折光计和利用折光计来确定过程介质的折射率的方法技术

本发明专利技术涉及用于确定过程介质(PM)的折射率的折光计，其具有用于在折光计的运行单元(1)和探头单元(5)之间建立光学连接的至少一个光学的光导(3、31、

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】折光计和利用折光计来确定过程介质的折射率的方法


[0001]本专利技术涉及用于确定过程介质的折射率的折光计，该折光计具有至少一个光源、光学探测器单元、调整/评估单元和带有预先给定的折射率的测量棱镜。此外，本专利技术还涉及利用折光计来确定过程介质的折射率的方法。

技术介绍

[0002]折光计在过程测量技术的诸多领域、例如在在食品技术、用水经济、化学、生物化学、医药、生物科技和环境测量技术中被用来确定过程介质、例如过程液体的折射率。例如为了确定能从折射率推导出的过程参量、如在过程介质中的物质(例如糖)的浓度而考虑折射率。
[0003]折光计的测量原理基于使光在由测量棱镜的接触介质的表面形成的过程介质与测量棱镜之间的边界面上射入。在此，借助光在边界面上的折射和/或反射产生光学信号。在接触介质的表面上折射和/或反射的光的方向和/或强度依赖于过程介质与测量棱镜之间的折射率差。因此，根据光学信号和测量棱镜的已知的折射率能够确定过程介质的折射率。
[0004]由现有技术已知例如所谓的阿贝折光计，阿贝折光计利用全反射的临界角工作。依赖于测量棱镜和过程介质之间的折射率差以及入射角，入射到过程介质与测量棱镜之间的边界面上的光被折射到过程介质中及被反射或全反射。借助经反射的光的强度依赖于入射角地来确定全反射的临界角并由此获知过程介质的折射率。在现有技术中以各种各样的设计方案描述了阿贝折光计，例如在DE 1994 47 98 A1中。
[0005]与阿贝折光计不同，在透射光折光计(也称之为：透射式折光计)的情况中，测量棱镜和过程介质被优选准直的射束穿过。射束在穿过测量棱镜和过程介质时的偏转在此依赖于它们的折射率差。因此，射入的射束与穿过的射束之间的偏转角是用于过程介质的折射率的度量。例如根据穿过的射束在垂直于射入的射束的光轴的探测器平面上的焦点位置又获知偏转角。已知的透射光折光计的不利之处在于：它们通常需要通往过程介质的两个访问口。
[0006]在专利文献DE 10 2007 05 07 31 B3中描述了带有单侧的过程访问口的透射光折光计。在其中所描述的折光计中，光经由唯一的过程访问口射入，光借助照明光学器件准直并在转向光学器件上转向，接着穿过过程介质和测量棱镜，并且通过成像光学器件聚焦到探测器平面上。探测器平面有利地布置在射入侧上，由此能够实现通往过程介质的单侧访问口。
[0007]在申请人的于本申请的申请日的时间点仍未公开的申请(申请号102018116409.2)中描述了具有单侧的过程访问口的透射光折光计，该透射光折光计使用共同的成像和照明光学器件。由此能够有利地缩小用于过程介质的访问口的直径。
[0008]所有的折光计在此的共同之处在于，它们都具有测量棱镜、光源、用于探测光学信号的光学探测器单元和用于调整和/或评估光学信号并接着获知过程介质的折射率的调
整/评估单元。
[0009]在之前所提到的工业中，过程访问口通常具有非常小的直径。由于在现有技术中普遍地将光源和/或光学探测器单元(例如相机行)整合到折光计中，折光计通常在其部件的节省空间的布置和/或定规格的情况中本身就具有对于具有很小直径的过程访问口而言是成问题的尺寸。

