optische Detektoreinheit und eine Regel- /Auswerteeinheit. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Messprisma und das Umlenkelement derart ausgestaltet und entlang der optischen Achse angeordnet sind, dass das Strahlenbündel in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, am Umlenkelement umgelenkt wird, in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma und das
Prozessmedium durchquert, durch das Prozessfenster in einer zu einer Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium austritt, und mittels des optischen Systems auf die optische Detektoreinheit fokussiert wird, wobei die Regel-/Auswerteeinheit den Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes bestimmt.
Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die Erfindung also ein optisches System, das sowohl zum Parallelisieren als auch zum Fokussieren der aus zueinander entgegengesetzten Richtungen auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen dient: Zum einen erzeugt das optische System aus den aus einer ersten Richtung her auf das optische System einfallenden Lichtstrahlen ein paralleles Strahlenbündel, zum anderen fokussiert das optische System das aus einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung her auf das optische System einfallende Strahlenbündel auf die
Detektoreinheit. Dadurch können wesentlich kleinere Gehäuse als in der im Stand der Technik bekannten Lösung verwendet werden, bei gleichzeitigem einseitigem Zugang zum Prozess. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die beiden Durchgänge des
Strahlenbündels, nämlich den ersten und den zweiten Durchgang durch Messprisma und Prozessmedium, eine doppelte Brechung des Strahlenbündels an der Grenzfläche zwischen Messprisma und Prozessmedium stattfindet. Dadurch wird letztendlich eine höhere Genauigkeit bzw. eine feinere Auflösung erreicht, oder es können bei gleicher Genauigkeit Messprismen verwendet werden, bei denen durch die Brechung an der
Grenzfläche zwischen Messprisma-Prozessmedium eine kleinere Ablenkung verursacht wird.
Als optisches System wird im Rahmen dieser Anmeldung zumindest ein optisches Bauelement, etwa eine Linse, oder eine Vielzahl an zusammenwirkenden optischen Bauelementen, etwa ein Linsensystem, bezeichnet.
Das Umlenkelement ist dabei in Bezug auf die Richtung des das Prozessmedium und das Messprisma beim ersten Durchgang durchquerenden Strahlenbündels hinter dem Messprisma (und dem Prozessmedium) angeordnet.
Dabei ist es prinzipiell möglich, dass das Strahlenbündel bei dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium oder umgekehrt zunächst das Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert. Im zweiten Fall ist das Messprisma dann zwischen dem Prozessmedium und Umkehrelement angeordnet.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer weist das Messprisma zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen auf. Die ebenen Oberflächen sind jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Neigungsachse in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt, wobei die Neigungsachse senkrecht zur optischen Achse ist. Das Messprisma ist derart in das Prozessmedium eingebracht, dass die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen mediumberührend sind, wobei ein erster Anteil des Strahlenbündels bei einer der beiden Durchgänge durch das Messprisma über eine erste der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels bei diesem Durchgang durch das Messprisma über eine zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma eintritt. Beispielsweise sind die gegeneinander geneigten Oberflächen auf einer Vorderfläche des Messprismas angeordnet, über welche das Strahlenbündel bei dem ersten Durchgang in das Messprisma eintritt. Selbstverständlich können die gegeneinander geneigten
Oberflächen alternativ auch auf einer Rückfläche des Messprismas angeordnet sein, über welche das Strahlenbündel erst nach der Umlenkung durch das Umlenkelement in dem zweiten Durchgang in das Messprisma eintritt.
Dabei wird insbesondere der erste Anteil des Strahlenbündels auf einen ersten
Fokuspunkt und der zweite Anteil des Strahlenbündels auf einen davon verschiedenen, zweiten Fokuspunkt fokussiert. Die beiden Fokuspunkte liegen in einer zur optischen Achse senkrechten Detektorebene. Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten in der Detektorebene in einer zur optischen Achse und zur Neigungsachse senkrechten Richtung stellt ein Maß für den Betrag der Brechungsindexdifferenz zwischen
Prozessmedium und Messprisma dar. Die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen sind also jeweils gegenüber einer zur optischen Achse senkrechten Ebene derart geneigt, dass das Strahlenbündel bei dem beispielsweise ersten Durchgang jeweils über die erste und zweite der beiden
gegeneinander geneigten Oberfläche mit einem Eintrittswinkel in das Messprisma eintritt, der von einem lotrechten Eintrittswinkel verschieden ist. Dabei ist es selbstverständlich möglich, dass der Winkel zwischen den beiden gegeneinander geneigten Oberflächen kleiner oder größer 180° ist. Insbesondere ist die Neigung der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse. Dabei ist die betragsmäßige Abweichung von einem lotrechten Eintrittswinkel insbesondere kleiner gleich 30°.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Messprisma eine kegelmantelförmige Oberfläche auf. Beispielsweise handelt es sich hier bei dem Messprisma um ein als kegelförmig ausgestaltetes Messprisma. Vorzugsweise handelt es sich bei der kegelmantelförmigen Oberfläche um eine mediumberührende Oberfläche des
Messprismas. Die kegelmantelförmige Oberfläche des Messprismas kann alternativ auch dadurch gebildet sein, dass das Messprisma als ein Negativ einer Kegelform ausgebildet ist. Das Messprisma weist im letzteren Fall also einen im Wesentlichen trichterförmigen Abschnitt auf. Im Unterschied zu der vorherigen Ausgestaltung werden hier nicht zwei Fokuspunkte erzeugt, sondern das Licht wird auf einen ellipsen- oder kreisringförmigen Fokuspunkt (bzw. Fokusring) abgebildet (schiefer/gerader Kegel). Anhand des Radius des ellipsen- oder kreisringförmigen Fokuspunktes lässt sich der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmen. Bei dem kegelförmig ausgestalteten Messprisma handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Axicon. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Durchlicht-Refraktometer ein
Prozessfenster, durch das das parallelisierte Strahlenbündel vor dem ersten Durchgang in der Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt und durch das das Strahlenbündel anschließend zu dem zweiten Durchgang in der Austrittsrichtung aus dem
Prozessmedium austritt. Das Messprisma, das Prozessfenster und das Umlenkelement sind derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert. In Bezug auf den Weg des Strahlenbündels des ersten Durchgangs ist die Anordnung in dieser Ausgestaltung also Prozessfenster- Prozessmedium-Messprisma-Umlenkelement.
