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Dokumentenidentifikation DE102006037506A1 12.04.2007
Titel Refraktometer
Anmelder Janesko Oy, Vantaa, FI
Erfinder Salo, Harri J., Vantaa, FI
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 10.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006037506
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/43(2006.01)A, F, I, 20060810, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer, das eine Lichtquelle (3), ein in einer Prozessflüssigkeit anzuordnendes optisches Fenster (1), Mittel zum Richten eines Strahlenbündels von der Lichtquelle auf eine Grenzfläche (RP) zwischen Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster (1) und zum Zurückleiten eines Teils des von der Grenzfläche in das optische Fenster (1) gebrochenen Strahlenbündels und Mittel zum Betrachten eines auf vorgenannte Weise erzeugten Bildes aufweist. Das von der Lichtquelle (3) eintreffende Strahlenbündel wird auf die Grenzfläche (RP) zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster (1) von der Seite der Prozessflüssigkeit in Richtung der Grenzfläche geleitet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Refraktometer, das eine Lichtquelle, ein in einer Prozessflüssigkeit anzuordnendes optisches Fenster, Mittel zum Richten eines Strahlenbündels von der Lichtquelle auf eine Grenzfläche zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster und zum Zurückleiten eines Teils des von der Grenzfläche in das optische Fenster gebrochenen Strahlenbündels und Mittel zum Betrachten eines auf vorgenannte Weise erzeugten Bildes aufweist.

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

Die Operation von heutzutage allgemein benutzten Prozessrefraktometern basiert auf der Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion auf der Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und der zu messenden Flüssigkeit.

Das Arbeitsprinzip der vorgenannten Prozessrefraktometer kann grundsätzlich auf folgende Weise beschrieben werden. Ein von der Lichtquelle eintreffendes Strahlenbündel wird durch ein optisches Fenster auf die Grenzfläche zwischen dem optischen Fenster und der Prozessflüssigkeit gerichtet. Ein Teil des Strahlenbündels wird völlig von der Flüssigkeit reflektiert, ein Teil wird teilweise in die Flüssigkeit absorbiert. Daraus entsteht ein Bild, in dem die Lage der Grenze eines hellen und eines dunklen Bereichs vom Grenzwinkel der Totalreflexion und somit von der Brechzahl der Prozessflüssigkeit abhängig ist. Ein wesentlicher Faktor bei Refraktometermessung ist die Analysierung eines aus der Lichtreflexion entstehenden Bildes. Die Aufgabe der obigen Bildanalyse ist, den Grenzwinkel der Totalreflexion, d. h. die Grenze zu finden, an der der helle Bereich des auf obige Weise entstehenden Bildes in den dunklen Bereich übergeht.

Als Beispiele für die vorgenannten Prozessrefraktometer können die in Finnischen Patenten 108259 und 113566 beschriebenen Lösungen erwähnt werden.

Das Arbeitsprinzip der vorgenannten bekannten Refraktometer ist gut, weil das für das Messsignal verwendete Licht durch die Prozessflüssigkeit nicht passiert, d.h. die Farbe, Partikeln und Blasen der Prozessflüssigkeit haben keine Wirkung auf die Messung. Nachteilig ist jedoch die Ungenauigkeit des Grenzwinkels, da die Grenze zwischen Licht und Schatten im optischen Bild nicht senkrecht ist, weshalb die steilste Stelle mathematisch gesucht worden ist.

Aus Laborrefraktometern ist ein anderes bei Refraktometermessungen angewendetes Prinzip bekannt. Nach diesem Prinzip triff das Licht von der Seite der zu messenden Flüssigkeit auf der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem optischen Fenster ein und ein Teil des Lichts wird von der Grenzfläche in das optische Fenster gebrochen. Eine bei der Messung zu messende Probe wird auf die Oberfläche des optischen Fensters derart gestellt, dass sich die Probe zwischen der Oberfläche des optischen Fensters und einer Mattscheibe oberhalb der Oberfläche befindet. Das Licht wird über die Mattscheibe in die Probe geleitet.

