WO2022067361A1 - Verfahren und refraktometer zur bestimmung des grenzwinkels der totalreflexion in einer flüssigen probe - Google Patents

Verfahren und refraktometer zur bestimmung des grenzwinkels der totalreflexion in einer flüssigen probe Download PDF

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WO2022067361A1
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Peter Reiter
Gabriele Köpping
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Anton Paar Gmbh
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    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the critical angle of total reflection in a liquid sample according to the preamble of patent claim 1 and a refractometer for determining the critical angle of total reflection in a liquid sample according to the preamble of patent claim 9.
  • the field of the invention is the field of refractometry, in particular that of process refractometers. With the latter, the measuring prism is inserted into a process line, for example, and the refractive index of a sample flowing past is measured.
  • Refractometers known from the prior art work according to the principle of the critical angle of total reflection. As a rule, a light beam is reflected once at the interface between the prism and the sample. A relatively sharp light-dark boundary is then imaged at the detector. The position of this limit on the detector is a measure of the critical angle from which the refractive index of the sample is then subsequently calculated.
  • the disadvantage of the refractometers known from the prior art is that external influences such as temperature, pressure, vibrations, medium speed, etc. can cause the individual device components to shift and tilt relative to one another, so that the light-dark boundary on the detector is shifted can. The refractive index determined from this is falsified as a result.
  • the measuring beam is deflected within the refractometer in such a way that the measuring beam experiences at least two, in particular exactly two, medium contacts on the at least one measuring surface of the measuring prism, the second angular deviation of the respective partial beam in relation to the main beam during the second medium contact corresponds to the first of the respective partial beams reflected around the main ray when first touching the medium in relation to the angle of incidence of the main ray, so that a double Fresnel curve reflected around the angle of incidence of the main ray is displayed on the detector, and the position of the two Fresnel curves in relation to one another to determine the critical angle of the total internal reflection.
  • the measuring beam is a convergent or divergent bundle of rays and consists of partial beams.
  • Each partial beam Si falls at an angle of incidence with respect to the surface normal, onto the interface or measuring surface j a.
  • the main ray is that ray of the measuring beam whose angle of incidence on both boundary surfaces or measuring surfaces in contact with the medium is the same.
  • the angles of incidence of the partial rays Si are described by the deviation from
  • reflected about the principal ray is understood to mean that the respective angular deviation of a partial beam at the second medium contact has the same magnitude but the opposite sign as the angular deviation at the first medium contact.
  • the solution proposed according to the invention thus includes a convergent or divergent beam path of the measuring beam, in which two successive reflections occur on two measuring surfaces or two boundary surfaces between the measuring prism and the sample. As a result, the intensity at the detector decreases in relation to both small and large angles of incidence. Instead of a light-dark boundary creates a brightness plateau.
  • the respective partial beam is refracted at the first measuring surface or boundary surface measuring primate-sample and runs out of the measuring prism or into the sample again. Only part of the partial beam is reflected and is imaged on the detector. . From the limit angle there is a total reflection of the rays at the first measuring surface. The intensity of the partial beams incident at this angle in the prism is maximum and consequently also reaches the second measuring surface in contact with the medium.
  • the angle of the partial beam is mirrored to the main beam due to the arrangement of the boundary surface or measuring surface.
  • the system is designed in such a way that the angle of incidence in any case is greater than the critical angle, so the difference between these two angles is always positive.
  • Partial beams in which this amount is less than or equal to are totally reflected at both media contacts. If the intensity of the partial beams as a function of Angle of incidence imaged on a detector thus results in a plateau which is symmetrical to. The width of this plateau corresponds to twice the value of
  • the sensitivity of the refractometer is also doubled.
  • a change in the critical angle is duplicated and thus the width of the plateau changes by twice the value.
  • the course of intensity is imaged on a detector so that an association between angle differences of partial beams and distances on the detector takes place. This is done, for example, by calibrating the system using media with a known refractive index.
  • a simple evaluation of the method can be carried out if the position, in particular via the pixel position of the detector, of the partial beams of the measuring beam incident on the detector is assigned to the respective angle of the partial beam in the measuring surface, with the distance between the two intensity edges of the total reflection and/or the Flanks of the Fresnel curve is determined, and wherein the critical angle of total reflection is determined according to the formula.
  • the refractive index of the unknown medium is calculated from the determined critical angle of total reflection by means of the known refraction law according to Snellius with the aid of the known refractive index of the prism material. The following applies:
  • a simple structure can be provided if the measuring beam hits a reflecting surface after the first contact with the medium, in particular perpendicularly, so that the measuring beam is reflected back onto the measuring surface of the measuring prism and the measuring beam in the measuring surface of the first contact with the medium, in particular on the same Location of first media touch experiencing second media touch.
  • this training it is possible to use already known measuring prisms by For example, only the beam exit surface is followed by a mirror or the beam exit surface itself is mirrored. It is thus possible to carry out the method according to the invention in a particularly cost-effective manner analogous to existing refractometers with only one measuring surface in contact with the medium.
  • the measuring prism has two measuring surfaces that are spaced apart from one another, the first measuring surface and the second measuring surface being arranged in the measuring prima in such a way that the measuring beam has a first medium contact on the first measuring surface and a medium contact on the second measuring surface experiences a second medium contact.
  • the measuring beam is imaged onto the detector by telecentric optics.
  • Telecentric optics Due to the telecentric design of the imaging optics, the imaging on the detector becomes insensitive to displacement of optical components in the sense of an association between angle difference and distance. Telecentric optics can be implemented, for example, by lenses and/or mirror arrangements.
  • the detector can be in the form of a line or area detector, with each pixel of the detector being assigned an angle of the respective partial beam impinging on the detector, or with angular differences between partial beams being assigned to the distances between two pixels in each case.
  • the measuring prism has at least one beam entrance surface and one beam exit surface, the beam entrance surface (and/or the beam exit surface of the measuring prism being designed as a spherical or aspherical surface or that a collecting surface adjoining the beam entrance surface and/or the beam exit surface or negative lens is arranged.
  • the measuring beam can thus be formed as a divergent or convergent partial beam around the main beam and the focus of the beam can be formed or specified. Forming the beam exit and/or beam entry surfaces directly on the prism allows for a particularly simple and compact design.
  • the focal length of the camera optics ie the lens arranged in front of the detector
  • the focal length of the camera optics can be selected to be relatively large, as a result of which the entire arrangement can become unfavorably wide.
  • a more compact design of the system can be achieved if the entry and exit surfaces are inclined in relation to the main jet so that the main ray entering or leaving runs parallel to the axis of symmetry of the prism.
  • the beam entry surface and the beam exit surface are inclined by an angle of inclination to the axis of the measuring prism, with the angle of inclination in particular being selected such that a compact system can be achieved by narrowing the beam guidance of the illumination and/or imaging beam in relation to the Prism axis takes place.
  • the measuring beam no longer strikes the entry and/or exit surface perpendicularly, but at the angle of inclination, and the beam exit surface and the beam entry surface are preferably arranged mirrored to one another about the main axis of the prismatic body.
  • a further object of the invention is to provide a refractometer with which the method according to the invention can be carried out particularly easily and the measurement of the refractive index in a process refractometer is made possible in a simple manner.
  • Another object of the invention is to minimize measurement errors caused by external influences and to increase the measurement accuracy and the resolution at the detector.
  • the components of the refractometer are installed in a housing, with the at least one measuring surface that comes into contact with the medium being able to come into contact with the fluid to be examined.
  • the measuring prism is designed in such a way that the measuring beam is deflected within the refractometer in such a way that the measuring beam experiences at least two, in particular exactly two, medium contacts on the at least one measuring surface of the measuring prism, with the second angular deviation of the respective partial beam in relation to the main ray in the second medium contact corresponds to the first angular deviation of the respective partial ray reflected about the main ray in the first medium contact in relation to the angle of incidence of the main ray.
  • a preferred embodiment of the refractometer provides that a mirror is arranged in the measuring beam path after the first contact with the medium, or that the measuring prism has a reflective side surface, so that the measuring beam can be reflected back onto the measuring surface of the measuring prism in a mirrored manner and in this way the measuring beam path is in the measuring surface of the first medium contact experiences the second medium contact.
  • the measuring prism has two measuring surfaces, the first measuring surface and the second measuring surface being arranged in the measuring prima in such a way that the measuring beam has a first medium contact on the first measuring surface and a medium contact on the second measuring surface experiences a second medium contact.
  • the main beam hits the measuring surfaces with the same angle of incidence when it first and second touches the medium.
  • the detector is preferably designed as a line or area detector, with the pixels of the detector and/or their distances being assigned angles and/or angle differences of the partial beams impinging on the detector.
  • An alternative embodiment of the refractometer according to the invention is provided when the measuring prism has beam guide surfaces that lie opposite one another in relation to the axis of the measuring prism, with the beam guide surfaces being designed as measuring surfaces, so that the measuring beam with the sample to be measured is in each case in the measuring surfaces with the sample to be measured in can be touched.