Die Anordnung Messprisma- Prozessmedium-Umlenkelement ist selbstverständlich auch möglich. In einer alternativen Ausgestaltung sind daher das Messprisma und das
Umlenkelement derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge zunächst das
Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert, wobei das parallelisierte Strahlenbündel über das Messprisma in das Prozessmedium eintritt und über das Messprisma aus dem Prozessmedium austritt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass das Messprisma selbst als ein Prozessfenster dient, und daher kein zusätzliches
Prozessfenster benötigt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen Spiegel. Insbesondere liegt in diesem Fall vorteilhaft die optische
Detektoreinheit in der Objektebene, so dass eine platzsparende Anordnung von
Lichtquelle und Detektoreinheit möglich ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die Lichtquelle und das optische System derart ausgestaltet sind, dass die
Objektebene mit der Lichtquelle entlang der optischen Achse von der Ebene der
Detektoreinheit mit einem Versatz beabstandet ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Objektebene und der Ebene der Detektoreinheit um zwei im Wesentlichen zueinander parallele Ebenen.
Für den Fall eines Spiegels als Umlenkelement tritt insbesondere der erste Anteil des Strahlenbündels bei beiden Durchgängen über dieselbe, z.B. die erste, der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma ein (z.B. erster Durchgang) bzw. aus (z.B. zweiter Durchgang). Der zweite Anteil des Strahlenbündels tritt dann bei beiden Durchgängen über die zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen in das Messprisma ein (z.B. erster Durchgang) bzw. aus (z.B. zweiter Durchgang).
Ohne weitere Maßnahmen liegen in dieser Weiterbildung die Lichtquelle und der/die Fokuspunkt/e auf einer gemeinsamen, zur Neigungsachse senkrechten Geraden. Zu einer besseren räumlichen Trennung der/des Fokuspunkte/s von der Lichtquelle ist es wünschenswert, einen zusätzlichen Abstand zwischen der Lichtquelle und den/dem Fokuspunkt/en in einer zur Neigungsachse parallelen Richtung zu schaffen. Dies lässt sich mittels einer in den folgenden Ausgestaltungen beschriebenen Lösung erreichen
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen ebenen Spiegel, dessen Spiegelebene in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse verkippt ist, und wobei die
Verkippungsachse senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse ist. Bei der optischen Achse, der Neigungsachse und der Verkippungsachse handelt es sich also um drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems. Dadurch werden beide Fokuspunkte in die gleiche, zur Neigungsachse parallelen Richtung in der gemeinsamen Detektor- und Objektebene von der Lichtquelle weg verschoben, wodurch eine bessere räumliche Trennung zwischen Fokuspunkten und Lichtquelle ermöglicht wird.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit zu einer räumlichen Trennung zwischen Fokuspunkten und Lichtquelle in der zur Neigungsachse parallelen Richtung in der
Objektebene besteht in einer seitlichen Verschiebung der Lichtquelle selbst in Bezug auf eine zur optischen Achse parallelen und das Prozessfenster, das Messprisma und das Umlenkelement verbindenden, gedachten Gerade. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung handelt es sich daher um einen ebenen
Spiegel, wobei die Lichtquelle zu einem Schnittpunkt zwischen der Objektebene und einer zur optischen Achse parallelen und das Prozessfenster, das Messprisma und das Umlenkelement verbindenden, gedachten Gerade in einer zur Neigungsachse parallelen Richtung beabstandet ist. Insbesondere beträgt der Abstand in der Objektebene in der zur Neigungsachse parallelen Richtung zumindest 50 % der Summe des Ausmaßes der optischen
Detektoreinheit und der Lichtquelle in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Spiegel eine erste
Spiegelebene auf, die den ersten Anteil des Strahlenbündels, welcher über die erste geneigte Oberfläche eingetreten ist, spiegelt, und eine zweite Spiegelebene, die den zweiten Anteil des Strahlenbündels, welcher über die zweite geneigte Oberfläche eingetreten ist, spiegelt. Die erste Spiegelebene ist gegenüber der zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse und die zweite Spiegelebene um die Verkippungsachse in die dazu entgegengesetzte Richtung verkippt. Die
Verkippungsachse ist senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse. Es handelt sich also auch in dieser Ausgestaltung um drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems.
Der erste und der zweite Anteil des Strahlenbündels werden an auf in entgegengesetzte Richtungen um die Verkippungsachse verkippte Spiegelebenen gespiegelt. Durch die Verkippung der Spiegelebenen in zueinander entgegengesetzte Richtungen befinden sich die beiden Fokuspunkte in der Detektor- und Objektebene auf sich gegenüberliegenden, unterschiedlichen Seiten der Lichtquelle in Bezug auf die zur Neigungsachse parallele Richtung.
Auf diese Weise können die beiden Fokuspunkte jeweils mit einer separaten Kamera der optischen Detektoreinheit detektiert werden, wobei die beiden Kameras auf den unterschiedlichen Seiten der Lichtquelle angeordnet sind. Die beiden Fokuspunkte in dieser Weiterbildung sind dadurch in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung klar getrennt. Damit können der erste und der zweite Fokuspunkt stets identifiziert werden, d.h. es kann immer klar unterschieden werden, über welche der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas der jeweilige Anteil des Strahlenbündels gebrochen wurde. Anhand dieser Information ist mit dem erfindungsgemäßen Durchlicht- Refraktometer zusätzlich bestimmbar, ob das Prozessmedium einen Brechungsindex größer oder kleiner als das Messprisma hat. Zusätzlich zum Betrag ist also das
Vorzeichen der Brechungsindexdifferenz bestimmbar.
