WO2020200691A1 - Refraktometer und verfahren zur bestimmung des brechungsindex eines prozessmediums mit einem refraktometer - Google Patents

Refraktometer und verfahren zur bestimmung des brechungsindex eines prozessmediums mit einem refraktometer Download PDF

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WO2020200691A1
WO2020200691A1 PCT/EP2020/056713 EP2020056713W WO2020200691A1 WO 2020200691 A1 WO2020200691 A1 WO 2020200691A1 EP 2020056713 W EP2020056713 W EP 2020056713W WO 2020200691 A1 WO2020200691 A1 WO 2020200691A1
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refractometer
light
refractive index
light sources
process medium
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PCT/EP2020/056713
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Tobias MEINERT
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Endress+Hauser Process Solutions (Deutschland) GmbH
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    • 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
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    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides

Definitions

  • the invention relates to a refractometer for determining the refractive index of a process medium with at least one light source, an optical detector unit, a control / evaluation unit and a measuring prism with a predetermined refractive index.
  • the invention also relates to a method for determining the refractive index of a process medium using a refractometer according to the invention.
  • 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, for example a process liquid.
  • the refractive index is used, for example, to determine a process variable that can be derived from the refractive index, such as the concentration of a substance in the process medium, for example sugar, or in a purity test.
  • the measuring principle of a refractometer is based on the fact that light is radiated into an interface between the process medium and the measuring prism that is formed by a surface of the measuring prism in contact with the medium.
  • An optical signal is generated by means of refraction and / or reflection of the light at the interface.
  • the direction and / or intensity of the refracted and / or reflected light on the surface in contact with the medium depends on the refractive index difference between the process medium and the measuring prism.
  • the refractive index of the process medium can be determined.
  • Abbe refractometers are known from the prior art, for example, which work with the critical angle of total reflection. Depending on the refractive index difference between the measuring prism and the process medium as well as the angle of incidence, this is applied to an interface between the process medium and
  • the measuring prism and the process medium are preferred crossed collimated beam.
  • the deflection of the beam as it traverses the measuring prism and the process medium is dependent on their refractive index difference.
  • the angle of deflection between the incident beam and the beam passing through it is therefore a measure of the refractive index of the
  • the deflection angle in turn is determined, for example, on the basis of the position of a focal point of the traversing beam on a detector plane perpendicular to the optical axis of the incident beam.
  • Measuring prisms with surfaces inclined towards one another are often used on the surface of the measuring prism that is in contact with the medium. In this case, two focal points are generated, from the distance between which the refractive index of the process medium can be determined.
  • a transmitted light refractometer with a one-sided process access is described in patent specification DE 10 2007 05 07 31 B3.
  • light is radiated in via a single process access, which is collimated by means of illumination optics, is deflected by deflection optics, then crosses the process medium and the measuring prism, and is focused on a detector plane by imaging optics.
  • the detector plane is advantageously arranged on the irradiation side, whereby the unilateral access to the
  • Diameter of an access to the process medium can be reduced.
  • All refractometers have in common that they have a measuring prism, a light source, an optical detector unit for detecting the optical signal and a control / evaluation unit for regulating and / or evaluating the optical signal and
  • the measuring range of the refractometer is limited by the fact that the optical signal generated during refraction and / or reflection can be fully detected by the optical detector unit.
  • both focal points can be detected by the optical detector unit.
  • the Refractometers known from the prior art have a very limited measuring range. It is therefore desirable to specify a refractometer with an enlarged measuring range without enlarging the optical detector unit and / or the
  • the invention is based on the object of specifying a refractometer which has an enlarged measuring range.
  • the object is achieved by a refractometer for determining the refractive index of a process medium and by a method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer according to the invention.
  • the object is achieved by a
  • Refractometer for determining the refractive index of a process medium, comprising: several, especially at least two, light sources,
  • the light sources can each be controlled separately by the control / evaluation unit and wherein the refractometer can be operated in different operating modes in which
  • the light undergoes refraction and / or reflection at the interface and at least an optical one that is dependent on the refractive index of the process medium
  • the optical detector unit detects the at least one generated optical signal and transmits it to the control / evaluation unit, which stores the optical signal associated with the operating mode,
  • control / evaluation unit is designed to determine the refractive index of the process medium on the basis of the entirety of the stored optical signals from all operating modes and on the basis of the specified refractive index of the measuring prism.
  • the generated optical signal from the respective operating mode can be displayed on the optical detector unit, only partially or not.
  • an optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium and generated with the light source used therein can be at least partially detected by the optical detector unit. If
  • the optical signal comprises two focal points, the position of which depends on the refractive index of the process medium, is at least one of the
  • the refractometer When using the optical signals from all operating modes, the refractometer has an enlarged measuring range compared to a refractometer with only one light source, which is otherwise designed in a comparable manner. As a result of this enlargement of the measuring range, the refractometer can be used for a large number of different process media without further structural measures, even with comparatively small process accesses.
  • the solution according to the invention is suitable for both those described above
  • Transmitted light and critical angle refractometer In transmitted light refractometers, the at least one optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium is, for example, the position of at least one focal point of a beam which has undergone refraction on the surface in contact with the medium. In critical angle refractometers, the at least one optical signal that is dependent on the refractive index of the process medium is, for example, the position of a light-dark transition in the intensity of the light reflected at the interface and an angle of incidence of the incident light associated with this position, which is the critical angle corresponds to total reflection.
  • the at least one light source is, for example, an LED.
  • the optical detector unit includes, for example, a camera with a predetermined number of pixels. It is e.g. possible that the camera comprises exactly one line of pixels.
  • the refractometer is a transmitted light refractometer, having an optical system, with an optical axis, the optical system and the measuring prism being offset from one another along the optical axis, and the optical system being configured for this purpose
  • the measuring prism having at least two flat and mutually inclined surfaces, which are arranged on the surface of the measuring prism that is in contact with the medium, and the two mutually inclined surfaces each with respect to one of the optical axis perpendicular plane are inclined about an axis of inclination and in mutually opposite directions, the axis of inclination being perpendicular to the optical axis.
  • inclination of the two mutually inclined surfaces essentially symmetrical to the optical axis.
  • this has a
  • Deflecting element wherein the deflecting element and the optical system are arranged along the optical axis to one another that
  • the bundle of rays crosses the measuring prism and the process medium for the first time in a first pass, the bundle of rays experiencing light refraction for the first time on the surface in contact with the medium,
  • the bundle of rays traverses the measuring prism and the process medium a second time in a second pass, the bundle of rays experiencing light refraction a second time on the surface in contact with the medium, and
  • the optical system then focuses the beam on the optical detector unit.
  • the deflecting element is, for example, a mirror or a retroreflector.
  • One advantage of this configuration is that (see the as yet unpublished application with application number 1020181 16409.2) the optical system serves as a common imaging and illumination optics.
  • the deflection element By means of the deflection element, the refracted light is advantageously deflected back in the direction of incidence.
  • Measuring prisms are in contact with the medium and, as required, the interface
  • Process medium measuring prism is present.
  • the refractometer may include a process window through which the collimated beam of rays before the first passage in an entry direction into the
  • Process medium enters and through which the beam then exits to the second passage in the exit direction from the process medium.
  • 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 in the first passage initially contains the process medium and
  • the arrangement in this embodiment is therefore a process window-process medium-measuring prism deflecting element.
  • the arrangement of the measuring prism, the process medium deflection element is of course also possible.
  • the measuring prism and the deflecting element are therefore arranged with respect to one another in such a way that the bundle of rays first traverses the measuring prism and then the process medium in the first passage, and in the second passage initially the
  • the advantage of this embodiment is that the measuring prism itself serves as a process window. So there is no need for an additional process window.
  • the optical detector unit comprises a camera with at least one pixel line arranged in a detector plane, the pixels of which are arranged along a line direction that is essentially perpendicular to the optical axis and the inclination axis, and wherein the multiple light sources are arranged along a Light source direction are arranged offset, which is substantially parallel to the row direction.
  • one of the light sources is designed as a centrally arranged light source, which is essentially arranged at an imaginary intersection of a parallel axis displaced parallel to the optical axis along the inclination axis and the light source direction.
  • the light emitted by the centrally arranged light source is collimated along the optical axis of the optical system.
  • At least one of the light sources is designed as a decentrally arranged light source, which in the
  • Light source direction is arranged at a distance from the intersection point in the light source direction.
  • the transmitted light refractometer has two decentrally arranged light sources
  • a first distance between the first decentrally arranged light source and the imaginary intersection point corresponds to a second distance between the second decentrally arranged light source and the imaginary intersection point, so that the two decentrally arranged light sources are arranged symmetrically around the imaginary intersection point in opposite directions.
  • each of the light sources generates on the detector plane
  • decentralized light sources are arranged, in particular their spacing is chosen so that
  • At least one of the outer focus points of the decentralized light sources can be mapped onto the pixel line.