  • a preferred embodiment of the measuring prism provides that the beam entry surface and the beam exit surface are inclined by an angle of inclination to the axis of the measuring prism, with the angle of inclination corresponding in particular to the entry angle of the measuring beam at the beam entry surface, and with the beam exit surface and the beam entry surface preferably being about the main axis of the prism body are mirrored to each other
  • a further preferred embodiment provides that the beam entry surface and/or the beam exit surface of the measuring prism are designed as a spherical or aspherical surface or that a converging or diverging lens is arranged adjacent to the beam entry surface and/or the beam exit surface.
  • a further preferred embodiment provides that the measuring beam is imaged onto the detector by telecentric optics.
  • the telecentric design of the imaging optics ensures that the image is displayed true to scale on the detector when components are displaced.
  • Telecentric optics can be implemented, for example, by lenses and/or mirror arrangements Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the refractometer according to the invention in a schematic view
  • Fig. 1a shows a detailed view of the prism according to Fig. 1,
  • Fig. 2 shows the course of intensity with a brightness plateau
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the refractometer according to the invention with telecentric optics
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of the refractometer according to the invention with sides of the prism designed as a mirror surface
  • FIG. 6 shows the fourth embodiment of the beam splitter refractometer according to the present invention.
  • a first schematically illustrated embodiment of the invention is shown.
  • the refractometer is designed to determine the critical angle of total reflection in a liquid sample and includes a light source 1 from which a measuring beam 8 is emitted.
  • the measuring beam 8 consists of a number of partial beams S1, S2, ... and a main beam 9.
  • the partial beams S1, S2, etc. are each tilted to the main beam 9 by an angular deflection, etc. (Fig. 1a).
  • Each partial beam Si falls under one Angle of incidence compared to the surface normal, on the boundary surfaces or measuring surface j. The angles of incidence of the partial rays are described by the deviation from
  • the measuring beam 8 emitted by the light source 1 is focused or preformed by components of the illumination optics 2, in this embodiment two lenses.
  • the focused measurement beam 8 enters a measurement prism 3 from the illumination optics 2 .
  • the measuring prism 3 has a prism angle in which two measuring surfaces 31 a, 31 b are spaced apart and inclined to each other.
  • the measuring prism 3 borders the sample to be measured with the first measuring surface 31a and the second measuring surface 31b.
  • the measuring beam 8 experiences a first at the first measuring surface 31a Medium contact and on the second measuring surface 31b a second medium contact is thus at least partially reflected on the measuring surfaces 31a, 31b.
  • the respective partial beam S1, S2, ... or Si at the first Measuring surface 31a or the boundary between the measuring prism and the sample is broken and runs out of the measuring prism 3 or into the sample again. Only part of the partial beam S1, S2, ... or Si is reflected and can be imaged on the detector 4. From the critical angle, there is total reflection of the partial beams S1, S2, . . . or Si at the first measuring surface 31a.
  • the angle of the partial beams S1, S2, . . . or Si to the main beam 9 is reflected by the arrangement of the boundary surface. A part of the partial beams S1, S2, . . Angle in and vice versa, with the intensity of at now large Angles incident partial beams S1, S2, ... or Si is already reduced by the media contact at the first media-touching measuring surface 31 a.
  • the measuring beam 8 or the portion of the measuring beam 8 that has not entered the sample is then directed to a detector 4 via imaging optics 5 .
  • the detector 4 forms a double around the angle of incidence of the main beam 9 reflected Fresnel curve (see Fig. 2).
  • the intensity edges or the Fresnel curve is then used to determine the critical angle of total reflection used.
  • the refractive index of the sample can be determined using Snell's law of refraction. It applies On the basis of this, further properties of the medium, such as the concentration present in the medium, can be determined if the relationships are known.
  • the solution proposed according to the invention thus includes a convergent and/or divergent beam path of the measuring beam 8, in which two successive reflections occur on two measuring surfaces 31a, 31b or two boundary surfaces between the measuring prism 3 and the sample. This leads to the intensity at the detector 4 dropping both at small and at large angles of incidence. Instead of a light-dark boundary known from the prior art, a brightness plateau is created.
  • the intensity is low. From the limit angle there is a total reflection on the first measuring surface 31a and consequently also on the second measuring surface 31b. The maximum intensity is then measured at the detector 4 . With an even larger angle of incidence on the first measuring surface 31a the angles become so small due to the inversion at the second measuring surface 31b that refraction into the sample takes place there again and the intensity of the respective partial beam S1, S2, . . . decreases.
  • the width of the resulting plateau is a measure of the critical angle and thus of the refractive index. If the components of the refractometer are shifted or tilted, for example due to external influences such as pressure, temperature, vibrations, medium speed, etc., the position of the plateau shifts, but the width remains the same.
  • the roof angle of the measuring prism 3 is twice as large as the angle of incidence OE of the chief ray:
  • the sensitivity of the refractometer is doubled: a change in the critical angle on the first measuring surface or edge is duplicated on the second measuring surface or second edge. This changes the width of the plateau by twice the value.
  • a second embodiment of the invention is shown schematically.
  • the refractometer shown in FIG. 3 is similar to the refractometer shown in FIG. 1, the imaging optics 5 being designed as telecentric optics.
  • the effect of the mechanical displacement caused, for example, by thermal expansion of the mechanical components on the magnification can be achieved by means of a telecentric trained imaging optics 5 are reduced. This means that a shift in the distance between the aperture and the imaging optics 5 or between the imaging optics 5 and the detector 4 has no effect on the measured value.
  • the image is true to scale, as is usual with telecentric optics.
  • the measurement prism 3 comprises a beam entry surface 35 at which the measurement beam 8 enters the measurement prism 3 and a beam exit surface 36 at which the measurement beam 8 exits from the measurement prima 3 .
  • the beam entry surface 35 and/or the beam exit surface 36 can optionally be inclined at an angle of inclination to the axis of the measuring prism 3 .
  • the angle of inclination of the beam entry surface 35 can, as shown for example in FIG. 3, be designed such that the main beam 9 strikes the beam entry surface 35 perpendicularly.
  • the angle of inclination of the beam exit surface 36 can also be perpendicular to the main beam 9 of the measuring beam 8 .
  • the beam exit surface 36 and the beam entry surface 35 are preferably arranged mirrored to one another about the main axis of the prismatic body.
  • the beam entry surface 35 and/or the beam exit surface 36 can also be inclined to the measurement beam 8 entering or exiting the measurement prism 3, so that the measurement beam 8 when passing through the beam entry surface 35 and/or beam exit surface 36 is broken.
  • the angle can preferably be selected in such a way that the main ray 9 entering or exiting runs parallel to the axis of symmetry of the prism. This enables a more compact design of the refractometer.
  • the beam entry surface 35 and/or the beam exit surface 36 of the measuring prism 3 can be designed as a spherical or aspherical surface or a converging or diverging lens adjoining the beam entry surface 35 and/or the beam exit surface 36 can be provided.
  • the measuring prism 3 of the embodiments of FIGS. 1 to 4 has a flattened, truncated tip. For example, the space requirement and cleaning effort can be reduced.
  • the prism is inserted into the housing of the refractometer in such a way that the at least one measuring surface 31 in contact with the medium is immersed in the sample to be examined or can be wetted with it.
  • the other components of the refractometer are enclosed in the housing in a fluid-tight manner against the sample.
  • the arrangement can be installed in fluid-carrying process lines, eg by means of standard flanges.
  • FIG. 3 A third embodiment of the refractometer according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the measuring prism 3 has two beam guide surfaces 33a, 33b, which are arranged mirrored about the axis of the measuring prism 3 and deflect the measuring beam 8 within the measuring prism 3.
  • the measuring beam 8 enters the measuring prism 3 at the beam entry surface 35 and is then deflected onto the measuring surface 31 by the first beam guiding surface 33a.
  • the measuring beam 8 then experiences the first contact with the medium at the measuring surface 31 .
  • the measuring beam 8 is then deflected onto the second beam guiding surface 33b. From this, the measuring beam 8 is then directed onto a reflecting surface, for example onto the reflecting beam exit surface 36 as shown in FIG.
  • the measuring beam 8 is then guided again via the second beam guiding surface 33b onto the measuring surface 31 and experiences the second contact with the medium there.
  • the angle of incidence is of the main ray 9 reflected in itself, the angle of the angle of incidence of the main beam 9 deviating sub-beams S1, S2, ... or Si with angle of incidence meet at the second medium contact with an angle of incidence on the measuring surface 31 .
  • the measuring beam 8 exits the measuring prima 3 deflected via the first beam guiding surface 33a at the beam entry surface 35 .
  • the measuring beam 8 then impinges on the detector 4 and is evaluated.
  • the measuring prism 3 can be designed similarly to the measuring prisms known from the prior art, the beam exit surface 36 only being mirrored in comparison to the prisms known from the prior art.