Dies ermöglicht einen Messbereich des Durchlicht-Refraktometers, der Werte oberhalb und unterhalb des Brechungsindexes des Messprimas umfasst. Bei dem eingangs erwähnten und in der DE 10 2007 05 07 31 B3 beschriebenen Durchlicht-Refraktometer mit einseitigem Prozesszugang und Doppelprisma ist dagegen nur die betragsmäßige Brechungsindexdifferenz bestimmbar, so dass der Messbereich hier prinzipiell durch den Brechungsindex des Messprismas beschränkt ist und daher wie darin beschrieben oftmals stark brechende Saphirgläser verwendet werden müssen. Die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ermöglicht dagegen eine große Auswahl an Materialen für das Messprisma. Es können z.B. auch niedrig brechendere Gläser, wie beispielsweise leichter zu bearbeitende Quarzgläser, als Messprisma eingesetzt werden. In einer weiteren Ausgestaltung ist eine dem Prozessmedium abgewandte Vorderfläche, über die das Strahlenbündel in das Prozessmedium eintritt, nämlich eine Vorderfläche des Prozessfensters oder eine Vorderfläche des Messprismas, in Bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse verkippt, wobei die Verkippungsachse senkrecht zur optischen Achse und zur Neigungsachse ist.
Insbesondere für den Fall, dass kein separates Prozessfenster eingesetzt wird, sondern dass das Strahlenbündel über das Messprisma in das Messmedium eintritt, wird in dieser Ausgestaltung eine sehr kompakte Möglichkeit der bereits beschriebenen Trennung der/des Fokuspunktes von der Lichtquelle in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung erreicht. Für diesen Fall der verkippten Vorderfläche des Messprismas bleibt die durch das unverkippte Messprisma definierte Neigungsachse von der Verkippung selbstverständlich unberührt, so dass die optische Achse, die Neigungsachse und die Verkippungsachse auch hier drei zueinander senkrechte Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bilden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Umlenkelement um einen Retroreflektor.
Insbesondere sind der Retroreflektor und das Messprisma derart ausgestaltet, dass der erste Anteil des Strahlenbündels bei dem ersten Durchgang über eine erste der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen eintritt, am Retroreflektor umgelenkt wird, und anschließend bei dem zweiten Durchgang über die zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen austritt. Der zweite Anteil des Strahlenbündels tritt dann beim ersten Durchgang über die zweite Oberfläche ein, wird am Retroreflektor umgelenkt und tritt beim zweiten Durchgang über die erste Oberfläche aus.
In einer Weiterbildung der Erfindung tritt das Strahlenbündel in dem zweiten Durchgang über eine Rückfläche des Messprismas in das Messprisma ein, wobei das
Umlenkelement unmittelbar angrenzend zu der Rückfläche angeordnet ist. Vorteilhaft an dieser Weiterbildung ist, dass durch die unmittelbare angrenzende Anordnung vom Umlenkelement zu dem Messprisma kaum Streuverluste auftreten.
Insbesondere ist das zur Rückfläche unmittelbar angrenzend angeordnete
Umlenkelement als zumindest eine auf die Rückfläche des Messprismas aufgebrachte reflektierende Schicht ausgebildet ist. Beispielsweise handelt es sich um eine oder zwei auf der Rückfläche des Messprismas aufgebrachte Spiegelschicht/en. Dadurch wird eine sehr einfache und kompakte Fertigung des Messprismas und des Umlenkelements ermöglicht.
In Kombination mit der Ausgestaltung des um die Verkippungsachse verkippten Spiegels ist es hier entweder möglich, nur die verspiegelte Rückfläche als verkippt auszugestalten, oder das Messprisma mit der verspiegelten Rückfläche insgesamt zu verkippen. In letzterem Fall bleibt die Definition der durch das unverkippte Messprisma definierte Neigungsachse selbstverständlich unberührt, so dass die optische Achse, die
Neigungsachse und die Verkippungsachse in jedem Fall ein kartesisches
Koordinatensystem bilden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Brechungsindex des Messprismas innerhalb des Messbereichs des Durchlicht-Refraktometers. Die Erfindung ermöglicht damit, wie vorstehend erwähnt, den Einsatz von unterschiedlichen Materialen für das Messprisma, ohne dass dadurch der Messbereich des Durchlicht-Refraktometers beschränkt ist. Insbesondere beträgt der Brechungsindex des Messprismas 1 ,3 bis 1 ,8.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Lichtquelle und dem optischen System ein Strahlteiler angeordnet. Der Strahlteiler dient dabei insbesondere der Trennung der von der Lichtquelle her (d.h. aus einer ersten Richtung) auf das optische System einfallenden von den aus einer dazu entgegengesetzten zweiten Richtung her auf das optische System einfallenden
Lichtstrahlen. Der Strahlteiler ist beispielsweise dazu eingerichtet, die Richtung eines (idealerweise größeren) Anteils der von der ersten Richtung auf den Strahlteiler einfallenden Strahlen unbeeinflusst zu lassen und einen (idealerweise größeren) Anteil der aus der zweiten Richtung auf den Strahlteil einfallenden Lichtstrahlen abzulenken.