技术实现思路

[0010]因此，本专利技术的任务在于：说明一种适合于小的过程访问口的折光计。
[0011]该任务通过用于确定过程介质的折射率的折光计以及通过利用根据本专利技术的折光计确定过程介质的折射率的方法来解决。
[0012]关于折光计，该任务通过用于确定过程介质的折射率的折光计来解决，该折光计具有：
[0013]‑
能布置在过程介质之外的运行单元，所述运行单元带有至少一个光源、光学探测器单元和调整/评估单元；
[0014]‑
至少能部分引入到过程介质中的探头单元，所述探头单元配备带有预先给定的折射率的测量棱镜；和
[0015]‑
用于建立运行单元与探头单元之间的光学连接的至少一个光学的光导，其中，光导分别以其第一端部区段通入到运行单元中并且以其第二端部区段分别通入到探头单元中，其中，运行单元、探头单元和一个/多个光导被设计成使得在确定过程介质的折射率时，
[0016]‑
至少一个光源发出光，
[0017]‑
一个/多个光导将由至少一个光源发出的光传导到探头单元，
[0018]‑
光在由测量棱镜的接触介质的表面形成的过程介质与测量棱镜之间的边界面上经历光折射和/或反射，其中，探头单元产生依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号，
[0019]‑
一个/多个光导将依赖于过程介质的折射率的至少一个光学信号导引回运行单元，
[0020]‑
光学探测器单元检测至少一个光学信号并将至少一个光学信号传送给调整/评估单元，
[0021]‑
调整/评估单元根据传送来的至少一个光学信号和测量棱镜的预先给定的折射率确定过程介质的折射率。
[0022]本专利技术的优点如下：
[0023]‑
借助至少一个光导使折光计分离成主动的发出光、接收光和评估光的运行单元和基本上被动测量的探头单元成为可能。仅探头单元必须被引入到过程介质中。运行单元能与探头单元剥离或者能在空间上分开地布置。由此，相较于现有技术中的折光计，能够以减小的直径来实现探头单元。因此，根据本专利技术的折光计也能应用在带有尤其是很小直径、特别是小于45mm的直径的过程访问口的情况中，所述过程访问口因而对于根据本专利技术的折光计而言也是可接近的。
[0024]‑
运行单元能够有利地与过程剥离地布置。在之前所提到的工业中经常具有非常高的温度。非常高的温度可能例如在定期地执行现场清洁和/或消毒(英文：原位清洁或消
毒(Cleaning
‑
or Sterilization
‑
in
‑
Process)，缩写：CIP或SIP)时出现。在此，温度超越至140℃。在根据本专利技术的解决方案中，运行单元配属有折光计的对温度敏感的部件，也就是具有电子和/或电气构件的部件如光源、光学探测器单元以及带有微处理器和用于处理的软件的调整/评估单元。这些对温度敏感的部件能布置在过程介质之外(尤其是布置在用于过程介质的过程容器之外)。由此，能够使对温度敏感的部件与过程介质或例如清洁介质热绝缘。否则，尤其是对于具有较小尺寸的折光计，即对于不能剥离的运行单元而言，充分的热绝缘将是非常困难的。
[0025]‑
原则上，探头单元本身不必具有用于确定折射率的电子结构元件。因为探头单元的接触介质的表面大多由本就化学惰性的且耐高温的材料、典型地由玻璃或蓝宝石组成，测量棱镜能毫无问题地经受高温和/或其它极端的过程和/或环境条件。同样适用于在通入到探头单元中的第二端部区段上的承受直至260℃的温度的光导。由此，根据本专利技术的折光计视设计方案而定地原则上也能经受这些非常高的温度。
[0026]‑
在至少一个光导的几何设计方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于确定过程介质(PM)的折射率的折光计，所述折光计具有：
‑
能布置在所述过程介质(PM)之外的运行单元(1)，所述运行单元带有至少一个光源(2、21、22、
……
)、光学探测器单元(7)和调整/评估单元(4)；
‑
至少能部分引入到所述过程介质(PM)中的探头单元(5)，所述探头单元配备带有预先给定的折射率的测量棱镜(6)；和
‑
用于建立所述运行单元(1)与所述探头单元(5)之间的光学连接的至少一个光学的光导(3、31、
……
)，其中，光导(3、31、
……
)分别以其第一端部区段(3a、31a、
……