  • the refractometer is a critical angle refractometer which is designed in such a way that a first of the light sources radiates the light onto the surface of the measuring prism that is in contact with the medium in a first angular range,
  • a second of the light sources directs the light onto the surface in contact with the medium
  • Measuring prism shines in at a second angular range
  • first angular range and the second angular range have an overlap, in particular an overlap of at least 5% of the span of the first and / or second angular range
  • the object is achieved by a method for determining the refractive index of a process medium with a refractometer, in particular a refractometer according to the invention, having:
  • the light sources can each be controlled separately by the control / evaluation unit and wherein the refractometer can be operated in different operating modes
  • the refractometer is operated successively in time in different operating modes in which - Light emitted from exactly one of the multiple light sources and to a surface of the measuring prism that is in contact with the medium
  • Interface between the process medium and the measuring prism is irradiated, the light is refracted and / or reflected at the interface, with at least one optical depending on the refractive index of the process medium
  • the at least one generated optical signal is detected by the optical detector unit and transmitted to the control / evaluation unit, the optical signal associated with the respective operating mode being stored,
  • control / evaluation unit based on the entirety of the stored optical signals from all operating modes and based on the specified
  • Fig. 1 A first embodiment of the refractometer according to the invention as
  • Fig. 5 Another embodiment of a refractometer according to the invention as a G re n between I refra kto me te r.
  • a first embodiment of a refractometer according to the invention is for
  • This has two light sources 21, 22 which are arranged offset along a light source direction y ′.
  • the light from a first light source 21 is collimated by means of an optical system 8 along its optical axis z and then traverses the measuring prism 6.
  • This points to a measuring operation media-contacting surface OF has two surfaces OF1, OF2 which are inclined relative to one another about an inclination axis x.
  • the beam of the collimated light has a first portion SB1, which is refracted on the first surface OF1, and a second portion SB2, which is on the second surface OF2
  • focal points FF, FP1, FP2 being generated in a detector plane.
  • Row direction y is independent of the refractive index of the process medium PM.
  • the fixed focus point FF is in the middle of the beam SB
  • the distance between the two focal points FP1.FP2 in a line direction y essentially perpendicular to the axis of inclination x and the optical axis z thus represents a measure of the refractive index of the process medium PM.
  • the camera comprises at least one line of pixels PZ (cf. FIG. 2a , 2b), which is arranged along the row direction y, which is perpendicular to the optical axis z and to the inclination axis x.
  • the above-mentioned light source direction y ‘is again parallel to the
  • the material for the measuring prism 6 is selected such that its refractive index nG is greater than all values for the refractive index des Process medium from the measuring range of the refractometer nM.
  • the upper limit of the measuring range is therefore limited by the choice of material for the measuring prism, which typically comprises a glass or sapphire.
  • the smaller the refractive index of the process medium PM the greater the distance between the outer focal points FP1 .FP2.
  • a further operating mode BM2 with the further light source 22 offset in the light source direction y ' further focal points FP1, FP2, FF can be generated, whereby the measuring range of the refractometer according to the invention is enlarged downwards, compared to an otherwise identically designed refractometer which only the first light source 21 has.
  • This enlargement of the measurement area by means of the separately controllable light sources 21, 22 is explained in detail below for a transmitted light refractometer in connection with FIGS. 2a, 2b.
  • Fig. 2a a centrally arranged light source is shown as a black-filled point in a view that in relation to the view shown in Fig. 1 by 90 ° around the
  • Row axis y is rotated.
  • the centrally arranged light source LZ is at an intersection point SP between a parallel axis z ‘and the light source direction
  • the centrally arranged light source LZ corresponds to
  • the refractometer has two decentrally arranged light sources LD1.LD2 which are arranged offset along the light source direction y ‘and are each spaced a distance y1, y2 from the centrally arranged light source LZ.
  • the decentralized light sources LD1 .LD2 are shown in Fig. 2a as different hatched circles.
  • the first distance y1 preferably corresponds to the second distance y2.
  • the optical detector unit 7 is the camera 5 with a pixel line PZ which is arranged along the line direction y. The pixels are shown here as unfilled circles.
  • the two outer focus points FP1, FP2 are generated in each of the operating modes BM1, BM2, BM3 in the plane of the optical detector unit 7, the distance between them in the y direction being a measure of the refractive index of the Process medium PM represents.
  • the first decentralized one In this exemplary embodiment, light source LD1 is used in the second operating mode BM2 and the second, decentrally arranged light source LD2 is used in the third operating mode BM3.
  • Operating modes BM1, BM2, BM3 are in Fig. 2b in the lower half of the image, the respective focus points FP1; FP2; FF according to the one used when creating it
  • Light source LZ; LD1; LD2 shown, namely as black filled circles or as differently hatched circles.
  • the distance y1, y2 is now selected so that for all light sources LZ; LD1; LD2 their fixed focus point FF can be mapped onto the pixel line PZ of the camera 5 and for all decentralized light sources LD1.LD2 and all refractive indices of the
  • Process medium PM from the measuring range of the refractometer at least one of the outer focus points FP1, FP2 of the decentralized light sources LD1.LD2 can be mapped onto the pixel line PZ of the camera 5.
  • the outer focus points FP1.FP2 of the central light source LZ generated in the first operating mode BM1 in the plane of the optical detector unit 7 no longer necessarily have to be taken from the for all refractive indices of the process medium PM
  • the measuring range of the refractometer can be mapped onto the pixel line PZ of the camera 5.
  • only one outer focal point FP1; FP2 from the second and third operating mode BM2.BM3 can be mapped onto the pixel line PZ of the camera 5.
  • the outer focus points FP1, FP2 of the central light source LZ generated in the plane of the optical detector unit 7 can no longer be mapped onto the pixel line PZ of the camera 5, so that in the first operating mode BM1 only the centrally arranged fixed focus point FF of the optical detector unit 7 is detected. Since the two outer focal points FP1 .FP2 (filled black circles) can no longer be mapped onto the pixel line PZ of the camera 5, the first operating mode BM1 alone can no longer be used
  • the mean fixed focus point FF depending on the refractive index of the process medium PM, can only have a low light intensity and thus be very weak.
  • a distance d3 'between the outer focus points FP2, FP1 from different operating modes BM2, BM3 can be used as an alternative or in addition.
  • the distance d3, which represents the measure of the refractive index of the process medium PM, now results from d3 d3 '+ y1 + y2.
  • the distance between the decentralized light sources LD1, LD2 from one another, ie y1 + y2, must be known very precisely, since every drift of this distance is reflected in the measurement result.
  • two light sources are sufficient for the design as a transmitted light refractometer with an extended measuring range, for example a central light source LZ and a decentralized light source LD1 or two decentralized
  • Light sources LD1.LD2. In the embodiment shown in FIG. 1 as a transmitted light refractometer, this can
  • the measuring prism 6 and the process medium PM can also be arranged in reverse order to one another, in which case an additional process window is required.
  • the refractometer can optionally also include a temperature sensor not explicitly shown here and configured, for example, as a Pt100. This also measures the
  • Temperature of the process medium PM and transmits this to the control / evaluation unit 4.
  • the temperature measured by the temperature sensor is advantageously e.g. taken into account when calculating a refractive index-dependent sugar concentration of the process medium PM.
  • Critical angle refractometer in which the light from a light source, for example by means of an optical system 81, is radiated at different angles a onto a process medium PM-contacting interface OF of a measuring prism 6.
  • the lighting i.e. light source 21 and the optical system 81
  • the lighting are designed so that the light hits the interface OF at different locations at different angles (spatially resolved angular spectrum).
  • At a light-dark transition of the reflected light is the critical angle of total reflection and from this the refractive index of the
  • Process medium PM can be determined.
  • light is under the Angles a which are between the angles a1 and a2.
  • the angle of incidence a increases from left to right within the illuminated area.
  • this angle of incidence a must be between cd and a2.
  • the angles cd and a2 thus limit the measuring range of the refractometer.
  • An expansion of the measuring range in which the illuminated interface OF does not have to be enlarged is achieved in that separately controllable light sources 21, 22, 23 are used.
  • These illuminate essentially the same area on the interface OF, but from different angular ranges cd-a2, ⁇ 1- ⁇ 2 and g1-g2.
  • a slight overlap of neighboring angle areas ensures that there are no gaps in the
  • a measuring range the overlap, for example, having at least 5%.
  • ß1 - ß2 and g1 - g2 are of different sizes, as
  • FIG. 3 An example with 3 LEDs is shown in FIGS. 4, 4a, 4b. These are LED chips without collimator optics, which can be described as Lambert radiators, i.e.
  • the angle range cd - a2, ⁇ 1 - ß2, or g1 - can be determined via the position of the light source 21, 22, 23 in relation to the diaphragm 10.
  • g2 can be set. The position of the light source 21, 22, 23 in relation to the diaphragm 10 determines which part of the original angular spectrum of the light source 21, 22, 23 passes through the diaphragm 10.