Die oben beschriebene Lösung weist den Nachteil auf, dass die Lösung als solche in der Praxis nur für Laboranwendungen geeignet ist, weil es schwierig ist, die empfindliche Lichtquelle in anspruchsvollen Prozessverhältnissen unterzubringen. Das Grundprinzip der Lösung, d.h. die Lichtbrechung in das optische Fenster, ist vorteilhaft als solche, weil die Grenze zwischen Licht und Schatten im optischen Bild deutlich steiler ist als bei Lösungen, die auf der Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion basieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Refraktometer bereitzustellen, durch das die Nachteile des Standes der Technik derart gelöscht werden können, dass die Vorteile des Standes der Technik auch in anspruchsvollen praktischen Verhältnissen, zum Beispiel in schwierigen Prozessverhältnissen, ausgenutzt werden können. Dies wird durch ein erfindungsgemäßes Refraktometer erreicht. Das erfindungsgemäße Refraktometer ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle eintreffende Strahlenbündel auf die Grenzfläche zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster von der Seite der Prozessflüssigkeit in Richtung der Grenzfläche geleitet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung weist vor allem den Vorteil auf, dass das vorher an sich bekannte Grundprinzip anhand der Erfindung auch in Prozessverhältnissen angewendet werden kann. Ein Vorteil der Erfindung ist weiterhin die Einfachheit der Lösung, was die Einführung und Verwendung der Erfindung vorteilhaft macht. Die Erfindung weist auch den Vorteil auf, dass das Grundprinzip der Erfindung vorteilhaft auf viele verschiedene Weisen modifiziert werden kann, d.h. die Erfindung kann vorteilhaft nach jeweiligen situationsbedingten Anforderungen modifiziert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnung beschriebenen Beispiels ausführlicher erläutert. Es zeigen

1 ein Prinzip eines auf der Messung des Brechungswinkels basierenden Refraktometers,

2 ein optisches Bild, das durch Lichtbrechung in das optische Fenster auf in 1 gezeigte Weise erzeugt wird,

3 eine Kurve, die die Lichtverteilung im Bild gemäß 2 veranschaulicht,

4 eine prinzipielle Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Refraktometers,

5 das Arbeitsprinzip des Refraktometers gemäß 4,

6 eine prinzipielle Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers,

7 eine prinzipielle Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Refraktometers, und

8 prinzipiell eine Einzelheit der Ausführungsformen gemäß 6 und 7 in größerem Maßstab.

1 veranschaulicht das Grundprinzip eines auf der Messung des Brechungswinkels basierenden Refraktometers. Ein optisches Fenster, das zum Beispiel ein Prisma sein kann, wird mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Eine zu messende Flüssigkeit, in dieser Erfindung eine Prozessflüssigkeit, wird mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Eine Grenzfläche zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster wird in 1 mit dem Bezugszeichen RP bezeichnet.

Licht wird auf die Grenzfläche RP über die zu messende Flüssigkeit 2 geleitet, wie es in 1 mithilfe von Pfeilen V gezeigt wird. Ein Teil des auf der Grenzfläche eingetroffenen Lichts wird von der Grenzfläche zurück in die zu messende Flüssigkeit reflektiert. Dieser Teil des Lichts ist in 1 mithilfe von Pfeilen H bezeichnet. Ein Teil des auf der Grenzfläche eingetroffenen Lichts wird in das optische Fenster gebrochen. Dieser Teil wird in 1 mithilfe von Pfeilen T bezeichnet. Aus der oben beschriebenen Erscheinung entsteht ein Bild, das in 2 gezeigt wird. Die Lage der Grenze C zwischen einem hellen Bereich A und einem dunklen Bereich B hängt von der Brechzahl der zu messenden Flüssigkeit ab. 3 zeigt eine Kurve, die die Lichtverteilung in dem in 2 gezeigten Bild veranschaulicht. Wie aus 3 ersichtlich wird, ist die Grenze zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich sehr steil, und somit kann die Lage der Grenze C zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich einfacher bestimmt werden als bei auf der Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion basierenden Refraktometern, in denen mathematische Hilfsmittel verwendet werden müssen, wie oben erwähnt wurde.

4 zeigt eine prinzipielle Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Refraktometers. Das in 1 gezeigte Refraktometer weist eine in der Rahmenkonstruktion angeordnete Lichtquelle 3 und ein in einer Prozessflüssigkeit anzuordnendes optisches Fenster 1 auf. Das Refraktometer weist auch Mittel 4 zum Richten eines Strahlenbündels von der Lichtquelle auf die Grenzfläche zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster und Mittel 5 zum Zurückleiten eines Teils des von der Grenzfläche in das optische Fenster gebrochenen Strahlenbündels und weiterhin Mittel 6 zum Betrachten eines auf vorgenannte Weise erzeugten Bildes auf. Die Mittel 4 zum Richten des Strahlenbündels von der Lichtquelle 3 vorwärts können zum Beispiel Lichtfasern, Spiegelelemente oder andere ähnliche Elemente aufweisen. Die Mittel 5 zum Leiten des in das optische Fenster gebrochenen Lichts können zum Beispiel Linsenelemente, Lichtfasern und andere ähnliche Elemente aufweisen. Die Mittel 6 zum Betrachten des Bildes können zum Beispiel einen Lichtdetektoren aufweisen.