)通入到所述运行单元(1)中并且以其第二端部区段(3b、31b、
……
)分别通入到所述探头单元(5)中，并且其中，所述运行单元(1)、所述探头单元(5)和一个/多个光导(3、31、
……
)被设计成使得在确定过程介质(PM)的折射率时，
‑
所述至少一个光源(2、21、22、
……
)发出光，
‑
所述一个/多个光导(3、31、
……
)将由所述至少一个光源(2、21、22、
……
)发出的光传导到所述探头单元(5)，
‑
光在由所述测量棱镜(6)的接触介质的表面(OF)形成的过程介质(PM)与测量棱镜(6)之间的边界面上经历光折射和/或反射，其中，所述探头单元(5)产生依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号(OS)，
‑
所述一个/多个光导(3、31、
……
)将所述依赖于过程介质(PM)的折射率的至少一个光学信号导引回所述运行单元(1)，
‑
所述光学探测器单元(7)检测所述至少一个光学信号(OS)并将所述至少一个光学信号传送给所述调整/评估单元(4)，
‑
所述调整/评估单元(4)根据传送来的所述至少一个光学信号(OS)和所述测量棱镜(6)的预先给定的折射率确定所述过程介质(PM)的折射率。2.根据权利要求1所述的折光计，其中，一个/多个光学的光导(3、31、
……
)被设计成带有多条纤维(B1；B2；A1、A2)的纤维束(FB)，其中，所述光导(3；31、
……
)中的一个光导包括与所述至少一个光源(2、21、22、
……
)连接的至少一条照明纤维(B1；B2、
……
)并且所述光导(3；31、
……
)中的一个光导包括与所述光学探测器单元(7)连接的至少两条成像纤维(A1、A2、
……
)，并且其中，一条/多条照明纤维(B1；B2、
……
)被设计成使得所述至少一个光源(2、21、22、
……
)的光被导引到所述探头单元(5)，并且所述成像纤维(A1；A2、
……
)被设计成使得所述至少一个光学信号从所述探头单元(5)被导引到所述光学探测器单元(7)。3.根据权利要求2所述的折光计，其中，所述光导(3、31、
……
)或所述光导中的一个光导被设计成包括一条/多条照明纤维(B1；B2
……
)和多条成像纤维(A1；A2、
……
)的纤维束(FB)，并且其中，所述纤维束(FB)在通入到所述运行单元(1)的第一端部区段(3a、31a、
……
)中分支成带有一条/多条照明纤维(B1；B2
……
)的第一纤维束支路(FB1)和带有所述多条成像纤维(A1；A2、
……
)的第二纤维束支路(FB2)。4.根据前述权利要求中至少一项所述的折光计，其中，所述折光计涉及透射光折光计，所述透射光折光计的探头单元(5)配备带有在所述探头单元(5)的纵向方向上延伸的光轴(z)的光学系统(8)，所述光学系统构造成从由所述一个/多个光导传导的光产生出准直的射束(SB)，其中，所述测量棱镜(6)具有平坦且相互倾斜的至少两个表面(OF1、OF2)，所述至少两个表面布置在所述测量棱镜(6)的接触介质的表面(OF)处，并且其中，两个相互倾斜的
表面(OF1、OF2)关于垂直于所述光轴(z)的平面分别绕着倾斜轴线(x)且在彼此相反的方向上倾斜，其中，所述倾斜轴线(x)垂直于光轴(z)。5.根据权利要求4所述的折光计，其中，所述探头单元(5)具有转向元件(9)，所述转向元件关于所述光学系统(8)沿着所述光轴(z)错开地布置，使得
‑
所述射束(SB)在第一行程中第一次穿过所述测量棱镜(6)和所述过程介质(PM)，其中，所述射束(SB)在所述接触介质的表面(OF)上经历第一次光折射，
‑
所述射束(SB)在所述转向元件(9)处转向，
‑
所述射束(SB)在第二行程中第二次穿过所述测量棱镜(6)和所述过程介质(PM)，其中，所述射束(SB)在所述接触介质的表面(OF)上经历第二次光折射，且
‑
所述光学系统(8)接着将所述射束(SB)聚焦回到所述光导(3、31、
……
)中的一个光导上，并且
‑
所述光导(3、31、
……
)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：托比亚斯，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔过程解决方案德国有限公司，
类型：发明
国别省市：