Der Stahlteiler bewirkt daher beispielsweise eine Richtungsänderung des Anteils des vom optischen System fokussierten Strahlenbündels, nicht aber des Anteils der vom optischen System zu parallelisierenden Lichtstrahlen. Dadurch ist die Detektoreinheit in einer in Bezug zu der Objektebene um diese Richtungsänderung gedrehte Detektorebene angeordnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Detektoreinheit zumindest eine Kamera mit zumindest einer Zeile mit Pixeln, die entlang einer Achse angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse ist. Die Detektoreinheit erstreckt sich also in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene. Es ist auch möglich, dass die Kamera genau eine Zeile mit Pixeln umfasst. Durch eine derartige, minimale Auslegung der Detektoreinheit mit genau einer Kamerazeile werden zum einen Kosten gespart und die Genauigkeit erhöht, da mehr Pixel pro Kamerazeile verfügbar sind. Zum anderen führt dies zu einem schnelleren Auslesen und damit einer beschleunigten bzw. vereinfachten Auswertung und zu einem geringeren Platzbedarf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die optische Detektoreinheit zumindest zwei Kameras mit jeweils zumindest einer Zeile mit Pixeln, die jeweils entlang einer zur optischen Achse senkrechten Achse derart angeordnet sind, dass das optische System den ersten Anteil des Strahlenbündels auf eine erste der beiden Kameras und den zweiten Anteil des Strahlenbündels auf eine zweite der beiden Kameras fokussiert. Die zumindest zwei Kameras sind dabei in einer zur optischen Achse im Wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet. Beispielsweise umfasst das Durchlicht-Refraktometer genau zwei Kameras, die für den Fall eines als Spiegel ausgebildeten Umlenkelements in der Objektebene auf sich gegenüberliegenden Seiten der Lichtquelle angeordnet sind. Auch hier ist es möglich, die zumindest zwei Kameras mit jeweils genau einer Pixelzeile auszustatten, um die vorstehend erwähnten Vorteile zu erreichen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Lichtquelle eine LED. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Lichtquelle einen Laser.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Durchlicht-Refraktometer zumindest einen Temperatursensor auf, der dazu ausgestaltet ist, die Temperatur des Prozessmediums zu ermitteln. Die Regel-/Auswerteeinheit ist dazu ausgestaltet, eine aus dem
Brechungsindex ableitbare Prozessgröße des Prozessmediums zu bestimmen und die von dem/den Temperatursensor/en ermittelte Temperatur bei der Bestimmung der aus dem Brechungsindex ableitbaren Prozessgröße des Prozessmediums zu berücksichtigen. Bei der ableitbaren Prozessgröße des Prozessmediums handelt es sich um eine
Stoffkonzentration, beispielsweise die Zuckerkonzentration. Der Temperatursensor ragt beispielsweise in das Prozessmedium hinein, und/oder ist auf das Messprisma und/oder das Prozessfenster und/oder das Umlenkelement aufgebracht. Da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt, ist die Berücksichtigung der von dem Temperatursensor ermittelten Temperatur vorteilhaft. Der Temperatursensor kann zum Beispiel als ein widerstandsbasiertes Thermometer wie beispielsweise ein Pt100 oder Pt1000, oder als ein thermospannungsbasiertes Thermometer bzw. Thermoelement, oder ein anderer aus dem Stand der Technik bekanntes Temperatursensor ausgestaltet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometer, bei dem aus der Objektebene heraus Licht ausgesendet wird, ein parallelisiertes Strahlenbündel erzeugt wird und das parallelisierte Strahlenbündel in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium und das Messprisma in einem ersten Durchgang ein erstes Mal von dem Strahlenbündel durchquert wird, am Umlenkelement umgelenkt wird, das Messprisma und das Prozessmedium in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal von dem Strahlenbündel durchquert wird, das Strahlenbündel in einer zur Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium austritt, mittels des optischen Systems auf die optische Detektoreinheit fokussiert wird, und von der Regel-/Auswerteeinheit der Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes des Strahlenbündels bestimmt wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Lichtquelle eine LED verwendet, wobei bei der Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes die Frequenz und/oder Phase einer Abbildung einer periodischen Struktur eines Bauelements der LED- Lichtquelle verwendet wird. Insbesondere wird vorteilhaft mittels der Verwendung der Frequenz und/oder Phase der periodischen Abbildung ein Signal-/Rauschverhältnis vergrößert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet. Es zeigt:
Fig. 1 : Einen Strahlengang einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Durchlicht-Refraktometers;
Fig. 2a: Einen Strahlengang einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen D u rch I i cht- Ref ra ktom ete rs ; Fig. 2b: Eine Ausgestaltung des Messprismas und des Umlenkelements in der zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;
Fig. 3a, 3b Ausgestaltungen eines Messprimas eines erfindungsgemäßen Durchlicht- Refraktometers;
Fig. 3c: Eine weitere Ausgestaltung eines Messprimas und einer optischen
Detektoreinheit eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers;
Fig. 4 a-c : Verschiedene perspektivische Ansichten einer weiteren Ausgestaltung eines Messprismas eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers; und Fig. 5: Eine Abbildung eines periodischen Bauelements der Lichtquelle in einer
Ausgestaltung der Lichtquelle des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Strahlengangs einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers. Hierbei ist eine LED-Lichtquelle 1 in der Objektebene OE auf einer Einstrahlseite angeordnet. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht wird von dem optischen System 2 entlang der optischen Achse z parallelisiert, welche hier entlang der Horizontalen verläuft. Das optische System 2 ist hier aufgrund der einfacheren Darstellung als eine einzige Linse dargestellt, kann aber wie vorstehend erwähnt ein Linsensystem aus mehreren Linsen, beispielsweise drei, umfassen.
Anschließend tritt das parallelisierte Strahlenbündel SB durch ein Prozessfenster 3 in das Prozessmedium PM ein. Bei einem ersten Durchgang findet eine erste Brechung an der Prozessmedium PM- Messprisma 4 Grenzfläche statt. Anschließend wird das
Strahlenbündel SB an einem angrenzend zur Rückfläche des Messprismas 4
angeordneten Umlenkelement 5 gespiegelt, so dass das Strahlenbündel SB in einem zweiten Durchgang eine weitere Brechung an der Messprisma 4- Prozessmedium PM Grenzfläche erfährt, um dann über das Prozessfenster 3 aus dem Prozessmedium PM auszutreten. Schließlich wird mit dem optischen System 2 das Strahlenbündel SB auf zwei verschiedene Fokuspunkte FP1 ,FP2 in der in dieser Ausgestaltung mit der
Objektebene OE zusammenfallenden Detektorebene fokussiert.