  • the position of the light spot remains constant, however, since it is defined by the position of the diaphragm 10 fixed in the spatial area.
  • the angular range cd - a2 of the first light source 21 is shown in Fig. 4, Fig. 4a with the help of a dotted-dashed line
  • the angular range ⁇ 1 - ⁇ 2 of the second light source 22 is shown in Fig. 4, Fig.4b with the help of a solid line
  • the angular range g1-g2 of the third light source 23 is shown in FIG. 4, FIG. 4c with the aid of a dashed line.
  • the disadvantage of using a diaphragm 10 is the lower light yield.
  • the light sources 21, 22, 23 not only have to be displaced towards one another, but also tilted towards one another (not explicitly shown here).
  • a light guide 11 comprising several fibers F1, F2, F3, each of the fibers F1, F2, F3 with one of the separately controllable light sources 21 , 22,23 is connected.
  • FIG. 1 The exit surfaces of the outer fibers F1, F2, F3 are beveled in such a way that the light emerges in a certain angular range a1-a2, ⁇ 1- ⁇ 2, or g1-g2.
  • the beveling of the fibers F1, F2, F3 in relation to the light cone of the light emerging from the fibers F1, F2, F3 is coordinated in such a way that a slight overlap of the angular ranges cd-a2, ⁇ 1- ⁇ 2 and g1 - g2 is guaranteed.
  • the fiber spacing d must be chosen so that for all light sources 21, 22, 23 or
  • Fibers F1, F2, F3 the essentially the same area on the media-contacting surface OF of the measuring prism 6 is illuminated.
  • the angular range cd-a2 of the first light source 21 is also shown in FIG. 5 with the aid of a dotted dashed line
  • the angular range ⁇ 1- ⁇ 2 of the second light source 22 is shown with the aid of a solid line
  • the angular range g1-g2 of the third Light source 23 shown with the aid of a dashed line.
  • the invention thus also comprises an arrangement of at least 2 separately controllable light sources 21, 22; 23. With these, a light spot is generated on the media-contacting interface OF by each of the light sources 21; 22, 23, which has a spatially resolved angular spectrum.
  • the light source 21, 22, 23 with the corresponding angular range is used for the determination of the critical angle.
  • the light spots of the individual light sources 21, 22; 23 almost completely overlap in the local space and are shifted in the angular space, each with a slight overlap. This enables the critical angle to be determined continuously. Depending on
  • the critical angle lies in one (or two, if in the overlapping area, e.g. between ⁇ 1 and a2) of the angle ranges cd-a2, ⁇ 1- ⁇ 2 and g1-g2, which are each in one of the operating modes BM1, BM2, BM3 be used.
  • the corresponding operating mode (s) BM1; BM2; BM3 is then used to determine the refractive index.
  • a tilting of the light sources 21, 22, 23 or a light guide 11 with inclined exit surfaces is used, as mentioned above.
  • Detector unit 7 can be designed for an extended measuring range.
  • the field of view remains ideally was identical, the aperture (ie the angles captured by the imaging optics or the "image field in angular space") must be expanded accordingly.
  • SB, SB1, SB2 bundle of rays, first / second portion of bundle of rays SP intersection

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM), aufweisend: -mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen (21,22;LZ,LD1,LD2), - eine optische Detektoreinheit (7), - eine Regel-/Auswerteinheit (4) und - ein Messprisma (6) mit einem vorgegebenen Brechungsindex, wobei die Lichtquellen (21,22;LZ,LD1,LD2) von der Regel-/Auswerteinheit (4) jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) betreibbar ist, in denen - jeweils genau eine der mehreren Lichtquellen (21,22;LZ,LD1,LD2) Licht aussendet und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium (PM) und Messprisma (6) einstrahlt, das Licht an der Grenzfläche Lichtbrechung und/oder Reflexion erfährt und zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums (PM) abhängiges optisches Signal (OS) erzeugt, die optische Detektoreinheit (7) das zumindest eine erzeugte optische Signal (OS) erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit (4) übermittelt, welche das zu dem Betriebsmodus gehörige optische Signal (OS) speichert, und wobei die Regel-/Auswerteinheit (4) dazu ausgestaltet ist, anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale (OS) aus allen Betriebsmodi (BM1,BM2;BM3) und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas (6) den Brechungsindex des Prozessmediums (PM) zu bestimmen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM) mit einem Refraktometer.

Description

Refraktometer und Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem Refraktometer
Die Erfindung betriff ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit zumindest einer Lichtquelle, einer optischen Detektoreinheit, einer Regel-/Auswerteinheit und einem Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Refraktometer. Refraktometer werden in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft, Chemie, Biochemie, Pharmazie,
Biotechnologie und Umweltmesstechnik zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, bspw. einer Prozessflüssigkeit, eingesetzt. Der Brechungsindex wird zum Beispiel zur Bestimmung einer aus dem Brechungsindex ableitbaren Prozessgröße, wie etwa der Konzentration eines Stoffes in dem Prozessmedium, bspw. Zucker, oder bei einer Reinheitsprüfung herangezogen.
Das Messprinzip eines Refraktometers beruht darauf, dass an einer durch eine medienberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma Licht eingestrahlt wird. Dabei wird mittels Brechung und/oder Reflexion des Lichts an der Grenzfläche ein optisches Signal erzeugt. Die Richtung und/oder Intensität der gebrochenen und/oder reflektieren Lichts an der medienberührende Oberfläche ist abhängig von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Prozessmedium und Messprisma. Anhand des optischen Signal und dem bekannten Brechungsindex des Messprismas kann somit der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt werden.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise sogenannte Abbe-Refraktometer bekannt, die mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion arbeiten. In Abhängigkeit von der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Messprisma und dem Prozessmedium sowie dem Einfallswinkel wird das an eine Grenzfläche zwischen Prozessmedium und
Messprisma eingestrahlte Licht teilweise in das Prozessmedium gebrochen und reflektiert oder vollständig reflektiert. Der kritische Winkel der Totalreflexion wird mittels der reflektierten Lichtintensität in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel bestimmt und daraus der Brechungsindex des Prozessmediums ermittelt. Abbe-Refraktometer sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen beschrieben, beispielweise in der DE 1994 47 98 A1 .
Im Gegensatz zu Abbe-Refraktometern werden bei Durchlichtrefraktometern (auch: Transmissionsrefraktometer) Messprisma und Prozessmedium von einem vorzugsweise kolliminierten Strahlenbündel durchquert. Die Ablenkung des Strahlenbündels beim Durchqueren des Messprismas und des Prozessmediums ist dabei abhängig von deren Brechungsindexdifferenz. Der Ablenkungswinkel zwischen dem eingestrahlten und dem durchquerenden Strahlenbündel ist daher ein Maß für den Brechungsindex des
Prozessmediums. Der Ablenkungswinkel wiederum wird beispielsweise anhand der Position eines Fokuspunktes des durchquerenden Strahlenbündels auf einer zur optischen Achse des eingestrahlten Strahlenbündels senkrechten Detektorebene ermittelt. Oftmals werden Messprismen mit gegeneinander geneigten Oberflächen an der medienberührende Oberfläche des Messprismas verwendet. In diesem Fall werden zwei Fokuspunkte erzeugt, aus deren Abstand der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmbar ist.
Nachteilig an bekannten Durchlichtrefraktometern ist, dass sie in der Regel zwei Zugänge zum Prozessmedium benötigen. Ein Durchlicht-Refraktometer mit einem einseitigen Prozesszugang ist in der Patentschrift DE 10 2007 05 07 31 B3 beschrieben. In dem darin beschriebenen Refraktometer wird über einen einzigen Prozesszugang Licht eingestrahlt, das mittels einer Beleuchtungsoptik kolliminiert wird, an einer Umlenkoptik umgelenkt wird, anschließend das Prozessmedium und das Messprisma durchquert, und durch eine Abbildungsoptik auf eine Detektorebene fokussiert wird. Die Detektorebene ist vorteilhaft auf der Einstrahlseite angeordnet, wodurch der einseitige Zugang zum
Prozessmedium ermöglicht wird.
In der zum Zeitpunkt des Anmeldetags dieser Anmeldung noch unveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit der Anmeldenummer 1020181 16409.2 ist ein Durchlicht- Refraktometer mit einseitigem Prozesszugang beschrieben, welches eine gemeinsame Abbildungs- und Beleuchtungsoptik verwendet. Dadurch kann vorteilhaft der
Durchmesser eines Zugangs zum Prozessmedium verkleinert werden.
Allen Refraktometern ist dabei gemein, dass sie ein Messprisma, eine Lichtquelle, eine optische Detektoreinheit zur Detektion des optischen Signals und eine Regel- /Auswerteeinheit zur Reglung und/oder Auswertung des optischen Signal und
anschließenden Ermittlung des Brechungsindex des Prozessmediums aufweisen. Der Messbereich des Refraktometers ist dadurch beschränkt, dass das bei der Brechung und/oder Reflexion erzeugte optische Signal von der optischen Detektoreinheit vollständig erfassbar ist.