  • FIG. 6 shows the overall view of the fourth embodiment of the refractometer according to the invention according to the beam path in the measuring prism 3 of FIG.
  • the measuring beam 8 is guided by the illumination optics 2 and mirror 13 via a beam splitter 12 onto the entry surface 35 of the measuring prism 3.
  • the measuring beam 8 is reflected on the reflective beam exit surface 36 so that the main beam 9 in falls back on itself, the angles of incidence of the partial beams Si on the measuring surface 31 are in relation to the angle of incidence for the second medium contact of the first medium contact with respect to the main beam 9 inverted.
  • the bundle of rays of the measuring beam 8 falls again onto the beam splitter 12 and is imaged onto the detector 4 with the imaging optics 5 .
  • This embodiment makes it possible to provide a very compact design for the refractometer.
  • another surface of the measuring prism 3 can also be reflective and in this way the measuring beam 8 can be reflected back into the measuring surface 31.
  • a mirror can also be arranged downstream of the measuring prism 3 after the beam exit surface 36 and the measuring beam 8 can thus be reflected back into the measuring prism 3 and onto the measuring surface 31 .
  • the detector 4 is preferably designed as a line or area detector in refractometers according to the invention.
  • Each pixel or each position of the detector 4 is assigned an angle of the partial beam impinging on the detector 4 or an angular difference between individual partial beams S1, S2, . . . of the measuring beam 8.
  • the assignment of the pixels or the position on the detector 4 to the angles can also take place, for example, by calibration with various known refractive indices or by means of an optical simulation, for example inverse ray tracing.
  • the position of the partial beams S1, S2, . . . impinging on the detector 4 is always assigned.
  • the measurement beam 8 or the intensity edges can be evaluated, for example, as described below: The position of the edge of the intensity curve or the critical angle of the total reflection is determined and the refractive index is then determined from the position of this angle. If one now evaluates the two reflected edges of the intensity curve imaged on detector 4, the center of the plateau of the intensity maximum is at the angle of incidence OE of the main ray 9 or, at the design angle of the measuring prism 3.
  • the falling edges of the intensity curve are each at a distance x from one another (Fig. 3).
  • the distance x between the two edges of the intensity profile corresponds to The following applies to the distance x between the two flanks of the intensity profile:
  • the measuring prism 3 is designed in such a way that the partial beams with angles of incidence that deviate from the main beam 9 of the measuring beam 8 when they come into contact with the medium a second time are incident in such a way that they previously had a larger angle to the main beam 9 lying sub-beams Si, now at a smaller angle incident to the main beam 9 and vice versa.
  • the amount of deviation of the i-th partial beam from the main beam 9 remains the same This results in an intensity distribution with two flanks.
  • the prism angle of the measuring prism 3 is the angle of the beam guide surfaces 33 of the measuring prism 3 to one another.
  • the measurable critical angle of total reflection and thus the measurable refractive indices are defined.
  • the design angle or angle of incidence of the main beam on the measuring surfaces 31 a must be greater than the critical angle of total reflection.
  • the inversion at the second measuring surface 31b applies to all partial beams where the amount is greater than is that in the case of a reflection on a surface in contact with the medium, part of the intensity is lost through refraction in the medium.
  • this is determined for the optical design of the system.
  • the angle of incidence of the main beam 9 on the surfaces in contact with the medium should therefore be approximately 52° or more.
  • the angle between the two surfaces in contact with the medium i.e. the measuring surface 31 or the first measuring surface 31 a and the second measuring surface 31 b, of the embodiments shown in Fig. 1 to 4 is in particular twice as large as the angle of incidence of the main ray 9.
  • the detector 4 can also be arranged immediately downstream of the measuring prism 3 and no imaging optics 5 can be present.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion in einer flüssigen Probe - wobei von einer Lichtquelle (1) ein Messstrahl (8) mit einer Anzahl von jeweils um eine erste Winkelabweichung (Δα11, Δα21,...) in Bezug auf den Hauptstrahl (9) abweichenden Teilstrahlen (S1, S2,...) abgestrahlt wird, - wobei der Messstrahl (8) über eine Beleuchtungsoptik (2) in ein Messprisma (3) mit einem Auslegungswinkel (αA) abgestrahlt wird, - wobei das Messprisma (3) zumindest eine Messfläche (31) aufweist an der der Messstrahl (8) und/oder der Hauptstrahl (9) unter einem Einfallswinkel (αe) mit der zu vermessenden Probe in Kontakt gebracht wird und eine Mediumsberührung erfährt, - und wobei der Messstrahl (8) nach der Mediumsberührung auf einen Detektor (4) abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (8) derart innerhalb des Refraktometers abgelenkt wird, dass der Messstrahl (8) zumindest zwei, insbesondere genau zwei, Mediumsberührungen an der zumindest einen Messfläche (31) des Messprismas (3) erfährt, wobei die zweite Winkelabweichung (Δα12, Δα22,...) des jeweiligen Teilstrahls (S1, S2,...) in Bezug auf den Hauptstrahl (9) bei der zweiten Mediumsberührung der um den Hauptstrahl (9) gespiegelten ersten Winkelabweichung (Δα11, Δα12,...) des jeweiligen Teilstrahls (S1, S2,..) bei der ersten Mediumsberührung in Bezug auf den Einfallswinkel (αe) des Hauptstrahls (9) entspricht, sodass sich am Detektor (4) eine doppelte um den Einfallswinkel (αe) des Hauptstrahls (9) gespiegelte Fresnelkurve abbildet, und wobei die Intensitätskanten der Fresnelkurve zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion (αkrit) herangezogen werden.

Description

VERFAHREN UND REFRAKTOMETER ZUR BESTIMMUNG DES GRENZWINKELS DER TOTALREFLEXION IN EINER FLÜSSIGEN PROBE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion in einer flüssigen Probe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Refraktometer zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion in einer flüssigen Probe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Gebiet der Erfindung ist das Gebiet der Refraktometrie, insbesondere das der Prozessrefraktometer. Bei Letzteren wird das Messprisma beispielsweise in eine Prozessleitung eingeführt und der Brechungsindex einer vorbeifließenden Probe gemessen.
Aus dem Stand der Technik bekannte Refraktometer arbeiten nach dem Prinzip des Grenzwinkels der Totalreflexion. Dabei findet in der Regel eine einmalige Reflexion eines Lichtstrahls an der Grenzfläche zwischen Prisma und Probe statt. Am Detektor wird dann eine relativ scharfe Hell-Dunkel-Grenze abgebildet. Die Lage dieser Grenze am Detektor ist ein Maß für den Grenzwinkel aus dem dann in weiterer Folge der Brechungsindex der Probe berechnet wird. Nachteil, der aus dem Stand der Technik bekannten Refraktometer ist, dass es durch äußere Einflüsse, wie Temperatur, Druck, Vibrationen, Mediengeschwindigkeit etc. zu Verschiebungen und Verkippungen der einzelnen Gerätekomponenten zueinander kommen kann, sodass die Hell-Dunkel-Grenze am Detektor verschoben werden kann. Der daraus ermittelte Brechungsindex wird dadurch verfälscht. Zur Vermeidung dieses Messfehlers wird in Laborrefraktometern meist das gesamte Instrument temperiert, sodass Temperatureinflüsse weitgehend ausgeschlossen werden. Hingegen ist bei Prozessrefraktometern keine Temperierung auf so einfache Art möglich, sodass eine Messwertverfälschung oft nicht vermieden werden kann. Im Stand der Technik wird beispielsweise in der DE 19855218 A1 ein System vorgeschlagen, das besonders steif ausgelegt ist, sodass es zu keinen nennenswerten Verschiebungen und Verkippungen kommen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Messung des Brechungsindex in einem Prozessrefraktometer zu ermöglichen, welche unempfindlich gegen Verschiebungen von Bauteilen aufgrund von Umgebungseinflüssen ist. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit bzw. die Auflösung am Detektor zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass der Messstrahl derart innerhalb des Refraktometers abgelenkt wird, dass der Messstrahl zumindest zwei, insbesondere genau zwei, Mediumsberührungen an der zumindest einen Messfläche des Messprismas erfährt, wobei die zweite Winkelabweichung des jeweiligen Teilstrahl in Bezug auf den Hauptstrahl bei der zweiten Mediumsberührung der um den Hauptstrahl gespiegelten ersten des jeweiligen Teilstrahls bei der ersten Mediumsberührung in Bezug auf den Einfallswinkel des Hauptstrahls entspricht, sodass sich am Detektor eine doppelte um den Einfallswinkel des Hauptstrahls gespiegelte Fresnelkurve abbildet, und wobei die die Lage der beiden Fresnelkurven zueinander zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion herangezogen werden.