Das Messprisma 4 umfasst hier zwei gegeneinander im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse z geneigte Oberflächen OF1 , OF2 und ist also als ein Doppelprisma ausgestaltet. Die Neigungsachse x, um welche die beiden ebenen Oberflächen OF1 ,OF2 in Bezug zu einer zur optischen Achse z senkrechten Ebene geneigt sind, zeigt hier in die Bildfläche hinein.
Ein erster Anteil des Strahlenbündels (durchgezogene Linie) SB1 tritt dabei über die erste Oberfläche OF1 in das Messprisma 4 ein, und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels (gestrichelte Linie) SB2 tritt dabei über die zweite Oberfläche OF2 in das Messprisma 4 ein.
Wie bereits erwähnt ist es auch möglich, das Messprisma 4 an das Prozessfenster 3 angrenzend anzuordnen und/oder die gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 an einer Rückenfläche 41 des Messprismas 4 anzuordnen, solange die gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 , OF2 mediumberührend sind und wie erforderlich die Grenzfläche Prozessmedium PM -Messprisma 4 vorliegt. Das in Fig. 1 in einer Schnittansicht dargestellte Messprisma 4 ist auch in Fig. 3a in einer perspektivischen Ansicht näher gezeigt. Alternativ zu dem in Fig. 3a gezeigten Winkel kleiner 180° zwischen den beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass wie in Fig. 3b gezeigt die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 einen Winkel größer als 180° bilden.
Beim ersten Übergang von Prozessmedium PM ins Messprisma 4 findet eine erste, vom Brechungsindex des Prozessmedium PM abhängige Brechung statt. Beim zweiten Übergang von Messprisma 4 ins Prozessmedium PM erfährt das reflektierte Licht eine erneute vom Brechungsindex des Prozessmediums PM abhängige Brechung, jeweils für beide Anteile des Strahlenbündels SB1 , SB2 an derselben Oberfläche OF1 ,OF2. Diese zweite Brechung verstärkt den Effekt der ersten Brechung, sodass im Vergleich zu einer einfachen Brechung eine doppelt so große Winkeländerung bei gleichem Neigungswinkel a und Brechungsindex des Messprismas 4 erzielt wird.
Das Umlenkelement 5 ist hier vorteilhaft als eine verspiegelte Rückfläche 41 des
Messprismas 4 ausgebildet, d.h. eine verspiegelte Schicht ist direkt auf die Rückfläche aufgebracht. Der Vorteil dieser Variante ist zum einen die einfache Fertigung, zum anderen gibt es bei Messprismen 4 wie in Fig.3a gezeigt einen zentralen Bereich des Messprismas 4, aus dem kein brauchbares Messsignal gewonnen werden kann. Da dieser Bereich schrumpft, je kleiner die Distanz zwischen Messprisma 4 und
Umlenkelement 5 ist, liegt bei der unmittelbar angrenzenden Anordnung eine maximale Signalausbeute vor. Für den Fall eines ebenen Spiegels werden die Fokuspunkte FP1 ,FP2 auf eine mit der Lichtquelle 1 gemeinsame Gerade in der Detektor- und Objektebene OE abgebildet, die senkrecht zu der Neigungsachse x ist, d.h. parallel zu der hier vertikal verlaufenden y- Achse. Da die beiden Fokuspunkte FP1 ,FP2 auf einer gemeinsamen und auf einer zur vertikal verlaufenden y-Richtung parallelen Gerade liegen, kann in dieser Ausgestaltung eine optische Detektoreinheit 6 mit nur einer Kamera 91 , ggf. mit nur einer Pixelzeile PZ1 verwendet werden.
Je nach Lage des Brechungsindex des Prozessmediums PM in Bezug zu dem
Messprisma 4 laufen die beiden Strahlenbündel SB1 ,SB2 entweder (wie hier dargestellt) über Kreuz oder nicht. Damit ist nicht weiter erkennbar, ob der obere der beiden
Fokuspunkte FP2,FP1 über die erste Oberfläche OF1 oder, wie in diesem
Ausführungsbeispiel dargestellt die zweite Oberfläche OF2 gebrochen wurde.
Um zusätzlich vorteilhaft eine räumliche Trennung in der Objektebene OE in Richtung der Neigungsachse x zwischen der LED-Lichtquelle 1 und den Fokuspunkten FP1 ,FP2 zu erreichen ist gegebenenfalls entweder die verspiegelte, ebene Rückfläche 41 des Messprismas 4 als um die vertikale Verkippungsachse y verkippt ausgebildet, oder das ganze Messprisma 4 ist verkippt. Alternativ oder zusätzlich ist die Lichtquelle 1 selbst in der Objekt- und Detektorebene OE in die Neigungsrichtung x mit einem Versatz verschoben.
Eine andere Möglichkeit stellt die Verkippung einer Vorderfläche, über die das
Strahlenbündel SB in das Prozessmedium PM eintritt, dar. Bei der Vorderfläche handelt es sich entweder um eine Vorderfläche des Prozessfensters 3 oder über eine
Vorderfläche des Messprismas 4. Letzteres ist der Fall, wenn kein separates
Prozessfenster 3 verwendet wird und das Strahlenbündel SB wie vorstehend erwähnt die Anordnung Messprisma 4-Prozessmedium PM -Umlenkelement 5- Prozessmedium PM- Messprisma 4 durchläuft. Der Abstand der beiden Fokuspunkte FP1 ,FP2 in der vertikal verlaufenden y-Richtung ist ein Maß für die betragsmäßige Brechungsindexdifferenz zwischen Prozessmediums PM und Messprisma 4, welche von der Regel-/Auswerteeinheit 7 bestimmt wird. Die Regel- /Auswerteeinheit 7 dient der Regelung und/oder Auswertung der von der optischen Detektoreinheit 6,91 ,92 (optische Detektoreinheit 6 siehe Fig. 2) erfassten Signale, und/oder der LED-Lichtquelle 1 sowie gegebenenfalls der von den/dem
Temperatursensor/en 1 1 ermittelten Temperaturen.