Beispielsweise müssen im Falle der Erzeugung von zwei Fokuspunkten (siehe o.g.
Durchlichtrefraktometer) beide Fokuspunkte von der optischen Detektoreinheit erfassbar sein. Für den Fall, dass oftmals starke Einschränkungen an die Dimension der optischen Detektoreinheit vorliegen, bspw. bedingt durch kleine Prozesszugänge, weisen aus dem Stand der Technik bekannte Refraktometer einen stark begrenzten Messbereich auf. Es ist daher wünschenswert, ein Refraktometer mit einem vergrößerten Messbereich anzugeben, ohne dabei die optische Detektoreinheit zu vergrößern und/oder die
Sensitivität des Refraktometers zu verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer anzugeben, das einen vergrößerten Messbereich aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem erfindungsgemäßen Refraktometer.
Bezüglich des Refraktometers wird die Aufgabe gelöst durch ein
Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums, aufweisend: -mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen,
- eine optische Detektoreinheit,
- eine Regel-/Auswerteinheit und
- ein Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex,
wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist, in denen
- jeweils genau eine der mehreren Lichtquellen Licht aussendet und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma einstrahlt,
das Licht an der Grenzfläche Lichtbrechung und/oder Reflexion erfährt und zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges optisches
Signal erzeugt,
die optische Detektoreinheit das zumindest eine erzeugte optische Signal erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit übermittelt, welche das zu dem Betriebsmodus gehörige optische Signal speichert,
und wobei die Regel-/Auswerteinheit dazu ausgestaltet ist, anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale aus allen Betriebsmodi und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas den Brechungsindex des Prozessmediums zu bestimmen. Je nach Betriebsmodus d.h. der darin verwendeten Lichtquelle und dem Brechungsindex des Prozessmediums ist das erzeugte optische Signal aus dem jeweiligen Betriebsmodus auf die optische Detektoreinheit abbildbar, nur teilweise abbildbar oder nicht abbildbar. In der Erfindung ist dabei für zumindest einen der Betriebsmodi ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges und mit darin verwendeten Lichtquelle erzeugtes optisches Signal zumindest teilweise von der optischen Detektoreinheit erfassbar. Falls beispielsweise das optische Signal zwei Fokuspunkte umfasst, deren Position vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängt, wird zumindest in einem der
Betriebsmodi zumindest einer dieser Fokuspunkte erfasst. Bei der Verwendung der optischen Signale aus allen Betriebsmodi weist das Refraktometer einen vergrößerten Messbereich auf im Vergleich zu einem Refraktometer mit nur einer Lichtquelle, das sonst vergleichbar ausgestaltet ist. Durch diese Vergrößerung des Messbereichs kann das Refraktometer ohne weitere bauliche Maßnahmen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Prozessmedien eingesetzt werden, auch bei vergleichsweise kleinen Prozesszugängen. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich sowohl für die eingangs beschriebenen
Durchlicht- als auch Grenzwinkelrefraktometer. Bei Durchlichtrefraktometern handelt es sich bei dem zumindest einen von dem Brechungsindex des Prozessmediums abhängigen optisches Signal bspw. um die Position zumindest eines Fokuspunktes eines Strahlenbündels, welches an der medienberührenden Oberfläche Lichtbrechung erfahren hat. Bei Grenzwinkelrefraktometern handelt es sich bei dem zumindest einen von dem Brechungsindex des Prozessmediums abhängigen optisches Signal bspw. um die Position eines hell-dunkel Übergangs in der Intensität des an der Grenzfläche reflektierten Lichts und einem zu dieser Position gehörigen Einfallswinkel des eingestrahlten Lichts, der dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht.
Bei der zumindest einen Lichtquelle handelt es sich beispielsweise um eine LED.
Die optische Detektoreinheit umfasst bspw. eine Kamera mit einer vorgegeben Anzahl von Pixeln. Es ist z.B. möglich, dass die Kamera genau eine Zeile mit Pixeln umfasst.
In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Refraktometer um ein Durchlicht-Refraktometer, aufweisend ein optisches System, mit einer optischen Achse, wobei das optische System und das Messprisma entlang der optischen Achse versetzt zueinander angeordnet sind, und das optische System dazu ausgestaltet ist, aus dem von der jeweiligen Lichtquelle erzeugten Licht ein kolliminiertes Strahlbündel zu erzeugen, wobei das Messprisma zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte Oberflächen aufweist, die an der mediumberührenden Oberfläche des Messprismas angeordnet sind, und wobei die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen jeweils in Bezug zu einer zur optischen Achse senkrechten Ebene um eine Neigungsachse und in zueinander entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, wobei die Neigungsachse senkrecht zur optischen Achse ist.
Durch die beiden gegeneinander geneigten Oberflächen des Messprismas werden als optisches Signal zwei Fokuspunkte erzeugt, deren Abstand ein Maß für den
Brechungsindex des Prozessmediums darstellt. Insbesondere ist die Neigung der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen im Wesentlichen symmetrisch zur optischen Achse.
In einer weiteren Ausgestaltung des Durchlicht-Refraktometers weist dieses ein
Umlenkelement auf, wobei das Umlenkelement und das optische System derart entlang der optischen Achse zueinander angeordnet sind, dass
- das Strahlenbündel in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, wobei das Strahlenbündel an der medienberührende Oberfläche ein erstes Mal Lichtbrechung erfährt,
- das Strahlenbündel am Umlenkelement umgelenkt wird,
- das Strahlenbündel in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma und das Prozessmedium durchquert, wobei das Strahlenbündel an der medienberührende Oberfläche ein zweites Mal Lichtbrechung erfährt, und
- das optische System anschließend das Strahlenbündel auf die optische Detektoreinheit fokussiert .
Bei dem Umlenkelement handelt es sich beispielsweise um einen Spiegel oder einen Retroreflektor. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass (siehe die noch unveröffentlichte Anmeldung mit der Anmeldenummer 1020181 16409.2) das optische System als eine gemeinsame Abbildungs- und Beleuchtungsoptik dient. Mittels des Umlenkelements wird vorteilhaft das gebrochene Licht in Einstrahlrichtung zurückgelenkt. Dabei herrschen keine Einschränkungen an die Anordnung des Messprismas im Bezug zu dem Prozessmedium, solange die gegeneinander geneigten Oberflächen des
Messprismas mediumberührend sind und wie erforderlich die Grenzfläche
Prozessmedium-Messprisma vorliegt. Bspw. kann das Refraktometer ein Prozessfenster umfassen, durch das das kolliminierte Strahlenbündel vor dem ersten Durchgang in einer Eintrittsrichtung in das
Prozessmedium eintritt und durch das das Strahlenbündel anschließend zu dem zweiten Durchgang in der Austrittsrichtung aus dem Prozessmedium austritt. Das Messprisma, das Prozessfenster und das Umlenkelement sind derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Prozessmedium und
anschließend das Messprisma durchquert, und in dem zweiten Durchgang in
umgekehrter Reihenfolge das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert. In Bezug auf den Weg des Strahlenbündels des ersten Durchgangs ist die Anordnung in dieser Ausgestaltung also Prozessfenster-Prozessmedium-Messprisma- Umlenkelement. Die Anordnung Messprisma- Prozessmedium-Umlenkelement ist selbstverständlich auch möglich. In einer alternativen Ausgestaltung sind daher das Messprisma und das Umlenkelement derart zueinander angeordnet, dass das Strahlenbündel in dem ersten Durchgang zunächst das Messprisma und anschließend das Prozessmedium durchquert, und in dem zweiten Durchgang in umgekehrter Reihenfolge zunächst das
Prozessmedium und anschließend das Messprisma durchquert, wobei das kolliminierte Strahlenbündel über das Messprisma in das Prozessmedium eintritt und über das Messprisma aus dem Prozessmedium austritt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass das Messprisma selbst als ein Prozessfenster dient. Es wird also kein zusätzliches Prozessfenster benötigt.
In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers umfasst die optische Detektoreinheit eine Kamera mit zumindest einer in einer Detektorebene angeordneten Pixelzeile, deren Pixel entlang einer zu einer zur optischen Achse und zur Neigungsachse im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Zeilenrichtung angeordnet sind, und wobei die mehreren Lichtquellen entlang einer Lichtquellenrichtung versetzt angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Zeilenrichtung ist.
In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers ist eine der Lichtquellen als eine zentral angeordnete Lichtquelle ausgestaltet, die im Wesentlichen an einem gedachten Schnittpunkt einer zu der optische Achse entlang des Neigungsachse parallel verschobenen Parallelachse mit der Lichtquellenrichtung angeordnet ist. Insbesondere wird das von der zentral angeordneten Lichtquelle ausgesandte Licht entlang der optischen Achse des optischen Systems kolliminiert.