Wenn ein Messstrahl in einem Refraktometer auf die medienberührte Grenzfläche bzw Messfläche trifft wird ein Teil des Messstrahls reflektiert und - abhängig vom Einfallswinkel des Teilstrahls auf die Messsfläche - ein Teil in das Medium gebrochen. Das Intensitätsverhältnis zwischen diesen beiden Teilstrahlen wird durch die Fresnel'schen Gleichungen beschrieben. Die Darstellung der relativen Intensität des reflektierten Messstrahls gegenüber dem Einfallswinkel wird im Folgenden als Fresnelkurve bezeichnet.
Der Messstrahl ist bei erfindungsgemäßen Verfahren und Refraktometern ein konvergentes oder divergentes Strahlenbündel und besteht aus Teilstrahlen. Jeder Teilstrahl Si fällt unter einem Einfallswinkel gegenüber der Flächennormalen, auf die Grenzfläche bzw.
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Messfläche j ein.
Als Hauptstrahl wird im Folgenden jener Strahl des Messstrahls bezeichnet, dessen Einfallwinkel auf beide medienberührten Grenzflächen bzw. Messflächen derselbe ist. Die Einfallswinkel der Teilstrahlen Si werden durch die Abweichung zu beschrieben,
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Unter gespiegelt um den Hauptstrahl wird im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, dass die jeweilige Winkelabweichung
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eines Teilstrahls bei der zweiten Mediumsberührung denselben Betrag aber das umgekehrte Vorzeichen als die Winkelabweichung bei der ersten Medienberührung aufweist. Es gibt also
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Die erfinderisch vorgeschlagene Lösung umfasst somit einen konvergenten oder divergenten Strahlenverlauf des Messstrahls, bei dem es an zwei Messflächen bzw. zwei Grenzflächen zwischen dem Messprisma und der Probe zu zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen kommt. Dies führt dazu, dass die Intensität am Detektor sowohl bei kleinen als auch bei großen Einfallswinkeln bezogen auf absinkt. Statt einer Hell-Dunkel-Grenze
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entsteht ein Helligkeitsplateau.
Dieser Effekt erklärt sich wie folgt:
Geht Licht von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium über, erfolgt an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien eine Brechung, die durch den unterschiedlichen Brechungsindex n der Medien bestimmt wird. Für die Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Medien mit dem Brechungsindex n1 und n2 gilt das Snelliussche Brechungsgesetz
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Bei kleinen Einfallswinkeln wird der jeweilige Teilstrahl an der ersten Messfläche bzw. Grenzfläche Messprima-Probe gebrochen und verläuft wieder aus dem Messprisma hinaus bzw. in die Probe hinein. Nur ein Teil das Teilstrahls wird reflektiert und wird auf den Detektor abgebildet. . Ab dem Grenzwinkel
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kommt es zur Totalreflexion der Strahlen an der ersten Messfläche. Die Intensität der unter diesem Winkel einfallenden Teilstrahlen im Prisma ist maximal und gelangt in der Folge auch an die zweiten medienberührende Messfläche. Hier wird durch die Anordnung der Grenzfläche bzw. Messfläche der Winkel des Teilstrahls zum Hauptstrahl gespiegelt. Nunmehr fällt ein Teil der ursprünglich unter großen Winkel einfallenden Teilstrahlen unter kleinem Winkel ein
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und umgekehrt, wobei die Intensität der nunmehr unter großen Winkeln einfallenden Teilstrahlen bereits durch den Reflex bei der ersten Medienberührung reduziert ist.
Das System ist so ausgelegt das der Einfallswinkel
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jedenfalls größer ist als der kritische Winkel, sodass die Differenz
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zwischen diesen beiden Winkeln immer positiv ist.
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Es gilt für alle Teilstrahlen Si, bei denen der Betrag von
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größer als ist, dass bei
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einem Reflex an einer medienberührten Fläche ein Teil der Intensität des Messtrahls durch Brechung in das Medium verloren geht.
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Teilstrahlen bei welchen dieser Betrag kleiner oder gleich
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ist werden bei beiden Medienberührungen total reflektiert. Wird die Intensität der Teilstrahlen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel auf einem Detektor abgebildet ergibt sich somit ein Plateau, welches symmetrisch zu ist. Die Breite dieses Plateaus entsprich dem doppelten Wert von
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Infolge der doppelten Reflexion erzielt man auch die doppelte Empfindlichkeit des Refraktometers. Eine Änderung des Grenzwinkels
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dupliziert sich und damit ändert sich die Breite des Plateaus um den doppelten Wert.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche näher definiert:
Zur Auswertung wird der Intensitätsverlauf auf einem Detektor abgebildet so dass eine Zuordnung zwischen Winkeldifferenzen von Teilstrahlen und Abständen auf dem Detektor erfolgt. Dies erfolgt beispielsweise durch Kalibration des Systems mit Medien mit bekanntem Brechungsindex.
Eine einfache Auswertung des Verfahrens kann erfolgen, wenn die Position, insbesondere über die Pixelposition des Detektors, der auf den Detektor einfallenden Teilstrahlen des Messstrahls dem jeweiligen Winkel des Teilstrahls in der Messfläche zugeordnet wird, wobei der Abstand der zwei Intensitätskanten der Totalreflexion und/oder die Flanken der Fresnelkurve bestimmt wird, und wobei der Grenzwinkel der Totalreflexion gemäß der Formel bestimmt wird.
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Aus dem ermittelten Grenzwinkel der Totalreflexion wird mittels dem bekannten Brechungsgesetz nach Snellius unter Zuhilfenahme des bekannten Brechungsindex des Prismenmaterials der Brechungsindex des unbekannten Mediums berechnet. Es gilt:
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Ausgehend davon können bei bekannten Zusammenhängen weitere Eigenschaften des Mediums, wie zB einzelne Konzentrationen innerhalb des Mediums, bestimmt werden.
Ein einfacher Aufbau kann bereitgestellt werden, wenn der Messstrahl nach der ersten Mediumsberührung, insbesondere senkrecht, auf eine spiegelnde Fläche auftrifft, sodass der Messstrahl gespiegelt auf die Messfläche des Messprismas zurück geworfen wird und derart der Messstrahl in der Messfläche der ersten Mediumsberührung, insbesondere an demselben Ort der ersten Mediumsberührung, die zweite Mediumsberührung erfährt. Durch diese Ausbildung ist es möglich bereits bekannte Messprismen zu verwenden, indem beispielsweise lediglich der Strahlaustrittsfläche ein Spiegel nachgeordnet wird oder die Strahlaustrittsfläche selbst verspiegelt wird. So ist es möglich das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig analog zu bestehenden Refraktometern mit nur einer medienberührten Messfläche auszuführen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bereitgestellt werden, wenn das Messprisma zwei voneinander beabstandete Messflächen aufweist, wobei die erste Messfläche und die zweite Messfläche derart in dem Messprima angeordnet sind, dass der Messstrahl an der ersten Messfläche eine erste Mediumsberührung und an der zweiten Messfläche eine zweite Mediumsberührung erfährt.
Um das erfindungsgemäße Verfahren weiter zu verbessern , kann vorgesehen sein, dass der Messstrahl durch eine telezentrische Optik auf den Detektor abgebildet wird.
Durch die telezentrische Ausführung der Abbildungsoptik wird erreicht, dass die Abbildung, im Sinne einer Zuordnung zwischen Winkeldifferenz und Abstand, am Detektor unempfindlich gegen Verschiebung optischer Komponenten wird. Telezentrische Optiken können beispielsweise durch Linsen und/oder Spiegelanordnungen realisiert werden.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Detektor als Zeilen- oder Flächendetektor ausgebildet ist, wobei jedem Pixel des Detektors ein Winkel des jeweils auf den Detektor auftreffenden Teilstrahls zugeordnet ist oder wobei den Abständen zwischen jeweils zwei Pixeln Winkeldifferenzen zwischen Teilstrahlen zugeordnet sind.
Erfindungsgemäß kann optional vorgesehen sein, dass das Messprisma zumindest eine Strahleintrittsfläche und eine Strahlaustrittsfläche aufweist, wobei die Strahleintrittsfläche (und/oder die Strahlaustrittsfläche des Messprismas als sphärische oder asphärische Fläche ausgebildet sind oder dass, eine an die Strahleintrittsfläche und/oder die Strahlaustrittsfläche angrenzende Sammel- oder Zerstreuungslinse angeordnet ist.
Damit kann der Messstrahl als divergenter oder konvergenter Teilstrahl um den Hauptstrahl geformt werden und der Fokus des Strahlenbündels geformt bzw. vorgegeben werden. Die Ausbildung der Strahlaustritts- und/oder Strahleintrittsflächen direkt am Prisma erlaubt eine besonders einfache und kompakte Ausführung.