Es ist vorgesehen, dass das Refraktometer gemäß 4 derart verwendet wird, dass in Messsituationen das optische Fenster in Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit, z.B. der Prozessflüssigkeit, steht. In diesem Fall entsteht zwischen dem optischen Fenster 1 und der Prozessflüssigkeit eine Grenzfläche RP, auf der das von der Lichtquelle 3 eintreffende Licht nach dem in 1 gezeigten Grundprinzip gebrochen wird.

Nach der wesentlichen Idee der Erfindung wird das von der Lichtquelle 3 eintreffende Strahlenbündel auf die Grenzfläche RP zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster in Richtung der Grenzfläche geleitet. Die oben erwähnte wesentliche Grundidee der Erfindung wird prinzipiell in 5 dargestellt. Die Anwendung gemäß 4 funktioniert nach dem Prinzip der 5. Bei der Anwendung gemäß 4 ist die Lichtquelle 3 innerhalb der Rahmenkonstruktion des Refraktometers angeordnet, und Licht wird durch die Mittel 4 neben das optische Fenster geleitet und von der Seite des Prozessflüssigkeit auf die Grenzfläche RP auf in 5 gezeigte Weise von der Seite des optischen Fensters geleitet. Es ist klar, dass die Lichtquelle 3 auch derart positioniert werden kann, dass sie sich direkt auf der Seite des optischen Fensters 1 befindet. Die Mittel 4 werden derart angeordnet, dass die zu messende Flüssigkeit nicht daran verhindert wird, auf dem optischen Fenster einzutreffen, beispielsweise derart, dass sich das optische Fenster 1 nicht in einer sehr tiefen Vertiefung befindet, wobei die zu messende Prozessflüssigkeit ungehindert auf dem optischen Fenster eintreffen kann.

Wie oben mithilfe der 4 und 5 gezeigt wurde, befindet sich die Lichtquelle ausserhalb des Prozesses und innerhalb der Messeinrichtung. In der Ausführungsform der 4 ist das Licht zu einem aus einem optischen Material hergestellten Ringelement 7 geleitet. Das Ringelement 7 ist angeordnet, das optische Fenster 1 umzugeben, wie in 4 gezeigt. In der Messsituation steht das Ringelement 7 in Kontakt mit der Prozessflüssigkeit. Das aus einem optischen Material hergestellte Ringelement 7 ist angeordnet, das Licht als zur Grenzfläche parallele Strahlen auf die Grenzfläche RP zu leiten. Das Ringelement 7 dient auch als Hülsenmaterial und einen mechanischen Teil des Refraktometers. Das Material des Ringelements 7 kann zum Beispiel aus Saphir bestehen, wobei die Vorrichtung bei Messungen der Halbleiterindustrie benutzt werden kann, bei denen Metalle auf Prozessoberflächen nicht verwendet werden dürfen. Das Ringelement 7 kann auch derart ausgebildet werden, dass es die Reinhaltung des optischen Fensters 1 anhand einer Prozessflüssigkeitsströmung sowie die Probenwechsel auf der Oberfläche des optischen Fensters fördert.

In der in 4 und 5 dargestellten Ausführungsform wird eine Lichtquelle 3 verwendet. Diese ist jedoch nicht die einzige mögliche Ausführungsform der Erfindung. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei Lichtquellen 3 verwendet werden. In dieser Ausführungsform werden als Lichtquellen LED-Komponenten verwendet, die im aus einem optischen Material hergestellten Ringelement 7 untergebracht sind. Die LED-Komponenten sind an einer Leiterplatte 8 befestigt und in Löchern 9 im aus einem optischen Material hergestellten Ringelement 7 angeordnet. Die oben erwähnten Einzelheiten können deutlich in 8 gesehen werden. Die Böden der Löcher 9 können konische oder kugelförmige Oberflächen sein. Die konischen oder kugelförmigen Oberflächen können geglättete oder ungeglättete Oberflächen sein.