In einer weiteren Weiterbildung des Durchlicht-Refraktometers ist zumindest eine der Lichtquellen als eine dezentral angeordnete Lichtquelle ausgestaltet, die in der
Lichtquellenrichtung in Bezug auf einen gedachten Schnittpunkt einer zu der optische Achse entlang der Neigungsachse parallel verschobenen Parallelachse mit der
Lichtquellenrichtung von dem Schnittpunkt in Lichtquellenrichtung mit einem Abstand angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung weist das Durchlicht-Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen auf,
wobei insbesondere ein erster Abstand zwischen der ersten dezentral angeordneten Lichtquelle und dem gedachten Schnittpunkt mit einem zweiten Abstand zwischen der zweiten dezentral angeordneten Lichtquelle und dem gedachten Schnittpunkt übereinstimmt, so dass die beiden dezentral angeordneten Lichtquellen um den gedachten Schnittpunkt in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch angeordnet sind. WO 2020/200691 PCT/EP2020/056713
In einer Ausgestaltung des Durchlichtrefraktometers erzeugt jede der Lichtquellen auf der Detektorebene
zwei äußere Fokuspunkte, deren Position in Zeilenrichtung abhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums ist und
- einen zwischen den beiden Fokuspunkten zentral angeordneten Fix-Fokuspunkt, dessen Position in Zeilenrichtung unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums ist,
wobei die dezentralen Lichtquellen derart angeordnet sind, insbesondere deren Abstand so gewählt ist, dass
- für alle dezentralen Lichtquellen deren Fix-Fokuspunkt auf die Pixelzeile abbildbar ist und
für alle dezentralen Lichtquellen und alle Brechungsindizes des Prozessmediums aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte der dezentralen Lichtquellen auf die Pixelzeile abbildbar ist.
In einer zu dem Durchlicht-Refraktometer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Refraktometer um ein Grenzwinkel-Refraktometer, das derart ausgestaltet ist, dass eine erste der Lichtquellen das Licht auf die mediumberührende Oberfläche des Messprismas unter einem ersten Winkelbereich einstrahlt,
- eine zweite der Lichtquellen das Licht auf die mediumberührende Oberfläche des
Messprismas unter einem zweiten Winkelbereich einstrahlt,
wobei der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich einen Überlapp aufweisen, insbesondere einen Überlapp von zumindest 5% der Spanne des ersten und/oder zweiten Winkelbereichs,
- und wobei alle Lichtquellen die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der
mediumberührenden Oberfläche des Messprismas ausleuchten.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums mit einem Refraktometer, insbesondere einem erfindungsgemäßen Refraktometer, aufweisend:
-mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen,
-eine optische Detektoreinheit,
- eine Regel-/Auswerteinheit und
- ein Messprisma mit einem vorgegebenen Brechungsindex,
wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar ist,
und wobei das Refraktometer zeitlich aufeinanderfolgend in verschiedenen Betriebsmodi betrieben wird, in denen - jeweils von genau einer der mehreren Lichtquelle Licht ausgesandt und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche des Messprismas gebildete
Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma eingestrahlt wird, das Licht an der Grenzfläche gebrochen und/oder reflektiert wird, wobei zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums abhängiges optisches
Signal erzeugt wird,
das zumindest eine erzeugte optische Signal von der optischen Detektoreinheit erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit übermittelt, wird, wobei das zu dem jeweiligen Betriebsmodi gehörige optische Signal gespeichert wird,
und wobei von der Regel-/Auswerteinheit anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale aus allen Betriebsmodi und anhand des vorgegebenen
Brechungsindex des Messprismas der Brechungsindex des Prozessmediums bestimmt wird. 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 zeigen:
Fig. 1 : Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Refraktometers als
Durchlichtrefraktometer in einer Schnittansicht;
Fig. 2a, 2b: Ein Detail einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Refraktometers in einer weiteren Ansicht;
Fig. 3: Ein Grenzwinkelrefraktometer nach dem Stand der Technik;
Fig. 4, 4a, b, c: Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers als Grenzwinkelrefraktometer;
Fig. 5: Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers als G re n zwi n ke I ref ra kto me te r. In Fig. 1 ist eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Refraktometers zur
Messung des Brechungsindex eines Prozessmediums PM dargestellt. Dieses weist zwei Lichtquellen 21 ,22 auf, die in entlang einer Lichtquellenrichtung y‘ versetzt angeordnet sind. In einem ersten Betriebsmodus BM1 wird das Licht einer ersten Lichtquelle 21 mittles eines optischen Systems 8 entlang dessen optischer Achse z kolliminiert und durchquert anschließend das Messprisma 6. Dieses weist auf einer in einem Messbetrieb medienberührenden Oberfläche OF zwei um eine Neigungsachse x gegeneinander geneigte Oberflächen OF1 ,OF2 auf. Das Strahlenbündel des kolliminierten Lichts weist dabei einen ersten Anteil SB1 auf, der an der ersten Oberfläche OF1 Lichtbrechung erfährt, und einen zweiten Anteil SB2 auf, der an der zweiten Oberfläche OF2
Lichtbrechung erfährt.
Beim Austritt aus dem Messprisma 6 über die medienberührenden Oberflächen OF1 ,OF2 findet eine erste, vom Brechungsindex des Prozessmediums PM abhängige
Lichtbrechung statt. Nun wird mittels eines Umlenkelements 9 jeweils das gebrochene Strahlenbündel SB1 ,SB2 reflektiert und erfährt bei einem zweiten Übergang zwischen Prozessmedium PM und Messprisma 6 erneut Lichtbrechung. Anschließend werden die Strahlenbündel SB1 ,SB2 mittels des optischen Systems 8 auf eine auf der Einstrahlseite des Lichts angeordneten optischen Detektoreinheit 7 mit einer Kamera 5
zurückfokussiert, wobei in einer Detektorebene Fokuspunkte FF,FP1 ,FP2 erzeugt werden.
Dabei werden jedem der Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3,.,, zwei äußere Fokuspunkte FP1 ,FP2 erzeugt, deren Abstand in Zeilenrichtung y ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt. Ferner wird ein zwischen den beiden Fokuspunkten FP1.FP2, zentral angeordneter Fix-Fokuspunkt FF erzeugt, dessen Position in
Zeilenrichtung y unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums PM ist.
Der Fix-Fokuspunkt FF wird durch einen in der Mitte des Strahlenbündels SB
angeordneten Anteil erzeugt, der bei dem ersten Durchgang an einer ersten der beiden gegeneinander geneigten Oberflächen OF1 ;OF2 das erste Mal Lichtbrechung und bei dem zweiten Durchgang an der zweiten der beiden gegeneinander geneigten
Oberflächen OF2;OF1 das zweite Mal Lichtbrechung erfährt. Diese beiden Brechungen heben sich für den Fall eines zu der optischen Achse z symmetrischen Messprismas 6 gegenseitig auf.
Der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten FP1.FP2 in einer zu der Neigungsachse x und der optischen Achse z im Wesentlichen senkrechten Zeilenrichtung y stellt damit ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM dar. Hierbei umfasst die Kamera zumindest eine Pixelzeile PZ (vgl. Fig 2a, 2b), die entlang der Zeilenrichtung y angeordnet ist, welche senkrecht zur optischen Achse z und zu der Neigungsachse x ist. Die vorstehend erwähnte Lichtquellenrichtung y‘ ist wiederum parallel zur der
Zeilenrichtung y.
In der hier gezeigten Ausgestaltung ist das Material für das Messprisma 6 derart gewählt, dass dessen Brechungsindex nG größer ist als alle Werte für den Brechungsindex des Prozessmediums aus dem Messbereich des Refraktometers nM. Nach oben ist der Messbereich also durch die Wahl des Materials für das Messprisma begrenzt, welches typischerweise ein Glas oder Saphir umfasst. Je kleiner der Brechungsindex des Prozessmediums PM, desto größer ist der Abstand zwischen den äußeren Fokuspunkten FP1 .FP2. Hierbei kann für kleine Brechungsindizes des Prozessmediums PM der Fall auftreten, dass die in dem ersten Betriebsmodus BM1 erzeugten Fokuspunkte FP1 ,FP2 nicht mehr von der Kamera erfassbar sind. Es wird dann nur noch der zwischen den Fokuspunkten F1 ,F2 angeordnete Fix-Fokuspunkt FF erfasst.