Um eine hohe Auflösung zu erzielen kann die Brennweite der Kameraoptik, also der vor dem Detektor angeordneten Linse, relativ groß gewählt werden, wodurch die gesamte Anordnung ungünstig breit werden kann. Eine kompaktere Ausführung des Systems kann erzielt werden, wenn die Ein- und Austrittsfläche gegenüber dem Hauptstrahl geneigt werden, so dass an der ein- bzw. ausfallende Hauptstrahl jeweils parallel zur Symmetrieachse des Prismas verläuft. Erfindungsgemäß kann daher vorgesehen sein, dass die Strahleintrittsfläche und die Strahlaustrittsfläche zur Achse des Messprismas um einen Neigungswinkel geneigt sind, wobei insbesondere der Neigungswinkel so gewählt wird, dass ein kompaktes System durch eine Verengung der Strahlführung von Beleuchtungs- und/oder Abbildungsstrahl in Bezug auf die Prismenachse erfolgt. Der Messstrahl fällt nicht mehr senkrecht auf die Ein- und/oder Austrittsfläche, sondern unter dem Neigungswinkel, und wobei bevorzugt die Strahlaustrittsfläche und die Strahleintrittsfläche um die Hauptachse des Prismenkörpers gespiegelt zueinander angeordnet sind.
Es ist weiters Aufgabe der Erfindung, ein Refraktometer zu schaffen, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach durchgeführt werden kann und die Messung des Brechungsindex in einem Prozessrefraktometer einfach ermöglicht wird. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, durch äußere Einflüsse bedingte Messfehler zu minimieren und die Messgenauigkeit bzw. die Auflösung am Detektor zu erhöhen.
Dazu werden die Komponenten des Refraktometers in einem Gehäuse eingebaut, wobei die zumindest eine medienberührte Messfläche mit dem zu untersuchenden Fluid in Kontakt treten kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Messprisma derart ausgebildet ist, dass der Messstrahl derart innerhalb des Refraktometers so abgelenkt wird, dass der Messstrahl zumindest zwei, insbesondere genau zwei, Mediumsberührungen an der zumindest einen Messfläche des Messprismas erfährt, wobei die zweite Winkelabweichung des jeweiligen Teilstrahls in Bezug auf den Hauptstrahl bei der zweiten Mediumsberührung der um den Hauptstrahl gespiegelten ersten Winkelabweichung des jeweiligen Teilstrahls bei der ersten Mediumsberührung in Bezug auf den Einfallswinkel des Hauptstrahls entspricht.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Refraktometers sieht vor, dass im Messstrahlengang nach der ersten Mediumsberührung ein Spiegel angeordnet ist oder, dass das Messprisma eine reflektierende Seitenfläche aufweist, sodass der Messstrahl gespiegelt auf die Messfläche des Messprismas zurückwerfbar ist und derart der Messstrahlengang in der Messfläche der ersten Mediumsberührung die zweite Mediumsberührung erfährt. Analog zum erfindungsgemäßen Verfahren ist für ein erfindungsgemäßes Refraktometer bevorzugt vorgesehen, dass das Messprisma zwei Messflächen aufweist, wobei die erste Messfläche und die zweite Messfläche derart in dem Messprima angeordnet sind, dass der Messstrahl an der ersten Messfläche eine erste Mediumsberührung und an der zweiten Messfläche eine zweite Mediumsberührung erfährt. Der Hauptstrahl trifft bei der ersten und bei der zweiten Mediumsberührung mit dem gleichen Einfallswinkel auf die Messflächen.
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Bevorzugt ist der der Detektor als Zeilen- oder Flächendetektor ausgebildet, wobei den Pixeln des Detektors und/oder deren Abständen jeweils Winkel und/oder Winkeldifferenzen der auf den Detektor auftreffenden Teilstrahlen zugeordnet sind.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers wird bereitgestellt, wenn das Messprisma in Bezug auf die Achse des Messprismas einander gegenüberliegende Strahlleitflächen aufweist, wobei die Strahlleitflächen als Messflächen ausgebildet sind, sodass der Messstrahl mit der zu vermessenden Probe jeweils in den Messflächen mit der zu vermessenden Probe in Berührung bringbar sind.
Eine bevorzugte Ausbildung des Messprismas sieht vor, dass, die Strahleintrittsfläche und die Strahlaustrittsfläche zur Achse des Messprismas um einen Neigungswinkel geneigt sind, wobei insbesondere der Neigungswinkel dem Eintrittswinkel des Messstrahls an der Strahleintrittsfläche entspricht und wobei bevorzugt die Strahlaustrittsfläche und die Strahleintrittsfläche um die Hauptachse des Prismenkörpers gespiegelt zueinander angeordnet sind
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Strahleintrittsfläche und/oder die Strahlaustrittsfläche des Messprismas als sphärische oder asphärische Fläche ausgebildet sind oder dass eine an die Strahleintrittsfläche und/oder die Strahlaustrittsfläche angrenzende Sammel- oder Zerstreuungslinse angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Messstrahl durch eine telezentrische Optik auf den Detektor abgebildet wird. Durch die telezentrische Ausführung der Abbildungsoptik wird erreicht, dass die Abbildung bei Verschiebungen von Komponenten maßstabsgetreu am Detektor abgebildet wird. Telezentrische Optiken können beispielsweise durch Linsen und/oder Spiegelanordnungen realisiert werden Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften, aber nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers in einer schematischen Ansicht,
Fig. 1 a zeigt eine Detailansicht des Prismas gemäß Fig. 1 ,
Fig. 2 zeigt den Intensitätsverlauf mit einem Helligkeitsplateau,
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers mit telezentrischer Optik,
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers,
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers mit als Spiegelfläche ausgebildeten Seiten des Prismas, und
Fig. 6 zeigt die vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers mit Strahlteiler.
In Fig. 1 ist eine erste schematisch dargestellte Ausführungsform der Erfindung abgebildet. Das Refraktometer ist zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion in einer flüssigen Probe ausgebildet und umfasst eine Lichtquelle 1 von der ein Messstrahl 8 abgestrahlt wird. Der Messstrahl 8 besteht aus einer Anzahl von Teilstrahlen S1 , S2, ... und einem Hauptstrahl 9. Die Teilstrahlen S1 , S2 usw. sind jeweils zum Hauptstrahl 9 um eine Winkelablenkung usw. (Fig. 1 a) gekippt. Jeder Teilstrahl Si fällt unter einem
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Einfallswinkel gegenüber der Flächennormalen, auf die Grenzflächen bzw Messfläche j ein. Die Einfallswinkel der Teilstrahlen werden durch die Abweichung zu beschrieben,
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Der von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte Messstrahl 8 wird durch Komponenten der Beleuchtungsoptik 2, bei dieser Ausführungsform zwei Linsen, fokussiert bzw. vorgeformt. Von der Beleuchtungsoptik 2 tritt der fokussierte Messstrahl 8 in ein Messprisma 3 ein. Das Messprisma 3 weist einen Prismenwinkel auf, in dem zwei Messflächen 31 a, 31 b
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voneinander beabstandet und zueinander geneigt sind. Das Messprisma 3 grenzt mit der ersten Messfläche 31 a und der zweiten Messfläche 31 b jeweils an die zu vermessende Probe. Der Messstrahl 8 erfährt an der ersten Messfläche 31 a eine erste Mediumsberührung und an der zweiten Messfläche 31 b eine zweite Mediumsberührung, wird also an den Messflächen 31 a, 31 b zumindest teilweise reflektiert.
Bei kleinen Einfallswinkeln wird der jeweilige Teilstrahl S1 , S2, ... bzw. Si an der ersten
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Messfläche 31 a bzw. Grenzfläche Messprima-Probe gebrochen und verläuft wieder aus dem Messprisma 3 hinaus bzw. in die Probe hinein. Nur ein Teil des Teilstrahls S1 , S2, ... bzw. Si wird reflektiert und kann auf den Detektor 4 abgebildet werden. Ab dem Grenzwinkel kommt es zur Totalreflexion der Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si an der ersten Messfläche 31 a. Die Intensität der unter diesem Winkel einfallenden Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si im Messprisma 3 ist maximal und gelangt in der Folge auch an die zweiten medienberührende Messfläche 31 b. Hier wird durch die Anordnung der Grenzfläche der Winkel der Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si zum Hauptstrahl 9 gespiegelt. Nunmehr fällt ein Teil der ursprünglich unter großen Winkel einfallenden Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si unter kleinem
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Winkel ein und umgekehrt, wobei die Intensität von bei nunmehr großen
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Winkeln einfallenden Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si bereits durch die Medienberührung bei der ersten medienberührenden Messfläche 31 a reduziert ist.