Eine Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist mit dem in Fig. 3c dargestellten Messprisma 4 und der optischen Detektoreinheit 6 gezeigt. Hier wird eine räumliche Trennung von Lichtquelle 1 und optischer Detektoreinheit 6 in der zu der Neigungsachse parallelen Richtung, hier x-Richtung, dadurch gelöst, dass die verspiegelte Rückfläche 41 des Messprismas 4 zwei verschiedene Spiegelebenen SE1 ,SE2 aufweist, die jeweils in unterschiedliche Richtungen um eine Verkippungsachse y verkippt sind. Die zur optischen Achse z und zur Neigungsachse x senkrechte
Verkippungsachse y verläuft hier in vertikaler Richtung. Dadurch treffen der erste Anteil des Strahlenbündel SB1 und der zweite Anteil des Strahlenbündels SB2 auf
Spiegelflächen SE1 , SE2, deren Verkippung sich im Vorzeichen unterscheidet. Somit werden in der Detektor- und Objektebene OE die beiden Strahlenbündel SB1 ,SB2 in einer zu der Neigungsachse x parallelen Richtung auf unterschiedliche Seiten der Lichtquelle 1 abgebildet.
Auf diese Weise können die beiden Fokuspunkte FP1 ,FP2 jeweils mit einer separaten Kamera 91 ;92 detektiert werden, welche jeweils hier als eine Pixelzeile PZ1 ;PZ2 ausgebildet sind. Somit kann stets unterschieden werden , an welcher der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ,OF2 der jeweilige Fokuspunkt FP1 ,FP2 gebrochen wurde, bzw. ob die beiden Teilstrahlen über Kreuz verlaufen oder nicht. Dies ermöglicht ein Durchlicht-Refraktometer mit einem Messbereich, der Werte oberhalb und unterhalb des Brechungsindexes des Messprimas 4 umfasst, und damit eine größere Freiheit bei der Wahl des Materials für das Messprisma 4. Auch hier handelt es sich um eine verspiegelte Rückfläche 41 , bei der die beiden gegeneinander verkippten
Spiegelebenen SE1 ,SE2 als verspiegelte Schichten auf die Rückfläche aufgebracht sind. Ein Strahlengang einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Durchlicht- Refraktometers ist in Fig. 2a, b näher dargestellt. Im Unterschied zu dem als Spiegel ausgebildeten Umkehrelement 5 der vorherigen Ausgestaltung ist dieses nun als Retroreflektor ausgebildet. Retroreflektoren werden bevorzugt verwendet, da sie sehr unkritisch in der Justage sind. Bei Retroreflektoren findet eine wie in Fig. 2b dargestellte Umlenkung statt, bei der ein Strahl, der schräg von oben über die erste Oberfläche OF1 des Messprismas 4 einläuft, auch schräg nach oben austritt. Zusätzlich wird bei einem Retroreflektor der Eintrittspunkt beim Austritt punktsymmetrisch um die Mitte des Retroreflektors gespiegelt, wodurch die zweite Brechung auf der zweiten Oberfläche OF2 stattfinden kann. Dadurch wird die räumliche Trennung von Lichtquelle 1 und optischer Detektoreinheit 6 erschwert bzw. kann nicht mit den vorstehend genannten Lösungen erfolgen. Daher ist eine von der Objektebene OE getrennte Detektorebene bevorzugt. Dies wird durch den in Fig. 2a gezeigten zusätzlichen Strahlteiler 8 erreicht. Der Strahlteiler 8 lässt die Richtung eines Anteils der von der Einstrahlseite auf den Strahlteiler 8 einfallenden Strahlen unbeeinflusst und lenkt einen Anteil der aus dem Prozessfenster 3 ausgetretenen und von dem optischen System 2 fokussiertem
Lichtstrahlen ab. Dadurch ist wie in Fig. 2a gezeigt die optische Detektoreinheit 6 in einer in Bezug zu der Objektebene OE um diese Richtungsänderung gedrehte Detektorebene angeordnet.
Eine weitere Ausgestaltung des Messprismas 4 ist in verschiedenen perspektivischen Ansichten in Fig. 4a-c dargestellt. Hierbei handelt es sich um den bereits erwähnten Fall, dass das Messprisma 4 gleichzeitig als Fenster zu dem Prozessmedium PM dient, so dass kein separates Prozessfenster verwendet wird. Die Rückfläche (in Bezug auf die Richtung des Strahlenbündels SB) des Messprismas 4 ist dabei ähnlich wie die
Vorderfläche des in Fig. 3b dargestellten Messprismas 4 ausgestaltet. Die beiden auf der Rückflächen des Messprismas 4 angeordneten medienberührenden Oberflächen OF1 ,OF2 weisen einen Neigungswinkel a von ca. 18° auf. Gleichzeitig ist die
Vorderfläche des Messprismas 4, über die das Strahlenbündel SB in das Prozessmedium PM eintritt, in Bezug auf eine zur optischen Achse z senkrechten Ebene um eine
Verkippungsachse y verkippt. Der Verkippungswinkel ß beträgt dabei insbesondere weniger als 10°, vorzugsweise weniger als 5°. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Abbildung AB eines Bauelements 10 (siehe auch Fig.1 ) der LED-Lichtquelle 1 zur Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes verwendet. Durch die Elektrodenstruktur der LED-Lichtquelle 1 wird auf einfache und kostengünstige Weise eine periodische Struktur gebildet, welche in Fig. 5 gezeigt ist, hier als Beispiel die Abbildung AB der LED„SYNIOS P2720, KY DMLS31 .23“ des Herstellers Osram.
Die Positionsbestimmung des Fokuspunktes FP1.FP2 erfolgt unter Verwendung der Abbildung AB der periodischen Struktur in zwei Schritten. Zunächst erfolgt eine grobe Bestimmung der Position des LED Bildes. Die Positionsbestimmung sollte eine
Genauigkeit von etwa einer halben Periode erreichen. Bei der in Fig.4 gezeigten LED beträgt die Periode beispielsweise 100 pm. Dies bedeutet, dass die Genauigkeit 50 gm bzw. 7 Pixel für eine Kamera 91 ,92 mit einer Pixelgröße vom 7 pm betragen muss.