In einem weiteren Betriebsmodus BM2 mit der in der Lichtquellenrichtung y‘ versetzten, weiteren Lichtquelle 22 können weitere Fokuspunkte FP1 ,FP2,FF erzeugt werden, wodurch der Messbereich des erfindungsgemäßen Refraktometers nach unten vergrößert ist, im Vergleich zu einem ansonsten identisch ausgestalteten Refraktometer, welches nur die erste Lichtquelle 21 aufweist. Diese Vergrößerung des Messbereichs mittels der separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22 ist im Folgenden für ein Durchlichtrefraktometer im Zusammenhang mit Fig. 2a, 2b detailliert erläutert. In Fig. 2a ist eine zentral angeordnete Lichtquelle als schwarz-gefüllter Punkt in einer Ansicht gezeigt, die in Bezug zu der in Fig. 1 gezeigten Ansicht um 90° um die
Zeilenachse y gedreht ist. Die zentral angeordnete Lichtquelle LZ ist dabei an einem Schnittpunkt SP zwischen einer Parallelachse z‘ und der Lichtquellenrichtung
y‘ angeordnet, wobei die Parallelachse z‘ in Neigungsrichtung x parallel zu der optischen Achse z verschoben ist. Die zentral angeordnete Lichtquelle LZ entspricht im
Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten ersten Lichtquelle 21 .
Ferner weist das Refraktometer zwei dezentral angeordnete Lichtquellen LD1.LD2 auf, die entlang der Lichtquellenrichtung y‘ versetzt angeordnet sind und jeweils mit einen Abstand y1 , y2 von der zentral angeordneten Lichtquelle LZ beabstandet sind. Die dezentral angeordneten Lichtquellen LD1 .LD2 sind in Fig. 2a als verschieden schraffierte Kreise dargestellt. Bevorzugt stimmt der erste Abstand y1 mit dem zweiten Abstand y2 überein. Bei der optischen Detektoreinheit 7 handelt es sich um die Kamera 5 mit einer Pixelzeile PZ, die entlang der Zeilenrichtung y angeordnet ist. Die Pixel sind hier als ungefüllte Kreise dargestellt.
Ist das Refraktometer wie schon in Fig. 1 gezeigt ausgestaltet, werden in jedem der Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3 die zwei äußeren Fokuspunkte FP1 ,FP2 in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugt, deren Abstand in y-Richtung ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt. Die erste dezentral angeordnete Lichtquelle LD1 wird in diesem Ausführungsbeispiel im zweiten Betriebsmodus BM2 und die zweite dezentral angeordnete Lichtquelle LD2 im dritten Betriebsmodus BM3 verwendet. Zur besseren Identifikation der Fokuspunkte FP1 ,FP2, FF mit den
Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3 sind in Fig. 2b in der unteren Bildhälfte die jeweiligen Fokuspunkte FP1 ;FP2; FF entsprechend der jeweils bei ihrem Erzeugen verwendeten
Lichtquelle LZ;LD1 ;LD2 dargestellt, nämlich als schwarz gefüllte bzw. als unterschiedlich schraffierte Kreise. Der Abstand y1 ,y2 ist nun so gewählt, dass für alle Lichtquellen LZ;LD1 ;LD2 deren Fix-Fokuspunkt FF auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar ist und für alle dezentralen Lichtquellen LD1.LD2 und alle Brechungsindizes des
Prozessmediums PM aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte FP1 , FP2 der dezentralen Lichtquellen LD1.LD2 auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar ist.
Die in dem ersten Betriebsmodus BM1 in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugten äußern Fokuspunkte FP1.FP2 der zentralen Lichtquelle LZ müssen dabei nicht mehr unbedingt für alle Brechungsindizes des Prozessmediums PM aus dem
Messbereich des Refraktometers auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sein. Je nach Brechungsindex des Prozessmediums kann gegebenenfalls nur jeweils ein äußerer Fokuspunkt FP1 ;FP2 aus dem zweiten und dritten Betriebsmodus BM2.BM3 auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sein.
Dies ist hier für den ersten Betriebsmodus BM1 gezeigt. Hier sind die in der Ebene der optischen Detektoreinheit 7 erzeugten äußern Fokuspunkte FP1 , FP2 der zentralen Lichtquelle LZ nicht mehr auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar, so dass in dem ersten Betriebsmodus BM1 nur der zentral angeordnete Fix-Fokuspunkt FF von der optischen Detektoreinheit 7 erfasst wird. Da die beiden äußeren Fokuspunkte FP1 .FP2 (gefüllte schwarze Kreise) nicht mehr auf die Pixelzeile PZ der Kamera 5 abbildbar sind, lässt sich daher aus dem ersten Betriebsmodus BM1 alleine nicht mehr der
Brechungsindex des Prozessmediums PM bestimmen.
Durch die Verwendung der äußeren Fokuspunkte FP1.FP2 aus einem der weiteren Betriebsmodi BM2.BM3 lässt sich ein Abstand d3= 2*d31 oder d3= 2*d32 zu jeweils dem mittleren Fix-Fokuspunkte FF aus diesem Betriebsmodus BM2;BM3 bestimmen. Der Abstand d3 stellt dann ein Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM dar. Gegebenenfalls kann auch über die beiden Betriebsmodi BM2 und BM3 gemittelt werden, und ein Abstand d3= % ( 2*d31 +2*d32) = d31 + d32 verwendet werden.
Für den Fall, dass es sich um ein getrübtes Prozessmedium PM handelt, kann der mittlere Fix-Fokuspunkt FF, je nach Brechungsindex des Prozessmediums PM, nur von geringer Lichtintensität und damit sehr schwach ausgeprägt sein. Um nicht auf den mittleren Fix-Fokuspunkt FF angewiesen sein zu müssen, kann alternativ oder zusätzlich auch ein Abstand d3‘ zwischen den äußeren Fokuspunkten FP2,FP1 aus jeweils unterschiedlichen Betriebsmodi BM2,BM3 verwendet werden. Der Abstand d3, welcher das Maß für den Brechungsindex des Prozessmediums PM darstellt, ergibt sich nun über d3 = d3‘ + y1 + y2. In diesem Fall muss der Abstand der dezentralen Lichtquellen LD1 , LD2 voneinander, d.h. y1 + y2, jedoch sehr genau bekannt sein, da sich jeder Drift dieses Abstands im Messergebnis wiederspiegelt.
Ungeachtet der Tatsache, dass in dem Ausführungsbeispiel die Erfindung mit drei Lichtquellen LZ,LD1 ,LD2 erläutert wurde, sind also zwei Lichtquellen ausreichend für die Ausgestaltung als Durchlicht-Refraktometer mit erweitertem Messbereich, bspw. eine zentrale Lichtquelle LZ und eine dezentrale Lichtquelle LD1 oder zwei dezentrale
Lichtquellen LD1.LD2. In der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung als Durchlichtrefraktometer können das
Messprisma 6 und das Prozessmedium PM wie bspw. in der 1020181 16409.2 gezeigt auch in umgekehrter Reihenfolge zueinander angeordnet sein, wobei in diesem Fall ein zusätzliches Prozessfenster benötigt wird. Ferner kann das Refraktometer ggf. noch einen hier nicht explizit gezeigten und bspw. als Pt100 ausgestalteten Temperatursensor umfassen. Dieser misst zusätzlich die
Temperatur des Prozessmediums PM und übermittelt diese an die Regel- /Auswerteeinheit 4. Die vom Temperatursensor gemessene Temperatur wird vorteilhaft z.B. bei der Berechnung einer vom Brechungsindex abhängigen Zuckerkonzentration des Prozessmediums PM berücksichtigt.
Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer kann durch die Verwendung von mehreren, separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22,23, insb. zumindest zweier
Lichtquellen, eine Erweiterung des Messbereichs erreicht werden. Dies ist in den Fig. 3 bis 5 näher dargestellt.
Fig. 3 erläutert das im Stand der Technik bekannte Messprinzip eines
Grenzwinkelrefraktometers, bei dem das Licht einer Lichtquelle, bspw. mittels eines optischen Systems 81 , unter verschiedenen Winkeln a auf eine Prozessmedium PM- berührende Grenzfläche OF eines Messprismas 6 eingestrahlt wird. Die Beleuchtung (d.h. Lichtquelle 21 und das optische System 81) sind dabei so ausgelegt, dass an unterschiedlichen Orten das Licht in unterschiedlichen Winkeln auf die Grenzfläche OF trifft (ortsaufgelöstes Winkelspektrum). An einem hell-dunkel Übergang des reflektierten Lichts ist der Grenzwinkel der Totalreflexion und daraus der Brechungsindex des
Prozessmediums PM bestimmbar. In dem hier gezeigten Beispiel wird Licht unter den Winkeln a eingestrahlt, die zwischen dem Wnkeln a1 und a2 liegen. Im Beispiel in Fig. 3 wächst der Einstrahlwinkel a innerhalb der beleuchteten Fläche von links nach rechts an. Um den Grenzwinkel zu bestimmen, muss dieser Einstrahlwinkel a zwischen cd und a2 liegen. Die Winkel cd und a2 begrenzen somit den Messbereich des Refraktometers. Eine Erweiterung des Messbereich, bei der die ausgeleuchtete Grenzfläche OF nicht vergrößert werden muss, wird dadurch erreicht, dass separat ansteuerbare Lichtquellen 21 ,22,23 verwendet werden. Diese beleuchten die im wesentlichen gleiche Fläche auf der Grenzfläche OF, aber aus jeweils unterschiedlichen Winkelbereichen cd - a2, ß1 - ß2 und g1 - g2. Hierbei ist mittels eines leichten Überlappens von benachbarten Wnkelbereichen (also z.B. indem a2 > ß1 und ß2 > g1 ist) sichergestellt, dass es keine Lücken im
Messbereich gibt, wobei der Überlapp bspw. mindestens 5% aufweist. Für den Fall, dass die Winkelbereiche cd - a2, ß1 - ß2 und g1 - g2 unterschiedlich groß sind, ist als
Bezugsgröße für die relative Angabe für den Überlapp bspw. der größte Wnkelbereich zu nehmen.