Es gilt für alle Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si, bei denen der Betrag der Abweichung
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vom Einfallswinkel des Hauptstrahls 9 größer als der Grenzwinkel
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ist, dass beim
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Auftreffen auf eine der Messflächen 31 a, 31 b ein Teil der Intensität durch Brechung in das Medium bzw die Probe verloren geht. Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si bei welchen dieser Betrag kleiner oder gleich
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ist werden bei beiden Mediumsberührungen total reflektiert. Wird die Intensität der Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si in Abhängigkeit vom Einfallswinkel
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auf einem Detektor 4 abgebildet ergibt sich somit ein Plateau der Intensität, welches symmetrisch zu ist, bzw ergibt sich eine doppelte um den Einfallswinkel des Hauptstrahls gespiegelte Fresnelkurve. Die Breite dieses Plateaus entspricht dem doppelten Wert
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Beim Austritt aus dem Messprisma 3 wird sodann der Messstrahl 8 bzw. der nicht in die Probe eingetretene Anteil des Messstrahls 8 über eine Abbildungsoptik 5 auf einen Detektor 4 geleitet. Am Detektor 4 bildet sich dann eine doppelte um den Einfallswinkel
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des Hauptstrahls 9 gespiegelte Fresnelkurve ab (siehe Fig. 2). Die Intensitätskanten bzw. die Fresnelkurve wird dann zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion
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herangezogen. In weitere Folge dann der Brechungsindex der Probe anhand des snelliusschen Brechungsgesetzes bestimmt werden. Es gilt
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Ausgehend davon können bei bekannten Zusammenhängen weitere Eigenschaften des Mediums, wie zb in dem Medium vorliegende Konzentration, bestimmt werden.
Die erfinderisch vorgeschlagene Lösung umfasst somit einen konvergenten und/oder divergenten Strahlenverlauf des Messstrahls 8, bei dem es an zwei Messflächen 31 a, 31 b bzw zwei Grenzflächen zwischen dem Messprisma 3 und der Probe zu zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen kommt. Dies führt dazu, dass die Intensität am Detektor 4 sowohl bei kleinen als auch bei großen Einfallswinkeln absinkt. Statt einer aus dem Stand der Technik bekannten Hell-Dunkel-Grenze entsteht ein Helligkeitsplateau.
Dieser Effekt erklärt sich wie folgt:
Bei kleinem Einfallswinkel wird der jeweilige Teilstrahl S1 , S2, ... an der ersten Messfläche 31 a bzw. Grenzfläche Messprima-Probe gebrochen und zumindest ein Teil des Messstrahls 8 verläuft wieder aus dem Messprisma 3 hinaus bzw. in die Probe hinein. Am Detektor 4 ist die Intensität gering. Ab dem Grenzwinkel
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kommt es zu einer Totalreflexion an der ersten Messfläche 31 a und in der Folge auch an der zweiten Messfläche 31 b. Am Detektor 4 wird sodann die maximale Intensität gemessen. Bei noch größerem Einfallswinkel auf die erste Messfläche 31 a
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werden die Winkel durch die Invertierung an der zweiten Messfläche 31 b so klein, dass er dort wieder eine Brechung in die Probe hinein erfolgt und die Intensität des jeweiligen Teilstrahls S1 , S2, ... absinkt.
Die Breite des sich einstellenden Plateaus ist wie beschrieben ein Maß für den Grenzwinkel und damit für den Brechungsindex. Wenn nun die Komponenten des Refraktometers beispielsweise durch äußere Einflüsse wie Druck, Temperatur, Vibrationen, Mediengeschwindigkeit, usw. verschoben oder verkippt werden, dann verschiebt sich zwar die Lage des Plateaus, aber die Breite bleibt gleich.
Definitionsgemäß ist der Dachwinkel
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des Messprismas 3 doppelt so groß wie der Einfallswinkel OEdes Hauptstrahls:
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Infolge der doppelten Reflexion erzielt man auch die doppelte Empfindlichkeit des Refraktometers: Eine Änderung des Grenzwinkels an der ersten Messfläche bzw Flanke dupliziert sich an der zweiten Messfläche bzw zweiten Flanke. Damit ändert sich die Breite des Plateaus um den doppelten Wert.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Das in Fig. 3 dargestellte Refraktometer ist ähnlich dem in Fig. 1 dargestelltem Refraktometer, wobei die Abbildungsoptik 5 ist als telezentrische Optik ausgebildet. Die Auswirkung der beispielsweise durch thermische Ausdehnungen der mechanischen Bauteile verursachte mechanische Verschiebung auf den Abbildungsmaßstab kann mittels einer telezentrisch ausgebildeten Abbildungsoptik 5 reduziert werden. Dies bewirkt, dass eine Verschiebung des Abstandes zwischen Apertur und Abbildungsoptik 5 oder zwischen Abbildungsoptik 5 und Detektor 4 keine Auswirkung auf den Messwert hat. Die Abbildung erfolgt wie bei einer telezentrischen Optik üblich maßstabsgetreu.
Das Messprisma 3 umfasst bei den beschriebenen Ausführungsformen ein Strahleintrittsfläche 35, an der der Messstrahl 8 in das Messprisma 3 eintritt und eine Strahlaustrittsfläche 36, an der der Messstrahl 8 aus dem Messprima 3 austritt. Die Strahleintrittsfläche 35 und/oder die Strahlaustrittsfläche 36 können optional zur Achse des Messprismas 3 um einen Neigungswinkel geneigt sein. Der Neigungswinkel der Strahleintrittsfläche 35 kann, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, so ausgeführt werden, dass der Hauptstrahls 9 an der Strahleintrittsfläche 35 senkrecht auftrifft. Der Neigungswinkel der Strahlaustrittsfläche 36 kann auch, wie in Fig. 3 dargestellt, senkrecht auf den Hauptstrahl 9 des Messstrahls 8 ausgebildet sein. Bevorzugt, sind dabei die Strahlaustrittsfläche 36 und die Strahleintrittsfläche 35 um die Hauptachse des Prismenkörpers gespiegelt zueinander angeordnet.
Wie in Fig. 4 dargestellt kann die Strahleintrittsfläche 35 und/oder die Strahlaustrittsfläche 36 auch zum in das Messprisma 3 eintretenden bzw. aus dem Messprisma 3 austretendem Messstrahl 8 geneigt sein, sodass der Messstrahl 8 beim Durchgang durch die Strahleintrittsfläche 35 und/oder Strahlaustrittsfläche 36 gebrochen wird. Bevorzugt kann der Winkel so gewählt werden, dass der ein- bzw. ausfallende Hauptstrahl 9 jeweils parallel zur Symmetrieachse des Prismas verläuft. Damit wird eine kompaktere Bauform des Refraktometers ermöglicht.
In einer optionalen Ausführungsform kann die Strahleintrittsfläche 35 und/oder die Strahlaustrittsfläche 36 des Messprismas 3 als sphärische oder asphärische Fläche ausgebildet sein oder eine an die Strahleintrittsfläche 35 und/oder die Strahlaustrittsfläche 36 angrenzende Sammel- oder Zerstreuungslinse vorgesehen sein.
Optional kann vorgesehen ein, dass das Messprisma 3 der Ausführungsformen der Fig. 1 bis Fig. 4 eine abgeflachte stumpfförmige Spitze aufweist. So können beispielsweise der Platzbedarf und Reinigungsaufwand reduziert werden.
Im Refraktometer wird das Prisma so in das Gehäuse des Refraktometers eingesetzt, dass die zumindest eine medienberührte Messfläche 31 in die zu untersuchende Probe getaucht wird oder mit dieser benetzt werden kann. Die weiteren Komponenten des Refraktometers werden gegen die Probe fluiddicht im Gehäuse eingeschlossen. Für Prozessrefraktometer kann der Einbau der Anordnung in fluidführende Prozessleitungen vorgesehen sein, z.B: mittels Normflanschen.
In Fig 5 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers schematisch dargestellt. Das Messprisma 3 weist dabei zwei Strahlleitflächen 33a, 33b auf, die um die Achse des Messprismas 3 gespiegelt angeordnet sind und den Messstrahl 8 innerhalb des Messprismas 3 ablenken. Der Messstrahl 8 tritt an der Strahleintrittsfläche 35 in das Messprisma 3 ein und wird dann von der ersten Strahlleitfläche 33a auf die Messfläche 31 abgelenkt. An der Messfläche 31 erfährt dann der Messstrahl 8 die erste Mediumsberührung. Nach der ersten Mediumsberührung wird dann der Messstrahl 8 auf die zweite Strahlleitfläche 33b abgelenkt. Von dieser wird der Messstrahl 8 dann auf eine spiegelnde Fläche, beispielsweise wie in Fig. 5 dargestellt auf die verspiegelte Strahlaustrittfläche 36 oder einen Teil der verspiegelt beschichteten oder spiegelnd ausgebildeten Stahleintrittsfläche 35, gelenkt und dort reflektiert. Der Messstrahl 8 wird dann wieder über die zweite Strahlleitfläche 33b auf die Messfläche 31 geleitet und erfährt dort die zweite Mediumsberührung. Dabei wird der Einfallswinkel
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des Hauptstrahls 9 in sich selbst gespiegelt, die Winkel der von Einfallswinkel
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des Hauptstrahls 9 abweichenden Teilstrahlen S1 , S2, ... bzw. Si mit Einfallswinkel treffen bei
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der zweiten Mediumsberührung mit einem Einfallswinkel
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auf die Messfläche 31 . Nach der zweiten Mediumsberührung tritt dann der Messstrahl 8 über die erste Strahlleitfläche 33a abgelenkt an der Strahleintrittsfläche 35 aus dem Messprima 3 aus. Somit findet die erste und die zweite Mediumsberührung jeweils an derselben Messfläche 31 statt. Der Messtrahl 8 trifft dann auf den Detektor 4 auf und wird ausgewertet.