In der Ausführungsform der 6 weisen die Mittel 5 zum Leiten des in das optische Fenster gebrochenen Lichts ein Linsenelement 10 auf. In dieser Ausführungsform ist das Linsenelement 10 angeordnet, eine integrale optische Komponente mit dem optischen Fenster 1 zu bilden. Das Linsenelement 10 kann an das optische Fenster 1 geklebt werden oder das Linsenelement kann als ein integraler Teil mit dem optischen Fenster 1 ausgebildet werden. Somit wird ein integrales optisches Element bereitgestellt, das nicht schwierig zu montieren ist und keine Probleme wegen Winkeländerungen verursacht.

In der Ausführungsform gemäß 6 wird das aus einem optischen Material hergestellte Ringelement 7 für bidirektionale Belichtung verwendet, indem zwei Lichtquellen 3 mit dem Ringelement verbindet werden. Somit entsteht ein Differentialbild auf dem Lichtdetektoren 6, was als Differentialrefraktometer bezeichnet werden kann. Das Messsignal des Differentialrefraktometers ist die Differenz zweier auf dem optischen Fenster gebrochener Grenzwinkelbilder, was bedeutet, dass nicht der Winkel zwischen dem optischen Fenster und dem Lichtdetektoren kritisch ist, sondern nur die Entfernung.

Es können auch mehr als zwei Lichtquellen geben. Die Lichtquellen können auch auf unterschiedlichen Wellenlängen strahlen.

7 zeigt ein drittes Beispiel der Erfindung. Das Beispiel der 7 benutzt zwei Linsenelemente 11, 12 anstatt eines Linsenelements 10 der 6.

Die oben beschriebenen Beispiele dienen auf keine Weise zur Beschränkung der Erfindung, sondern die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche völlig frei modifiziert werden. Somit ist es klar, dass das erfindungsgemäße Refraktometer oder seine Teile denen der Figuren nicht unbedingt genau ähneln müssen, sondern dass andere Lösungen auch möglich sind.


Anspruch[de]
Refraktometer, das eine Lichtquelle (3), ein in einer Prozessflüssigkeit anzuordnendes optisches Fenster (1), Mittel zum Richten eines Strahlenbündels von der Lichtquelle auf eine Grenzfläche (RP) zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster (1) und zum Zurückleiten eines Teils des von der Grenzfläche in das optische Fenster (1) gebrochenen Strahlenbündels und Mittel zum Betrachten eines auf vorgenannte Weise erzeugten Bildes aufweist, wobei das von der Lichtquelle (3) eintreffende Strahlenbündel auf die Grenzfläche (RP) zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster (1) von der Seite der Prozessflüssigkeit in Richtung der Grenzfläche geleitet wird und wobei das Refraktometer weiterhin ein das optische Fenster (1) umgebendes, aus einem optischen Material hergestelltes Ringelement (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (3) eintreffende Strahlenbündel zum aus einem optischen Material hergestellten Ringelement (7) geleitet ist, das angeordnet ist, das Strahlenbündel auf die Grenzfläche (RP) zwischen der Prozessflüssigkeit und dem optischen Fenster (1) zu leiten. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (3) vorhanden ist. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lichtquellen (3) vorhanden sind. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass mehr als zwei Lichtquellen (3) vorhanden sind. Refraktometer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lichtquellen (3) LED-Komponenten sind. Refraktometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Komponenten an einer Leiterplatte (8) befestigt und in Löchern (9) im aus einem optischen Material hergestellten Ringelement (7) angeordnet sind. Refraktometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass die Böden der Löcher (9) im aus einem optischen Material hergestellten Ringelement (7) konische oder kugelförmige Oberflächen sind. Refraktometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lichtquellen (3) angeordnet sind, Licht auf unterschiedlichen Wellenlängen zu strahlen. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Mittel zum Zurückleiten des Teils des in das optische Fenster (1) gebrochenen Strahlenbündels weisen ein oder mehr Linsenelemente (10, 11, 12) auf, das/die angeordnet ist/sind, eine integrale optische Komponente mit dem optischen Fenster (1) zu bilden. Refraktometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, dass das Linsenelement/die Linsenelemente (10, 11, 12) an das optische Fenster (1) geklebt ist/sind. Refraktometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, dass das Linsenelement/die Linsenelemente (10, 11, 12) als ein integraler Teil mit dem optischen Fenster (1) ausgebildet wird/werden.






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