Würde man in Fig. 3 wie in der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung mehrere in einer Lichtquellenrichtung versetzt angeordnete Lichtquellen 21 ,22,23 verwenden, so würden zwar wie gewollt überlappende Wnkelbereiche cd - a2, ß1 - ß2 und g1- g2 auftreten, jedoch würde gleichzeitig eine Verschiebung im Ortsraum auftreten, d.h. gleichzeitig eine größere Kamera 5 benötigt werden. Dies lässt sich z.B. durch eine Blende 10 vermeiden. In Fig. 4, 4a, 4b ist ein Beispiel mit 3 LEDs gezeigt. Es handelt sich um LED Chips ohne Kollimatoroptik, welche als Lambert-Strahler beschrieben werden können, d.h. sie strahlen in alle Richtungen ab, jedoch passiert nur ein bestimmter Teil des Lichts mit Wnkeln aus einem bestimmten Bereich des Wnkelspektrums die Blende 10, der Rest des Lichts wird absorbiert. Wrd nun die Blende 10 mittels eines optischen Systems 81 auf die Grenzfläche OF des Messprismas 6 abgebildet, kann über die Position der Lichtquelle 21 ,22,23 im Bezug zu der Blende 10 der Wnkelbereich cd - a2, ß1- ß2, bzw. g1 - g2 eingestellt werden. Die Position der Lichtquelle 21 ,22,23 in Bezug auf die Blende 10 bestimmt, welcher Teil des ursprünglichen Wnkelspektrums der Lichtquelle 21 ,22,23 die Blende 10 passiert. Die Position des Lichtflecks bleibt jedoch konstant, da er über die im Ortsraum fixierte Position der Blende 10 definiert ist. Der Wnkelbereich cd - a2 der ersten Lichtquelle 21 ist in Fig. 4, Fig.4a mit Hilfe einer gepunktet-gestrichelten Linie, der Wnkelbereich ß1 - ß2 der zweiten Lichtquelle 22 ist in Fig. 4, Fig.4b mit Hilfe einer durchgezogenen Linie, und der Winkelbereich g1 - g2 der dritten Lichtquelle 23 ist in Fig. 4, Fig. 4c mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt.
Nachteilig an einer Verwendung einer Blende 10 ist die geringere Lichtausbeute. Um ohne Blende 10 auszukommen müssen die Lichtquellen 21 ,22,23 nicht nur zueinander verschoben, sondern auch zueinander verkippt werden (hier nicht explizit dargestellt). Eine Möglichkeit, denselben Effekt ohne eine explizite Verkippung der Lichtquellen 21 ,22,23 zu erreichen, ist die Verwendung eines Lichtleiters 1 1 umfassend mehrere Fasern F1 ,F2,F3, wobei jede der Fasern F1 ,F2,F3mit einer der separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22,23 verbunden ist. Ein derartiges Beispiel ist in Fig. 5 gezeigt. Die Austrittsflächen der äußeren Fasern F1 ,F2, F3 sind dabei derart angeschrägt, dass das Licht in einem bestimmten Winkelbereich a1- a2, ß1- ß2, bzw. g1 - g2 austritt. Hierbei ist zu beachten, dass das Anschrägen der Fasern F1 ,F2,F3 in Bezug auf den Lichtkegel des aus den Fasern F1 ,F2,F3 austretenden Lichts derart abgestimmt ist, dass ein leichter Überlapp der Winkelbereiche cd- a2, ß1 - ß2 und g1- g2 gewährleistet ist. Zum anderen muss der Faserabstand d so gewählt sein, dass für alle Lichtquellen 21 ,22,23 bzw.
Fasern F1 ,F2,F3 die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der medienberührenden Oberfläche OF des Messprismas 6 ausgeleuchtet wird. Wie schon vorstehend ist auch in Fig. 5 der Winkelbereich cd - a2 der ersten Lichtquelle 21 mit Hilfe einer gepunktet gestrichelten Linie dargestellt, der Winkelbereich ß1- ß2 der zweiten Lichtquelle 22 mit Hilfe einer durchgezogenen Linie dargestellt, und der Winkelbereich g1- g2 der dritten Lichtquelle 23 mit Hilfe einer gestrichelten Linie dargestellt.
Auch in der Ausgestaltung als Grenzwinkelrefraktometer umfasst die Erfindung also eine Anordnung von mindesten 2 separat ansteuerbaren Lichtquellen 21 ,22;23. Mit diesen wird auf der medienberührenden Grenzfläche OF durch jede der Lichtquellen 21 ;22,23 ein Lichtfleck erzeugt, der ein ortsaufgelöstes Winkelspektrum aufweist. Je nach
Grenzwinkel wird die Lichtquelle 21 ,22,23 mit dem entsprechenden Winkelbereich zur Bestimmung verwendet. Die Lichtflecken der einzelnen Lichtquellen 21 ,22;23 überlappen im Ortsraum nahezu komplett und sind im Winkelraum verschoben, mit jeweils leichtem Überlapp. Dadurch ist eine kontinuierliche Bestimmung des Grenzwinkels möglich. Abhängig vom
Brechungsindex des Prozessmediums PM liegt der Grenzwinkel in einem (oder zwei, falls im überlappenden Bereich, bspw. zwischen ß1 und a2) der Winkelbereiche cd- a2, ß1- ß2 und g1 - g2, welche jeweils in einem der Betriebsmodi BM1 ,BM2,BM3 verwendet werden. Der/die entsprechende/n Betriebsmodus/i BM1 ;BM2;BM3 wird dann zur Bestimmung des Brechungsindex verwendet. Um den gleichzeitigen Überlapp im Ortsraum und die Verschiebung im Winkelraum zu erreichen, wird wie vorstehend erwähnt bspw. eine Blende 10, eine Verkippung der Lichtquellen 21 ,22,23 oder einem Lichtleiter 1 1 mit angeschrägten Austrittsflächen verwendet.
In der hier erläuterten Ausgestaltung wurde eine Erweiterung der Winkelbereichs auf Seiten der Beleuchtung diskutiert. Selbstverständlich muss auch die optische
Detektoreinheit 7 auf einen erweiterten Messbereich ausgelegt sein. Das Bildfeld bleibt war im Idealfall identisch, die Apertur (d.h. die Winkel, die die Abbildungsoptik erfasst oder das„Bildfeld im Winkelraum“) muss also entsprechend erweitert werden.
Bezugszeichen und Symbole
21 ,22,23 Lichtquellen
4 Regel-/Auswerteeinheit
5 Kamera
6 Messprisma
7 optische Detektoreinheit
8 optisches System
81 optisches System
9 Umlenkelement
10 Blende
1 1 Lichtleiter
PM Prozessmedium
OS optisches Signal
z optische Achse
z‘ Parallelachse
X Neigungsachse
y zur optischen Achse und Neigungsachse senkrechte Achse
Ϋ Lichtquellenrichtung
PZ Pixelzeile
OF medienberührende Oberfläche
OF1 ,OF2 gegeneinander geneigte Oberflächen
SB,SB1 ,SB2 Strahlenbündel, erster/zweiter Anteil Strahlenbündel SP Schnittpunkt
LZ zentral angeordnete Lichtquelle
LD1 .LD2 dezentral angeordnete Lichtquellen
BM1 ,BM2,BM3 Betriebsmodi
FF,FP1 ;FP2 Fokuspunkte
a1 - a2, b1- b2,g1 - g2 Winkelbereiche
F1 ,F2,F3 Fasern
d Faserabstand

Claims

Patentansprüche
1 . Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM), aufweisend:
-mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen (21 ,22;LZ,LD1 ,LD2),
- eine optische Detektoreinheit (7),
- eine Regel-/Auswerteinheit (4) und
- ein Messprisma (6) mit einem vorgegebenen Brechungsindex,
wobei die Lichtquellen (21 ,22;LZ,LD1 ,LD2) von der Regel-/Auswerteinheit (4) jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi (BM1 ,BM2;BM3) betreibbar ist, in denen
- jeweils genau eine der mehreren Lichtquellen (21 ,22;LZ,LD1 ,LD2) Licht
aussendet und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas (6) gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium (PM) und Messprisma (6) einstrahlt,
das Licht an der Grenzfläche Lichtbrechung und/oder Reflexion erfährt und zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums (PM) abhängiges optisches Signal (OS) erzeugt,
die optische Detektoreinheit (7) das zumindest eine erzeugte optische Signal (OS) erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit (4) übermittelt, welche das zu dem
Betriebsmodus (BM1 ;BM2;BM3) gehörige optische Signal (OS) speichert, und wobei die Regel-/Auswerteinheit (4) dazu ausgestaltet ist, anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale (OS) aus allen Betriebsmodi (BM1 ,BM2;BM3) und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas (6) den Brechungsindex des Prozessmediums (PM) zu bestimmen.