Das Messprisma 3 kann bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ähnlich den aus dem Stand der Technik bekannten Messprimen ausgebildet sein, wobei lediglich im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Prismen die Strahlaustrittsfläche 36 verspiegelt ausgeführt ist.
Fig. 6 zeigt die Gesamtansicht der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers gemäß Strahlengang im Messprisma 3 der Fig. 5. Dem Messprisma 3 ist bei dieser Ausführungsform ein Strahlteiler 12 im Bereich des Messstrahlengangs vor der Strahleintrittsfläche 35 vorgeordnet. Der Messstrahl 8 wird von der Beleuchtungsoptik 2 und Spiegel 13 über einen Strahlteiler 12 auf die Eintrittsfläche 35 des Messprismas 3 geleitet, nach der Wechselwirkung mit der Probe an der Messfläche 31 a wird der Messstrahl 8 an der spiegelnd ausgebildeten Strahlaustrittfläche 36 gespiegelt, sodass der Hauptstrahl 9 in sich selbst zurückfällt, die Einfallswinkel der Teilstrahlen Si auf die Messfläche 31 sind bei der zweiten Mediumsberührung in Relation zum Einfallswinkel
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der ersten Mediumsberührung in Bezug auf den Hauptstrahl 9 invertiert. Das Strahlenbündel des Messstrahls 8 fällt nach dem Austritt aus dem Messprisma 3 an der Strahlaustrittsfläche 35 wieder auf den Strahlteiler 12 und wird mit der Abbildungsoptik 5 auf den Detektor 4 abgebildet. Diese Ausführungsform ermöglicht es eine sehr kompakte Bauform des Refraktometers bereitzustellen.
Alternativ zu der in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform kann auch anstelle der spiegelnd ausgebildeten Strahlaustrittfläche 36 oder einen Teil der verspiegelt beschichteten oder spiegelnd ausgebildeten Stahleintrittsfläche 35 eine andere Fläche des Messprismas 3 verspiegelt sein und derart der Messstrahl 8 in die Messfläche 31 zurückgespiegelt werden. Alternativ kann auch dem Messprima 3 nach der Strahlaustrittfläche 36 ein Spiegel nachgeordnet sein und der Messstrahl 8 so wieder in das Messprisma 3 zurück auf die Messfläche 31 reflektiert werden.
Der Detektor 4 ist bevorzugt bei erfindungsgemäßen Refraktometern als Zeilen- oder Flächendetektor ausgebildet. Jedem Pixel bzw. jeder Position des Detektors 4 ist ein Winkel des auf den Detektor 4 auftreffenden Teilstrahls bzw eine Winkeldifferenz zwischen einzelnen Teilstrahlen S1 , S2, ... des Messstrahls 8 zugeordnet. Es kann z.B. Aufgrund der Brennweite der Abbildungsoptik f jeder Position x am Detektor mit x=f.tan
Figure imgf000015_0002
ein Winkel
Figure imgf000015_0003
zugeordnet werden. Die Zuordnung der Pixel bzw. der Position am Detektor 4 zu den Winkeln kann aber auch z.B: durch Kalibration mit verschiedenen bekannten Brechungsindizes oder mittels einer optischen Simulation, beispielsweise dem inverse ray tracing, erfolgen. Somit erfolgt stets die Zuordnung der Position der auf den Detektor 4 auftreffenden Teilstrahlen S1 , S2, ...
Die Auswertung des Messstrahls 8 bzw. der Intensitätskanten kann beispielsweise wie nachfolgend beschrieben erfolgen: Die Lage der Kante des Intensitätsverlaufs bzw. der Grenzwinkel der Totalreflexion
Figure imgf000015_0004
wird bestimmt und aus der Lage dieses Winkels dann der Brechungsindex ermittelt. Wertet man nun die beiden gespiegelten Kanten des am Detektor 4 abgebildeten Intensitätsverlaufs aus, liegt die Mitte des Plateaus des Intensitätsmaximums beim Einfallswinkel OE des Hauptstrahls 9 bzw, beim Auslegungswinkel des Messprismas 3. Die abfallenden Flanken des Intensitätsverlaufs liegen jeweils im Abstand x zueinander (Fig. 3). Der Abstand x der beiden Kanten des Intensitätsverlaufs entspricht jeweils
Figure imgf000015_0005
Es gilt für den Abstand x der beiden Flanken des Intensitätsverlaufs:
Figure imgf000016_0001
Das Messprisma 3 ist bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen so ausgebildet, dass die Teilstrahlen mit vom Hauptstrahl 9des Messstrahls 8abweichenden Einfallswinkeln bei der zweiten Mediumsberührung so einfallen, dass die vorher um einen größeren Winkel
Figure imgf000016_0002
zum Hauptstrahl 9 liegenden Teilstrahlen Si, nunmehr zu einem kleineren Winkel
Figure imgf000016_0003
zum Hauptstrahl 9 einfallen und umgekehrt. Der Betrag der Abweichung des i-ten Teilstrahls vom Hauptstahl 9 bleibt dabei gleich
Figure imgf000016_0004
Damit ergibt sich eine Intensitätsverteilung mit zwei Flanken.
Der Prismenwinkel
Figure imgf000016_0005
des Messprismas 3 ist der Winkel der Strahlleitflächen 33 des Messprismas 3 zueinander. Je nach Brechungsindex des Prismenmaterials wird damit der messbare Grenzwinkel der Totalreflexion und damit die messbaren Brechungsindizes festgelegt. Der Auslegungswinkel
Figure imgf000016_0006
bzw. Einfallswinkel
Figure imgf000016_0007
des Hauptstrahls auf die Messflächen 31 a muss größer sein, als der Grenzwinkel der
Figure imgf000016_0008
Totalreflexion. Durch die Inversion an der zweiten Messfläche 31 b gilt für alle Teilstrahlen
Figure imgf000016_0010
bei denen der Betrag von größer als
Figure imgf000016_0009
ist, dass bei einem Reflex an einer medienberührten Fläche ein Teil der Intensität durch Brechung in das Medium verloren geht.
Figure imgf000016_0011
Totalreflexion findet bei Winkeln statt, deren Abweichung vom Einfallswinkel des Hauptstrahls 9 kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion:
Figure imgf000016_0012
Je nach gewünschtem Messbereich wird dieser für die optische Auslegung des Systems bestimmt.
Figure imgf000016_0013
Der Auslegungswinkel
Figure imgf000016_0015
des Messprismas 3 kann beispielsweise durch die Gleichung = arcsin nmax/n2 ermittelt werden, Wobei der maximale Brechungsindex
Figure imgf000016_0014
und n2 der Brechungsindex des Messprismas 3 ist.
Damit in der Intensitätsverteilung am Detektor immer ein „Plateau“ zwischen den beiden
Flanken der Fresnelkurve bestehen bleibt, muss der Hauptstrahl 9 bei den beiden Mediumsberührungen immer totalreflektiert werden. Das bedeutet, dass der Einfallswinkel des Hauptstrahls 8 auch beim höchsten angenommenen Index des Mediums größer sein muss als der Grenzwinkel der Totalreflexion
Figure imgf000017_0001
Soll etwa die obere Grenze des Messbereich 1 ,38 sein und wird Saphir (n=1 ,7682) als Material für das Messprisma 3 gewählt ergibt sich ein kritischer Winkel
Figure imgf000017_0002
von 51 ,3°. Der Einfallswinkel des Hauptstrahls 9 auf die medienberührten Flächen sollte also etwa 52° oder mehr betragen.
Somit ergibt sich, dass der Winkel zwischen den beiden medienberührten Flächen, also der Messfläche 31 bzw. der ersten Messfläche 31 a und der zweiten Messfläche 31 b, der in Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen insbesondere doppelt so groß ausgebildet ist wie der Einfallswinkel des Hauptstrahls 9.