Anschließend wird der Bereich der Kamera 91 ,92 mit dem LED Bild ausgeschnitten und durch einen Filter derart bearbeitet, dass nur die Raumfrequenzen der LED-Struktur (1/100pm) übrigbleiben. Auf diese Weise wird der Einfluss von Streulicht und
Kamerarauschen sehr stark reduziert. Anhand der Phasenlage der Abbildung AB der periodischen Struktur wird somit vorteilhaft eine exakte Bestimmung der Position des Fokuspunktes FP1.FP2 ermöglicht, und somit die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Durchlicht-Refraktometers weiter erhöht.
Bezugszeichen und Symbole
1 Lichtquelle
2 Optisches System 3 Prozessfenster
4 Messprisma
41 Rückfläche des Messprismas
5 Umlenkelement
6 optische Detektoreinheit 7 Regel-/Auswerteeinheit
8 Strahlteiler
91 ,92 erste und zweite Kamera
10 Bauelement
1 1 Temperatursensor
OE Objektebene
SB Strahlenbündel
SB1 erster Anteil des Strahlenbündels
SB2 zweiter Anteil des Strahlenbündels z optische Achse x Neigungsachse y Verkippungsachse
PM Prozessmedium
OF1 erste Oberfläche OF2 zweite Oberfläche
SE1 erste Spiegelebene SE2 zweite Spiegelebene
FP1 ;FP2 Fokuspunkte
PZ1 ;PZ2 Pixelzeilen a Neigungswinkel ß Verkippungswinkel
AB Abbildung

Claims

Patentansprüche
1. Durchlicht-Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM), aufweisend:
-eine in einer Objektebene (OE) angeordnete Lichtquelle (1 ), die bei der Bestimmung des Brechungsindex aus der Objektebene (OE) heraus Licht aussendet,
-ein optisches System (2), das aus dem von der Lichtquelle (1 ) ausgesandten Licht ein entlang einer zur Objektebene (OE) im Wesentlichen senkrechten optischen Achse (z) parallelisiertes Strahlenbündel (SB) erzeugt,
-ein in das Prozessmedium (PM) zumindest teilweise eingebrachtes Messprisma (4),
-ein Umlenkelement (5)
-eine optische Detektoreinheit (6), und
-eine Regel-/Auswerteeinheit (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Messprisma (4) und das Umlenkelement (5) derart ausgestaltet und entlang der optischen Achse (z) angeordnet sind, dass
das Strahlenbündel (SB) in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium eintritt und in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Prozessmedium (PM) und das Messprisma (4) durchquert,
- am Umlenkelement (5) umgelenkt wird,
in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma (4) und das Prozessmedium (PM) durchquert,
in einer zur Eintrittsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium (PM) austritt, und
- mittels des optischen Systems (2) auf die optische Detektoreinheit (6) fokussiert wird, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (7) den Brechungsindex anhand zumindest eines Fokuspunktes bestimmt.
2. Durchlicht-Refraktometer nach Anspruch 1 ,
wobei das Messprisma (4) zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte
Oberflächen (OF1 ,OF2) aufweist,
die 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,
wobei das Messprisma (4) derart in das Prozessmedium (PM) eingebracht ist, dass die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen (OF1 ,OF2) mediumberührend sind, und wobei ein erster Anteil des Strahlenbündels (SB1 ) bei einer der beiden Durchgänge durch das Messprismas (4) über eine erste der beiden gegeneinander geneigten
Oberflächen (OF1 ) und ein zweiter Anteil des Strahlenbündels (SB2) bei diesem Durchgang durch das Messprismas (4) über eine zweite der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen (OF2) in das Messprisma (4) eintritt.
3. Durchlicht-Refraktometer nach Anspruch 1 , wobei das Messprisma (4) eine kegelmantelförmige Oberfläche aufweist, und wobei das Messprisma (4) insbesondere als ein Axicon, ausgestaltet ist.
4. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein Prozessfenster (3), durch das das parallelisierte Strahlenbündel (SB) vor dem ersten Durchgang in der Eintrittsrichtung in das Prozessmedium (PM) eintritt und durch das das Strahlenbündel (SB) anschließend zu dem zweiten Durchgang in der Austrittsrichtung aus dem Prozessmedium (PM) austritt,
wobei das Prozessfenster (3), das Messprisma (4) und das Umlenkelement (5) derart zueinander entlang der optischen Achse (z) angeordnet sind,
dass das Strahlenbündel (SB) in dem ersten Durchgang zunächst das Prozessmedium (PM) und anschließend das Messprisma (4) durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge das Messprisma (4) und anschließend das Prozessmedium (PM) durchquert.
5. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Messprisma (4) und das Umlenkelement (5) derart zueinander angeordnet sind, dass das Strahlenbündel (SB) in dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma (4) und anschließend das Prozessmedium (PM) durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge zunächst das Prozessmedium (PM) und anschließend das Messprisma (4) durchquert,
und wobei das parallelisierte Strahlenbündel (SB) über das Messprisma (4) in das Prozessmedium (PM) eintritt und über das Messprisma (4) aus dem Prozessmedium (PM) austritt.
6. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Umlenkelement (5) um einen Spiegel handelt,
und wobei insbesondere die optische Detektoreinheit (6) in der Objektebene (OE) liegt.
7. Durchlicht-Refraktometer nach Anspruch 6,
wobei es sich um einen ebenen Spiegel handelt, dessen Spiegelebene in Bezug auf eine zur optischen Achse (z) senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse (y) verkippt ist, und wobei die Verkippungsachse (y) senkrecht zur optischen Achse (z) und zur Neigungsachse (x) ist.