2. Refraktometer nach Anspruch 1 ,
wobei es sich um ein Durchlicht-Refraktometer handelt, aufweisend ein optisches System (8) mit einer optischen Achse (z), wobei das optische System (8) und das Messprisma (6) entlang der optischen Achse versetzt zueinander angeordnet sind, und das optische
System dazu ausgestaltet ist, aus dem von der jeweiligen Lichtquelle (21 ;22;LZ;LD1 :LD2) erzeugten Licht ein kolliminiertes Strahlbündel (SB) zu erzeugen,
wobei das Messprisma (6) zumindest zwei ebene und gegeneinander geneigte
Oberflächen (0F1.0F2) aufweist, die an der mediumberührenden Oberfläche des Messprismas (6) angeordnet sind, und wobei die beiden gegeneinander geneigten
Oberflächen (0F1.0F2) 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.
3. Refraktometer nach Anspruch 2, aufweisend ein Umlenkelement (9), wobei das Umlenkelement (9) und das optische System (8) derart entlang der optischen Achse (z) zueinander angeordnet sind, dass
- das Strahlenbündel (SB) in einem ersten Durchgang ein erstes Mal das Messprisma (6) und das Prozessmedium (PM) durchquert, wobei das Strahlenbündel an der Grenzfläche ein erstes Mal Lichtbrechung erfährt,
- das Strahlenbündel (SB) am Umlenkelement (5) umgelenkt wird,
- das Strahlenbündel (SB) in einem zweiten Durchgang ein zweites Mal das Messprisma (6) und das Prozessmedium (PM) durchquert, wobei das Strahlenbündel an der
Grenzfläche ein zweites Mal Lichtbrechung erfährt, und
- das optische System (8) anschließend das Strahlenbündel (SB) auf die optische
Detektoreinheit (7) fokussiert.
4. Refraktometer nach zumindest einem der Ansprüchen 2 oder 3,
wobei die optische Detektoreinheit (7) eine Kamera (5) mit zumindest einer in einer Detektorebene angeordneten Pixelzeile (PZ) umfasst, deren Pixel entlang einer zu einer zur optischen Achse (z) und zur Neigungsachse (x) im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Zeilenrichtung (y) angeordnet sind,
und wobei die mehreren Lichtquellen (LZ,LD1 ,LD2) entlang einer Lichtquellenrichtung (y‘) versetzt angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Zeilenrichtung (y) ist.
5. Refraktometer nach Anspruch 4,
wobei eine der Lichtquellen (LZ;LD1 ;LD2) als eine zentral angeordnete Lichtquelle (LZ) ausgestaltet ist, die im Wesentlichen an einem gedachten Schnittpunkt (SP) einer zu der optischen Achse (z) entlang der Neigungsachse (x) parallel verschobenen Parallelachse (z‘) mit der Lichtquellenrichtung (y‘) angeordnet ist.
6. Refraktometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5 ,
wobei zumindest eine der Lichtquellen (LZ;LD1 ;LD2) als eine dezentral angeordnete Lichtquelle (LD1.LD2) ausgestaltet ist, die in der Lichtquellenrichtung (y‘) in Bezug auf einen gedachten Schnittpunkt (SP) einer zu der optischen Achse (z) entlang der
Neigungsachse (x) parallel verschobenen Parallelachse (z‘) mit der Lichtquellenrichtung (y‘) von dem Schnittpunkt (SP) in Lichtquellenrichtung mit einem Abstand (y1 ,y2) angeordnet ist.
7. Refraktometer nach Anspruch 6,
aufweisend zwei dezentral angeordnete Lichtquellen (LD1 .LD2),
wobei insbesondere ein erster Abstand (y1) zwischen der ersten dezentral angeordneten Lichtquelle (LD1 ) und dem gedachten Schnittpunkt (SP) mit einem zweiten Abstand (y2) zwischen der zweiten dezentral angeordneten Lichtquelle (LD2) und dem gedachten Schnittpunkt (SP) übereinstimmt, so dass die beiden dezentral angeordneten Lichtquellen WO 2020/200691 PCT/EP2020/056713
(LD1.LD2) um den gedachten Schnittpunkt (SP) in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch angeordnet sind.
8. Refraktometer nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 7,
wobei jede der Lichtquellen (LZ,LD1 ,LD2) auf der Detektorebene
zwei äußere Fokuspunkte (FP1 ,FP2), deren Position in Zeilenrichtung (y‘) abhängig von der Brechungsindex des Prozessmediums (PM) ist und einen zwischen den beiden Fokuspunkten (FP1 ,FP2) zentral angeordneten Fix- Fokuspunkt (FF), dessen Position in Zeilenrichtung (y‘) unabhängig von dem Brechungsindex des Prozessmediums (PM) ist, erzeugt,
und wobei die dezentralen Lichtquellen (LD1 ,LD2) derart angeordnet sind, insbesondere deren Abstand (y1 ; y2) so gewählt ist, dass
für alle dezentralen Lichtquellen (LD1 ;LD2) deren Fix-Fokuspunkt (FF) auf die Pixelzeile abbildbar ist und
- für alle dezentralen Lichtquellen (LD1 ;LD2) und alle Brechungsindizes des
Prozessmediums (PM) aus dem Messbereich des Refraktometers zumindest einer der äußeren Fokuspunkte der dezentralen Lichtquellen (LD1 ;LD2) auf die Pixelzeile abbildbar ist.
9. Refraktometer nach Anspruch 1 ,
wobei es sich um ein Grenzwinkel-Refraktometer handelt, das derart ausgestaltet ist, dass
eine erste der Lichtquellen (21) das Licht auf die mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas (6) unter einem ersten Winkelbereich (a1- a2) einstrahlt, - eine zweite der Lichtquellen (22) das Licht auf die mediumberührende Oberfläche
(OF) des Messprismas (6) unter einem zweiten Winkelbereich (ß1- ß2) einstrahlt, wobei der erste Wnkelbereich (a1 - a2) und der zweite Wnkelbereich (ß1- ß2) einen Überlapp aufweisen, insbesondere einen Überlapp von zumindest 5% der Spanne des ersten (cd - a2) Winkelbereichs und/oder zweiten Wnkelbereichs (ß1 - ß2),
und wobei alle Lichtquellen (21 ,22) die im Wesentlichen gleiche Fläche auf der mediumberührenden Oberfläche (OF) des Messprismas (6) ausleuchten.
10. Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Prozessmediums (PM) mit einem Refraktometer, insbesondere einem Refraktometer nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, aufweisend:
-mehrere, insb. zumindest zwei, Lichtquellen (21 ,22, LZ;LD1 ;LD2),
-eine optische Detektoreinheit (7),
- eine Regel-/Auswerteinheit (4) und
- ein Messprisma (6) mit einem vorgegebenen Brechungsindex, WO 2020/200691 PCT/EP2020/056713 wobei die Lichtquellen von der Regel-/Auswerteinheit (4) jeweils separat ansteuerbar sind und wobei das Refraktometer in verschiedenen Betriebsmodi (BM1 ,BM2;BM3) betreibbar ist,
und wobei das Refraktometer zeitlich aufeinanderfolgend in verschiedenen Betriebsmodi (BM1 ,BM2;BM3) betrieben wird, in denen
- jeweils von genau einer der mehreren Lichtquelle Licht ausgesandt und an eine durch eine mediumberührende Oberfläche (OF) des Messprismas (6) gebildete Grenzfläche zwischen Prozessmedium und Messprisma (6) eingestrahlt wird, das Licht an der Grenzfläche gebrochen und/oder reflektiert wird, wobei zumindest ein vom Brechungsindex des Prozessmediums (PM) abhängiges optisches Signal (OS) erzeugt wird,
das zumindest eine erzeugte optische Signal (OS) von der optischen Detektoreinheit (7) erfasst und an die Regel-/Auswerteinheit (4) übermittelt, wird, wobei das zu dem jeweiligen Betriebsmodus (BM1 ;BM2;BM3) gehörige optische Signal (OS) gespeichert wird,
und wobei von der Regel-/Auswerteinheit (4) anhand der Gesamtheit der gespeicherten optischen Signale (OS) aus allen Betriebsmodi (BM1 ,BM2;BM3) und anhand des vorgegebenen Brechungsindex des Messprismas (6) der Brechungsindex des
Prozessmediums (PM) bestimmt wird.
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