Alternativ zu den in Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsformen kann auch der Detektor 4 auch gleich an das Messprisma 3 nachgeordnet und keine Abbildungsoptik 5 vorhanden sein.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion in einer flüssigen Probe wobei von einer Lichtquelle (1 ) ein Messstrahl (8) mit einer Anzahl von jeweils um eine erste Winkelabweichung
Figure imgf000018_0001
in Bezug auf den Hauptstrahl (9) abweichenden Teilstrahlen (S1 , S2, ...) abgestrahlt wird, wobei der Messstrahl (8) über eine Beleuchtungsoptik
(2) in ein Messprisma
(3) mit einem Auslegungswinkel
Figure imgf000018_0002
abgestrahlt wird, wobei das Messprisma (3) zumindest eine Messfläche (31 ) aufweist an der der Messstrahl (8) und/oder der Hauptstrahl (9) unter einem Einfallswinkel
Figure imgf000018_0004
mit der zu vermessenden Probe in Kontakt gebracht wird und eine Mediumsberührung erfährt, und wobei der Messstrahl (8) nach der Mediumsberührung auf einen Detektor
(4) abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (8) derart innerhalb des Refraktometers abgelenkt wird, dass der Messstrahl (8) zumindest zwei, insbesondere genau zwei, Mediumsberührungen an der zumindest einen Messfläche (31 ) des Messprismas (3) erfährt, wobei die zweite Winkelabweichung des
Figure imgf000018_0003
jeweiligen Teilstrahls (S1 , S2, ...) in Bezug auf den Hauptstrahl (9) bei der zweiten Mediumsberührung der um den Hauptstrahl (9) gespiegelten ersten Winkelabweichung des jeweiligen Teilstrahls (S1 , S2,..) bei der ersten
Figure imgf000018_0005
Mediumsberührung in Bezug auf den Einfallswinkel
Figure imgf000018_0006
des Hauptstrahls (9) entspricht, sodass sich am Detektor (4) eine doppelte um den Einfallswinkel
Figure imgf000018_0007
des Hauptstrahls (9) gespiegelte Fresnelkurve abbildet, und wobei die Intensitätskanten der Fresnelkurve zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion
Figure imgf000018_0008
herangezogen werden. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Position, insbesondere über die Pixelposition des Detektors (4), der auf den Detektor (4) einfallenden Teilstrahlen (S1 , S2, ...) des Messstrahls (8) der jeweiligen Winkeldifferenz des Teilstrahls (S1 , S2, ...) in der Messfläche zugeordnet wird, wobei der Abstand (x) der beiden Intensitätskanten der Fresnelkurve bestimmt wird, und wobei der Grenzwinkel der Totalreflexion
Figure imgf000018_0010
gemäß der Formel bestimmt wird.
Figure imgf000018_0009
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (8) nach der ersten Mediumsberührung, insbesondere senkrecht, auf eine spiegelnde Fläche auftrifft, sodass der Messstrahl (8) gespiegelt auf die Messfläche (31 ) des Messprismas (3) zurück geworfen wird und derart der Messstrahl (8) in der Messfläche (31 ) der ersten Mediumsberührung, insbesondere an dem selben Ort der ersten Mediumsberührung, die zweite Mediumsberührung erfährt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messprisma (3) zwei voneinander beabstandete Messflächen (31 a, 31 b) aufweist, wobei die erste Messfläche (31 a) und die zweite Messfläche (31 b) derart in dem Messprima (3) angeordnet sind, dass der Messstrahl (8) an der ersten Messfläche (31 a) eine erste Mediumsberührung und an der zweiten Messfläche (31 b) eine zweite Mediumsberührung erfährt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (8) vor dem Auftreffen auf dem Detektor (4) durch eine Abbildungsoptik (5) geleitet wird, wobei die Abbildungsoptik (5) insbesondere als telezentrische Optik ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) als Zeilen- oder Flächendetektor ausgebildet ist,
-wobei jedem Pixel des Detektors (4) ein Winkel des jeweils auf den Detektor (4) auftreffenden Teilstrahls (S1 , S2, ...) zugeordnet ist, oder
- wobei den Abständen zwischen jeweils zwei Pixeln Winkeldifferenzen zwischen Teilstrahlen (S1 , S2, ...) zugeordnet sind. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messprisma (3) zumindest eine Strahleintrittsfläche (35) und eine Strahlaustrittsfläche (36) aufweist, wobei die Strahleintrittsfläche (35) und/oder die Strahlaustrittsfläche (36) des Messprismas (3) als sphärische oder asphärische Fläche ausgebildet sind oder dass, eine an die Strahleintrittsfläche (35) und/oder die Strahlaustrittsfläche (36) angrenzende Sammel- oder Zerstreuungslinse als Beleuchtungs- und /oder Kameraoptik angeordnet ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleintrittsfläche (35) und/oder die Strahlaustrittsfläche (36) zur Achse des Messprismas (3) um einen Neigungswinkel geneigt sind wobei der Hauptstrahl (9) so gebrochen wird, dass der Winkel zwischen Ein- und Austritt des Hauptstrahls (9) in und aus dem Messprisma(3) verringert wird, wobei bevorzugt die Strahlaustrittsfläche (36) und die Strahleintrittsfläche (35) um die Hauptachse des Prismenkörpers gespiegelt zueinander angeordnet sind. Refraktometer, insbesondere Prozessrefraktometer, zur Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion in einer flüssigen Probe, insbesondere nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8, umfassend:
- eine Lichtquelle (1 ) von der ein Messstrahl (8) mit einer Anzahl von jeweils um eine erste Winkelabweichung
Figure imgf000020_0001
in Bezug auf den Hauptstrahl (9) abweichender Teilstrahlen (S1 , S2, ....) abgestrahlt wird,
- zumindest eine Beleuchtungsoptik (2), zumindest ein Messprisma (3) und einen Detektor (4),
- wobei das Messprisma (3) zumindest eine Messfläche (31 ) aufweist,
- wobei das Messprisma (3) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Messstrahl (8) an der Messfläche (31 ) mit der zu vermessenden Probe eine Mediumsberührung erfährt, und wobei der Messstrahl (8) nach der Mediumsberührung auf einen Detektor (4) ablenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Messprisma (3) derart ausgebildet ist, dass der Messstrahl (8) derart innerhalb des Refraktometers abgelenkt wird, dass der Messstrahl (8) zumindest zwei, insbesondere genau zwei, Mediumsberührungen an der zumindest einen Messfläche (31 ) des Messprismas (3) erfährt, wobei die zweite Winkelabweichung des jeweiligen Teilstrahls (S1 , S2, ...) in Bezug auf
Figure imgf000020_0002
den Hauptstrahl (9) bei der zweiten Mediumsberührung der um den Hauptstrahl (9) gespiegelten ersten Winkelabweichung des jeweiligen Teilstrahls (S1 ,
Figure imgf000020_0003
S2,..) bei der ersten Mediumsberührung in Bezug auf den Einfallswinkel
Figure imgf000020_0004
des Hauptstrahls (9) entspricht. Refraktometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Messstrahlengang nach der ersten Mediumsberührung ein Spiegel angeordnet ist oder, dass das Messprisma (3) eine reflektierende Fläche aufweist, sodass der Messstrahl (8) gespiegelt auf die Messfläche (31 ) des Messprismas zurückwerfbar ist und derart der Messstrahlengang in der Messfläche (31 ) der ersten Mediumsberührung die zweite Mediumsberührung erfährt. Refraktometer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messprisma (3), zwei Messflächen (31 a, 31 b) aufweist, wobei die erste Messfläche (31 a) und die zweite Messfläche (31 b) derart in dem Messprima (3) angeordnet sind, dass der Messstrahl (8) an der ersten Messfläche (31 a) eine erste Mediumsberührung und an der zweiten Messfläche (31 b) eine zweite Mediumsberührung erfährt. Refraktometer nach einem Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4) als Zeilen- oder Flächendetektor ausgebildet ist, wobei den Pixeln des Detektors (4) und/oder deren Abständen jeweils Winkeldifferenzen der auf den Detektor (4) auftreffenden Teilstrahlen (S1 , S2, ...) zugeordnet ist. Refraktometer nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messprisma (3) in Bezug auf die Achse des Messprismas (3) einander gegenüberliegende Strahlleitflächen (33) aufweist, wobei die Strahlleitflächen (33) als Messflächen (31 a, 31 b) ausgebildet sind, sodass der Messstrahl (8) mit der zu vermessenden Probe jeweils in den Messflächen (31 a, 31 b) mit der zu vermessenden Probe in Berührung bringbar sind. Refraktometer nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleintrittsfläche (35) und die Strahlaustrittsfläche (36) zur Achse des Messprismas (3) um einen Neigungswinkel geneigt sind, wobei insbesondere der Neigungswinkel dem Eintrittswinkel des Messstrahls (8) an der Strahleintrittsfläche (35) entspricht und wobei bevorzugt die Strahlaustrittsfläche (36) und die Strahleintrittsfläche (35) um die Hauptachse des Prismenkörpers gespiegelt zueinander angeordnet sind. Refraktometer nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleintrittsfläche (35) und/oder die Strahlaustrittsfläche (36) des Messprismas (3) als sphärische oder asphärische Fläche ausgebildet sind oder dass, eine an die Strahleintrittsfläche (35) und/oder die Strahlaustrittsfläche (36) angrenzende Sammeloder Zerstreuungslinse angeordnet ist
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