8. Durchlicht-Refraktometer nach Anspruch 6 oder 7, wobei es sich um einen ebenen Spiegel handelt, und die Lichtquelle (1 ) zu einem
Schnittpunkt zwischen der Objektebene (OE) und einer zur optischen Achse (z) parallelen und das Prozessfenster (3), das Messprisma (4), und das Umlenkelement (5) verbindenden, gedachten Gerade in einer zur Neigungsachse (x) parallelen Richtung beabstandet ist, insbesondere um zumindest 50 % der Summe des Ausmaßes der optischen Detektoreinheit (6) und der Lichtquelle (1 ) in der zu der Neigungsachse (x) parallelen Richtung.
9. Durchlicht-Refraktometer nach Anspruch 6,
wobei der Spiegel eine erste Spiegelebene (SE1 ) aufweist, die den ersten Anteil des
Strahlenbündels (SB1 ), welcher über die erste geneigte Oberfläche (OF1 ) eingetreten ist, spiegelt,
und wobei der Spiegel eine zweite Spiegelebene (SE2) aufweist, die den zweiten Anteil des Strahlenbündels (SB2), welcher über die zweite geneigte (OF2) Oberfläche eingetreten ist, spiegelt,
wobei die erste Spiegelebene (SE1 ) gegenüber der zur optischen Achse (z) senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse (y) und die zweite Spiegelebene (SE2) um die Verkippungsachse (y) in entgegengesetzte Richtung verkippt ist,
und wobei die Verkippungsachse (y) senkrecht zur optischen Achse (z) und zur
Neigungsachse (x) ist.
10. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine dem Prozessmedium (PM) abgewandte Vorderfläche, über die das
Strahlenbündel (SB) in das Prozessmedium (PM) eintritt, nämlich eine Vorderfläche des Prozessfensters (3) oder eine Vorderfläche des Messprismas (4), in Bezug auf eine zur optischen Achse (z) senkrechten Ebene um eine Verkippungsachse (y) verkippt ist, und wobei die Verkippungsachse (y) senkrecht zur optischen Achse (z) und zur
Neigungsachse (x) ist.
1 1. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei es sich bei dem Umlenkelement (5) um einen Retroreflektor handelt.
12. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei in dem zweiten Durchgang das Strahlenbündel (SB) über eine Rückfläche (41 ) des Messprismas (4) in das Messprisma (4) eintritt und das Umlenkelement (5) unmittelbar angrenzend zu der Rückfläche (41 ) angeordnet ist,
und wobei insbesondere das zu der Rückfläche (41 ) unmittelbar angrenzend angeordnete Umlenkelement (5) als zumindest eine auf die Rückfläche (41 ) des Messprismas (4) aufgebrachte reflektierende Schicht ausgebildet ist.
13. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brechungsindex des Messprismas (4) innerhalb des Messbereichs des Durchlicht-Refraktometers liegt,
und wobei insbesondere der Brechungsindex des Messprismas (4) 1 ,3 bis 1 ,8 beträgt.
14. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der Lichtquelle (1 ) und dem optischen System (2) ein Strahlteiler (8) angeordnet ist.
15. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüchen, wobei die optische Detektoreinheit (6) zumindest eine Kamera (91 ;92) mit zumindest einer Zeile mit Pixeln (PZ1 ;PZ2) umfasst, die entlang einer zu einer zur optischen Achse (z) senkrechten Achse (y) angeordnet sind.
16. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüchen, wobei die optische Detektoreinheit (6) zumindest zwei Kameras (91 ,92) mit jeweils zumindest einer Zeile mit Pixeln (PZ1 ;PZ2) umfasst, die jeweils entlang einer zur optischen Achse (z) senkrechten Achse (y) derart angeordnet sind, dass das optische System (2) den ersten Anteil des Strahlenbündels (SB1 ) auf eine erste der beiden Kameras (91 ) und den zweiten Anteil des Strahlenbündels (SB2) auf eine zweite der beiden Kameras (92) fokussiert.
17. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lichtquelle (1 ) eine LED und/oder einen Laser umfasst.
18. Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Durchlicht-Refraktometer zumindest einen Temperatursensor (1 1 ) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, die Temperatur des Prozessmediums zu ermitteln,
und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (7) dazu ausgestaltet ist, eine aus dem
Brechungsindex ableitbare Prozessgröße des Prozessmediums (PM) zu bestimmen und die von dem/den Temperatu rsensor/en (1 1 ) ermittelte Temperatur bei der Bestimmung der aus dem Brechungsindex abgeleiteten Prozessgröße des Prozessmediums (PM) zu berücksichtigen.
19. Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM), mit einem Durchlicht-Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- aus der Objektebene (OE) heraus Licht ausgesendet wird,
- ein parallelisiertes Strahlenbündel (SB) erzeugt wird,
- das parallelisierte Strahlenbündel (SB) in einer Eintrittsrichtung in das Prozessmedium (PM) eintritt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium (PM) und das Messprisma (4) in einem ersten Durchgang ein erstes Mal von dem Strahlenbündel (SB) durchquert wird,
am Umlenkelement (5) umgelenkt wird,
das Messprisma (4) und das Prozessmedium (PM) in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal von dem Strahlenbündel (SB) durchquert wird,
das Strahlenbündel (SB) in einer zur Eintrittsrichtung im Wesentlichen
entgegengesetzten Richtung aus dem Prozessmedium (PM) austritt,
mittels des optischen Systems (2) auf die optische Detektoreinheit (6) fokussiert wird, und
- von der Regel-/Auswerteeinheit (7) der Brechungsindex anhand eines
Fokuspunktes (FP1 ;FP2) des Strahlenbündels (SB) bestimmt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
wobei als Lichtquelle (1 ) eine LED verwendet wird,
und wobei bei der Bestimmung der Position des zumindest einen Fokuspunktes
(FP1 ;FP2) die Frequenz und/oder Phase einer Abbildung (AB) einer periodischen Struktur eines Bauelements (10) der LED-Lichtquelle (1 ) verwendet wird.
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